Bioquímica I - Módulo 1 - 5ª Edição Revisada

Módulo 1 Andrea Da Poian Debora Foguel Marílvia DansaPetretski Olga Tavares Machado Ana Paula AbreuFialho Volume 2 Módulo 1 5ª edição revisada Bioquímica I Apoio Material Didático D111b Da Poian Andrea Bioquímica I v 2 Andrea Da Poian Debora Foguel Marílvia DansaPetretski Olga Tavares Machado Ana Paula AbreuFialho 5ed rev Rio de Janeiro Fundação CECIERJ 2010 252p 19 x 265 cm ISBN 9788576486671 1 Proteínas I Foguel Debora II DansaPetretski Marílvia III Machado Olga Tavares IV Abreu Fialho Ana Paula V Título CDD 572 Referências Bibliográfi cas e catalogação na fonte de acordo com as normas da ABNT Copyright 2005 Fundação Cecierj Consórcio Cederj Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida transmitida e gravada por qualquer meio eletrônico mecânico por fotocópia e outros sem a prévia autorização por escrito da Fundação 20101 ELABORAÇÃO DE CONTEÚDO Andrea Da Poian Debora Foguel Marílvia DansaPetretski Olga Tavares Machado Ana Paula AbreuFialho COORDENAÇÃO DE DESENVOLVIMENTO INSTRUCIONAL Cristine Costa Barreto DESENVOLVIMENTO INSTRUCIONAL E REVISÃO Ana Paula AbreuFialho Jose Meyohas COORDENAÇÃO DE AVALIAÇÃO DO MATERIAL DIDÁTICO Débora Barreiros EDITORA Tereza Queiroz REVISÃO TIPOGRÁFICA Cristina Freixinho Diana Castellani Elaine Bayma Patrícia Paula COORDENAÇÃO DE PRODUÇÃO Jorge Moura PROGRAMAÇÃO VISUAL Alexandre dOliveira Katy Araujo ILUSTRAÇÃO Jefferson Caçador CAPA Jefferson Caçador PRODUÇÃO GRÁFICA Oséias Ferraz Patricia Seabra Departamento de Produção Fundação Cecierj Consórcio Cederj Rua Visconde de Niterói 1364 Mangueira Rio de Janeiro RJ CEP 20943001 Tel 21 23341569 Fax 21 25680725 Presidente Masako Oya Masuda Vicepresidente Mirian Crapez Coordenação do Curso de Biologia UENF Milton Kanashiro UFRJ Ricardo Iglesias Rios UERJ Celly Saba Universidades Consorciadas Governo do Estado do Rio de Janeiro Secretário de Estado de Ciência e Tecnologia Governador Alexandre Cardoso Sérgio Cabral Filho UENF UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIRO Reitor Almy Junior Cordeiro de Carvalho UERJ UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Reitor Ricardo Vieiralves UNIRIO UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Reitora Malvina Tania Tuttman UFRRJ UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO Reitor Ricardo Motta Miranda UFRJ UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Reitor Aloísio Teixeira UFF UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE Reitor Roberto de Souza Salles Aula 11 Proteínas 1 uma introdução 7 Aula 12 Proteínas 2 Você sabe o que é estrutura secundária de uma proteína 33 Aula 13 Proteínas 3 Agora sim as proteínas no espaço 51 Aula 14 Proteínas 4 Como as proteínas adquirem as suas estruturas terciárias ou quaternárias 69 Aula 15 Você já ouviu falar em proteínas fi brosas 87 Aula 16 Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 103 Aula 17 Quando as proteínas se tornam mais parte I os agregados supramoleculares 129 Aula 18 Quando as proteínas se tornam mais parte II os vírus 147 Aula 19 Sobre as famosas enzimas parte I uma introdução 167 Aula 20 Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 183 Aula 21 Cinética enzimática partindo da prática para a teoria 207 Aula 22 Você realmente sabe o que são vitaminas 227 Referências 247 Bioquímica I SUMÁRIO Volume 2 Módulo 1 objetivos Meta da aula Introduzir o conceito de níveis organizacionais das proteínas apresentando o que é a estrutura primária desses compostos e sua importância Esperamos que ao fi nal desta aula você seja capaz de identifi car ligações peptídicas descrever a formação de pontes dissulfeto identifi car a importância da seqüência primária para a função de uma proteína Proteínas 1 uma introdução 11 A U L A 1 2 3 Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 8 C E D E R J INTRODUÇÃO As proteínas são os principais constituintes celulares com grande importância na manutenção da vida por desempenharem diversas funções Conheça algumas A contração dos nossos músculos que proporciona nossos movimentos acontece pela atuação de algumas proteínas sendo as principais a actina e a miosina O processo de transporte e utilização de oxigênio e gás carbônico realizado pelo nosso organismo tem participação das proteínas hemoglobina e mioglobina mais adiante na Aula 16 teremos um capítulo especial dedicado a essas duas proteínas que são completamente adaptadas ao transporte desses gases de uma maneira belíssima A defesa do nosso organismo contra invasores é garantida pelos anticorpos que também são proteínas A fotossíntese realizada pelos seres autotrófi cos ocorre devido à presença de pigmentos que fi cam ligados às proteínas Penas chifres venenos de serpentes cabelos unhas e diversas estruturas animais são compostos por proteínas As enzimas que estão envolvidas em quase todas as reações metabólicas celulares também são proteínas Elas participam de uma enormidade de funções no nosso organismo por exemplo a quebra da glicose a utilização de lipídios como fonte de energia a formação de ATP nossa moeda energética a síntese de colesterol de lipídios de glicogênio e de muitas outras moléculas Na Aula 8 você viu que essas moléculas tão fundamentais à vida são formadas pelos aminoácidos Agora você vai dar um passo à frente e aprender como as proteínas se organizam no espaço Vamos lá Aprendendo mais sobre as proteínas Você sabia que o nome proteína vem do grego proteios que quer dizer primeiro mais importante Sabia que 80 do peso dos nossos músculos desidratados são atribuídos às proteínas Quer saber mais ainda sobre esses compostos Visite http wwwqmcufscbrqmcwebartigosproteinashtml C E D E R J 9 AULA 11 MÓDULO 1 NÍVEIS ORGANIZACIONAIS DAS PROTEÍNAS As proteínas podem ser descritas considerando diferentes níveis de organização Elas possuem estruturas primária secundária terciária e quaternária Resumidamente dizemos que estrutura primária é a seqüência linear dos aminoácidos da proteína estrutura secundária é a maneira como esses aminoácidos se organizam no espaço Os elementos de estrutura secundária mais comuns são as α hélices lêse alfahélices as fi tas β lêse fi tasbeta e as voltas estrutura terciária é a maneira como a proteína se organiza no espaço tridimensional isto é é o movimento a organização das α hélices fi tas β e voltas no espaço tridimensional estrutura quaternária é quando a proteína tem mais de uma SUBUNIDADE isto é forma dímeros duas subunidades associadas trímeros três subunidades associadas tetrâmeros quatro subunidades associadas e oligômeros mais de quatro subunidades associadas Você vai aprender nesta disciplina sobre cada um desses níveis de organização Na aula de hoje vamos aprofundar os conhecimentos sobre a estrutura primária 1º nível estrutura primária A estrutura primária de uma proteína é simplesmente sua seqüência de aminoácidos Em outras palavras é a ordem na qual aparecem os aminoácidos em uma dada proteína difícil de imaginar Leia o boxe Formando proteínas logo adiante Essa estrutura apresenta apenas uma dimensão já que ela só diz respeito à ordem em que estão dispostos os aminoácidos A estrutura primária de uma proteína pode também ser chamada de seqüência primária Para entender o que é esta seqüência primária é necessário saber o que é e como se forma uma ligação peptídica SUBUNIDADE Subunidade de uma proteína é uma cadeia seqüência de aminoácidos que interage com outras cadeias sejam elas igualis ou diferentes para formar a estrutura da proteína em nível quaternário Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 10 C E D E R J Formando proteínas Formar uma proteína pode ser analogicamente comparado a formar uma palavra Calma calma você já vai entender Imagine que você queira escrever a palavra AMOR Você precisa para isso de quatro letras A M O e R dispostas nesta ordem Se você quiser escrever ROMA você precisa das mesmas quatro letras mas agora em uma ordem diferente Neste exemplo cada letra é a unidade formadora de uma palavra e dependendo da ordem em que forem dispostas dão origem a uma palavra diferente Com os aminoácidos e as proteínas acontece algo semelhante os aminoácidos letras são as unidades formadoras dessas macromoléculas palavras Assim colocando um aminoácido em seguida do outro e unindoos por uma ligação química que você verá como se forma a seguir formamos uma proteína assim como colocando uma letra ao lado da outra podemos formar palavras A ordem em que os aminoácidos são ligados uns aos outros e quantos são utilizados para constituir uma proteína é importante porque permite a enorme diversidade existente dessas macromoléculas Assim como podemos formar um número gigantesco de palavras com apenas 24 letras podemos formar um número também muito alto de proteínas com apenas 20 aminoácidos O QUE É E COMO SE FORMA UMA LIGAÇÃO PEPTÍDICA Para que se forme uma seqüência linear de aminoácidos a estrutura primária de uma proteína é necessário que um aminoácido se ligue quimicamente a outro Quando esta reação aminoácido aminoácido acontece dizemos que se formou uma ligação peptídica A ligação peptídica é uma ligação covalente que se estabelece entre a carboxila COO de um aminoácido e o grupo amino NH3 do aminoácido adjacente Quando esta ligação se forma há perda de uma molécula de água Veja Fonte httpwww sxchuphoto598140 Fonte httpwww sxchuphoto598119 Fonte httpwww sxchuphoto516821 Fonte httpwww sxchuphoto598121 C E D E R J 11 AULA 11 MÓDULO 1 Então quando acontece uma ligação peptídica entre dois aminoácidos um dipeptídeo é formado É interessante ressaltar que a ligação peptídica forma um dipolo elétrico Isto ocorre porque o oxigênio atrai a nuvem eletrônica e assume um caráter parcialmente negativo conseqüentemente o nitrogênio assume um caráter parcialmente positivo em um mecanismo parecido com aquele que você viu para a formação do dipolo eletrônico da molécula de água se tiver dúvida vale a pena voltar à Aula 3 e dar uma olhada na seção Como é uma molécula de água Assim um dipeptídeo apresenta um dipolo elétrico Outra característica da ligação peptídica é que sempre que acontece este tipo de ligação há saída de uma molécula de água Além disso é possível formar uma proteína com número variado de aminoácidos Ao dipeptídeo que você viu se formar na Figura 111 é possível adicionar mais aminoácidos formando tripeptídeos polipeptídeos e fi nalmente as proteínas que podem ter um número variado de RESÍDUOS DE AMINOÁCIDOS RESÍDUOS DE AMINOÁCIDOS Chamamos resíduos de aminoácidos os aminoácidos que estão formando um peptídeo ou uma proteína Este termo resíduos indica que nas proteínas os aminoácidos não se apresentam exatamente como são quando estão livres já que conforme vimos há perda de uma molécula de água a cada ligação peptídica que se forma Figura 111 A formação de uma ligação peptídica acontece pela saída de um oxigênio da carboxila de um aminoácido e de dois hidrogênios ao grupo amino de um segundo aminoácido Um dipeptídeo e uma molécula de água são os produtos desta reação Aminoácido 1 Aminoácido 2 Dipeptídeo união de dois aminoácidos É liberado um oxigênio durante a reação São liberados dois hidrogênios durante a reação Formase a ligação peptídica Formase uma molécula de água 1 oxigênio da carboxila 2 hidrogênios do amino Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 12 C E D E R J 1 Caracterizando ligações peptídicas Parte I A seguir você vê duas possíveis reações químicas Dentre elas identifi que circulando a letra correspondente aquelas que não é são ligaçãoões peptídicas Justifi que sua resposta a b ATIVIDADE 1 C E D E R J 13 AULA 11 MÓDULO 1 Parte II Responda Quantas moléculas de água são perdidas na formação de um pentapeptídeo RESPOSTA COMENTADA Se você marcou a opção b como aquela que representa uma ligação peptídica acertou Nesta opção há dois aminoácidos que se ligam pelo grupamento carboxila de um ao grupamento amino de outro com a perda de uma molécula de água Esta é a defi nição de ligação peptídica inclusive Na letra a repare na estrutura representada à esquerda Não é um aminoácido pois não tem o grupamento amino na sua estrutura Portanto não é possível que esteja acontecendo uma ligação peptídica Na parte II perguntamos quantas moléculas de água se perdem na formação de um pentapeptídeo Para calcular isso você poderia ter tentado fazer um pentapeptídeo e contar o número de moléculas de H2O liberadas ou simplesmente pensar assim na formação de um dipeptídeo acontece uma ligação peptídica e se forma uma molécula de água de um tripeptídeo duas ligações e duas águas O número de moléculas de água é sempre igual ao número de ligações e o número de ligações é sempre igual ao número de aminoácidos menos 1 Logo para formar um pentepeptídeo ocorrem quatro ligações peptídicas A seqüência primária de uma proteína portanto é a união de vários aminoácidos por ligações peptídicas No entanto estas não são os únicos tipos de interação envolvidos na formação da estrutura primária de uma proteína AS PONTES DE ENXOFRE OU PONTES DISSULFETO Além das ligações peptídicas que formam a seqüência primária cadeia de uma proteína outras interações podem ocorrer também entre os aminoácidos dessa cadeia Conforme você viu na Aula 8 a CISTEÍNA é um aminoácido que possui um átomo de enxofre na extremidade de seu grupamento R CISTEÍNA Só para você relembrar a estrutura da cisteína Cisteína Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 14 C E D E R J A presença deste enxofre na cisteína serve como uma espécie de tomada já que dois enxofres quando se aproximam podem formar uma ponte de enxofre ou ponte dissulfeto Duas cisteínas unidas por uma ponte de enxofre formam o que chamamos de cistina Veja a Figura 114 Ou simplesmente cisteína SH HS cisteína cisteína S S cisteína ponte de enxofre cistina Figura 112 A formação de uma ponte de enxofre se dá pela interação entre os enxofres de duas cisteínas e a saída de dois átomos de hidrogênio O composto formado cisteína cisteína é chamado cistina E a metionina A cisteína e a metionina são os dois únicos aminoácidos que possuem enxofre em sua constituição Na cisteína este átomo está na extremidade do grupamento R disponível para interagir com outros grupamentos sulfeto SH Na metionina embora haja enxofre este não ocupa a posição terminal do grupamento R e não pode por causa disso formar pontes de enxofre com outra metionina ou cisteína Cisteína 1 Cisteína 2 Ponte de enxofre ou ponte dissulfeto Metionina C E D E R J 15 AULA 11 MÓDULO 1 Quer ver como estas pontes de enxofre acontecem em uma proteína de nosso organismo Na Figura 113 você vê a seqüência primária da insulina A insulina é um hormônio cuja principal função é participar na regulação do nosso metabolismo energético Ela apresenta duas cadeias peptídicas a cadeia A e a cadeia B A cadeia A apresenta 21 resíduos de aminoácidos a cadeia B apresenta 30 resíduos Estas duas cadeias se conectam por meio de pontes dissulfeto Cadeia A 5 15 21 Gli He Val Glu Gln Cis Cis Ala Ser Val Cis Ser Leu Tir Gln Leu Gln Asn Tic Cis Asn Cadeia B 5 10 15 20 Fen Val Asn Gln His Leu Cis Gli Ser His Leu Val Glu Ala Leu Tir Leu Val Cis Gli Glu Arg Gli Fen Tir Tre Pro Lis Ala 25 30 Figura 113 Estrutura primária da insulina um hormônio peptídico envolvido na regulação do nosso metabolismo energético especialmente no metabolismo de um açúcar a glicose A insulina é um hormônio protéico que possui duas cadeias polipeptídicas A e B que representam sua seqüência primária Estas duas cadeias são ligadas por pontes dissulfeto entre a cadeia A e B 2 Estabelecendo pontes dissulfeto Está achando esquisito uma atividade no meio da seqüência do texto Sentiu falta das pontes dissulfeto ligando a cadeia A e B da insulina na Figura 113 Estabelecer estas pontes é exatamente a sua tarefa dividida em duas etapas a identifi que circulando na Figura 113 quais resíduos de aminoácido da cadeia A e B poderiam formar pontes dissulfeto para unir estas duas cadeias b mostre como se forma uma ponte de enxofre entre dois resíduos de aminoácidos ATIVIDADE 2 Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 16 C E D E R J RESPOSTA COMENTADA Fazer uma atividade é a melhor maneira de fi xar um conceito Você aprendeu nesta seção da aula que pontes dissulfeto se formam apenas entre resíduos de cisteína Sendo assim possíveis candidatos são Cadeia A S S 5 15 21 Gli He Val Glu Gln Cis Cis Ala Ser Val Cis Ser Leu Tir Gln Leu Glu Asn Tir Cis Asn S S Cadeia B S S 5 10 15 20 Fen Val Asn Gln His Leu Cis Gli Ser His Leu Val Gln Ala Leu Tir Leu Val Cis Gli Glu Arg Gli Fen Fen Tir Tre Pro Lis Ala 25 30 De fato a maior parte desses resíduos participam da união entre as duas cadeias como você pode ver pelas linhas que os unem representando as pontes Observe que há pontes de enxofre que que unem as cadeias A e B as pontes intercadeias além dessas existem também pontes de enxofre intracadeia que no caso da insulina acontecem dentro da cadeia A Estas pontes se formam entre os grupamentos SH de duas cisteínas com a saída dos hidrogênios como você viu na Figura 112 à qual você pode retornar para tirar qualquer dúvida Tenha em mente que independente de acontecerem intra ou intercadeias as pontes dissulfeto são elementos de estrutura primária Nas Aulas 13 e 14 você verá como as pontes dissulfeto são importantes na manutenção da estrutura terciária das proteínas Por enquanto que tal saber um pouco mais sobre o que faz com que tenhamos tantas proteínas diferentes na natureza DIVERSIDADE DAS PROTEÍNAS As proteínas possuem tamanhos variados Existe uma proteína no melão que impede a quebra de outras proteínas o que é feito por C E D E R J 17 AULA 11 MÓDULO 1 enzimas chamadas proteinases Este inibidor de proteinase III do melão por exemplo possui apenas 30 aminoácidos O citocromo c humano que participa do processo de respiração celular que você vai relembrar e aprender mais a respeito na disciplina Bioquímica II possui 104 aminoácidos Já a RNA POLIMERASE de um vírus de bactéria bacteriófago chamado T7 possui 883 aminoácidos Está achando muito A titina humana uma proteína que ajuda a arranjar as fi bras musculares contém 26926 resíduos de aminoácidos sendo de fato uma proteína gigante RNA POLIMERASE Enzima que participa da síntese do RNA nos seres vivos Obviamente quanto maior uma proteína mais complicada é a sua montagem ou enovelamento conforme veremos nas aulas seguintes Mas o tamanho não é o único fator que infl uencia a tamanha diversidade de proteínas que encontramos na natureza A composição de aminoácidos destas proteínas para saber mais veja o boxe Compondo diferentes proteínas bem como a ordem em que eles se apresentam ligados também é um determinante Compondo diferentes proteínas Embora existam 20 aminoácidos diferentes constituindo proteínas conforme você aprendeu na Aula 8 os estudos têm mostrado que alguns deles são mais abundantes nas diversas proteínas sendo os mais comuns a leucina a alanina a glicina a valina e o ácido glutâmico Os mais raros por sua vez são triptofano cisteína metionina e histidina Será que você saberia dizer por que estes aminoácidos são mais raros Você viu na Aula 8 que há uma classificação dos aminoácidos que os dividem em essenciais ou não essenciais à dieta Dizer que um aminoácido é essencial significa que nossas células não sabem sintetizar estes aminoácidos isto é não temos as enzimas necessárias para sua síntese e por isso precisamos encontrálos na nossa dieta Este é o caso do triptofano da histidina e da metionina por exemplo Se as proteínas que comemos têm baixo conteúdo destes aminoácidos já que não são muito abundantes precisamos tomar cuidado para que eles não nos faltem na dieta para não causar um desequilíbrio nutricional Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 18 C E D E R J Este assunto é tão importante que merece uma seção só para explicálo Veja a seguir VOCÊ SABE O QUE DETERMINA A SEQÜÊNCIA DE UMA PROTEÍNA Falando agora sobre a ordem em que os aminoácidos se unem para formar uma proteína você saberia explicar como ela é determinada Uma proteína é o produto da tradução de uma informação contida no nosso código genético Este código genético está contido no DNA uma seqüência de nucleotídeos que está confi nada no núcleo de nossas células A informação contida na seqüência de nucleotídeos da molécula de DNA origina uma fi ta de RNA RNA mensageiro RNAm que carrega a informação genética para o citoplasma onde ela pode ser traduzida em proteínas Resumindo temos que seqüência de DNA seqüência de RNA seqüência da proteína A relação entre os nucleotídeos do DNA e os aminoácidos é chamada código genético que constitui a base da vida e da evolução das espécies em nosso planeta Em torno de 1960 estabeleceuse que cada aminoácido na seqüência primária de uma proteína era resultado da leitura de um códon do RNA Um códon de RNA é um trio de nucleotídeos que durante o processo da TRADUÇÃO é decodifi cado em um aminoácido Sendo assim observe TRADUÇÃO Leitura de um RNA mensageiro por um ribossoma para síntese de uma proteína Este processo acontece no citoplasma da célula e é o que dá origem a uma proteína recém sintetizada Códon de RNA UUU CUC ACC GCG GUG GAG Seqüência da PROTEÍNA Fenilalanina Leucina Treonina Alanina Valina Ac Glutâmico Cada trio de bases do RNAm representa um aminoácido da seqüência primária de uma proteína Assim a seqüência de bases do RNA que vem da seqüência de bases do DNA o código genético é responsável pela seqüência de aminoácidos de uma proteína Uma proteína é produto da tradução de um gene Em outras palavras todo pedaço do DNA que é capaz de quando transcrito em um RNAm ser traduzido em uma proteína é chamado gene C E D E R J 19 AULA 11 MÓDULO 1 O DNA é um ácido nucléico enorme que contém muitos milhares de genes esse milhares de genes por sua vez dão origem a milhares de proteínas e aqui está o motivo da enorme diversidade delas Como se não bastasse ainda há possibilidade de acontecerem mudanças na seqüência do DNA que podem acarretar graves conseqüências para um organismo Veja mais sobre o assunto no boxe Mutação o que é e o que causa Mutação o que é e o que causa Mutação é qualquer alteração na seqüência de bases do DNA quer seja por retirada de um nucleotídeo ou substituição por outro diferente Uma mutação no DNA pode acarretar em alterações da seqüência primária da proteína e a conseqüente perda de função desta Muitas vezes ouvimos falar de algumas substâncias que são mutagênicas e estão presentes no nosso diaadia Esse é o caso do benzantraceno que está presente no cigarro A própria radiação ultravioleta UV é um agente mutagênico daí os médicos recomendarem a exposição ao sol em horários nos quais esta radiação não é tão forte como por exemplo no início e no fim do dia A luz UV é capaz de alterar as bases do nosso DNA promovendo mudanças irreversíveis Este DNA mudado dará origem ao RNA que carregará a informação errada resultando em uma proteína alterada Se essa proteína for responsável por alguma reação envolvida no nosso ciclo celular pode acontecer de este ciclo ficar descontrolado e a célula começar a se dividir sem controle levando ao câncer Fonte httpwwwsxchuphoto369103 SEQÜÊNCIA PRIMÁRIA E FUNÇÃO DA PROTEÍNA A função de uma proteína depende de sua seqüência primária Qualquer mudança desta seqüência gera uma proteína diferente que pode até perder sua função biológica Usando o exemplo da insulina Figura 113 e Atividade 3 se houvesse a substituição da cisteína 7 da cadeia A por outro aminoácido qualquer não se formaria aquela ponte intercadeia e certamente a insulina resultante não seria a mesma Falando em insulina você sabia que este hormônio é sintetizado contendo 84 aminoácidos e secretado na corrente sangüínea com apenas Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 20 C E D E R J 51 Entenda o porquê disso logo depois de fazer a atividade a seguir que é fundamental para você entender a relação entre seqüência primária e função de uma proteína 3 Relacionando função e seqüência primária de uma proteína O sistema olfativo é um dos sensores que temos para perceber o meio externo O nosso sistema olfativo funciona da seguinte maneira existem ao longo do epitélio da nossa cavidade nasal células sensoriais que produzem proteínas capazes de interagir com moléculas de cheiro presentes no ar Isso é que faz com que a gente sinta o cheiro das coisas Estas proteínas são chamadas de receptores de odor e as moléculas de cheiro odorantes A interação entre um odorante e um receptor de cheiro é bastante específi ca ou seja cada receptor é capaz de perceber com maior afi nidade um determinado odorante Pequenas alterações no receptor fazem com que ele perca esta afi nidade pelo odorante Analise as informações a seguir especialmente as SEQÜÊNCIAS DE AMINOÁCIDOS APRESENTADAS cada letra representa um aminoácido diferente Unindo as informações da sua análise com o que você acabou de ler no enunciado desta questão proponha uma hipótese para explicar a diferença do odorante reconhecido pela proteína receptora de cheiro apresentada no Quadro 1 e a apresentada no Quadro 2 ATIVIDADE Bulbo olfativo parte do cérebro que percebe o cheiro Epitélio da cavidade nasal onde estão as células sensoriais que produzem os receptores de odor Odorantes que entram na cavi dade nasal com o ar Células sensoriais Perfi l anatômico de um ser humano destacando a parte sensível a odores da cavidade nasal 3 SEQÜÊNCIA DE AMINOÁCIDOS APRESENTADA É possível representar os aminoácidos por dois códigos de letras Em um deles são utilizadas três letras exemplo ARG arginina em outro é utilizada uma letra apenas para representar cada aminoácido exemplo M metonina Este último código está expresso nesta atividade C E D E R J 21 AULA 11 MÓDULO 1 RESPOSTA COMENTADA Como você viu no enunciado da questão a sensação de cheiro é percebida por nós pela interação que acontece entre moléculas de cheiro presentes no ar e proteínas receptoras para esses odorantes presentes na cavidade nasal Pequenas modifi cações na proteína receptora de odor fazem com que esta proteína possa ou não detectar um determinado cheiro Analisando a seqüência primária dos receptores apresentados no Quadro 1 e no 2 você deve ter percebido que há um resíduo de aminoácido diferente entre eles Animal Camundongo Molécula Proteína receptora de cheiro I7I206 Pedaço da seqüência de aminoácidos constituintes de I7I206 NLSCTDMSTA ELTDFILAIF ILLGPLSVTG Odorante reconhecido octanal 1 Animal Camundongo Molécula Proteína receptora de cheiro I7V206 Pedaço da seqüência de aminoácidos constituintes de I7V206 NLSCTDMSTA ELTDFVLAIF ILLGPLSVTG Odorante reconhecido heptanal 2 Pedaço da seqüência de aminoácidos constituintes de I7I206 NLSCTDMSTA ELTDFILAIF ILLGPLSVTG Odorante reconhecido octanal 1 Pedaço da seqüência de aminoácidos constituintes de I7V206 NLSCTDMSTA ELTDFVLAIF ILLGPLSVTG Odorante reconhecido heptanal 2 Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 22 C E D E R J Esta única diferença na seqüência primária foi responsável pela mudança da capacidade do receptor reconhecer o odorante no Quadro 1 o receptor reconhece o octanal e no 2 o heptanal Em qualquer dos casos essa modifi cação de um aminoácido não fez com que esta proteína passasse a exercer uma função completamente diferente ela continua sendo um receptor de cheiro No entanto o cheiro que ela era capaz de reconhecer com uma isoleucina em sua estrutura I mudou quando esse aminoácido foi trocado por uma valina V A importância da seqüência primária para a função de uma proteína é enorme como você pôde verifi car nesta atividade Os dados apresentados não são fi ctícios eles foram publicados em 1998 em uma revista científi ca internacional de grande prestígio como parte de um esforço dos pesquisadores em elucidar o funcionamento do nosso olfato MODIFICAÇÕES PÓSTRADUCIONAIS As mudanças que ocorrem nas proteínas dentro das células após sua síntese são ditas mudanças póstraducionais pois tradução é como se chama o processo de síntese de uma proteína a partir da seqüência do RNA Muitas proteínas são modifi cadas após sua síntese Por exemplo alguns resíduos podem ser removidos para produzir uma proteína madura como é o caso da insulina Figura 114 Esta proteína é sintetizada como um precursor com 110 resíduos Existe um pedaço da seqüência primária que é chamado peptídeosinal responsável por direcionar a insulina para as vesículas secretórias do pâncreas de onde ela poderá ser lançada na corrente sangüínea e participar da regulação do metabolismo de nosso organismo você vai aprender isso em Bioquímica II Depois de direcionar a insulina esse peptídeosinal que possui 24 aminoácidos não tem mais função sendo eliminado da seqüência Formamse em seguida as pontes dissulfeto entre as cisteínas da cadeia A e da cadeia B como você já viu nesta aula na Figura 113 O peptídeo C constituído por 35 aminoácidos outro pedaço da cadeia que fi ca sem função após a ligação da cadeia A com a B também é clivado cortado fi ca pronta a insulina madura que é C E D E R J 23 AULA 11 MÓDULO 1 a que circula no nosso sangue após uma refeição Dos 110 resíduos de aminoácidos do precursor prépróinsulina a forma madura da proteína conta com apenas 51 resíduos Cadeia A COOH Cadeia B Peptídeo sinal Prépróinsulina H2N Cadeia C Cadeia A Cadeia B H2N Próinsulina S S H2N COOH H2N COOH Cadeia A Cadeia B S S S S Insulina S S S S COOH Cadeia C Figura 114 Modifi cações póstraducionais da insulina Além deste tipo de modifi cação remoção de pedaços da cadeia as proteínas também podem receber adição de carboidratos fosfatos dentre outros em posições específi cas após sua síntese Estes grupos muitas vezes são essenciais para o funcionamento da proteína Resumindo podemos dizer que há diversos mecanismos de gerar diversidade de proteínas Mas se uma proteína funciona bem em um organismo desempenhando um determinado papel não é interessante que evolutivamente essa proteína não sofra muitas modifi cações Esse é o nosso próximo assunto O QUE SÃO PROTEÍNAS HOMÓLOGAS Dizemos que proteínas homólogas são aquelas que se relacionam evolutivamente Em geral realizam a mesma função em espécies diferentes Um exemplo é o citocromo c uma proteína que possui aproximadamente 100 aminoácidos contém ferro e participa da transferência de elétrons na membrana das mitocôndrias das células eucarióticas Em Bioquímica II você verá mais detalhes sobre a função desta proteína No momento podemos adiantar que esta proteína tem sido usada para se estabelecer relações fi logenéticas relação de parentesco entre os seres vivos Como assim Se imaginarmos que proteínas homólogas devem desempenhar funções muito parecidas nas espécies em que elas se encontram podemos concluir que sua seqüência primária não pode variar muito Ou pelo Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 24 C E D E R J menos não pode haver trocas dos aminoácidos que estejam mais estreitamente relacionados com a função específi ca da proteína pois tal função está intimamente ligada a sua seqüência de aminoácidos No caso de citocromo c os aminoácidos diretamente relacionados ao transporte de elétrons não podem jamais ser substituídos por outros caso contrário o transporte fi caria prejudicado e a proteína perderia a capacidade de atuar como transportadora Por outro lado existem regiões da proteína que não estão diretamente ligadas ao transporte de elétrons e que se sofressem alterações não causariam perda de função Desta forma se ao longo do curso evolutivo esta proteína acumulou mutações nas regiões que permitam mudanças sem perda ou comprometimento da função veja o boxe Um pouco mais sobre proteínas homólogas poderíamos esperar que duas espécies distantes fi logeneticamente apresentassem mais diferenças em suas seqüências primárias do que espécies mais próximas evolutivamente E foi exatamente isso que os estudos revelaram Só para você ter uma idéia existem 48 diferenças de seqüência primária entre o citocromo c de cavalo e o de fungos duas espécies que estão completamente separadas na árvore evolutiva Entretanto apenas duas diferenças de seqüência primária foram encontradas entre o citocromo c de pato e de galinha o que é óbvio pois são espécies bem próximas fi logeneticamente Assim é possível construirse uma árvore evolutiva comparando a seqüência primária de uma proteína que está presente em todas as espécies eucarióticas como é o caso do citocromo c Um pouco mais sobre proteínas homólogas Fonte httpwwwsxchuphoto399249 C E D E R J 25 AULA 11 MÓDULO 1 Fonte httpwwwsxchuphoto296835 Fonte httpwwwsxchuphoto652536 Fonte httpwwwsxchuphoto180838 Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 26 C E D E R J Para entender proteínas homólogas vamos ao seguinte exemplo nas fotos apresentadas você vê um carro uma bicicleta um patinete um caminhão Precisamos comprovar que todos eles são meios de transporte Se escolhêssemos como critério o motor certamente erraríamos pois diríamos que o patinete e a bicicleta por não terem motor não são meios de transporte Então para podermos classificar tais objetos nesta categoria precisamos escolher algo comum a todos como por exemplo ter rodas É assim que se faz para dizer se uma espécie é mais próxima ou mais distante da outra Primeiro precisamos escolher uma proteína comum a todas elas normalmente uma enzima e depois determinar a seqüência primária desta para saber quem é mais próxima evolutivamente de quem Fonte httpwwwsxchuphoto573781 Figura 115 Árvore evolutiva dos eucariontes construída em função das diferenças existentes entre os aminoácidos do citocromo c nas diversas espécies Os números representam os aminoácidos diferentes em relação ao ancestral Camundongo Homo Sapiens Chimpanzé Macaco Canguru Cavalo porco ovelha vaca Cavalo foca morcego Hipopótamo Coelho Atum Carpa Sapo Peixecachorro Lampréia Tartaruga Galinha Pingüim Avestruz Pato Pombo Peixeestrela Minhoca Mariposa Abelha Mosca Levedos Candida Neurospora Humicola Arroz Trigo Girassol Espinafre Plantas Fungo Insetos Anelídeos Anfíbios Equinodermas Peixes ósseos Peixes cartilaginosos Pássaros e répteis Mamíferos 23 9 8 8 9 2 4 6 6 1 1 1 1 2 9 16 8 16 13 5 31 3 1 1 11 7 7 12 12 14 15 17 7 6 1 2 3 6 1 1 1 2 2 2 9 1 3 3 5 4 2 33 C E D E R J 27 AULA 11 MÓDULO 1 No caso das fotos apresentadas poderíamos dizer que em função do número de rodas o carro e o caminhão constituiriam um grupo ao passo que a bicicleta e o patinete formariam outro grupo A escolha da proteína para usar de referencial na construção de uma árvore fi logenética é bastante importante Existem proteínas bastante conservadas que apresentam seqüência primária muito parecida nas diversas espécies É o caso de uma proteína chamada HISTONA H4 A histona H4 da ervilha e da vaca apresentam diferenças em apenas duas posições de aminoácidos dos seus 102 resíduos Tal fato é surpreendente se levarmos em conta que estas espécies já divergiram há mais de 12 milhão de anos Essa baixa taxa de variação entre organismos tão divergentes signifi ca que o gene que codifi ca a histona H4 é muito intolerante a mutações Se estas ocorrem geram histonas incapazes de se ligar ao DNA e portanto sem função A evolução não aceita alteração no gene que codifi ca as histonas mas aceita melhor as mutações no gene do citocromo c Podemos concluir então que a taxa de mutação de uma determinada proteína depende da extensão em que a mudança afeta a sua função Afi nal como você já aprendeu a seqüência primária está diretamente relacionada à função de uma proteína HISTONA H4 Proteína que liga e empacota DNA em eucariotos Genômica e Proteômica definições e aplicações No ano de 2001 foi divulgado pela televisão e pelos jornais o término do seqüenciamento do genoma seqüência de genes do DNA humano Além deste que certamente foi o mais extenso e complicado genoma já seqüenciado outros também o foram tais como os genomas de bactérias Escherichia coli Synechocystis sp Haemophilus influenza de leveduras Saccharomyces cerevisiae e o de um pequeno verme Caenorhabditis elegans No Brasil também tivemos nosso início na era da genômica com uma importante contribuição neste campo o seqüenciamento do genoma da Xylela fastidiosa um fitopatógeno responsável pela doença do amarelinho que destrói grande parte das laranjas veja o quadro a seguir com informações sobre alguns organismos que tiveram seu genoma seqüenciado Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 28 C E D E R J Organismo Tamanho do Genoma milhões de bases Interesse biológico Mycoplasma pneumoniae 08 Causa pneumonia Treponema palidum 11 Causa sífi lis Borrelia burgdorferi 13 Causa doença de Lyme Helicobacter pylori 17 Causa úlcera gástrica Haemophilus infl uenza 18 Causa meningite Escherichia coli 46 Algumas linhagens podem ser patogênicas Saccharomyces cerevisiae 121 Eucariota unicelular Caenorhabditis elegans 97 Verme multicelular usado em estudos de Biologia celular Xylela fastidiosa 27 Fitopatógeno Ataca plantações de laranja Homo sapiens sapiens 3 bilhões de pares de bases Somos nós O conhecimento do genoma das espécies impõe novos desafios aos cientistas como o de conhecer as proteínas que são de fato expressas pelos organismos Os pesquisadores cunharam o termo proteoma em paralelo ao termo genoma com o intuito de descrever o repertório de proteínas que são de fato codificadas pelo DNA de um organismo Para se conhecer este repertório é importante isolar essas proteínas conhecer seu tamanho e muitas vezes determinar sua seqüência primária de aminoácidos Desta forma é possível saber exatamente de que proteína estamos tratando e investigar a participação dela em quadros de doença inflamação etc Quer saber mais sobre esse assunto que está tão em voga no mundo da pesquisa Visite os sites httpbiodadosicbufmgbrsebioproteomicscienciahojepdf httpeducarscuspbrlicenciatura2001genomaProjetogenomahtml ATIVIDADE FINAL Relações de parentesco Imagine que você seja orientador de um estagiário que acabou de entrar no ensino superior e no seu grupo de pesquisa Esse estagiário foi conversar com você sobre um projeto que buscará estabelecer relações fi logenéticas entre espécies baseandose em seqüências primárias de proteínas expressas por essas espécies C E D E R J 29 AULA 11 MÓDULO 1 Ele lhe mostrou os seguintes grupos de seqüências Grupo 1 Humano nlhglfgrkp gqapgysyta Pato nlhglfgrkt gqaegfsytd Grupo 2 Humano sasfepapen kcekcgqcnt Pato sgtfgprpgn kvektaqcht a Analisando as seqüências dos dois grupos e levando em consideração que os fragmentos representados expressam o grau de semelhança entre as seqüências completas qual você recomendaria ao seu estagiário para usar na análise fi logenética dos grupos b Imagine que seu estagiário a partir da informação que você deu na letra a desta atividade para a escolha da proteína para usar na pesquisa tenha selecionado mais cinco seqüências de organismos diversos para estabelecer relação evolutiva entre as espécies Que tipo de análise ele deve