Transporte de Oxigênio

Shriver & Atikins , cap. 26

Mioglobina é uma proteína de baixa massa molar (17 kDa) presente nos tecidos musculares de mamíferos que apresenta a função de transportar O2

O grupo responsável pelo transporte de O2 é uma porfirina lidada à cadeia proteica com um átomo de Fe2+ quelado

Space-filling model of the heme pocket of wild-type sperm whale oxymyoglobin.

Scott E E et al. J. Biol. Chem. 2001;276:5177-5188

©2001 by American Society for Biochemistry and Molecular Biology

Porfirina central onde ocorre o acoplamento de O2 na Mioglobina

spin alto

O2 se acopla à molécula e atua como um ligante de campo forte, alterando a distribuição de elétrons do Fe2+ de spin alto para spin baixo

O sítio superior usualmente contém H2O como um ligante de campo fraco

Fe2+ (24 elétrons): 1s2

2s2 2p6

3s2 3p6 3d6

4s0

A histidina da parte proteica superior ao anel porfirínico é fundamental para posicionar o O2 no sítio de ligação, mas não é um ligante imediato do íon Ferro

Pesquise: Porque o acoplamento de CO na Mioglobina é menos favorecido do que o de O2?

Cálculos de estabilidade mostram que os ângulos e são muito pequenos. O posicionamento do do CO não é auxiliado pela histidina J. Phys.: Condens. Matter 15 (2003) S1809–S1822

Oxidação do Fe2+ por redução do O2

Exemplo do dia a dia: As carnes frescas possuem a mioglobina com o Fe2+ complexado com O2 e isso é a origem da cor avermelhada das carnes A cocção ou mesmo o envelhecimento faz com que ocorra a oxidação de Fe2+à Fe3+ e a com isso a alteração da cor de avemelhado para escuro

Fe2+ + O2 + H+ Fe3+ + H-O-O.

Pense: a oxidação de íons Ferro gera radicais que podem ser um problema para a célula. Há algum mecanismo de defesa que possa remediar este problema?

H-O-O. + Fe2+ + H+ H-O-O-H + Fe3+ H-O-O-H + Fe2+ + H+ HO. + H2O + Fe3+

Acoplamento de CO na Mioglobina

Menos favorecido do que O2, mas em alta pressão parcial de CO pode substituir o O2

gás NO gerado por nitrito pode acoplar da mesma forma.

SEM O2, NÃO HÁ OXIDAÇÃO DO Fe2+

>> CO é usado para preservar "frescor" da carne vermelha quando embalada

Nitrito é usado em carnes curadas (presunto de parma, por exemplo) para manter a característica avermelhada

Hemoglobina é uma proteína de 68 kDa presente nos eritrócitos (células presentes no sangue de maíferos). Ex.: No sangue a cerca de 150 g de hemoglobina/L Como na mioglobina apresenta a função de transportar O2

Tetrâmero , cujas subunidades são similares à mioglobina Há 4 porfirinas / molécula proteica

Transferência de O2 entre os dois tipos de proteína

Comportamento sigmoidal na hemoglobina Primeira molécula de O2 ligada ocorre com baixa afinidade >> Induz movimento no respectivo "monômero" >> afeta a estrutura dos outros monômeros, aumentando a afinidade por O2

Movimento em dos 'monômeros" >> afeta a estrutura dos outros monômeros, aumentando a afinidade por O2

Pesquise (estude e conclua você mesmo): Como é o movimento ocorrido na proteína (hemoglobina) que melhora a afinidade dos outros monômeros pelo O2? (procure na internet os vídeos que ilustram isso)

Pense: Há uma forma simples de entender porque a afinidade da Hb pelo O2 diminui em pHs mais ácidos

Considere um pKa aproximado para a histidina de 7,6. No artigo listado abaixo se percebe que a análise não deve ser tão simplista

Pense: Porque os escaladores sofrem com a altitude?

P gás em equilíbrio com a solução

Afinidade depende do pH

Efeiro do pH sobre a afinidade da Hb pelo O2

Mt Everest>> 8848m

Ptotal = PgásA + PgásB + PgásC Aprox.: PO2 0.21XPat 6 kPa

A hemoglobina não chega ao nivel máximo de saturação com O2

Exemplo sobre afinidade pelo O2 e pressão parcial do O2

Sistemas envolvidos na transferência de elétrons Citocromos >> Pigmentos celulares contendo uma porfirina e o par Fe3+/Fe2+ como sistema de transferência de elétrons

Met

Neste caso, as reações redox são muito relevantes, pois representam uma forma de transferir elétrons em biomoléculas

Met

O sítio superior contém Metionina como um ligante de campo forte (note que difere do grupo heme na desoxi-hemoglobina e desoxi-mioglobina)

Fe2+ (24 elétrons): 1s2

2s2 2p6

3s2 3p6 3d6

4s0

spin baixo

Há outros tipos de citocromos, nos quais a metionina é alterada por outro aminoácido: 2 histidinas é relativamente comum. Pense: A alteração dos AA pode alterar a distribuição de elétrons "d"?

Pense: 1) Se os aminoácidos (quelantes) do íon Ferro forem alterados por ligantes de campo mais fraco (menor capacidade de doar elétrons), pode haver estabilização diferenciada de íons Fe2+ e íons Fe3+ ? 2) Porque o citocromo não absorve O2 se apresenta o mesmo glupo porfirínico da mioglobina e da hemoglobina?

CCP + H2O2 + 2 ferrocytochrome c + 2H+ → CCP + 2H2O + 2 ferricytochrome c

Transferência de elétrons a partir de um citocromo

Sítio ativo expandido de uma proteína denominada citocromo C peroxidase

A enzima citocromo C peroxidase

Qual seria a tividade catalítica da Citocromo C peroxidase?

Acoplamento da Citocromo C peroxidase com o citocromo C

Citocromo C

Citocromo C peroxidase

Pense: Como funciona uma peroxidase ?

Ciclo catalítico típico de uma peroxidase: Note que após a reação com o substrato H2O2, ocorre a formação de uma esécie deficiente em 2 elétrons

The structures of the Compound I derivatives in (a) HRP, (b) CcP and (c) APX. The thick black line represents the haem ring and the axial histidine ligand is shown. For HRP, the second oxidising equivalent resides on the porphyrin ring (porphyrin π-cation radical); for CcP, an aromatic tryptophan residue, Trp191, adjacent to the haem is used (Trp˙+ radical); for APX, a porphyrin π-cation radical is used despite APX containing the same Trp residue as is found in CcP.

Dalton Trans. , 2003, 4208 – 4215

Nas diferentes peroxidases, há formas diferenciadas de distribuir a deficiência de elétrons causada pela reação com H2O2

Porque a transferência de elétrons é importante em sistemas biológicos?

Pense: Num ser vivo evoluído, cuja fonte de energia básica depende de carboidratos, qual é a rota de conversão de um carboidrato no metabolismo celular? Quem fornece ou recebe elétrons?

Próxima aula: Vamos verificar se as questões levantadas encontram boas respostas Também: Processos catalíticos Shriver e Atkins, cap 26