Resumo Proteínas

Proteínas participam de praticamente todos os processos que ocorrem em uma célula (enzimas, hormônios, anticorpos, transportadores, fibras musculares, penas, venenos, etc.). São os produtos finais da expressão de genes. Suas subunidades monoméricas são os aminoácidos (aa). Nos seres vivos são 20 os aa que formam as proteínas.

Aminoácidos

A estrutura geral de um aa é um Cα ligado a um grupo carboxil, amino, H e um grupo R (Figura 1). A característica do grupos R é utilizada para a classificação dos aa em categorias (Figura 2). Todos os aa possuem C quiral, com exceção da glicina que possui como grupo R o Hidrogênio. 

Figura 1. Estrutura geral dos aminoácidos. O carbono em azul é denominado alfa. O grupo da esquerda é amino e o COO^- é o carboxil (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

Figura 2. Classificação de Nelson e Cox dos aminoácidos segundo as características dos grupos R (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006). 

       Os aa formam várias combinações para compor as proteínas. Ligam-se por meio da ligação peptídica. Essa ligação envolve reação entre o grupo amino de um aa com o grupo carboxil de outro, ocorrendo a liberação de água. É rígida e planar, pois possui caráter de ligação dupla devido a ressonância que ocorre entre o Oxigênio e Nitrogênio presentes nos resíduos de aa (Figura 3a). Deste modo, um polipeptídio pode ser considerado uma serie de planos rígidos e consecutivos (Figura 3b), compartilhando pontos comuns de rotação no Cα (ângulos: Φ e Ψ). Essa característica é importante, pois impõem restrições as conformações das proteínas. 

Figura 3. Características da ligação peptídica. (a) Indica ressonância que ocorre entre Oxigênio o Nitrogênio. (b) Planos formados devido a restrições impostas pela ligação peptídica, onde se observa os ângulos de livre rotação (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

           Os aa possuem dois possíveis estereoisômeros, sua nomenclatura é dada pelo sistema de configuração absoluta (sistema D e L). Nos seres vivos os 20 aa que compõem as proteínas são do tipo L, isso se deve aos sítios ativos das enzimas que são assimétricos, ou seja, as reações catalisadas são estereoespecíficas. Existem exceções de aa do tipo D compondo proteínas estruturais em parede celular de bactérias. Além dos 20 aa, proteínas podem conter resíduos criados por modificações de resíduos já incorporados, como o é o caso da cistina que é formada pela ligação entre cisteínas (Figura 4).

Figura 4. Cistina (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).  

Aminoácidos funcionam como bases e ácidos fracos. Essa característica se deve a presença do grupo amino, carboxila e alguns grupos R ionizáveis. Apresentam uma natureza dipolar e anfotérica (natureza dual base-ácido). Possuem curvas de titulação características, funcionam como boas soluções tampões. Suas curvas de titulação apresentam pKa e pI especificas (Figura 5).

Figura 5. A figura apresenta a curva de titulação da glicina, demonstrando a natureza geral dos aminoácidos (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).  

Polipeptídios e Proteínas

A formação de polipeptídios e proteínas dar-se pela ligação em cadeia de vários aa, variando de poucos a muitos. A diferença entre polipeptídios e proteínas é a massa. A primeira possui massa inferior a 10.000 KDa e a segunda possui massas maiores. Além disso, proteínas se arranjam em uma estrutura 3 D funcional. Os menores peptídeos podem apresentar efeitos importantes. Funcionam como hormônios, venenos e antibióticos. Possuem curvas de titulação especificas.

           As proteínas podem ser constituídas por apenas uma cadeia polipeptídica ou multi-subunidades (oligoméricas ou protômeros). Proteínas formadas por apenas resíduos de aa são denominadas simples e as com grupos químicos associados (grupos prostéticos) são chamadas de compostas (ex: liproteínas, glicoproteínas, metaloproteínas).

