Para ser capaz de falar de uma forma compreensível da hemoglobina (Hb), é útil tratar primeiro a mioglobina (Mb), que é muito semelhante à hemoglobina, mas é muito mais simples. Entre a hemoglobina e a mioglobina existem relações de parentesco estrito: ambas são proteínas conjugadas e seu grupo prostético (parte não protéica) é o grupo heme .
A mioglobina é uma proteína globular que consiste em uma única cadeia de cerca de cento e cinquenta aminoácidos (depende do organismo) e seu peso molecular é de cerca de 18 Kd.
Como dito, é dotado de um grupo heme que é inserido numa porção hidrofóbica (ou lipofílica) da proteína, consistindo em dobras relacionadas com as estruturas de hélice α das proteínas fibrosas.
A mioglobina consiste principalmente de segmentos de α-hélices, presentes em número de oito e consiste quase exclusivamente de resíduos não-polares (leucina, valina, metionina e fenilalanina) enquanto os resíduos polares estão praticamente ausentes (ácido aspártico, ácido glutâmico, lisina e arginina); os únicos resíduos polares são duas histidinas, que desempenham um papel fundamental no ataque de oxigênio ao grupo heme.
O grupo heme é um grupo cromóforo (absorve no visível) e é o grupo funcional da mioglobina.
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Um pouco de química
A ligação entre a protoporfirina e o ferro é uma ligação típica dos chamados compostos de coordenação, que são compostos químicos nos quais um átomo central (ou íon) forma ligações com outras espécies químicas num número maior que seu número de oxidação (carga elétrica). No caso do heme, esses títulos são reversíveis e fracos.
O número de coordenação (número de ligações de coordenação) do ferro é seis: pode haver seis moléculas ao redor do ferro que compartilham os elétrons de ligação.
Para formar um composto de coordenação, são necessárias duas órbitas com a orientação correta: uma capaz de "comprar" elétrons e a outra capaz de doá-los.
No heme, o ferro forma quatro ligações planares com os quatro átomos de nitrogênio localizados no centro do anel proto-porfirina e uma quinta ligação com um nitrogênio da histidina proximal; o ferro tem o sexto elo de coordenação livre e pode se ligar ao oxigênio.
Quando o ferro está na forma de um íon livre, todos os orbitais do tipo d têm a mesma energia; na mioglobina, o íon ferro está ligado à protoporfirina e à histidina: essas espécies perturbam magneticamente o d orbital do ferro; a extensão da perturbação será diferente para os vários orbitais d, dependendo de sua orientação espacial e da espécie perturbadora. Como a energia total dos orbitais deve ser constante, a perturbação provoca uma separação energética entre os vários orbitais: a energia adquirida por alguns orbitais é equivalente à energia perdida pelos outros.
Se a separação que ocorre entre os orbitais não for muito grande, um arranjo eletrônico de alta rotação é preferível: os elétrons de união tentam organizar a rotação paralela em vários sub-níveis possíveis (multiplicidade máxima); se, por outro lado, a perturbação for muito forte e houver uma grande separação entre os orbitais, pode ser mais conveniente emparelhar os elétrons de ligação nos orbitais de energia mais baixa (spin baixo).
Quando o ferro se liga ao oxigênio, a molécula assume um arranjo de baixa rotação, enquanto que, quando o ferro tem o sexto vínculo de coordenação livre, a molécula dispõe de um alto giro.
Graças a essa diferença de spin, através de uma análise espectral da mioglobina, somos capazes de entender se o oxigênio está ligado (MbO2) ou não (Mb).
A mioglobina é uma proteína típica dos músculos (mas não é encontrada apenas nos músculos).
A mioglobina é extraída do cachalote em que está presente em grandes quantidades e depois purificada.
Os cetáceos têm uma respiração semelhante à dos seres humanos: ter os pulmões absorvendo ar através do processo respiratório; o cachalote deve trazer tanto oxigênio quanto possível para os músculos que são capazes de acumular oxigênio, ligando-o à mioglobina presente neles; o oxigênio é então liberado lentamente quando o cetáceo é imerso porque seu metabolismo requer oxigênio: quanto maior a quantidade de oxigênio que o cachalote é capaz de absorver, maior o oxigênio disponível durante o mergulho.
