5 Mioglobina e hemoglobina (1)

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Proteínas globulares – ligação reversível 
de uma proteína a um ligante 
Hemeproteínas: transporte de oxigênio
Mioglobina Hemoglobina 
Segmento -hélice
Alça de ligação
Grupamento heme
• Armazenar e facilitar o transporte de 
oxigênio no músculo
• Proteína intracelular  músculo
• Proteína monomérica contendo 153 
resíduos de aminoácidos
 Mioglobina
• O polipeptídeo é composto por 8 
segmentos -hélices (A- H) conectados 
por alças (AB, CD, EF..)
• Heme  grupo prostético 
• Alta afinidade por O2
• Ferro  forte tendência de ligar O2
• Ferro incorporado ao heme  grupo 
prostético
encontrado em proteinas
transportadoras de O2 e citocromos
Mioglobina: estrutura secundária e terciária
-hélice
Aminoácidos carregados
são encontrados quase
exclusivamente na
superfície
Grupamento heme
localiza-se em uma
fenda na molécula de
globina, cercado de
grupamentos apolares
O interior da molécula é 
composto, praticamente, 
por aminoácidos 
hidrofóbicos
Grupo heme
Fe2+
Liga oxigênio reversivelmente
Protoporfirina
Grupo pirrólico
Fe3+
O2
(oxidação)
Heme
Fe+2
O Fe2+ pode fazer 6 ligações coordenadas:
é mantido no centro da
molécula heme por ligações
coordenadas aos quatro
nitrogênios do anel de porfirina
a
Dois
grupos
propionil
Quatro 
grupos metil
Na protoporfirina IX
os anéis pirrólicos
apresentam como
substituintes:
Complexo de protoporfirina IX e íon ferroso
Dois
grupos
vinil
Fe2+ pode formar mais duas ligações adicionais:
A sexta posição fica disponível
para a ligação com o oxigênio.
Tanto na mioglobina quanto na 
hemoglobina, a quinta ligação é feita 
com o aminoácido histidina 
(histidina F8 proximal).
Quando o O2 se liga, as
propriedades eletrônicas do 
ferro do heme se alteram
Fe2+ O2 Fe3+ 
 (oxidação)
Cor púrpura do sangue venoso
Vermelho brilhante
do sangue arterial
P + L ⇆ PL
Kd
Ka
Ka =
[PL]
[P]·[L]
Ka·[P]·[L] = [PL]
 =
Sítios de ligação ocupados
Sítios de ligação total
 = [PL]
[PL] + [P]
 = Ka·[P]·[L]
Ka·[P]·[L] + [P]
 =
Ka·[P]·[L]
Ka·[P]·[L] + [P]
Ka·[P]
Ka·[P] Ka·[P]
[L] + 1
 =
[L]
 Ka
Equações de equilíbrio
Ka = constante de associação (M-1)
(afinidade entre L e P)Kd = Ka
1
Kd = constante de dissociação (M)
(Liberação do ligante da proteina)
proteína ligante Proteína-
ligante
 = saturação da proteína pelo ligante
 = [L]
[L] + Kd
Se  = 0,5, então:
Kd = [L]

[L] (unidades arbitrárias)
Kd = [Ligante] onde metade dos sítios de
ligação disponíveis estão
ocupados
(meia saturação da P pelo L)