         Proteínas podem ser fracionadas por meio de varias metodologias como salting out, diálise, cromatografia em coluna (troca iônica, troca catiônica, exclusão por tamanho, afinidade e líquida de alta eficiência). A concentração das proteínas pode ser estimada por meio de sua ação ou por métodos de quantificação. Ainda, sua massa e ponto isoelétrico podem ser definidos por eletroforese bidimensional.

          Essas moléculas podem ser classificadas em quatro níveis de estrutura (Figura 6). São elas: primaria (ligações covalentes, principalmente a peptídica e dissulfeto), secundaria (arranjos de aa particularmente estáveis), terciaria (dobramento tridimensional de polipeptídios) e quaternária (quando possuem mais de uma subunidade).

Figura 6. Esquema geral demonstrando as estruturas em que a proteínas estão organizadas (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

Estrutura primaria

A estrutura primaria é bem informativa, pois a sequencia de aa determina o enovelamento das proteínas. O número de resíduos de aa diferem em proteínas distintas. Proteínas relacionadas possuem sequencias de aa semelhantes, tal característica permite o estabelecimento do grau de relação entre essas moléculas, como evoluíram, sua classificação em famílias (homologia). Doenças genéticas tem sido relacionadas a produção de proteínas defeituosas por meio da deleção ou substituição de alguns aa (Ex: anemia falciforme, distrofia muscular).

         A sequencia de aa de uma proteína pode ser definida por algumas metodologias, tais como, espectrometria de massa, degradação de Edman ou pela sequencia de nucleotídeos do gene que a codifica.

Estrutura Secundaria

         A estrutura secundaria se refere a qualquer segmento de uma cadeia polipeptídica e descreve o arranjo espacial de seus átomos na cadeia principal, sem considerar a conformação de seus grupos R ou sua relação com outros segmentos. As mais comuns são as hélices alfa e conformações beta. Ainda, existem padrões não regulares denominados indefinidos ou espirais aleatórias.

        A hélice alfa é a estrutura mais simples que uma cadeia polipeptídica pode assumir de acordo com as características da ligação peptídica. Nela o esqueleto polipeptídico é firmemente enrolado em torno de um eixo imaginário desenhado longitudinalmente no centro da hélice com os grupos R projetando-se para fora do esqueleto (Figura 7). Cada volta é formada de aproximadamente 3,6 resíduos com conformação típica de: Φ = 57° e Ψ= -47°. A estrutura é estabilizada por otimização das ligações de H (entre o N e o O). A estabilidade da estrutura é afetada pela tendência de um resíduo aa formar hélice alfa, interação entre grupos R (entre 3 a 4 resíduos de aa), o volume dos grupos R adjacentes, ocorrência de grupos prolina e glicina e interação dos resíduos de aa da extremidade. 

Figura 7. Estrutura da hélice alfa.  As linhas tracejadas indicam as pontes de Hidrogênio (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger 2006).

          A conformação beta organiza as cadeias polipeptídicas em forma de folha. É uma conformação mais estendida da cadeia polipeptídica em forma de zigue-zague e podem se arranjar lado-a-lado (Figura 8). As ligações de H são formadas entre segmentos adjacentes da cadeia polipeptídica (podendo ser paralela ou antiparalela). 

Figura 8. Estrutura da conformação beta (folha beta).  As linhas tracejadas indicam as pontes de Hidrogênio (Fonte:http://blog.hardsups.com/mas-afinal-0-que-e-a-proteina).

Voltas betas são comuns em proteínas, os aa assumem a forma de alça ou voltas. São elementos conectores que ligam hélices alfa e conformações beta. Geralmente é formada por 4 resíduos de aa (frequentemente Gly e Pro), o O do grupo carboxil do 1° resíduo liga-se ao H do grupo amino do 4° resíduo de aa.

A estrutura secundaria de uma proteína pode ser identificadas por dicroísmo circular (CD). Essa técnica permite determinar se as proteínas estão dobradas corretamente, estimar a fração da proteína que assume qualquer uma das estruturas secundárias comuns e monitorar a transição entre os estados dobrados e não dobrados.

