Transporte e Armazenamento de Oxigénio

Sistemas vivos utilizam metaloproteínas à base de ferro e cobre, como a hemoglobina e a mioglobina, para ligar o oxigénio reversivelmente, transportando-o pelo corpo e armazenando-o nos tecidos.

Definition

O transporte e armazenamento de oxigénio é a química bioinorgânica pela qual as metaloproteínas ligam o oxigénio molecular reversivelmente num centro metálico para o transportar na corrente sanguínea e retê-lo nos tecidos para uso na respiração.

Scope

Este tópico abrange a química bioinorgânica dos transportadores de dioxigénio: os centros de ferro heme da hemoglobina e da mioglobina, a ligação cooperativa de oxigénio da hemoglobina e o seu controlo alostérico, as alterações estruturais que acompanham a oxigenação, e os transportadores alternativos de oxigénio hemocianina e hemeritrina. Trata da ligação e armazenamento reversível de oxigénio, deixando a catálise de ativação de oxigénio para o tópico de metaloenzimas.

Core questions

• Como o centro de ferro heme liga o oxigénio reversivelmente sem ser oxidado?
• Por que a ligação de oxigénio da hemoglobina é cooperativa?
• Que alterações estruturais acompanham a oxigenação?
• Como a hemocianina e a hemeritrina transportam oxigénio com cobre ou ferro não-heme?

Key concepts

• Heme e a histidina proximal
• Ligação reversível de dioxigénio
• Cooperatividade e a curva sigmoidal
• Regulação alostérica
• Hemocianina (dicobre)
• Hemeritrina (diferro)

Key theories

Ligação reversível de dioxigénio ao ferro heme

O centro de ferro(II) do heme, mantido numa bolsa proteica com uma histidina proximal, liga o dioxigénio de forma terminal enquanto a proteína previne a oxidação irreversível, permitindo ciclos repetidos de captação e libertação.

Cooperatividade e alosteria na hemoglobina

A ligação de oxigénio a uma subunidade desencadeia alterações estruturais terciárias e quaternárias que aumentam a afinidade das outras, resultando na curva de ligação sigmoidal que Perutz explicou a partir da estereoquímica da proteína.

Transportadores alternativos de oxigénio

A hemocianina utiliza um sítio de dicobre e a hemeritrina um sítio de diferro não-heme para ligar o dioxigénio, mostrando que a natureza desenvolveu vários centros metálicos distintos para o transporte reversível de oxigénio.

Mechanisms

Na hemoglobina, a ligação do oxigénio ao ferro de uma subunidade puxa o ferro para o plano do heme e desloca a histidina ligada, propagando uma alteração quaternária que converte a proteína de um estado de baixa afinidade para um estado de alta afinidade e, assim, torna a ligação cooperativa.

Clinical relevance

A química dos transportadores de oxigénio sustenta a fisiologia respiratória e os distúrbios da entrega de oxigénio, a toxicidade do monóxido de carbono que compete pelo sítio do heme, e a base molecular de condições que afetam a hemoglobina; este é material de referência, não orientação clínica.

History

A base molecular do transporte de oxigénio tornou-se clara com as primeiras estruturas cristalinas de proteínas: Kendrew resolveu a mioglobina e Perutz resolveu a hemoglobina, trabalho reconhecido pelo Prémio Nobel de 1962. Perutz então explicou a cooperatividade a partir das diferenças estruturais entre as formas oxigenada e desoxigenada.

Key figures

• Max Perutz
• John Kendrew
• Linus Pauling

Seminal works

• perutz1970
• lippard1994
• bertini2007

Frequently asked questions

Por que o ferro na hemoglobina não enferruja simplesmente quando liga o oxigénio?

A bolsa proteica isola cada heme e posiciona uma histidina proximal e resíduos distais de modo que o oxigénio se liga reversivelmente sem que dois centros de ferro se encontrem para formar uma espécie em ponte irreversivelmente oxidada, mantendo o ferro disponível para ciclos repetidos.

O que a ligação cooperativa realiza fisiologicamente?

A cooperatividade confere à hemoglobina uma curva de ligação de oxigénio íngreme e sigmoidal, de modo que ela carrega oxigénio eficientemente onde a pressão parcial é alta, nos pulmões, e o descarrega eficientemente onde a pressão é baixa, nos tecidos.