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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

Aula Hemoglobinas

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  • Hemoglobinas normais e patolgicas BIO10-329 Biofsica de ProtenasRegente: Clia R. CarliniOs assuntos abordados nessa aula so:

    Relaes estrutura X funo: comparao com a mioglobina

    Aspectos ontogenticos e filogenticos

    Hemoglobinopatias Ateno ! Use o modo apresentao de slides para ativar as animaes

  • As globinas constituem um bom exemplo para se compreender as relaes entre a estrutura e a funo das protenas. A Hemoglobina um hetero-tetrmero formada por 2 tipos de globinas: a e b.

    Max Perutz e John Kendrew resolveram a estrutura 3D da hemoglobina em 1959

  • O ambiente hidrofbico em torno do heme fundamental para a atividade biolgica das globinas, que depende de uma interao reversvel com oxignio.

    Fe++ Fe++.O2A mioglobina da baleia cachalote uma protena monomrica de 153 aminocidos composta por 7 segmentos de a-hlice, denominados de A a H. As pores da cadeia polipeptdica entre segmentos de a-hlice so chamados cotovelos. As globinas apresentam um bolso (fenda) hidrofbico no qual se aloja o grupo prosttico heme.Estrutura 3D do esqueleto covalente da mioglobina.

  • Comparao das seqncias de aminocidos da mioglobina (Mb, 153 aa) e dasglobinas a (Hba, 141 aa) e b (Hbb, 146 aa) da hemoglobina de cavalo. As seqncias comeam com o resduo N-terminal NA1 ( esquerda, em cima), antes da hlice A, composta por 16 aminocidos. Segue a hlice B, tambm com 16 resduos, e assim at a hlice H. Os aminocidos idnticos nas trs protenas esto marcados em cinza, e os que interagem com o heme aparecem em rosa. Entre esses ltimos esto a His E57 e a His F8 que ocupam a mesma posio espacial nas 3 molculas, apesar de terem posies diferentes nas seqncias correspondentes. Observe que o grau de identidade da seqncia entre as trs globinas relativamente baixo, da ordem de 20% (27 resduos).

  • Comparao das estruturas 3D das globinas a e b da hemoglobina e mioglobinaObserve a semelhana estrutural das 3 globinas, formadas por 7 segmentos de a-hlice que delimitam uma fenda, na qual se localiza o heme.

  • Considerando:

    que a seqencia de aminocidos o que determina a estrutura 3D de uma protena, e o baixo grau de identidade das 3 sequncias globnicas,

    Como se explica o fato delas possurem estrutura 3D to semelhantes ?

  • O heme das globinas responsvel pela ligao ao oxignio. O heme, tambm presente nos citocromos, sintetizado nas clulas aerbicas atravs de uma cadeia complexa de enzimas, a via das porfirinas. Na ltima etapa, um tomo de ferro introduzido na protoporfirina IX, originando o heme.

  • Nas globinas, o Fe2+ hemnico faz 6 ligaes de coordenao: 4 ligaes planares com os nitrognios dos anis pirrlicos da protoporfirina, e 2 perpendiculares ao plano do heme. A 5. ligao permanentemente ocupada com um dos N imidazlico da histidina F8 (proximal). A sexta coordenao pode ser ocupada pelo oxignio, ou pela histidina E7 (distal) nas globinas desoxigenadas.No desenho ao lado, a globina a. Observar os resduos hidrofbicos (em preto) que forram o bolso do heme nas globinas.

  • A Hemoglobina, composta por quatro cadeias polipeptdicas (dois dmeros ab), uma protena transportadora de oxignio.

    apresenta afinidade varivel por O2A estrutura tetramrica da hemoglobina confere molcula maior controle da afinidade por oxignioA Mioglobina, composta por uma cadeia polipeptdica, uma protena armazenadora de oxignio presente no tecido muscular de mamferos. apresenta alta afinidade por O2

  • A Mioglobina (Mb) tem a curva hiperblica, e atinge 50% de saturao (p50) com uma pO2 de ~1 torr.

    A Hemoglobina (Hb) tem a curva sigmide, indicando alosteria ou cooperativadade entre suas subunidades. Sua pO2 de ~ 26 torr e sua afinidade pelo O2 varia com o grau de saturao da molcula.

    A curva de saturao com O2 mostra diferenas importantes na afinidade da hemoglobina e da mioglobina pelo oxignio.A curva de saturao descreve a percentagem de molculas carregando O2 (eixo y) medida que se aumenta a presso parcial do gs (pO2, eixo x).Observe os valores da pO2 venosa (nos tecidos) e arterial (nos pulmes).

