O documento discute os principais pigmentos respiratórios que transportam oxigênio no sangue de diferentes animais, incluindo hemoglobina, hemocianina e mioglobina. Também aborda os fatores que afetam a afinidade destes pigmentos pelo oxigênio, como a pressão parcial de oxigênio, temperatura, pH e fosfatos orgânicos. Finalmente, explica como o transporte de dióxido de carbono ocorre principalmente na forma de bicarbonato no sangue.

1. Morfofisiologia Comparada 1
Sangue
Unidade 2: Oxigênio
Prof. Caio Maximino

2. Pigmentos respiratórios
transportam O2
● O O2
pode estar presente no sangue de 2 formas: dissolvido, como gás livre, ou
ligado a uma proteína ou pigmento respiratório:
1)Hemoglobinas (Hb), que apresentam uma porção globina e um grupamento prostético heme,
que contém ferro
● Intracelulares
●
Normalmente consistem em duas ou mais subunidades (mamíferos = tetrâmeros)
●
Presentes em vertebrados, anelídeos, alguns moluscos, e crustáceos
●
Vermelha quando oxigenada, azul quando desoxigenada
2)Hemocianas (Hc), que usam cobre ligado diretamente a cadeias laterais de AAs para ligar O2
●
Extracelulares
●
Artrópodes apresentam hexâmeros (muitos podem ligar-se entre si), anelídeos e moluscos apresentam decâmeros (muitos
podem ligar-se entre si)
●
Azul quando oxigenada, sem cor quando desoxigenada
3)Hemeritrina, que usam ferro (mas não no grupo heme) para ligar O2
●
Intracelulares
● Alguns invertebrados marinhos (sipuncúlidos, priapúlidos, braquiópodos, e anelídeos do gênero Magelona)
4)Clorocruorina e eritrocruorina, que usam grupo heme para ligar O2
● Extracelulares
●
Alguns anelídeos

3. A mioglobina muscular
● Monômero que armazena O2
no músculo de vertebrados
– Fibras esqueléticas Tipo I e músculo cardíaco
● Como a contração desses músculos diminui o fluxo sanguíneo,
a Mb pode liberar O2
para compensar
● Uma hipótese é que a Mb também representa uma via
alternativa à difusão, captando O2
próximo à membrana celular
(onde o PO2
é mais alto) e transportando-o até as mitocôndrias

4. A importância dos
pigmentos respiratórios
● A quantidade de O2
dissolvida no sangue de um mamífero é
diretamente proporcional à PO2
do sangue
– Considerando PO2
arterial normal de 100 mmHg e temperatura corporal
de 37 ºC, somente 3 mL de O2
podem se dissolver em 1 L de sangue
– Em seres humanos, somente 15 mL de O2
/min podem ser dissolvidos
no fluxo pulmonar normal de 5 L/min
● Mesmo em condições de repouso, as células humanas
consomem 250 mL O2
/min, e esse consumo pode crescer até 25
x em atividade estenuante

5. Hemoglobina e grupamento heme
Sherwood et al., 2011

6. Um exemplo extremo: O peixe-gelo
da Antártida
● Baixa taxa metabólica, estilo de vida “moroso”
● Não apresentam eritrócitos e hemoglobina
●
O sangue é amarelado transparente, as brânquias são
creme pálido e a carne é extremamente branca.
● PO2
arterial alto (110 mmHg), devido à maior
concentração de O2
em águas geladas
● Débito cardíaco alto, coração grande, volume
sanguíneo grande, resistência periférica pequena
● 40% do O2
captado pela pele
Peixe-gelo da espécie Chionodraco hamatus
(Lönnberg,1905) -
http://en.wikipedia.org/wiki/Channichthyidae

7. Fatores que mudam a concentração
de Hb no plasma
1) Mudanças sazonais: [Hb] aumenta conforme a temperatura diminui
2) Atividade locomotora: Em alguns animais (p. ex., cavalos, mamíferos
que mergulham, peixes), a atividade locomotora estimula a liberação de
eritrócitos do baço, e a atividade aeróbica prolongada induz estimulação
hormonal (eritropoietina)
3) Altitude: Exposição prolongada a altas altitudes e/ou baixas [O2
]
ambientais pode induzir eritropoietina
4) Estresse e doenças: O cortisol e citocinas imunes podem induzir
anemia

8. A função da Hb
● Todos os gnatostomados apresentam Hb tetramérica;
cada um dos 4 átomos de ferro liga-se reversivelmente a
1 molécula de O2
● Quando não está ligada ao O2
, a Hb é referida como
reduzida (ou desoxi-Hb); quando liga-se (liberando
prótons), é chamada oxi-Hb (HbO2
)
HbH4
+
+ 4O2
↔4Hb(O2
) + 4H+
Desoxihemoglobina Oxihemoglobina

