Aula on line-3_hemoglobinas bases moleculares prof ana cristina

.

1. Hemoglobinas normais e patológicas
BIO10-329 Biofísica de Proteínas
Regente: Célia R. Carlini
Os assuntos abordados nessa aula são:
•Relações estrutura X função: comparação com a
mioglobina
•Aspectos ontogenéticos e filogenéticos
•Hemoglobinopatias
Atenção ! Use o modo “apresentação de slides” para ativar as animações

2. As globinas constituem um bom exemplo para se compreender as relações
entre a estrutura e a função das proteínas.
A Hemoglobina é um hetero-tetrâmero formada por 2 tipos de globinas: a e b.
Max Perutz e John Kendrew resolveram a estrutura 3D da hemoglobina em 1959

3. O ambiente hidrofóbico em torno do heme é fundamental para a atividade
biológica das globinas, que depende de uma interação reversível com oxigênio.
Fe
++
Fe
++
.O
2
A mioglobina da baleia cachalote é uma proteína monomérica de 153 aminoácidos
composta por 7 segmentos de a-hélice, denominados de A a H. As porções da cadeia
polipeptídica entre segmentos de a-hélice são chamados cotovelos. As globinas
apresentam um bolsão (fenda) hidrofóbico no qual se aloja o grupo prostético heme.
Estrutura 3D do esqueleto covalente da mioglobina.

4. Comparação das seqüências de aminoácidos da mioglobina (Mb, 153 aa) e das
globinas a (Hba, 141 aa) e b (Hbb, 146 aa) da hemoglobina de cavalo.
As seqüências começam com o resíduo N-terminal NA1 (à esquerda, em cima), antes da hélice A,
composta por 16 aminoácidos. Segue a hélice B, também com 16 resíduos, e assim até a hélice H.
Os aminoácidos idênticos nas três proteínas estão marcados em cinza, e os que interagem com o heme
aparecem em rosa. Entre esses últimos estão a His E57 e a His F8 que ocupam a mesma posição
espacial nas 3 moléculas, apesar de terem posições diferentes nas seqüências correspondentes.
Observe que o grau de identidade da seqüência entre as três globinas é relativamente baixo, da
ordem de 20% (27 resíduos).

5. mioglobinaglobina a globina b
hemoglobina
Comparação das estruturas 3D das globinas a e b da hemoglobina e mioglobina
Observe a semelhança estrutural das 3 globinas, formadas por
7 segmentos de a-hélice que delimitam uma fenda, na qual se localiza o heme.

6. Considerando:
1)que a seqüencia de aminoácidos é o que determina a estrutura 3D de
uma proteína,
2)e o baixo grau de identidade das 3 sequëncias globínicas,
Como se explica o fato delas possuírem estrutura 3D tão semelhantes ?
Como visto na aula anterior, os radicais dos aminoácidos
não participam das ligações que estabilizam a a-hélice.
Assim, pode haver mudanças na seqüência primária de
uma proteína sem afetar a estrutura secundária, no caso
dessas ocorrerem numa região de a-hélice ou de folha b.
Como as globinas contêm grande proporção de a-hélices,
ao longo da evolução acumularam número significativo de
mutações pontuais sem alteração de sua forma 3D. .

7. Outros derivados porfirínicos não hemínicos importantes são a cobalamina ou
vitamina B12, que contem Co
2+
ao invés de ferro, e clorofilas, que contém Mg
2+
O heme das globinas é responsável pela ligação ao oxigênio.
O heme, também presente nos citocromos, é sintetizado nas células aeróbicas
através de uma cadeia complexa de enzimas, a via das porfirinas. Na última etapa,
um átomo de ferro é introduzido na protoporfirina IX, originando o heme.
Heme sintase
+ Fe
2+

