Estrutura

Figura 2 - Formação da estrutura quaternária da hemoglobina
( http://www.biocristalografia.df.ibilce.unesp.br/xtal/texto_hb.php )

Comparação da sequência de aminoácidos na hemoglobina e na mioglobina

Foi recentemente concluído que a evolução relacionada com os membros das famílias das proteínas pode ser deduzido por observação e comparação das sequências equivalentes. Esta aproximação baseia-se no facto de que as sequências mais semelhantes tenham tido menos tempo evolutivo para divergir do que aquelas que apresentam mais diferenças. Os estudos efectuados permitiram a construção da árvore de evolução em que o comprimento de cada ramo que liga cada par de proteínas é proporcional ao número de aminoácidos que diferem em ambas as sequências.
 

Figura 3 -Sequência de aminoácidos da hemoglobina humana (cadeia α) e mioglobina humana

Figura 4 - Comparação da sequência de aminoácidos da hemoglobina humana (cadeia α) e mioglobina humana

Hemoglobina é constituída por quatro cadeias polipeptídicas.

 A hemoglobina dos vertebrados, o transportador de oxigénio nas hemácias, é constituída por quatro cadeias polipeptídicas, duas de um tipo, e duas de outro. As quatro são mantidas juntas por ligações não covalentes. Cada uma contém um grupo heme e um só centro de ligação ao oxigénio. A hemoglobina A, a principal dos adultos, é constituída por duas cadeias alfa (α) e duas beta (β). Uma outra hemoglobina nos adultos (cerca de 2% da hemoglobina total) é a hemoglobina A₂, na qual as cadeias β são substituídas por cadeias delta (δ). Sendo assim, a composição da hemoglobina A é α₂ β₂ e da hemoglobina A2 é α₂δ₂.

Os embriões e fetos apresentam hemoglobinas diferentes. Logo após a concepção, os embriões sintetizam cadeias zeta (ξ), que são cadeias do tipo α; e cadeias épsilon (ε), que são do tipo (β). No decurso do desenvolvimento, ξ é trocado por α, e ε é trocado por gama (γ) e depois por β.

A principal hemoglobina durante os dois terços terminais da vida fetal é a hemoglobina F, cuja composição em sub-unidades é α₂γ₂. As cadeias α e ξ contém 141 aminoácidos e as cadeias β, γ e δ contém 146. Logo, a hemoglobina consiste em vários polipéptideos que diferem entre si. As interacções das subunidades determinam a capacidade da hemoglobina de transportar O₂, CO₂ e H⁺, atendendo às condições fisiológicas.

Figura 5 - Estrutura quaternária da hemoglobina

A estrutura quaternária da hemoglobina muda acentuadamente pela oxigenação

A hemoglobina pode ser dissociada nas cadeias que a constituem. As propriedades da cadeia α isolada são muito parecidas com as da mioglobina. A cadeia α, por si só, tem uma grande afinidade para o oxigénio. As cadeias β isoladas associam-se para formar um tetrâmero (β4). Da mesma forma que a cadeia α e que a mioglobina, β4 não tem as propriedades alostéricas da hemoglobina, e tem uma alta afinidade pelo oxigénio. As propriedades alostéricas da hemoglobina surgem de interacções entre as suas subunidades. A unidade funcional da hemoglobina é um tetrâmero que consiste em dois tipos de cadeias polipeptídicas.
Em 1938, Félix Haurowitz descobriu que cristais de desoxi-hemoglobina se fragmentavam quando eram expostos ao oxigénio. Os cristais de desoximioglobina, por outro lado, ligam-se e libertam oxigénio sem alteração da sua forma. A fragmentação dos cristais da hemoglobina sugeriu que a proteína passa por uma mudança conformacional importante quando se liga ao O2. de facto, estudos de cristalografia com raios X mostraram qua a oxi e a desoxi-hemoglobina diferem acentuadamente nas suas estruturas quaternárias.
A molécula oxigenada é mais compacta. A estrutura quaternária da desoxi-hemoglobina é chamada de forma T (Tensa), a da oxi-hemoglobina é chamada de forma R (relaxada).
 

O Ferro Move-se em Direcção ao Plano do Heme Quando o Oxigénio se Liga

Na mioglobina não oxigenada, o ferro do heme situa-se cerca de 0,03 nm (0,3 Ǻ) fora do plano do anel, na direcção de His F8. Na mioglobina oxigenada, uma molécula de oxigénio ocupa a sexta posição de coordenação do átomo de ferro que, então, se situa apenas a cerca de 0,01 nm (0,1 Ǻ) fora do plano do heme. A oxigenação da hemoglobina é, portanto, acompanhada pelo movimento do átomo de ferro e, consequentemente, pelo movimento de His F8 e os resíduos liga­dos covalentemente a His F8, em direcção ao plano do anel. Este movimento gera uma nova conformação das porções da proteína.