Fazer mais ou menos carne vermelha é o conteúdo das hemoproteínas (é o heme que torna a carne vermelha).
A hemoglobina possui muitas analogias estruturais com a mioglobina e é capaz de se ligar ao oxigênio molecular de maneira reversível; mas, enquanto a mioglobina está confinada aos músculos e tecidos periféricos em geral, a hemoglobina é encontrada em eritrócitos ou glóbulos vermelhos (são pseudo-células, ou seja, não são células verdadeiras) que compõem 40% do sangue.
A hemoglobina é um tetrametro, ou seja, é composta de quatro cadeias polipeptídicas, cada uma tendo um grupo heme e duas a duas idênticas (em um ser humano existem duas cadeias alfa e duas cadeias beta).
A principal função da hemoglobina é o transporte de oxigênio ; Outra função do sangue no qual a hemoglobina está envolvida é o transporte de substâncias para os tecidos.
No trajeto dos pulmões (ricos em oxigênio) para os tecidos, a hemoglobina transporta oxigênio (ao mesmo tempo em que as outras substâncias atingem os tecidos) enquanto no caminho inverso, traz consigo os resíduos coletados dos tecidos, especialmente o dióxido de carbono produzido no metabolismo.
No desenvolvimento de um ser humano existem genes que são expressos apenas por um certo período de tempo; Por essa razão, temos diferentes hemoglobinas: fetal, embrionária, do homem adulto.
As cadeias que compõem essas hemoglobinas diferentes têm estruturas diferentes, mas com semelhanças de fato, a função que elas executam é mais ou menos a mesma.
Uma explicação da presença de várias cadeias diferentes é a seguinte: durante o processo evolutivo dos organismos, a hemoglobina também evoluiu, especializando-se no transporte de oxigênio de áreas ricas em áreas deficientes. No início da cadeia evolutiva, a hemoglobina transportava oxigênio para pequenos organismos; no curso da evolução, os organismos alcançaram dimensões maiores, portanto a hemoglobina mudou para poder transportar oxigênio em áreas mais distantes do ponto em que era rico; Para fazer isso, novas estruturas das cadeias que compõem a hemoglobina foram codificadas no decorrer do processo evolucionário.
A mioglobina se liga ao oxigênio mesmo em pressões modestas; nos tecidos periféricos, há uma pressão (PO2) de cerca de 30 mmHg: a mioglobina nessa pressão não libera oxigênio, portanto, seria ineficaz como transportador de oxigênio. A hemoglobina, por outro lado, tem um comportamento mais elástico: liga oxigênio a altas pressões e libera quando a pressão diminui.
Quando uma proteína é funcionalmente ativa, ela pode mudar um pouco sua forma; por exemplo, a mioglobina oxigenada tem uma forma diferente da mioglobina não oxigenada e essa mutação não afeta as vizinhas.
O discurso é diferente no caso de proteínas associadas, como a hemoglobina: quando uma cadeia é oxigenada, ela é induzida a mudar sua forma, mas essa modificação é tridimensional e, portanto, as outras cadeias do tetrameter também são afetadas. O fato de as cadeias estarem mutuamente associadas leva a pensar que a modificação de uma afeta os outros vizinhos, mesmo que em uma extensão diferente; quando uma cadeia é oxigenada, as outras cadeias do tetrametro assumem uma "atitude menos hostil" em relação ao oxigênio: a dificuldade com que uma cadeia oxigenada diminui à medida que as cadeias próximas a ela oxigenam por sua vez. A mesma fala é válida para a desoxigenação.
A estrutura quaternária da desoxiemoglobina toma o nome da forma T (tesa), enquanto a oxiemoglobina é chamada de forma R (liberada); no estado de tensão há uma série de interações eletrostáticas bastante fortes entre aminoácidos e aminoácidos básicos que levam a uma estrutura rígida de desoxiemoglobina (é por isso que a "forma tensa"), enquanto que quando o oxigênio é ligado, a magnitude desses interações diminui (é por isso que a "forma liberada"). Além disso, na ausência de oxigênio, a carga de histidina (ver estrutura) é estabilizada pela carga oposta do ácido aspártico, enquanto, na presença de oxigênio, há uma tendência por parte da proteína de perder um próton; tudo isso significa que a hemoglobina oxigenada é um ácido mais forte do que a hemoglobina desoxigenada: efeito bohr .
