BIOQUÍMICA PARA ODONTO

Aula 3: Proteínas globulares: estrutura quaternária Hemoglobina, uma proteína alostérica

Autoria: Luiza HigaPrograma de Biologia EstruturalInstituto de Bioquímica MédicaUniversidade Federal do Rio de Janeiro

Reprodução Proibida

Estrutura quaternária de proteínas globulares

Muitas proteínas (>100 kDa) são compostas de mais de uma cadeia polipeptídica.

As subunidades polipeptídicas associam-se em arranjos geométricos específicos.

O arranjo espacial dessas subunidades é a estrutura quaternária da proteína.

ESTRUTURA QUATERNÁRIA

HEMOGLOBINAFormada por 4 subunidades: 1, 2, β1, β2

grupos heme em vermelho

ESTRUTURA QUATERNÁRIAinterações entre as subunidades As proteínas podem ser compostas de cadeias polipeptídicas idênticas ou diferentes

proteínas com subunidades idênticas (protômeros) são oligômeros

protômeros podem consistir de uma ou mais cadeias polipeptídicas

HEMOGLOBINAdímero (oligêmero de dois protômeros) de β protômeros.

ESTRUTURA PROTÉICAInterações que estabilizam a estrutura terciária

Hemoglobina, uma proteína alostérica

HEMOGLOBINAestruturaHeterotetrâmero, 2β2 ou dímero de protômetos β

formada por hélices

grupo prostético: heme

HEMOGLOBINA

As subunidades e β são estruturalmente e evolutivamente relacionadas entre si e a mioglobina

HEMOGLOBINA

Hemoglobina não é somente um tanque de oxigênio. É um sistema sofisticado de distribuição de oxigênio que fornece as quantidades apropriadas de oxigênio aos tecidos sob as mais variadas circunstâncias.

HEMOGLOBINA

A solubilidade do oxigênio no plasma sanguíneo é muito baixa para fornecer as concentrações de oxigênio necessárias para a demanda metabólica.

Sangue total - ~150g de Hb/L

fração do sangue Solubilidade de O2

plasma 0.0001 Msangue total 0.01 M

MIOGLOBINA

papel fisiológico é facilitar o transporte de oxigênio no músculo, que é o tecido que mais rapidamente respira em condições de intensa atividade.

A mioglobina aumenta a solubilidade efetiva do oxigênio no músculo, aumentando a sua velocidade de difusão, e repõe eficientemente o oxigênio dos capilares para as células musculares.

heme

HEMOGLOBINAgrupo prostético: heme

heme = protoporfirina IX + Fe2+

O heme é responsável pela cor vermelha do sangue!

HEMOGLOBINAgrupo heme

heme = protoporfirina IX + Fe2+

O heme é o sítio de ligação do oxigênio!O átomo de ferro do heme está ligado a cadeia lateral da histidina na proteína

espectro de absorção da hemoglobina oxigenada e deoxihemoglobina

A oxigenação muda o estado eletrônico do Fe2+ no heme

Alteração da cor

sangue venosoSangue arterial

HEMOGLOBINAgrupo heme

Outras moléculas ligam-se ao Fe2+ no heme:

CO

NO

CN-

H2S

Essas moléculas ligam-se a mioglobina e hemoglobina com maior afinidade do que o oxigênio – contribuição para as propriedades altamente tóxicas dessas substâncias

MIOGLOBINA E HEMOGLOBINAgrupo heme

CO2 liga-se a hemoglobina mas não se liga ao heme!!!

HEMOGLOBINA E MIOGLOBINAcurva de saturação A curva de saturação descreve a percentagem de moléculas ligadas a O2 (eixo y) em relação a pressão parcial do gás (pO2, eixo x).

Mioglobina p50 = 2.8 torr

Hemoglobina p50 = 26 torr

A mioglobina libera pouco oxigênio sob a faixa de pO2 normal no sangue

A quantidade de oxigênio ligada a hemoglobina muda significativamente na faixa normal de pO2 (pressão venosa x arterial)

HEMOGLOBINA E MIOGLOBINAcurva de saturação

sangue pO2 YO2 (Mb) YO2

(Hb)

Arterial 100 0.97 0.95venoso 30 0.91 0.55

HEMOGLOBINA E MIOGLOBINAcurva de saturação

No caso da hemoglobina, a ligação de uma molécula de oxigênio aumenta a afinidade da hemoglobina pelas moléculas de oxigênio adicionais!