Estrutura Terciaria e Quaternária

A estrutura terciaria é o arranjo tridimensional total de todos os átomos de uma proteína (Figura 9). É determinada pela sequencia de aa. A função da proteína depende de sua conformação correta, possuindo pequeno numero de formas estruturais estáveis. As forças mais importantes de estabilização da estrutura são as interações fracas. Alguns padrões estruturais comuns podem ser reconhecidos.

Figura 9. Estrutura terciaria da Mioglobina de Cachalote. O grupo heme está mostrado em vermelho (Fonte: Nelson, Cox e Lehninger, 2006).

Algumas proteínas contêm duas ou mais cadeias polipeptídicas (podem ser idênticas ou não), o arranjo tridimensional dessas subunidades constitui a estrutura quaternária. Distintas subunidades podem apresentar funções diferentes, mas relacionadas (ex: catálise e regulação).

Considerando esses níveis mais altos de estrutura as proteínas podem ser classificadas em fibrosas ou Globulares. A primeira apresenta cadeias polipeptídicas arranjadas em longos filamentos ou folhas, tais moléculas garantem suporte, forma e proteção externa aos vertebrados. A segunda classe se refere a proteínas que desempenham maior variedade de funções em sistemas biológicos, possuem cadeias polipeptídicas dobradas em forma esférica ou globular, contém várias estruturas secundarias (ex: enzimas e proteínas reguladoras).

Exemplos comuns de proteínas fibrosas são as alfa queratinas. Tais proteínas são formadas por hélices alfa enroladas umas nas outras. Essa estrutura é denominada espiral supertorcida. Varias espirais são conectadas por meio de ligações dissulfeto dando origem a estrutura quaternária (isso da força a estrutura). Esses tipos de moléculas formam o cabelo, pele, unha, etc. Outro exemplo comum é o colágeno, essas moléculas são formadas por hélice de estrutura única com sentido anti-horário. Elas formam estruturas resistentes e são encontradas em tecidos conectivos, cartilagens, etc.

A diversidade estrutural reflete a diversidade funcional nas proteínas globulares. Estão nessa categoria as Enzimas, proteínas transportadoras, motoras, reguladoras, imunoglobulinas, entre outras. Geralmente são formadas por diferentes cadeias polipeptídicas que se dobram umas sobre as outras, gerando forma mais compacta do que em fibrosas. O dobramento garante à diversidade estrutural necessária as essas proteínas para realização de diversas funções.

Uma proteína globular está dobrada de forma compacta, com aa hidrofóbicos orientados para o interior. Em sua estrutura nativa as pontes de H e iônicas são otimizadas. A estrutura tridimensional de uma proteína globular pode ser considerada um conjunto de segmentos polipeptídicos em hélice alfa e folha beta, existindo um padrão de estruturas, os domínios e os motivos. O motivo ou estrutura supersecundaria é um padrão de dobramento identificável. O domínio é uma parte da cadeia polipeptídica que é independentemente estável ou pode se movimentar como uma entidade isolada em relação ao resto da proteína. Em geral domínios diferentes possuem funções diferentes.

Os bancos de dados de proteínas (ex: UniProt e SCOP), oferecem muitas informações que vêm revolucionando o entendimento sobre a estrutura das proteínas, relação estrutura-função e rotas evolutivas de como as proteínas chegaram ao seu estado-atual (semelhanças entre famílias). Motivos estruturais são mais conservados que a sequencia de aa (também serve como classificação em famílias), super família (pouco similaridade na sequencia de aa, mas utilizam os mesmos motivos e em geral apresentam semelhanças funcionais).   

A estrutura tridimensional das proteínas pode ser decifrada pela aplicação de técnicas como a difração de raios X, espectroscópio de ressonância magnética nuclear (RMN) - essa técnica analisa macromoléculas em solução. 

Estabilidade termodinâmica

Todas as proteínas iniciam a sua existência no ribossomo com uma sequencia linear de resíduos de aa. Para assumir suas conformações nativas, esse polipeptídio deve se dobrar em uma estrutura considerada marginalmente estável. As estruturas proteicas evoluíram para atuar em determinado ambiente celular, pequenas mudanças no meio podem acarretar em mudanças grandes ou pequenas na estrutura.