8. Nas globinas, o Fe
2+
hemínico faz 6 ligações de coordenação: 4 ligações planares
com os nitrogênios dos anéis pirrólicos da protoporfirina, e 2 perpendiculares ao plano
do heme. A 5ª. ligação é permanentemente ocupada com um dos N imidazólico da
histidina F8 (proximal). A sexta coordenação pode ser ocupada pelo oxigênio, ou pela
histidina E7 (distal) nas globinas desoxigenadas.
No desenho ao lado, a globina a. Observar os
resíduos hidrofóbicos (em preto) que forram o
bolsão do heme nas globinas.
Fe

9. A Hemoglobina, composta por quatro cadeias
polipeptídicas (dois dímeros ab), é uma proteína
transportadora de oxigênio.
apresenta afinidade variável por O
2
A estrutura tetramérica da hemoglobina confere à molécula maior
controle da afinidade por oxigênio
1 heme = 1 O2
A Mioglobina, composta por uma cadeia polipeptídica,
é uma proteína armazenadora de oxigênio presente
no tecido muscular de mamíferos.

apresenta alta afinidade por O
2

10. • A Mioglobina (Mb) tem a curva hiperbólica,
e atinge 50% de saturação (p50) com uma
pO
2
de ~1 torr.
• A Hemoglobina (Hb) tem a curva sigmóide,
indicando alosteria ou cooperativadade entre
suas subunidades. Sua pO
2 é de ~ 26 torr e
sua afinidade pelo O
2
varia com o grau de
saturação da molécula.
A curva de saturação com O
2
mostra diferenças importantes na afinidade
da hemoglobina e da mioglobina pelo oxigênio.
A curva de saturação descreve a percentagem de moléculas carregando O
2
(eixo y) à medida que se
aumenta a pressão parcial do gás (pO
2
, eixo x).
Observe os valores da pO
2
venosa (nos
tecidos) e arterial (nos pulmões).
A diferença de afinidade por O
2
faz com
que nos tecidos, a Mb fique 100% saturada,
enquanto que a saturação da Hb diminui a
~55%, liberando de 1 a 2 moléculas de O
2
.
Essa diferença de comportamento
está de acordo com a função de
armazenamento de O
2
da Mb e de
transporte de O
2
pela Hb.

11. Por que a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio é 26 vezes menor do
que a da mioglobina, se as proteínas possuem as estruturas 3D de suas
cadeias globínicas (ambiente onde está o complexo heme-Fe
2+
~ O
2
) tão
semelhantes ?
Quais são os mecanismos que fazem a afinidade da hemoglobina variar
conforme o grau de saturação em O
2
? Por que isso não ocorre com a
miglobina ?

12. A hemoglobina passa por várias alterações conformacionais na transição do
estado desoxigenado para oxigenado.
No estado oxigenado, a cavidade
central do tetrâmero diminue.
Vários “loops” se movem.
O2

13. Observar os movimentos da cadeia b
em relação ao Heme. A histidina 92 é a
F8 proximal.
Alterações conformacionais da hemoglobina A durante a transição do
estado oxigenado para desoxigenado
Observar a expansão da cavidade
central do tetrâmero e as mudanças
nos contactos entre as subunidades

14. O estado de oxigenação afeta propriedades físicas da Hemoglobina como a interação
com a luz visível.
A hemoglobina desoxigenada interage mais com a luz azul (absorção no comprimento de
onda de 600-650 nm), dando ao sangue venoso uma cor acastanhada (não é sangue sujo !),
quando comparado ao sangue arterial.
Alterações conformacionais da hemoglobina A durante a transição do
estado oxigenado para desoxigenado

15. As alterações conformacionais que ocorrem nas cadeias globínicas da
hemoglobina na transição oxigenação-desoxigenação são transmitidas de
uma cadeia a outra, através de contactos nas interfaces das subunidades.
Esse fenômeno é a base molecular da cooperatividade, uma forma de
alosteria característica de proteínas oligoméricas. Por ser monomérica, a
mioglobina não tem essa propriedade.
A cooperatividade na hemoglobina é positiva. Isso significa que quando
uma cadeia passa do estado oxigenado para o desoxigenado, as alterações
conformacionais que essa molécula sofre são “sentidas” pelas cadeias
vizinhas. Essas, por sua vez, respondem com uma diminuição de sua
afinidade pelo oxigênio, facilitando a desoxigenação da hemoglobina.
O mesmo tipo de fenômeno ocorre na oxigenação da molécula, que
também acontece de forma positivamente cooperativa.
A cooperatividade na transição oxigenação-desoxigenação da hemoglobina
é a causa de sua curva de saturação ter aspecto sigmóide, e uma das
razões da afinidade variável da hemoglobina pelo oxigênio.