    A diferena de afinidade por O2 faz com que nos tecidos, a Mb fique 100% saturada, enquanto que a saturao da Hb diminui a ~55%, liberando de 1 a 2 molculas de O2.

    Essa diferena de comportamento est de acordo com a funo de armazenamento de O2 da Mb e de transporte de O2 pela Hb.

  • Por que a afinidade da hemoglobina pelo oxignio 26 vezes menor do que a da mioglobina, se as protenas possuem as estruturas 3D de suas cadeias globnicas (ambiente onde est o complexo heme-Fe2+ ~ O2) to semelhantes ?Quais so os mecanismos que fazem a afinidade da hemoglobina variar conforme o grau de saturao em O2 ? Por que isso no ocorre com a miglobina ?

  • A hemoglobina passa por vrias alteraes conformacionais na transio do estado desoxigenado para oxigenado.No estado oxigenado, a cavidade central do tetrmero diminue.Vrios loops se movem.

  • Observar os movimentos da cadeia b em relao ao Heme. A histidina 92 a F8 proximal.Alteraes conformacionais da hemoglobina A durante a transio do estado oxigenado para desoxigenadoObservar a expanso da cavidade central do tetrmero e as mudanas nos contactos entre as subunidades

  • O estado de oxigenao afeta propriedades fsicas da Hemoglobina como a interao com a luz visvel.

    A hemoglobina desoxigenada interage mais com a luz azul (absoro no comprimento de onda de 600-650 nm), dando ao sangue venoso uma cor acastanhada (no sangue sujo !), quando comparado ao sangue arterial.Alteraes conformacionais da hemoglobina A durante a transio do estado oxigenado para desoxigenado

  • As alteraes conformacionais que ocorrem nas cadeias globnicas da hemoglobina na transio oxigenao-desoxigenao so transmitidas de uma cadeia a outra, atravs de contactos nas interfaces das subunidades.

    Esse fenmeno a base molecular da cooperatividade, uma forma de alosteria caracterstica de protenas oligomricas. Por ser monomrica, a mioglobina no tem essa propriedade.

    A cooperatividade na hemoglobina positiva. Isso significa que quando uma cadeia passa do estado oxigenado para o desoxigenado, as alteraes conformacionais que essa molcula sofre so sentidas pelas cadeias vizinhas. Essas, por sua vez, respondem com uma diminuio de sua afinidade pelo oxignio, facilitando a desoxigenao da hemoglobina.O mesmo tipo de fenmeno ocorre na oxigenao da molcula, que tambm acontece de forma positivamente cooperativa.

    A cooperatividade na transio oxigenao-desoxigenao da hemoglobina a causa de sua curva de saturao ter aspecto sigmide, e uma das razes da afinidade varivel da hemoglobina pelo oxignio.

  • O efeito Bohr a modulao da afinidade da Hb por O2 pelo pH do meio, facilitando a desoxige-nao da Hb a nvel tecidual.

    O sangue venoso mais cido do que o arterial, pela presena de CO2 vindo dos tecidos. Esse forma cido carbnico H2CO3, que se dissocia liberando H+ para o meio.

    A curva ao lado mostra como a % de saturao da Hb, em uma pO2 prxima aos valores nos tecidos (20 torr), diminue em funo do pH do meio.

    Vrios mecanismos regulam a afinidade da hemoglobina pelo oxignio. O efeito Bohr um dos mais importantes em termos fisiolgicos.Para a mesma pO2, a saturao da Hb diminue de 45% em pH 7,6 para 22% em pH 7,2.

  • Para entender o efeito Bohr , vamos ver como se do as trocas de gases na Hb, e suas propriedades de tampo.Nos tecidos, a pO2 de 25 a 40 torr e o pH ligeiramente mais cido (7,2-7,3). O CO2 produzido difunde-se para o plasma e para as hemcias.

    Nas hemcias, o CO2 convertido a H2CO3 pela enzima anidrase carbnica.

    O H2CO3 se dissocia no on bicarbonato HCO3- e um prton H+. Parte do HCO3- (~60%) difunde para o plasma, onde constitue o principal sistema tampo.

    Uma parte pequena (~8%) do CO2 liga-se diretamente ao resduo N-terminal de cada globina, formando a carbamino-Hb.pO2 25 a 40 torr

  • Para entender o efeito Bohr , vamos ver como se do as trocas de gases na Hb, e suas propriedades de tampo.O prton H+ gerado da dissociao do H2CO3 tamponado por histidinas que ligam o heme.

    Ao receber o prton, a HbO2 sofre o efeito Bohr, que resulta em uma diminuio da afinidade pelo o O2, facilitando a desoxigenao.

