Hemacias.
A
Hemoglobina
(frequentemente abreviada como Hb) e uma
metaloproteina
(
ioes
metalicos
na estrutura) que contem
ferro
, presente nos globulos vermelhos (
eritrocitos
) e que permite o transporte de
oxigenio
pelo
sistema circulatorio
.
[
1
]
Composta de 4 moleculas proteicas de estrutura terciaria e 4 grupamentos heme que contem o ferro, cada ion ferro e capaz de se ligar frouxamente a uma molecula de oxigenio.
[
2
]
C
2952
H
4664
O
832
S
8
Fe
4
(
pH
7)
A hemoglobina e um
tetramero
composto de dois tipos de cadeias de
globina
. Existem duas cadeias de cada tipo, sendo que um deles contem 141
aminoacidos
e o outro contem 146 aminoacidos. Cada cadeia proteica esta ligada a um grupo heme; estes possuem um ion de
ferro
no seu centro, que forma seis
ligacoes coordenadas
: quatro com atomos de
azoto
do grupo planar de
porfirina
, uma a um atomo de
azoto
da proteina e outras a uma
molecula de oxigenio
. E uma proteina
alosterica
, pois a ligacao e a libertacao do oxigenio e regulada por mudancas na estrutura provocadas pela propria ligacao do oxigenio ao grupo heme.
Esta proteina e quase
esferica
, tendo aproximadamente 55
A
de diametro e
massa molecular
de aproximadamente 64 000 Da, sendo que nos
invertebrados
pode variar de 23 600 Da em alguns
equinodermes
(Thyone sp) a 3 000 000 Da em alguns poliquetas (
Arenicola
sp e
Serpula
sp) (
Schmidt-Nielsen
, 1993).
As cadeias alfa contem sete
alfa-helices
sendo que as cadeias beta possuem oito. Estas helices sao designadas por letras do alfabeto (A a H), sendo interrompidas por segmentos nao helicoidais denominados AB, BC e assim por diante. Um pequeno segmento nao helicoidal precede a primeira alfa-helice (N- terminal) e e denominado NA, o segmento apos a ultima alfa helice (C-terminal) e denominado HC (Perutz, 1984).
Nos vertebrados inferiores (lampreia e peixe-bruxa) a hemoglobina e
monomerica
quando oxigenada e
oligomerica
quando desoxigenada (Perutz, 1984). Em vertebrados superiores a Hb e
simetrica
, isto e, constituida por quatro cadeias iguais duas a duas, codificadas pelos
genes
alfa e beta mas algumas especies de
peixes
podem apresentar hemoglobinas assimetricas e varias iso-Hbs (Dafre et al., 1997; Ohkubo et al., 1993; Masala et al., 1992, Smarra, 1997).
- Embrionaria:
- Gower 1 (ξ2ε2)
- Gower 2 (α2ε2)
- Hemoglobina de Portland (ζ2γ2)
- Fetal:
- Adultos:
- Hemoglobina A (α2β2) - O tipo mais comum, correspondendo a 95 % da hemoglobina total.
- Hemoglobina A2 (α2δ2) - cadeias δ sao sintetizadas no ultimo trimestre apos o parto, seu nivel normal e de aproximadamente 2,5 %.
- Hemoglobina F (α2γ2) - Nos adultos, a hemoglobina F e restrita a uma populacao de celulas vermelhas (hemacias), chamadas celulas F. Este tipo de hemoglobina corresponde a cerca de 2,5 % da hemoglobina total.
A distribuicao e feita atraves da interacao do ferro da hemoglobina com o oxigenio do
ar
(O
2
, que pode ser inspirado ou absorvido, como na respiracao cutanea)
[
3
]
causando alteracao na estrutura do tetramero, forma-se o complexo oxi-hemoglobina, ou hemoglobina oxigenada, representado pela notacao HbO
2
e tem como caracteristica a cor vermelha brilhante.
A alteracao estrutural ocorre, pois ao ligar-se ao oxigenio, os contatos intermoleculares α
1
-β
2 e
α
2
-β
1
se deslocam, alterando a estrutura quaternaria.
