The sigmoidal dissociation curve of hemoglobina (Hb) and cooperativity are very difficult concepts to grap for the students of biochemistry in the health sciences (such as undergraduates, chemistry and biology pre-medical majors). O ensino da hemoglobina serve múltiplos propósitos na sala de aula de bioquímica, entre eles a ilustração da ligação e estabilidade proteica, transporte e cinética., Neste sentido, o conceito de origem da função proteica e a sua regulação na célula é um dos pontos-chave das sequências de curso inovadoras propostas com base na lógica da química .
o facto de a molécula de Hb ser composta por 4 subunidades (α1,α2,β1,β2) torna a oxigenação mais fácil à medida que a Hb se torna mais saturada com oxigénio. Para explicar isso, é importante lembrar que as interações de ligação entre subunidades hidrofóbicas e iônicas e hidrogênio determinam a estrutura quaternária final de uma proteína complexa., Especificamente, uma série de ligações iônicas (classicamente referidas como “pontes Salinas”) formadas entre aminoácidos altamente hidrofílicos ou carregados (por exemplo, Asp, Glu, Lys, Arg) mantêm juntas as quatro subunidades na estrutura quaternária de Hb. A oxigenação só pode ocorrer se as ligações iônicas forem quebradas e o polímero mudar de uma forma “tensa” (T) ou de baixa afinidade de oxigênio para uma forma “relaxada” (R). Quando isso acontece, os átomos de ferro podem adotar a posição estereoquímica ideal no plano da porfirina que permite a ligação adequada das moléculas de oxigênio(s)., Quanto mais pontes são quebradas, mais fácil é (isto é, a afinidade de ligação ou −ΔGo aumenta) para a entrada de novas moléculas de oxigênio, até quatro por molécula de Hb. Este foi, em termos simplistas, um mecanismo estrutural proposto por M. F. Perutz nos anos 70 que, embora contestado por alguns investigadores, é substancialmente correto com base em novas evidências experimentais .
desde sua primeira edição, O Livro de Bioquímica de L. Stryer apresentou a analogia entre quebrar ligações iônicas e rasgar um bloco de quatro selos como uma explicação do mecanismo da cooperatividade., Eu descobri que mesmo usando esta analogia, os estudantes ainda estão confusos, provavelmente devido ao “quebrar” (selo) é equiparado a “vinculação” (de oxigênio), dois verbos que têm intrinsecamente contraditórios significados, que não conduzem, naturalmente, para a formação de uma associação mental de duas idéias abstratas.além disso, o ensino da Hb concentra-se frequentemente apenas no mecanismo molecular e não se estende à sua funcionalidade no corpo., Eu tenho aplicado com sucesso a analogia para a liberação de oxigênio em vez de para a ligação, assim efetivamente a ligação bioquímica (cooperatividade) com a fisiologia química (dissociação de oxigênio). Tal como acontece com todos os equilíbrios, o processo é reversível e a curva sigmoidal pode funcionar de qualquer forma, uma vez que consideramos o eixo X: da esquerda para a direita para a ligação do oxigénio ou da direita para a esquerda para a sua dissociação (Fig. 1). Neste último caso, a alta tensão de O2 dos pulmões (100 mmHg) proporciona saturação completa., À medida que o sangue deixa os pulmões para os tecidos periféricos, Hb libera sua carga e a percentagem de oxihemoglobina diminui.