    Concordando com o efeito Bohr, a Hb oxigenada mais cida (pK ~7.4) do que a Hb desoxigenada (pK ~7.6 ).

    pO2 25 a 40 torr

  • Para entender o efeito Bohr , vamos ver como se do as trocas de gases na Hb, e suas propriedades de tampo.No pulmo, a pO2 de 100 torr e o pH mais alcalino (pH ~7.6).

    A Hb desoxigenada recebe O2 e libera os prtons H+ recebidos no tecido. O efeito Bohr agora resulta em um aumento da afinidade pelo o O2, facilitando a oxigenao.

    Esses fatores fazem a anidrase carbnica catalizar a reao reversa, formando CO2 e H2O a partir de H2CO3, resultante da associao bicarbonato e H+.pO2 100 torr11. O CO2 ligado Hb liberado.

    12. O CO2 difunde para o plasma e da para os alvolos.

  • O 2,3-bifosfoglicerato (2,3 BPG) um produto exclusivo do metabolismo das hemcias, formado a partir de um dos intermedirio da via glicoltica, por uma enzima mutase especfica. Vrios mecanismos regulam a afinidade da hemoglobina pelo oxignio. O 2,3-difosfoglicerato um regulador alostrico negativo da hemoglobina. A ligao de uma molcula de 2,3 BPG hemoglobina reduz a sua afinidade por O2, facilitando a desoxigenao. O 2,3 BPG liga-se na cavidade central do tetrmero da hemoglobina, estabilizado por interaes eletrostticas com resduos de carga positiva.

  • Na oxihemoglobina, a cavidade central menor, expulsando o 2,3-DPG e aumentando a afinidade da molcula por O2.

    A mudana conformacional que ocorre na primeira desoxigenao torna essa cavidade maior na desoxi-hemoglobina, possibilitando a ligao do 2,3-DPG. A concentrao plasmtica de 2,3-DPG constante, ~5 mM.

    Populaes que habitam regies de elevada altitude, onde a atmosfera rarefeita, apresentam como mecanismo compensatrio um aumento nos nveis da enzima mutase que forma o 2,3 BPG.

    Com concentraes plasmticas mais elevadas de 2,3-BPG, e uma consequente diminuio da afinidade da Hb por O2, no h prejuizo da oxigenao dos tecidos, apesar da pO2 atmosfrica mais baixa eventualmente no ser suficiente para saturar 100% a Hb.

  • A regulao da afinidade da hemoglobina pelo O2 um somatrio do efeito Bohr e do 2,3 bifosfoglicerato, alm da cooperatividade positiva.Stripped Hb Hb sem nenhum modulador

    Whole blood Hb em sangue total, com todos seus moduladoresA figura ilustra a somatria de efeitos moduladores negativos do 2,3 BPG e do CO2 (efeito Bohr) sobre a afinidade da hemoglobina para o oxignio.Observe como a P50 (presso parcial de O2 que satura 50% das molculas) aumenta progressivamente a medida que os moduladores so adicionados ao meio.

    O efeito Bohr (presena de CO2) e o 2,3-BPG, juntos, diminuem em cerca de 2,6 vezes a afinidade da Hb pelo O2.

  • Evoluo das globinasmioglobinahemoglobinaNa evoluo das globinas, houve um evento de duplicao gnica, e depois, divergncia de cada um dos genes atravs de mutaes pontuais, que acabaram originando as duas cadeias globnicas da atual hemoglobina.

  • Ontogenia das hemoglobinas humanasA 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, a HbA2, formada por cadeias a e d (delta), ou seja, a2d2.

    No adulto, a Hemoglobina A resulta da expresso co-dominante de 2 genes que codificam a cadeia b e de 4 genes que codificam a cadeia a.

    Durante a vida embrionria e fetal, diferentes genes para as globinas so expressos sucessivamente.Existem 17 genes para globinas no genoma humano.

  • Ontogenia das hemoglobinas humanas: 17 genes codificando cadeias globnicasO grfico e a tabela mostram a sucesso de diferentes hemoglobinas e a sua composio em cadeias globnicas presentes no embrio, feto (aps a 12a. semana) e no adulto. Aps o nascimento, com a represso da sntese da cadeia g e aumento da sntese da cadeia b, ocorre a troca da HbF pela HbA, que se completa entre o 3o e 4o ms de vida. Nessa fase so muito importantes os banhos de luz dados na criana, pois estes auxiliam na degradao de derivados txicos do heme, formados na destruio das hemcias fetais.

  • A Hemoglobina Fetal (HbF) A HbF possue cadeias g (gama) equivalentes cadeia b da HbA, com10 aminocidos diferentes nas sequncias primrias dessas globinas.