fazer nessas seqüências para estabelecer essas relações O que ele deve buscar nas seqüências para saber qual organismo é evolutivamente mais próximo de um ou de outro Bioquímica I Proteínas 1 uma introdução 30 C E D E R J As proteínas apresentam quatro possíveis níveis de organização das suas estruturas o primário seqüência de aminoácidos o secundário formação de estruturas organizadas espacialmente o terciário estrutura tridimensional e o quaternário associação de subunidades de uma proteína No nível primário temos a seqüência de aminoácidos formada pela união de um aminoácido a outro por uma ligação peptídica Uma ligação peptídica é a ligação entre o grupamento amino de um aminoácido ao grupamento carboxila de outro com a saída de uma molécula de água Além da ligação peptídica que forma a seqüência primária pode haver pontes de enxofre na estrutura primária originadas pela ligação de dois resíduos de cisteína A enorme diversidade das proteínas se deve às diferentes composições e tamanhos que elas podem apresentar bem como às modifi cações póstraducionais que elas podem sofrer R E S U M O RESPOSTA COMENTADA a Como você viu na aula a variação da seqüência de uma proteína ao longo do tempo e das espécies permite estabelecer relação entre organismos diferentes Embora precise haver alguma variação a proteína tem de existir e manter sua função em todas as espécies a serem relacionadas o que implica em que a variação também não seja muito grande Nas seqüências apresentadas pelo estagiário o primeiro grupo mostra algumas modifi cações quando comparamos os dois organismos e o segundo grupo apresenta seqüências muito diferentes Diante dessas duas opções o estagiário deve escolher as seqüências do grupo 1 cujos fragmentos apresentados diferem em apenas 2 aminoácidos b Para analisar as seqüências na busca de relações evolutivas entre as espécies é preciso tentar encontrar o grau de identidade entre elas Grau de identidade é uma expressão bastante utilizada pelos cientistas dessa área e se refere a quanto a seqüência de uma proteína é idêntica à de outra Quanto maior o grau de identidade mais próximas as espécies são evolutivamente C E D E R J 31 AULA 11 MÓDULO 1 A seqüência primária de uma proteína é determinada pela seqüência de bases do DNA e é responsável pela função da proteína Alterações de determinados aminoácidos em uma proteína geradas por mutações no DNA podem acarretar perda da função desta ao passo que alterações em outros sítios da proteína podem não ser nocivas ao contrário são boas medidas para estabelecer relações fi logenéticas entre as espécies objetivos Meta da aula Apresentar o que é a estrutura secundária de uma proteína e seus elementos característicos Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de caracterizar os três elementos que formam a estrutura secundária de uma proteína as αhélices as folhas β as voltas Proteínas 2 Você sabe o que é estrutura secundária de uma proteína 12 A U L A 1 2 3 Prérequisitos Para fazer um bom aproveitamento desta aula é importante você relembrar o que são e como se formam as pontes de hidrogênio conceito apresentado na Aula 3 Além disso seria interessante ter à mão a Aula 8 para que você possa consultar as estruturas de alguns aminoácidos Bioquímica I Proteínas 2 Você sabe o que é estrutura secundária de uma proteína 34 C E D E R J INTRODUÇÃO Na aula passada você viu que as proteínas têm quatro níveis organizacionais e começou estudando o primeiro nível a estrutura primária A estrutura primária de uma proteína é sua seqüência de aminoácidos Esta seqüência primária pode ser comparada a um colar de contas esticado cada conta seria um aminoácido e o colar a proteína Figura 121 A seqüência primária de uma proteína pode ser analogicamente comparada a um colar de contas no qual cada conta representa um aminoácido e o colar a proteína inteira Fonte httpwwwsxchuphoto314788 Fonte httpwwwsxchuphoto258629 Mantenha esta imagem do colar na cabeça para esticálo é necessário que você segure as duas extremidades e puxeas de forma que o colar fi que como uma linha reta Você está gastando energia para isso Essa conformação do colar esticado como uma linha não é necessariamente a que ele assumiria se você não o estivesse segurando Se você o lançar em cima de uma mesa verá que ele provavelmente assumirá uma forma mais irregular Isso acontece porque em cima da mesa não há nada impondo energia para mantêlo esticado Na natureza as moléculas se comportam mais ou menos como o colar em cima da mesa elas tendem a assumir a conformação que requer menos energia para ser sustentada Assim como o colar não se mantém esticado em cima da mesa naturalmente quando você o lança sobre ela de qualquer maneira porque precisaria de energia para isso as proteínas também não se mantêm esticadas na natureza Quando elas começam a assumir formas no espaço as quais favorecem uma confi guração que gasta menor energia para ser mantida temos a estrutura secundária dessas proteínas Esse é o assunto da aula de hoje C E D E R J 35 AULA 12 MÓDULO 1 ESTRUTURA SECUNDÁRIA A estrutura secundária de uma proteína diz respeito ao arranjo local dos aminoácidos no espaço isto é a como uma determinada seqüência se organiza no espaço Os elementos mais importantes da estrutura secundária são as α hélices as folhas β e as dobras ou voltas As αhélices e folhas β foram previstas por LINUS PAULING e Robert Corey em 1951 Veja o que são esses elementos e por que somente essas poucas maneiras de organização estão presentes nas proteínas LINUS PAULING 19011994 Poucos estudantes de Química atualmente têm idéia da importância de Linus Pauling Ele começou a se interessar por Química com 15 anos ainda no Ensino Médio o qual nunca concluiu por causa da disciplina História Americana Na ciência recebeu diversos prêmios e foi intitulado membro mais jovem da Academia Nacional de Ciências dos EUA com apenas 32 anos As obras de Linus Pauling são consideradas as mais citadas na literatura química Este pesquisador ganhou em 1955 o prêmio Nobel de Química por suas pesquisas sobre a natureza das ligações químicas e sua aplicação na elucidação da estrutura de substâncias complexas como as proteínas Além disso Pauling era militante contra as guerras mundiais os testes de bombas atômicas e o desenvolvimento de armas nucleares Ele ganhou o prêmio Nobel da Paz em 1962 por essas ações Há muito mais o que se dizer sobre Linus Pauling e por isso recomendamos que você visite o site do canal de cultura da química da Universidade de São Paulo no endereço httplqesiqmunicampbrcanal cientifi colqesculturallqesculturalculturaquimica51html Você não vai se arrepender a vida desse cientista é realmente uma lição Fonte Oregon State University AS αHÉLICES Certamente você já viu uma espiral como por exemplo o fi o do telefone ou a espiral de um caderno Uma estrutura semelhante a essa pode acontecer em uma proteína pelas interações entre aminoácidos e é chamada de αhélice Figura 122 Bioquímica I Proteínas 2 Você sabe o que é estrutura secundária de uma proteína 36 C E D E R J Carbono Hidrogênio Nitrogênio Oxigênio Grupo R Carbono Hidrogênio Nitrogênio Oxigênio Grupo R Detalhes das pontes de H I I I I a b c Figura 122 Esquema das αhélices Pense em um bastão imaginário como um eixo ao redor do qual você enrolasse um colar de contas Dependendo da espessura do bastão para circundálo seriam necessárias mais ou menos contas Podemos fazer uma analogia entre as αhélices e o colar a seqüência primária da proteína colar de contas se enrola ao redor de um eixo imaginário de tal forma que para dar uma volta ao redor deste eixo são necessários 36 aminoácidos contas Esta estrutura é estabilizada por pontes de H b e interações de Van der Waals Em c você vê a estrutura de uma proteína do nosso plasma sangüíneo que possui apenas αhélices como elementos da estrutura secundária a albumina C E D E R J 37 AULA 12 MÓDULO 1 Em uma αhélice cada volta da espiral possui em média 36 resíduos de aminoácidos isto é três aminoácidos e 60 de um quarto aminoácido o que ocupa 54 Å Isso signifi ca que um aminoácido por exemplo na posição 1 em uma αhélice fará pontes de H com outro cerca de quatro posições à sua frente no exemplo com o aminoácido na posição 5 Na espiral os grupamentos R dos aminoácidos fi cam voltados para o exterior já que muitos deles são volumosos e por esta razão difi cilmente se ajustariam ao interior da hélice As αhélices são altamente estáveis devido à presença de um grande número de pontes de hidrogênio representadas na Figura 122 e no quadro a seguir por que se formam entre o hidrogênio do grupamento amino de um resíduo de aminoácido e o oxigênio do grupamento carboxila de outro resíduo situado quatro posições à frente ANGSTRÖM Å Angström é uma unidade de medida que equivale a 1010m Para você dimensionar melhor 1mm 103m 1µm 106m 1nm 109m 1 Å 1010m Quadro 121 Estabilização das αhélices por pontes de hidrogênio formadas entre o grupamento amino de um aminoácido e o grupamento carboxila de outro quatro posições à frente NH O C Aminoácido 1 Aminoácido 5 grupamento amino grupamento carboxila Estrutura de uma αhélice mostrando as pontes de H que se formam entre os resíduos de aminoácidos Ponte de H Ponte de H As pontes de H se formam naturalmente pois há interação entre as nuvens eletrônicas daqueles átomos de hidrogênio e oxigênio de que falamos Uma espécie de malha invisível se forma ao redor da espiral fazendo com que a hélice mantenha esta conformação Bioquímica I Proteínas 2 Você sabe o que é estrutura secundária de uma proteína 38 C E D E R J A manutenção da estrutura da hélice é garantida ainda pelas interações de VAN DER WAALS que acontecem em seu interior fazendo com que esta região seja bastante empacotada veja o boxe a seguir INTERAÇÕES OU CONTATOS DE VAN DER WALLS São interações fracas que se estabelecem entre dois átomos que se aproximam muito um do outro Cada átomo apresenta uma nuvem de elétrons que infl uencia o átomo vizinho atraindoo ou repelindoo O que significa empacotadas Para entender melhor este conceito de como empacotar uma proteína em uma αhélice imagine uma mola Uma mola é uma espiral e possui estrutura análoga à da hélice Se tivéssemos no interior dessa mola forças capazes de fazer com que o diâmetro dela diminuísse o que você veria seria um fenômeno parecido com o que as forças de van der walls proporcionam à αhélice Agora pense um pouco mais você já aprendeu que na constituição de proteínas pode haver vinte aminoácidos diferentes Essas diferenças estão nas suas estruturas e se refl etem nas propriedades químicas que apresentam hidrofobicidade x afi nidade pela água caráter básico x caráter ácido etc Será que em uma seqüência primária todos os aminoácidos se comportam da mesma maneira isto é será que todos eles formam αhélices por exemplo A arrumação dos aminoácidos nas hélices A resposta para a pergunta anterior é NÃO Vamos entender o porquê Se aminoácidos com grupamentos R volumosos como a asparagina serina e treonina aparecem lado a lado na seqüência primária de uma determinada proteína difi cultam a organização em hélice Por outro lado como vimos na Aula 8 que apresentou os aminoácidos existem alguns que são carregados positiva ou negativamente em pH neutro relembre as características dos aminoácidos no boxe a seguir Ter isso em mente é importante para entender o que vem logo em seguida Fonte httpwwwsxchu photo651534 C E D E R J 39 AULA 12 MÓDULO 1 Relembrando características dos aminoácidos Os vinte aminoácidos constituintes de proteínas Aminoácidos apolares Aminoácidos aromáticos Aminoácidos polares sem carga Aminoácidos polares carregados Glicina Alanina Valina Leucina Isoleucina ProlinaMetionina Fenilalanina Tirosina Triptofano Serina Treonina Cisteína Asparagina Glutamina Lisina Arginina Histidina Aspartato Glutamato Lembrase de como se formam pontes de hidrogênio nas αhélices Então agora analise a seqüência de aminoácidos a seguir O que você acha que aconteceria com ela Será que ela seria uma boa formadora de αhélice Posição 1 2 3 4 5 6 7 Resíduo serina aspartato leucina alanina valina glutamato treonina A seqüência anterior é uma boa formadora de hélice Sim Não A resposta é não A explicação para isto é que a serina posição 1 tenderia a formar uma ponte de hidrogênio com a valina posição 5 que é o quarto aminoácido à sua frente na seqüência primária Até aí tudo bem Entretanto o ácido aspártico posição 2 que é um resíduo que em pH neutro se encontra carregado negativamente deveria formar uma ponte de hidrogênio com o ácido glutâmico posição 6 quatro posições à sua frente também carregado negativamente Será que este encontro seria favorecido Você aprendeu que cargas de mesmo sinal tendem a se repelir Logo o ácido aspártico negativo não é capaz de interagir com o ácido glutâmico também negativo desestabilizando a hélice fazendo com que ela se desmonte E se pensarmos nesta mesma seqüência sendo que no lugar de termos um ácido glutâmico posição 6 tivermos uma lisina ou arginina Fonte httpwwwsxchuphoto264245 Bioquímica I Proteínas 2 Você sabe o que é estrutura secundária de uma proteína 40 C E D E R J ambas aminoácidos carregados positivamente em pH neutro Será que esta seqüência formaria uma αhélice A resposta é sim O encontro do ácido aspártico negativo com um resíduo de lisina positivo fortalece a αhélice já que forma um par iônico O mesmo raciocínio pode ser empregado no que se refere aos aminoácidos aromáticos e apolares como o triptofano a tirosina e a fenilalanina Se eles se encontram separados na seqüência por um intervalo de três aminoácidos ou seja quatro posições à frente podem formar contatos chamados de interação hidrofóbica já que vão tender a fi carem juntos e longe da água A interação hidrofóbica entre esses aminoácidos fortalece a αhélice Veja o exemplo Posição 1 2 3 4 5 6 Resíduo isoleucina serina alanina treonina leucina lisina A isoleucina posição 1 bastante apolar faria interação hidrofóbica com a leucina também apolar que está quatro posições a sua frente fortalecendo a hélice Uma pergunta que você pode estar se fazendo neste momento é será que existem aminoácidos que não participam da formação de uma αhélice Os resíduos prolina e glicina são os piores formadores de αhélice Por quê Por causa das suas estruturas A PROLINA é má formadora de αhélice porque possui seu átomo de nitrogênio como parte de um anel o que impossibilita que a ligação NCα gire para formar uma espiral Além disso por causa de características químicas da estrutura da prolina o nitrogênio da prolina envolvido neste anel não dispõe de hidrogênios para formar as pontes de hidrogênio necessárias à formação de uma hélice Dessa forma é muito raro encontrar prolinas no meio de uma αhélice Outro aminoácido que também não funciona bem na formação de αhélices é a glicina A glicina é uma má formadora de αhélice devido à sua grande fl exibilidade Por ser um aminoácido pequeno o menor deles a glicina apresenta grande mobilidade no espaço o que desestabiliza tanto αhélices quanto folhasβ que você verá o que são em seguida RELEMBRE A ESTRUTURA DA PROLINA C E D E R J 41 AULA 12 MÓDULO 1 Somente as estruturas conhecidas como voltas permitem que as glicinas se movimentem mais livremente e é aí que podemos encontrar uma concentração grande deste aminoácido Resumindo podemos dizer que são quatro os fatores que facilitam ou difi cultam a formação de uma αhélice 1 a repulsão ou a atração eletrônica entre resíduos carregados positiva eou negativamente 2 o tamanho das cadeias laterais de resíduos vizinhos 3 as interações entre resíduos hidrofóbicos separados entre si três ou quatro aminoácidos de distância na seqüência primária interações hidrofóbicas 4 a presença de prolinas e glicinas 1 Caracterizando αhélices Considere os quatro tópicos que você leu no parágrafo anterior sobre fatores que facilitam ou difi cultam a formação de αhélices A partir deles analise a seqüência a seguir leucinahistidinavalinafenilalaninaalanina Agora responda esta seqüência pode formar uma αhélice Por quê Justifi que com base nos quatro itens discriminados no boxe de atenção antes desta atividade e consulte o boxe Relembrando características dos aminoácidos RESPOSTA COMENTADA Se você concluiu que a seqüência apresentada é uma boa formadora de αhélice acertou Você provavelmente deve ter justifi cado essa resposta assim 1 Não há cargas de mesmo sinal se repelindo nesta seqüência 2 Não há dois aminoácidos volumosos próximos para desestabilizar a hélice 3 Leucina e fenilalanina vão formar interação hidrofóbica que fortalece a hélice 4 Não há prolinas e glicinas na cadeia ATIVIDADE 1 2 Bioquímica I Proteínas 2 Você sabe o que é estrutura secundária de uma proteína 42 C E D E R J AS FITAS β As folhas β são a segunda maneira de os aminoácidos da seqüência primária de uma proteína se organizarem no espaço As folhas β formam estruturas semelhantes a um ziguezague semelhantes às pregas de uma saia de colegial ou a um leque As fi tas são como tiras que você cortasse do leque perpendicularmente à orientação de suas tiras O conjunto dos ziguezagues formado com dois ou mais cortes deste equivale a uma folha β E como se formam as fi tas β em uma proteína para que em seguida possamos ter uma folha β Os aminoácidos de uma cadeia polipeptídica como você bem sabe têm características químicas variadas Estas características fazem com que a seqüência primária da proteína não seja linear no espaço lembre do exemplo do colar de contas que quando solto em cima da mesa tende a assumir uma conformação nãolinear Em alguns casos as características dos aminoácidos fazem com que eles se organizem na forma de uma αhélice como você viu na seção anterior desta aula Em outros casos eles podem promover uma dobra na cadeia polipeptídica colocando lado a lado e alinhados dois ou mais pedaços da proteína Difícil de visualizar Veja a Figura 123 Folha β Fita β Fita β a b Figura 123 Semelhança entre as fi tas β e o ziguezague das dobras de um leque ou das pregas de uma saia de colegial Em a você vê a folha β de cima Repare que duas partes da cadeia polipeptídica estão ligadas por pontes de H e que os grupamentos laterais esferas com R estão para cima ou para baixo do plano da cadeia principal onde se encontram os carbonos α esferas pretas Em b você vê as fi tas β lateralmente e poderá perceber com facilidade o ziguezague desta estrutura semelhante a um leque ou a uma saia de colegial C E D E R J 43 AULA 12 MÓDULO 1 As fi tas β assim como a folha β são estabilizadas por pontes de H que proporcionam a esta estrutura bastante estabilidade e um certo grau de rigidez O padrão de formação de pontes de hidrogênio das folhas β é completamente diferente do padrão observado nas αhélices Para que se forme uma folha β é necessário que se estabeleçam contatos entre as fi tas β ou seja as pontes de hidrogênio fazem com que duas fi tas β formem uma folha β Como fi cam os grupamentos R dos aminoácidos nas folhas β Eles fi cam voltados para cima ou para baixo do plano em que corre a folha β conforme você pode ver na Figura 123 Esta maneira de se posicionar permite que grupamentos volumosos não interfi ram com a organização das folhas β Existem dois tipos de fi tas β as paralelas e as antiparalelas Figura 124 Toda vez que uma proteína se dobrar de forma que a extremidade carboxila esteja orientada no mesmo sentido da extremidade amino teremos uma fi ta β paralela quando aminoterminal e carboxiterminal estiverem em sentidos opostos seguindose o fio da proteína estaremos diante de uma fi ta β antiparalela Figura 124 Esquema de formação das fi tas β paralelas e antiparalelas Imagine a seqüência primária de uma proteína representada em a sofrendo dobras por causa das propriedades químicas dos seus aminoácidos Se duas partes da seqüência se alinharem é possível que se forme uma fi ta β setas em b e c Se a fi ta se formar entre um pedaço da proteína e outro que está no mesmo sentido da extremidade amino da proteína N teremos uma fi ta ß paralela caso se forme entre dois pedaços em orientações de sentido opostas a fi ta ß será chamada de antiparalela N C a N N C C b c Fita β paralela Fita β paralela Bioquímica I Proteínas 2 Você sabe o que é estrutura secundária de uma proteína 44 C E D E R J Um ponto importantíssimo no que diz respeito às folhas β é que elas podem ser formadas por fi tas que estão muito distantes na seqüência primária da proteína separadas por hélices ou voltas Figura 125 Não se preocupe pois sobre estas últimas você aprenderá ainda nesta aula mais adiante Figura 125 Estruturas como as fi tasfolhas ß podem aproximar regiões distantes de uma proteína como os aminoácidos de uma extremidade amino Nterminal e de outra carboxila Cterminal Fita Fita Volta a Hélice Fita Fita b Assim como nos perguntamos para as αhélices será que qualquer aminoácido fi ca bem acomodado numa folha β Obviamente quando as fi tas β que formam uma folha β estão muito próximas a presença de grupamentos R muito volumosos difi culta essa aproximação Peter Chou e Gerald Fasman analisando a composição secundária de diversas proteínas elaboraram em 1978 uma tabela com a propensão de cada resíduo para formar uma αhélice ou folha β veja o Quadro 122 Quanto maior o valor de P probabilidade maior a propensão daquele resíduo para formar uma dada estrutura secundária Esta tabela pôde auxiliar os pesquisadores na previsão da estrutura secundária de uma determinada seqüência desconhecida C E D E R J 45 AULA 12 MÓDULO 1 Quadro 122 Probabilidade de um dado aminoácido ser encontrado nos dois principais tipos de estrutura secundária Quanto maior a barra cinza maior a probabilidade de acharmos o resíduo formando as estruturas Glu Met Ala Leu Lis Fen Gln Trp Ile Val Asp His Arg Tre Ser Cis Asn Tir Pro Gli P P αHélice Fita β Caso em que as folhas β fazem diferença no mundo visível A fibroína da seda é uma proteína produzida por insetos e aracnídeos e que está presente na formação dos casulos teias ninhos etc A fibroína da seda da mariposa Bombyx mori por exemplo é constituída de folhas ß antiparalelas possuindo uma repetição de seis aminoácidos ao longo de sua estrutura primária São eles GliSerGliAlaGliAla Nas folhas β da fibroína as fitas β se empilham de modo que os grupamentos R dos resíduos de glicina de uma fita se encaixam perfeitamente na fita β adjacente Do mesmo modo os grupos R das serinas ou alaninas se encaixam na fita β adjacente formando uma estrutura bem empilhada e empacotada A resistência das teias e sedas se deve a esta organização das folhas β conforme você vai ver com mais detalhes na Aula 15 Fonte httpwwwsxchuphoto700563 Bioquímica I Proteínas 2 Você sabe o que é estrutura secundária de uma proteína 46 C E D E R J As folhas β portanto podem acontecer entre diversos resíduos de aminoácidos de uma seqüência primária Sua ocorrência é importante por proporcionar à proteína uma estrutura mais resistente dependendo da função desta proteína isso pode ser fundamental 2 Caracterizando folhas β Você aprendeu que as fi tas β são formadas pela ligação entre dois trechos distantes da seqüência da proteína A seguir você verá dois pequenos trechos de uma proteína que após esta começar a assumir uma conformação tridimensional fi caram lado a lado Trecho 1 Trecho 2 Perguntas a Qual desses dois trechos não forma uma fi ta β Justifi que sua resposta b Que tipo de ligação é necessário que aconteça para que se forme uma fi ta ou folha β c No trecho que forma fi ta β quais são as orientações destas fi tas paralelas ou antiparalelas ATIVIDADE TRIPTOFANO TREONINA FENILALANINA VALINA VALINA TREONINA TIROSINA ARGININA Nterminal Cterminal PROLINA ISOLEUCINA SERINA GLUTÂMICO LISINA LISINA Nterminal Cterminal 2 C E D E R J 47 AULA 12 MÓDULO 1 RESPOSTA COMENTADA Se você consultou o Quadro 121 viu que somente o trecho 1 é que pode constituir uma fi ta β Isso porque nele estão presentes aminoácidos com alta probabilidade de participar deste tipo de estrutura O trecho 2 é constituído por aminoácidos que têm baixa propensão para assumir conformação de fi ta β Os aminoácidos do trecho 1 pareados como mostrado no enunciado da questão formarão uma fi ta ß pelo estabelecimento de pontes de H que deve ter sido sua resposta para a letra b Só para complementar essas pontes são formadas entre o oxigênio do grupamento carboxila de um aminoácido com o hidrogênio do grupamento amino de outro aminoácido localizado paralelamente ao primeiro Quanto à orientação das fi tas letra c devemos levar em conta as posições do Cterminal e do Nterminal da proteína em questão Como Nterminal e Cterminal do trecho 1 estão em sentidos opostos se seguirmos o fi o seqüência primária da proteína esta fi ta β é antiparalela AS VOLTAS As voltas conectam diferentes segmentos das proteínas podendo mudar a direção da cadeia Podem estar presentes 1 entre duas αhélices 2 conectando uma αhélice a uma fi ta β ou viceversa ou ainda 3 conectando duas fi tas β para a formação de uma folha β antiparalela Neste último caso são ditas voltas β Figura 126 Figura 126 As voltas β formadas por quatro aminoácidos Na fi gura cada esfera preta representa o carbono a de um aminoácido O grupamento amino do primeiro se liga por ponte de hidrogênio ao grupamento carboxila do último N O formando a volta Bioquímica I Proteínas 2 Você sabe o que é estrutura secundária de uma proteína 48 C E D E R J As voltas β são formadas por quatro aminoácidos que se mantêm formando uma espécie de estrutura em semicírculo em que o primeiro resíduo da volta faz uma ponte de hidrogênio com o quarto resíduo da volta Os dois resíduos centrais não mantêm nenhum contato específi co Será que também existem resíduos que se apresentam com mais freqüência nas voltas Mais uma vez a resposta é positiva Prolinas e glicinas são ótimas formadoras de voltas exatamente pelos mesmos motivos que fazem desses dois aminoácidos maus formadores de α hélices A glicina por ser muito fl exível e pequena fi ca bem acomodada nessas voltas A prolina por ser um IMINOÁCIDO assume uma conformação propícia para este tipo de estrutura IMINOÁCIDO Um iminoácido é um aminoácido que possui seu nitrogênio do grupamento amino formando um ciclo ATIVIDADE FINAL Estrutura secundária de uma proteína A estrutura secundária de uma proteína é constituída por αhélices folhas β e voltas Analise a seqüência a seguir de uma proteína hipotética os números na frente das linhas indicam a posição do primeiro aminoácido daquela linha na seqüência total 1 leucinahistidinavalinafenilalaninaalanina 6 prolinaglicinaalaninaprolinavalina 11 treoninatirosinaargininaprolinaglicina 16 serinaglicinavalinafenilalaninatreonina 21 tritopfano a Identifi que possíveis sítios regiões de formação de voltas β escreva na linha a seguir os números dos aminoácidos envolvidos na volta β 1 2 3 C E D E R J 49 AULA 12 MÓDULO 1 b Identifi que a região na qual esta proteína assumirá uma conformação αhélice c Há possibilidade de formação de fi ta β Entre quais aminoácidos RESPOSTA COMENTADA Esta atividade oferece um grau de difi culdade maior do que as outras por ser mais integradora e abordar todos os elementos que constituem a estrutura secundária de uma proteína Além disso ela mostra uma seqüência partida em cinco linhas para você visualizar por inteiro e identifi car regiões de volta hélice e fi ta β É não era simples mas certamente muito valiosa para a sua aprendizagem Pedimos que você identifi casse as possíveis voltas β primeiro pois elas eram as mais fáceis Você aprendeu na aula que as voltas β são formadas entre quatro aminoácidos especialmente glicinas e prolinas A primeira volta é formada pelos aminoácidos 6 7 8 e 9 a segunda entre os resíduos 14 15 16 e 17 Estes dois grupos de aminoácidos são majoritariamente constituídos por glicinas e prolinas Em seguida você deve ter identifi cado a αhélice constituída pelos primeiros cinco aminoácidos Entre eles não há cargas contrárias se repelindo aminoácidos volumosas em confl ito glicinas e prolinas boas condições para a formação da αhélice Com a formação da segunda volta entre os resíduos 1417 os aminoácidos valinatreoninatirosinaarginina 1013 e valina fenilalaninatreoninatritopfano 1821 se aproximam Estes aminoácidos têm grande propensão a formar fita β quando se encontram pareados como é o caso Assim estes resíduos se associam por pontes de H e formam uma fi ta β Bioquímica I Proteínas 2 Você sabe o que é estrutura secundária de uma proteína 50 C E D E R J A estrutura secundária de uma proteína é a organização espacial dos seus aminoácidos em três estruturas αhélices folhas β e voltas As αhélices se formam pelo enovelamento da seqüência primária ao redor de um eixo imaginário simulando uma estrutura semelhante a uma espiral de caderno Esta estrutura é estabilizada por pontes de H e por interações de Van de Waals As folhas β são também arranjos espaciais que a seqüência primária pode tomar Sua maior característica é o fato de unir regiões bastante distantes de uma proteína formando uma espécie de ziguezague semelhante a um leque ou a uma saia de colegial Quando dois pedaços da proteína se ligam por pontes de H formando uma tira do leque dizemos que se formou uma fi ta β Quando várias fi tas β se associam formando uma estrutura semelhante ao leque inteiro temos as folhas β O terceiro arranjo espacial é chamado de voltas As voltas são torções na seqüência primária que também podem ser estabilizadas por ponte de H No caso das voltas β temos sempre quatro aminoácidos envolvidos e o primeiro se liga ao quarto por uma ponte de hidrogênio Todas essas três estruturas estabilizam a estrutura terciária de uma proteína importante para que ela execute sua função no organismonatureza R E S U M O INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA Você aprendeu hoje isoladamente como uma proteína pode começar a se organizar no espaço Na próxima aula você verá como estas conformações αhélices folhas β e voltas fazem uma proteína se arrumar no espaço imaginando todos esses elementos ao mesmo tempo em uma cadeia polipeptídica Até lá objetivos Metas da aula Apresentar as estruturas terciária e quaternária de proteínas as forças que mantêm essas estruturas e as técnicas utilizadas para desvendálas Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de relacionar as interações moleculares e a manutenção das estruturas terciária e quaternária identifi car técnicas para determinação da estrutura terciária de uma proteína diferenciar estrutura terciária e quaternária de proteínas identifi car um grupamento prostético associado a uma proteína Proteínas 3 Agora sim as proteínas no espaço 13 A U L A 1 2 Prérequisitos Para acompanhar esta aula você precisa ter em mente o que são as αhélices as folhas β e as voltas temas abordados na aula passada sobre estrutura secundária das proteínas 3 4 Bioquímica I Proteínas 3 Agora sim as proteínas no espaço 52 C E D E R J INTRODUÇÃO Os cientistas estimam que o homem sintetize cerca de 100 mil proteínas diferentes em seu organismo Estas moléculas como você já sabe são responsáveis por funções vitais do nosso corpo como geração de energia contração muscular incluindo o músculo cardíaco entre outras Algumas doenças são causadas por disfunções de determinadas proteínas quer seja excesso falta ou mau funcionamento Um exemplo é o mal de Alzheimer causado pelo acúmulo de uma proteína específi ca proteína βamilóide no cérebro Figura 131 O mal de Alzheimer é uma doença que afeta a atividade dos neurônios neurodegenerativa e que acomete principalmente indivíduos de idade mais avançada Esta doença é causada pelo acúmulo de uma proteína proteína ßamilóide no cérebro do indivíduo prejudicando a manutenção de informações recentes ou seja causando perda de memória Conhecer a estrutura das proteínas é fundamental para que a Ciência possa trabalhar no desenvolvimento de drogas específi cas contra certas patologias Uma droga que se ligue à proteína ßamilóide por exemplo poderia favorecer sua degradação ou impedir seu acúmulo prevenindo a manifestação do mal de Alzheimer Nesta aula você continuará aprendendo sobre a estrutura das proteínas só que agora verá como elas se organizam no espaço de maneira tridimensional C E D E R J 53 AULA 13 MÓDULO 1 A ESTRUTURA TERCIÁRIA DE UMA PROTEÍNA O arranjo tridimensional das αhélices folhas β e voltas no espaço é conhecido como estrutura terciária da proteína Figura 132 Para melhor entendermos isto imagine um cadarço de sapato Esticado ele equivale à seqüência primária quando você faz a primeira dobra para começar o laço equivaleria à estrutura secundária Para amarrar o seu sapato é preciso que o seu cadarço se dobre sobre si mesmo mais de uma vez até formar o laço É mais ou menos isto o que acontece com as proteínas Os elementos de estrutura secundária hélices fi tas e voltas vão se dobrando e se organizando no espaço até que a proteína atinge sua conformação fi nal É então que ela assume sua função a qual pode ser por exemplo a defesa do organismo como é o caso dos anticorpos a regulação da expressão gênica ativando ou reprimindo genes de determinadas proteínas a catálise aceleração de uma reação função das enzimas o capsídeo cobertura de uma partícula viral como é o caso de algumas proteínas estruturais Figura 132 Os três primeiros níveis organizacionais de uma proteína A seqüência de aminoácidos estrutura primária pode assumir conformações de αhélice e de fi tas ou folhas β o que caracteriza a estrutura secundária Quando as αhélices e as fi tas folhas ß se organizam no espaço e assumem uma conformação tridimensional temos a estrutura terciária de uma proteína Estrutura primária Estrutura secundária Estrutura terciária Aminoácidos Fita β αhélice Representação da fi ta β Representação de αhélice Mas você sabe como essa estrutura é mantida Bioquímica I Proteínas 3 Agora sim as proteínas no espaço 54 C E D E R J FORÇAS QUE MANTÊM A ESTRUTURA TERCIÁRIA DAS PROTEÍNAS Por diversos estudos hoje sabemos que a estrutura terciária das proteínas é mantida por pontes de hidrogênio interações apolares interações iônicas e as forças de van der Walls todas entre as cadeias laterais dos resíduos de aminoácidos Além dessas a estrutura terciária é mantida também pelas pontes de enxofre que se formam quando duas cisteínas se aproximam no espaço Figura 133 Estrutura terciária organização espacial das αhélices e das fi tasβ De todas essas interações a mais forte é sem dúvida a ponte de enxofre já que é a única que envolve uma ligação covalente Para quebrála é necessário que se adicione à proteína um agente redutor de pontes de enxofre Este agente que pode ser o ditiotreitol DTT o β mercaptoetanol a glutationa etc funciona desfazendo a ponte dissulfeto ao doar hidrogênios para cada uma das cisteínas Veja Detalhe das forças que mantêm a estrutura terciária Figura 133 Forças que mantêm a estrutura terciária de uma proteína As αhélices e as fi tas β de uma proteína se organizam em um arranjo espacial mantido por diversas interações como você pode ver na fi gura Estas interações são as responsáveis pela manutenção da estrutura terciária de uma proteína Interações hidrofóbicas entre dois aminoácidos hidrofóbicos Cadeia polipeptídica Ponte de hidrogênio Ponte dissulfeto Interações iônicas Fita β αhélice C E D E R J 55 AULA 13 MÓDULO 1 1 Mantendo as proteínas no espaço Até agora você aprendeu três níveis de organização das proteínas Cada um desses níveis é caracterizado e depende de determinados tipos de ligações e interações entre os aminoácidos para serem mantidos Relacione o nível de organização protéico ao tipo de interaçãoligação que o mantém 1 Estrutura primária 2 Estrutura secundária 3 Estrutura terciária a interações entre aminoácidos hidrofóbicos b ligações peptídicas c pontes de H entre a carboxila de um aminoácido e o hidrogênio de outro d interações iônicas e interações entre os átomos de enxofre de duas cisteínas RESPOSTA COMENTADA A estrutura primária de uma proteína é mantida por ligações peptídicas entre os resíduos de aminoácidos A estrutura secundária acontece por se formarem pontes de H entre o oxigênio da carboxila de um aminoácido e o hidrogênio do grupamento amino de outro e por interações apolares A estrutura terciária por sua vez é mantida por pontes de hidrogênio interações apolares interações iônicas e pontes dissulfeto entre as ATIVIDADE Adição de agente redutor H Cisteína S S cisteína Cisteína SH e HS cisteína Ponte intacta Ponte quebrada cistina Uma ponte dissulfeto pode unir duas cisteínas bastante distantes na seqüência primária auxiliando o arranjo tridimensional da proteína Desfazer uma ponte dissulfeto com um agente redutor é desestabilizar a estrutura terciária de uma proteína expondo regiões que estavam voltadas para o interior da proteína por algum motivo o qual você descobrirá logo após realizar a Atividade 1 1 Bioquímica I Proteínas 3 Agora sim as proteínas no espaço 56 C E D E R J cadeias laterais dos resíduos de aminoácidos presentes A resposta para a atividade portanto é a 2 e 3 b 1 c 2 e 3 d 3 e 3 Essas são as mesmas forças que mantêm a estrutura quaternária de uma proteína só que não acontecem mais em uma só cadeia e sim em mais de uma Mas isso você vai ver daqui a pouco DISTRIBUIÇÃO DOS AMINOÁCIDOS NA PROTEÍNA SEGUNDO SUA NATUREZA QUÍMICA Um aspecto importante quando analisamos a estrutura terciária das diversas proteínas é que há uma tendência de se encontrarem aminoácidos apolares no seu interior enquanto os aminoácidos polares podem ser encontrados na superfície da proteína Pense um pouco você vê alguma razão para que tal fato ocorra A tendência que os aminoácidos apolares apresentam de se esconder dentro da proteína está relacionada ao fato de que no interior de muitas dessas moléculas existem poucas moléculas de água ou quase nenhuma Os aminoácidos apolares portanto se situam com freqüência no interior das proteínas para evitar o contato com a água uma vez que eles não conseguem interagir com esta molécula O mesmo não ocorre com os aminoácidos polares que interagem com a água formando pontes de H e por isso podem se localizar em regiões mais expostas à água na superfície das proteínas C E D E R J 57 AULA 13 MÓDULO 1 MIOGLOBINAS São proteínas presentes nas células musculares capazes de transportar armazenar oxigênio unicamente para as células nas quais residem As mioglobinas são capazes de desempenhar esta função porque associada à sua estrutura há uma molécula capaz de se ligar ao oxigênio a mesma molécula que encontramos na hemoglobina possibilitando o transporte desse gás no nosso sangue Molécula capaz de se ligar ao oxigênio e mantêlo associado à proteína Mioglobina com muitas αhélices e uma estrutura bastante irregular COMO DESCOBRIR A ESTRUTURA DE UMA PROTEÍNA Cada proteína apresenta uma estrutura terciária que lhe é característica Todas as MIOGLOBINAS da espécie humana por exemplo apresentam a mesma estrutura terciária Mas como é possível