Como a hemoglobina mostra os quatro níveis de estrutura da proteína?

Os mamíferos inalam oxigênio do ar pelos pulmões. O oxigênio precisa ser transportado dos pulmões para o resto do corpo para vários processos biológicos. Isso acontece por meio do sangue, especificamente da proteína hemoglobina, encontrada nas células vermelhas do sangue. A hemoglobina desempenha essa função devido aos seus quatro níveis de estrutura proteica: a estrutura primária da hemoglobina, a estrutura secundária e as estruturas terciária e quaternária.

TL; DR (muito longo; Não li)

A hemoglobina é a proteína dos glóbulos vermelhos que lhe confere uma cor vermelha. A hemoglobina também desempenha a tarefa essencial de entrega segura de oxigênio por todo o corpo, e faz isso usando seus quatro níveis de estrutura protéica.

Hemoglobina é uma grande molécula de proteína encontrada nas células vermelhas do sangue. Na verdade, a hemoglobina é a substância que dá ao sangue sua tonalidade vermelha. O biólogo molecular Max Perutz descobriu a hemoglobina em 1959. Perutz usou a cristalografia de raios-X para determinar a estrutura especial da hemoglobina. Ele também acabaria descobrindo a estrutura cristalina de sua forma desoxigenada, bem como as estruturas de outras proteínas importantes.

A hemoglobina é a molécula transportadora de oxigênio para os trilhões de células do corpo, necessária para a vida das pessoas e de outros mamíferos. Ele transporta oxigênio e dióxido de carbono.

Essa função ocorre por causa da forma única da hemoglobina, que é globular e composta por quatro subunidades de proteínas em torno de um grupo de ferro. A hemoglobina sofre alterações em sua forma para ajudar a torná-la mais eficiente em sua função de transportar oxigênio. Para descrever a estrutura de uma molécula de hemoglobina, deve-se entender a maneira como as proteínas estão organizadas.

Uma proteína é uma grande molécula feita de uma cadeia de moléculas menores chamadas aminoácidos. Todas as proteínas possuem estrutura definitiva devido à sua composição. Existem vinte aminoácidos e, quando se ligam, formam proteínas únicas, dependendo de sua sequência na cadeia.

Os aminoácidos são compostos por um grupo amino, um carbono, um grupo de ácido carboxílico e uma cadeia lateral anexada ou grupo R que o torna único. Este grupo R ajuda a determinar se um aminoácido será hidrofóbico, hidrofílico, carregado positivamente, carregado negativamente ou uma cisteína com ligações dissulfeto.

Quando os aminoácidos se unem, eles formam uma ligação peptídica e fazem um estrutura polipeptídica. Isso acontece por meio de uma reação de condensação, resultando em uma molécula de água. Uma vez que os aminoácidos formam uma estrutura polipeptídica em uma ordem específica, esta sequência constitui um estrutura de proteína primária.

No entanto, os polipeptídeos não permanecem em linha reta, mas sim se dobram e se dobram para formar uma forma tridimensional que pode se parecer com uma espiral (um hélice alfa) ou uma espécie de forma de acordeão (um folha beta-plissada). Estas estruturas polipeptídicas constituem um estrutura de proteína secundária. Eles são mantidos juntos por meio de ligações de hidrogênio.

Estrutura terciária da proteína descreve uma forma final de uma proteína funcional composta de seus componentes de estrutura secundária. A estrutura terciária terá ordens específicas para seus aminoácidos, alfa-hélices e folhas beta-pregueadas, as quais serão dobradas na estrutura terciária estável. As estruturas terciárias geralmente se formam em relação ao seu ambiente, com porções hidrofóbicas no interior de uma proteína e hidrofílicas no exterior (como no citoplasma), por exemplo.

Embora todas as proteínas possuam essas três estruturas, algumas consistem em várias cadeias de aminoácidos. Este tipo de estrutura de proteína é chamada estrutura quaternária, fazendo uma proteína de várias cadeias com várias interações moleculares. Isso produz um complexo de proteínas.

Uma vez que se pode descrever a estrutura de uma molécula de hemoglobina, é mais fácil entender como a estrutura e a função da hemoglobina estão relacionadas. A hemoglobina é estruturalmente semelhante à mioglobina, usada para armazenar oxigênio nos músculos. No entanto, a estrutura quaternária da hemoglobina o diferencia.