a forma da curva de dissociação do oxigénio do Hb é sigmoidal, enquanto que a de outras moléculas que transportam oxigénio (como a mioglobina) é hiperbólica. Apenas a curva sigmoidal é característica do processo cooperativo pelo qual a libertação de uma molécula de oxigénio altera a afinidade para os oxigénios restantes ligados às outras subunidades proteicas., A subunidade 4 arranjo em Hb (α1,α2,β1,β2), serve para realizar uma função específica no organismo dos vertebrados, como ele se move de um extremo do gradiente de pressão parcial de oxigênio (ou tensão de oxigênio) dos pulmões para o hipoxia dos tecidos. As linhas diagonais tracejadas na figura indicam que as moléculas de oxigênio estão ligadas a subunidades α/β (às 6 posições de coordenação de íons Fe2+ nos planos heme).,
Para trabalhar o “cooperatividade em reverso”, que é, na realidade, uma funcional, em vez de estrutural, analogia, dou alguns alunos de um quatro de pós-office carimbo de bloco quadrado e dizer-lhes que os selos representam as quatro moléculas de oxigênio ligado à Hb dentro de uma hemácia no pulmão, (neste ponto, I certifique-se de que eles entendem que as moléculas de oxigênio na vida real são vinculados a hemoglobina subunidades, não para os outros). Então finjo embarcar numa viagem aos tecidos onde todo este oxigénio é necessário., Quando lhes digo para rasgar o primeiro selo, fazem-no fazendo dois cortes, um horizontal e o outro vertical. Para liberar o segundo selo só é necessário um corte. E com um corte final, os dois últimos selos estão separados. Depois passo para o gráfico da curva de dissociação (Fig., 2) e eu digo-lhes que cooperatividade significa que o lançamento de cada oxigênio a partir de Hb em regiões do corpo mais longe e mais longe dos pulmões, facilita o lançamento de cada subsequentes molécula, e com menos energia a cada vez (se a 1 corte = 1 unidade arbitrária de energia, em seguida, para separar o primeiro, segundo, terceiro e quarto oxygens precisamos de, respectivamente, 2 unidades 1 unidade 1/2 unidade 1/2 unidade).,
para liberar único selos a partir de um bloco de quatro, temos que fazer dois cortes para liberar o primeiro selo, apenas um corte para liberar o segundo, e com o final cut, nós liberamos os dois últimos selos, assim, cada vez que precisar “de menos energia para fazer o trabalho. Da mesma forma, o oxigénio permanece firmemente ligado à hemoglobina (Hb) nos pulmões, mas será progressivamente libertado à medida que a pressão parcial do oxigénio cai nos diferentes tecidos do corpo., A liberação de um segundo, e ainda mais a terceira molécula de oxigênio, requerem quedas menores na pressão à medida que o eritrocito portador de Hb se move mais longe para os pulmões. Na analogia, Hb * 4O2 existe como” quatro selos ligados às subunidades de 4 Hb”; Hb•3O2 existe como” três selos ligados + 1 subunidades livres ” e assim por diante.
uma análise mais atenta do eixo X revela que, para a libertação do primeiro oxigénio, a tensão deve baixar de 100 para 40 mmHg. No entanto, para a liberação da Segunda, a queda é menor, para baixo de 40 a 26 mmHg (o P50 normal para Hb)., Além disso, a liberação de uma terceira ou quarta molécula de oxigênio requer apenas a menor queda de pressão (no entanto, na vida real Hb nunca descarrega seu conteúdo de oxigênio completamente). Neste ponto, sublinho o significado funcional de” necessidade de menos energia cada vez ” para descarregar oxigênio: apenas pequenas gotas de pressão parcial fazem o truque no lugar certo (tecidos), mas não no errado (pulmões), onde precisamos que ele firmemente ligado ao portador.,
esta analogia descreve os passos no mecanismo da interação Hb/O2 e fornece uma estrutura pictórica para entrar na história bioquímica tradicional (i.e., movendo-se agora para a ligação do oxigênio: da esquerda para a direita no eixo X da Fig. 1). O modelo é, portanto, colocado no contexto geral da cooperatividade, na medida em que o primeiro limite molecular causa mudanças estruturais que influenciam a ligação da molécula seguinte., Esta propriedade (juntamente com o alosterismo) é uma consequência direta do arranjo quaternário dos 4 polipeptídeos em Hb, semelhante à “comunicação molecular” que está faltando em outras moléculas de ligação ao oxigênio, como a mioglobina (Mb). A forma da curva de dissociação de oxigênio do Hb é sigmoidal, enquanto que a de Mb não é (é hiperbólica); apenas a curva sigmoidal é característica do processo cooperativo. A natureza surgiu com dois desenhos