[
carece de fontes
]
Chegando as
celulas
do organismo, o oxigenio e libertado e o
sangue arterial
(vermelho) transforma-se em venoso (vermelho arroxeado). A hemoglobina livre pode ser reutilizada no transporte do
dioxido de carbono
- apesar de apenas 11% deste gas ser transportado por essa via -
[
4
]
garantindo o equilibrio acido-base.
[
3
]
A hemoglobina distribui o oxigenio para todas as partes do corpo irrigadas por vasos sanguineos.
A hemoglobina pode ser encontrada dispersa no
sangue
(em grupos animais simples) ou em varias
celulas especializadas
(as
hemacias
de animais mais complexos).
O aumento de globulos vermelhos no sangue (
eritrocitose
) resulta de uma adaptacao fisiologica do organismo a locais de
altitude
elevada, como resposta a menor pressao atmosferica e disponibilidade de oxigenio. Uma vez que o aumento de
globulos vermelhos
favorece o transporte de oxigenio pelo sangue, o seu uso melhora a performance de atletas, principalmente nas modalidades de
resistencia
. Quando os atletas realizam treino em locais de alta altitude, a pequena concentracao de oxigenio estimula a producao natural de
EPO
, que aumenta o numero de eritrocitos e a capacidade muscular; ao regressar a altitudes menores, o seu corpo esta mais preparado e sua resistencia e maior.
A oxi-hemoglobina HbO
2
e a desoxi-hemoglobina sao moleculas diferentes que absorvem e refletem luz de comprimentos diferentes, quando a oxi-hemoglobina transmite luz de comprimentos de onda do espectro vermelho, a desoxi-hemoglobina transmite luz de comprimento de onda do espectro infravermelho.
[
5
]
A hemoglobina liga-se com eficiencia ao oxigenio nos pulmoes atraves da ligacao cooperativa e libera-os nos tecidos. Esta eficiencia ou afinidade depende do pH e da concentracao de CO
2
(tanto o ion H
+
como o CO
2
liberam o O
2
ligado, e o inverso, O
2
libera o H
+
e CO
2
) Normalmente, uma proteina que se liga ao O
2
com alta afinidade, e capta oxigenio de maneira eficiente nos pulmoes, nao o libera muito nos tecidos. Por sua vez, se a proteina se liga ao oxigenio com afinidade suficientemente baixa para libera-lo nos tecidos, nao o capta muito nos pulmoes. A hemoglobina resolve esse problema passando por uma transicao de um estado de baixa afinidade (o estado T) para um de alta afinidade (o estado R) a medida que mais moleculas de O
2
vao sendo ligadas. A analise por raios X revelou duas conformacoes principais da hemoglobina: o estado R (relaxado) e o estado T (tenso). Embora o oxigenio se ligue a hemoglobina nos dois estados, ele tem muito mais afinidade pela proteina no estado R. A ligacao do oxigenio estabiliza o estado R. Experimentalmente, quando o oxigenio nao esta presente, o estado T e mais estavel, e e, assim, a conformacao predominante da desoxiemoglobina
.
[
6
]
[
7
]
As mudancas no estado de afinidade da hemoglobina geram uma curva de ligacao ao oxigenio hibrida em forma de S, ou sigmoide. Proteinas com um unico sitio de ligacao nao geram uma curva de ligacao sigmoide ? mesmo se a ligacao produzir uma mudanca de conformacao ?, porque cada molecula do ligante interage de modo independente e nao afeta a interacao de outra molecula. Em contrapartida, a ligacao do O
2
as subunidades individuais da hemoglobina pode alterar a afinidade nas subunidades adjacentes. A primeira molecula de O
2
que interage com a desoxiemoglobina o faz fracamente, pois se liga a uma subunidade no estado T. Sua ligacao, contudo, leva a mudancas conformacionais transferidas as subunidades adjacentes, facilitando a ligacao de moleculas adicionais de O
2
. De fato, a transicao T → R ocorre mais facilmente na segunda subunidade depois da ligacao do O
2
a primeira subunidade. A ultima (quarta) molecula de O
2
se liga ao heme de uma subunidade que ja esta no estado R, e por isso se liga com afinidade muito mais alta do que a primeira.