Figura 6 - Transição da hemoglobina da forma T para a forma R

Ao contrário da mioglobina, a hemoglobina é uma proteína tetramérica

Ao contrário da mioglobina, que não apresenta estrutura quaternária, as hemoglobinas são proteínas tetraméricas, consistindo de pares de 2 polipeptídeos diferentes ou unidades monoméricas (denominadas ą, ß, γ ...). Não obstante similares nos seus comprimentos, os polipeptídeos ą (141 resíduos) e ß (146 resíduos) da hemoglobina A (HbA), são codificados por diferentes genes e apresentam diferentes estruturas primárias. Em contraste, as estruturas primárias, ß, γ, δ das cadeias polipeptídicas das hemoglobinas humanas conservaram firmemente as suas estruturas primárias. As estruturas tetraméricas das hemoglobinas comuns são: HbA (hemoglobina normal adulto) = ą,₂ß₂ ,HbF (hemoglobina fetal) = ą,₂γ₂ HbS (hemoglobina da célula falciforme) = ą,₂S₂ e HbA₂ (hemoglobina adulta “minor”) = ą,₂δ_2.

Figura 7 - Comparação entre mioglobina e hemoglobina

As estruturas secundárias e terciárias da mioglobina e das subunidades β da Hemoglobina são quase idênticas

Embora ocorram diferenças no tipo e número de aminoácidos presentes na mioglobina e no polipeptídeo β das HbA, apresentam as estruturas secundárias e terciárias quase idênticas. Essa notável semelhança, que se estende à localização do grupo heme e à região das 8 hélices, resulta, em parte, da substituição de aminoácidos de propriedades análogas em pontos equivalentes nas estruturas primárias da mioglobina e da subunidade β da HbA. Além disso, o polipeptídeo β assemelha-se muito à mioglobina, apesar de possuir 7 regiões em hélice em vez de 8. Como no caso da mioglobina, os resíduos hidrofóbicos são internos e (com excepção dos 2 resíduos de Hys por subunidade) os resíduos hidrofílicos estão na superfície das subunidades α e β da HbA.

Figura 8 - Mioglobina e Sub-unidade β da Hemoglobina
( http://www.iq.usp.br/wwwdocentes/chsfarah/Aula_Chuck_3.ppt )

O 2,3-Difosfoglicerato (DPG) estabiliza a estrutura T da hemoglobina

 Nos tecidos periféricos, a deficiência de oxigénio determina uma acumulação de 2,3- difosfoglicerato (DPG). Este composto é formado de um intermediário glicolítico, o 1,2-difosfoglicerato. Uma molécula de DPG liga-se à hemoglobina tetramérica, numa cavidade central, formada pelas 4 subunidades. A cavidade central tem tamanho suficiente para acomodar o DPG somente quando o espaço entre as hélices da cadeia β é suficientemente largo, isto é, quando a hemoglobina está na sua forma T.

O DPG está ligado por pontes salinas entre os seus átomos de oxigénio e ambas as cadeias beta via resíduos de amino, grupos N-terminais (Val NA1), Lys EF6 e His H21. Assim, o DPG estabiliza a forma T, a forma desoxigenada, da hemoglobina, por ligação cruzada das cadeias beta, e contribui, adicionalmente, para a formação de pontes salinas, que devem ser rompidas para que a forma T se “transforme” na forma R da hemoglobina.

O DPG liga-se com menor afinidade à hemoglobina fetal, do que à adulta, porque o resíduo H21, da cadeia gama da hemoglobina fetal é a serina em vez da His que não pode participar na formação da ponte salina (que mantém o DPG na cavidade central). Portanto, o DPG tem um efeito menos pronunciado na estabilidade da forma T da hemoglobina fetal e é responsável pela maior afinidade que a hemoglobina fetal apresenta para o oxigénio quando comparada com a hemoglobina do adulto. (saber mais...)

O indicador da transição entre as formas R e T da hemoglobina é o movimento do ferro para dentro e para fora do anel porfirínico. Factores estéricos e electrostáticos regulam a iniciação com uma energia livre de 3000 calorias por mol. Assim, a mudança mínima da posição do Fe^2- em relação ao anel porfirínico induz significativa mudança na conformação da hemoglobina e produz efeitos cruciais nas suas funções biológicas, em resposta a factores externos.