Proteínas funcionais: hemoglobina e mioglobina

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1 BIOQUÍMICA 1º ano de Medicina Ensino teórico 2010/2011 9ª aula teórica 18 Outubro 2010 Proteínas funcionais: hemoglobina e mioglobina - Biochemistry (J. M. Berg, J. L. Tymozko, L. Stryer) 6ª Ed., W. H. Freeman & Company, 2006, Cap 7. - Lehninger Principles of Biochemistry (D.L. Nelson & M. M. Cox) 4ª Ed., W. H.Freeman & Company, 2004, Cap 5. Objectivos 1. Compreender as diferenças estruturais entre hemoglobina e mioglobina. 2. Descrever como se estabelece e quais as características da ligação do oxigénio à mioglobina e à hemoglobina. 3. Avaliar a importância do Fe do grupo heme na ligação ao oxigénio. 4. Interpretar as curvas de ligação da hemoglobina e da mioglobina ao oxigénio. 5. Analisar a regulação da ligação do oxigénio ao grupo heme por H + e CO 2 (efeito de Bohr), e pelo 2,3-bifosfoglicerato. 1

2 Todos os tecidos do nosso organismo necessitam de aporte adequado de oxigénio para a respiração celular. A oxigenação dos tecidos depende de 3 factores: - Fluxo sanguíneo (fluxo cardio-respiratório) - Capacidade de transporte de O 2 pelo sangue (Hb) Porquê retenção nas hemácias? baixa solubilidade e toxicidade do O 2 - Afinidade da hemoglobina pelo O 2 ( 2,3-BPG) Mioglobina (Mb) e Hemoglobina (Hb) ligam O 2 Hemoglobina transporta O 2 no sangue Mioglobina - armazena O 2 no músculo Mioglobina (Mb) (John Kendrew,1950) * Uma única cadeia com 1 grupo heme * 75% em conformação em α-hélice (8 segmentos helicoidais A H) * 4 α-hélices terminam em prolina * Interior -AA apolares: Leu,Val,Phe,Met -excepção: His F8,E7 (AA polares) * Tb imp -Tyr HC2 (lig H p/estabilização) - Gly B6 Hemoglobina (Hb) (Max Perutz, 1950) *Tetrâmero: 2 pares de cadeias α, β (~Mb), γ e/ou δ, ligadas c/ ligações não covalentes *Hb adulto A - α 2 β 2 (~ 97%) A 2 - α 2 δ 2 (2-3%) F - α 2 γ 2 (< 1%) *Cada cadeia está ligada covalentemente a um grupo heme (~ Mb). *Cada cadeia α liga às β, mas não entre si. *Cadeia α tem 141 AA; β, γ e δ têm 146 AA 2

3 Importância da presença do grupo HEME: -parte orgânica - Protoporfirina IX 4 anéis pirrólicos ligados por pontes meteno, a que se ligam: 4 grupos metilo, 2 grupos vinilo, 2 cadeias laterais de propionato -um átomo Ferro (Fe 2+ ) liga O 2 - Exterior - AA polares e não polares; Interior - AA apolares, excepção His - O heme está numa fenda da molécula. - O Fe está ligado à His proximal (F8), fora do plano hémico (5ª posição coordenação) - A His E7 impede a oxidação do Fe. - O O 2 liga-se na 6ª posição coordenação do Fe 2+, de forma angular. CO: afinidade lig >>> O 2 A vida da Hb e das hemácias gerir o grupo Heme -Síntese do heme na mitocôndria e citosol - Síntese das globinas nos ribossomas - Cada GV tem ~ 640 milhões moléculas Hb 3