[
6
]
A ligacao do O
2
a hemoglobina e uma interacao cooperativa de um ligante com uma proteina multimerica e, tambem, uma forma de ligacao alosterica. Uma proteina alosterica e aquela em que a interacao com um ligante em um sitio afeta as propriedades de ligacao de outro sitio na mesma proteina. A mudanca conformacional induzida pelo(s) ligante(s) chamados modulador(es) interconverte formas mais ativas e menos ativas da proteina,ou seja, podem ser inibidores ou ativadores. Quando o ligante normal e o modulador sao identicos, a interacao e chamada de homotropica. Quando o modulador e uma molecula diferente do ligante normal, a interacao e heterotropica. Algumas proteinas tem dois ou mais moduladores e, em funcao disso, podem participar de interacoes homotropicas e heterotropicas.
[
6
]
[
7
]
Em relacao a hemoglobina, a interacao de um ligante afeta a afinidade de qualquer sitio de ligacao ainda nao ocupado, e o O
2
pode ser considerado como ligante e modulador homotropico ativador. Existe apenas um sitio de ligacao para o O
2
em cada subunidade,de forma que os efeitos alostericos que dao origem a cooperatividade sao mediados por mudancas conformacionais transmitidas de uma subunidade a outra por interacoes subunidade-subunidade. Uma curva sigmoide e sinal de ligacao cooperativa. Ela permite uma resposta muito mais sensivel a concentracao do ligante, sendo importante para a funcao de muitas proteinas multimericas.
As mudancas conformacionais cooperativas dependem de variacoes na estabilidade estrutural de diferentes partes da proteina. Os sitios de ligacao de uma proteina consistem em segmentos estaveis proximos a segmentos relativamente instaveis, sendo os ultimos capazes de mudancas frequentes na conformacao ou de desordem intrinseca. No momento da interacao com o ligante, as parte moveis do sitio de ligacao na proteina devem ser estabilizadas em uma conformacao particular, afetando a conformacao das subunidades polipeptidicas adjacentes.Se o sitio de ligacao como um todo fosse altamente estavel,poucas mudancas estruturais ocorreriam nesse sitio ou seriam propagadas para outras partes da proteina apos a interacao com o ligante.
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6
]
Atualmente, existem dois modelos que sugerem mecanismos para a ligacao cooperativa, o modelo combinado ou modelo de simetria (o primeiro modelo foi proposto por Jacques Monod, Jeffries Wyman e Jean-Pierre Changeux, em 1965, ) e o modelo sequencial (proposto em 1966 por Daniel Koshland e colaboradores).
[
6
]
O modelo combinado ou de simetria presume que as subunidades de uma proteina de ligacao cooperativa sao funcionalmente identicas, que cada subunidade pode existir em (pelo menos) duas conformacoes, e que todas as subunidades sofrem transicao de uma conformacao para a outra simultaneamente. Nesse modelo, nenhuma proteina tem subunidades em conformacoes diferentes. As duas conformacoes estao em equilibrio. O ligante pode interagir com ambas as conformacoes, mas interage com cada uma com afinidade diferente. A interacao sucessiva das moleculas do ligante a conformacao de baixa afinidade (mais estavel na ausencia do ligante) torna mais provavel a transicao para a conformacao de alta afinidade.
[
6
]
[
7
]
No modelo sequencial, a interacao com o ligante pode induzir uma mudanca de conformacao em uma subunidade individual. As interacoes cooperativas surgem devido a influencia que essa mudanca conformacional exerce sobre as subunidades vizinhas, ou seja, essa mudanca provoca uma alteracao similar em uma subunidade adjacente, sendo mais provavel a interacao de uma segunda molecula do ligante. Existem mais estados intermediarios possiveis nesse modelo do que no modelo combinado. Os dois nao sao mutuamente exclusivos.