A desnaturação da proteína é a perda suficiente da estrutura tridimensional para causar a perda da função. Pode ocorre devido ao calor (efeito sobre as ligações fracas, principalmente de H), pHs extremos (alteram a carga liquida da proteína, causando repulsão hidrostática e rompimento de algumas ligações de H), solventes orgânicos (Ureia e detergentes atuam, principalmente, rompendo as interações hidrofóbicas).

A renaturação é a possibilidade que algumas proteínas possuem em voltar ao seu estado nativo depois de uma desnaturação (possível graças a sequencia de aa). A renaturação apenas com a sequencia de aa é verdade para algumas proteínas. Nesse processo observa-se relação entre as interações fracas e ligações disulfeto corretas.

A estabilidade termodinâmica não é igualmente distribuída na estrutura da proteína. A molécula possui regiões de alta e baixa estabilidade. Essa característica é importante para alterações conformacionais entre estados, isso é essencial para o desempenho da função da proteína.

Algumas proteínas dobram-se de forma assistida por meio de chaperonas moleculares. Tais moléculas são proteínas que interagem com polipeptídios nascentes parcialmente dobrados ou dobrados de forma incorreta, facilitando o mecanismo de dobramento ou garantindo um microambiente adequado.

O enovelamento errado causa ou contribui para o desenvolvimento de doenças genéticas como Alzheimer, Huntington e Parkinson (coletivamente essas enfermidades são denominadas amiloidoses). A proteína proveniente de um enovelamento errado é secretada, sendo convertida em fibra amiloide insolúvel.

Enzimas

As enzimas são proteínas mais notáveis e especializadas. São capazes de catalisar reações químicas com eficiência e qualidade (acelerando as reações). Atuam em soluções aquosas sob condições suaves de temperatura e pH, também possuem um alto grau de especificidade para com os seus substratos. Estão no centro de cada um dos processos bioquímicos (rotas metabólicas). Sua atividade excessiva pode indicar enfermidades.

Com exceção de algumas riboenzimas, todas as enzimas são proteínas. Sua atividade depende da integridade de conformação. Diz-se holoenzima, a enzima completa, ou seja, cataliticamente ativa junto as suas coenzimas (cofator ou grupo metálico).

A catálise enzimática é essencial para os organismos vivos, pois reações não catalisadas tendem a ser lentas. As enzimas proporcionam um ambiente especifico adequado para que uma dada reação ocorra, isso é possível graças aos “bolsos” enzimáticos, ou sítios ativos. A molécula em que a enzima age é denominada substrato.

A energia de ativação é uma barreira energética para as reações químicas. Essa característica é crucial para a vida, pois sem essas barreiras energéticas as moléculas complexas poderiam reverter espontaneamente para formas moleculares simples, logo os processos metabólicos das células não poderiam existir. As enzimas desenvolveram-se para diminuir seletivamente as energias de ativação das reações necessárias para a sobrevivência celular.

Por conta de sua atividade fundamental em organismos vivos, sua atividade está sobre controle. Os inibidores da atividade enzimática são moléculas que interferem a catálise, diminuindo as reações enzimáticas. Há duas classes de inibidores enzimáticos: os reversíveis e irreversíveis.

       A inibição reversível pode ser competitiva, não competitiva e mista (Figura 10). Na inibição competitiva o inibidor compete com o substrato pela sitio ativo da enzima. A inibição não competitiva a enzima apresenta sítios distintos para ligação ao inibidor e substrato, o inibidor se liga quando o complexo enzima-substrato está estabelecido. A inibição mista possui características das duas citadas anteriormente, contudo a enzima só é capaz de se ligar ao substrato quando não está ligado ao inibidor. No caso dos Inibidores irreversíveis ligam-se covalentemente ou não com a enzima, também podem destruir seu grupo funcional.

Figura 10. Esquemas demonstrando os tipos de inibições reversíveis (Nelson, Cox e Lehninger 2006).

Em muitos sistemas multienzimáticos, as enzimas regulatórias são inibidas especificamente por produto final da via exceder as necessidades celulares (inibição por retroalimentação).

