BIOQUÍMICA PARA ODONTO

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1 BIOQUÍMICA PARA ODONTO
Aula 3: Proteínas globulares: estrutura quaternária Hemoglobina, uma proteína alostérica Autoria: Luiza Higa Programa de Biologia Estrutural Instituto de Bioquímica Médica Universidade Federal do Rio de Janeiro Reprodução Proibida

2 Estrutura quaternária de proteínas globulares

3 ESTRUTURA QUATERNÁRIA
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. HEMOGLOBINA Formada por 4 subunidades: 1, 2, β1, β2 grupos heme em vermelho

4 ESTRUTURA QUATERNÁRIA interações 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 HEMOGLOBINA dímero (oligêmero de dois protômeros) de β protômeros.

5 ESTRUTURA PROTÉICA Interações que estabilizam a estrutura terciária

6 Hemoglobina, uma proteína alostérica

7 HEMOGLOBINA estrutura Heterotetrâmero, 2β2 ou dímero de protômetos β
formada por hélices grupo prostético: heme

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

9 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.

10 Sangue total - ~150g de Hb/L
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 M sangue total 0.01 M

11 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

12 grupo prostético: heme
HEMOGLOBINA grupo prostético: heme heme = protoporfirina IX + Fe2+ O heme é responsável pela cor vermelha do sangue!

13 O heme é o sítio de ligação do oxigênio!
HEMOGLOBINA grupo 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

14 HEMOGLOBINA grupo heme
A oxigenação muda o estado eletrônico do Fe2+ no heme Alteração da cor sangue venoso Sangue arterial espectro de absorção da hemoglobina oxigenada e deoxihemoglobina

15 MIOGLOBINA E HEMOGLOBINA grupo 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 CO2 liga-se a hemoglobina mas não se liga ao heme!!!

16 HEMOGLOBINA E MIOGLOBINA curva 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

17 HEMOGLOBINA E MIOGLOBINA curva de saturação
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) sangue pO2 YO2 (Mb) YO2 (Hb) Arterial 100 0.97 0.95 venoso 30 0.91 0.55

18 HEMOGLOBINA E MIOGLOBINA curva 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

19 O aumento do pH estimula a ligação do oxigênio a hemoglobina
efeito de Bohr: efeito do pH na ligação do O2 a hemoglobina 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

20 HEMOGLOBINA efeito 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.

21 transporte de CO2 e o efeito do Bohr
HEMOGLOBINA transporte de CO2 e o efeito do Bohr pH = 7,35 hemácias ↑ H+ tecidos sangue capilares CO2 difusão ↓pO2 anidrase carbônica ↓ H+ O2 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.

22 transporte de CO2 e o efeito do Bohr
HEMOGLOBINA transporte de CO2 e o efeito do Bohr pH = 7,45 ↑pO2 hemácias ↑ H+ pulmão sangue capilares difusão CO2 ↑pO2 anidrase carbônica O2

23 modulação da afinidade pelo O2 : CO2
HEMOGLOBINA modulação da afinidade pelo O2 : CO2 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).

24 modulação da afinidade pelo O2 : BPG
HEMOGLOBINA modulação 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

25 ligação de BPG x afinidade pela deoxiHb
HEMOGLOBINA ligação de BPG x afinidade pela deoxiHb deoxihemoglobina oxihemoglobina BPG 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.

26 BPG x adaptação em altas altitudes
HEMOGLOBINA BPG 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

27 HEMOGLOBINA proteína alostérica allos – 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+

28 hemoglobina fetal x BPG
HEMOGLOBINAS hemoglobina fetal x BPG Hemoglobina fetal - oligômero de 22 Hemoglobina materna - oligômero de 2β2 menor afinidade por BPG concentração de BPG sangue fetal = sangue materno afinidade pelo O2 : Hemoglobina fetal > Hemoglobina materna

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

30 MIOGLOBINA estrutura 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 heme

31 HEMOGLOBINA estrutura
Heterotetrâmero, 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 contatos α1β2 e α2β1 apresenta 19 contatos (associações hidrofóbicos na maioria, pontes de hidrogênio e pares iônicos)

32 HEMOGLOBINA grupo heme
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 deoxiheme oxiheme

33 deoxihemoglobina 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)

34 O estado R apresenta maior afinidade por O2 do que o estado T
HEMOGLOBINA estrutura 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 quaternária O estado R apresenta maior afinidade por O2 do que o estado T

35 estado R apresenta maior afinidade por O2 do que o estado T
HEMOGLOBINA estrutura quaternária x afinidade pelo oxigênio A afinidade da hemoglobina pelo oxigênio depende da sua estrutura quaternária estado R apresenta maior afinidade por O2 do que o estado T

36 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.

37 HEMOGLOBINAS ANORMAIS Hemoglobina 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.