A quarta molécula de oxigênio liga-se a hemoglobina com cerca de 100 vezes mais afinidade que o primeiro

Quando a hemoglobina liga-se ao O2 em pH fisiológico, ela sofre uma modificação conformacional que torna a hemoglobina mais ácida. Dessa forma, a hemoglobina libera prótons quando se liga ao oxigênio

onde n = 0, 1 , 2, ou 3

↑pH = ↓[H+] → Hb(O2)n+1

↓pH = ↑[H+] → Hb(O2)n + O2

O aumento do pH estimula a ligação do oxigênio a hemoglobina

HEMOGLOBINAefeito de Bohr: efeito do pH na ligação do O2 a hemoglobina

HEMOGLOBINAefeito Bohr O efeito Bohr resulta do aumento do pKs do grupo amino N-terminal da cadeia e da histidina 146 em conseqüência da formação das pontes salinas do estado T.

Os resíduos de histidina expostos na superfície também participam do efeito de Bohr.

HEMOGLOBINAtransporte de CO2 e o efeito do Bohr

hemácias

↑ H+

tecidos sanguecapilares

CO2difusão

↓pO2

anidrase carbônica

↓ H+

↓pO2

O2

pH = 7,35

No músculo em atividade, ocorre a produção de ácido láctico que resulta na diminuição do pH do sangue que irriga o músculo de 7,4 para e 7,2. No músculo, a pO2 pode ser < 20 torr.Em pH 7,2 , a hemoglobina libera ~10% mais oxigênio em pO2 < 20 torr do que em pH 7,4.

↑pO2

hemácias

↑ H+

pulmão sanguecapilares

difusãoCO2

↑pO2

HEMOGLOBINAtransporte de CO2 e o efeito do Bohr

O2

anidrase carbônica

pH = 7,45

CO2 liga-se reversivelmente ao grupos N-terminal das proteínas do sangue, formando carbamato:

Deoxihemoglbina se liga mais a CO2 formando carbamato do que oxiHb

CO2 é modulador da afinidade da Hb pelo oxigenio

Essa ligação contribui pouco para a regulação da afinidade da hemoglobina (cerca de 1% de CO2 está complexado à hemoglobina).

HEMOGLOBINAmodulação da afinidade pelo O2 : CO2

HEMOGLOBINAmodulação da afinidade pelo O2 : BPG

BPG – D- 2, 3 – difosfoglicerato

BPG liga-se com maior afinidade a deoxihemoglobina do que a oxihemoglobina

BPG diminui a afinidade da Hb pelo O2 mantendo a proteína na conformação deoxihemoglobina

Na ausência de BPG, a quantidade de O2 liberada seria menor, uma vez que a afinidade da hemoglobina por O2 é maior

HEMOGLOBINAligação de BPG x afinidade pela deoxiHb

deoxihemoglobina oxihemoglobina

A ligação de BPG ocorre no centro da cavidade da deoxihemoglobina (hemoglobina no estado T), a mudança conformacional para o estado R (da oxihemoglobina) promove a diminuição da cavidade central que expulsa o BPG e promove o aumento da afinidade por oxigênio.

BPG

HEMOGLOBINABPG x adaptação em altas altitudes Em altas altitudes:

↑ [BPG]

diminui a afinidade pelo O2

Aumento [O2 ] nos capilares

Efeito similar ao observado em indivíduos com doenças que limitam a oxigenação do sangue como a anemia e insuficiências cardiopulmonares

HEMOGLOBINAproteína alostéricaallos – outros, stereo – espaço

Interações alostéricas ocorrem quando a ligação de um ligante em um sítio específico da proteína é influenciada pela ligação de outro ligante (modulador) em um local diferente da molécula

Essas interações alostéricas podem ter:

Cooperatividade positiva – quando a ligação do modulador a proteína resulta no aumento da afinidade da proteína pelo ligante