16. O efeito Bohr é a modulação da
afinidade da Hb por O2 pelo pH
do meio, facilitando a desoxige-
nação da Hb a nível tecidual.
O sangue venoso é mais ácido
do que o arterial, pela presença
de CO
2
vindo dos tecidos. Esse
forma ácido carbônico H
2
CO
3
,
que se dissocia liberando H
+

para o meio.
A curva ao lado mostra como a
% de saturação da Hb, em uma
pO
2
próxima aos valores nos
tecidos (20 torr), diminue em
função do pH do meio.
Vários mecanismos regulam a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio.
O efeito Bohr é um dos mais importantes em termos fisiológicos.
Para a mesma pO
2
, a saturação da Hb diminue
de 45% em pH 7,6 para 22% em pH 7,2.

17. HEMÁCIAS PLASMATECIDOS
Para entender o efeito Bohr , vamos ver como se dão as trocas de gases na Hb, e
suas propriedades de tampão.
1.Nos tecidos, a pO2 é de 25 a
40 torr e o pH ligeiramente
mais ácido (7,2-7,3). O CO
2

produzido difunde-se para o
plasma e para as hemácias.
2.Nas hemácias, o CO
2
é
convertido a H
2
CO
3
pela
enzima anidrase carbônica.
3.O H
2
CO
3
se dissocia no íon
bicarbonato HCO
3
-
e um
próton H
+
. Parte do HCO3
-
(~60%) difunde para o
plasma, onde constitue o
principal sistema tampão.
4.Uma parte pequena (~8%)
do CO2 liga-se diretamente
ao resíduo N-terminal de
cada globina, formando a
carbamino-Hb.
CO
2
DIFUSÃO CO
2

(1)
H
2
CO
3
+H
2
OAnidrase
carbônica
(2)
+
Cl
O HCO
3
-

transportado no
plasma
representa 60%
do CO
2
formado
nos tecidos
HCO
3
-
HCO
3
-H
+
Cl
(3)
Hb
NH
3
+
Hb
NHCOO
-
(4)
pO2 – 25 a 40 torr

18. HEMÁCIAS PLASMATECIDOS
Para entender o efeito Bohr , vamos ver como se dão as trocas de gases na Hb, e
suas propriedades de tampão.
5.O próton H
+
gerado da
dissociação do H
2
CO
3
é
tamponado por histidinas
que ligam o heme.
6.Ao receber o próton, a HbO
2

sofre o efeito Bohr, que
resulta em uma diminuição
da afinidade pelo o O
2
,
facilitando a desoxigenação.
7.Concordando com o efeito
Bohr, a Hb oxigenada é mais
ácida (pK ~7.4) do que a Hb
desoxigenada (pK ~7.6 ).
H
2
CO
3
+H
2
OAnidrase
carbônica
CO
2
DIFUSÃO CO
2

+
Cl
O HCO
3
-

transportado no
plasma
representa 60%
do CO
2
formado
nos tecidos
HCO
3
-
HCO
3
-
Cl
H
+
Hb
NH
3
+
Fe O
2
HH
CC
NN NHNH
HCHC CC
(5)
Fe
2+