desvendar e conhecer a estrutura terciária de uma proteína A estrutura terciária de uma proteína pode ser obtida pela utilização de dois métodos difração de raios X e ressonância magnética nuclear Estas técnicas nos permitem conhecer os detalhes da estrutura das proteínas de forma a saber quais partes da proteína estão mais próximas e quais partes estão mais afastadas É quase como tentar entender como se enrola um novelo de lã Ambas as técnicas são bastante sofi sticadas e o que fazem em última análise é fornecer um retrato microscópico da proteína Este retrato é então decifrado por especialistas nestas técnicas que com a ajuda de computadores acabam gerando uma imagem tridimensional refi nada e precisa dos contatos entre os átomos na proteína Conheça essas técnicas a seguir Bioquímica I Proteínas 3 Agora sim as proteínas no espaço 58 C E D E R J CRISTALOGRAFIA DE RAIOS X Para se desvendar a estrutura de uma proteína por esta técnica é necessário obter uma imagem do padrão de difração espalhamento de raios X desta proteína Só que para poder fazer este experimento você precisa primeiro obter o CRISTAL desta proteína Existem diversas técnicas para se obterem cristais de proteínas e o conjunto delas é chamado cristalografi a Em geral é necessário ter a proteína a ser analisada em estado altamente puro e em alta concentração Além disso utilizamse agentes químicos como por exemplo o polietileno glicol Um agente como este faz com que a proteína se dissocie de moléculas de água que porventura estejam ao seu redor facilitando a formação do cristal Assim no cristal a quantidade de água é reduzida e as moléculas estão perfeitamente ordenadas Isso é importante para se obter um padrão de difração espalhamento de raios X e você já vai entender o porquê Uma vez obtido o cristal incidese sobre ele radiação raios do tipo X Os átomos da proteína no cristal recebem esta radiação que se espalha produzindo o que se chama de padrão de difração de raios X Fazer a cristalografi a de uma proteína é fundamental para se obter um padrão de difração homogêneo Ou seja ter um cristal faz com que independentemente de em que lado da sua amostra você vá incidir os raios X o padrão de difração que você vai ver será sempre o mesmo Cada proteína possui um padrão de difração próprio É como se cada combinação de átomos possuísse uma impressão digital própria cuja análise permite que se conheçam os detalhes daquela molécula Com a ajuda de computadores e programas específi cos estas impressões digitais são decifradas chegandose à estrutura fi nal da proteína Veja na Figura 134 a estrutura já conhecida de algumas proteínas CRISTAL O cristal a que nos referimos assemelhase visualmente àquele presente no açúcar cristalizado também conhecido como açúcar cristal ou açúcar de confeiteiro É uma estrutura formada pela arrumação no espaço de maneira organizada dos átomos da substância que o compõe C E D E R J 59 AULA 13 MÓDULO 1 Pepsina Citocromo c Lisozima Albumina Figura 134 Estrutura terciária já conhecida de algumas proteínas Observe nas quatro a presença de αhélices representadas por espirais e de fi tas ß representadas por setas largas na pepsina e na lisozima em um arranjo tridimensional No primeiro quadro está a pepsina proteína responsável pela digestão de proteínas no nosso estômago À direita da pepsina está o citocromo c Junto com sua estrutura estão representados no centro alguns pontos cinzaescuro que representam uma molécula que fi ca associada à estrutura do citocromo c Essa molécula é capaz de doar e receber elétrons com facilidade o que é importante para a sua função participar da cadeia transportadora de elétrons uma via que participa da geração de energia dentro da célula Já a lisozima é uma proteína presente nas lágrimas na saliva e em outras secreções e que atua como defesa contra microorganismos A albumina por sua vez é uma proteína presente em grandes quantidades no nosso sangue e atua carregando moléculas de um lado para o outro do corpo Desvendando uma proteína dos nossos músculos Em 1958 John Kendrew ao analisar os cristais da mioglobina a primeira proteína a ter sua estrutura cristalográfica determinada observou espantado que a estrutura desta proteína era bastante complicada irregular e assimétrica O que as análises de Kendrew mostraram é que a estrutura da mioglobina faz com que esta proteína apresente em sua superfície reentrâncias formando cavidades e bolsos Hoje sabemos que esta irregularidade na superfície das proteínas na verdade é muito importante por exemplo para permitir que elas interajam entre si ou com outras moléculas da célula como duas peças de um quebracabeça que se encaixam Bioquímica I Proteínas 3 Agora sim as proteínas no espaço 60 C E D E R J RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR A Ressonância Magnética Nuclear RMN é outra técnica que permite a elucidação da estrutura das proteínas Diferentemente da difração de raios X na RMN a proteína fi ca em solução e não na forma cristalizada A proteína de interesse em solução é levada para um equipamento chamado espectrômetro de ressonância Neste equipamento a molécula de proteína é colocada sob um campo magnético muito forte Em seguida são aplicados PULSOS DE RADIOFREQÜÊNCIA que são absorvidos pelos núcleos dos átomos presentes na molécula da proteína excitandoos Quando esses núcleos retornam ao seu estado basal isto é não excitado eles emitem de volta radiofreqüências que são específi cas de cada um dos átomos nas proteínas encontramos sempre carbonos hidrogênios e oxigênios e que podem ser medidas Existem seqüências de pulsos específi cas que revelam não só qual é o átomo mas como ele está ligado a outros átomos por exemplo por meio de uma ligação covalente Neste caso podese conhecer o tipo de aminoácido responsável por aquelas freqüências Existem também seqüências de pulsos capazes de revelar os átomos que estão próximos no espaço mas que não estão unidos por meio de ligação covalente Estes sinais são oriundos de aminoácidos que estão distantes na seqüência primária da proteína mas próximos na estrutura terciária É analisando estas informações que um pesquisador que trabalha com estrutura de proteínas vai passo a passo montando uma espécie de quebracabeça molecular Obviamente a tecnologia trabalha a favor da Ciência e a ajuda de computadores com programas específi cos possibilita a obtenção da estrutura tridimensional da proteína Na Ressonância Magnética Nuclear também é necessário que se tenha a proteína de interesse em alta concentração e altamente pura No Brasil existem diversos grupos de pesquisa que se dedicam à determinação da estrutura de proteínas Em São Paulo e no Rio de Janeiro existem equipamentos de RMN muito modernos bem como uma enorme facilidade para determinação de estrutura de proteínas por raios X mais especifi camente em Campinas e São Carlos veja o boxe a seguir PULSOS DE RADIOFREQÜÊNCIA Exposições de uma amostra no caso do assunto da nossa aula proteínas a ondas com o comprimento das ondas de rádio por tempos curtos As exposições a estas ondas desencadeiam alterações na organização dos elétrons de um átomo deixandoo no que chamamos estado excitado C E D E R J 61 AULA 13 MÓDULO 1 2 Como descobrir a estrutura de uma proteína Em toda reunião científica congresso há um espaço para que os pesquisadores que ali estão apresentem os trabalhos que estão desenvolvendo quer oralmente quer em um painel pôster Dois pesquisadores um dos Estados Unidos e outro da França se encontraram em um congresso internacional e descobriram que haviam desvendado a estrutura da mesma proteína Para que nenhum dos dois perdesse os dados que geraram eles decidiram publicar o trabalho juntos somando os dados que tinham obtido Por sorte um deles tinha feito experimentos de Ressonância Magnética Nuclear e o outro cristalografi a de raios X A seguir você encontra uma tabela que lista os procedimentos que John Grey o americano e Louis Iliet o francês seguiram John Grey Louis Iliet Procedimentos seguidos 1 Obtenção da proteína em grande quantidade Obtenção da proteína em grande quantidade 2 Purifi cação da proteína Purifi cação da proteína 3 Precipitação da proteína com polietileno glicol Concentração da proteína em solução de um volume de 300mL para 50µL 4 Manutenção da proteína em uma câmara fria sem agitação Manutenção da proteína em agitação em temperatura ambiente 5 Exposição à radiação Exposição a um campo magnético forte e a pulsos de radiofreqüência 6 Obtenção de um perfi l de espalhamento da radiação que incidiu na amostra Obtenção de um perfi l de emissão de ondas por parte da amostra 7 Análise deste perfi l Análise deste perfi l 8 Elucidação da estrutura Elucidação da estrutura ATIVIDADE 2 O Brasil e a tecnologia de ponta Em Campinas SP está situado o melhor centro da América Latina para elucidação da estrutura de proteínas o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron LNLS Ele entrou em funcionamento em 1997 e possui todos os equipamentos necessários à elucidação da estrutura de proteínas por diversas técnicas Lá é possível cristalizar uma proteína e fazer a difração de raios X e ou analisála por Ressonância Magnética Nuclear Até agora diversas estruturas já foram elucidadas incluindo a hexoquinase uma enzima que participa da primeira etapa para a utilização do açúcar glicose como fonte de energia Quer saber mais sobre este centro tão importante Visite wwwlnlsbr e navegue à vontade Lá você encontra em linguagem bastante acessível várias informações sobre o funcionamento deste importante pólo tecnológico Bioquímica I Proteínas 3 Agora sim as proteínas no espaço 62 C E D E R J Analisando as duas colunas da tabela qual método foi utilizado por que pesquisador Justifi que sua resposta mencionando as etapas 1 a 8 que lhe permitiram chegar a esta conclusão RESPOSTA COMENTADA Os dois primeiros passos foram seguidos pelos dois pesquisadores No passo 3 John Grey começa a trabalhar para retirar água associada às moléculas de sua proteína de estudo o que revela que ele optou por estudar a estrutura desta por cristalografi a de raios X Para confeccionar um cristal é necessário ter a proteína em alta concentração e fora de solução isto é sem estar associada à água Isso se faz mantendo a amostra em baixa temperatura sem qualquer movimento para que as moléculas possam se organizar na forma de um cristal Obtido o cristal o passo seguinte é expôlo a raios X para observar o padrão de difração que o cristal originará A análise deste padrão é que revela a estrutura da proteína Louis por sua vez elucidou a estrutura de sua proteína por RMN Ele obteve uma amostra bastante concentrada que foi mantida em solução característica da técnica Esta amostra foi exposta ao campo magnético aos pulsos de radiofreqüência sendo excitada e retornando ao seu estado normal em seguida O perfi l dos pulsos emitidos pela amostra ao retornar ao estado inicial não excitado foi analisado por Louis que assim também obteve a estrutura da proteína Agora que você já aprendeu o que é e como é mantida a estrutura terciária de uma proteína além de descobrir como desvendála podemos dar mais um passo no estudo destas moléculas Na Aula 11 apresentamos você aos quatro níveis de organização das proteínas Até agora você aprendeu três deles Vamos ao quarto A ESTRUTURA QUATERNÁRIA DE UMA PROTEÍNA Pense no funcionamento de uma máquina Independentemente de qual tenha sido sua escolha certamente esta máquina conta com mais de uma peça para seu funcionamento Algumas dessas peças inclusive se repetem Em um carro por exemplo não basta termos um pneu para que ele se movimente Precisamos dos quatro C E D E R J 63 AULA 13 MÓDULO 1 Existem proteínas que não concentram em uma única seqüência de aminoácidos tudo o que precisam para exercer sua função Às vezes é necessário que haja aquela mesma seqüência duplicada ou mesmo que haja uma outra seqüência que organizada espacialmente se associe à primeira Neste contexto cada seqüência desta proteína que será montada é chamada de subunidade Uma proteína apresenta nível de organização quaternário quando possui mais de uma subunidade Se a proteína tiver duas subunidades é chamada dímero se três trímero se quatro tetrâmero cinco pentâmero e assim por diante Quando usamos o termo oligômero queremos dizer que a proteína tem várias subunidades Mas antes de seguir pense um minutinho você acha que todas as proteínas alcançam o nível de organização quaternário A verdade é que não Muitas proteínas se apresentam na forma monomérica isto é com apenas uma subunidade A mioglobina que usamos como exemplo no início desta aula é uma proteína monomérica Já a hemoglobina proteína responsável pelo transporte do oxigênio no sangue função bastante similar à da mioglobina mas em outro tecido possui quatro subunidades Mioglobina formada por apenas uma subunidade Hemoglobina formada por apenas quatro subunidades Subunidade β Subunidade α Subunidade α Subunidade β Figura 135 Estruturas esquemáticas da mioglobina e da hemoglobina A mioglobina por ser formada por apenas uma subunidade não possui estrutura quaternária Já a hemoglobina é um tetrâmero ou seja uma proteína composta pela união de quatro subunidades duas subunidades α e duas β Bioquímica I Proteínas 3 Agora sim as proteínas no espaço 64 C E D E R J Com quantas subunidades se faz um ribossomo Um bom exemplo de oligômero é o ribossomo estrutura da cé lula que realiza a tradução das proteínas Os ribossomos são formados por cerca de 50 cadeias polipeptídicas distintas que se associam às moléculas de um RNA característico encontrado somente nesta estrutura e por isso chamado RNA ribossomal A estrutura deste grande complexo foi completamente desvendada em 2000 por pesquisadores da Universidade de Yale Thomas Steitz e Peter Moore utilizando a técnica de cristalografia de raios X Na Aula 17 onde falaremos de estruturas virais e de fibras amilóides você verá outros exemplos de oligômeros e de estrutura quaternária Proteínas oligoméricas podem possuir subunidades idênticas como no caso da HEXOQUINASE ou subunidades distintas como no caso da hemoglobina que apresenta cadeias α e β que são pedaços da hemoglobina que circula no nosso sangue se quiser saber mais exemplos de oligômeros veja o boxe Com quantas subunidades se faz um ribossomo HEXOQUINASE Enzima que participa da primeira etapa da quebra da glicose processo que acontece para que a célula obtenha energia desta molécula Mas volte à Figura 135 e a observe com um pouco mais de atenção Se você reparar há uma estrutura representada no meio da cadeia da mioglobina e no centro de cada uma das subunidades da hemoglobina Esta estrutura não é um elemento protéico isto é não é um aminoácido e não faz parte da seqüência primária da proteína Sobre este elemento estranho às estruturas representadas você aprenderá na próxima seção logo após realizar a Atividade 4 C E D E R J 65 AULA 13 MÓDULO 1 3 Como explicar O pesquisador João Souza após diversos procedimentos obteve uma amostra pura da proteína de seu interesse de estudo a XYZ Ao verifi car a seqüência da proteína pura deparouse com duas seqüências diferentes João se esforçou mais na purifi cação acreditando que poderia ter alguma outra proteína contaminando sua amostra mas todos os resultados davam sempre os mesmos duas seqüências diferentes na amostra Em um congresso João teve a oportunidade de conversar com um grande especialista da área que já havia alguns anos antes trabalhado com a proteína XYZ Este especialista disse a João que ele não tinha com o que se preocupar pois sua amostra continha apenas a proteína XYZ mesmo João obviamente fi cou intrigado e na mesma hora perguntou Por que há duas seqüências então Que explicação você daria a João no lugar do especialista levando em consideração os dois níveis de organização das proteínas que aprendeu nesta aula RESPOSTA COMENTADA João se empenhou em obter uma amostra pura de sua proteína mas sempre a conseguia com duas seqüências diferentes Um especialista garantiu a ele que a segunda seqüência não se referia a uma contaminação A explicação para isso João está diante de uma proteína que possui estrutura quaternária e não terciária apenas Se a proteína XYZ apresentasse estrutura terciária João certamente teria em mãos uma amostra com contaminação por outra proteína Como o especialista garantiu que não há nenhuma proteína além da XYZ na amostra de João ele só pode estar diante de uma proteína com estrutura quaternária e mais ainda com pelo menos duas subunidades as quais apresentam seqüências diferentes o que nem sempre acontece em proteínas com estrutura quaternária No caso específi co da proteína XYZ e com as informações que tivemos não podemos saber quantas subunidades a proteína tem de fato se é dímero trímero etc O que podemos garantir é que ela possui no mínimo duas subunidades e que elas são distintas ATIVIDADE 3 Bioquímica I Proteínas 3 Agora sim as proteínas no espaço 66 C E D E R J OUTROS GRUPAMENTOS NAS PROTEÍNAS Assim como você viu nas representações esquemáticas da hemoglobina e da mioglobina muitas proteínas possuem grupamentos nãoprotéicos aderidos Na hemoglobina o grupamento que você viu ligado a cada uma das quatro subunidades é o heme você verá o grupamento heme com mais detalhes na Aula 16 Outros exemplos de proteínas que possuem grupamentos não protéicos são as proteínas do complexo coletor de luz que estão envolvidas na fotossíntese Essas proteínas possuem pigmentos aderidos a elas tais como a clorofi la Há ainda as proteínas que para exercer corretamente suas funções precisam ter vitaminas associadas à sua estrutura Os grupamentos nãoprotéicos têm papel relevante em grande parte das funções das proteínas e conseqüentemente se faltar um desses grupamentos a proteína perde sua função Um exemplo pode ser visto no caso de uma dieta desbalanceada na qual nos falta alguma vitamina As proteínas que possuem esta vitamina como parte de sua estrutura e que dela dependem para realizar sua função fi carão prejudicadas Em aulas mais à frente você verá como agem e quais são as vitaminas para que você compreenda melhor toda essa história CONCLUSÃO Considerando a enorme quantidade de proteínas que temos em nosso organismo e as diversas funções que estas desempenham qualquer estudo sobre estas moléculas parece pouco em relação à sua importância para a vida Conhecer a estrutura das proteínas é fundamental para que possamos pensar em maneiras de contornar doenças causadas por disfunções destas moléculas no nosso corpo O princípio farmacológico disso se baseia no fato de que estas moléculas apresentam grande associação entre a estrutura que têm e a função que realizam Assim quanto mais soubermos sobre estas moléculas melhor C E D E R J 67 AULA 13 MÓDULO 1 ATIVIDADE FINAL Um estranho bastante útil no ninho A mucina é uma proteína e é também conhecida como proteína do muco Uma característica das mucinas é que essas proteínas são altamente glicosiladas ou seja possuem uma grande quantidade de carboidratos associada à sua estrutura Esses açúcares fazem com que essa proteína seja mais difícil de ser atacada por proteases enzimas que quebram outras proteínas Ela está presente em diversas partes do corpo por fazer parte da constituição das mucosas membranas que recobrem as paredes internas de algumas cavidades do nosso corpo Uma dessas mucosas é a do estômago Considerando que o estômago é um órgão rico em pepsina uma enzima que quebra outras proteínas qual é a vantagem de se ter a mucina recobrindo a parede deste órgão O que fornece essa possibilidade às mucinas RESPOSTA COMENTADA O suco gástrico secreção que é liberada na cavidade estomacal por estímulo alimentar é rico em ácido clorídrico HCl e uma protease a pepsina O ácido tem duas funções exterminar microorganismos que venham junto com a alimentação e desfazer a estrutura das proteínas que chegam no estômago você aprenderá mais sobre esse processo daqui a algumas aulas A pepsina é capaz de quebrar outras proteínas em peptídeos menores que serão quebrados em aminoácidos mais adiante no processo de digestão Um risco de se ter ácido e protease em uma cavidade dentro do corpo é o de que esses dois componentes podem destruir as células que compõem o tecido da parede da própria cavidade Qual a estratégia para evitar isso Recobrir a cavidade com algo que não possa ser destruído por essas substâncias e aqui entram as mucinas As mucinas podem defender o tecido da digestão pela pepsina e da acidez do HCl por causa da sua estrutura que tem uma grande quantidade de carboidratos associada à parte protéica Esses carboidratos açúcares são os grupamentos prostéticos da mucina e sem eles ela não poderia desempenhar sua função 4 Bioquímica I Proteínas 3 Agora sim as proteínas no espaço 68 C E D E R J A estrutura terciária de uma proteína é a maneira como estas moléculas se organizam no espaço Ela é proporcionada e mantida por diversos tipos de interação que acontecem entre as cadeias laterais dos aminoácidos que fazem parte da seqüência primária da molécula A mais forte destas interações é a ponte dissulfeto por ter um caráter covalente Conhecer a estrutura das proteínas é importante por causa da enorme gama de funções que estas moléculas exercem nos organismos Maneiras de se fazer isso é utilizar as técnicas de cristalografi a de raios X e Ressonância Magnética Nuclear Na primeira incidimos raios X sobre um cristal formado pela proteína pura e em alta concentração O padrão de espalhamento dos raios X após a incidência no cristal ao ser analisado revela a estrutura da proteína Já na segunda técnica a amostra da proteína em solução é exposta a um forte campo magnético e sofre a ação de pulsos de radiofreqüência fi cando no estado excitado ao retornarem para o estado inicial os átomos da molécula emitem novos pulsos de radiofreqüência que revelam suas identidades e a que outros átomos estão ligados Para algumas proteínas além da estrutura terciária existe um quarto nível organizacional a estrutura quaternária Esta é defi nida pela união de subunidades que ligadas umas às outras possibilitam que a proteína exerça corretamente sua função Um exemplo é a hemoglobina que possui quatro subunidades Falando em hemoglobina esta serve de exemplo também para mostrar que há possibilidade de encontrarmos outras moléculas nãoprotéicas associadas às proteínas A presença destes grupamentos também é relacionada à função que a proteína exerce e sua retirada pode fazer com que a proteína perca sua funcionalidade R E S U M O objetivos Meta da aula Apresentar como acontece o enovelamento protéico e as proteínas que auxiliam este processo Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de analisar o experimento de Anfi nsen sobre enovelamento protéico caracterizar o processo de enovelamento protéico assistido Proteínas 4 Como as proteínas adquirem as suas estruturas terciárias ou quaternárias 14 A U L A 1 2 Prérequisitos Para acompanhar esta aula é fundamental ter claro o conceito de estrutura terciária de uma proteína que vimos na Aula 13 Além disso é interessante que você reveja caso não se lembre o que é mutação Aula 11 e por que as moléculas na natureza assumem a estrutura de menor energia Aula 12 Bioquímica I Proteínas 4 Como as proteínas adquirem as suas estruturas terciárias ou quaternárias 70 C E D E R J Figura 141 O dobramento de um laço pode ser uma boa analogia à formação da estrutura terciária de uma proteína Fonte httpwwwsxchuphoto730972 INTRODUÇÃO Lembra que na aula anterior usamos o exemplo de um cadarço de sapato amarrado para mostrar como seria a estrutura terciária de uma proteína Pois bem continuemos usando o cadarço por analogia Concorda que um cadarço não se amarra sozinho Para que ele forme um laço existe um agente atuando a sua mão que dobra o cadarço passa um lado por cima do outro e o amarra E na célula como acontece Será que existe uma mão algum elemento que auxilie este processo ou será que as proteínas se enovelam sozinhas Caso exista ou quando for necessário quem desempenha a função da mão que ajuda as proteínas a se enovelarem É sobre como as proteínas adquirem as suas estruturas que você aprenderá na aula de hoje C E D E R J 71 AULA 14 MÓDULO 1 ENOVELAMENTO PROTÉICO O EXPERIMENTO DE ANFINSEN Hoje vamos propor uma estratégia diferente para você aprender sobre enovelamento protéico Você irá passo a passo redescobrindo este processo seguindo os procedimentos experimentais que fez Christian Anfi nsen veja o boxe sobre ele mais adiante para entender como as proteínas se enovelam dentro de uma célula Isso será como uma grande atividade Daremos os passos e ao fi nal você terá que chegar a uma conclusão Vamos lá Primeiras informações Pesquisador Christian Anfi nsen Época década de 1960 Pergunta a que queria responder como as proteínas se enovelam dentro de uma célula Proteína que usou para seus estudos ribonuclease A uma enzima que quebra o RNA em RIBONUCLEOTÍDEOS Esta enzima é um monômero isto é possui apenas uma subunidade com quatro pontes de enxofre que ajudam a manter a sua estrutura terciária mais rígida Em condições adequadas de pH e na ausência de agentes perturbadores da estrutura de proteínas a ribonuclease se encontra no ESTADO NATIVO N e apresenta atividade enzimática RIBONUCLEOTÍDEOS São as unidades formadoras do RNA uracila citosina guanina adenina A ribonuclease é capaz de quebrar uma molécula de RNA em seus constituintes menores isto é em ribonucleotídeos destruindo a molécula de RNA original ESTADO NATIVO É o estado natural das proteínas no qual suas estruturas secundária terciária e quaternária se houver se encontram íntegras Neste estado elas estão aptas a desempenhar suas funções Quem foi Christian Anfinsen Christian Anfinsen tem um currículo científico admirável Este pesquisador nasceu em 1916 nos Estados Unidos e com 23 anos já era Mestre em Química Orgânica Seu doutorado no entanto foi em Bioquímica concluído em Harvard onde ele trabalhou durante muitos anos antes de ir para o NIH um dos centros de pesquisa em saúde mais respeitados do mundo No começo de sua carreira Anfinsen desen volveu um método para marcar proteínas recémsintetizadas Isso permitiu a outros pesquisadores pouco tempo depois descobrir que as proteínas começavam a ser sintetizadas pela extremidade amino além de conhecer quanto tempo demorava para incorporar cada aminoácido à molécula Bioquímica I Proteínas 4 Como as proteínas adquirem as suas estruturas terciárias ou quaternárias 72 C E D E R J Em seguida Anfinsen começou a se dedicar ao estudo das relações entre seqüência estrutura e função de cada proteína Foi nessa época que ele realizou as descobertas que você está estudando nesta aula as quais deram a este pesquisador o Prêmio Nobel de Química em 1972 Atualmente ele continua estudando estrutura de proteínas agora em parceria com um importante centro de estudos o MIT Massachusetts Institute of Technology 1º passo do experimento Para começar a estudar a ribonuclease Anfi nsen usou dois agentes que perturbam drasticamente a estrutura dessas moléculas a URÉIA e o βMERCAPTOETANOL Ao fazer isso ele desenovelou a ribonuclease deixandoa em um estado muito parecido com aquele no qual ela se encontrava quando saiu do ribossoma após sua síntese dentro da célula ou seja o ESTADO DESENOVELADO ainda sem estrutura e função Figura 142 Neste estado as proteínas não são capazes de exercer suas funções Ou seja desenovelada a ribonuclease não é capaz de quebrar moléculas de RNA URÉIA E β MERCAPTOETANOL São agentes desnaturantes ou seja capazes de perturbar o estado nativo das proteínas Os agentes desnaturantes podem ser de natureza química pHs ácidos ou básicos extremos uréia ou ßmercaptoetanol ou física temperatura ou pressão Não se sabe muito bem como a uréia atua Especulase que ela possa aumentar a solubilidade em água de alguns trechos da proteína Já o ßmercaptoetanol funciona reduzindo as pontes dissulfeto e portanto separando os resíduos de cisteína que se ligaram desta maneira ESTADO DESENOVELADO OU DESNATURADO D É o estado das proteínas quando parte ou a totalidade de sua estrutura foi perdida por exemplo pela ação de agentes desnaturantes como a uréia Quando são sintetizadas nos ribossomas as proteínas também se encontram no estado desnaturado e tendem a passar para o estado nativo em curto tempo Ribonuclease nativa N ativa Ribonuclease desnovelada D inativa Figura 142 Desnaturação de uma proteína A ribonuclease proteína utilizada para estudos sobre enovelamento por Christian Anfi nsen foi colocada em um meio com uréia e β mercaptoetanol Estas duas moléculas são agentes desnaturantes e fi zeram com que a ribonuclease perdesse sua estrutura nativa assim como sua função 2o passo do experimento Qual foi então o próximo passo de Anfi nsen Para verifi car se a proteína era capaz de se enovelar sozinha novamente ele precisava retirar de perto dela os agentes perturbadores de estrutura Em laboratório um procedimento que pode ser utilizado nestes casos é a diálise Adição de uréia e βmercaptoetanol 72 65 58 110 95 40 26 84 HS 40 26 HS SH HS HS HS SH SH 65 72 84 95 110 58 C E D E R J 73 AULA 14 MÓDULO 1 Na diálise a proteína é colocada dentro de um saco de diálise que possui poros muito pequenos Este é colocado dentro de um compartimento com bastante líquido um tampão para que não haja variações de pH no meio que entra e sai do saco de diálise livremente Isto faz com que a proteína seja lavada e que os agentes pertur badores sejam DILUÍDOS por todo o líquido do compartimento onde está o saco de diálise incluindo o interior do saco Pense um pouco por que será que as proteínas não saem do saco de diálise e os agentes perturbadores de estrutura saem Os poros do saco de diálise são muito pequenos e conseguem reter dentro dele a proteína no entanto os agentes perturbadores são moléculas muito menores do que a ribonuclease Isso faz com que na lavagem somente a uréia e o βmercaptoetanol passem para fora do saco Após várias horas de lavagem e várias trocas de tampão a uréia e o βmercaptoetanol já foram tão diluídos que sua concentração é insignifi cante e podemos considerar que não estão mais em contato com a enzima Figura 143 DILUIÇÃO Já fez suco de caju alguma vez Quando você faz essa ação tão corriqueira nem se dá conta de que está fazendo uma diluição na garrafa o suco de caju está concentrado quando você coloca água está efetuando a diluição da polpa concentrada Diluição portanto é a ação de diminuir a concentração de alguma coisa quer de um suco concentrado quer de um agente perturbador de estrutura Saquinho de diálise Ribonuclease desnaturada βmercaptoetanol Uréia Figura 143 Dialisando uma proteína A ribonuclease foi colocada em um saco de diálise que em seguida foi colocado em um recipiente contendo tampão Os poros do saco de diálise são de tal tamanho que permitem a saída dos agentes perturbadores mas não da proteína Depois de muitas horas os agentes perturbadores passaram para o tampão e a proteína fi cou sozinha no saco de diálise Agora que a proteína está sem os agentes perturbadores de estrutura como será que ela está enovelada ou desenovelada Esta pergunta levou Anfi nsen ao seu terceiro passo experimental Bioquímica I Proteínas 4 Como as proteínas adquirem as suas estruturas terciárias ou quaternárias 74 C E D E R J 3º passo do experimento Como será que se encontra a ribonuclease foi a pergunta que Anfi nsen se fez Para respondêla o pesquisador efetuou um experimento para medir a atividade da ribonuclease que estava dentro do saco de diálise após a diálise claro Anfi nsen surpreendeuse pois observou que ela apresentava atividade quase idêntica à da proteína que não tinha sido tratada com uréia e βmercaptoetanol Agora faça a Atividade 1 pois ela é fundamental para continuarmos nossa aula 1 Tirando conclusões a partir de dados experimentais Até agora você viu com detalhes os três passos principais do experimento realizado por um importante pesquisador da área do enovelamento protéico Veja um resumo só para recapitular 1º passo provocou a perda da estrutura terciária da ribonuclease pela ação de agentes desnaturantes 2º passo efetuou uma diálise para livrar a ribonuclease do contato com os agentes perturbadores de estrutura 3º passo mediu a capacidade da ribonuclease que passou pelos passos 1 e 2 realizar sua função e viu que ela era capaz Analisando todos os dados obtidos a que conclusão você acha que ele chegou sobre o processo de enovelamento protéico RESPOSTA COMENTADA Após estudar o experimento de Anfi nsen nas páginas anteriores você deve ter chegado à mesma conclusão que ele Se a RNAse foi capaz de assumir novamente sua estrutura terciária ela deve ser capaz de realizar a sua função quebrar moléculas de RNA em nucleotídeos Os dados obtidos pelo pesquisador sugerem que a ribonuclease que estava no estado desenovelado se reenovelou sozinha assumindo sua conformação original nativa dotada de função ATIVIDADE 1 C E D E R J 75 AULA 14 MÓDULO 1 Só para você saber isso signifi ca que até mesmo as quatro pontes de enxofre existentes entre as cisteínas foram reformadas Ribonuclease nativa N ativa Ribonuclease nativa N ativa Ribonuclease desnovelada inativa D Generalizando poderíamos dizer que as proteínas enovelamse sozinhas sem a ajuda de nenhum outro fator No experimento de Anfi nsen nada mais havia dentro do saco de diálise a não ser a própria ribonuclease o que foi sufi ciente para que a proteína reassumisse sua conformação nativa e funcional Voltando ao exemplo do cadarço do sapato seria como se o cadarço pudesse se amarrar sozinho sem a ajuda da mão Com estes experimentos bastante simples Anfi nsen chegou à seguinte conclusão é a seqüência primária da proteína que determina sua estrutura terciária Isso porque se nada mais havia no saco de diálise além da ribonuclease e isso foi sufi ciente para ela se reenovelar a estrutura terciária foi determinada pelas características químicas dos aminoácidos desta proteína ou seja sua seqüência primária Quadro 141 Por conseqüência qualquer alteração na seqüência primária de uma proteína pode comprometer a sua estrutura terciária e conseqüentemente sua função Quadro 141 Determinação da estrutura terciária de uma proteína Seqüência primária da proteína Estrutura terciária Proteína funcional São características químicas e estruturais dos aminoácidos que fazem com que uns se aproximem ou se afastem de outros Assim é na seqüência primária mesmo que mora a receita para que uma proteína se organize espacialmente Esta receita é a que origina a estrutura de menor energia ou seja a estrutura que será favorecida pela natureza você viu esta explicação sobre menor energia na Aula 12 Adição de uréia e βmercaptoetanol 72 65 58 110 95 40 26 84 HS 40 26 HS SH HS HS HS SH SH 65 72 84 95 110 58 Diálise Bioquímica I Proteínas 4 Como as proteínas adquirem as suas estruturas terciárias ou quaternárias 76 C E D E R J Mas um tempo depois se descobriu que nem sempre é da maneira como Anfi nsen descreveu que o enovelamento protéico acontece ENOVELAMENTO PROTÉICO ASSISTIDO O experimento que você viu ainda agora foi o primeiro passo importante no estudo do enovelamento protéico De fato diversas proteínas se comportam como a ribonuclease e se enovelam sozinhas especialmente in vitro em um meio experimental In vivo ou seja dentro de uma célula milhares de proteínas são sintetizadas a todo tempo Em uma célula de ESCHERICHIA COLI uma proteína com 100 aminoácidos pode ser sintetizada e montada em 5 segundos a 37ºC A síntese de proteínas é determinada pela necessidade de uso destas moléculas para os processos fi siológicos Estas proteínas precisam portanto fi car prontas para trabalhar imediatamente Entretanto algumas proteínas não são capazes de se enovelar sozinhas e precisam de uma mãozinha como o cadarço que precisa de uma mão para amarrálo Em nossas células existem algumas proteínas denominadas chaperonas moleculares A função das chaperonas é interagir com as proteínas que necessitam enovelarse auxiliandoas a assumir a conformação nativa Elas podem ser encontradas em todos os organismos desde bactérias até o homem Existem duas classes de chaperonas moleculares as proteínas de choque térmico e as chaperoninas Veja estas duas classes em detalhe a seguir Classe 1 Proteínas de choque térmico As chaperonas desta classe são rapidamente encontradas em células que tenham sido submetidas a um ESTRESSE TÉRMICO É por isto que são chamadas proteínas de choque térmico Além desta função essas proteínas de choque térmico se ligam às regiões hidrofóbicas de outras proteínas que ainda estão desenoveladas evitando que a proteína se agregue A agregação ocorre quando proteínas desenoveladas parcialmente enoveladas ou enoveladas incorretamente interagem umas com as outras formando uma espécie de aglomerado ESCHERICHIA COLI É uma espécie de bactéria bastante utilizada como modelo experimental por ser de fácil manipulação replicação e crescimento em laboratório ESTRESSE TÉRMICO É o que ocorre a células em cultura expostas a uma temperatura mais elevada em relação àquela que em geral elas estão acostumadas a estar e que necessitam para crescer C E D E R J 77 AULA 14 MÓDULO 1 dentro da célula Figura 144 Como você pode imaginar este aglomerado não é desejável já que a proteína que nele se encontra não pode desempenhar sua função A agregação de proteínas é um tema muito importante nos dias de hoje sendo a causa de várias doenças como a da vaca louca e a doença de Alzheimer por exemplo que serão tratadas em mais detalhes na Aula 17 Figura 144 Agregação protéica Diversas cópias de uma mesma proteína recémsintetizadas e não enoveladas corretamente tendem a formar aglomerados no interior da célula que são chamados de agregados protéicos Os agregados são indesejáveis pois estão concentrando diversas cópias de uma proteína que não está exercendo sua função além disso os aglomerados podem atrapalhar fi sicamente o bom funcionamento da célula Veja na Figura 145 como as chaperonas moleculares auxiliam o enovelamento protéico de algumas proteínas Ribossomo sintetizando proteína Chaperonas se ligam a proteína nascente Proteína parcialmente enovelada Proteína enovelada corretamente Chaperonas livres Proteínas de choque térmico chaperonas Figura 145 Atuação das chaperonas moleculares proteínas de choque térmico no enovelamento correto de uma proteína As chaperonas se ligam a uma cadeia polipeptídica durante a síntese Quando a seqüência primária já foi toda sintetizada as chaperonas induzem esta cadeia a um estado parcialmente enovelado em seguida se dissociam da proteína recémsintetizada que assume sua conformação terciária completamente enovelada Bioquímica I Proteínas 4 Como as proteínas adquirem as suas estruturas terciárias ou quaternárias 78 C E D E R J No citoplasma da célula enquanto uma proteína está sendo sintetizada associada ao ribossomo as chaperonas se ligam à cadeia nascente Uma vez que a síntese