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6
]
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7
]
Assim, a essencia do modelo sequencial e que a afinidade da proteina pelo ligante varia com o numero de ligantes interagindo com ela, enquanto no modelo de simetria essa afinidade depende somente do estado quaternario da proteina.
[
7
]
Naturalmente, a hemoglobina nao e composta por subunidades identicas, como exige o modelo de simetria. Em uma primeira estimativa, pelo menos, as diferencas funcionais das subunidades intimamente relacionadas α e β da hemoglobina podem ser desprezadas (embora suas diferencas estruturais sejam essenciais para o mecanismo molecular da cooperatividade da hemoglobina). Para essa estimativa, tem-se que hemoglobina segue, em grande parte, o modelo de simetria, embora tambem exiba algumas caracteristicas do modelo sequencial. A mudanca de conformacao quaternaria T → R e combinada, como requer o modelo de simetria. Tambem a interacao do ligante com o estado T causa pequenas mudancas estruturais terciarias como preve o modelo sequencial. Assim sendo, pode-se dizer a cooperatividade da hemoglobina se origina a partir de ambos os modelos.
[
7
]
Geralmente, o ferro ligado ao heme permanece em seu estado ferroso (Fe
2+
) independentemente da ligacao do oxigenio a molecula. A ligacao do O
2
ao ferro II leva a uma mudanca eletronica no atomo, partindo de uma orientacao tetraedrica para uma octaedrica. No entanto, a oxidacao do ferro a seu estado ferrico (Fe
3+
) faz com que o atomo ja esteja em sua orientacao octaedrica, mesmo sem a ligacao do oxigenio, com uma molecula de H
2
O ocupando a sexta posicao de ligacao. Por isso, hemoglobinas (Hb) e mioglobinas (Mb) que possuem hemes ligados a ferro III sao incapazes (a principio, temporariamente) de se ligar ao oxigenio. Hemoglobinas ou mioglobinas incapazes de transportar oxigenio sao chamadas meta-hemoglobinas ou metemoglobinas (metHb) e metamioglobinas (metMb), respectivamente. Chamamos de metemoglobinemia o aumento da concentracao de metHb nas hemacias. Para evitar danos e otimizar o transporte de oxigenio para os tecidos, os eritrocitos (ou hemacias) tem uma enzima chamada metemoglobina-redutase, que converte a forma ferrosa (Fe
2+
) a pequena quantidade de metHb que se forma espontaneamente.
[
7
]
[
8
]
Existem mais de 1000 Hbs variantes, e mais de 90% destas resultam em substituicoes de um unico
aminoacido
na cadeia polipeptidica da
globina
. A presenca de Hb variantes que causam doencas podem ser chamadas de hemoglobinopatias. Existem diversos tipos de variacoes na hemoglobina, e, dependendo dos locais onde ocorrem, podem ser mais ou menos graves.
As variacoes nas hemoglobinas que ocorrem por mudanca de residuos superficiais da molecula geralmente sao inocuas, devido a falta de funcao especifica de muitos deles (com excecao da anemia falciforme). Exemplo: HbE. Ja mudancas em residuos internos, com frequencia desestabilizam a molecula de Hb. A
anemia hemolitica
, por exemplo, e causada por aumento da permeabilidade da membrana dos
eritrocitos
. Isso ocorre porque as Hb com residuos internos desestabilizados sao degradadas e formam precipitados, conhecidos como corpusculos de Heinz, que aderem a membrana das hemacias, causando sua lise prematura.
As modificacoes nos sitios de ligacao do O
2
estabilizam o heme no estado ferrico (Fe
3+
) e, portanto, estabilizam a metemoglobina, impedindo a ligacao do oxigenio. Essas metHb sao denominadas HbM e quem as possui desenvolve um quadro chamado
metemoglobinemia
. Devido a falta de oxigenacao no sangue arterial, os individuos que possuem essas alteracoes sao geralmente cianoticos. Sao exemplos de metemoglobinemia individuos que possuem Hb Boston, Hb Milwaukee e Hb Iwate.