HH
CC
NN NH
2
N
HCHC CC
Hb
NHCOO
-
(5)
(6)
O
2
DIFUSÃO
(6)
pO2 – 25 a 40 torr

19. HEMÁCIAS PLASMAALVÉOLOS
Para entender o efeito Bohr , vamos ver como se dão as trocas de gases na Hb, e
suas propriedades de tampão.
8.No pulmão, a pO
2
é de 100 torr e
o pH é mais alcalino (pH ~7.6).
9.A Hb desoxigenada recebe O2 e
libera os prótons H+ recebidos no
tecido. O efeito Bohr agora resulta
em um aumento da afinidade pelo
o O
2
, facilitando a oxigenação.
10.Esses fatores fazem a anidrase
carbônica catalizar a reação
reversa, formando CO
2
e H
2
O a
partir de H
2
CO
3
, resultante da
associação bicarbonato e H
+
.
Hb
NHCOO
-
Fe
2+

HH
CC
NN NHNH2
HCHC CC
FeO2
HH
CC
NN NNH
HCHC CC
Hb
NH
3
+
O
2
DIFUSÃO
(9)
pO2 – 100 torr
(11)
11. O CO
2
ligado à
Hb é liberado.
12. O CO
2
difunde
para o plasma
e daí para os
alvéolos.
H
+
+ H
2
O
Anidrase
carbônica
CO
2

(10)
O HCO
3
-

transportado no
plasma
representa 60%
do CO
2
formado
nos tecidos
+
Cl
HCO
3
-
HCO
3
-
H
2
CO
3
Cl
(10)
DIFUSÃOCO
2

(12)

20. O 2,3-bifosfoglicerato (2,3 BPG) é um
produto exclusivo do metabolismo das
hemácias, formado a partir de um dos
intermediário da via glicolítica, por uma
enzima mutase específica.
Glicose
1,3 bifosfoglicerato
piruvato
2,3-BPG
Mutase
(só em hemácias)
Via glicolítica nas hemácias
Vários mecanismos regulam a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio.
O 2,3-difosfoglicerato é um regulador alostérico negativo da hemoglobina.
A ligação de uma molécula de 2,3 BPG à
hemoglobina reduz a sua afinidade por O
2,
facilitando a desoxigenação. O 2,3 BPG liga-se na cavidade central do tetrâmero
da hemoglobina, estabilizado por interações
eletrostáticas com resíduos de carga positiva.

21. Na oxihemoglobina, a cavidade central é menor, expulsando o 2,3-DPG e
aumentando a afinidade da molécula por O2.
A mudança conformacional que ocorre na primeira desoxigenação torna essa
cavidade maior na desoxi-hemoglobina, possibilitando a ligação do 2,3-DPG.
A concentração plasmática de 2,3-DPG é
constante, ~5 mM.
Populações que habitam regiões de
elevada altitude, onde a atmosfera é
rarefeita, apresentam como mecanismo
compensatório um aumento nos níveis da
enzima mutase que forma o 2,3 BPG.
Com concentrações plasmáticas mais
elevadas de 2,3-BPG, e uma consequente
diminuição da afinidade da Hb por O
2
, não
há prejuizo da oxigenação dos tecidos,
apesar da pO2 atmosférica mais baixa
eventualmente não ser suficiente para
saturar 100% a Hb.

22. A regulação da afinidade da hemoglobina pelo O2 é um somatório do
efeito Bohr e do 2,3 –bifosfoglicerato, além da cooperatividade positiva.
Stripped Hb – Hb sem nenhum
modulador
Whole blood – Hb em sangue total,
com todos seus moduladores
A figura ilustra a somatória de efeitos
moduladores negativos do 2,3 BPG e
do CO
2
(efeito Bohr) sobre a afinidade
da hemoglobina para o oxigênio.
Observe como a P50 (pressão parcial
de O
2
que satura 50% das moléculas)
aumenta progressivamente a medida
que os moduladores são adicionados
ao meio.
O efeito Bohr (presença de CO
2
) e o
2,3-BPG, juntos, diminuem em cerca de
2,6 vezes a afinidade da Hb pelo O
2
.
50%

23. Evolução das globinas
heme mioglobina
hemoglobina
Na evolução das globinas, houve um evento de duplicação gênica, e depois,
divergência de cada um dos genes através de mutações pontuais, que acabaram
originando as duas cadeias globínicas da atual hemoglobina.

