2.10:
Proteínas e Estruturas Proteicas
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Proteínas e Estruturas Proteicas
As proteínas são uma das moléculas orgânicas mais abundantes em sistemas vivos e têm a mais diversa gama de funções de todas as macromoléculas. As proteínas podem ser estruturais, regulatórias, contráteis, ou protetoras. Podem servir em transporte, armazenamento, ou membranas; ou podem ser toxinas ou enzimas. As suas estruturas, como as suas funções, variam muito. Todas elas são, no entanto, polímeros de aminoácidos dispostos em sequência linear.
A forma de uma proteína é crítica para a sua função. Por exemplo, uma enzima pode ligar um substrato específico no seu local ativo. Se este local ativo for alterado devido a alterações locais ou alterações na estrutura global das proteínas, a enzima pode não ser capaz de se ligar ao substrato. Para entender como a proteína recebe a sua forma ou conformação final, precisamos entender os quatro níveis de estrutura proteica: primária, secundária, terciária, e quaternária.
Estrutura Primária
A sequência única dos aminoácidos em uma cadeia polipeptídica é a sua estrutura primária. Por exemplo, a hormona pancreática insulina tem duas cadeias de polipeptídeos, A e B, e elas estão ligadas entre si por ligações de dissulfeto. O aminoácido do terminal N da cadeia A é a glicina; enquanto que o aminoácido do terminal C é a asparagina. As sequências de aminoácidos nas cadeias A e B são exclusivas da insulina.
O gene que codifica a proteína determina, em última análise, a sequência única para cada proteína. Uma alteração na sequência de nucleótidos da região codificante do gene pode levar à adição de um aminoácido diferente à cadeia polipeptídica em crescimento, causando uma alteração na estrutura e função das proteínas. Na anemia falciforme, a cadeia β da hemoglobina apresenta uma única substituição de aminoácidos, causando uma alteração na estrutura e função proteicas. Especificamente, a valina na cadeia β substitui o aminoácido ácido glutâmico. Devido a esta alteração de um aminoácido na cadeia, as moléculas de hemoglobina formam fibras longas que distorcem as células sanguíneas bicôncavas, ou em forma de disco, vermelhas, e fazem com que elas assumam uma forma de lua crescente ou de “foice”, que obstrui os vasos sanguíneos. Isto pode conduzir a uma miríade de problemas sérios de saúde tais como falta de ar, tonturas, dores de cabeça, e dor abdominal para aqueles afetados por esta doença.
Estrutura Secundária
O enovelamento local do polipeptídeo em algumas regiões dá origem à estrutura secundária da proteína. As mais comuns são as estruturas de folha em α-hélice e β-pregueada. Ambas as estruturas mantêm a sua forma através de ligações de hidrogénio. As ligações de hidrogénio formam-se entre o átomo de oxigénio no grupo carbonilo em um aminoácido e outro aminoácido que está quatro aminoácidos mais longe ao longo da cadeia.
Cada dobra helicoidal em uma hélice alfa tem 3,6 resíduos de aminoácidos. Os grupos R do polipeptídeo (os grupos de variantes) projetam-se para fora da cadeia de α-hélice. Na folha β-pregueada, as ligações de hidrogénio entre átomos no esqueleto da cadeia polipeptídica formam as "pregas". Os grupos R estão ligados aos carbonos e estendem-se por cima e por baixo das dobras da prega. Os segmentos pregueados alinham-se de forma paralela ou antilparalela entre si, e as ligações de hidrogénio formam-se entre o átomo de hidrogénio parcialmente positivo no grupo amino e o átomo de oxigénio parcialmente negativo no grupo carbonilo do esqueleto do polipeptídeo. As estruturas das folhas em α-hélice e β-pregueadas estão na maioria das proteínas globulares e fibrosas, e desempenham um papel estrutural importante.
Estrutura Terciária
A estrutura tridimensional única do polipeptídeo é a sua estrutura terciária. Esta estrutura deve-se em parte a interações químicas sobre a cadeia polipeptídica. Principalmente, as interações entre os grupos R criam a complexa estrutura terciária tridimensional da proteína. A natureza dos grupos R nos aminoácidos envolvidos pode neutralizar a formação das ligações de hidrogénio que descrevemos para estruturas secundárias padrão. Por exemplo, grupos R com cargas semelhantes repelem-se uns aos outros, e aqueles com cargas diferentes são atraídos uns para os outros (ligações iónicas). Quando ocorre o enovelamento de proteínas, os grupos R hidrofóbicos dos aminoácidos não polares encontram-se no interior da proteína; enquanto isso, os grupos R hidrofílicos ficam no exterior. As interações entre as cadeias laterais da cisteína formam ligações de dissulfeto na presença de oxigénio, o único elo covalente que se forma durante o enovelamento de proteínas.
Todas essas interações, fracas e fortes, determinam a forma tridimensional final da proteína. Quando uma proteína perde a sua forma tridimensional, pode não ser mais funcional.
Estrutura Quaternária
Na natureza, algumas proteínas formam-se a partir de vários polipeptídeos, ou subunidades, e a interação dessas subunidades forma a estrutura quaternária. Interações fracas entre as subunidades ajudam a estabilizar a estrutura geral. Por exemplo, a insulina (uma proteína globular) tem uma combinação de ligações de hidrogénio e de dissulfeto que fazem com que ela se compacte principalmente em uma forma de bola. A insulina começa como um único polipeptídeo e perde algumas sequências internas na presença de modificação pós-translacional após formar as ligações de dissulfeto que mantêm as cadeias restantes juntas. A seda (uma proteína fibrosa), no entanto, tem uma estrutura de folha β-pregueada que é o resultado de ligações de hidrogénio entre as diferentes cadeias.
Este texto foi adaptado de Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Proteins.
Suggested Reading
- Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). Lehninger principles of biochemistry (5th ed.). W.H. Freeman. Pg 113-140
- Crystal Structure of T State Haemoglobin with Oxygen Bound at All Four Haems.Paoli, M., Liddington, R., Tame, J., Wilkinson, A., Dodson, G. (1996) J Mol Biol 256: 775