Outras variacoes que implicam no aumento da afinidade por O
2
e nao na perda de afinidade (como e o caso das metemoglobinemias), tambem sao prejudiciais ao transporte de oxigenio. Geralmente sao caracterizadas por alteracoes na estrutura quaternaria da Hb, e, devido a alta afinidade do oxigenio ao heme, o oxigenio nao e entregue de forma correta nos tecidos. Individuos com essa caracteristica compensam com uma elevacao no hematocrito, aumentando a concentracao de eritrocitos para suprir as necessidades teciduais. Essa condicao e chamada de
policitemia
. Alteracoes na estrutura quaternaria da hemoglobina tambem podem resultar em baixa afinidade por O
2
, causando cianose, como e o caso da Hb Yakima e Hb Kansas.
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7
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[
8
]
Alguns disturbios hereditarios afetam a hemoglobina, causando doencas chamadas de
hemoglobinopatias
, como por exemplo:
anemia falciforme
e
talassemia
.
[
3
]
As hemoglobinas de animais mostram uma grande variedade de comportamentos funcionais decorrentes da gama de ajustes entre as necessidades fisiologicas e disponibilidade ambiental de oxigenio. Este aspecto adquire maior importancia quando sao analisados os grupos de animais que tem conquistado uma ampla variedade de nichos
ecologicos
, em particular os animais ectotermicos, nos quais a temperatura ambiental influencia decisivamente no
metabolismo
e potencialmente nas propriedades de oxigenacao (Smarra, 1997).
Este e o caso dos
repteis
, entre os quais os
ofidios
por exemplo, ocupam desde o
ambiente marinho
ate o
desertico
e apresentam hemoglobinas com comportamento peculiar entre vertebrados (Focesi, et al., 1992; Oyama, et al., 1993). A elevada afinidade das hemoglobinas de ofidios por
ATP
pode desempenhar um papel protetor contra mudancas significativas da afinidade por oxigenio (Bonilla, et al., 1994 a, b), devido a variacao da temperatura ambiental.
Entretanto, as hemoglobinas de peixes tem ocupado um lugar de destaque no estudo das relacoes entre estrutura e funcao de hemoglobinas (De Young, et al., 1994), em virtude das estrategias adaptativas desenvolvidas para responder, por exemplo, a grandes variacoes no suprimento de oxigenio.
A resposta das hemoglobinas de peixes aos efectores heterotropicos e muito diferente da maioria das hemoglobinas dos mamiferos (Perutz e Brunori, 1982). O ATP e
GTP
sao os fosfatos
intraeritrocitarios
mais comumente encontrados nos
peixes
, entretanto, existem outros compostos fosfatados como
2,3-BPG inositol pentafosfato
e
inositol hexafosfato
.
Entretanto, estudos em eritrocitos de peixes com respiracao aerea acessoria obrigatoria tem mostrado a presenca de
pentafosfato de inositol
, que diminui a afinidade da Hb por O₂ mais do que o ATP e o GTP. A regulacao da afinidade da hemoglobina por O₂, em alguns destes peixes, e dada pela combinacao de fosfatos organicos intraeritrocitarios (Isaacks e Harkness, 1980).
Nos
teleosteo
s (peixes osseos) os residuos que participam da ligacao de fosfatos organicos, apresentam modificacoes:
acido glutamico
ou
aspartico
na posicao NA2b e arginina na posicao H21b (Perutz e Brunori, 1982; Perutz, 1984; Weber e Jansen, 1988). O sangue de peixes pode apresentar ainda um tipo de efeito Bohr alcalino “exagerado”, chamado
efeito Root
. A peculiaridade deste efeito e que o sangue nao esta completamente saturado de oxigenio em
pH
baixo, mesmo a alta pressao de O₂. O papel fisiologico atribuido a esse efeito e o de bombear oxigenio na
bexiga natatoria
e na
retina
(Farmer, et al., 1979).
As bases moleculares do efeito Root Mean Square foram resolvidas por Mylvaganan (1996).
Referencias
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ISBN 0-7167-4339-6