se completou e a proteína se soltou do ribossomo as chaperonas a induzem a um estado parcialmente enovelado É como se as proteínas precisassem apenas de uma mãozinha para adquirir suas estruturas terciárias Uma vez que a proteína recém sintetizada chega a este estado parcialmente enovelado as chaperonas se dissociam da cadeia polipeptídica que termina seu enovelamento sozinha adquirindo a sua estrutura funcional ou seja corretamente enovelada Esta mesma classe de chaperonas também está envolvida na manutenção de determinadas proteínas no estado desenovelado para que elas possam ser transportadas para o interior das organelas Neste processo as chaperonas se grudam às proteínas assim que elas são liberadas dos ribossomas mantendoas esticadas e sem estrutura até que elas cheguem à sua organelaalvo onde então se enovelam Classe 2 Chaperoninas As chaperoninas Figura 146 são proteínas complexas que ajudam no enovelamento das proteínas que não são capazes de se enovelar sozinhas nem com a ajuda das proteínas de choque térmico Figura 146 Representação de uma chaperonina bastante conhecida a GroEL Esta chaperonina é encontrada em bactérias e tem seu mecanismo de atuação completamente descrito C E D E R J 79 AULA 14 MÓDULO 1 Elas funcionam como uma espécie de barril que se abre permitindo a entrada do peptídeo desenovelado fechandose em seguida Quando fechada cria um ambiente livre de água permitindo que os resíduos de aminoácidos apolares da proteína que será enovelada se encontrem e formem o miolo ou o cerne da estrutura da proteína nativa Figura 147 Proteína recémsintetizada que alcançou o estado parcialmente enovelado sozinha ou com a ajuda de proteínas de choque térmico Proteína parcialmente enovelada é encaminhada para uma chaperonina Proteína enovelada corretamente Consumo de energia quebra de ATP 2 Como acontece Um cientista está diante do seguinte impasse Uma enzima sintetizada em seu laboratório apresentou uma atividade capacidade de catalisar uma reação muito baixa em relação à enzima in vivo As duas enzimas foram analisadas e apresentaram exatamente a mesma composição de aminoácidos a Com base no que você estudou até agora nesta aula qual é uma possível explicação para a diferença de atividade entre a enzima sintetizada em laboratório e a in vivo ATIVIDADE Figura 147 Mecanismo de enovelamento protéico mediado por chaperoninas As chaperoninas são proteínas grandes e complexas em forma de barril que possuem 14 subunidades idênticas associadas Estas proteínas recebem em seu interior proteínas recémsintetizadas que não conseguiram se enovelar É dentro da chaperonina que as regiões hidrofóbicas da proteína recémsintetizada se aproximam e começam a interagir Isso forma o núcleo da estrutura da nova proteína a partir do qual se reestruturam as outras partes da proteína Esse processo tem fim quando a proteína nova está completamente enovelada 2 Bioquímica I Proteínas 4 Como as proteínas adquirem as suas estruturas terciárias ou quaternárias 80 C E D E R J b Quais seriam duas possíveis estratégias para resolver o problema da falta de atividade da enzima Como o cientista poderia proceder para fazer com que a proteína sintetizada em laboratório tivesse atividade normal Descreva os mecanismos bioquímicos envolvidos em cada uma delas RESPOSTAS COMENTADAS a Você já aprendeu que a seqüência primária é que determina a estrutura da proteína e conseqüentemente sua função Considerando que a seqüência das duas proteínas a sintetizada em laboratório e a in vivo é exatamente a mesma provavelmente a falta de atividade se deve a um enovelamento incorreto da proteína sintetizada no laboratório Este enovelamento incorreto deve estar relacionado ao fato de que a proteína em questão não é capaz de se enovelar sozinha precisando do auxílio de chaperonas eou chaperoninas para fazêlo b Se o problema de atividade é derivado de um enovelamento incorreto duas estratégias para resolver isso podem ser sintetizar a proteína 1 na presença de chaperonas ou 2 de chaperoninas No primeiro caso as chaperonas se ligam à proteína enquanto ela está sendo sintetizada e auxiliam na formação de ligações que conferem à proteína um enovelamento parcial correto que é concluído quando estas chaperonas se desligam da cadeia polipeptídica em estruturação No segundo a proteína recém sintetizada é abrigada no interior da chaperonina onde regiões hidrofóbicas entram em contato e formam o núcleo da proteína em formação A partir deste núcleo todo o resto da proteína se estrutura e ela adquire sua conformação nativa correta C E D E R J 81 AULA 14 MÓDULO 1 Na classe das chaperoninas encontramos as proteínas denominadas dissulfeto isomerase Elas ajudam a formar as pontes de enxofre de proteínas que estão se enovelando e que possuem estas pontes na sua conformação nativa Figura 148 No caso da ribonuclease que vimos na primeira parte desta aula há quatro pontes de enxofre e estas se formam sozinhas conforme Anfi nsen nos mostrou em seus experimentos Entretanto nem todas as proteínas são capazes de fazer ou refazer as suas pontes dissulfeto como a ribonuclease Muitas delas precisam da proteína dissulfeto isomerase para que os pares de cisteína corretos se encontrem e formem as pontes S S S S S S S S S S S S S S S S Proteína que formou pontes de enxofre incorretas A mesma proteína associada agora à dissulfeto isomerase que quebra pontes incorretas Dissulfeto isomerase livre Proteína com as pontes de enxofre formadas corretamente Figura 148 Esquema do mecanismo de ação da enzima dissulfeto isomerase Observe que ela é capaz de desfazer as pontes de enxofre erradas ao fazer pontes de enxofre com a proteína de interesse Desta forma a dissulfeto isomerase deixa livre as cisteínas que devem fazer as pontes de enxofre corretas presentes na proteína nativa Outra proteína dentro da classe das chaperoninas é a peptidil prolil isomerase Esta chaperonina especializouse na conversão de um isômero veja o boxe O que são isômeros da ligação peptídica da prolina em outro estes isômeros podem existir na forma cis ou trans Falando grego Calma você já vai entender Bioquímica I Proteínas 4 Como as proteínas adquirem as suas estruturas terciárias ou quaternárias 82 C E D E R J O que são isômeros Isômeros são moléculas que possuem a mesma fórmula molecular isto é a mesma quantidade de cada átomo que as compõem mas que apresentam pequenas diferenças na organização destes átomos Você aprendeu na Aula 8 que os aminoácidos constituintes de proteínas são sempre na forma L lembra Esse L vem de levógero derivado de lado esquerdo Um aminoácido L é um estereoisômero de um aminoácido D destrógero lado direito Agora você precisa saber o que significa isomeria cistrans Cis e trans são os nomes que se dão a moléculas que são isômeras de acordo com um plano de referência Assim moléculas cis tendem a apresentar seus grupamentos voltados para o mesmo lado do plano e moléculas trans grupamentos voltados para lados opostos Você entenderá melhor ainda quando vir a Figura 149 que vem logo a seguir Os resíduos de prolina chamados de prolil podem existir apresentando uma pequena variação na sua estrutura Veja a Figura 149 Ligação peptídica Ligação peptídica Ação da peptidil prolil isomerase Figura 149 Ação da peptidil prolil isomerase Esta enzima converte os resíduos de prolil ou seja as prolinas que estão compondo uma cadeia de proteína e que portanto já fi zeram suas ligações peptídicas da forma cis para a forma trans que é a forma que favorece a formação das estruturas terciárias Considere a linha pontilhada como eixo de referência Agora imagine se você pudesse mantendo o eixo de referência virar o prolil para baixo A carboxila que estava em cima fi ca para baixo e o oposto acontece com os carbonos CH2 que sobem É assim que atua a peptidil prolil isomerase Os resíduos de prolina que estão na forma cis não favorecem a formação da estrutura terciária da proteína e precisam ser convertidos na forma trans Com freqüência este é o passo considerado limitante no enovelamento de proteínas Tal conversão é muito lenta necessitando de uma ajudinha Assim a prolil isomerase torna mais acelerada esta reação permitindo que a proteína se enovele rapidamente Carboxila da prolina Outro resíduo de aminoácido Carboxila da prolina Outro resíduo de aminoácido Prolil na forma cis Prolil na forma trans C E D E R J 83 AULA 14 MÓDULO 1 Tão importante quanto é complicado o seu nome Existem diversas peptidil prolil isomerases capazes de atuar em qualquer prolil cis ligado a uma cadeia polipeptídica Existem também enzimas destas muito específicas como é o caso de uma presente nas moscas chamada NinaA A NinaA participa do enovelamento da proteína Opsina uma proteína de membrana dos olhos da mosca que é capaz de absorver luz e desencadear a resposta visual Moscas com mutações na NinaA não são capazes de apresentar uma resposta visual apropriada Fonte wwwsxchuphoto462292 CONCLUSÃO Quando a gente come um bife ou mesmo quando olha para as próprias mãos onde existem milhares de proteínas nem imagina a quantidade de processos que a célula teve que fazer para sintetizálas e montálas É o funcionamento perfeito desta linha de montagem que permite o bom funcionamento dos organismos ATIVIDADE FINAL Caracterizando o enovelamento de uma proteína Um estudante de doutorado está tentando estudar o enovelamento de uma proteína de bactéria que ele havia purifi cado Veja um esquema desta proteína 2 Cis Cis Cis Cis Cis Cis Cis Cis Cis Cis No entanto todas as vezes que ele dialisava a proteína para retirar dela os agentes desnaturantes ele observava que a proteína agregava Com base no que você aprendeu até agora nesta aula e nas informações desta atividade especialmente no esquema da proteína como você aconselharia o Cis Cis Bioquímica I Proteínas 4 Como as proteínas adquirem as suas estruturas terciárias ou quaternárias 84 C E D E R J estudante a evitar a agregação da proteína de estudo Qual o fundamento científi co da sua sugestão RESPOSTA COMENTADA Se você olhar com atenção a estrutura da proteína de estudo do doutorando verá que esta molécula é bastante rica em resíduos de cisteína que podem formar várias pontes dissulfeto Já que ele observou que a sua proteína de estudo agrega com facilidade o estudante poderia dialisar sua amostra para retirar os agentes redutores incluindo na solução chaperoninas do tipo dissulfeto isomerase Por quê Porque esta enzima é capaz de se ligar a proteínas que formaram pontes dissulfeto incorretas e que portanto estão enoveladas incorretamente o que as faria agregar A dissulfeto isomerase corrige estas pontes erradas e auxilia a formação de pontes de enxofre entre as cisteínas corretas proporcionando à proteína um enovelamento correto C E D E R J 85 AULA 14 MÓDULO 1 O enovelamento protéico é o processo de formação da estrutura terciária de uma proteína Dependendo da proteína o enovelamento pode ser espontâneo ou assistido por outras proteínas O enovelamento espontâneo foi descoberto por Christian Anfi nsen em um dos experimentos mais conhecidos da história do enovelamento protéico Este pesquisador descobriu que uma proteína submetida a agentes desnaturantes e em seguida retirada da presença destes perdia e recuperava sua estrutura terciária sendo capaz de executar perfeitamente sua função Algumas proteínas no entanto necessitam de auxílio de outras proteínas para adquirirem suas estruturas corretas São duas as classes de proteínas que participam como auxiliares no enovelamento as chaperonas e as chaperoninas No grupo das chaperonas se destacam as proteínas de choque térmico que se ligam a uma proteína nascente e ajudam a formação da estrutura nativa desta Já no grupo das chaperoninas estão proteínas em forma de barril que abrigam em seu interior a porção hidrofóbica da proteína recémsintetizada permitindo que estas regiões se aproximem e interajam formando o núcleo da estrutura terciária Também no grupo das chaperoninas há outras duas proteínas a dissulfeto isomerase que corrige pontes dissulfeto formadas incorretamente e a peptidil prolil isomerase que converte prolil cis não favorável à formação da estrutura nativa em prolil trans favorável R E S U M O INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA De acordo com as estruturas que as proteínas apresentam elas podem ser divididas em duas categorias as fi brosas e as globulares Na aula que vem você começará a aprender sobre o primeiro grupo que compreende por exemplo a proteína que compõe nossos fi os de cabelo Até lá objetivos Meta da aula Apresentar o que são proteínas fi brosas e suas características estruturais Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de caracterizar as seguintes proteínas fi brosas αqueratina colágeno fi broína da seda Você já ouviu falar em proteínas fibrosas 15 A U L A 1 2 Prérequisitos Vai ser mais fácil estudar esta aula se você voltar à Aula 12 e revisar a formação de hélices Foque em quais aminoácidos não são bons formadores de hélices e o porquê disso Veja nessa mesma aula o que são fi tas β antiparalelas 3 Bioquímica I Você já ouviu falar em proteínas fi brosas 88 C E D E R J Filamento Feixe INTRODUÇÃO Há cinco aulas você vem pouco a pouco construindo seu conhecimento sobre uma classe de biomoléculas fundamental à existência da vida as proteínas Como você já viu estas moléculas podem apresentar diferentes composições e por conta disso as mais variadas estruturas Entre todas as formas que uma proteína pode assumir podemos identifi car duas grandes categorias as fi brosas assunto da aula de hoje e as globulares arredondadas assunto da aula que vem Essa classifi cação em dois grandes grupos só pode ser feita depois que um grande número de proteínas teve suas estruturas terciárias reveladas graças à utilização de dois métodos difração de raios X e ressonância magnética nuclear que você aprendeu na Aula 13 Essas técnicas como você já viu permitem que tiremos retratos microscópicos das proteínas revelando sua forma topologia reentrâncias etc Na aula de hoje você vai estudar as características estruturais de um destes dois grupos de proteínas o das proteínas fi brosas Acredite ou não pode ser muito mais interessante do que você imagina AS PROTEÍNAS FIBROSAS Antes de mais nada você sabe o que é uma fi bra Segundo o Dicionário Houaiss da Língua Portuguesa fi bra é qualquer estrutura fi lamentosa geralmente sob a forma de feixe encontrada nos tecidos animais e vegetais ou em algumas substâncias minerais Uma proteína fi brosa portanto é uma proteína em forma de fi lamento mais comprida do que larga Uma proteína fi brosa se associa a outras unidades idênticas a ela e forma um feixe Difícil de visualizar Pense em um fi o qualquer Se você tivesse diversas unidades desse fi o e as agrupasse colocando um fi o paralelo a outro teria um feixe Da mesma maneira há proteínas fi brosas que se organizam de tal maneira que formam feixes Veja a Figura 151 Figura 151 Exemplo de fi lamentos que se associam formando um feixe ou fi bra C E D E R J 89 AULA 15 MÓDULO 1 Quer um exemplo real Que tal descobrir como é a estrutura de um fi o de cabelo seu O QUE TÊM A VER PROTEÍNA E O MEU CABELO Você já deve ter ouvido falar no termo queratina provavelmente por causa de um tratamento capilar que vem sendo bastante divulgado Mas você sabe o que é queratina A queratina que daqui para a frente chamaremos αqueratina é uma proteína fi brosa encontrada nos cabelos e pêlos nas unhas na lã nos chifres nas garras nas penas e na maior parte da camada superfi cial da pele dos animais Essa proteína apresenta grande resistência conforme poderíamos imaginar já que está presente em estruturas tão duras quanto um chifre por exemplo A resistência da αqueratina vem das suas características estru turais ela é formada por αhélices que se enrolam umas sobre as outras formando uma superhélice Figura 152 É exatamente essa superhélice que faz a αqueratina ser muito forte e resistente Distância entre um aminoácido e outro na αqueratina 515 Å Figura 152 A αqueratina é uma proteína fi brosa cuja estrutura é rica em αhélices com aminoácidos mais próximos uns dos outros do que nas demais proteínas distância de 02 Å menor Estas αhélices de um fi lamento de αqueratina se entrelaçam com as αhélices de outro fi lamento formando um feixe bastante resistente denominado superhélice É a superhélice que constitui nossos fi os de cabelo nossas unhas os chifres de alguns animais a lã de outros Diferentemente das αhélices as hélices da αqueratina apresentam cada volta com tamanho de 515 a 52 Å em vez de 54 Å das hélices tradicionais Isso signifi ca que a estrutura toda é mais compacta o que lhe confere maior resistência Bioquímica I Você já ouviu falar em proteínas fi brosas 90 C E D E R J Outra característica da estrutura da αqueratina é que as hélices são entrelaçadas de tal maneira que a superfície de cada uma delas que toca a hélice adjacente é composta por aminoácidos hidrofóbicos como alanina valina leucina isoleucina metionina e fenilalanina Figura 153 Esse contato possibilita a formação de interações hidrofóbicas entre esses aminoácidos ajudando a estabilizar a estrutura da superhélice Aminoácidos hidrofóbicos Figura 153 Imagem de duas hélices entrelaçadas da αqueratina As superfícies das hélices que estão em contato são compostas por aminoácidos hidrofóbicos Você pode estar se perguntando Se os fi os de cabelo de todas as pessoas são formados por essa tal de αqueratina como é que uns têm cabelos enrolados e outros lisos Essa é uma excelente pergunta cuja resposta vem de um conceito que você aprendeu na primeira aula sobre proteínas as pontes dissulfeto Vamos por partes As αqueratinas podem apresentar uma grande quantidade de cisteínas e por isso serem capazes de formar pontes de enxofre ou pontes dissulfeto Essa interação é mais uma força envolvida na manutenção da estrutura da superhélice dessas proteínas e confere à estrutura das queratinas alta resistência Como essas interações interferem na forma do cabelo Muito simples a maneira como as pontes dissulfeto são formadas quais resíduos de cisteína estão envolvidos é que determina Assim se tivermos cisteínas pareadas formando pontes de enxofre o cabelo apresenta aspecto mais liso Já se são formadas entre resíduos mais afastados o cabelo assume aspecto ondulado veja a Figura 154 Esse inclusive é o princípio do PERMANENTE feito por cabeleireiros naquelas que desejam ter cabelos cacheados veja o boxe Algumas coisas continuam as mesmas mas os meus cabelos PERMANENTE Esta defi nição é para os rapazes uma vez que todas as moças provavelmente sabem do que se trata Permanente é uma técnica capilar que faz com que cabelos lisos se tornem cacheados Esse tratamento embora chamado de permanente não o é de fato já que à medida que os cabelos vão crescendo o padrão de pontes de enxofre estabelecido é o natural da pessoa e não o novo produzido artifi cialmente no cabeleireiro C E D E R J 91 AULA 15 MÓDULO 1 S S S S S S S S S S S S S Cabelos lisos Cabelos ondulados Figura 154 Cabelos lisos e cabelos ondulados uma questão de pontes de enxofre A proteína que constitui os fios de cabelo a αqueratina é bastante rica em cisteínas as quais formam pontes dissulfeto Dependendo da maneira como essas pontes dissulfeto forem formadas teremos cabelos lisos ou ondulados Algumas coisas continuam as mesmas mas os meus cabelos Algumas pessoas que têm cabelos lisos decidem que querem ter cabelos cacheados A solução para o problema Ir até um salão de beleza que aplique a técnica do permanente Como funciona Veja a seguir Primeiro enrolamos os cabelos sobre um molde que lhes dará sua forma ondulada futura Em seguida adicionamos um produto que funciona como agente redutor das pontes de enxofre isto é o produto reduz as ligações SS desfazendoas entre duas cisteínas deixandoas livres e reduzidas Como não são apenas as pontes dissulfeto responsáveis pela estrutura da superhélice dos fios o cabelo deve ser aquecido para fazer com que as pontes de hidrogênio existentes entre as duas hélices também sejam rompidas O agente redutor associado ao calor faz com que as hélices se desfaçam Depois de um determinado tempo o produto redutor é removido dos cabelos e um outro produto agora oxidante é aplicado Este produto vai fazer com que novas pontes de enxofre se formem entre as duas hélices da αqueratina As pontes de enxofre resultantes desse processo não são as mesmas que as anteriores e os cabelos ficam ondulados veja a figura a seguir cisteína S S cisteína cisteína SH SH cisteína Ponte de enxofre Aplicação de um agente redutor S S S S S S S S SH S S S S S S Redução Aquecimento Oxidação HS SH HS SH HS SH HS Etapa 1 Quebra das pontes dissulfeto pelo agente redutor e das pontes de H pelo calor Etapa 2 Formação de novas pontes de enxofre pela ação de um agente oxidante S Bioquímica I Você já ouviu falar em proteínas fi brosas 92 C E D E R J A seqüência a seguir resume os passos do processo 1 Enrolar o cabelo com molde 2 Adicionar agente redutor das pontes de enxofre para quebrar as pontes SS das cisteínas 3 Aquecer o cabelo para romper as pontes de hidrogênio que existem nas hélices 4 Lavar o cabelo para retirar o agente redutor 5 Aplicar outro produto o agente oxidante que vai permitir que se formem novas pontes de enxofre diferentes daquelas que foram desfeitas no passo 2 Essas pontes de enxofre darão o aspecto ondulado ao cabelo já que espiralizam a αqueratina Surpreso com o fato de seu cabelo ser composto por uma proteína Pois saiba que as células da sua pele também são impregnadas por essa mesma molécula Isso é importante porque a queratina é uma proteína que funciona impermeabilizando a pele para que não percamos água para o ambiente sem necessidade Para ver se você aprendeu os conceitos relacionados à estrutura dessa proteína tão importante faça a Atividade 1 1 O que faço com meu casaco Leia o depoimento a seguir Coloquei meu suéter de lã novinho para lavar na máquina e em seguida para secar na secadora de roupas Ele encolheu uns três tamanhos e agora serve no meu fi lho de sete anos e não mais em mim a Sabendo que a lã é composta de αqueratina como você explica o fato de o suéter ter encolhido depois de exposto ao calor secadora b As hélices que formam a αqueratina possuem um lado que é formado por aminoácidos apolares hidrofóbicos e outro que concentra aminoácidos polares hidrofílicos Lembrando que tais hélices formam uma superhélice e que portanto cada hélice faz contato uma com a outra como podemos explicar essa distribuição de aminoácidos nas hélices da queratina ATIVIDADE 1 C E D E R J 93 AULA 15 MÓDULO 1 RESPOSTAS COMENTADAS a Como você viu nesta aula a estrutura da αqueratina depende basicamente de trêsa tipos de interação pontes de enxofre interações hidrofóbicas e pontes de H As pontes de enxofre só podem ser desfeitas com um agente redutor as pontes de H por sua vez se desfazem com o calor O que aconteceu com o suéter do nosso amigo é um processo parecido com parte do processo de cachear os cabelos permanente Ao colocar na secadora de roupas o suéter molhado ele o expôs a uma grande quantidade de calor que desfez as pontes de hidrogênio da lã Quando o suéter esfriou as pontes de H se refi zeram mas não na conformação original unindo partes da αqueratina que estavam mais distantes antes Resultado o suéter encolheu b Você viu na Aula 12 que para se constituir uma hélice o arranjo dos aminoácidos que compõem a proteína é fundamental Por exemplo dois aminoácidos ácidos e negativos próximos desestabilizavam a hélice pela repulsão entre as suas cargas Um dos arranjos que favorecia a formação das hélices era aquele em que aminoácidos hidrofóbicos fi cavam em contato Isso porque aminoácidos desse tipo são capazes de fazer interações hidrofóbicas uns com os outros Essas interações hidrofóbicas são mais uma força de interação que tende a estabilizar a hélice No caso da αqueratina portanto temos os aminoácidos hidrofóbicos voltados para um mesmo lado da estrutura para que quando uma hélice for se enovelar em outra para formar a superhélice esse grupo de moléculas fi que em contato e possa estabelecer as interações hidrofóbicas Essas interações no caso da superhélice são fundamentais pois conferem maior resistência à estrutura o que é importante para a função que a proteína desempenha compor cabelos unhas chifres etc Bioquímica I Você já ouviu falar em proteínas fi brosas 94 C E D E R J Um aminoácido diferente Como você viu na Aula 8 a hidroxiprolina originase da prolina quando esta recebe um grupamento OH no carbono da posição 4 Essa reação é promovida por uma enzima denominada prolilhidrolase que necessita de ácido ascórbico vitamina C para adicionar esse OH à prolina Na aula sobre vitaminas você verá de que modo o escorbuto doença relacionada à carência de vitamina C afeta o colágeno Aguarde Outra proteína que possui estrutura fi brosa e de que você pode ter ouvido falar é o colágeno Veja a seguir Mais hélices o colágeno O colágeno é a proteína mais abundante nos vertebrados Suas fi bras são fortes e insolúveis e ele está presente nos ossos nos dentes nas cartilagens nos tendões nas veias etc Cada molécula de colágeno é constituída por três cadeias polipeptídicas na forma de hélice porém com características diferentes das αhélices da queratina A composição do colágeno é bastante peculiar e gera uma estrutura mais peculiar ainda Quase um terço dos seus aminoácidos é composto de glicina de 15 a 30 são prolinas e 4hidroxiprolinas este último aminoácido é bastante incomum nas proteínas Veja o boxe Um aminoácido diferente Está achando alguma coisa esquisita Prolilhidrolase Vitamina C Prolina 4Hidroxiprolina Se você se lembra do que aprendeu na Aula 12 sabe que em geral as prolinas são más formadoras de αhélices por serem aminoácidos com uma estrutura muito rígida e por não possuírem H ligado ao N para fazer ponte de hidrogênio fator indispensável à formação das αhélices No colágeno entretanto esses aminoácidos são bons formadores das hélices C E D E R J 95 AULA 15 MÓDULO 1 Isso acontece porque as hélices do colágeno são diferentes Elas assumem uma conformação helicoidal voltada para a esquerda com cerca de três resíduos por volta e não 36 resíduos apresentados pelas αhélices normalmente Nessa conformação o oxigênio da carboxila da prolina fi ca orientado de tal maneira que permite a formação de uma forte ponte de hidrogênio com o grupamento amino NH da glicina Três cadeias paralelas se enrolam umas sobre as outras para formar a tripla hélice do colágeno Figura 155 Figura 155 Tripla hélice do colágeno Essa estrutura é diferente das outras αhélices que você viu na Aula 12 por possuir em cada volta três aminoácidos em vez de 36 A estrutura fi ca mais compacta e conseqüentemente mais resistente Essa diminuição no tamanho da volta de cada hélice permite que um aminoácido como a prolina que em outras condições não participa da formação de hélices seja um dos aminoácidos mais abundantes do colágeno Uma cadeia Tripla hélice As três hélices do colágeno se enovelam de tal modo que o centro delas fi ca ocupado sempre por glicinas que é o único aminoácido capaz de caber nessa estrutura compacta e apertada Por essa razão a cada três resíduos de aminoácidos da seqüência primária do colágeno temos sempre uma glicina o que faz com que a quantidade de glicinas no colágeno seja tão alta Os resíduos de prolina e hidroxiprolina que são mais volumosos fi cam para fora da tripla hélice e por serem infl exíveis e rígidos conferem resistência à molécula do colágeno A rigidez e a resistência da prolina e da hidroxiprolina são necessárias à função do colágeno que é formar as cartilagens os dentes etc Distúrbios na síntese de colágeno podem acarretar graves doenças Para saber mais sobre isso leia o boxe Nem sempre osso é duro de roer Bioquímica I Você já ouviu falar em proteínas fi brosas 96 C E D E R J Nem sempre osso é duro de roer Deficiências na síntese de colágeno podem acarretar doenças graves como é o caso da Osteogenesis imperfecta Essa doença faz com que seu portador tenha ossos muito frágeis pois não há colágeno fornecendo a esse tecido a resistência de que ele precisa Assim os ossos dessa pessoa podem se quebrar por impactos suaves ou por vezes espontaneamente Podem também entortar acredite Para saber mais sobre essa doença visite o site da Associação Brasileira de Osteogenesis imperfecta em http wwwaboiorgbr Outra doença que acontece em decorrência da deficiência de colágeno é a síndrome de EhlersDanlos Essa disfunção é causada por alterações na síntese de colágeno que podem acontecer em diversos momentos por exemplo na transcrição ou tradução incorreta do gene na produção de hidroxiprolina etc Existem dez tipos diferentes de síndrome de EhlersDanlos e todas elas são caracterizadas pelos mesmos sintomas alta elasticidade da pele grande mobilidade das articulações luxações freqüentes e equimoses manchas na pele Não há tratamento para a síndrome apenas recomendações para se evitar as freqüentes luxações como o uso de roupas acolchoadas Se quiser saber mais visite a página da Merck em httpwwwmanualmerckneturlartigos 3Fid3D29526cn3D1561 2 Pode E como Analise as informações a seguir veja Aula 8 Aminoácidos essenciais são aqueles que nosso organismo não é capaz de sintetizar e que por isso são essenciais à nossa dieta Os nãoessenciais são aqueles para os quais dispomos de vias de síntese Relação de aminoácidos essenciais e nãoessenciais Aminoácidos nãoessenciais Aminoácidos essenciais Glicina Leucina Alanina Isoleucina Tirosina Valina Serina Triptofano Ácido aspártico Fenilalanina Ácido glutâmico Treonina Asparagina Metionina Glutamina Lisina Cisteína Histidina Prolina Arginina ATIVIDADE 2 C E D E R J 97 AULA 15 MÓDULO 1 a Com base nas duas informações anteriores e no que acabou de aprender nesta aula sobre colágeno você acha que uma dieta em que a fonte majoritária de proteína seja gelatina composta basicamente de colágeno é sufi ciente para as necessidades do organismo Por quê b Observe agora mais duas informações Parte da composição do colágeno Aminoácido Percentual Glicina 35 Alanina 11 Prolina e hidroxiprolina 21 Fonte Adaptado de Lehninger Principles of Biochemistry 2003 A prolina é má formadora de αhélice porque possui seu átomo de nitrogênio como parte de um anel o que impossibilita que a ligação NCα gire para formar uma espiral Aula 12 A glicina é uma má formadora de αhélice devido à sua grande fl exibilidade Por ser um aminoácido pequeno o menor deles a glicina apresenta grande mobilidade no espaço o que desestabiliza tanto αhélices quanto folhas β Aula 12 Considerando as informações da tabela Parte da composição do colágeno e dos trechos retirados da Aula 12 como você explica o fato de a estrutura do colágeno ser composta por uma tripla hélice Bioquímica I Você já ouviu falar em proteínas fi brosas 98 C E D E R J RESPOSTA COMENTADA a Se você prestou bastante atenção no que dissemos na aula deve ter mencionado em sua resposta que a gelatina NÃO é uma boa fonte nutricional porque possui em grande maioria aminoácidos não essenciais alto teor de glicinas e prolinas O que nós precisamos ter na dieta são os aminoácidos essenciais pois para estes não possuímos vias de síntese b Na tabela que expomos na letra b desta atividade mostramos que 67 do colágeno são de alaninas glicinas e prolinas ou hidroxiprolinas Na Aula 12 você viu que os dois últimos aminoácidos não são bons formadores de hélices No entanto as hélices do colágeno são diferentes das αhélices que você aprendeu na Aula 12 As hélices do colágeno possuem em cada volta apenas três aminoácidos em vez de 36 como nas αhélices Essa diminuição do tamanho da volta faz com que as prolinas sejam posicionadas de tal maneira que o seu grupamento carboxila possa interagir com o grupamento amino de uma glicina formando uma ponte de H Por que uma glicina Porque este é o único aminoácido que cabe no interior de uma hélice tão estreita Você não precisava ter mencionado isso na sua resposta mas só para relembrar a glicina não é uma boa formadora de hélice por ser muito fl exível e acabar por desestabilizar a estrutura No entanto na hélice de colágeno o pequeno espaço em que ela se encontra associado à alta rigidez da prolina e da hidroxiprolina faz com que suas características não atrapalhem a formação da hélice Até agora demos dois exemplos de proteínas fi brosas presentes em vertebrados a αqueratina e o colágeno No entanto essas não são as únicas proteínas fi brosas Quer um exemplo Veja a seguir O que há em comum entre a teia de uma aranha e a seda de uma roupa Talvez você se lembre de que na Aula 12 já havíamos falado sobre a fi broína da seda Naquela aula a fi broína da seda foi mencionada para exemplifi car as folhas β Agora você vai conhecer melhor essa proteína C E D E R J 99 AULA 15 MÓDULO 1 A fi broína da seda é produzida por insetos bichodaseda princi palmente e aranhas Ela é uma proteína fi brosa que constitui tanto a seda dos tecidos que utilizamos na confecção de roupas quanto a teia de aranhas Essa proteína é formada predominantemente por fi tas β antiparalelas Essa estrutura é formada porque a seqüência primária da fi broína é rica em alanina e glicinas dois aminoácidos bem pequenos que permitem um grande empacotamento das fi tas β umas contra as outras Figura 156 Estrutura da fi broína da seda É constituída de folhas ß antiparalelas possuindo uma repetição de seis aminoácidos ao longo de sua estrutura primária GliSerGliAlaGliAla Alanina Glicina A estrutura terciária da fi broína é estabilizada pelas pontes de hidrogênio e pelo contato entre resíduos apolares A seda não pode ser estendida porque as fi tas β já estão muito esticadas Entretanto isso não quer dizer que ela não seja uma estrutura fl exível Isso porque a folha β é mantida por LIGAÇÕES FRACAS pontes de hidrogênio e interações hidrofóbicas e não por LIGAÇÕES COVALENTES como as αqueratina pontes de enxofre A fi broína é uma proteínamodelo para o estudo de estrutura terciária de proteínas ricas em folhas β antiparalelas Além disso é também um dos alvos de estudo mais relevantes quando se trata de aranhas o outro fi ca por conta dos poderosos venenos que estes seres são capazes de produzir e faz parte do fascínio que estes animais causam LIGAÇÕES FRACAS X LIGAÇÕES COVALENTES Ligações fracas são as pontes de hidrogênio interações iônicas e interações hidrofóbicas Esse tipo de ligação pode ser quebrado pelo calor ou por agentes desnaturantes como a uréia Já as ligações covalentes são ligações fortes ou seja que precisam de uma quantidade de energia alta para serem quebradas Para você ter uma idéia uma ligação covalente pode requerer dez vezes mais energia do que uma ponte de hidrogênio para ser desfeita 35 Å 57 Å Bioquímica I Você já ouviu falar em proteínas fi brosas 100 C E D E R J Acha que estamos exagerando Então por que será que um dos mais aclamados superheróis foi originado a partir da picada de uma aranha que lhe conferiu a capacidade de produzir fi broínas de enorme resistência fazendoo voar pelos ares pendurandose de prédio em prédio salvando as mocinhas e vencendo os bandidos Figura 157 O HomemAranha herói dos quadrinhos da Marvel Comics dos desenhos animados e posteriormente das telas de cinema é uma amostra de como esses aracnídeos e suas fabulosas teias são capazes de exercer fascínio HomemAranha é o codinome de Peter Parker um rapaz que ao ser picado por uma aranha adquire a capacidade de produzir enormes e resistentes teias É pendurado nessas teias que ele se lança pelos ares da cidade de Nova York enfrentando os bandidos e salvando as mocinhas Se você tiver a oportunidade vale a pena conferir esses fi lmes de ação CONCLUSÃO Não fosse a queratina não teríamos cabelos e unhas e poderíamos nos desidratar até a morte uma vez que essa proteína impede a perda de água por via cutânea Não fosse o colágeno nossas estruturas óssea e cartilaginosa seriam bastante comprometidas Realizar esportes para quem tem doenças associadas à defi ciência de colágeno é tarefa impossível Nada de Copas do Mundo Olimpíadas Jogos Panamericanos As proteínas fi brosas de invertebrados também são importantes O que seria das aranhas se não pudessem capturar suas presas em suas magnífi cas teias Embora a maior parte dos tipos de proteínas dos organismos não seja fi brosa as que existem têm papel de grande relevância C E D E R J 101 AULA 15 MÓDULO 1 ATIVIDADE FINAL Será que vai caber Joana tinha uma festa importante para ir Para não fazer feio foi a uma loja chique e comprou um vestido de seda bastante elegante para usar no evento Ela fez isso umas duas semanas antes da festa O problema é que Joana não contava que podia engordar uns dois quilinhos nesse meio tempo e foi o que aconteceu Na véspera da festa Joana experimentou o vestido e ele estava um pouco apertado Sem saber o que fazer Joana ligou para uma amiga que lhe disse que se ela lavasse o vestido ele cederia alargaria um pouco e ela poderia usálo na festa Levando em consideração o que você estudou sobre seda nesta aula lavar o vestido vai adiantar Você acha que a seda vai ceder Por quê RESPOSTA COMENTADA Infelizmente Joana tem um problema para resolver e a solução não é lavar o vestido a seda é um tecido que não cede Isso acontece porque as fi bras que formam o tecido são compostas por uma proteína a fi broína que é organizada em folhas antiparalelas de tal maneira já esticadas que não é possível distendêlas mais Assim ou Joana compra outro vestido às pressas ou correrá o risco de ter seu vestido de seda rasgado no primeiro salgadinho que comer na festa 3 Fonte httpwwwsxchuphoto669554 Bioquímica I Você já ouviu falar em proteínas fi brosas 102 C E D E R J Existem dois grandes grupos de proteínas as fi brosas e as globulares As proteínas fi brosas tema desta aula são aquelas cuja estrutura é fi lamentosa e organizada na forma de feixes em geral envolvendo a formação de hélices Exemplos de proteínas desse tipo são a αqueratina o colágeno e a fi broína da seda A αqueratina é a proteína que compõe nossos cabelos as unhas os chifres e cascos de alguns animais por exemplo É uma proteína bastante resistente por sua estrutura envolver a formação de uma superhélice As hélices de αqueratina se enovelam uma na outra mantendo as regiões hidrofóbicas em contato aumentando a resistência da superhélice formada O colágeno também se organiza em hélices só que em triplas hélices O colágeno possui grande quantidade de prolina e glicina que não são boas formadoras de hélice mas que neste caso a formam porque cada volta da hélice tem três aminoácidos em vez de 36 Esse estreitamento possibilita interações mais resistentes entre os aminoácidos e conferem à proteína uma grande rigidez necessária à sua função que é por exemplo participar da constituição dos nossos ossos e cartilagens Proteínas fi brosas também estão presentes em invertebrados como é o caso da fi broína da seda