24. Ontogenia das hemoglobinas humanas
A hemoglobina A (HbA), composta
das cadeias a e b, corresponde a
96-98 % da hemoglobina total de um
adulto.
Um variante normal da hemoglobina
A, correspondente a 2-3% da
hemoglobina total em adultos, é a
HbA2, formada por cadeias a e d
(delta), ou seja, a
2
d
2
.
No adulto, a Hemoglobina A resulta
da expressão co-dominante de 2
genes que codificam a cadeia b e de
4 genes que codificam a cadeia a.
Durante a vida embrionária e fetal,
diferentes genes para as globinas
são expressos sucessivamente.
Existem 17 genes para globinas no
genoma humano.

25. Hb embrionárias
Hb Gower 1 z
2
e
2
Hb Gower 2 a
2
e
2
Hb Portland z
2
g
2
Hb Fetal a
2
g
2
Hb adulto a
2
b
2
a
2
d
2

Ontogenia das hemoglobinas humanas: 17 genes codificando cadeias globínicas
idade gestacional idade pós-natal
(semanas) (semanas)
n
a
s
c
i m
e
n
t o
O gráfico e a tabela mostram a sucessão de diferentes hemoglobinas e a sua composição em
cadeias globínicas presentes no embrião, feto (após a 12a. semana) e no adulto.
Após o nascimento, com a repressão da síntese da cadeia g e aumento da síntese da cadeia b,
ocorre a troca da HbF pela HbA, que se completa entre o 3o e 4o mês de vida. Nessa fase são
muito importantes os “banhos de luz” dados na criança, pois estes auxiliam na degradação de
derivados tóxicos do heme, formados na destruição das hemácias fetais.

26. A Hemoglobina Fetal (HbF)A Hemoglobina Fetal (HbF)
• A HbF possue cadeias g (gama)
equivalentes à cadeia b da HbA, com
10 aminoácidos diferentes nas
sequências primárias dessas globinas.
• Uma das substituições importantes
na HbF é a posição 82 da cadeia g, que
possui um resíduo de serina (polar sem
carga), diferentemente da cadeia b, que
tem lisina (Lys82; com carga positiva)
nessa posição.
• Essa substituíção resulta numa
ligação mais fraca do 2,3-DPG, que
interage com as globinas por interações
eletrostáticas, à HbF.

• Como resultado, a HbF apresenta
maior afinidade por O
2
do que a HbA
materna, possibilitando a captação de
O
2
a nível da barreira placentária.
Ligação do 2,3-BPG com a hemoglobina A

27. Hemoglobinopatias
• Como existem 4 alelos de cadeia a e 2 de
cadeia b expressos co-dominantemente, são
conhecidos mais mutantes de cadeia b
(produzem 50 % de Hb anômala) do que de
cadeia a (produção de 25 % de Hb anômala).
• Hemoglobinopatias podem resultar de
mutações nos genes estruturais das globinas,
ou ainda nos genes reguladores da síntese das
diferentes globinas, que é o caso das
talassemias.
• Mutações pontuais nos genes das globinas
a e b são relativamente frequentes. Em outubro
de 2003 já eram conhecidos mais de 900 tipos
de hemoglobinas anômalas contendo a troca de
1 aminoácido na cadeia a ou na cadeia b.
• Mutações duplas, inserções e deleções são
casos mais raros.
A figura acima ilustra posições na sequência primária de cadeias a ou b para as quais são
conhecidos mutantes pontuais de Hb com alterações na estabilidade e/ou solubilidade da
proteína ou na afinidade por oxigênio, que resultam em patologias.
Observe que a grande maioria dessas posições estão em “cotovelos” da molécula, onde
as a-hélices não existem. Mutantes das histidinas proximal e distal (posições 92 e 63 na
cadeia b, respectivamente), podem resultar em incapacidade de ligar O
2
.
6
23
42
63
92 93
121
79
76
73
145
143