A mioglobina é
relativamente
insensível a pequenas
alterações na [O2]d,
assim funciona bem
como uma proteína
armazenadora de O2.
P50=0,26 kPa
(O2 liga-se fortemente à mioglobina)
 =
pO2
pO2 + P50
P50= Pressão
parcial de O2
gasoso na qual
a mioglobina
está 50%
saturada
pO2= Pressão
parcial do O2 na
fase gasosa 
acima da solução
Hemoglobina nos eritrócitos: transporte de O2
 Eritrócitos são pequenos discos bicôncavos (diâmetro: 6 a 9 m)
 Ausência de organelas intracelulares
 Alta concentração de hemoglobina citosólica (34%)
 Transportar O2 dos pulmões para os tecidos periféricos
96% da hemoglobina 
saturada com O2 
64% da hemoglobina 
saturada com O2 (Liberação de 1/3 do O2)
Hemoglobina: transporte de O2 no sangue
 Tetrâmero: contém 2 cadeias  (141 aminoácidos) e 2 cadeias  
(146 aminoácidos) – dímero de subunidades  . 
1
12
21
12
2
 Os monômeros permanecem unidos por interações não-
covalentes
 Hemoglobina: 4 grupos heme (1 para cada monômero)
Mioglobina e hemoglobina: relação estrutural
Grupo 
heme
Mioglobina Cadeia  da 
hemoglobina
 As estruturas tridimensionais das cadeias  e  e da mioglobina são 
similares.
 A cadeia  e a mioglobina apresentam 8 segmentos -hélices (A- H), 
a cadeia  não contém a hélice D
Hemoglobina: estrutura quaternária
 As subunidades  e  fazem um contato extenso (interface -
): interações não-covalentes  predominantemente 
hidrofóbicas, mas também pontes de hidrogênio e pares 
iônicos
 Interações fortes: 
interface 1-1 e 2-2 
(35 resíduos de 
aminoácidos) 
 Nas interfaces 1-2 e 
2-1 as interações são 
mais fracas: envolvem 
19 resíduos
Permitem que os dímeros se
movam um em relação ao outro
Ligação do oxigênio à hemoglobina
 A mioglobina apresenta uma curva hiperbólica de ligação ao O2  
liga o O2 com afinidade alta
 A hemoglobina apresenta 
uma curva sigmóide de ligação 
ao O2  transfere mais O2 para 
tecidos periféricos
 A curva sigmóide indica 
interação cooperativa entre 
os sítios de ligação
 A ligação do O2 a uma 
subunidade aumenta a afinidade 
das demais subunidades pelo O2
0,0
0,2
0,4
0,8
0,6
1,0
0,0 4,0 8,0 12 16
Pressão venosa Pressão arterial
Hemoglobina
Mioglobina

pO2 (KPa)
0,5 -
Hemoglobina: alterações conformacionais
Forma T
(desoxigenada)
Forma R
(oxigenada)
 A ligação do O2 provoca múltiplas alterações estruturais na 
molécula de hemoglobina
 Estudos com raio X revelaram 2 diferentes estruturas quaternárias:
 Desoxiemoglobina (T “tenso”): menor afinidade pelo O2 
 Oxiemoglobina (R “relaxado”): Alta afinidade pelo O2 (molécula mais compacta)
estabilizado por muitos pares iônicos
Oxi-Hb
Desoxi-Hb
2



 A rotação entre os dímeros 1-1 e 
2-2 aproxima as subunidades  do 
tetrâmero e estreita o canal central 
da hemoglobina 
A forma oxi (direita) forma canal 
mais apertado ao longo do espaço
quando comparado à forma desoxi 
(acima). 
Hemoglobina: transição T R
Hemoglobina: transição T R
 Ligação com O2: as subunidades individuais alteram-se 
pouco, mas os contatos 1-2 (e 2-1) sofrem um 
deslocamento
 A oxigenação provoca 
uma rotação de um dímero 
(1-1) em relação ao outro 
(2-2) em cerca de 15°
 Causam modificações 
estruturais quaternárias 
(os contatos 1-1 e 2-2 
não são alterados 
significativamente) 
Desoxi
Oxi
Hemoglobina: alterações conformacionais
 Cooperatividade: a ligação do O2 a um grupo heme aumenta a 
afinidade dos demais grupos heme do tetrâmero pelo O2. Os grupos 
heme estão longe uns dos outros. 
 Como um grupo heme altera 
a afinidade dos demais grupos 
heme pelo O2?
 Alterando a estrutura 
quaternária da hemoglobina 
(transição T  R)
1
12
2
d = 25 a 37 