das aranhas e de bichosdaseda Essa proteína é organizada em folhas β antiparalelas e embora não possa ser muito esticada possui grande fl exibilidade para ser dobrada R E S U M O INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA Nesta aula dissemos para você que as proteínas fi brosas existem em poucos tipos diferentes Ora se existem milhares e milhares de proteínas em que categoria se encontram as outras tantas e como são elas A resposta você vai descobrir na aula que vem Até lá objetivos Meta da aula Apresentar as proteínas globulares relacionando a estrutura que apresentam à função que exercem Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de identifi car características de uma proteína globular descrever a função do grupamento heme no sangue diferenciar a ligação de oxigênio na hemoglobina e na mioglobina de acordo com as estruturas das duas proteínas descrever o Efeito Bohr Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 16 A U L A 1 2 Prérequisito Antes de começar a estudar esta aula é importante que você volte à Aula 7 e relembre como funciona o sistema de tamponamento do sangue 3 4 Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 104 C E D E R J UMA PEQUENA RECAPITULAÇÃO Na aula passada você viu três exemplos de proteínas fi brosas a queratina o colágeno e a fi broína Estas três proteínas são mais compridas do que largas daí serem incluídas no grupo das proteínas fi brosas As proteínas fi brosas em geral também contêm poucos elementos de estrutura secundária ou são ricas em folhas β contendo poucas αhélices ou ao contrário são ricas em ahélices possuindo poucas folhas β Estas proteínas podem compor a seda da teia de uma aranha ou suporte forma e proteção externa aos vertebrados sendo encontradas nos pêlos penas seda tendões matriz óssea unhas etc Mas isso tudo você já viu O que você deve estar curioso para saber é como são as proteínas que não são fi brosas e em que outra classe se enquadram Esse é o assunto da aula de hoje as proteínas globulares E A MAIORIA É ASSIM Além das proteínas fi brosas existem as chamadas proteínas globulares que apresentam uma forma mais arredondada Elas são ricas em elementos de estrutura secundária podendo ser encontradas na mesma proteína as αhélices as voltas e as folhas β Dentro desse grupo temos centenas de proteínas como a mioglobina o citocromo c a álcool desidrogenase a ribonuclease a lisozima a hemoglobina etc calma não se assuste com esses nomes veja o boxe Quem são essas proteínas todas Quem são essas proteínas todas Se você se espantou com os nomes das proteínas do parágrafo anterior aqui vão algumas explicações O citocromo c é uma proteína que participa da respiração celular A respiração celular caso você não lembre é um processo que acontece dentro das mitocôndrias das células convertendo oxigênio em água e gerando energia na forma de ATP A álcool desidrogenase é uma enzima que está presente no fígado e que participa da metabolização do álcool que ingerimos fazendo com que esse seja convertido em outras moléculas que podem ser excretadas do nosso organismo A ribonuclease é uma enzima que degrada RNA Isso é importante por exemplo depois que o RNA mensageiro já foi traduzido na proteína que deveria O RNAm que está no citoplasma deve ser degradado pois já cumpriu seu papel é aí que atua a ribonuclease C E D E R J 105 AULA 16 MÓDULO 1 A lisozima é uma enzima também e está presente na nossa saliva e nas lágrimas por exemplo Ela atua como um mecanismo de defesa contra a ação de bactérias desestabilizando a estrutura desses microorganismos A mioglobina e a hemoglobina são proteínas tão importantes que vamos usálas de exemplo no decorrer desta aula então não vale a pena mencionálas aqui Tanto em Bioquímica I quanto em Bioquímica II e em outras disciplinas que falem sobre essas coisas que não podemos ver vai ser comum você se deparar com nomes de proteínas e enzimas Nesta aula demos os exemplos anteriores e neste boxe suas definições só para familiarizálo com esses nomes Agora não é importante que você os mantenha em mente não se preocupe pois quando for avisaremos As proteínas globulares em geral são enzimas funcionando também como transportadoras de outras moléculas ou como proteínas reguladoras que regulam a atuação de outras moléculas Nesta aula você verá duas proteínas globulares que estão envolvidas em uma função importantíssima no nosso organismo o transporte de oxigênio Mas antes faça a Atividade 1 que é bastante objetiva e em seguida descubra como essas proteínas podem estar relacionadas à sua respiração 1 Como são essas proteínas Leia os trechos a seguir 1 A Cinesina é uma proteína que atua dentro da célula de forma absolutamente surpreendente carregando literalmente por força mecânica moléculas de um lado para o outro da célula Essa proteína consegue realizar essa ação graças à sua estrutura um misto de αhélices e folhas β e é capaz de realizar uma ação enzimática de quebra do ATP para gerar energia para realizar seus transportes 2 A elastina é uma proteína estrutural que faz exatamente o que seu nome sugere confere elasticidade aos tecidos em que se encontra presente por exemplo nossos pulmões A elastina é uma proteína bastante resistente graças a elementos da sua estrutura que embora sejam pouco variados interagem de tal forma que a proteína é capaz de se distender e retrair sem se romper Agora escreva no espaço a seguir qual dos trechos se refere a uma proteína globular e por que pistas no texto você o identifi cou ATIVIDADE 1 Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 106 C E D E R J RESPOSTA COMENTADA Se você estudou atentamente a aula passada e o início desta aula esta atividade deve ter sido bastante fácil de realizar Isso porque na aula anterior dissemos que as proteínas fi brosas são normalmente proteínas estruturais e possuem uma estrutura bastante resistente Por essas informações você já poderia ter identifi cado a elastina como fi brosa e por eliminação a kinesina como globular Não bastasse isso no início desta aula dissemos que uma proteína globular além de arredondada e isso para não fi car óbvio demais não estava no texto possui diversos elementos de estrutura terciária e pode apresentar atividade enzimática Esses dois itens estão mencionados no texto 1 que fala da kinesina TRANSPORTE DE OXIGÊNIO NOS ORGANISMOS MULTICELULARES O PROBLEMA E A SOLUÇÃO O oxigênio é um gás essencial à vida da maior parte dos organismos Esse gás não se dissolve facilmente em soluções aquosas o que difi culta o transporte dele na forma livre sem estar associado a nenhuma molécula para os tecidos Esta característica do oxigênio fez com que no caso dos organismos multicelulares somente aqueles que desenvolveram estratégias para a utilização desse gás fossem selecionados positivamente Durante o processo de evolução surgiram moléculas capazes de transportar o oxigênio em meio aquoso As moléculas que foram selecionadas para esta função foram as proteínas Uma particularidade associada a essas proteínas é que era necessário que a molécula transportadora de oxigênio se ligasse a ele com grande afi nidade mas que no lugar de destino no caso os tecidos se desligasse dele facilmente Em outras palavras A LIGAÇÃO DEVERIA SER REVERSÍVEL Dos vinte aminoácidos constituintes de proteínas nenhum deles é capaz de se ligar reversivelmente ao oxigênio Desta forma as proteínas compostas apenas por aminoácidos não poderiam desempenhar a função de agente transportador de oxigênio LIGAÇÃO REVERSÍVEL Tipo de ligação química que pode acontecer e se desfazer sem que as partes moléculas envolvidas percam suas características iniciais C E D E R J 107 AULA 16 MÓDULO 1 Alguns metais como o ferro e o cobre são ótimos transportadores de oxigênio Pronto Bastaria que os organismos utilizassem o ferro ou o cobre como transportadores e o problema estaria resolvido Só que infelizmente isto não é possível porque a ligação do oxigênio ao ferro gera radicais moléculas muito reativas que são altamente danosos ao DNA e às proteínas Uma vez que a natureza não poderia usar ferro ou cobre na sua forma livre para desempenhar a função de transporte pois não se poderia resolver um problema criando outros continuamos com o mesmo problema Considerando que nós existimos e que acontece o transporte do oxigênio dentro do nosso organismo e de tantos outros uma solução foi encontrada Veja como este problema foi solucionado O GRUPAMENTO HEME Parte da solução veio quando o ferro associouse a um grupo conhecido como protoporfi rina formando uma molécula chamada heme No heme o ferro fi ca seqüestrado isto é fi ca escondido tornandose menos reativo Veja a Figura 161 CH2 CH2 C O O C C C C N CH C N C C C CH CH2 CH3 CH C N C C C CH CH2 CH3 CH N C C C C CH2 CH CH3 CH2 C O O Fe X X X X X X X X HN N N Protoporfi rina Heme Figura 161 Solução para o transporte de oxigênio o heme Como o ferro é um átomo bastante reativo para se ligar diretamente à estrutura de uma proteína ou para fi car livre pelo organismo uma solução para podermos nos benefi ciar da capacidade de este átomo se associar ao oxigênio veio com a molécula de protoporfi rina à esquerda Esta molécula é composta por átomos de carbono hidrogênio e nitrogênio formando um anel no centro do qual é possível ligar um átomo de ferro Quando a protoporfi rina está associada ao ferro a chamamos a molécula de heme Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 108 C E D E R J O heme é uma molécula formada por átomos de carbono hidrogênio e nitrogênio ligados de tal forma que constituem um anel Localizados no centro desse anel os nitrogênios têm a capacidade de estabelecer quatro ligações também chamadas coordenações com outros átomos Quando o anel não tem nenhum átomo associado em seu centro ele é chamado protoporfi rina Quando um átomo de ferro se associa ao centro desse anel ele o anel passa a ser chamado de heme Apenas um átomo de ferro se associa ao anel e em seu estado ferroso ou seja Fe2 veja o boxe O que é estado ferroso Isso porque quando está no estado Fe2 ele é capaz de ligar oxigênio reversivelmente já no estado Fe3 férrico não apresenta mais esta capacidade São os nitrogênios presentes na protoporfi rina devido ao seu caráter doador de elétrons que ajudam a evitar a conversão do Fe2 em Fe3 O que é estado ferroso Um átomo possui um núcleo composto por neutros e prótons e uma eletrosfera composta por elétrons Os elétrons dessa eletrosfera dependendo da situação podem se desprender e passar para outro átomo qualquer O átomo que perde elétrons fica com mais cargas positivas do que negativas o número de elétrons que ele perder significará o número de cargas positivas que ele terá a mais O processo de perda de elétrons é chamado oxidação O átomo de ferro apresenta dois estados de oxidação aquele em que perdeu dois elétrons e o em que perdeu três elétrons Quando um átomo de ferro é oxidado perdendo dois elétrons dizemos que ele é Fe2 ou que está em seu estado ferroso Quando o ferro perde três elétrons Fe3 dizemos que está em estado férrico Fe 3e 2e Estado ferroso Estado férrico Se você olhar com cuidado a Figura 161 vai notar que o ferro faz quatro ligações coordenações com os quatro nitrogênios da protoporfi rina e que há ainda duas ligações que fi cam livres exatamente uma delas é a que deve ser ocupada pelo oxigênio a ser transportado Tudo solucionado Não ainda Lembra que mencionamos que é uma proteína a molécula que transporta o oxigênio no organismo Até agora só falamos do heme Por que não é somente ele que transporta C E D E R J 109 AULA 16 MÓDULO 1 o oxigênio diretamente Por que há uma proteína envolvida nesse processo Há alguns motivos para termos uma proteína envolvida o primeiro é que o heme é uma molécula hidrofóbica e não conseguiria circular livremente pela corrente sangüínea composta principalmente de água O segundo está relacionado ao estado de oxidação do ferro Quando o oxigênio ocupa uma das duas ligações livres valências do ferro no heme ele pode converter Fe2 em Fe3 o que torna o heme incapaz de transportar o oxigênio Como já dissemos Fe3 não é capaz de se ligar ao oxigênio Aqui entra a proteína umas das ligações livres do ferro interage com um aminoácido da proteína designada para o transporte de oxigênio No caso da proteína que faz o transporte de oxigênio no nosso corpo por exemplo este aminoácido é a HISTIDINA que liga o ferro a um de seus nitrogênios A outra ligação fi ca livre para receber o oxigênio A ligação do oxigênio muda os arranjos dos elétrons do heme Essa mudança eletrônica resulta em uma alteração na cor do heme Na forma desoxigenada sem oxigênio ligado ele é vermelho escuro na forma oxigenada com oxigênio ligado vermelho vivo Sangue claro sangue escuro Já reparou que quando nos cortamos ou nos machucamos algumas vezes o sangue que sai de nosso corpo é vermelho escuro e às vezes é mais claro Fonte httpwwwsxchuphoto729161 HISTIDINA Só para você relembrar a estrutura da histidina e ver qual nitrogênio liga o heme Este nitrogênio do anel imidazol da histidina perde o hidrogênio e se liga ao ferro da molécula de heme Este nitrogênio está envolvido em uma ligação peptídica pois a histidina que liga o heme se encontra no meio da cadeia da hemoglobina H3N COO C H CH2 C NH CH N C H Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 110 C E D E R J Além do transporte pelo sangue e a manutenção do ferro no estado ferroso há outra vantagem de o heme estar ligado a uma proteína Essa molécula é capaz de ligar não apenas o oxigênio mas também o gás carbônico CO2 e o monóxido de carbono CO Quanto ao gás carbônico isso representa uma vantagem uma vez que a proteína chega aos tecidos carregando oxigênio e se afasta deles carregando o gás que é produto das reações do metabolismo das células o CO2 A afi nidade do heme por esse gás não é alta mas é sufi ciente para que ele seja retirado dos tecidos e entregue aos pulmões de onde é expelido quando expiramos Já o monóxido de carbono representa um problema para nós pois ele se liga ao heme com maior afi nidade que o oxigênio Quando o CO se liga ao heme ele exclui o oxigênio defi nitivamente Isso explica por que o CO é tão tóxico aos organismos aeróbicos O fato de o heme fi car protegido dentro de proteínas faz com que o acesso do CO e de outras moléculas pequenas seja difi cultado Assim o ferro preso a anéis protoporfi rina formando o heme que por sua vez fi ca mergulhado no interior de uma proteína garante que o transporte de oxigênio seja feito da melhor maneira possível pois com isto a não há conversão do Fe2 em Fe3 o que inviabilizaria o transporte do oxigênio b não há formação de radicais tóxicos que são danosos a outras moléculas da célula c é possível limitar o acesso de determinadas moléculas ao heme Pois bem Agora chegou a hora de falar especifi camente dessas proteínas que estão envolvidas no transporte de gases no nosso organismo a hemoglobina e a mioglobina A hemoglobina está presente nos glóbulos vermelhos hemácias e sua função é a de carregar oxigênio no sangue desempenhando também um papel vital no transporte de dióxido de carbono CO2 e hidrogênio H conforme você verá com detalhes mais à frente Já a mioglobina é encontrada nos músculos e tem como função distribuir oxigênio a este tecido Vamos ver suas estruturas com mais detalhes depois da atividade a seguir C E D E R J 111 AULA 16 MÓDULO 1 2 Sangue azul Pode Já ouviu a expressão Fulano tem sangue azul Essa expressão era utilizada para designar membros da nobreza que de tão superiores às pessoas de outras classes sociais possuiriam até sangue de cor diferente No entanto quando um nobre se cortava o sangue que todos viam sair de seu corpo era vermelho O argumento utilizado pelos nobres para justifi car isso era o de que ao entrar em contato com o ar impuro o sangue azul de suas veias fi cava vermelho Pergunta Os nobres ou qualquer pessoa podem ter sangue de cor azul de fato Por quê Mencione em sua resposta a molécula que dá cor ao sangue qual sua função nesse fl uido e associada a que molécula ela pode exercêla RESPOSTA COMENTADA Independentemente de ter estudado esta aula até esse ponto você provavelmente já sabia que ninguém tem sangue azul O que talvez você não soubesse ainda é que o que dá a cor vermelha ao sangue é uma proteína chamada hemoglobina e que ela faz isso por ter em sua estrutura um grupamento prostético chamado heme A hemoglobina é uma proteína essencial ninguém pode prescindir de sua presença no sangue e por isso os nobres não poderiam ter sangue azul de jeito nenhum Isso porque ela participa do transporte de oxigênio para os tecidos e ela só pode desempenhar essa função por ter associados grupamentos heme à sua estrutura O heme é uma molécula que possui no centro do anel que compõe a sua estrutura um átomo de ferro que faz o heme ser colorido e por conseqüência a hemoglobina e o sangue Esse ferro do heme é capaz de fazer duas ligações químicas além da que faz para estar ATIVIDADE Fonte httpwwwsxchuphoto707930 2 Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 112 C E D E R J no centro do anel uma acontece com uma histidina da seqüência da proteína e outra com uma molécula de oxigênio Ou seja no fi nal das contas o ferro é o elemento capaz de se ligar ao oxigênio e possibilitar o transporte desse gás MÚSCULOS E OXIGÊNIO A MIOGLOBINA A mioglobina é uma das mais simples entre as proteínas que transportam oxigênio Ela é particularmente abundante nos músculos de mamíferos que mergulham como focas e baleias pois é capaz de reter o oxigênio por longos períodos de tempo enquanto o animal está submerso A mioglobina é uma proteína composta por uma única cadeia que contém 153 aminoácidos apenas uma molécula de heme e oito αhélices Figura 162 cada uma recebendo como denominação uma letra do alfabeto de A até H Figura 162 Estrutura terciária da mioglobina Esta proteína presente nos músculos dos mamíferos possui uma única cadeia com estrutura rica em αhélices representadas pelos bastões mais largos Em seu interior há uma molécula de heme a qual permite que esta proteína tenha participação na armazenagem e no transporte de oxigênio nos músculos Em vez de atuar transportando oxigênio para todos os tecidos a mioglobina faz isso somente entre as células musculares para saber como essa proteína pode auxiliar no diagnóstico de uma doença veja o boxe Mioglobina livre bom negócio não é Além disso há outras atuações da hemoglobina que a mioglobina não pode exercer como por exemplo o transporte de gás carbônico Mas isso você vai ver daqui a pouco C E D E R J 113 AULA 16 MÓDULO 1 Mioglobina livre bom sinal não é A mioglobina é uma proteína bastante abundante nas células musculares Ela é responsável inclusive pela cor vermelha que o músculo apresenta Quando um músculo sofre uma lesão as suas células também são lesionadas Isso faz com que haja liberação de mioglobina para o sangue Pessoas que tiveram um infarto agudo têm a quantidade de mioglobina no sangue elevada logo nas primeiras horas depois do infarto e os níveis dessa proteína no sangue só são restabelecidos um ou dois dias depois O aumento da quantidade de mioglobina no sangue acontece antes do aumento da quantidade de outras proteínas típicas do tecido do coração e pode ajudar na confirmação de ter havido mesmo um infarto ou outro tipo de problema coração Isso determina por exemplo o tratamento que será aplicado ao paciente E É POR ISSO QUE NOSSO SANGUE É VERMELHO A HEMOGLOBINA Como você deve se lembrar provavelmente aprendeu isso no Ensino Médio no nosso sangue há células chamadas hemácias que também podem ser chamadas de eritrócitos ou glóbulos vermelhos Essas células possuem uma grande quantidade de hemoglobina em seu interior e você já viu que a hemoglobina é vermelha por causa do heme que carrega Curioso é que para desempenharem melhor sua função de células transportadoras de oxigênio as hemácias perderam suas organelas tais como núcleo mitocôndria e retículo endoplasmático não deixe de ler o boxe Uma célula bem diferente Podemos dizer que as hemácias são na verdade um saco cheio de hemoglobina Uma célula bem diferente As hemácias são células bastante abundantes no nosso sangue Estimase que um indivíduo adulto tenha cerca de cinco milhões de glóbulos vermelhos por milímetro cúbico de sangue Dentro de cada hemácia há muitas moléculas de hemoglobina e para aumentar ainda mais a capacidade de transportar oxigênio a quantidade de hemoglobinas que cabem dentro da célula as hemácias perderam diversas organelas Como elas perderam o núcleo não podem se dividir Isso significa que após seu tempo de vida que no caso de uma hemácia humana é de aproximadamente quatro meses elas são eliminadas pelo organismo Por isso a síntese dessas células pela medula óssea é tão intensa são produzidos cerca de dois milhões por segundo A perda da mitocôndria trouxe para essas células outra restrição É que a mitocôndria é o lugar onde acontece a respiração celular Sem essa organela a única fonte de energia para essas células é a quebra da glicose em um processo chamado glicólise que você vai aprender em Bioquímica II Não é curioso A célula que transporta oxigênio para que todas as outras respirem simplesmente não respira Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 114 C E D E R J A hemoglobina é uma proteína tetramérica isto é possui quatro subunidades Ela possui duas subunidades ditas α e duas β sendo então denominada α2β2 Há quatro grupos hemes na hemoglobina cada um ligado a uma destas subunidades Dessa forma a hemoglobina transporta quatro moléculas de oxigênio de cada vez Diferentemente da mioglobina a hemoglobina transporta prótons e CO2 além do oxigênio Veja com mais detalhes o mecanismo do transporte de cada um desses A INTERAÇÃO DAS PROTEÍNAS COM DIFERENTES GASES E COM PRÓTONS Como o oxigênio consegue chegar dentro da proteína e encontrar o heme a formação da oxihemoglobina A resposta para isto é bastante curiosa pois nos mostra que as proteínas não são tão rígidas como poderíamos pensar Na verdade as proteínas são maleáveis e até parece que respiram isto é elas incham e desincham Claro que esses movimentos são da ordem de angstrons mas são sufi cientes para que uma molécula pequena como a do oxigênio que está do lado de fora entre no miolo da proteína Na ligação do oxigênio à mioglobina é exatamente isso o que acontece a proteína liga o oxigênio alterando um pouco o seu tamanho e permitindo que esse gás fi que ligado ao heme em seu interior Ou seja ela incha quando está ligada ao oxigênio e desincha quando se desliga dele No caso da hemoglobina que transporta quatro oxigênios a ligação do primeiro oxigênio causa uma mudança na conformação da proteína aumentando a afi nidade pelo segundo oxigênio Quando esse segundo oxigênio se liga causa novas mudanças que resultam no aumento progressivo da afi nidade da proteína pelo seu ligante no caso o oxigênio Esse tipo de ligação é chamado cooperativa isto é a ligação de um ligante coopera com a ligação do próximo ligante Por isso dizemos que a hemoglobina é uma proteína alostérica Proteínas alostéricas são aquelas nas quais a ligação de um ligante altera a afi nidade da proteína pelos demais ligantes e você verá mais sobre isso quando estudarmos o funcionamento das enzimas daqui a algumas aulas C E D E R J 115 AULA 16 MÓDULO 1 As análises cristalográfi cas da hemoglobina nas formas oxigenada e desoxigenada revelaram alterações importantes de estrutura explicando como a entrada do primeiro oxigênio facilita a entrada do segundo e assim por diante cooperatividade Aqui temos um exemplo claro de como a determinação da estrutura de uma certa proteína em diversos estados de ocupação permite compreender o seu mecanismo de funcionamento Vamos ver como isso se processa Quando o ferro sem oxigênio está preso ao heme ele fi ca levemente acima do plano dos anéis do heme Observe a Figura 163 Heme Ferro Histidina ligada ao ferro Oxigênio Ferro puxado para cima Heme Histidina ligada ao ferro Figura 163 O que acontece com o heme ao se ligar ao oxigênio Nesta visão lateral da molécula de heme você pode perceber que o ferro na ausência de oxigênio é deslocado para baixo em relação ao eixo horizontal do heme A Quando o oxigênio se liga a esse ferro ocorre um deslocamento o ferro é puxado para cima da molécula de heme puxando consigo a histidina F8 a que está ligado B Observe a distância entre a linha pontilhada e a histidina em B Esse movimento provoca mudanças na estrutura da hemoglobina de tal ordem que fazem com que o próximo oxigênio se ligue mais facilmente em um sistema de ligação cooperativa ou alostérica Para você entender essa imagem vai precisar de um pouquinho de visão espacial Imagine que você esteja olhando a molécula de heme lateralmente como se você colocasse uma folha de papel horizontalmente na altura dos seus olhos e não frontalmente como você olha a folha de papel normalmente Nesse tipo de visão é possível perceber como o ferro do heme está deslocado para baixo em relação ao plano horizontal da molécula A B Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 116 C E D E R J Esse ferro é o mesmo que está ligado à histidina 8 de uma das hélices da hemoglobina a hélice F por isso chamamos a histidina de F8 Quando o oxigênio se liga ao ferro esse ferro é puxado pelo oxigênio e acaba puxando o resíduo de histidina junto aproximando a proteína toda do heme e do oxigênio Como conseqüência toda a proteína sofre um rearranjo e fi ca mais esticada Nessa nova conformação os demais oxigênios podem se ligar com mais facilidade aos outros grupamentos heme da hemoglobina Resumindo quando o primeiro oxigênio se liga à hemoglobina muda de tal forma a estrutura da proteína que ela passa a se ligar melhor aos demais oxigênios Mas como você já aprendeu a hemoglobina não liga apenas o oxigênio mas também outras moléculas como o monóxido de carbono CO o dióxido de carbono CO2 e surpreendase prótons H Veja isso após fazer a Atividade 2 3 Hemoglobina mioglobina e suas particularidades Como você viu até agora no seu corpo há duas proteínas capazes de se ligar ao oxigênio a mioglobina e a hemoglobina Essas duas proteínas possuem um grupamento heme em suas estruturas o que atribui a elas a capacidade para realizar tal função Embora tenham o mesmo grupamento prostético e uma seqüência primária bastante similar a mioglobina é uma proteína pequena e a hemoglobina uma proteína considerada grande a A que se deve essa diferença entre as duas moléculas Qual é a particularidade do arranjo espacial da hemoglobina em relação à mioglobina b A estrutura da hemoglobina faz com que a ligação do oxigênio a essa proteína tenha uma característica que não pode estar presente na mioglobina a ligação cooperativa Explique esse tipo de ligação justifi cando a afi rmativa anterior ATIVIDADE 3 C E D E R J 117 AULA 16 MÓDULO 1 RESPOSTA COMENTADA a A diferença entre os tamanhos da mioglobina e da hemoglobina embora as seqüências delas sejam parecidas está no fato de que a mioglobina tem uma seqüência primária semelhante à seqüência de cada subunidade da hemoglobina A hemoglobina é uma proteína composta por quatro subunidades que se organizam espacialmente formando um tetrâmero Em outras palavras a hemoglobina é uma proteína que possui estrutura quaternária ao passo que a mioglobina por ser composta por uma única unidade de uma cadeia polipeptídica apresenta apenas nível de organização terciário b A estrutura da hemoglobina acarreta diferenças na ligação do oxigênio a essa molécula em relação à mioglobina Enquanto cada mioglobina é capaz de ligar apenas um oxigênio cada hemoglobina é capaz de ligar quatro um em cada grupamento heme presente em cada uma das quatro subunidades A ligação do oxigênio na hemoglobina acontece de forma cooperativa Quando o primeiro oxigênio se liga a uma das subunidades da proteína provoca uma mudança na conformação da proteína inteira Isso porque o átomo de ferro do centro do anel do heme que era deslocado do plano dessa molécula é puxado para o mesmo plano do resto do grupamento heme Como esse ferro está ligado a uma histidina da proteína ele puxa também esse aminoácido no seu deslocamento e por conseqüência todo o resto da proteína que está ligado a ele histidina Essa mudança de conformação facilita o acesso de outra molécula de oxigênio ao heme de outra subunidade da mesma hemoglobina e a ligação desse gás é favorecida Esse processo é chamado ligação cooperativa e não pode acontecer na mioglobina porque ela só tem uma subunidade Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 118 C E D E R J Uma ligação não desejada a carbohemoglobina Conforme você já viu no início desta aula o heme é capaz de ligar o monóxido de carbono CO com grande afi nidade Se a mioglobina ou a hemoglobina se ligarem ao CO elas deixarão de transportar o oxigênio e o indivíduo poderá sofrer morte por asfi xia Para você ter uma idéia o heme livre liga CO com afi nidade 20000 vezes maior do que liga oxigênio Para nossa sorte quando está ligado à hemoglobina essa afi nidade cai para 200 vezes Mas como a hemoglobina favorece a ligação com o oxigênio Essa diferença pode ser entendida se olharmos mais de perto como esses dois gases se ligam ao heme Veja a Figura 164 Figura 164 Ligação dos gases oxigênio e monóxido de carbono ao ferro do heme As barras laterais representam o restante da molécula de heme Repare que o espaço requerido para cada ligação acontecer representado pelas setas é diferente A ligação do oxigênio ao ferro do heme faz uma espécie de dobra Quando CO se liga ao heme a ligação é linear Perceba que quando o CO se liga ao heme ele precisa de um espaço diferente daquele que o oxigênio precisa para se acomodar já que fi ca reto e não dobrado Quando o heme está mergulhado na hemoglobina devemos lembrar que existem vários aminoácidos ao seu redor Um deles é a histidina 64 conhecida como histidina distal que não se liga diretamente ao ferro mas fi ca próxima ao heme formando uma espécie de telhado sobre o átomo de ferro desse grupo Isso tem implicações muito importantes pois como a ligação do CO necessita exatamente do espaço que a histidina restringe para que a molécula de monóxido de carbono se acomode a presença da histidina distal que forma esse telhado difi culta a ligação O mesmo não acontece quando oxigênio se liga a esta molécula pois conforme vimos ele se liga formando uma dobra e aí o telhado histidina 64 não atrapalha Tal fato explica por que o heme quando ligado à hemoglobina perde tanta afi nidade pelo CO Figura 165 Aliás o processo que acabamos de descrever também se aplica à mioglobina C E D E R J 119 AULA 16 MÓDULO 1 Figura 165 Importância da histidina distal Esse aminoácido difi culta a ligação do monóxido de carbono CO um gás tóxico às proteínas ligadoras de oxigênio como a hemoglobina e a mioglobina A maior afi nidade do heme pelo CO em relação ao oxigênio cai de 20000 vezes para 200 por causa do caráter das ligações e da presença da histidina distal A ligação do CO ao ferro do heme requer um espaço diferente daquele que a ligação do oxigênio requer espaço esse que não existe por causa da presença da histidina distal Monóxido de carbono dióxido de carbono dois gases com nomes tão parecidos Como pode um ser tão tóxico para o organismo e o outro não Isso é o que você vai ver a seguir 4 Poluição e suas hemoglobinas alguma relação No estado de São Paulo houve muita discussão e protesto quando o governo implantou o sistema de rodízio para os veículos com o objetivo de minimizar o caos no trânsito da cidade Funciona assim de acordo com o fi nal da placa do veículo há um dia da semana em que ele não pode circular Isso diminui em cerca de 20 o número de veículos circulantes por dia e vale apenas para os dias de semana quando o tráfego é mais intenso Um dos benefícios associados à redução do número de veículos circulantes na cidade foi a redução da emissão de monóxido de carbono CO produto da queima de combustível nos motores dos veículos ATIVIDADE 4 httpwwwsxchuphoto120674 Histidina distal Telhado formado pela histidina distal Histidina distal Telhado formado pela histidina distal Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 120 C E D E R J a Por que o monóxido de carbono é um gás tão tóxico ao nosso organismo b Que característica molecular do nosso organismo minimiza as possibilidades de intoxicação por inalação de CO Explique o mecanismo molecular envolvido nessa estratégia RESPOSTA COMENTADA Não é novidade para ninguém que a poluição é um problema de proporções mundiais e que qualquer medida para reduzila é bemvinda Em São Paulo adotouse o rodízio para minimizar problemas de trânsito e como conseqüência minimizouse também a emissão de gases tóxicos para a atmosfera O uso de gás natural veicular como combustível não só em São Paulo mas em diversos estados é outra medida que está sendo incentivada pelo governo por exemplo com redução do valor de impostos pagos pelo proprietário do veículo O monóxido de carbono emitido a partir da queima de combustíveis como a gasolina no motor dos veículos é bastante tóxico para o nosso organismo e pode levar um indivíduo à morte a Isso porque a hemoglobina proteína que transporta oxigênio no nosso sangue tem muito mais afi nidade pelo CO do que pelo oxigênio Quando uma molécula de monóxido de carbono se liga a uma hemoglobina ele não se desgruda impedindo que aquela hemoglobina seja capaz de transportar oxigênio Dependendo da quantidade de CO que inalamos comprometemos mais hemoglobinas e por conseqüência fi camos sem oxigênio em tecidos importantes como o cérebro b Uma característica molecular do nosso organismo que ajuda a minimizar a possibilidade de intoxicação por CO é que ele difi culta a ligação deste gás à hemoglobina Essa característica é dada pelo posicionamento de uma histidina em relação ao grupamento heme onde esse gás e o oxigênio se liga A histidina restringe o espaço C E D E R J 121 AULA 16 MÓDULO 1 Hemoglobina e gás carbônico uma ligação diferente As nossas células produzem CO2 como resultado do metabolismo Este CO2 pode seguir dois destinos no nosso organismo participar do sistema de tamponamento do sangue ou ser expelido na expiração Na Aula 7 você viu que o sangue é tamponado por um sistema que envolve gás carbônico e bicarbonato Pela ação de uma enzima que está dentro das hemácias a anidrase carbônica parte do CO2 gerado pelo nosso metabolismo é transformado em bicarbonato HCO3 CO2 H2O anidrase carbônica HCO3 H Os H gerados por essa reação são transportados pela hemoglobina como parte do Efeito Bohr do qual falaremos mais adiante O restante do CO2 que não é transformado em bicarbonato pela anidrase carbônica é então transportado pela hemoglobina até os pulmões de onde será mandado para fora do corpo O transporte do CO2 pela hemoglobina acontece pela ligação deste gás às AMINAS TERMINAIS da hemoglobina Quando essa ligação acontece a afi nidade da proteína pelo oxigênio diminui É por isso que nos tecidos o oxigênio é liberado e o sangue retorna ao pulmão carregando gás carbônico disponível para posicionamento do CO que possui uma estrutura linear a qual ocupa mais espaço do que o oxigênio que possui uma estrutura com uma inclinação que reduz o espaço necessário para que ele se ligue à hemoglobina A histidina funciona como uma espécie de telhado que difi culta bastante a ligação do CO minimizando a chance de este gás se ligar à hemoglobina inutilizandoa AMINAS TERMINAIS Lembrese de que todas as proteínas possuem um grupamento dito amino terminal NH2 e outro dito carboxiterminal COOH O amino terminal é o grupo amino do primeiro aminoácido da proteína o carboxi o grupo carboxil do último Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 122 C E D E R J Substâncias que infl uenciam a ligação de oxigênio na hemoglobina Existem mecanismos que modulam a afi nidade da hemoglobina pelo oxigênio como a concentração de CO2 o pH do sangue e um composto chamado 23 bifosfoglicerato BPG Esses mecanismos são adaptações do organismo para facilitar a liberação do oxigênio para tecidos que estejam precisando muito deste gás para exercer suas atividades A ligação do oxigênio à hemoglobina depende do pH Quanto mais ácido o pH mais facilmente o oxigênio se desliga da hemoglobina Da mesma forma se a quantidade de CO2 aumenta diminui a afi nidade da hemoglobina pelo oxigênio Esses fatos têm grande relevância quando lembramos de algumas situações metabólicas como por exemplo o músculo em contração Nessa situação a quantidade de CO2 e ácidos é muito alta devido à intensa atividade realizada pela célula muscular O baixo pH promovido pela liberação de ácidos vindos da atividade muscular e a alta concentração de CO2 fazem com que a hemoglobina próxima aos tecidos libere o oxigênio Em outras palavras perto dos músculos em atividade a hemoglobina tem a sua afi nidade pelo oxigênio diminuída e libera esse gás para o tecido Na ausência do oxigênio a hemoglobina pode perto do músculo associarse ao CO2 e aos prótons que foram produzidos pela atividade muscular indo pela corrente sangüínea em direção aos pulmões Nos pulmões saturados de oxigênio ocorre o contrário O H e o CO2 vindos dos tecidos ligados à hemoglobina são liberados para a entrada de oxigênio na molécula Veja o esquema a seguir Figura 166 que representa este mecanismo do Efeito Bohr descoberto em 1904 por Christian Bohr C E D E R J 123 AULA 16 MÓDULO 1 Sangue Pulmões Músculos Oxigênio vindo do ar O2 O2 H CO2 Hb Hb Hb O2 H Hb CO2 H H H H CO2 CO2 CO2 O2 1 2 Ácidos originados pela contração muscular CO2 produto do metabolismo Esse mecanismo é muito importante pois as células musculares necessitam de grande quantidade de oxigênio quando estão em intensa atividade A capacidade de modular a afi nidade da hemoglobina é chave para determinadas situações fi siológicas como essa que acabamos de descrever Figura 166 Efeito Bohr Quando o sangue com hemoglobina ligada ao oxigênio 1 se aproxima do músculo em intensa atividade a grande quantidade de prótons provenientes dos ácidos gerados pela contração muscular e de CO2 produto do metabolismo destas células faz com que essa proteína se desligue do oxigênio fornecendo esse gás ao tecido muscular Ao se desligar do oxigênio a hemoglobina imediatamente se associa a prótons e ao CO2 e vai pela circulação até os pulmões Nos pulmões acontece o inverso A grande quantidade de oxigênio faz com que a hemoglobina libere o CO2 e os prótons 2 para esse órgão e se ligue novamente ao oxigênio recomeçando o ciclo Atenção É importante você ter em mente que todo o transporte de gases realizado pela hemoglobina acontece no sangue onde esta proteína se encontra dentro das hemácias Na verdade a hemoglobina não entra em contato direto nem com o músculo o pulmão ou qualquer outro tecido Quem entra em contato com estes tecidos e órgãos é o sangue Os gases atravessam a parede dos vasos sanguíneos entram na hemácia e se ligam à proteína que