     Ainda existem as enzimas denominadas alostericas. Essas enzimas possuem conformações induzíveis pela ligação de moduladores, permitindo converter a enzima em formas mais ou menos ativas. 

Síntese proteica

    A síntese proteica segue cinco estágios: ativação de precursores, iniciação, alongamento, término e processamento pós-traducional.

          Ativação de aa ocorre pela ligação com seus RNAt específicos, garantindo ativação do grupamento carboxil. Isso facilita a formação da ligação peptídica e a formação do elo entre a informação contida no RNAm e os aa que ele codifica. A formação do complexo aa-RNAt requer ação da enzima aminoacil RNAt-sintase.

         A iniciação começa quando o RNAm se liga com a subunidade menor do ribossomo e ao aa-RNAt iniciador. A subunidade maior liga-se para formar o complexo de iniciação (requer energia, a mesmo é provido pro fatores de iniciação que quebram GTP).

       O alongamento do polipeptídio nascente ocorre pela adição sucessiva de aa. Sua localização é determinada pelo pareamento dos códons do RNAm com os anticódons do RNAt. O processo requer a participação de proteínas citosólicas conhecidas como fatores de alongamento. O ribossomo possui sitio ativo para formação da ligação peptídica, é dito que essa organela é uma grande riboenzima.

        O processo de terminação e reciclagem dos ribossomos é sinalizado pelo códon de terminação. O polipeptídio é liberado do ribossomo com auxilio de proteínas denominadas fatores de alongamento.

       O processamento pós-traducional pode ocorrer antes ou depois do dobramento da proteína. Acontece devido ao processamento enzimático, remoção de um ou mais aminoácidos, adição de grupos (acetil, fosforil, metil, entre outros grupos a certo resíduos de aa), ligação de oligossacarídeos e outros grupos prostéticos.

      A síntese de proteínas é inibida por muito antibióticos e toxinas, quase todas as etapas de síntese podem ser inibidas por antibióticos.

Vídeo 1: Esquema geral de tradução (Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=iasEW_cwOGw, publicado em 10/03/2012 por Diego Santana Marinho).

Ciclo da ureia

        A degradação oxidativa contribui significativamente para a produção de energia metabólica. Carnívoros podem obter cerca de 90 % de suas necessidades energéticas a partir de aa.

            Os aa sofrem degradação oxidativa em três circunstancias metabólicas: durante a síntese e degradação normais de proteínas celulares, dieta rica em proteínas ou quando os aa ingeridos excedem as necessidades do organismo para a síntese proteica e durante o jejum (ou diabetes mellitus não controlado).

        Os aa perdem seu grupo amino para formar os alfa-cetoácidos. Os esqueletos carbonados e o grupo alfa-amino são separados e desviados para o metabolismo. Se os grupos alfa-aminos não forem reutilizados para a síntese de novos aa ou outros produtos nitrogenados, são canalizados em um único produto final de excreção.

         Em animais terrestres o N amínicos são excretado na forma de ureia. A amônia depositada nas mitocôndrias dos hepatócitos é convertida em ureia pelo ciclo da ureia. A produção dessa molécula ocorre quase que exclusivamente no fígado e carregada pelo sangue aos rins e excretada na urina.

         O ciclo da ureia ocorre em dois compartimentos celulares: citosol e mitocôndria. Está interconectado com o ciclo de Krebs, dando origem ao que se conhece como biciclo ou bicicleta de Krebs.  A via que une esses ciclos é denominada como circuito aspartato-arginino-succinato. Une efetivamente os destinos dos grupos amino e dos esqueletos carbônicos dos aa. Essa conexão reduz o custo energético do ciclo da ureia, pois a conexão garante o ganho de 2,5 ATPs, enquanto o custo de energia para o ciclo é de 3 ATPs. 

Texto Base:

NELSON, David L.; COX, Michael M. LEHNINGER. Princípios de Bioquímica. 4. ed. São Paulo: Sarvier, 2006. 1202 p. ISBN 8573781661 (enc.).