Cooperatividade negativa– quando a ligação do modulador a proteína resulta na diminuição da afinidade da proteína pelo ligante

No caso da interação hemoglobina-oxigênio,

cooperatividade positiva - oxigênio

Cooperatividade negativa - BPG, CO2, H+

HEMOGLOBINAS hemoglobina fetal x BPG Hemoglobina fetal - oligômero de 22

Hemoglobina materna - oligômero de 2β2

menor afinidade por BPG

concentração de BPG

sangue fetal = sangue materno

afinidade pelo O2 :

Hemoglobina fetal > Hemoglobina materna

HEMOGLOBINAmodulação da afinidade pelo O2 A presença de BPG, H+, CO2, no sangue total afetam as propriedades de ligação da hemoglobina ao oxigênio

8 -hélices – nomeadas de A a H Heme está localizado entre as hélices E e F Hélice F contém a Histidina Proximal (His F8) Hélice E contém a Histidina Distal (Chamada de His E7)A Histidina E7 estabiliza o O2 ligado ao Fe2+ por uma ligação de hidrogênio

MIOGLOBINAestrutura

heme

HEMOGLOBINAestruturaHeterotetrâmero, 2β2 ou dímero de protômetos β : subnunidade (141 residuos) e subunidade (146 residuos) subunidades – composta por 7 () ou 8 () -hélices as hélices formam uma fenda hidrofóbica onde o heme está localizado interfaces:

α1β1 e α2β2 apresenta 32 contatosα1β2 e α2β1 apresenta 19 contatos

(associações hidrofóbicos na maioria, pontes de hidrogênio e pares iônicos)

A ligação de O2 move o ferro da sua posição 0.6 Å fora do plano do heme para o centro do heme, o ferro “puxa” a histidina proximal.

Esses passos iniciam a transição da conformação da forma deoxihemoglobina para a conformação da forma oxihemoglobina

HEMOGLOBINAgrupo heme

deoxiheme oxiheme

HEMOGLOBINAdeoxihemoglobina e oxihemoglobina

Na transição das conformações, a simetria equivalente dos contatos 1C-2FG e 2C-1FG pode alternar em somente duas posições estáveis (as outras posições são estericamente proibidas)

HEMOGLOBINAestrutura quaternária

deoxihemoglobina oxihemoglobina

estado T(tenso)

estado R(relaxado)

A ligação de O2 na hemoglobina resulta em mudanças conformacionais, um protômero sofre rotação de 15 em relação ao outro.

A afinidade da hemoglobina pelo oxigênio depende da sua estrutura quaternáriaO estado R apresenta maior afinidade por O2 do que o estado T

A afinidade da hemoglobina pelo oxigênio depende da sua estrutura quaternáriaestado R apresenta maior afinidade por O2 do que o estado T

HEMOGLOBINAestrutura quaternária x afinidade pelo oxigênio

HEMOGLOBINAS ANORMAIS

Mais de 1000 variantes de hemoglobinas conhecidas. Metade das variantes são inócuas.

Mudanças nos resíduos da superfície: são normalmente inócuas pois a maioria desses resíduos não tem papel funcional específico.

Mudança nos resíduos internos: desestabilizam a molécula da hemoglobina, e resultam em anemia hemolítica.

Mudanças no sítio de ligação que estabilizam o estado Fe 3+: eliminam a ligação ao oxigênio e resultam em cianose

Mutações que afetam as interfaces das subunidades: podem estabilizar o estado R ou T, que por sua vez, aumentam e diminuem a afinidade pelo oxigênio.

HEMOGLOBINAS ANORMAISHemoglobina S e a anemia falciforme

A HbS é resultado da mutação Glu6 → Val (resíduo localizado na superfície da molécula)

Glu (resíduo polar carregado negativamente) → Val (resíduo apolar) . Essa troca resulta em alteração da solubilidade da HbS, que apresenta tendência de polimerizar quando desoxigenada, formando fibras que se depositam dentro da hemácia, deformando-a.

Deformadas, essas hemácias são retiradas de circulação, causando o quadro anêmico.