Caracterização estrutural da hemoglobina extracelular de Amynthas gracilis (HbAg) por diferentes técnicas biofísicas

Abstract

As hemoglobinas extracelulares apresentam alta estabilidade oligomérica, resistência à oxidação, cooperatividade e afinidade para ligar oxigênio, além do potencial uso em aplicações biotecnológicas como substituto sanguíneo e biossensores de contaminação ambiental. Devido a estas propriedades, os objetivos desta dissertação foram caracterizar a estrutura e a estabilidade da hemoglobina extracelular gigante do anelídeo Amynthas gracilis (HbAg) por diferentes técnicas biofísicas, tais como, absorção ótica, intensidade de espalhamento de luz (LSI), espalhamento de luz dinâmico (DLS), eletroforese SDS-PAGE, ultracentrifugação analítica (AUC), espectrometria de massas por tempo de voo (MALDI-TOF-MS) e microscopia de força atômica (AFM). Em pH 7,0, a HbAg apresentou espectro de absorção ótica com máximo em 415 nm (banda de Soret) e em 540 e 575 nm (bandas Q). A alcalinização do meio deslocou os máximos de absorção para 405 nm e uma única banda Q alargada em 540 nm, devido à oxidação do grupo heme. O perfil proteico apresentado pela HbAg por eletroforese SDS-PAGE foi semelhante, mas não igual a hemoglobina extracelular de Glossoscolex paulistus (HbGp). A HbAg apresentou três bandas com massa molar (MM) entre 25-37 KDa associadas as cadeias L, enquanto a HbGp apresenta apenas duas bandas nesta faixa de massa. As análises dos dados de MALDI-TOF-MS mostraram que a HbAg apresenta quatro isoformas para o monômero d (d1 - d4) com MM entre 16,2-16,8 kDa, três linkers (L1, L2 e L3), 25,8-26,8 kDa, duas isoformas para o trímero abc e uma única isoforma para o tetrâmero abcd (67,7 kDa). Por AUC foi determinada a MM da HbAg na sua forma íntegra de 3,9 MDa, sendo este valor superior a HbGp (3,6 MDa). O maior valor de MM observado é associado a auto-agregação da HbAg em função do tempo de estocagem. O valor de ponto isoelétrico (pI) estimado por Potencial Zeta foi de 6,0 ± 0,3. A HbAg nativa apresenta um diâmetro hidrodinâmico (Dh) de 28 nm determinado por DLS. Porém, em pH menor que 6,5 a proteína mostrou tendência em formar agregados, já em pH acima de 8,0 a hemoglobina sofreu dissociação concomitante com agregação. A microscopia de força atômica (AFM) de filmes de HbAg em pH 7,0 revelou altura entre 15-20 nm que foi associado a dois discos hexagonais sobrepostos. Estudos iniciais de atividade peroxidase (POD) indicaram maior estabilidade da HbAg frente altas concentrações de peróxido de hidrogênio (H2O2) em relação a HbGp. Por fim os resultados apresentados nesta dissertação mostram um grande avanço na caracterização da HbAg, uma hemoglobina extracelular gigante até então não relatada na literatura. Adicionalmente possibilitou a criação de novas vertentes de estudos que no futuro poderão resultar na criação de produtos de grande aplicação biotecnológica, tais como biossensores destinados às áreas médica e ambiental, além de produtos de suprimento de oxigênio para tecidos sob condição de hipóxia.

The extracellular hemoglobin molecules present high oligomeric stability, resistance to oxidation, cooperativity and affinity to bind oxygen, besides the potential use in biotechnological applications a s blood substitute and biosensors of environmental contam ination. Considering that, this dissertation aimed to characterize the structure and stability of the giant extracellular hemoglobin of the annelid Amynthas gracilis (HbAg) by different biophysical t echniques, such as optical absorption, light scattering intensity (LSI), dynamic light scattering (DLS), SDS - PAGE electrophoresis, analytical ultracentrifugation (AUC), Matrix Assisted Laser Desorption Ionization - Time of Fly - Mass Spectrometry (MALDI - TOF - MS ) and atomic force microscopy . The HbAg had an optical absorption spectrum with a maximum of 415 nm (Soret band) , and 540 and 575 nm (Q bands) at pH 7.0 . The alk alinization of the medium shifted the absorption maxima to 405 nm and a single broad Q band at 54 0 nm due to the oxidation of the heme group. The protein profile presented by HbAg by SDS - PAGE electropho resis was similar but not identical to the extracellular hemoglobin of Glossoscolex paulistus (HbGp). HbAg presented three bands with molecular mass (MM) ranging 25 - 37 KDa associated with the L chains, whereas HbGp presented only two bands in this MM range. MALDI - TOF - MS data show ed that HbAg presents four isoforms for the monomer d ( d 1 - d 4 ) with MM ranging 16.2 - 16.8 kDa, three linkers ( L 1 , L 2 and L 3 ), 2 5.8 - 26.8 kDa, two isoforms for the abc trimer and a single isoform for the abcd tetramer (67.7 kDa). By AUC , the MM of whole HbAg was determined in 3.9 MDa, a higher value than that observed for HbGp (3.6 MDa). The highest MM value observed was associated with self - aggregation of HbAg as a function of storage time. The isoelectric point value (pI) estimated by Zeta Potential wa s 6.0 ± 0.3. Native HbAg had a h ydrodynamic d iameter (D h ) of 28 nm determined by DLS. However, at pH less than 6.5 the protein sho we d tendency to form aggregates; at pH above 8.0 the hemoglobin undergoes dissociation concomitant wit h aggregation. Atomic Force M icroscopy (AFM) of HbAg films at pH 7.0 revealed a height between 15 - 20 nm that was associated with two overlapping hexagonal l ayers. Initial studies of peroxidase activity (POD) indicate d higher stability of HbAg against high concentrations of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) relative to HbGp. Finally, the results presented in this dissertation show a great advance in the characterizatio n of HbAg, a giant extracellular hemoglobin not previously reported in the literature. In addition, it has enabled the creation of new study strands that in the future may result in the creation of products of great biotechnological application, such as bi osensors destined to the medical and environmental areas, as well as products of oxygen supply to tissues under the condition of hypoxia.