estamos estudando Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 124 C E D E R J Um outro achado curioso a respeito da ligação do oxigênio à hemoglobina foi a descoberta feita por Reinhold Benesch e Ruth Benesch em 1967 do 23 bifosfoglicerato BPG Essa é uma molécula que está presente dentro das hemácias e é capaz de alterar a afi nidade da hemoglobina pelo oxigênio Essa descoberta foi importante pois explicou por que a afi nidade da hemoglobina pelo oxigênio em condições experimentais era maior do que a afi nidade da hemoglobina pelo oxigênio na hemácia Esses pesquisadores imaginavam que deveria haver algum mecanismo capaz de infl uenciar a afi nidade da hemoglobina pelo oxigênio dentro da célula um modulador dessa afi nidade da hemoglobina Eles acabaram descobrindo que esse modulador é o BPG que se liga à hemoglobina e diminui a afi nidade dela pelo oxigênio em torno de 26 vezes Assim foi elucidado um importante mecanismo que possibilita à hemoglobina desligarse do oxigênio e entregálo aos tecidos A atuação do BPG como modulador da afi nidade da hemoglobina pelo O2 explica por exemplo como a mãe pode passar oxigênio para seu fi lho para saber mais sobre esse assunto leia o boxe De mãe para fi lho De mãe para fi lho Você já se perguntou como se dá a transferência de oxigênio entre a mãe e o feto Imagine que o feto deva receber oxigênio vindo da mãe Para que isso ocorra de forma efi ciente é necessário que a hemoglobina da mãe se desligue do oxigênio e o entregue para a hemoglobina do feto Se as duas hemoglobinas forem idênticas essa transferência não se processa de forma efi ciente É necessário que elas apresentem diferentes afi nidades pelo oxigênio para que a entrega e a recepção do gás sejam favorecidas E é isto o que ocorre Os fetos apresentam um outro tipo de hemoglobina chamada hemoglobina fetal hemoglobina F que possui maior afi nidade pelo oxigênio Essas duas formas de hemoglobina a fetal e a não fetal também conhecida como hemoglobina A são ditas isoformas já que são duas formas da mesma proteína no caso a hemoglobina O que faz a hemoglobina fetal ter maior afi nidade pelo oxigênio que a hemoglobina não fetal É a afi nidade pelo BPG que na F é bem menor do que na A Dessa forma o oxigênio se liga à hemoglobina F com mais afi nidade do que à hemoglobina A já que o BPG diminui no caso da A a afi nidade pelo oxigênio C E D E R J 125 AULA 16 MÓDULO 1 CONCLUSÃO Muitas coisas já se sabe acerca da hemoglobina e da mioglobina O mais importante é que o conhecimento das estruturas atômicas destas proteínas em vários estados de ocupação ligadas ao oxigênio ligadas ao CO ligadas ao BPG etc permitiu que se conhecessem os aminoácidos envolvidos nessas ligações Estas informações quando combinadas aos estudos em laboratório realizados em tubo de ensaio ou observações feitas nas células permitiram estabelecer a questão mais relevante dentro da Bioquímica moderna de proteínas conhecer como a estrutura de uma proteína determina a sua função ATIVIDADE FINAL O que há entre inspirar e expirar Em um exercício aeróbico a participação do oxigênio nas reações do organismo para obtenção de energia é fundamental In A capacidade de usar oxigênio Veja online 27 dezembro de 2006 Pessoas que desejam emagrecer geralmente optam por associar uma dieta com restrição calórica à execução de exercícios físicos aeróbicos como corridas caminhadas pedaladas Esses exercícios têm esse nome aeróbicos porque aumentam o consumo de oxigênio no corpo do indivíduo O aumento do consumo de oxigênio ocorre porque o organismo em alta atividade como no caso do exercício precisa gerar mais energia do que de costume para continuar o movimento Isso acontece por causa da associação entre dois principais eventos no organismo a utilização das reservas de gordura da pessoa como fonte de nutrientes e o aumento do processo de respiração celular Esses dois eventos são associados porque na quebra das gorduras há formação de dois compostos o CO2 que expiramos e uma molécula chamada NADH fundamental para a geração de ATP energia na respiração celular a qual precisa de oxigênio para acontecer Uma outra forma de gerar energia que os nossos músculos podem realizar em um momento de exercício intenso é a quebra incompleta da glicose açúcar Nesse processo outra molécula é produzida o ácido lático Esse ácido pode como você aprendeu na Aula 5 sofrer dissociação Veja a reação 4 Fonte wwwsxchuphoto 762850 Fonte wwwsxchuphoto747641 Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 126 C E D E R J Assim durante o exercício físico dois processos diferentes podem acontecer nos nossos músculos e os produtos desses processos são uma grande quantidade de CO2 e de lactato e H no organismo Como esses dois compostos infl uenciam o transporte do oxigênio dos pulmões para o músculo realizado pela hemoglobina Mencione em sua resposta o que acontece com essa proteína quando ela está próxima aos pulmões e quando ela está próxima ao músculo RESPOSTA COMENTADA Como você já aprendeu o transporte de oxigênio no corpo se dá pela hemoglobina que carrega esse gás ligado aos seus grupamentos heme dos pulmões para os outros tecidos incluindo os músculos Quando essa proteína com oxigênio se aproxima do músculo a alta concentração de CO2 nesse tecido diminui a afi nidade da hemoglobina pelo oxigênio O2 A redução da afi nidade que vai acabar levando à liberação do O2 é provocada também pela presença de grandes quantidades de ácidos produzidos durante a atividade muscular A hemoglobina é sensível a variações de pH e quando esse diminui ela perde afi nidade pelo oxigênio Conjuntamente a alta concentração de CO2 e o pH mais baixo do tecido muscular em atividade provocam o desligamento do oxigênio da hemoglobina Esse mecanismo modula a afi nidade da hemoglobina pelo O2 ou seja faz com que ela solte esse gás mais rapidamente em uma situação em que o músculo esteja precisando muito dele para continuar realizando o movimento C E D E R J 127 AULA 16 MÓDULO 1 As proteínas globulares são aquelas que apresentam um formato arredondado Essas proteínas podem ter papéis fundamentais na homeostase de um organismo como é o caso da hemoglobina e da mioglobina Essas duas proteínas participam do transporte e armazenamento de oxigênio no organismo a hemoglobina no sangue e a mioglobina nos músculos Uma particularidade dessas duas moléculas é que elas possuem um grupamento prostético o heme O heme é uma molécula que possui um átomo de ferro no centro do seu anel que é o que possibilita a interação com o oxigênio Ele é preso às proteínas pela ligação do ferro a uma histidina A mioglobina é um monômero que contém apenas uma molécula de heme e portanto liga apenas um oxigênio de cada vez Já a hemoglobina é constituída de quatro cadeias polipeptídicas cada uma com um heme ligado por isso ela é capaz de ligar quatro oxigênios de uma vez Quando o primeiro oxigênio se liga à hemoglobina ele facilita a ligação dos próximos o que faz com que a hemoglobina seja chamada proteína alostérica A ligação com o oxigênio é favorecida pela estrutura da proteína em detrimento da ligação com o CO um gás tóxico que também acontece via interação com o ferro O CO2 produto do nosso metabolismo só pode ser ligado pela hemoglobina parte dele é utilizada no sistema tampão do sangue Isso é importante porque tanto o pH do sangue quanto a concentração do CO2 infl uenciam a ligação do O2 à hemoglobina em um mecanismo chamado Efeito Bohr O restante do CO2 se liga às aminas terminais da proteína e é levado até os pulmões para ser expelido Outra molécula capaz de alterar a afi nidade da hemoglobina pelo oxigênio é o BPG que quando se liga à hemoglobina diminui a afi nidade dela pelo oxigênio R E S U M O Ao se dissociar do oxigênio essa proteína permite a associação do gás carbônico em sua extremidade amino Carregada com esse CO2 a hemoglobina segue para os pulmões onde a alta concentração de oxigênio fará com que o CO2 se desligue dela e possa então ser expelido do nosso corpo pela expiração Esse processo é conhecido como Efeito Bohr por causa do pesquisador que o desvendou Bioquímica l Proteínas 6 proteínas globulares a maioria delas 128 C E D E R J INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA Já ouviu falar em Doença da Vaca Louca E em Mal de Alzheimer Não sabe muitos detalhes sobre essas duas patologias Na próxima aula você vai aprender objetivos Meta da aula Apresentar a formação de estruturas supramoleculares o que são proteínas amiloidogênicas e que conseqüências sua formação pode trazer para um indivíduo Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de caracterizar as fi bras amiloidogênicas na doença da Vaca Louca no mal de Alzheimer Quando as proteínas se tornam mais parte I os agregados supramoleculares 17 A U L A 1 2 Prérequisito Para acompanhar melhor esta aula é interessante que você reveja na Aula 13 as interações moleculares que mantêm a estrutura terciária de uma proteína Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte I os agregados supramoleculares 130 C E D E R J Contextualizando a minha aula Para você saber mais sobre um dos males relacionados à formação de agregados supramoleculares que mostramos no início desta aula temos uma boa sugestão visite a página da BBC Brasil httpwwwbbccouk portuguese e digite na barra de busca que fi ca no canto superior direito MAL DA VACA LOUCA Aparecerão diversas matérias e apenas um clique pode proporcionar a você uma contextualização mais abrangente sobre o tema da aula de hoje Se quiser você pode navegar livremente pelos conteúdos relacionados à Biologia em geral clique em Ciência Saúde o segundo link do canto esquerdo da página inicial da BBC Brasil Lá você encontrará muitas informações interessantes por exemplo sobre avanços da medicina mudanças climáticas etc Divirtase A reportagem que você acabou de ver é real foi retirada da página da Folha de São Paulo em meio a um número enorme de outras matérias sobre este assunto tão importante na atualidade o Mal da Vaca Louca veja o boxe a seguir para saber como acessar essa e outras reportagens Por que começar a aula com essa matéria Para você ter uma idéia de quanto o que você vai aprender hoje é relevante para o mundo todo e não apenas para a sua formação em Bioquímica Autoridades canadenses confi rmaram hoje a presença de um animal infectado com mal da vaca louca em uma fazenda da Província de Alberta oeste do país O resultado pode ser uma dor de cabeça a mais para os fazendeiros canadenses que já foram afetados depois que diversos países baniram as importações de gado do Canadá após o aparecimento do primeiro caso de vaca louca Na indústria de carne prensada canadense as perdas com exportações já chegam a US 57 bilhões Extraído de http www1folhauolcombrfolha dinheiroult91u104518shtml CANADÁ CONFIRMA NOVO CASO DE VACA LOUCA C E D E R J 131 AULA 17 MÓDULO 1 AS PROTEÍNAS AMILOIDOGÊNICAS Você já estudou vários aspectos sobre a estrutura das proteínas desde sua estrutura primária representada pela seqüência de aminoácidos até aspectos relacionados à organização destes aminoácidos no espaço que dá origem à estrutura secundária e terciária das proteínas Na Aula 14 você viu como as proteínas se dobram e se montam na sua estrutura fi nal que é aquela em que elas são capazes de executar sua função No caso das proteínas fi brosas você aprendeu que uma grande resistência pode ser adquirida quando por exemplo várias hélices se enovelam umas sobre as outras como no caso do colágeno Agora vamos conhecer um novo aspecto relacionado ao estudo das proteínas ele é um pouco mais sombrio do que aquele que vimos até então Tratase das doenças amiloidogênicas e como certas proteínas podem causálas Mas que doenças são essas No início desta aula mencionamos o Mal da Vaca Louca certamente você também já ouviu falar do Mal de Alzheimer e do Mal de Parkinson Todos esses males fazem parte de uma classe de doenças ocasionadas pelo mau enovelamento de uma determinada proteína e são também chamadas amiloidoses Este nome amiloidose lembroulhe de amido De fato os primeiros estudos feitos com algumas das proteínas envolvidas nessas doenças mostraram a presença de depósitos fi brilares presentes em alguns tecidos ou órgãos Figura 171 que por serem corados por reagentes com iodo imaginouse serem constituídos por AMIDO Posteriormente os cientistas descobriram que esses depósitos fi brilares não eram de amido mas sim de proteínas O nome amiloidose no entanto permaneceu Figura 171 Fibra amilóide A agregação de determinadas proteínas em forma de fibra pôde ser visualizada graças à coloração que essas estruturas supramoleculares assumiam na presença de iodo a mesma substância utilizada para visualizar o amido produzido como reserva nutritiva pelos vegetais Por essa característica em comum os agregados foram batizados de fi bras amilóides AMIDO Um açúcar que é sintetizado como reserva de nutriente nos vegetais Existe em grande quantidade na batata por exemplo Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte I os agregados supramoleculares 132 C E D E R J Mas afi nal o que há de especial com este grupo de doenças A maioria das doenças existentes é provocada por um agente causador de doença agente patogênico Desse modo a pneumonia é causada por uma bactéria conhecida como Pneumococcos pneumoniae a doença de Chagas é causada por um protozoário conhecido como Trypanossoma cruzi o resfriado é causado por um vírus chamado rinovírus e assim por diante Enfi m a grande maioria das doenças principalmente as contagiosas é causada por um agente seja uma bactéria um protozoário ou um vírus Esses agentes possuem material genético na forma de DNA ou RNA Eles se reproduzem no organismo hospedeiro graças à replicação do seu material genético conforme você verá na disciplina de Genética E no caso das doenças amiloidogênicas Quem é o agente responsável Conforme já mencionamos essas doenças são causadas por proteínas o que não dissemos ainda é que as doenças acontecem quando essas proteínas adquirem uma conformação alterada formam agregados e depósitos fi brilares que causam danos aos tecidos e órgãos onde se acumulam Veja a Figura 172 Morte do indivíduo Proteína em conformação incorreta Agregadosfi brilas Depósitos em tecidos e órgãos específi cos Perda de função do órgão ou tecido Figura 172 Formação de agregados protéicos e suas conseqüências Ao assumir uma conformação incorreta uma proteína pode sofrer o processo de agregação formando agregados protéicos como as fibras amilóides O acúmulo dessas fibras em tecidos específi cos acarreta perda da função do tecido ou órgão que em alguns casos leva o indivíduo à morte C E D E R J 133 AULA 17 MÓDULO 1 Quando uma proteína assume uma conformação incorreta quer seja durante o enovelamento ou posteriormente deixa segmentos de aminoácidos apolares voltados para o lado de fora Há possibilidade de que esses segmentos se associem uns com os outros formando agregados protéicos ou fi bras conforme você viu na Figura 172 Mas por que isto ocorre A resposta tem relação com as propriedades dos aminoácidos apolares que você viu na Aula 8 Lembra que discutimos que os aminoácidos apolares ou hidrofóbicos não interagem com a água e tendem a se esconder dentro da proteína ocupando seu miolo Lembra também que os aminoácidos polares ou hidrofílicos por interagirem bem com a água fi cam mais voltados para o lado de fora da proteína Pois é Por mecanismos ainda não bem compreendidos algumas proteínas não se enovelam direito deixando de fora aminoácidos apolares que deveriam fi car escondidos no miolo da proteína Para esses aminoácidos não fi carem em contato com a água essas proteínas fazem contato umas com as outras de modo a esconder esses aminoácidos da água Desta forma aparecem fi bras como aquelas vistas na Figura 171 e representadas na Figura 172 Um dos aspectos mais surpreendentes dessas doenças princi palmente no que diz respeito às chamadas ENCEFALOPATIAS ESPONGIFORMES TRANSMISSÍVEIS e aqui se incluem a doença da Vaca Louca que acomete as vacas e um grupo de doenças que acomete o homem dentre as quais uma doença de nome estranho CreutzfeldtJakob é que elas são contagiosas É isso mesmo Se uma proteína que se enovela errado e forma fi brilas amilóides em um organismo for introduzida num organismo saudável pode levar este indivíduo ao estado enfermo E aí está a surpresa pois é possível termos contágio sem haver um microorganismo ou um material genético envolvido Apenas uma proteína mal enovelada ENCEFALOPATIAS ESPONGIFORMES TRANSMISSÍVEIS Esse é o nome técnico do grupo de doenças no qual se inclui a Doença da Vaca Louca Essas doenças em latim patia afetam uma região do cérebro chamada encéfalo fazendo com que o tecido apresente um aspecto esponjoso Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte I os agregados supramoleculares 134 C E D E R J E foi assim que a vaca fi cou louca A doença da Vaca Louca já dizimou mais de 150000 cabeças de gado na GrãBretanha desde 1985 quando teve início uma grande epidemia desta doença Ela é causada pela agregação de uma proteína chamada prion ou PrP prion protein A PrP é uma proteína encontrada na membrana das células em especial dos neurônios A função exata que ela exerce nos organismos ainda é desconhecida mas sabese que aves répteis e mamíferos a possuem Sabese também que esta proteína quando presente na membrana possui um alto conteúdo de αhélices e um baixo conteúdo de folhas β Nesta conformação não patogênica a proteína do prion é conhecida como PrPC onde C quer dizer celular Entretanto por um mecanismo ainda não completamente elucidado esta proteína sofre o que chamamos mudança conformacional isto é sua conformação muda Tal mudança de conformação dá origem a uma proteína PrP com alto conteúdo de folhas β e um baixo conteúdo de αhélices Você não está preocupada com essa doença da Vaca Louca Claro que não eu sou um cachorro C E D E R J 135 AULA 17 MÓDULO 1 Nesta conformação a proteína do prion é patogênica e é conhecida como PrPSC onde SC quer dizer scrapie em inglês que signifi ca que se arranha por esses animais passarem a se arranhar nas cercas de arame farpado do lugar onde vivem Como conseqüência da alteração na estrutura esta nova forma da proteína apresenta grande propensão em formar fi brilas como as mostradas na Figura 171 Estas fi bras se acumulam no cérebro causando danos ao funcionamento deste tecido O cérebro fi ca com aspecto esponjoso e por isso essa doença também é chamada encefalopatia espongiforme que pode acometer não só bovinos encefalopatia espongiforme bovina mas também humanos veja mais à frente o boxe Maluco nada beleza Por esse motivo diversos países da Europa nos últimos anos têm diminuído o consumo de carne de vaca Isso tem causado graves problemas em diversos países exportadores desse alimento como o Canadá conforme você viu no início dessa aula A doença da Vaca Louca infl uencia desde de o cardápio das pessoas até a política e as relações comerciais internacionais E como começou este tipo de doença O que os pesquisadores imaginam é que as vacas adquiriram esta doença a partir de ovelhas doentes As ovelhas também desenvolvem um tipo de encefalopatia espongiforme conhecida como scrapie já que as ovelhas também fi cam se roçando nas cercas quando doentes Especulase que o contágio tenha iniciado devido ao fato de as vacas na Inglaterra serem alimentadas uma ração enriquecida com uma farinha preparada com vísceras de ovelhas Ovelhas acometidas pelo scrapie teriam sido utilizadas inadvertidamente no preparo da ração As vacas ao comerem a ração contaminada adquiriram a doença É provável que neste ponto da aula você esteja se perguntando qual é o mecanismo molecular de transmissão desta doença uma vez que não há material genético envolvido no processo Vários cientistas também se fi zeram essa pergunta e tentaram respondêla por meio de experimentos Existem evidências experimentais que indicam que as ovelhas afetadas por scrapie possuem suas proteínas do prion na conformação rica em folhas β ou seja a conformação patogênica PrPSC Esta conformação alterada ao entrar em contato com a proteína celular PrPC presente no cérebro de vacas sadias causaria uma mudança conformacional nesta última convertendoa na forma PrPSC Figura 173 Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte I os agregados supramoleculares 136 C E D E R J Composição da ração das vacas Figura 173 E foi assim que a vaca fi cou louca Os cientistas acreditam que vacas normais que sintetizavam prion PrPC passaram a produzir a proteína prion na forma alterada PrPSC por causa da ração que ingeriam rica em vísceras de ovelhas que produziam prion scrapie As duas proteínas prion são completamente diferentes na sua estrutura a PrPC apresenta alto conteúdo de αhélices ao passo que a PrPSC apresenta muitas folhas β Maluco nada beleza Existem quatro doenças raras que afetam os homens e que são causadas por mudanças conformacionais na proteína PrP as quais podem ser desencadeadas por exemplo pela ingestão da carne de animais acometidos por encefalopatia espongiforme Assim como nos animais o sistema nervoso é afetado Sintomas Demência perda de memória mudança de personalidade e ocorrência de alucinações O indivíduo afetado passa a apresentar também difi culdades para falar disfunções de equilíbrio e coordenação motora Indivíduos acometidos por essas doenças podem morrer em semanas no máximo em poucos meses Já se conhecem algumas mutações na proteína PrPC que favorecem sua conversão em scrapie Esse já é um passo importante na busca de estratégias que possam evitar a morte de um indivíduo por encefalopatia espongiforme A partir do estudo destas doenças a Biologia moderna deparou se com um problema novo até então sem precedentes que é um grupo de doenças transmissíveis em que não há um patógeno convencional como agente responsável mas sim uma simples proteína Ao sofrer uma alteração de conformação esta proteína passa da forma celular e inofensiva para a forma patogênica e deletéria Você já tinha imaginado que uma estrutura tão ingênua como uma proteína poderia causar tantos problemas PrPC PrPSC PrPSC C E D E R J 137 AULA 17 MÓDULO 1 Aliás se você acha que os prions são as únicas proteínas que causam doenças neurodegenerativas aguarde até ver o que vem depois de você realizar a Atividade 1 1 Cada um com seu cada qual Leia o trecho a seguir Comissária quer que UE investigue carne do Brasil A comissária européia de Agricultura Mariann Fischer Boel pediu que a União Européia UE realize uma investigação efetiva e convincente sobre os padrões sanitários da carne bovina que o Brasil exporta ao bloco em resposta a críticas feitas por uma organização agrícola européia acredita se que parte dos envios de carne do Brasil procedem de zonas restringidas devido à febre aftosa Fonte página da BBC Brasil em httpwwwbbccoukportuguese reporterbbcstory200707070710carnebrasiluergshtml O trecho que você acabou de ler mostra a preocupação dos importadores com a qualidade da carne que nós exportamos Isso porque embora não tenhamos um histórico da presença do Mal da Vaca Louca no nosso gado temos uma parte dos animais acometida pela febre aftosa A febre aftosa é uma doença contagiosa causada por um vírus Provoca aftas ferimentos na boca língua narinas e entre outros nas patas dos animais daí seu nome em inglês ser Foot and Mouth Disease Doença do pé e da boca em português Além das aftas ocorrem perda de apetite baba excessiva tremores ranger de dentes tonturas etc ATIVIDADE 1 httpwwwsxchuphoto821526 Foto Wendy Domeni Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte I os agregados supramoleculares 138 C E D E R J a Diferencie as duas doenças de acordo com seus agentes causadores Agente causador Doença da Vaca Louca Febre Aftosa b Descreva o agente causador da Doença da Vaca Louca e como ele causa a doença Mencione em sua resposta a localização deste agente no animal os nomes que esse agente recebe quando causa a doença e quando não causa como um animal fi ca doente as diferenças entre as estruturas desse agente quando ele causa a doença e quando ele não causa RESPOSTA COMENTADA Embora a maior parte das atenções quanto às doenças que acometem gado tenha se voltado para a Doença da Vaca Louca há diversas outras que também merecem atenção inclusive a Febre Aftosa Diferentemente da Doença da Vaca Louca que é causada por uma proteína que se enovela de maneira incorreta a proteína prion a febre aftosa é causada por vírus sobre eles aliás conversaremos na próxima aula O prion é uma proteína que existe nas membranas das células nervosas e não se sabe muito bem qual é a sua função O que se sabe é que a estrutura dessa proteína é rica em αhélices e pobre em folhas β Nessa conformação ela não causa mal algum ao animal e é chamada de proteína prion celular PrPC Por algum motivo que os cientistas desconhecem até agora essa proteína pode assumir uma outra conformação que é rica em folhas β e pobre em αhélices Essa conformação anormal PrPSC é capaz de se agregar formando fi brilas que se acumulam no sistema nervoso do animal e causam dano cerebral C E D E R J 139 AULA 17 MÓDULO 1 A DOENÇA DE ALZHEIMER Diferentemente das encefalopatias espongiformes transmissíveis que são bastante raras em humanos a doença de Alzheimer afeta 25 das pessoas com mais de 80 anos Isto signifi ca que uma em cada quatro pessoas que atinge 80 anos vai adquirir a doença de ALZHEIMER Já é alarmante o número de pessoas com essa doença nos Estados Unidos Estimase que mais de 5 milhões de pessoas estejam afetadas por esta doença Fique chocado a cada 72 segundos mais uma pessoa apresenta Alzheimer nos EUA A doença de Alzheimer é fatal e de curso lento A pessoa acometida pode fi car doente de 2 a 10 às vezes 15 anos As funções cognitivas são perdidas lentamente tais como memória raciocínio fala padrão de comportamento etc Como ocorre esta doença Cortes histológicos do tecido do cérebro de pessoas que faleceram de Alzheimer Figura 173 mostram a presença de placas que não ocorrem nos cérebros de pessoas que não têm a doença Estas placas são conhecidas como placas senis A presença destas placas no cérebro atrapalha a transmissão do impulso nervoso e por conseqüência o bom funcionamento do cérebro Assim é que aparecem os sintomas que você viu anteriormente Nestas placas encontramos fi bras de um peptídeo conhecido como β amilóide a quem vem sendo atribuída a causa da doença de Alzheimer Mas de onde é que ele surge Os cientistas já conseguiram descobrir que o peptídeo β amilóide é derivado de uma proteína maior chamada APP do inglês amyloid precursor protein proteína precursora de amilóide Esta proteína está presente na membrana de várias células inclusive na dos neurônios Sua função precisa ainda é incerta mas ela parece estar relacionada com o crescimento celular ALOIS ALZHEIMER 18641915 Alois Alzheimer médico alemão foi o descobridor da doença de Alzheimer que foi assim batizada em sua homenagem Ele descobriu essa doença em 1905 quando uma paciente Sra August D deu entrada no hospital onde ele trabalhava apresentando quadro de demência perda de memória e alterações de comportamento Quando essa paciente morreu ele analisou o tecido do córtex cerebral dela e descreveu a presença de placas senis que você verá o que é daqui a pouco Alzheimer morreu em 1915 depois de passar dois anos com uma grande infecção cardíaca e renal que levou à insufi ciência destes dois órgãos Um animal fi ca doente a partir do contágio por uma PrPSC quando esta entra em contato com a PrPC eis a Doença da Vaca Louca encefalopatia espongiforme transmissível bovina se você preferir Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte I os agregados supramoleculares 140 C E D E R J Pode acontecer de esta proteína ser quebrada clivada por exemplo porque já alcançou o limite do seu tempo de vida Essa quebra da APP acontece pela ação de PROTEASES específi cas conhecidas como secretases β e γ Essas secretases quebram a APP gerando o peptídeo β amilóide que é liberado da célula Se ele for rapidamente metabolizado não há problemas se não for devido à sua alta propensão em agregar forma fi bras como as que você viu na Figura 171 Figura 174 Placas senis no cérebro de pessoas acometidas pela doença de Alzheimer Estas placas são formadas por agregados do peptídeo βamilóide e prejudicam o bom funcionamento do cérebro Nos primeiros estágios da doença a região relacionada à formação de memória de curto prazo é especialmente afetada É por isso que pessoas que sofrem de Alzheimer têm difi culdade de se lembrar do que fi zeram recentemente Com o avanço da doença outras áreas do cérebro são danifi cadas incluindo as responsáveis pela fala e compreensão do que se escuta a memória de longo prazo também é afetada e uma pessoa com Alzheimer pode morrer sem conseguir reconhecer pessoas próximas e queridas Embora também seja uma doença que ataque o sistema nervoso central a doença de Alzheimer não é transmissível diferentemente das encefalopatias espongiformes transmissíveis Infelizmente não há cura para o Alzheimer Os cientistas estão adotando algumas estratégias mais promissora parece ser a descoberta de inibidores para as secretases que geram o peptídeo β amilóide Os pesquisadores acreditam que inibindo estas secretases não haja formação do peptídeo e com isto a doença não progrida Por enquanto o máximo que temos à disposição são alguns medicamentos aprovados pela FDA Food and Drug Association órgão norteamericano que testa os medicamentos e os considera aptos ou não PROTEASES São enzimas que quebram as proteínas gerando fragmentos menores das mesmas Além das fi bras outra característica nociva desse peptídeo é ser neurotóxico isto é causar a morte de células nervosas cultivadas em laboratório Acreditase que ele também cause a morte de neurônios no organismo C E D E R J 141 AULA 17 MÓDULO 1 para a comercialização que atuam minimizando os sintomas da doença Esses medicamentos atuam basicamente em duas frentes 1 minimizando distúrbios de comportamento como surtos de agressividade ou de depressão alucinações dentre outros Nessa linha temos os antidepressivos os ANSIOLÍTICOS e os antipsicóticos que evitam os surtos e alucinações 2 tentando contornar disfunções cognitivas como perda de memória incapacidade de prestar atenção em algo difi culdade de expressão fala Nessa direção temos remédios que controlam mensageiros químicos que levam informações de um neurônio a outro os neurotransmissores ANSIOLÍTICO Remédio administrado ao paciente que tenha distúrbio de ansiedade o que costuma causar grande agitação e nervosismo 2 Trovão Distante Trovão Distante por Pete eu estava deitado na cama assistindo televisão mudando de canal sem achar nada de interessante para assistir Três dias antes eu fi z 57 anos e anotei no meu diário Deus como posso estar tão velho Isso parece ser impossível embora eu venha me sentindo bastante cansado Mudando de canal me deparei com um programa começando chamado Explorando o início do aparecimento da Doença de Alzheimer O apresentador exibiu alguns dos problemas que eu tinha começado a experimentar por exemplo não lembrar onde as coisas estavam na cozinha em que armário ou gaveta eu as guardava Desliguei a televisão respirei fundo algumas vezes fechei meus olhos fui para o sofá e deixei minha mente fi car vazia Tentei relaxar não pensar que aquilo pudesse estar acontecendo comigo mas estava lá como o som de um trovão distante à espreita no horizonte Eu sabia que alguma coisa estava errada já sentia isso havia algum tempo Tentei visualizar meus parentes e minha vida com eles o crescimento da minha família Era tudo confuso e vago Fonte httpwwwalzorglivingwithalzheimers8895asp ATIVIDADE 1 Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte I os agregados supramoleculares 142 C E D E R J O que você acabou de ler é a tradução de um trecho de um depoimento retirado da página da Associação Norteamericana de Alzheimer Se você tivesse de explicar para Pete o autor deste depoimento o que está acontecendo dentro do cérebro dele para que esses sintomas tão desagradáveis se manifestem o que você diria Mencione em sua resposta o agente causador da doença como ele é originado e que tipo de estruturas forma no cérebro do indivíduo doente Que agente causa a doença Como esse agente é originado Que tipo de estruturas são formadas no cérebro do indivíduo doente RESPOSTA COMENTADA Provavelmente seu sentimento em relação a esse depoimento é bastante parecido com o nosso comoção A doença de Alzheimer priva o indivíduo das suas memórias das lembranças dos familiares da capacidade de fazer julgamentos compreender o que se fala ao seu redor dentre outros problemas Tudo isso acontece porque o cérebro do indivíduo é danifi cado por aglomerados de um peptídeo o β amilóide O peptídeo β amilóide é originado a partir da quebra de uma proteína a proteína APP que existe nas membranas dos neurônios Quando essa proteína é clivada por secretases o peptídeo β amilóide é formado esse peptídeo tem grande propensão a formar agregados e é isso o que acontece Formamse fi brilas desse peptídeo que se acumulam no cérebro e dão origem em estágios avançados da doença às placas senis que são verdadeiros buracos no cérebro do paciente As conseqüências são o comprometimento do bom funcionamento de diversas partes do cérebro e os sintomas são os que você viu nesta aula e no início desta resposta C E D E R J 143 AULA 17 MÓDULO 1 CONCLUSÃO Ainda não existe tratamento para as doenças causadas pelos prion ou pelo peptídeo β amilóide Os cientistas têm procurado desenvolver drogas que inibam a formação das fi brilas visando com isto a impedir a progressão das doenças Uma conclusão que podemos tirar de tudo o que você viu nesta aula é que estas doenças nos mostram a necessidade de conhecermos muito bem a estrutura e o funcionamento das proteínas Desta forma é possível desenhar ou descobrir drogas capazes de impedir o avanço destas doenças fatais e enigmáticas ATIVIDADE FINAL Cada um na sua mas com alguma coisa em comum Esta atividade está dividida em duas partes É importante que você responda à parte I antes de ler a parte II Vamos lá Durante esta aula você aprendeu como surgem duas doenças importantes muito faladas na atualidade a doença da Vaca Louca e o mal de Alzheimer Parte I Baseado em tudo o que estudou nesta aula sua tarefa é encontrar três semelhanças e duas diferenças entre a doença da Vaca Louca e o mal de Alzheimer Semelhanças 1 2 3 Diferenças 1 2 1 2 Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte I os agregados supramoleculares 144 C E D E R J Parte II Independentemente de estarmos nos referindo à doença da Vaca Louca ou ao mal de Alzheimer sabemos que essas patologias são causadas por proteínaspeptídeos que se agregam A pergunta que desafi amos você a responder é por que motivo relacionado à distribuição de seus aminoácidos essas proteínas se agregam RESPOSTA COMENTADA Parte I Para responder a essa parte da atividade você pode ter pensado que ambas as doenças não são causadas por agentes que tenham material genético e sejam capazes de se replicar são causadas por agentes de natureza protéica são causadas por agregação desses agentes são causadas por moléculas que existem no corpo em condições normais só que com outra estrutura atingem um grande número de indivíduos independentemente da espécie atacam o sistema nervoso central são doenças neurodegenerativas não têm cura levam à morte Embora apresentem todas essas semelhanças há diferenças importantes entre elas atingem organismos de espécies diferentes uma é causada por uma proteína inteira que sofreu enovelamento incorreto ao passo que a outra é causada por um peptídeo que é gerado pela quebra de uma proteína a APP o Mal de Alzheimer não é transmissível a Doença da Vaca Louca é Se você pensou algo que não esteja listado aqui não deixe de procurar seu tutor e mostrar sua resposta Parte II Se você prestou bastante atenção no que dissemos no início desta aula esta parte da atividade deve ter sido fácil de responder C E D E R J 145 AULA 17 MÓDULO 1 Algumas proteínas quando sofrem enovelamento incorreto podem formar estruturas conhecidas como fi bras amilóides Estas fi bras têm características particulares como a capacidade de se agregar formando os chamados agregados supramoleculares Dois desses agregados têm grande relevância atualmente os que causam a doença da Vaca Louca e o que causa o mal de Alzheimer A doença da Vaca Louca encefalopatia espongiforme bovina é causada por uma proteína conhecida como prion A proteína prion PrP está presente na membrana de células especialmente de neurônios e não tem ainda função bem conhecida Em condições normais essa proteína é chamada de PrPC e é constituinte do organismo em condições patológicas essa proteína passa a ser chamada de PrPSC e se agrega no tecido nervoso causando danos O mais surpreendente acerca desta doença é que ela é transmissível e pode afetar inclusive seres humanos Uma outra doença causada por agregados supramoleculares e que afeta o cérebro é o mal de Alzheimer Esta doença acomete indivíduos idosos e seus sintomas são perda de memória da capacidade de falar e compreender o Alzheimer não tem cura e o indivíduo após alguns anos morre Esta doença é causada pela agregação do peptídeo β amilóide que é produto da quebra da proteína APP A agregação leva à formação de fi bras amilóides que danifi cam o tecido nervoso e levam aos sintomas que já mencionamos R E S U M O Independentemente de ser por enovelamento incorreto no caso dos PrPSC ou por quebra da proteína no caso do peptídeo β amilóide acontece agregação porque os resíduos de aminoácidos apolares estão expostos à água Em uma proteína enovelada corretamente os aminoácidos apolares estão confi nados ao cerne miolo da proteína onde fi cam protegidos do contato com a água com a qual não são capazes de interagir Quando esses aminoácidos por qualquer motivo são expostos a um ambiente aquoso eles tendem a formar agregados a fi m de esconder os grupamentos apolares da água É por isso que a proteína prion SC e o peptídeo β amilóide têm grande tendência a formar agregados para evitar o contato dos seus aminoácidos apolares com a água Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte I os agregados supramoleculares 146 C E D E R J INFORMAÇÃO SOBRE A PRÓXIMA AULA Na próxima aula você verá como se forma mais um agregado supramolecular de grande importância para a Medicina no mundo todo o vírus Até lá Ainda não se conhece a cura para ambos os males Os pesquisadores trabalham para conhecer melhor a estrutura dessas proteínas causadoras das doenças para que possam desenvolver estratégias para bloquear a formação dos agregados objetivos Meta da aula Apresentar a formação de mais uma estrutura supramolecular composta de proteínas o capsídeo dos vírus e uma introdução à estrutura e replicação destes