 Transição T  R: Movimento 
de resíduos nas interfaces 1-
2 e 2-1 e consequente 
rompimento de pares iônicos.
Hemoglobina: alterações conformacionais
Histidina F8
Repulsão 
estérica
Plano 
porfirínico
 Forma T: o átomo de ferro está fora do 
plano da porfirina (em direção à 
histidina F8 proximal) e o grupo heme 
está convexo
Desta forma, o comprimento da ligação 
Fe-O2 deve ser maior, e portanto, mais 
fraca (menor afinidade pelo O2)
 As pontes Fe-N são encurtadas e o heme 
assume forma planar
 O Fe move-se para o centro do heme
 O Fe arrasta com ele a histidina F8 proximal
 A ligação com o O2 altera o estado 
eletrônico do heme:
 Essas mudanças levam a ajustes nos pares iônicos na interface α1β2.
Foi proposto que a transição T → R seja
desencadeada por alterações nas posições das
cadeias laterais de aminoácidos-chave que
circundam o heme.
Forma T
Forma R
Hemoglobina: alterações conformacionais
 O movimento da histidina F8 proximal desloca a hélice F. 
(Estas mudanças são transmitidas às interfaces 1-2 (e 2-1))
Rompimento de pontes salinas intercadeias e 
formação de novos pares (transição T  R)
Hélice F
Forma T Forma R
Alterações estruturais do grupamento heme e o deslocamentoda hélice F 
devido à ligação com O2 
Porfirina Porfirina
Desoxi
Oxi
Hélice F
Hemoglobina: alterações conformacionais
 Ligação com O2 e deslocamento da hélice F: pares iônicos 
e pontes de hidrogênio que estabilizam as interfaces 1-2 (e 
2-1) são quebradas e novos pares iônicos são formados
Interações entre alguns pares 
iônicos nas cadeias 
polipeptídicas estendidas da 
desoxiemoglobina
Subunidade 
Subunidade 
Interações entre alguns pares iônicos na 
interface 1-2 da desoxiemoglobina
Interações entre alguns pares iônicos nas cadeias 
polipeptídicas estendidas da desoxiemoglobina
 Ligação com O2 e deslocamento da hélice F: pares iônicos 
e pontes de hidrogênio que estabilizam as interfaces 1-2 (e 
2-1) são quebradas e novos pares iônicos são formados
pO2 nos 
tecidos
pO2 nos 
pulmões
Estado de alta 
afinidade
Transição do 
estado de 
afinidade baixo 
ao alto
Estado de baixa 
afinidade
Curva sigmóide (cooperativa) de ligação
Hemoglobina: alterações conformacionais
A ligação do O2 a subunidades 
individuais da hemoglobina podem 
alterar a afinidade do O2 em 
subunidades adjacentes:
O2
O2
O2
O2
A primeira molécula de O2 que se liga à 
desoxihemoblogina se liga fracamente, pois esta 
se encontra no estado T
Alterações de conformação são comunicadas às 
subunidades adjacentes, facilitando a ligação 
adicional de O2
A 4a molécula de O2 liga-se a um heme em uma 
subunidade que já está no estado R, portanto, 
com uma afinidade muito maior que a 1a 
molécula.
Hemoglobina: transporte de H+ e CO2
 Além de transportar O2 dos pulmões para os tecidos periféricos, a 
hemoglobina transporta 2 produtos finais do metabolismo oxidativo 