9. A saturação da Hb é
determinada pela PO2
● A Hb tetramérica é considerada completamente saturada quando toda
a Hb presente está carregando sua carga máxima (4 O2
s/Hb)
● O fator mais importante na determinação da saturação é a PO2
do
sangue
– A lei da ação das massas determina que, quando a PO2
do sangue é
aumentada (p. ex., como nos capilares pulmonares), a reação vai na direção
da formação de HbO2
– Quando a PO2
é diminuída (p. ex., como nos capilares sistêmicos), a reação vai
na direção da formação de HbH4
+
(e, portanto, da liberação de O2
)

10. Cooperatividade entre as sub-
unidades da Hb
● Diferente da maioria das
proteínas, que apresentam
curva de ligação hiperbólica, a
Hb apresenta curva de
dissociação O2
-Hb senóide
● Isso ocorre porque a Hb
tetramérica apresenta
alosterismo positivo
Sherwood et al., 2011

11. Mudanças evolutivas da afinidade
Animal Habitat; Tamanho corporal P50
Hb (mmHg)
Elefante africano Baixa altitude; 5.000 kg 20
Humano Baixa altitude; 70 kg 27
Cervo Sika Baixa altitude; 40 kg 28
Vicunha 3.500 – 5.000 m; 40 kg 21
Roedores (ratos, mussaranhos,
&c)
Baixa altitude; 0,005 – 0,8 kg 36+
Chichilla de rabo longo Até 3.000 m; 0,55 kg 27
Chinchilla de rabo curto 3.000 – 5.000 m; 0,5 kg 23
Toupeira européia Subterrâneo; 0,05 kg 21
Ganso-bravo Baixa altitude; 3,5 kg 39,5
Ganso andino 4 – 6.000 m; 3 kg 34
Ganso-cabeça-listrada
(Himalaia)
9.000 m; 3 kg 30
Sherwood et al., 2011

12. Fatores que influenciam a afinidade
Sherwood et al., 2011

13. Efeitos Bohr e Root
● Efeito Bohr: Tanto o CO2
quanto H+
podem se ligar à
Hb, em sítios alostéricos, resultando em alteração
conformacional e reduzindo a afinidade pelo O2
– A magnitude desse efeito depende do tamanho corporal;
pequenos mamíferos com alta taxa metabólica são mais
sensíveis, e a acidez ajuda a levar O2
para os tecidos
– Em peixes, o efeito Bohr resulta do aumento de H+
, mas não
CO2
● Efeito Root: A ligação do H+
reduz a capacidade total
de carrear O2
ao se ligar a isoformas específicas da Hb
– Importante para estabelecer o PO2
elevado das bexigas de
gás
– Pode ter um papel importante durante períodos de acúmulo
de lactato associado à atividade estenuante
Sherwood et al., 2011

14. O efeito da temperatura
● Diminui a afinidade da Hb por O2
, deslocando a curva de dissociação para a
direita → promove a liberação de mais O2
para uma dada PO2
– Particularmente importante para ectotermos, porque muitos deles passam rotineiramente
por aumentos na temperatura corporal e, portanto, da taxa metabólica
– O aumento da demanda de O2
em temperaturas mais altas pode ser compensado pelo
aumento na liberação de O2
– Em endotermos, o aumento de temperatura causado pela atividade muscular (ou de
outras células em metabolismo ativo) também aumenta a liberação de O2
● Kevin Campbell: clonagem do gene de uma Hb de mamute produziu proteína
que não é afetada pela temperatura, sugerindo um mecanismo que permite a
liberação de O2
nas extremidades (que provavelmente eram muito frias)

15. Efeito dos fosfatos orgânicos
●
Produtos do metabolismo nos eritrócitos
– 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG) na maioria dos mamíferos
– Inositol pentafosfato (IPP) em aves
– Trifosfatos de nucleosídeos (ATP em salmonídeos, tubarões, e arraias; GTP em enguias e ciprinídeos)
● Ligam-se reversivelmente à Hb, reduzindo sua afinidade por O2
– ≠ dos outros mecanismos, esse mecanismo está presente por todo o sistema circulatório
– Assim, os fosfatos orgânicos também podem aumentar a liberação de O2
no nível pulmonar
● Para favorecer a carga de O2
nos órgãos respiratórios, os peixes diminuem os nucleosídeos
em resposta à hipóxia crônica
●
Mamíferos que evoluíram em altas atitudes tem menos DPG do que espécies que evoluíram
no nível do mar