    Uma das substituies importantes na HbF a posio 82 da cadeia g, que possui um resduo de serina (polar sem carga), diferentemente da cadeia b, que tem lisina (Lys82; com carga positiva) nessa posio.

    Essa substituo resulta numa ligao mais fraca do 2,3-DPG, que interage com as globinas por interaes eletrostticas, HbF. Como resultado, a HbF apresenta maior afinidade por O2 do que a HbA materna, possibilitando a captao de O2 a nvel da barreira placentria.Ligao do 2,3-BPG com a hemoglobina A

  • Hemoglobinopatias Como existem 4 alelos de cadeia a e 2 de cadeia b expressos co-dominantemente, so conhecidos mais mutantes de cadeia b (produzem 50 % de Hb anmala) do que de cadeia a (produo de 25 % de Hb anmala). Hemoglobinopatias podem resultar de mutaes nos genes estruturais das globinas, ou ainda nos genes reguladores da sntese das diferentes globinas, que o caso das talassemias. Mutaes pontuais nos genes das globinas a e b so relativamente frequentes. Em outubro de 2003 j eram conhecidos mais de 900 tipos de hemoglobinas anmalas contendo a troca de 1 aminocido na cadeia a ou na cadeia b. Mutaes duplas, inseres e delees so casos mais raros. A figura acima ilustra posies na sequncia primria de cadeias a ou b para as quais so conhecidos mutantes pontuais de Hb com alteraes na estabilidade e/ou solubilidade da protena ou na afinidade por oxignio, que resultam em patologias.

    Observe que a grande maioria dessas posies esto em cotovelos da molcula, onde as a-hlices no existem. Mutantes das histidinas proximal e distal (posies 92 e 63 na cadeia b, respectivamente), podem resultar em incapacidade de ligar O2.

  • A tabela mostra exemplos de hemoglobinas anormais que so mutantes pontuais.Hemoglobinas M apresentam substituies nas histidinas proximal ou distal, ou resduos hidrofbicos do bolso do heme. Como resultado, nas HbM ocorre a oxidao do Fe2+a Fe3+, tornando-as incapaz de ligar O2.

    Metahemoglobina uma HbA normal oxidada a Fe3+, situao que pode ser causada por fumaa de cigarro, cianetos, etc.No confundir metahemoglobina com HbM.Hemoglobina S ou falciforme apresenta uma troca de uma resduo cido por um apolar, causando alteraes na solubilidade da protena, que passa a ter tendncia de polimerizar. No h alteraes na afinidade pelo O2.

  • * Existem outros variantes de HbG de cadeia a. A HbG Philadelphia um variante de cadeia a que frequentemente traz deleo dos alelos no afetados. Quando no ocorre deleo, existe ~20% de HbG, com deleo de 1 alelo, ~30% de HbG, e com deleo de 2 alelos, ~40% HbG. *** HbD Punjab apresenta o mesmo tipo de mutao.# No uma mutao pontual e sim um porduto de crossover durante a meiose.

  • Anemia falciforme e hemoglobina S (HbS)A HbS apresenta um resduo de valina na posio 6 da cadeia b, no lugar do cido glutmico presente na HbA.

    Essa troca resulta em alterao da solubilidade da HbS, que apresenta tendncia de polimerizar quando desoxigenada, formando fibras que se depositam dentro da hemcia, deformando-a.

    Deformadas, essas hemcias so retiradas de circulao, causando o quadro anmico.

    A figura ao lado uma micrografia de uma fibras de HbS, que se organizam por polimerizao de muitas molculas, conforme o esquema abaixo.

    Fibra de HbSHemcia falcmica

  • Hemoglobina S: a valina na posio 6 da cadeia b da HbS faz interao hidrofbica com resduos Phe 85 e Leu 88 da cadeia b de outra molcula de HbS, determinando polimerizao da HbS desoxigenada. A polimerizao reverte quando a HbS fica 100% saturada. No h alterao da afinidade por O2, ou seja, o efeito Bohr, a ligao do 2,3-BPG e a cooperatividade no so afetados.

  • Origem geogrfica: regio de So Leopoldo, RS, Brasil

    mutao pontual com substituio de Ser por Cys na posico 9 da cadeia b na regio helicoidal A6

    por conter uma cistena a mais, a HbPorto Alegre apresenta tendncia de polimerizar, fazendo tetrmeros via pontes S-S-

    a polimerizao baixa in vivo, mas intensa em hemcias armazenadas (diminuio do poder redutor)

    veja artigo e texto complementar para mais informaes.A Hemoglobina Porto AlegreTetrmero de HbPAMicroscopia eletrnica de tetrmeros de HbPa