(H+ e CO2) dos tecidos para os pulmões e rins, onde são excretados
Tecidos periféricos:
Hb-O2
O2 CO2
Oxidação de 
compostos orgânicos
O CO2 é pouco 
solúvel em solução 
aquosa e deve ser 
convertido em 
bicarbonato
CO2 + H2O H+ + HCO3-
(Anidrase carbônica)
Eritrócitos
Resulta em aumento da concentração de H+: redução do pH
 A interconversão de CO2 e bicarbonato influencia a ligação e 
liberação de O2 pela hemoglobina
Transporte de H+ e CO2: Efeito Bohr
 A hemoglobina transporta cerca de 40% dos H+ e 20% do CO2 
formado nos tecidos para os rins e pulmões, respectivamente
 A ligação do H+ e CO2 à hemoglobina, entretanto, está 
inversamente relacionada com a ligação do O2
Tecidos periféricos
( pH e  CO2)
Pulmões: o CO2 é 
excretado e o pH 
Baixa afinidade da 
hemoglobina pelo O2
(desoxiemoglobina)
Alta afinidade da 
hemoglobina pelo O2
(oxiemoglobina)
 Libera O2
 Liga H+ e CO2
Liga O2 para levar aos 
tecidos periféricos e 
libera CO2
 O2, H+ e CO2 ocupam diferentes sítios de ligação na molécula de 
hemoglobina
CO2 + H2O H+ + HCO3-
Efeito do pH e [CO2] na ligação e
liberação do O2 pela Hb: Efeito Bohr
Efeito Bohr
Influência do pH sobre a curva de 
saturação da hemoglobina
 A redução do pH desloca a curva de dissociação do O2 para a direita 
 a afinidade pelo O2 fica diminuída
 Músculos muito ativos 
produzem muito CO2 e ácido 
láctico  reduz o pH. Com isto, 
podem ser supridos com O2 
adicional
O2Hb + H+ + CO2
Hb + O2
H+
CO2
Músculo Alvéolos 
pulmonares
Pulmão MúsculoSangue
Papel da hemoglobina e da mioglobina no transporte 
de O2 e CO2 nos pulmões e tecidos periféricos
pO2 = 13,3 
kPa
pO2 = 4,0 
kPa
Respiração
O2
Expiração
H2O + CO2 CO2 + H2OCO2HCO3- + H+
Hb HbH+ HbH+
O2
Inspiração
CO2
H2O
Anidrase 
carbônica
HCO3- + H+
H2O
Anidrase 
carbônica
HbO2 HbO2
O2
Hb
MbO2
Mb
Modulação pelo 2,3-bisfosfoglicerato
 Os eritrócitos apresentam altos níveis de 
2,3-bisfosfoglicerato (BPG)
2,3-bisfosfoglicerato
 A ligação do BPG está inversamente relacionada 
com a ligação do O2: diminui a afinidade da Hb 
pelo O2 (permite que o O2 seja liberado)
Hb-BPG + O2 Hb-O2 + BPG
O BPG é um 
subproduto da 
glicólise 
(degradação 
da glicose)
 BPG: indica aumento 
no catabolismo 
anaeróbico
Os tecidos 
precisam de maior 
aporte de O2
Liberação de O2
BPG
Liga-se fracamente à oxiemoglobina
Liga-se fortemente à 
desoxiemoglobina
Modulação pelo 2,3-bifosfoglicerato
pO2 nos 
tecidos
pO2 nos 
pulmões 
(4500 m)
pO2 nos 
pulmões 
(nível do mar)
 BPG desloca a curva de 
dissociação do O2 para a direita
 Na ausência de BPG, muito 
pouco O2 é liberado
Adaptação à grandes altitudes
Grandes altitudes:  pO2  menor 
liberação de O2 para os tecidos
 a concentração de BPG 
nos eritrócitos
 a liberação de O2 para os tecidos
Pequeno efeito sobre a 
ligação do O2 nos pulmões