16. Efeito Root e o preenchimento das
bexigas de gás
● Para manter a flutuabilidade, a bexiga natatória deve ser capaz de
variar a quantidade total de gás
– Se a bexiga contivesse sempre a mesma quantidade de gás, afundaria em
maiores profundidades (bexiga comprimida pela maior pressão) e fluturia
em menores profundidades (bexiga espandida pela menor pressão)
● Essa capacidade surge de 3 fatores:
1) Uma glândula de gás na parede da bexiga que opera anaerobicamente
secretando lactato no sangue, diminuindo o pH
2) Um sistema de suprimento de sangue (rete mirabile) que perfunde a
glângula, e está arranjado de maneira contra-corrente
3) Hb exibindo efeito Root

17. Efeito Root e o preenchimento das
bexigas de gás
● O processo de inflar a bexiga é um processo
ativo, que ocorre contra o gradiente de pressão
da bexiga
1) O sangue que chega na bexiga transporta gás com
uma pressão igual ao da água que passa pelas
guelras; a maior parte do O2
, no entanto, estará na
forma de HbO2
2) A glândula de gás secreta lactato nos capilares,
iniciando a liberação de O2
das isoformas sensíveis
ao pH (efeitos Bohr e Root); a PO2
cresce, mas ainda
está equilibrada com a da bexiga natatória
3) Como há fluxo contra-corrente com os capilares
venosos, o gás se difunde deste para os capilares
arteriais, sobrepujando a PO2
da bexiga
● O esvaziamento da bexiga é um processo
passivo que depende da diminuição da atividade
da glândula
Sherwood et al., 2011

18. O CO2
é transportado
principalmente como bicarbonato
Sherwood et al., 2011

19. O CO2
é transportado
principalmente como bicarbonato
● Em mamíferos, cerca de 60%-70% do CO2
é transportado como bicarbonato
● Em peixes, como os resíduos NH2
da Hb são acetilados para não se ligar ao
CO2
, cerca de 90%-95% do CO2
é transportado como bicarbonato
● Sem anidrase carbônica (reação lenta):
CO2
+ H2
O ↔ H2
CO3
↔H+
+ HCO3
−
●
Com anidrase carbônica:
CO2
+ OH-
↔ HCO3
-
– Essa reação gera um H+
, porque consome o OH-
da ionização da água

20. Desvio/fuga de cloreto
● Conforme a reação avança, HCO3
-
e H+
acumulam nos eritrócitos de
capilares sistêmicos
● A membrana do eritrócito expressa um carreador antiporte de HCO3
-
/Cl-
,
que facilita a difusão em direções diferentes
● Assim, o HCO3
-
pode ser transportado para as guelras ou pulmões
● Como o HCO3
-
é um ânion, o movimento dos íons Cl-
para dentro dos
eritrócitos (contra o gradiente elétrico gerado pelo movimento do HCO3
-
)
restaura a eletroneutralidade

21. Efeito Haldane
● A desoxi-Hb tem mais afinidade por CO2
e H+
do que a HbO2
● Portanto, a liberação de O2
da Hb nos capilares dos tecidos facilita a
captação de CO2
e H+
● Esse Efeito Haldane, em sincronia com o Efeito Bohr, facilita a troca de gás:
– Aumento do CO2
e H+
levam ao aumento da liberação de O2
(efeito Bohr)
– O O2
liberado levam ao aumento da captação de CO2
e H+
pela Hb (efeito Haldane)

22. Anormalidades de PO2
arterial
● Hipóxia hipóxica: PO2
arterial baixo acompanhado de saturação inadequada. Causas:
– Troca gasosa inadequada (PO2
normal nos alvéolos ou guelras, mas redução no PO2
arterial)
– Exposição a ambiente com PO2
ambiental baixo
● Hipóxia anêmica: Diminuição na capacidade de transportar O2
pelo sangue. Causas:
– Redução de eritrócitos circulantes
– Baixa [Hb]
– Envenenamento de CO
● Hipóxia circulatória: Diminiuição do sangue oxigenado que chega nos tecidos. Causas:
– Bloqueio local (p. ex., espasmo vascular, trombo)
– Insuficiência cardíaca congestiva, choque circulatório
● Hipóxia histotóxica: O fluxo de O2
para os tecidos é normal, mas estes não podem usar o O2
disponível (p. ex.,envenenamento por cianeto)

23. Respostas organísmicas de
aclimatação à hipóxia
https://elifesciences.org/articles/27467

24. Respostas intracelulares de
aclimatação à hipóxia
● Efeitos (vertebrados):
– Aumento da eritropoiese
– Síntese de transportadores de glicose
– Síntese de enzimas de glicólise anaeróbica
– Síntese de uma isoforma da citocromo c oxidase mais eficiente no uso do O2
– Angiogênese
Hill et al., 2012