4 Transição estrutural por ligação do O2 ao heme ALOSTERIA Durante a oxigenação, o Fe movese para o plano do heme O movimento do Fe é transmitido a outras subunidades da Hb pela His F8 Alteração da estrutura quaternária da Hb durante a oxigenação (transição T R) Rompem-se lig. iónicas entre His e Asp (β β ) e entre Lys (α α) e -COO- da His, que estabilizam-se a forma T Formam-se novas lig. H entre β 2 e α1 e entre β 1 e α2, estabilizando a forma R Desoxihemoglobina (T) + O2 Oxihemoglobina (R) A oxigenação da Hb causa uma rotação de cerca de 15 graus das subunidades α-β β Caracteristicas da ligação do O2 à Hb e Mb (γγ ) (curva de dissociação do O2) A Mb tem uma grande afinidade pelo O2 (hipérbole). A ligação do O2 à Hb é cooperativa (sigmóide). γ = fracção de saturação ou ocupação locais de ligação de O2 ( 0-1) Afinidade pelo O2 - P50 - po2 em que 50% dos locais estão preenchidos - γ=0.5, Para Mg=1 e Hg=26 4

5 Capacidade de ligação/libertação de O 2 - mioglobina vs hemoglobina γ = (po 2 ) n (p50) n + (po 2 ) n γ = fracção de saturação ou ocupação locais de ligação de O 2 ( 0-1) n>1 Gráficos de Hill Ligação Cooperativa n=1 Lig.de O 2 à Mb é independente de po 2 n>1 Lig. de O 2 à Hb depende de po 2 cooperatividade + Qual destas proteínas possui maior capacidade de ligar/libertar O 2? po 2 cap. Alv.= 100 torr γ cap. alv.= 0.98 po 2 cap. Musc.= 20 torr γ cap. musc.= 0.32 = 0.66 se p50= 26 torr e n= 2.8 mas se n= 1 γ cap. alv.= 0.79 γ cap. musc.= 0.43 = 0.36 A Hb facilita a libertação de 1.83x mais O 2 do que a Mb! Efeito de Bohr Regulação fisiológica da ligação de O 2 à hemoglobina Se ph e pco 2 Afinidade da Hb pelo O 2 (estabilização da forma T, tensa ) ph Facilita a libertação de O 2 nos tecidos pco 2 CO 2 liga-se na forma de carbamato ao terminal-n de cada cadeia polipeptídica Carbaminohemoglobina 5

6 Hemoglobina Transporte de O 2 e CO 2 nos glóbulos vermelhos Tecidos Pulmões Hemoglobina e o 2,3-bifosfoglicerato (BPG) - O BPG a afinidade da Hb pelo O 2 Estabilização da estrutura quaternária na forma desoxi (T) - Liga-se às cadeias β (AA+) (Lys E1, Lys F6 e His H21) - O BPG liga-se menos à Hb F > afinidade da Hb F pelo O 2 (HbF: H21 é uma serina e não histidina) Transferência de O 2 da circulação materna para a Hb fetal 6

7 Mioglobina e Hemoglobina 1. A mioglobina (Mb) é uma proteína monomérica. A Hemoglobina (Hb) é um tetrâmero. 2. Cada cadeia polipeptídica liga um grupo prostético Heme (protoporfirina + ferro) 3. O oxigénio liga-se à 6ª posição de coordenação do ferro (Fe 2+ ) no heme. 4. A histidina F8 (proximal) ocupa a 5ª posição de coordenação. A histidina E7 (distal) induz um ângulo (~120º) na ligação do O 2 ao Fe 2+ no plano do heme. 5. Durante a oxigenação, o ferro move-se para o plano do heme. modificação conformacional 6. A alteração estrutural resultante da oxigenação induz a alteração da estrutura quaternária da Hb. 7. O oxigénio liga-se de forma cooperativa à Hb (a curva de dissociação do O 2 é sigmóide) maior eficiência no transporte de O 2. cooperatividade 8. O CO 2 liga-se na forma de carbamato à Hb (carbaminohb). 9. A afinidade da Hb pelo O 2 é regulada por: ph, CO 2 e BPG. alosteria 10. O BPG liga-se menos à Hb F > afinidade da Hb F pelo O 2. BIOQUÍMICA 1º ano de Medicina Ensino teórico 2010/ ª aula teórica Princípios gerais de enzimologia 7

8 Regulação da ligação de O 2 à hemoglobina de acordo com necessidades - A Hb transporta O 2, H + e CO 2 - A Hb é uma proteína alostérea A afinidade pelo O 2 é regulada por ph CO 2 BPG < afinidade pelo O 2 > libertação de O 2 para tecidos BPG = biphosphoglicerate 8