Dependendo do pH, o grupo heme liga-se mais ou menos facilmente ao oxigênio: em um ambiente ácido, a hemoglobina libera oxigênio mais facilmente (a forma tensa é estável) enquanto que, em um ambiente básico, a ligação com o oxigênio é mais forte.
Cada hemoglobina libera 0, 7 prótons por mole de oxigênio recebido (O2).
O efeito Bohr permite que a hemoglobina melhore sua capacidade de transportar oxigênio.
A hemoglobina que faz a jornada dos pulmões para os tecidos deve se equilibrar de acordo com a pressão, o pH e a temperatura.
Vamos ver o efeito da temperatura .
A temperatura nos alvéolos pulmonares é cerca de 1-1, 5 ° C inferior à temperatura externa, enquanto nos músculos a temperatura é de cerca de 36, 5-37 ° C; à medida que a temperatura aumenta, o fator de saturação diminui (com a mesma pressão): isso acontece porque aumenta a energia cinética e a dissociação é favorecida.
Existem outros fatores que podem afetar a capacidade da hemoglobina se ligar ao oxigênio, um deles é a concentração de 2, 3-bisfosfoglicerato .
2, 3 bisfosfoglicerato é um metabólico presente nos eritrócitos em uma concentração de 4-5 mM (em nenhuma outra parte do corpo está presente em uma concentração tão alta).
Em pH fisiológico, o 2, 3-bisfosfoglicerato é desprotonado e possui cinco cargas negativas; está preso entre as duas cadeias beta da hemoglobina porque estas cadeias têm uma alta concentração de cargas positivas. As interações eletrostáticas entre as cadeias beta e o 2, 3-bisfosfoglicerato dão uma certa rigidez ao sistema: obtém-se uma estrutura tensa que tem pouca afinidade pelo oxigênio; durante a oxigenação, então, o 2, 3-bisfosfoglicerato é expelido.
Nos eritrócitos há um aparelho especial que converte o 1, 3-bisfosfoglicerato (produzido pelo metabolismo) em 2, 3-bisfosfoglicerato, de modo que ele atinge uma concentração de 4-5 mM e que, portanto, a hemoglobina é capaz de trocar oxigênio nos tecidos.
A hemoglobina que chega a um tecido está no estado liberado (ligada ao oxigênio), mas próximo ao tecido, é carboxilada e passa para um estado tenso: a proteína nesse estado, tem menos tendência a se ligar ao oxigênio, comparado ao estado liberado, portanto a hemoglobina libera oxigênio para o tecido; além disso, pela reação entre a água e o dióxido de carbono, há uma produção de íons H +, então mais oxigênio para o efeito bohr.
O dióxido de carbono se difunde no eritrócito passando através da membrana plasmática; Como os eritrócitos constituem cerca de 40% do sangue, devemos esperar que apenas 40% do dióxido de carbono que se propaga dos tecidos entre eles, na verdade, 90% do dióxido de carbono entra nos eritrócitos porque eles contêm uma enzima que converte dióxido de carbono no ácido carbônico, resulta que a concentração estacionária de dióxido de carbono nos eritrócitos é baixa e, portanto, a velocidade de entrada é alta.
Outro fenômeno que ocorre quando um eritrócito atinge um tecido é o seguinte: por gradiente, o HCO3- (derivado do dióxido de carbono) sai do eritrócito e, para equilibrar a produção de uma carga negativa, temos o entrada de cloreto que provoca um aumento na pressão osmótica: para compensar essa variação, também é introduzida água que causa um inchaço do eritrócito (efeito HAMBURGER). O fenômeno oposto ocorre quando um eritrócito atinge os alvéolos pulmonares: há uma deflação dos eritrócitos (efeito HALDANE). Assim, os eritrócitos venosos (dirigidos para os pulmões) são mais redondos do que os arteriais.