patógenos Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de identifi car os elementos que compõem a estrutura de um vírus caracterizar o capsídeo de um vírus identifi car a importância das células para o processo de multiplicação de um vírus Quando as proteínas se tornam mais parte II os vírus 18 A U L A 1 2 3 Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte II os vírus 148 C E D E R J Seguindo a linha do que você viu no início da aula passada também sobre a formação de agregados supramoleculares de proteínas leia a matéria a seguir INTRODUÇÃO O dado faz parte de um estudo lançado pela entidade que avalia o impacto da Aids sobre o mundo do trabalho Um dos problemas apon tados pela OIT é o de que o crescente número de crianças que crescem sem o apoio dos pais que morreram por causa da Aids têm a educação prejudicada e chances menores de conseguir um trabalho de boa qualidade no futuro Em todo o mundo a OIT estima que 15 milhões de órfãos com menos de 18 anos perderam pelo menos um dos pais por causa da Aids Extraído de httpwwwbbccoukportuguese noticiasstory200407 040709aidsebcshtml 50 DOS ÓRFÃOS DO BRASIL PERDERAM UM DOS PAIS PARA A AIDS Chocante não É por isso que dedicamos uma aula inteira para falar um pouco sobre a estrutura dos vírus e outra para você acompanhar por meio de um estudo dirigido como é o processo de entrada deste PATÓGENO em uma célula Vamos lá OS VÍRUS Certamente você já ouviu falar em algumas das doenças a seguir AIDS HIV Hepatites Catapora Herpes Caxumba Poliomielite Dengue Rubéola Enterites rotavírus Raiva Febre amarela Sarampo Gripe infl uenza Varíola PATÓGENO Agente causador de doença C E D E R J 149 AULA 18 MÓDULO 1 O que elas têm em comum O fato de serem causadas pelo mesmo tipo de patógeno o vírus Mas o que são os vírus e como eles podem causar tantas doenças Os vírus são estruturas incapazes de se replicar por conta própria Para se multiplicarem eles precisam entrar em uma célula chamada célula hospedeira que lhes fornecerá tudo aquilo de que precisam para se propagarem as enzimas envolvidas no processo e os suprimentos energéticos para o seu acontecimento Somente quando os vírus atingem o interior das células é que podem replicar seus genes e produzir uma numerosa prole Assim a perpetuação dos vírus na natureza depende de sua capacidade de infectar alguns tipos celulares Desde a sua entrada até o momento em que o vírus deixa a célula uma série de eventos acontecem esses eventos dependem do tipo de vírus que está infectando e da célula que está sendo infectada A combinação entre esses dois quesitos é que faz com que tenhamos uma quantidade tão grande de doenças causadas por vírus Essa combinação inclusive é diretamente infl uenciada pela existência de enorme quantidade de vírus diferentes Acha que estamos exagerando Observe a Figura 181 Figura 181 Diversidade estrutural dos vírus Os vírus podem apresentar como material genético tanto DNA quanto RNA mas nunca os dois ao mesmo tempo Ao contrário do que acontece nos demais organismos nos quais o genoma é sempre DNA nos vírus os dois materiais genéticos DNA e RNA podem compor o genoma e se apresentar em dupla fi ta ds ou fi ta simples ss Você pode ver exemplos de vírus que possuem cada tipo de genoma na parte superior da fi gura Como se não bastasse ainda podemos ter vírus que levam ou não consigo uma parte da membrana da célula hospedeira ao sair de dentro dela depois da replicação Estes são os vírus envelopados Picornaviridae Iridoviridae Adenoviridae Papovaviridae Parvoviridae Reoviridae Coronaviridae Arenaviridae Bunyaviridae Orthomyxoviridae Rhabdoviridae Retroviridae Togaviridae Paramyxoviridae Poxiviridae Baculoviridae Hespesviridae ds DNA ss RNA ds RNA ss DNA RNA ss ds DNA Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte II os vírus 150 C E D E R J O que você acabou de ver na fi gura defi nitivamente não foram todos os vírus que existem mas todos os tipos de vírus que existem Eles estão agrupados nessa fi gura de acordo com suas características estruturais que apresentam grande variação quanto ao tamanho forma e composição Eles são formados por um material genético que pode ser tanto DNA ou RNA em fi ta dupla ou simples Este material genético chamado genoma viral é o que carrega as informações necessárias para que de um vírus possam ser feitos muitos outros Não há vantagens especiais em ter um ou outro tipo de genoma a existência de vários tipos proporciona aos vírus uma diversidade maior e conseqüentemente maior difi culdade de defesa para os organismos que eles infectam Quando um vírus entra em uma célula ele faz com que toda a célula trabalhe em função da sua replicação em uma enorme prole viral É o genoma do vírus que informa para a célula quantas cópias de cada proteína e de cada novo genoma devem ser sintetizadas para formar os novos vírus Mas proteínas É isso mesmo o genoma viral não é a única parte da estrutura dos vírus Existe uma estrutura composta por proteínas que protege esse genoma e permite que ele permaneça longos períodos de tempo fora de uma célula Essa estrutura protéica é chamada capsídeo Figura 182 Representação de um corte da estrutura de um vírus envelopado O genoma viral fi ca confi nado dentro do capsídeo protéico Esse capsídeo é recoberto por um envelope lipídico que o vírus ganha ao sair da célula em que se replicou Neste envelope há glicoproteínas que orientaram a saída do vírus por uma região específi ca da célula hospedeira e que vão participar da entrada do vírus em uma outra célula Glicoproteínas que fi cam na superfície do vírus e participam da interação deste com a célula hospedeira Genoma viral Envelope lipídico Capsídeo protéico C E D E R J 151 AULA 18 MÓDULO 1 GLICOPROTEÍNAS Proteínas que apresentam carboidratos açúcares ligados à sua estrutura O capsídeo protege o ácido nucléico de possíveis danos ou degradação São estruturas extremamente estáveis enquanto os vírus se encontram no meio extracelular No entanto ao entrarem em contato com a célula hospedeira os capsídeos virais devem se desestabilizar permitindo a exposição do genoma ao meio intracelular onde ele será replicado transcrito e traduzido os mecanismos envolvidos nesta mudança de estabilidade são o tema de nossa próxima aula O capsídeo protéico do vírus pode ou não ser envolvido por uma membrana lipídica chamada envelope Esse envelope é na verdade um pedaço da membrana plasmática da célula hospedeira que o vírus carrega consigo na hora em que vai sair da célula Difícil de visualizar Veja a fi gura a seguir O vírus que acabou de ser produzido no interior da célula hospedeira ganha esse envelope na hora em que vai deixar essa célula Quando o vírus já está montado no interior da célula genoma viral dentro do capsídeo ele se direciona para uma parte específi ca da membrana da célula Essa parte específi ca da membrana por onde os vírus saem da célula apresenta em sua superfície GLICOPROTEÍNAS codifi cadas pelo vírus ou seja que ele mandou a célula sintetizar e são essas proteínas que direcionam o vírus para sair da célula exatamente naquele ponto da membrana dela Figura 183 Vírus saindo de dentro da célula hospedeira por brotamento Na membrana da célula há glicoproteínas que foram sintetizadas a partir do genoma viral Essas glicoproteínas precisam estar na superfície dos novos vírus pois participam da infecção de novas células Os vírus recémmontados migram para uma parte da membrana da célula onde estão essas glicoproteínas que foram sintetizadas e saem da célula por essa região envolvidos por um pedaço da membrana da célula o envelope lipídico Novo vírus Glicoproteínas Interior da célula Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte II os vírus 152 C E D E R J Resumindo os vírus são compostos por um genoma englobado por um capsídeo protéico que pode estar envolvido por um envelope lipídico se o vírus for do tipo que sai da célula por brotamento Embora a Figura 181 tenha separado a diversidade viral de acordo com o genoma desses patógenos essa não é a única classifi cação de vírus que podemos fazer Há outras dentre elas a que leva em consideração a estrutura do capsídeo do vírus Sobre isso você aprenderá logo após realizar a Atvidade 1 Da formiga ao elefante Os menores vírus conhecidos os vírus satélites possuem diâmetro de 18 nm apresentando apenas um gene Estes vírus são tão simples que só podem se replicar caso infectem uma célula juntamente com outro vírus Já outros vírus como o BACTERIÓFAGO T4 os rabdovírus como o vírus da raiva e os poxvírus como o vírus da varíola apresentam mais de 200 nm e uma complexa estrutura genômica que pode chegar no caso dos poxvírus a mais de 200 genes BACTERIÓFAGO Vírus que infecta bactérias C E D E R J 153 AULA 18 MÓDULO 1 1 Como é um vírus Quando vemos uma pessoa com os olhos vermelhos e irritados é possível que estejamos diante de alguém com conjuntivite A conjuntivite é uma irritação da conjuntiva uma membrana que recobre o olho e a parte interna da pálpebra Pode ser causada tanto por um vírus quanto por uma bactéria Imagine que a pessoa da foto tenha sua conjuntivite causada pelo seguinte patógeno a Você diria que ela está com conjuntivite viral ou bacteriana Viral Bacteriana b Diga uma estrutura que você vê nesta imagem e que poderia estar presente tanto em um vírus quanto em uma bactéria ATIVIDADE Fonte httpwwwsxchuphoto296655 Foto Josh Armstrong 1 2 Citoplasma DNA Membrana plasmática Parede celular Mesossoma Ribossomos Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte II os vírus 154 C E D E R J c Qual é a estrutura cuja ausência indica claramente que estamos diante de um patógeno e não de outro Qual é a composição dessa estrutura e qual a sua função RESPOSTA COMENTADA A pessoa da foto defi nitivamente está com uma conjuntivite bacteriana Isso porque na imagem do agente causador da doença há estruturas que não pertencem à composição de um vírus como você acabou de estudar parede celular mesossoma ribossomos e citoplasma Um elemento que você poderia inicialmente confundir é o DNA Isso porque esse material genético encontrado em bactérias pode ser encontrado em alguns vírus também Além disso na fi gura há uma membrana plasmática o que também poderia têlo deixado em dúvida afi nal alguns vírus podem ser compostos também por um envelope lipídico que nada mais é do que um pedaço da membrana plasmática da célula em que ele se replicou No entanto as outras estruturas que acabamos de listar no parágrafo anterior descartariam a possibilidade de estarmos diante de um vírus Da estrutura representada na imagem outro elemento que nos faz descartar a possibilidade de ser um vírus é o fato de ele não ter um capsídeo O capsídeo é uma estrutura composta por proteínas e que tem como função abrigar o genoma viral em seu interior protegendoo de degradação e possíveis danos às informações que esse genoma contém Realizando esta atividade você acabou de identifi car os elementos que compõem a estrutura de um vírus Figura 184 Imagens de diversos capsídeos virais obtidas por microscopia eletrônica COMO SÃO OS CAPSÍDEOS VIRAIS A Figura 184 mostra imagens de vários vírus obtidas por microscopia eletrônica O que você observa em relação à forma dos capsídeos C E D E R J 155 AULA 18 MÓDULO 1 Repare que os capsídeos apresentam forma tubular ou esférica De fato vários estudos mostram que os vírus de estrutura conhecida apresentam capsídeos cujas proteínas estão arranjadas simetricamente de forma HELICOIDAL os tubulares ou ICOSAÉDRICA os esféricos HELICOIDAL ICOSAÉDRICO Um arranjo em forma HELICOIDAL nada mais é do que um arranjo em forma de hélice Já um arranjo ICOSAÉDRICO é aquele que possui a forma de uma fi gura geométrica tridimensional poliedro de 20 lados Para você visualizar um icosaedro veja o dado de 20 lados Mistério resolvido a estrutura do DNA Francis Crick e James Watson são dois dos mais conhecidos cientistas da História Isso porque esses dois pesquisadores elucidaram um problema que há muito era investigado sem sucesso a estrutura do DNA Foram eles que propuseram a hipótese de que o DNA se organizava em uma hélice dupla com uma seqüência entrelaçandose na outra Essa descoberta foi publicada em 1953 em uma das mais conceituadas revistas científi cas Nature em um artigo que tinha apenas uma página não mostrava nenhum experimento feito por eles e somente discorria sobre a hipótese da dupla hélice que estava correta Isso rendeu aos dois o prêmio Nobel de Medicina em 1962 O que poucas pessoas sabem é que esse prêmio na verdade foi dividido por três Mas como isso foi descoberto Na década de 1950 os estudos de Francis Crick e James Watson veja o boxe Mistério resolvido a estrutura do DNA contribuíram enormemente para a compreensão da estrutura dos vírus Estes cientistas propuseram que a forma dos capsídeos virais seja de vírus que infectam animais seja dos que infectam vegetais ou ainda dos que infectam bactérias consistia em um poliedro regular E de onde veio essa idéia Tudo começou quando eles pensaram que não é possível que um ácido nucléico de tamanho pequeno como o do vírus codifi que uma proteína grande o bastante para envolvêlo e protegêlo Assim o capsídeo deve ser formado por muitas cópias de uma mesma proteína ou de poucas proteínas diferentes isso permite que os vírus se formem mesmo tendo um genoma pequeno ou seja que não tem comprimento sufi ciente para conter um grande número de genes ICOSAÉDRICO Fonte httpwwwsxchu photo75105 Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte II os vírus 156 C E D E R J Uma particularidade importante da montagem do capsídeo é que as subunidades protéicas devem se reconhecer com precisão e interagir por interações nãocovalentes ou seja pontes de hidrogênio interações hidrofóbicas etc Afi nal o capsídeo têm de se montar espontaneamente dentro da célula a partir de seus componentes individuais Subunidades idênticas arranjadas que se reconheçam da mesma maneira levam à ocorrência de estruturas de simetria uma vez que padrões repetidos de partes idênticas levam a uma estrutura fi nal simétrica Assim os capsídeos virais consistem em estruturas formadas por subunidades simetricamente arranjadas Hoje sabemos que essas estruturas simétricas são hélices ou poliedros Os vírus que apresentam simetria na forma de hélice são os de forma tubular A estrutura deles foi elucidada a partir de estudos com o vírus do mosaico do tabaco TMV um vírus que ataca essa planta de grande interesse econômico e hoje em dia sabese que é a mesma para vírus como o da raiva por exemplo Os pesquisadores viram que várias unidades de uma mesma proteína se organizavam ao redor do material genético do vírus formando uma espécie de capa protetora na forma de uma hélice bem determinada ou seja com o mesmo comprimento e a mesma distância entre as voltas que a compõem Figura 185 Havia um outro cientista Maurice Wilkins que comprovou que Watson e Crick estavam certos visualizando a estrutura do DNA por difração de raios X A descoberta da estrutura simétrica dos vírus veio logo em seguida mais por infl uência de Watson que há alguns anos trabalhava com esse tipo de patógeno Mais uma curiosidade sobre eles a despeito de o prêmio ser de Medicina nenhum deles é médico Crick e Wilkins são físicos e Watson é zoólogo Se você tiver um pouco de conhecimento de língua inglesa e quiser saber mais sobre o assunto e ver as fotos desses pesquisadores é só visitar a página do prêmio Nobel de 1962 em httpnobelprizeorgnobelprizesmedicine laureates1962indexhtml Figura 185 Representação do capsídeo de um vírus que apresenta simetria helicoidal Vírus cujo capsídeo seja formado seguindo a simetria helicoidal tem suas proteínas de capsídeo organizadas em forma de hélice cujo diâmetro de todas as voltas é o mesmo assim como a distância entre elas C E D E R J 157 AULA 18 MÓDULO 1 Já sobre os vírus que apresentam simetria icosaédrica O icosaedro é um poliedro formado por vinte lados idênticos mais especifi camente vinte triângulos equiláteros O icosaedro como todos os objetos simétricos pode ser subdividido em partes menores que não são mais simétricas mas que guardam entre si uma relação de simetria sendo por isso chamadas de unidades assimétricas do icosaedro O número de unidades assimétricas presentes no icosaedro é de sessenta uma vez que cada face triangular 120 do icosaedro pode ser dividida em três partes simetricamente relacionadas Figura 186 Figura 186 Divisão da superfície de um icosaedro em unidades assimétricas Um icosaedro possui 20 faces triangulares e a cada uma dessas faces é dividida em três unidades assimétricas Em b você vê essas três proteínas no caso dos vírus simetricamente relacionadas e posicionadas em cada face do icosaedro Unidades assimétricas Proteínas que podem compor a unidade assimétrica a b Como as proteínas são estruturas assimétricas o número máximo de subunidades protéicas presentes em um capsídeo viral icosaédrico deveria ser 60 número de unidades assimétricas do icosaedro Entretanto um capsídeo formado por 60 subunidades de uma proteína de 300 aminoácidos teria uma cavidade interna com aproximadamente 80 Å que poderia conter um ácido nucléico de fi ta simples com apenas 3 kb Pouquíssimos vírus apresentam uma estrutura como essa Como exemplos podemos citar os parvovírus que possuem um capsídeo formado por 60 cópias de uma proteína de 520 aminoácidos cujo gene ocupa 13 do genoma viral ou o satélite do vírus da necrose do tabaco que possui 60 cópias de uma proteína de 195 aminoácidos mas não é autosufi ciente ou seja precisa infectar a célula hospedeira juntamente com outro vírus para poder se replicar A grande maioria dos vírus icosaédricos apresenta número de subunidades maior do que sessenta mais especifi camente múltiplos deste número ou seja mais de uma proteína forma a unidade assimétrica do icosaedro Isso possibilitou a formação de capsídeos maiores que podem englobar genomas também maiores Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte II os vírus 158 C E D E R J Figura 187 Microscopia eletrônica com sombreamento retirada do artigo publicado por Paul Kaesberg 1956 Esta é uma das fi guras do trabalho que mostra os resultados dos experimentos feitos por Kaesberg e que elucidaram a estrutura do capsídeo dos vírus até então ditos esféricos na verdade eles são icosaédricos Dois princípios básicos governam o arranjo das proteínas nos capsídeos virais 1 o da economia genética os vírus são formados por poucos tipos protéicos o que faz com que um vírus que tenha poucos genes seja capaz de dirigir a síntese de seu capsídeo 2 o da especifi cidade as proteínas virais apresentam alta capacidade de reconhecimento umas das outras Assim as muitas unidades de uma mesma proteína viral sintetizadas no citoplasma de uma célula se reconhecem e podem montar o capsídeo A estrutura icosaédrica para os capsídeos virais foi comprovada por outro cientista chamado Paul Kaesberg também na década de 1950 Foi esse cientista que refutou a idéia de que alguns vírus eram esféricos e analisando estudos de microscopia com sombreamento difração de raios X e microscopia eletrônica Figura 187 propôs que os vírus ditos esféricos estudados até então na verdade eram icosaédricos o que posteriormente se tornou evidente para todos os capsídeos protéicos dos vírus esféricos Talvez você esteja se perguntando por que motivo estamos falando tanto da estrutura do capsídeo dos vírus Lembra que na aula passada você estudou a relação entre a estrutura e a função da hemoglobina Agora não é diferente as proteínas que compõem o capsídeo de um vírus apresentam uma estrutura que possibilita que elas se montem de maneira simétrica para compor essa capa que protege o genoma viral Ainda sobre relação entre estrutura e função é importante que você tenha em mente que também há uma relação estreita entre a estrutura do capsídeo e a função que ele exerce Veja uma pequena introdução sobre esse assunto logo após a Atividade 2 C E D E R J 159 AULA 18 MÓDULO 1 2 Montando um quebracabeça O capsídeo de um vírus como você deve ter descrito na Atividade 1 é uma estrutura formada por proteínas cuja função é proteger o genoma viral que fi ca abrigado em seu interior Quando o vírus infecta uma célula hospedeira é importante que esse capsídeo rapidamente se desestabilize se desmonte liberando no interior da célula o genoma viral para que este possa ser replicado e novos vírus possam ser sintetizados Considerando que o processo de replicação do genoma viral já tenha sido concluído e que todas as proteínas necessárias à montagem do novo vírus tenham sido sintetizadas como é que estas proteínas se organizam para montar os capsídeos dos novos vírus Mencione em sua resposta as duas possibilidades de montagem que você estudou RESPOSTA COMENTADA Tão importante quanto o capsídeo ser capaz de se desmontar rapidamente dentro da célula para liberar o genoma viral para ser replicado é que ele seja capaz de se remontar espontaneamente quando o processo de replicação terminar A estratégia selecionada para essa montagem acontecer espontânea e efi cientemente foi utilizar diversas cópias de uma mesma proteína ou de poucas proteínas para compor esse capsídeo Essas várias cópias de uma proteína têm grande afi nidade umas pelas outras e tendem no citoplasma a se agregar Essa agregação acontece de maneira simétrica e o tipo de simetria vai depender do tipo de vírus Alguns vírus organizam seu capsídeo em simetria helicoidal ou seja formando uma hélice de proteínas em torno do material genético Esses são os vírus que apresentam formato tubular como é o caso do vírus do mosaico do tabaco e o da raiva Outros vírus antigamente chamados esféricos apresentam simetria icosaédrica ou seja organizam suas unidades protéicas de forma que a estrutura fi nal se assemelhe a um icosaedro um poliedro de 20 lados Exemplos desses vírus são o vírus da dengue da AIDS da gripe vírus infl uenza ATIVIDADE 2 Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte II os vírus 160 C E D E R J A relação entre a estrutura das proteínas virais e a entrada dos vírus nas células hospedeiras A estrutura das proteínas virais e as modifi cações da estrutura terciária que essas proteínas podem sofrer o que é chamado fl exibilidade conformacional permitem aos vírus reconhecer sua célula hospedeira A ligação dos vírus na célula hospedeira se dá quando acontece a interação das proteínas do vírus com a superfície celular Essa interação desencadeia uma série de eventos que culminam com a entrada do vírus na célula e com a exposição do genoma viral ao meio intracelular Como mencionamos no início da aula os mecanismos envolvidos neste processo variam muito de vírus para vírus Na próxima aula analisaremos o processo de entrada em uma célula de uma importante família de vírus os picornavírus da qual fazem parte vírus de grande importância médica como Poliovírus o vírus causador da poliomielite uma doença que acomete crianças causando paralisia também chamada de paralisia infantil FMDV Foot and Mouth Disease Virus vírus causador da febre aftosa que como você viu na aula anterior é uma doença que acomete o gado Rinovírus o vírus causador do resfriado comum Vírus da hepatite A vírus que causa a hepatite A doença que ataca o fígado e compromete seu bom funcionamento Em seguida você entenderá as estratégias usadas pelos vírus envelopados aqueles que possuem uma membrana lipídica em volta de seu capsídeo para atingirem o interior de suas células hospedeiras Para isso usaremos como exemplo o HIV o vírus que causa a AIDS Faremos isso realizando um estudo dirigido por isso não há uma atividade relacionada a essa última parte da aula CONCLUSÃO Varíola dengue raiva poliomielite sarampo catapora hepatite AIDS Essas são só algumas das doenças causadas por vírus e que ajudam a justifi car a necessidade de estudar e entender a estrutura desses parasitas e os mecanismos pelos quais eles invadem uma célula no nosso corpo A compreensão dessa estrutura e desses mecanismos é que nos possibilita desenhar drogas que impeçam o vírus de se multiplicar nos organismos C E D E R J 161 AULA 18 MÓDULO 1 ATIVIDADE FINAL Como os vírus se propagam Esta atividade é longa e tem um grau de difi culdade um pouco mais alto é uma atividadedesafi o Você gastará um tempo maior para realizála mas os ganhos que você terá ao tentar serão valiosos Boa sorte Imagine que João trabalha em um laboratório que faz pesquisas com vírus que matam as células após se replicarem Este laboratório recebeu em uma semana do período de férias escolares um grupo de alunos do primeiro ano do Ensino Médio interessados em entender sobre a multiplicação dos vírus João foi designado para fazer uma experiência com esses alunos Eis o que ele fez 1 Separou quatro placas de petri especiais para cultura de células Duas dessas placas estavam com células cultivadas no laboratório 106 células por placa grupo I e duas estavam apenas com MEIO DE CULTURA grupo II 3 MEIO DE CULTURA Substância que contém os nutrientes necessários para uma célula crescer em cultura ou seja em placas em um laboratório Essa substância é diluída em água para a colocarmos em contato com as células 2 Selecionou uma dentre as amostras de vírus que tinha guardadas e dividiua em quatro alíquotas iguais Grupo I com células Grupo II sem células Fonte httpwwwsxchuphoto803093 Foto Jean Scheijen Placas com células cultivadas no laboratório em meio de cultura Placas com meio de cultura apenas Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte II os vírus 162 C E D E R J 3 Colocou o conteúdo de cada alíquota em cada uma das placas Grupo I com células Grupo II sem células Tubos com o conteúdo que foi coletado das placas do grupo I Tubos com o conteúdo que foi coletado das placas do grupo II Novas placas para o grupo I Novas placas agora com células cultivadas no laboratório receberam uma fração do que foi coletado nos tubos do grupo II Novas placas para o grupo II Placas com células cultivadas no laboratório em meio de cultura Placas com meio de cultura apenas 4 Esperou algumas horas prazo de que esse vírus precisava para se replicar 5 Retirou uma amostra do conteúdo de cada placa e colocouas em tubos ainda separadas por grupo 6 Colocou uma pequena fração de cada um desses tubos em novas placas todas com células agora 106 células mesma quantidade usada no passo 1 Novas placas com células cutivadas no laboratório receberam uma fração do que foi coletado nos tubos do grupo I C E D E R J 163 AULA 18 MÓDULO 1 7 Aguardou mais algumas horas 8 Observou as placas dos dois grupos em um microscópio Resultado obtido para o grupo I Todas as células mortas Resultado obtido para o grupo II Todas as células vivas A não ser pelo fato de que inicialmente o grupo I tinha células e o grupo II não as condições experimentais a que as placas foram expostas eram exatamente as mesmas durante todo o experimento Considerando isso responda Por que as amostras coletadas das placas do grupo I no passo 5 foram capazes de matar as células em que foram adicionadas no passo 6 e as do grupo II não Fonte httpwwwsxchu photo810369 Foto Janet Goulden Bioquímica I Quando as proteínas se tornam mais parte II os vírus 164 C E D E R J RESPOSTA COMENTADA Esta atividade é longa e dá trabalho analisar as informações atentamente mas a sua resposta é simples para chegar a ela você precisaria ter em mente uma informação que foi dada no início da aula os vírus somente são capazes de se multiplicar se infectarem uma célula Se você voltar ao passo 5 verá que João adicionou vírus a placas com células grupo I e a placas sem células grupo II Ora no grupo I os vírus encontraram células que eles puderam infectar e se replicar o mesmo não aconteceu no grupo II Quando João coletou amostras dos dois grupos e colocouas todas em placas com células as amostras do grupo I tinham uma grande quantidade de vírus ao serem colocados em novas placas esses vírus se replicaram novamente matando todas as células presentes Já as amostras coletadas das placas do grupo II em que não houve replicação no passo 5 continham uma quantidade muito pequena de vírus provenientes da adição que João fez no passo 3 Esses poucos vírus não foram capazes de matar todas as células quando foram colocados em contato com elas no passo 6 Resumindo todas as células das placas do grupo II não morreram no passo 6 porque não havia vírus sufi cientes para matar todas elas Isso porque no passo 5 a amostra inicial de vírus utilizada por João não se replicou pois foi colocada em placas sem células essenciais para a replicação viral Os vírus são partículas formadas por um tipo de ácido nucléico e por um capsídeo protéico que protege o seu material genético São agentes causadores de diversas doenças como a varíola a raiva a dengue e a AIDS Os vírus só conseguem se reproduzir se entrarem em uma célula e usarem a maquinaria de replicação do genoma dessa célula para sua própria replicação Esses parasitas infectam tanto células vegetais quanto animais e apresentam uma enorme diversidade no que se refere ao tipo de material genético que carregam RNA ou DNA à organização estrutural desse material fi ta dupla ou simples à presença de membrana lipídica ao seu redor vírus envelopados ou não envelopados R E S U M O C E D E R J 165 AULA 18 MÓDULO 1 à simetria de organização das proteínas do seu capsídeo helicoidal ou icosaédrica Quanto a esse último item a contribuição de Watson e Crick foi de grande importância Eles postularam que a estrutura do capsídeo de um vírus deveria ser composta por várias cópias de uma mesma proteína ou de poucas uma vez que com o genoma pequeno de um vírus não seria possível codifi car uma proteína para cobrir todo o material genético nem muitas proteínas diferentes para essa mesma função Além disso essas proteínas precisavam se organizar em um arranjo que fosse favorecido para acontecer espontaneamente no interior da célula Esses dois requisitos foram a base da proposta da estrutura simétrica dos vírus tanto da helicoidal em forma de hélice quanto da icosaédrica vírus esféricos INFORMAÇÃO SOBRE A PRÓXIMA AULA A próxima aula será um estudo dirigido para você poder aplicar os conhecimentos adquiridos nesta aula sobre o papel das proteínas virais no processo de infecção objetivos Metas da aula Apresentar a história da descoberta das enzimas e introduzir os conceitos de funcionamento dessas proteínas Sobre as famosas enzimas parte I uma introdução 19 A U L A Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de defi nir enzima caracterizar o papel de uma enzima em uma reação química 1 2 Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte I uma introdução 168 C E D E R J Já lhe passou pela cabeça alguma vez o número de reações que devem acontecer no seu corpo durante um dia para que ele funcione corretamente Começando pelo básico você se alimenta e precisa digerir e absorver os nutrientes Isso para claro sintetizar moléculas novas no seu organismo Aliás falando em sintetizar moléculas novas quantas delas não precisam ser construídas para que uma única célula possa se dividir E falando em divisão celular quantas células será que se dividem no nosso corpo em um único dia Imagine ainda em um indivíduo em crescimento Muita coisa Certamente Imagine se todas estas reações acontecessem a seu tempo sem nenhum empurrãozinho Várias delas demorariam tanto para acontecer que a vida como a conhecemos bioquimicamente seria impossível E é aqui que entram as enzimas tema da aula de hoje na qual você vai conhecer a história da descoberta dessas moléculas e iniciar seu estudo sobre o funcionamento delas INTRODUÇÃO Fonte wwwsxchuphoto533310 Fonte wwwsxchuphoto831097 Fonte wwwsxchuphoto850640 C E D E R J 169 AULA 19 MÓDULO 1 UMA VISÃO HISTÓRICA DA ENZIMOLOGIA A história das enzimas começa junto com a história da própria Bioquímica a partir das primeiras investigações acerca da fermentação e da digestão Vamos começar apontando alguns momentos importantes dessa história Podemos considerar que as primeiras observações relacionadas à atividade de enzimas datam do fi nal do século XVIII quando vários estudos demonstraram que secreções estomacais catalisavam a digestão da carne o que sugeriu a existência dos CATALISADORES biológicos No início do século XIX outras atividades biológicas começaram a ser demonstradas Em 1810 Joseph GayLussac determinou que a decomposição do açúcar pelas leveduras resultava em etanol o álcool comercial e CO2 Alguns anos depois Jacob Berzelius mostrou que o extrato de malte conhecido como diastase catalisava a hidrólise do amido de forma muito mais efi ciente do que o ácido sulfúrico um catalisador químico Até aquele momento não se tinha idéia de quais componentes biológicos estavam envolvidos com estas atividades A dificuldade de se reproduzir em laboratório diversas reações bioquímicas levou Louis Pasteur um pesquisador sobre quem você já leu na Aula 1 desta disciplina a propor na metade do século XIX uma hipótese Ele disse que a FERMENTAÇÃO ocorreria somente em células vivas que segundo ele possuiriam uma força vital responsável pelas transformações observadas Esta visão chamada vitalismo prevaleceu por vários anos Entretanto com o passar do tempo surgiu uma nova corrente de pensamento que dizia que os processos biológicos ocorriam pela ação de substâncias químicas presentes nas células das leveduras fungos que realizam fermentação utilizados no estudo conhecidas como fermentos Em 1878 Frederich Wilhelm Kuhne nomeou como enzimas do grego en dentro e zyme levedura estes fermentos enfatizando que não eram as leveduras que catalisavam as reações da fermentação mas sim algo presente dentro delas Esta teoria foi defi nitivamente comprovada quando Eduard Buchner em 1897 mostrou que extratos de leveduras que não continham células inteiras catalisavam a produção de etanol a partir de glicose O que eram essas enzimas afi nal CATALISADORES Moléculas capazes de acelerar a velocidade de acontecimento de uma reação química FERMENTAÇÃO É o processo pelo qual microorganismos decompõem na ausência de oxigênio substâncias orgânicas como os açúcares Há alguns tipos de fermentação como a fermentação láctica e a fermentação alcoólica na fermentação alcoólica por exemplo o microorganismo gera energia para suas atividades e produz gás carbônico CO2 e álcool Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte I uma introdução 170 C E D E R J Esta pergunta começou a ser respondida em 1926 quando James Sumner isolou e cristalizou a urease enzima que catalisa a hidrólise da URÉIA em NH3 e CO2 Ele descobriu que os cristais de urease eram constituídos inteiramente de proteína e postulou que todas as enzimas eram proteínas A proposta de Sumner só se tornou amplamente aceita alguns anos depois durante a década de 1930 quando John Northrop e Moses Kunitz cristalizaram a pepsina a tripsina e outras enzimas digestivas Eles mostraram que todas elas também eram proteínas e mais ainda que havia uma relação direta entre a atividade enzimática e a quantidade de proteína presente no cristal Durante a segunda metade do século XX com o desenvolvimento de técnicas modernas de separação e análise de proteínas como as que você aprendeu na Aula 13 veja o boxe a seguir milhares de enzimas foram purifi cadas e caracterizadas tendo suas estruturas elucidadas e seus mecanismos de ação determinados Com exceção de uma pequena classe de RNAs com atividade catalítica é isso mesmo que você acabou de ler há RNAs capazes de atuar como enzimas as enzimas são de fato proteínas URÉIA Composto produzido no nosso corpo para excretar nitrogênio As primeiras enzimas vistas Como marcos históricos desses avanços podemos citar a primeira determinação da seqüência completa de aminoácidos de uma enzima a ribonuclease RNAse de pâncreas de boi em 1963 e a determinação por difração de raios X da estrutura da lisozima da clara de ovo em 1965 Você viu as estruturas dessas proteínas na Aula 13 CATALISADORES BIOLÓGICOS X CATALISADORES QUÍMICOS A descoberta das enzimas e da sua natureza química proteínas foi muito importante porque até então os catalisadores que se conhecia eram químicos Um catalisador químico é qualquer molécula não sintetizada in vivo isto é por um organismo Esse tipo de catalisador apresentava várias limitações que as enzimas não apresentam Assim além da natureza química as enzimas diferem dos catalisadores químicos em vários aspectos importantes C E D E R J 171 AULA 19 MÓDULO 1 Rapidez na catálise as velocidades das reações catalisadas pelas enzimas são geralmente de 106 a 1012 vezes maiores do que as das reações não catalisadas e pelo menos várias ordens de grandeza maiores do que aquelas catalisadas por catalisadores químicos Catálise em condições fi siológicas as condições nas quais as reações catalisadas por enzimas ocorrem são mais compatíveis com a vida temperaturas abaixo de 10C pressão atmosférica e pH neutro enquanto a catálise química geralmente requer temperaturas e pressões elevadas além de pHs extremos Alta precisão as reações enzimáticas apresentam alta especifi cidade e difi cilmente resultam na formação de produtos não esperados Possibilidade de controle da reação as reações enzimáticas podem ser reguladas por substâncias diferentes de seus substratos Os mecanismos regulatórios incluem controle alostérico modifi cação covalente ou variações nas quantidades de enzima sintetizada veja o boxe a seguir como você aprenderá nas aulas de Bioquímica II Elas não estão descontroladas Imagine se você não pudesse controlar o rádio da sua casa e ele tocasse música o tempo todo sem parar De noite provavelmente isso seria um incômodo talvez o fosse também em outras horas do dia Há momentos para funcionar e para desligar concorda Do mesmo jeito acontece com as enzimas Há momentos em que elas devem catalisar as reações e momentos em que isso não é necessário Como informálas Qual é o botão de ligadesliga das enzimas Para avisar a uma enzima que ela não deve atuar em determinado momento nosso organismo possui diversos mecanismos O mais simples deles é a redução da quantidade de composto disponível para a enzima realizar uma reação Com menor quantidade da molécula necessária para iniciar a reação disponível as enzimas tendem a trabalhar em velocidade menor Você verá isso melhor na próxima aula Outra possibilidade é o controle via etiquetas químicas isto é moléculas que são ligadas à enzima ou ao seu composto de interesse para sinalizar que a reação deve ou não acontecer Esse tipo de controle é chamado modificação alostérica e você o verá melhor em Bioquímica II Importante agora é saber que independente do mecanismo utilizado nossas enzimas não estão descontroladas Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte I uma introdução 172 C E D E R J 1 Catalisador químico x enzima Você já viu algum programa de investigação criminal que usasse conceitos científi cos para elucidar crimes Nestes programas representando o que acontece nas investigações