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
Estrutura quaternária de proteínas
globulares
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
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.
ESTRUTURA PROTÉICA
Interações que estabilizam a estrutura terciária
Hemoglobina, uma proteína
alostérica
HEMOGLOBINA
estrutura
Heterotetrâmero, 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.
fração do sangue
Solubilidade de O2
plasma
0.0001 M
sangue total
0.01 M
Sangue total - ~150g de Hb/L
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
HEMOGLOBINA
grupo prostético: heme
heme = protoporfirina IX + Fe2+
O heme é responsável pela cor vermelha do sangue!
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
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
MIOGLOBINA E HEMOGLOBINA
grupo heme
Outras moléculas ligam-se ao Fe2+ no heme:
CO
NO
CO2 liga-se a hemoglobina mas não se liga ao heme!!!
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
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
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
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
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
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.
HEMOGLOBINA
transporte de CO2 e o efeito do Bohr
tecidos
↓pO2
sangue
capilares
pH = 7,35
hemácias
CO2
difusão
anidrase
carbônica
O2
↑ H+
↓ H+
↓pO2
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.
HEMOGLOBINA
transporte de CO2 e o efeito do Bohr
pH = 7,45
pulmão
↑pO2
sangue
capilares
hemácias
CO2
O2
difusão
anidrase
carbônica
↑pO2
↑ H+
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).
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
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.
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
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+
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
HEMOGLOBINA
modulação da afinidade pelo O2
 A presença de BPG, H+, CO2, no sangue total afetam as propriedades de ligação
da hemoglobina ao oxigênio
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
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)
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
HEMOGLOBINA
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)
HEMOGLOBINA
estrutura quaternária
deoxihemoglobina
estado T
(tenso)
oxihemoglobina
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
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
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 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.