A estrutura quaternária de uma molécula de hemoglobina inclui quatro cadeias de proteínas de estrutura terciária, que são todas alfa hélices.

Individualmente, cada hélice alfa é uma estrutura polipeptídica secundária feita de cadeias de aminoácidos. Os aminoácidos são, por sua vez, a estrutura primária da hemoglobina.

As quatro cadeias de estrutura secundária contêm um átomo de ferro alojado no que é chamado de grupo heme, uma estrutura molecular em forma de anel. Quando os mamíferos respiram oxigênio, ele se liga ao ferro do grupo heme. Existem quatro sítios heme para o oxigênio se ligar na hemoglobina. A molécula é mantida unida por seu alojamento de um glóbulo vermelho. Sem essa rede de segurança, a hemoglobina se desfaria facilmente.

A ligação do oxigênio a um heme inicia mudanças estruturais na proteína, o que faz com que as subunidades polipeptídicas vizinhas também mudem. O primeiro oxigênio é o mais desafiador de se ligar, mas os três oxigênios adicionais são então capazes de se ligar rapidamente.

A forma estrutural muda devido à ligação do oxigênio ao átomo de ferro no grupo heme. Isso muda o aminoácido histidina, que por sua vez altera a hélice alfa. As mudanças continuam nas outras subunidades de hemoglobina.

O oxigênio é inspirado e se liga à hemoglobina no sangue por meio dos pulmões. A hemoglobina carrega esse oxigênio na corrente sanguínea, levando oxigênio para onde for necessário. Conforme o dióxido de carbono aumenta no corpo e o nível de oxigênio diminui, o oxigênio é liberado e a forma da hemoglobina muda novamente. Eventualmente, todas as quatro moléculas de oxigênio são liberadas.

A hemoglobina não apenas transporta oxigênio pela corrente sanguínea, mas também se liga a outras moléculas. O óxido nítrico pode se ligar à cisteína na hemoglobina, bem como aos grupos heme. Esse óxido nítrico libera as paredes dos vasos sanguíneos e reduz a pressão arterial.

Infelizmente, o monóxido de carbono também pode se ligar à hemoglobina em uma configuração perniciosamente estável, bloqueando o oxigênio e levando à sufocação das células. O monóxido de carbono faz isso rapidamente, tornando a exposição a ele muito perigoso, pois é um gás tóxico, invisível e inodoro.

As hemoglobinas não são encontradas apenas em mamíferos. Existe até um tipo de hemoglobina nas leguminosas, chamado leghemoglobina. Os cientistas acreditam que isso ajuda as bactérias a fixar o nitrogênio nas raízes dos legumes. Tem semelhança passageira com a hemoglobina humana, principalmente por causa de seu aminoácido histidina que se liga ao ferro.

Como mencionado acima, a estrutura da hemoglobina muda na presença de oxigênio. Em uma pessoa saudável, é normal ter algumas diferenças individuais na estrutura primária da hemoglobina das configurações de aminoácidos. As variações genéticas nas populações se revelam quando há problemas com a estrutura da hemoglobina.

Dentro anemia falciforme, uma mutação na sequência de aminoácidos leva a uma aglomeração de hemoglobinas desoxigenadas. Isso altera a forma dos glóbulos vermelhos até que eles se assemelhem à forma de foice ou crescente.

Essa variação genética pode ser deletéria. Os glóbulos vermelhos da célula falciforme são vulneráveis ​​a danos e perda de hemoglobina. Isso, por sua vez, resulta em anemia ou baixo teor de ferro. Os indivíduos com hemoglobinas falciformes possuem uma vantagem em áreas propensas à malária.

Na talassemia, as alfa hélices não são produzidas da mesma forma, afetando negativamente a hemoglobina.

Por causa dos desafios no armazenamento de sangue e na correspondência de tipos de sangue, os pesquisadores buscam uma maneira de fazer sangue artificial. O trabalho continua fazendo novos tipos de hemoglobina, como um com dois resíduos de glicina que o mantêm unido em solução, em vez de se desfazer na ausência de um glóbulo vermelho protetor.

Conhecer os quatro níveis da estrutura da proteína na hemoglobina ajuda os cientistas a encontrar maneiras de entender melhor sua função. Por sua vez, isso poderia levar a novos alvos de medicamentos e outros tratamentos médicos no futuro.