moleculares inteligentes para propósitos particularmente distintos no corpo., Hb ferries oxigênio na corrente sanguínea a partir de um gradiente extremo de pressão parcial dos pulmões (onde deve permanecer firmemente ligado) para os tecidos (onde tem que ser facilmente liberado), mas, por outro lado, Hb seria incapaz de fornecer todo o oxigênio que a célula precisa em uma situação alta ATP exigente (por exemplo, exercício). Mb, Localizado no citoplasma celular, libera oxigênio para a cadeia respiratória da mitocôndria, uma organela que usa oxigênio mais rápido do que o gás pode se difundir nela., Uma vez que a afinidade de ligação do oxigênio à citocromo oxidase é ~10 vezes maior do que a do Mb, uma liberação “hiperbólica” funciona nesta situação particular melhor do que uma liberação “cooperativa”.,
Indo de volta para o “cooperatividade em sentido inverso” ilustrada pelo 4-carimbo bloco de analogia, como descrito antes, eu descobri que a aprendizagem de um conceito difícil é ainda mais facilitada, pois o educador utiliza aqui os três principais modelos de aprendizagem: a associação, a descoberta e a tutoria da seguinte forma:
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Primeiro, comparando as moléculas de oxigênio para o post office carimbos de nós pode passar do abstrato para o concreto., Ao evocar imagens na mente do aprendiz perto do reino da vida cotidiana, o processo de associação é posto em movimento (teoria comportamental de Pavlov e Skinner). O professor conta a história, pintando imagens e transportando os alunos para cenários de som, formas e cores e, ao fazê-lo, ele entrega perfeitamente a ideia a ser comunicada. Isto é como enviar um e-mail de texto (o conceito) com um arquivo de imagem “anexo” (a imagem associada).em segundo lugar, os estudantes estão envolvidos numa pequena actividade prática., No modelo de desenvolvimento e descoberta (baseado na teoria experiencial de Piaget), os alunos experimentam, tocam, sentem, fazem perguntas sobre o mundo exterior e tentam extrair as respostas corretas por si mesmos. Uma vez que o aluno utiliza os sentidos na procura das respostas certas, o educador Serve aqui como facilitador e o aluno assimila-os à sua experiência ou dentro do mundo.,em terceiro lugar, se o educador partilhar com a turma o que sentiu quando encontrou pela primeira vez este conceito difícil, irá estabelecer uma relação de orientação (baseada na Bandura), na qual o professor e os alunos partilham experiências em conjunto. Isso só seria prático se uma grande classe fosse dividida em pequenos grupos, e mesmo assim, alguns educadores poderiam se sentir relutantes em abraçar uma abordagem que poderia ser percebida como “expondo” a fraqueza na frente dos alunos.,
No entanto, há ainda outra possibilidade de ensinar um conceito abstrato e difícil: guiando-os para descobrir a verdade por si mesmos. O “método socrático” foi feito um-a-um, envolvendo a aprendizagem ativa, era centrado no aluno, e facilitado pelo professor. As questões habilidosas, adequadamente formuladas, que visam o conhecimento, a compreensão e a aplicação de disciplinas difíceis podem melhorar de forma eficiente as capacidades cognitivas dos estudantes das várias profissões da saúde .,no nosso exemplo da curva de dissociação da hemoglobina, podemos imaginar caminhar ao lado do discípulo no verde do campus da Universidade. O professor poderia colocar a questão: “vamos dizer que o oxigênio Está ligado à hemoglobina no pulmão-será que esta será uma ligação apertada?”O estudante responderia:” possivelmente, já que não queremos perder nada disso ali”. O professor, então: “Agora, vamos imaginar a hemácia é viajar para mais longe do pulmão”; “É hora de liberá-lo”; “Sim, mas o que aconteceria se ele é liberado assim que a pressão de oxigênio cai um pouco?,”; “Bem, eu suponho que não restará nada para os tecidos mais escondidos banhados em CO2”; “exatamente”; ” então eu imagino que a liberação deve ser gradual, mas, espere um minuto, um mecanismo deve existir para isso!”; “Realmente. Vamos chamar esse mecanismo de ‘cooperatividade’ por agora”. E assim por diante.embora impraticável, este seria o método de aprendizagem escolhido e o uso de tutoria interactiva online está a aproximar-se desse objectivo. Entretanto, mal posso esperar para começar um novo trimestre e ver os alunos a brilhar quando descobrem os segredos do fornecimento de oxigénio com a ajuda de um “dispositivo”de 4×33 cêntimos.,
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