BPG +Lis
Lis+
His+
His+
+His
+His
Mecanismo de ligação do BPG
 O BPG se liga na concavidade central da hemoglobina: As cargas 
negativas do BPG interagem com os resíduos de aminoácidos da 
subunidade , os quais são positivamente carregados
Oxigenação
Transição para oxiemoglobina (R)
 Ao contrário do O2, apenas 1 molécula de BPG se liga ao tetrâmero 
de hemoglobina
Estabiliza a estrutura quaternária da 
desoxiemoglobina (T)
Ocorre estreitamento da cavidade 
central e expulsão do BPG 
( afinidade pelo O2)
Tipos de Hemoglobina
Adultos
22: hemoglobina A (98%)
22: hemoglobina A2 (2%)
Embriões e fetos
22: fase embrionária
22: hemoglobina F (fetal)
Cadeias  e : 141 resíduos de aminoácidos
Cadeias ,  e : 146 resíduos de aminoácidos
Hemoglobina fetal
0,0
0,2
0,4
0,8
0,6
1,0
0,0 4,0 8,0 1,2 1,6
Pressão venosa Pressão arterial
Hemoglobina 
materna
Hemoglobina 
fetal

pO2 (KPa)
Durante a gravidez o feto deve extrair O2 a partir do sangue materno. 
Então a hemoglobina fetal deve ter maior afinidade pelo O2 
22: hemoglobina A 
22: hemoglobina fetal 
A hemoglobina fetal tem 
menor afinidade pelo BPG
Maior afinidade pelo O2
A His143 (carga positiva) 
na cadeia  é substituída 
por Ser143 (sem carga) na 
cadeia  
Com isto, o BPG se liga 
mais fracamente à Hb fetal 
Hemoglobina Fetal Hemoglobina Materna
Estas alterações podem ser resultantes:
•alteração da estrutura normal da Hb (modificação 
de um único aminoácido...) 
•diminuição na síntese da Hb...
São conhecidas mais de 300 variações genéticas da 
hemoglobina na população humana, que caracterizam 
as chamadas HEMOGLOBINOPATIAS.
Hemoglobina variantes e anemia falciforme
Determinadas mutações genéticas podem levar à substituição de 
1 ou mais aminoácidos na cadeia de hemoglobina
Anemia falciforme Resulta da substituição de um único 
aminoácido na cadeia  (Glu6Val6)
 Os pacientes 
apresentam hemácias 
deformadas (células 
falciformes)
Hemoglobina S
Hemoglobinas variantes: podem afetar a estrutura e função 
da hemoglobina
Podem ser assintomáticas ou podem causar doenças 
debilitantes
Hb A
Hb S
Anemia falciforme
 As propriedades alteradas da 
hemoglobina S resultam da 
substituição de um único 
aminoácido (Glu6 Val6). 
 O grupo R da valina não tem carga 
elétrica, enquanto o glutamato tem 1 
carga negativa em pH 7,4
 Por isto, a hemoglobina S tem 2 cargas 
negativas a menos que a hemoglobina A, uma 
para cada uma das 2 cadeias  
 A substituição do resíduo de Glu por Val cria 
um contato hidrofóbico “grudento” na posição 6 
da cadeia β que induz as moléculas da desoxi-
Hb S a formar agregados fibrosos longos
Anemia falciforme
Hemoglobina S: A desoxigenação leva à 
formação de filamentos insolúveis no 
interior das hemácias (desoxiemoglobina S)
A oxiemoglobina S não forma 
precipitados insolúveis (a oxigenação 
do sangue reverte o processo)
Deformação das hemáciasInteração entre moléculas
Formação de cordões
Alinhamento e cristalização 
(Formação de fibras)
A oxiemoglobina não forma polímeros 
insolúveis porque a conformação R não 
apresenta a concavidade hidrofóbica
Anemia falciforme
Hemoglobina A: o glutamato carregado 
não se encaixa na concavidade hidrofóbica
As hemácias deformadas causam oclusão de pequenos vasos 
sanguíneos, dificultando a circulação e provocando lesão de 
múltiplos orgãos
Anemia grave
Crises dolorosas
As células falciformes são mais frágeis que as normais e 
hemolisam rapidamente (vida mais curta)
Hemoglobina S: herança genética
2 CROMOSSOMOS 
ALELOS  2 GENES 
PARA CADEIA 



Glu
-
HbS 
(heterozygous)
Sickle cell trait



HbS 
(homozygous)
Sickle cell disease



Glu
-
Glu
-
HbA1Hb A Hb S 
(heterozigoto)
Hb S 
(homozigoto)
Indivíduos heterozigotos apresentam caráter falcêmico: 
apresentam cerca de 1% de hemácias falciformes 
(homozigotos têm até 50%) e raramente apresentam crise 
falcêmica
Anemia falciforme
Eletroforese de hemoglobina
Diagnóstico de Hb S:
+
-
Normal Traço 
falciforme
Homozigoto
A malária é causada pelo protozoário 
Plasmodium falciparum, que vive no 
interior dos eritrócitos
O protozoário reduz o pH dos 
eritrócitos ( H+)  formação de 
desoxiemoglobina (efeito Bohr)
Formação de hemácias falciformes
As células defeituosas são removidas 
da circulação mais rapidamente (baço)
Hemoglobina S  Vantagem 
adaptativa? Indivíduos heterozigotos 
apresentam resistência à malária
Anemia falciforme
•Ocorre mais na população negra.
•Afeta 1 a cada 500 neonatos negros nos EUA (na 
forma homozigótica), mas a doença só é detectada 
quando há substituição total da HbF pela HbS.
•1 em cada 10 americanos negros são heterozigóticos. 
•Trata-se de uma doença hereditária.
•O problema principal é na cadeia .
Anemias
1. Redução da quantidade de glóbulos vermelhos ou de 
hemoglobina no sangue:
1.1 Diminuição da síntese de hemoglobina (p. ex. na deficiência de 
ferro)
1.2 Diminuição da produção de eritrócitos:
• deficiência de ácido fólico (atua na maturação das hemácias), 
decorrente de ingestão diminuída, absorção defeituosa ou 
aumento da demanda como ocorre na gestação.
• deficiência de vitamina B12 (em geral por deficiência do fator 
intrínseco normalmente secretado pelas células parietais 
gástricas).
2. Por aumento da destruição das hemácias
Exercícios
1. Diferencie as curvas de dissociação do 
oxigênio pela mioglobina e hemoglobina. 
Explique baseado em suas estruturas.
2. Qual o efeito do pH sobre a curva da 
hemoglobina? Explique o efeito Bohr.
3. Explique de que forma o 2,3-bifosfoglicerato 
afeta a ligação do O2 à hemoglobina.
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