28. A tabela mostra exemplos de hemoglobinas anormais que são mutantes pontuais.
Hemoglobina*
Anormal
Resíduo Normal
e Posição
Substituição
Cadeia Alfa(4 alelos)
Torino Fenilanina43 Valina
M
Boston
Histidina 58 Tirosina
Chesapeake Arginina92 Leucina
G
Georgia
Prolina9 Leucina
Tarrant Aspartato126 Asparagina
Suresnes Arginina141 Histidina
Cadeia Beta (2 alelos)
S Glutamato6 Valina
Riverdale-BronxGlicina24 Arginina
Genova Leucina Prolina
Zurich Histidina 63 Arginina
M
Milwaukee
Valina 67 Glutamato
M
HydePark
Histidina 92 Tirosina
Yoshizuka Asparagina108 Aspartato
Hiroshima Histidina 146 Aspartato
* Variantes da hemoglobina normalmente recebem o nome do
local geográfico de origem
Hemoglobinas M apresentam
substituições nas histidinas
proximal ou distal, ou resíduos
hidrofóbicos do bolsão do heme.

Como resultado, nas HbM
ocorre a oxidação do Fe
2+
a Fe
3+
,
tornando-as incapaz de ligar O
2
.
Metahemoglobina é uma HbA
normal oxidada a Fe
3+,
situação
que pode ser

causada por
fumaça de cigarro, cianetos, etc.
Não confundir metahemoglobina
com HbM.
Hemoglobina S ou falciforme
apresenta uma troca de uma
resíduo ácido por um apolar,
causando alterações na
solubilidade da proteína, que
passa a ter tendência de
polimerizar. Não há alterações
na afinidade pelo O
2
.

29. Algumas variantes de hemoglobina com importância clínica
Hemoglobina
Origem
geográfica
Substituição de
Aminoácido
% presente
em
heterozigotos
* Existem outros variantes de HbG de cadeia a. A HbG Philadelphia é um variante de
cadeia a que frequentemente traz deleção dos alelos não afetados. Quando não ocorre
deleção, existe ~20% de HbG, com deleção de 1 alelo, ~30% de HbG, e com deleção de 2
alelos, ~40% HbG.
*** HbD Punjab apresenta o mesmo tipo de mutação.
# Não é uma mutação pontual e sim um porduto de crossover durante a meiose.

30. Anemia falciforme e hemoglobina S (HbS)
A HbS apresenta um resíduo de valina na posição
6 da cadeia b, no lugar do ácido glutâmico
presente na HbA.
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.
A figura ao lado é uma micrografia de uma fibras
de HbS, que se organizam por polimerização de
muitas moléculas, conforme o esquema abaixo.
Fibra de HbS
Hemácia falcêmica

31. Hemoglobina S: a valina na posição 6 da cadeia b da HbS faz interação hidrofóbica com
resíduos Phe 85 e Leu 88 da cadeia b de outra molécula de HbS, determinando
polimerização da HbS desoxigenada.
A polimerização reverte quando a HbS fica 100% saturada. Não há alteração da
afinidade por O2, ou seja, o efeito Bohr, a ligação do 2,3-BPG e a cooperatividade não
são afetados.
6

32. • Origem geográfica: região de São Leopoldo, RS, Brasil
• mutação pontual com substituição de Ser por Cys na
posicão 9 da cadeia b na região helicoidal A6
• por conter uma cisteína a mais, a HbPorto Alegre
apresenta tendência de polimerizar, fazendo tetrâmeros
via pontes –S-S-
• a polimerização é baixa in vivo, mas intensa em
hemácias armazenadas (diminuição do poder redutor)
• veja artigo e texto complementar para mais informações.
A Hemoglobina Porto Alegre
Tetrâmero de HbPA
Microscopia eletrônica de tetrâmeros de HbPa