reais costumase usar um composto chamado luminol para identifi car vestígios de sangue nas cenas dos crimes A reação que indica a presença do sangue acontece assim colocase luminol na presença de água oxigenada Somente se houver sangue no local investigado o luminol emitirá luz pois o ferro presente na hemoglobina do sangue acelera a quebra do luminol e podemos ver o produto da reação a luz O luminol é um composto que pode ser obtido comercialmente mas também há um análogo a ele na natureza a luciferina uma proteína que ao ser quebrada pela ação de outra proteína origina a luz que vemos um vagalume emitir a Quem são os catalisadores das duas reações mencionadas Luminol Luciferina b Qual das reações não é catalisada por uma enzima e por quê RESPOSTA COMENTADA Na reação que envolve luminol e água oxigenada o catalisador é o ferro que acelera a reação Somente luminol na presença da água oxigenada não emitiria luz pelo menos não em um tempo mensurável Na reação de quebra da luciferina temos uma outra proteína envolvida que se você pensou se tratar de uma enzima acertou A luciferase é uma proteína presente nos vagalumes e em algas bioluminescentes algas que brilham mesmo dentro do mar à noite que quebra seu substrato a luciferina e gera energia na forma de luz esverdeada Portanto a reação que não é catalisada por uma enzima é a reação que envolve o luminol Isso porque embora a reação em cenas de crime só aconteça na presença de sangue o que catalisa a reação é apenas o ferro catalisador químico a parte protéica da hemoglobina não tem participação direta no processo ATIVIDADE 1 C E D E R J 173 AULA 19 MÓDULO 1 COMO AS ENZIMAS FUNCIONAM As enzimas possibilitam diversas reações biológicas veja o boxe a seguir criando um ambiente específi co para determinada reação por exemplo promovendo a aproximação de duas ou mais moléculas na orientação exata que é necessária para a reação ocorrer Além disso elas também proporcionam ao substrato um meio energeticamente favorável à reação Quem faz o quê O estudo das reações do metabolismo desde o início do século XX resultou na descoberta de um número enorme de enzimas Praticamente todas as reações que ocorrem nos organismos vivos são catalisadas por enzimas Naquela época não havia ainda regras para nomear um composto e se você descobrisse uma enzima poderia nomeála como achasse melhor Normalmente elas eram nomeadas de acordo com sua função O problema disso veio com o aumento do número de enzimas descobertas o uso de uma terminologia não sistemática para nomeálas fez com que algumas enzimas passassem a ter mais de um nome enquanto outras enzimas diferentes eram conhecidas pelo mesmo nome Diante disso a nomenclatura das enzimas foi sistematizada a partir de 1961 e está baseada em uma divisão em seis classes relacionada às reações que elas catalisam 1 óxidoredutases catalisam reações de óxidoredução isto é de transferência de elétrons entre compostos 2 transferases catalisam a transferência de grupos entre moléculas 3 hidrolases catalisam reações de hidrólise quebram moléculas utilizando a água 4 liases catalisam a remoção nãohidrolítica de grupos formando ligações duplas ou seja retiram um grupamento da molécula sem usar água 5 isomerases catalisam reações de isomerização reorganizam a molécula sem que ela perca nenhum átomo 6 ligases catalisam a formação de uma ligação química entre dois compostos utilizando a energia da quebra de um nucleotídeo trifosfatado por exemplo ATP que acontece ao mesmo tempo Esta classificação será importante principalmente durante a disciplina de Bioquímica II quando estudaremos as reações do metabolismo A atuação das enzimas está relacionada diretamente à velocidade das reações das quais elas participam Estas proteínas trabalham fazendo com que uma reação que aconteceria em um tempo grande às vezes até não mensurável aconteça em tempos compatíveis com os processos vitais Um exemplo disso é a digestão de proteínas no estômago No nosso estômago uma substância chamada suco gástrico é secretada majoritariamente em resposta à chegada de alimento Quando Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte I uma introdução 174 C E D E R J comemos um bife por exemplo esse vai parar no nosso estômago e em contato com o suco gástrico as proteínas que o compõem começam a ser degradadas por dois elementos presentes nesta secreção o ácido clorídrico e uma enzima chamada pepsina que quebra proteínas Figura 191 Um bife composto por proteínas começa a ser digerido no nosso estômago por causa do contato com o suco gástrico que contém ácido clorídrico e pepsina Fonte wwwsxchuphoto433527 O bife em contato com o ácido acabaria por ser degradado de forma que suas proteínas seriam quebradas No entanto na presença da pepsina e do ácido ele é degradado muito mais rapidamente o que aumenta a velocidade do nosso processo de digestão e portanto nossa aquisição de nutrientes Uma pergunta que você pode estar se fazendo neste momento é Como será que as enzimas conseguem acelerar a velocidade das reações Isso é o que você verá a seguir C E D E R J 175 AULA 19 MÓDULO 1 2 O que faz uma enzima Acidentes ecológicos como o do Exxon Valdez em 1989 no qual ocorreu um grande derramamento de petróleo no Alasca acarretam conseqüências ambientais enormes como a morte de milhares de animais Em casos como este é possível 1 deixar que a natureza se encarregue de degradar o petróleo que foi derramado o que pode demorar séculos 2 fazer a remediação do petróleo por agentes químicos ou a biorremediação processo que utiliza microorganismos para degradar o petróleo uma combinação de compostos orgânicos Os microorganismos utilizam o petróleo como fonte de energia para seu metabolismo quebrandoo pela atividade de suas enzimas No segundo caso a redução das áreas contaminadas acontece muito mais rapidamente Com base no que você aprendeu nesta aula como se justifica bioquimicamente o fato de a biorremediação reduzir mais rapidamente a área contaminada do que deixar que o petróleo se degrade sozinho RESPOSTA COMENTADA A biorremediação tem sido vista como um processo de degradação de petróleo bastante efi ciente mesmo em relação à remediação por agentes químicos Isso porque a biorremediação além de reduzir a contaminação de petróleo nas áreas onde tiverem ocorrido acidentes ecológicos também não cria como conseqüência do seu acontecimento mais resíduos o que acontece na remediação A biorremediação consiste em colocar uma grande quantidade de microorganismos em uma área contaminada por petróleo Estes microorganismos comem o petróleo diminuindo a área afetada pelo derramamento Esta degradação de petróleo portanto é mediada pelas enzimas capazes de quebrar o petróleo para gerar energia para os microorganismos que estão participando do processo O petróleo na presença do oxigênio do ar e do calor depois de muitos e muitos anos poderia ser degradado no entanto os sistemas ambientais provavelmente não suportariam essa espera Por isso a participação das enzimas dos microorganismos acelerando a degradação do óleo negro é tão providencial ATIVIDADE 2 Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte I uma introdução 176 C E D E R J ACELERANDO UMA REAÇÃO QUÍMICA COMO Quando um composto químico é convertido em outro o que está acontecendo é uma reorganização dos átomos que fazem parte do reagente substrato para que ele se torne o produto da reação No caso de reações que envolvem a participação de enzimas chamamos os reagentes de substratos Para que a reação de conversão de um dado substrato em produto ocorra espontaneamente quer dizer seja favorável termodinamicamente você aprenderá mais sobre isso em Bioquímica II é preciso que haja liberação de energia durante a transformação do substrato em produto Em outras palavras quando a energia contida na molécula de substrato é maior do que a energia contida na molécula de produto podemos dizer que a reação é favorável e portanto espontânea Entretanto o fato de a reação ser favorável e espontânea não signifi ca que ela vá ocorrer rapidamente Mas por quê Isso ocorre porque durante a conversão de um substrato em produto pode se formar um composto intermediário que possui uma energia muito alta Esse composto intermediário é chamado estado de transição A diferença de energia entre ele e o substrato é chamada energia de ativação Em outras palavras a energia de ativação é o quanto de energia é necessário no sistema para que o substrato possa ser convertido em produto Estado de transição composto intermediário formado no processo de conversão de um substrato em produto Energia de ativação diferença entre a energia do substrato e a do estado de transição C E D E R J 177 AULA 19 MÓDULO 1 Coordenada de reação Energia livre G Estado fundamental do substrato S Estado fundamental do produto P Diferença de energia entre S e P Variação de energia entre o estado de transição e o produto Variação de energia entre o substrato e o estado de transição Estado de transição S P Figura 192 Estado de transição e energia de ativação de uma reação Em uma reação química um arranjo estável de átomos ou seja a molécula do substrato é convertido em um outro arranjo estável de átomos ou seja a molécula do produto da reação Para que esta conversão aconteça é necessário que os átomos que formam o substrato sofram uma reorganização passando por um arranjo instável de alta energia conhecido como estado de transição A diferença de energia entre o arranjo atômico do substrato e o do estado de transição é chamada energia de ativação No exemplo mostrado na Figura 192 a energia de P é menor do que a de S de forma que a variação de energia da reação é negativa energia de P energia de S 0 e favorece a formação de P No entanto existe uma barreira energética entre S e P a energia de ativação relacionada à formação do estado de transição que pode envolver formação de cargas instáveis na molécula rearranjo de ligações etc Quanto maior a energia de ativação mais lenta é a reação Diminuir a energia de ativação de uma reação é exatamente o que uma enzima faz Por isso é que ela aumenta a velocidade da reação Veja a Figura 193 Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte I uma introdução 178 C E D E R J Na presença de uma enzima energia necessária para a conversão de S ao novo estado de transição Coordenada de reação Energia livre G Energia necessária para a conversão de S ao estado de transição Estado de transição S P ES EP Figura 193 Estado de transição e energia de ativação de uma reação na presença linha pontilhada e na ausência linha cheia de um catalisador Na ausência de uma enzima a energia de ativação para a conversão de S em um estado de transição é maior do que quando a enzima está presente Isso se deve à formação de estados intermediários constituídos pela associação do catalisador ao substrato ES que é convertido a um produto ainda associado a esse catalisador EP e só então ao produto livre P Um catalisador portanto funciona diminuindo a energia de ativação que é o que determina a velocidade da reação É por proporcionar esta diminuição que aumenta a velocidade das reações Para entender como as enzimas funcionam é importante distinguir entre o equilíbrio da reação e a velocidade da reação Os catalisadores funcionam aumentando a velocidade das reações eles não alteram seu equilíbrio Ou seja se uma reação tende a acontecer favorecendo um determinado produto a presença de uma enzima somente fará com que ela aconteça mais rápido se uma reação não tende à formação de um determinado produto a enzima não alterará esse quadro isto é a reação continuará não acontecendo Em termos gerais é assim que as enzimas atuam aumentando a velocidade de reações químicas no nosso organismo Um pouco mais de detalhes sobre como esse processo acontece você terá na próxima aula quando estudar a interação da enzima com seu substrato C E D E R J 179 AULA 19 MÓDULO 1 CONCLUSÃO As enzimas participam de diversos processos fazendo com que eles aconteçam em tempos compatíveis com as necessidades do organismo Não fossem estes catalisadores biológicos o momento de uma célula se dividir o momento em que metabolizamos os nutrientes que ingerimos para gerar energia para diversos processos no organismo a síntese e a quebra de compostos de alta energia para gerar a energia necessária para nossas atividades diárias poderiam acontecer em prazos que inviabilizassem nossa existência ATIVIDADE FINAL Quem dá mais Lembrase do luminol que mencionamos na Atividade 1 Este composto produz luz na presença de água oxigenada quando colocado em contato com o ferro como já dissemos O que não dissemos ainda é que este mesmo composto também pode sofrer essa reação que gera luz catalisada por uma enzima chamada peroxidase O uso desta reação é bastante comum em experimentos científi cos para revelar se há presença de determinadas proteínas de interesse para estudo em uma amostra Até agora mencionamos fatos verídicos daqui para a frente vamos trabalhar com situações hipotéticas Imagine que pudéssemos traçar em um gráfi co os perfi s de energia das reações que envolvem luminol e água oxigenada tanto na presença de ferro quanto de uma peroxidase Coordenada de reação Energia livre S P x Coordenada de reação Energia livre S P x Ferro Peroxidase Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte I uma introdução 180 C E D E R J a O que representam os pontos dos gráfi cos assinalados com uma interrogação b O que representa a seta na qual está assinalado x em ambos os gráfi cos c Nesta atividade os dois gráfi cos apresentam as variações de energia da reação de produção de luz a partir do luminol na presença de catalisadores diferentes Considere que ambos estão na mesma escala Qual catalisador foi mais efi ciente ou seja foi capaz de fazer a reação acontecer mais rápido Por quê RESPOSTA COMENTADA O topo de uma curva que representa a variação de energia durante a conversão de um substrato em produto assinalado com se refere ao estado de transição desta reação Em outras palavras se refere a um intermediário formado durante a reação que apresenta uma quantidade de energia maior do que a do substrato e que representa uma barreira energética a ser vencida pela reação Esta barreira energética a ser ultrapassada é o que está representado pelas setas assinaladas com X e chamase energia de ativação Quanto mais um catalisador é capaz de reduzir a energia de ativação necessária para que uma reação aconteça mais ele é capaz de aumentar a velocidade da reação Assim no exemplo hipotético desta atividade a peroxidase se apresenta como um catalisador mais efi ciente do que o ferro C E D E R J 181 AULA 19 MÓDULO 1 As enzimas foram descobertas por um pesquisador que detectou a capacidade de produção de fermentos por algum composto no interior das leveduras A partir desse achado surgiu a enzimologia que estuda exatamente estes compostos e como eles funcionam Os pesquisadores descobriram que a natureza química da maior parte das enzimas é protéica e que elas diferem dos catalisadores químicos em vários aspectos tais como maior efi ciência no que diz respeito à capacidade de aumentar a velocidade da reação funcionamento em condições de temperatura pressão e pH compatíveis com a vida são altamente específi cas e também podem ser reguladas Mas quando uma enzima é necessária e como funciona a sua catálise Durante uma reação um composto intermediário chamado estado de transição é formado O estado de transição é um arranjo instável de átomos que possui energia mais elevada do que o substrato e o produto A diferença de energia entre o estado de transição e o substrato energia de ativação é o fator limitante para uma reação Quanto maior a energia de ativação mais lenta tende a ser a reação Em outras palavras o estado de transição representa uma barreira energética para a reação que precisa ser vencida A energia necessária para vencer estas barreira é a energia de ativação Uma enzima atua aumentando a velocidade de uma reação por diminuir a energia de ativação dessa reação gerando um estágio intermediário formado por sua associação com o substrato ES Isso faz com que as reações aconteçam nos organismos em tempos muito mais curtos do que se não houvesse as enzimas o que é muito mais compatível com os processos vitais que executamos todos os dias como a produção de energia a síntese e degradação de moléculas diversas etc R E S U M O INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA Na próxima aula você entenderá um pouco mais a fundo o funcionamento das enzimas aprendendo qual região de suas estruturas é fundamental para que elas exerçam suas funções como se ligam aos substratos e que fatores podem interferir no poder de catálise Até lá Prérequisitos Para acompanhar bem esta aula é importante que você volte à Aula 9 e relembre a infl uência do pH sobre a protonação de um aminoácido reveja também quais são as forças que mantêm a estrutura tridimensional de uma proteína assunto da Aula 13 objetivos Meta da aula Apresentar o sítio ativo das enzimas região onde o substrato se liga para ser convertido em produto Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 20 A U L A 1 2 3 Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de defi nir sítio ativo descrever os dois modelos de interação entre o sítio ativo da enzima e seu substrato caracterizar o efeito de variações de temperatura e de pH na atividade de uma enzima Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 184 C E D E R J Proteínas vitaminas gorduras açúcares Estas são algumas moléculas que estão presentes o tempo todo no nosso organismo as chamadas biomoléculas que vimos na Aula 1 Você já sabe que existem diversos tipos de proteínas formadas por aminoácidos que se convertem uns nos outros por ação de enzimas específi cas Sobre as outras moléculas você ainda vai aprender ao longo da disciplina Só para adiantar um pouco As vitaminas participam de várias reações enzimáticas fundamentais ao funcionamento do nosso organismo Os lipídeos gorduras são nossa reserva energética sintetizados e decompostos a todo tempo no nosso corpo por ação de enzimas Com freqüência os açúcares que ingerimos precisam ser quebrados em açúcares menores para em seguida serem utilizados como fonte de energia dentro das células o que também depende de enzimas específi cas desde o início até o fi nal do processo Enzimas enzimas que elas são importantes já sabemos mas se existem muitas delas no nosso corpo como é que cada uma sabe com que SUBSTRATO interagir e que produto formar É aqui que começa esta nossa aula O SÍTIO ATIVO E OS MODELOS DE FUNCIONAMENTO DAS ENZIMAS O bom funcionamento das enzimas ou seja sua capacidade de diminuir enormemente a energia de ativação de uma reação depende da formação de um complexo uma associação entre a enzima e seu substrato para saber como este complexo foi descoberto leia o boxe a seguir Essa associação ocorre graças à presença do sítio ativo na estrutura das enzimas INTRODUÇÃO SUBSTRATO Só para relembrar o que você aprendeu na aula passada substrato é a molécula que participa do início da reação enzimática ou seja o reagente desta reação Desvendando o funcionamento de uma enzima Nas aulas tanto presenciais quanto a distância é comum aprendermos um conhecimento pronto e por isso muitas vezes não nos damos conta de que o que se sabe sobre determinados assuntos atualmente é resultado de uma longa trilha percorrida por pesquisadores muitas vezes afastados no tempo e no espaço Foi assim para a descoberta do complexo enzimasubstrato A primeira vez que se pensou em formação de complexo entre enzima e substrato foi em 1870 quando um francês Charles Adolph Wurtz descobriu por experimentos que a enzima com a qual trabalhava papaina uma enzima presente no mamão papaia dai o nome formava um composto insolúvel em água quando colocada na presença do seu substrato e antes de quebrálo Outros pesquisadores dez anos depois mostraram que uma enzima invertase era capaz de sobreviver a temperaturas muito altas sem perder sua atividade quando seu substrato a sacarose estava presente Mais doze anos em 1902 um inglês chamado Adrian John Brown amarrou essas ideias e propôs o mecanismo de formação de um complexo enzimasubstrato que era necessário para a catálise da reação e a antecedida Você sabe o que é o sítio ativo O sítio ativo é uma pequena porção da enzima formada a partir do envolvimento na sua estrutura terciária Ele apresenta resíduos de aminoácidos cujas cadeias laterais são capazes de interagir com o substrato É da especificidade desta ligação entre o substrato e o sítio ativo da enzima que surge a especificidade de cada atividade enzimática Em outras palavras uma enzima interage com um dado substrato porque a sua sequência primária possui aminoácidos que determinam uma estrutura terciária que em uma porção específica o sítio ativo permite o encaixe do substrato para que a reação aconteça Sequência primária Estrutura terciária Sítio ativo Encaixe do substrato Por causa dessas características estruturais o substrato se liga ao sítio ativo da enzima com grande especificidade Em 1894 um pesquisador chamado Emil Fisher observou que as enzimas da via de quebra da glicose um açúcar distinguem ESTEREOISÔMEROS de açúcares ou seja eram muito específicas para os seus substratos Dentre outras esta observação levou Fisher a propor a hipótese da chave e fechadura na qual a especificidade da enzima fechadura por seu substrato chave era decorrente de suas formas geométricas serem complementares Figura 201 ESTEREOISÔMEROS No final da Aula 8 sobre aminoácidos você aprendeu o que são os estereoisômeros são moléculas quase iguais que possuem os mesmos grupamentos funcionais mas apresentam diferente organização dos seus átomos no espaço Se quiser relembrar mais detalhes sobre este assunto volte na Aula 8 à seção que fala sobre aminoácidos D e L C E D E R J 185 Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 186 C E D E R J Fechadura Sítio ativo de uma enzima Substrato Substrato Figura 201 Modelo chave e fechadura para a interação enzima e substrato A relação de especifi cidade do encaixe de um substrato em sua enzima específi ca é análoga à relação de encaixe de uma chave em uma fechadura Assim como uma chave em geral abre apenas uma fechadura os substratos também em geral são transformados em um determinado produto por uma só enzima A idéia de a associação entre enzima e substrato ser bastante específi ca pressupõe a existência de interações moleculares específi cas entre as superfícies da enzima e do seu substrato o que é uma concepção bastante importante na Bioquímica As interações moleculares envolvidas na ligação enzimasubstrato são da mesma natureza daquelas que mantêm a estrutura tridimensional das proteínas ou seja pontes de hidrogênio interações eletrostáticas interações hidrofóbicas e interações de van der Waals Os grupos funcionais envolvidos nestas interações tanto da enzima quanto do substrato devem estar precisamente localizados para garantir a efi ciência do processo catalítico É claro que se o sítio ativo é a porção da enzima responsável pela catálise ele deve ser capaz de interagir com o substrato ou com parte dele para que o complexo enzimasubstrato se forme Na verdade ocorre que inicialmente algumas interações fracas são formadas entre a enzima e o substrato tornando possível a ligação destas duas moléculas Em seguida uma série de outras interações são formadas favorecendo a distorção da molécula do substrato mudança da sua forma e enfi m a formação do produto A hipótese da ligação substrato e enzima seguindo o modelo de associação entre chave e fechadura explica a ligação de algumas enzimas a seus substratos mas não maior parte das reações enzimáticas O modelo de interação enzima e substrato como chave e fechadura sofreu adaptações posteriores como você verá na seção a seguir C E D E R J 187 AULA 20 MÓDULO 1 1 Sobre sítio ativo Uma protease é uma enzima capaz de quebrar cadeias polipeptídicas Existem proteases que são chamadas de proteases ácidas por apresentarem sua atividade aumentada em pH ácido e por terem participando da reação resíduos de aminoácidos ácidos como o ácido aspártico Asp Um pesquisador que trabalha com uma protease de carrapato fez algumas mutações na seqüência da proteína substituindo determinados resíduos de Asp Em seguida o pesquisador monitorou a atividade da enzima normal e das mutantes Observe os resultados no gráfi co a seguir Com base no que você acabou de estudar sobre funcionamento e estrutura de enzimas como você explica a perda de atividade da protease pela mutação do Asp da posição 65 Que região da enzima provavelmente foi afetada com esta mutação RESPOSTA COMENTADA O sítio ativo é a região da estrutura da enzima responsável por sua ativi dade catalítica o sítio ativo conta com aminoácidos específi cos de acordo com a reação que a enzima catalisa Fazer uma mudança na seqüência primária de uma proteína de forma a afetar seu sítio ativo acarreta em perda ou pelo menos drástica diminuição da atividade enzimática Como a mutação do aspártico da posição 65 provocou a inativação da enzima total perda da atividade provavelmente ela atingiu o sítio ativo desta proteína inviabilizando a catálise ATIVIDADE normal mutação Asp65 mutação Asp130 mutação Asp26 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Atividade da enzima 1 Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 188 C E D E R J AJUSTE INDUZIDO OUTRO MECANISMO DE FUNCIONAMENTO DAS ENZIMAS Um problema no modelo chave e fechadura proposto por Fisher para explicar a interação enzimasubstrato era que ele explicava o funcionamento de algumas mas não da maioria das enzimas Foi um pesquisador escocês JBS Haldane que em 1930 propôs a noção que temos hoje sobre o funcionamento das enzimas a qual foi aprimorada por Linus Pauling Para você entender o modelo de explicação para o funcionamento das enzimas proposto por estes pesquisadores observe a Figura 202 Estado de transição barra de metal dobrada Produto barras de metal quebradas S P ΔGnãocat S substrato P produto ΔGnãocat energia de ativação necessária à reação de quebra do cilindro sem atuação de um catalisador estado de transição Energia livre G Substrato barra de metal Figura 202 Esquema da reação imaginária da quebra de um cilindro sem a atuação de um catalisador Nessa imagem você vê também uma representação gráfi ca hipotética da energia de ativação necessária para o cilindro reto substrato passar ao cilindro dobrado estado de transição C E D E R J 189 AULA 20 MÓDULO 1 A reação imaginária representada na Figura 202 é a quebra de um cilindro em duas partes sem a atuação de um catalisador Para que a quebra ocorra o cilindro deve ser inicialmente dobrado o que requer uma alta energia Nesta analogia o cilindro dobrado equivale ao estado de transição desta reação Se você observar o gráfi co ao lado do esquema ainda na Figura 202 verá que a alta energia de ativação para a dobra do cilindro está representada pela altura da curva Nada disso é novidade uma vez que você já viu na aula passada a importância da participação de uma enzima como catalisadora de uma reação Começamos a usar este exemplo do cilindro para você entender a participação do sítio ativo e de sua forma na catálise feita por uma enzima Imagine agora que puséssemos uma enzima para catalisar a quebra da barra de metal e que essa enzima tenha sítio ativo de forma geométrica complementar ao substrato Figura 203 Energia livre G Figura 203 Esquema da reação imaginária da quebra de um cilindro com a atuação de uma enzima com sítio ativo complementar ao substrato da reação Nessa imagem você também vê uma representação gráfi ca hipotética da energia de ativação necessária para a quebra do cilindro nestas condições A ligação do cilindro de metal S à enzima E é tão estável que faz com que o complexo ES tenha uma energia menor do que a energia original do substrato A energia de ativação necessária para vencer o estado de transição é maior quando partimos do complexo ES do que quando apenas de S inviabilizando a reação Enzima Sítio ativo Cilindro de metal S substrato estado de transição ES complexo enzima substrato P produto ΔGnãocat energia de ativação necessária para converter o substrato em produto sem catalisador ΔGcat energia necessária para converter o substrato em produto com um catalisador com sítio ativo complementar ao substrato ΔGM diferença de energia entre ΔGcat e ΔGnãocat S P ES ΔGnãocat ΔGcat ΔGM Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 190 C E D E R J Neste esquema o que estamos mostrando nada mais é do que uma representação do modelo chave e fechadura no qual o cilindro se ajusta perfeitamente ao sítio da enzima Esta conformação tende a ser bastante estável ou seja ser uma estrutura de baixa energia No nosso exemplo considere que a energia da associação cilindro e enzima seja mais baixa do que as energias dos dois separados Neste caso o cilindro não vai se dobrar e conseqüentemente não vai se quebrar Em outras palavras o produto da reação não vai ser formado Portanto esta enzima com sítio ativo complementar ao substrato acaba estabilizando o substrato de tal maneira que impede que a reação ocorra ou seja se o encaixe do substrato à enzima for tão preciso como será superado um estado de alta energia estado de transição para que o substrato seja convertido em produto Aqui entram as explicações dos pesquisadores que mencionamos lá no início desta seção da aula Haldane e Pauling Veja a Figura 204 Sítio ativo Energia livre G S P ES nãocat ΔGnãocat ΔGcat ΔGM cat Coordenada da reação S substrato ES complexo enzima substrato P produto ΔGnãocat energia de ativação necessária para converter o substrato em produto sem catalisador ΔGcat energia necessária para converter o substrato em produto com um catalisador com sítio ativo complementar ao estado de transição ΔGM diferença de energia entre ΔGcat e ΔGnãocat Figura 204 Esquema da reação imaginária da quebra de um cilindro com a atuação de uma enzima com sítio ativo complementar ao estado de transição da reação Nesta imagem você também pode observar uma representação gráfi ca hipotética da energia de ativação necessária para a quebra do cilindro nestas condições A ligação do cilindro de metal S à enzima E possui uma energia menor do que o substrato além disso o estado de transição para uma reação nestas condições possui energia menor do que o estado de transição nãocatalisado A energia de ativação necessária para vencer o estado de transição é menor nessa situação o que facilita o acontecimento da reação C E D E R J 191 AULA 20 MÓDULO 1 A proposta de Haldane foi a de que o sítio ativo deve ser complementar ao estado de transição e não ao substrato Assim quando o substrato se liga à enzima a interação entre as duas moléculas favorece a formação do estado de transição por este possuir uma energia mais baixa do que nas outras duas situações que você acabou de ver Figuras 202 e 203 Resumindo Uma enzima é uma proteína capaz de acelerar o acontecimento de uma reação Ela faz isso se ligando ao seu substrato por uma porção da sua estrutura chamada sítio ativo e diminuindo a energia necessária para que esse substrato vença a barreira energética existente na reação a formação do estado de transição Para que isso aconteça o sítio ativo da enzima tem de ser capaz de se associar ao substrato mas não de maneira perfeitamente complementar pois senão acabaria por inviabilizar e não por favorecer a reação A proposta de Haldane e Pauling foi fundamental para os estudos de Daniel Koshland também sobre o funcionamento das enzimas Este pesquisador verifi cou que algumas vezes a primeira interação da enzima com seu substrato resulta em uma série de mudanças na estrutura tridimensional da enzima Isso se deve justamente às várias interações formadas durante a ligação do substrato ao sítio ativo da enzima que infl uenciam outras interações na estrutura da proteína responsáveis pela estabilização da sua conformação As mudanças conformacionais sofridas pela enzima levam à acomodação de grupos funcionais específi cos dos aminoácidos da proteína em posições apropriadas facilitando a interação com o substrato Além disso permitem a formação de outras interações fracas necessárias ao estado de transição e conseqüentemente favorecem a reação Este processo é conhecido como ajuste induzido e foi proposto pelo Koshland em 1958 Figura 205 Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 192 C E D E R J Sítio ativo antes da ligação do substrato Sítio ativo depois da ligação do substrato Partes do substrato que encaixam no sítio ativo da enzima Figura 205 Esquema de ajuste induzido Após a ligação do substrato à enzima ela sofre mudanças conformacionais que fazem com que sua estrutura se ajuste à ligação do substrato colocando em contato grupos funcionais dos aminoácidos que são importantes para que a reação aconteça Um bom exemplo da ocorrência do ajuste induzido é o caso da HEXOCINASE enzima que catalisa a conversão de glicose em glicose6 fosfato o primeiro passo da via de utilização de glicose pelas células Esta enzima foi cristalizada e teve sua estrutura tridimensional determinada na ausência e na presença de seu substrato a glicose Figura 206 HEXOCINASE Para que uma célula possa utilizar a glicose e oxidála para obter energia é necessário que esta glicose receba uma etiqueta ao entrar na célula Essa etiqueta é a adição de um grupo fosfato no sexto carbono da molécula de glicose por isso o composto formado se chama glicose6 fosfato Quem faz essa adição é a enzima hexocinase sobre a qual você aprenderá mais na disciplina Bioquímica II Glicose Domínio 1 Domínio 2 Aberta Fechada Figura 206 Estrutura da hexocinase na ausência e na presença de seu substrato Do lado esquerdo estão representados os dois domínios da estrutura desta enzima e a porção onde a glicose se ligará sítio ativo está indicada pela seta Sem o substrato dizemos que a estrutura desta enzima está aberta Já do lado direito você vê a hexocinase fechada ajuste estrutural que ocorreu após a ligação do substrato à enzima C E D E R J 193 AULA 20 MÓDULO 1 Como você pôde ver na Figura 205 há uma grande diferença entre as estruturas da hexocinase antes e depois da ligação do seu substrato a glicose Esta enzima sofre uma mudança de conformação induzida pelo substrato um ajuste induzido que aproxima seus dois domínios Essa aproximação coloca mais bem posicionados os grupos funcionais dos aminoácidos que vão participar da adição do fosfato à glicose tornando esta uma reação energeticamente favorecida Três possibilidades para o sítio ativo de uma enzima 1 Ser de forma geométrica perfeitamente complementar ao substrato e permitir seu encaixe assim como uma chave se encaixa na fechadura correta 2 Ser de forma geométrica complementar a do estado de transição da reação 3 Sofrer um ajuste da sua forma induzido pela ligação do substrato o qual infl uenciou outras interações entre os grupos laterais dos aminoácidos da enzima alterando sua conformação Isso não quer dizer que essas possibilidades sejam excludentes Por exemplo o ajuste induzido pode tornar o sítio ativo complementar ao estado de transição da reação ou então o ajuste induzido pode tornar o sítio ativo da enzima complementar ao substrato mas deixandoo em um ambiente diferente do meio aquoso no qual ele o substrato se encontrava Em casos por exemplo em que uma reação é favorecida em um meio hidrofóbico ela passa a ser mais favorável se o sítio ativo esconde o substrato do meio aquoso 2 Como funciona uma enzima Imagine que você é um pesquisador que recebe em seu laboratório um estudante de graduação procurando estágio Um dos projetos que você tem a oferecer a este estudante é a caracterização de duas enzimas purifi cadas de células de fígado você mostrou uma imagem da estrutura tridimensional de cada uma das proteínas a ele O estudante recémingresso na faculdade fi cou olhando para a imagem e lhe perguntou em seguida Como os substratos se ligam a estas enzimas Sabendo que uma das enzimas se liga de acordo com o modelo chave e fechadura e outra por ajuste induzido explique para o estudante como seus substratos interagem com as enzimas ATIVIDADE 2 Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 194 C E D E R J RESPOSTA COMENTADA Na posição de um orientador solícito você explicou a seu aluno que a enzima que se liga ao substrato obedecendo o modelo chave e fechadura possui seu sítio ativo geometricamente complementar ao substrato Assim a molécula do substrato se encaixa física e perfeitamente na região da enzima responsável pela catálise Já a enzima que interage com o substrato por ajuste induzido tem seu sítio ativo com uma forma diferente da do substrato quando essa molécula se liga à enzima promove mudanças conformacionais na estrutura da proteína que fazem com que ela se ajuste à presença do substrato colocandoo em contato com os resíduos do sítio ativo fundamentais à catálise da reação FATORES QUE PODEM INTERFERIR NAS REAÇÕES ENZIMÁTICAS Como você viu até agora a formação do sítio ativo e sua interação com o substrato dependem de interações moleculares que mantêm ou infl uenciam na estrutura tridimensional da enzima A estrutura íntegra de uma proteína aquela na qual a proteína é capaz de exercer suas funções é chamada estrutura nativa Esta estrutura nativa pode ser afetada por vários fatores em conseqüência de esses fatores produzirem distúrbios extensos na estrutura tridimensional da proteína Esses distúrbios capazes de tornar uma proteína nãofuncional e no caso das enzimas uma enzima nãocatalítica provocam o que chamamos de desnaturação de proteínas A desnaturação de proteínas incluindo as enzimas pode se dar por aquecimento variações de pH presença de solventes orgânicos detergentes moléculas como URÉIA ou GUANIDINA URÉIA E GUANIDINA São agentes desnaturantes de proteínas O mecanismo de atuação destes dois compostos ainda é controverso mas acreditase que a ação desnaturante da uréia e do hidrocloreto de guanidina possa ser decorrente de elevações na solubilidade de grupos da proteína desestabilizando sua estrutura C E D E R J 195 AULA 20 MÓDULO 1 Sobre os efeitos do aquecimento e das variações de pH vamos ver mais detalhes daqui a pouco Solventes orgânicos como por exemplo o etanol bem como os detergentes perturbam a estrutura da enzima por favorecerem a exposição das regiões apolares normalmente mantidas no interior da estrutura da proteína ao meio externo Isso altera dramaticamente a estrutura da enzima e de seu sítio ativo de forma que a atividade catalítica é perdida Outros agentes desnaturantes como a uréia ou a guanidina são ótimos formadores de pontes de hidrogênio Como pontes de hidrogênio são importantes para manter a estrutura nativa das proteínas estas substâncias promovem a sua desnaturação Todas estas condições incluindo o aquecimento e as variações de pH levam ao rompimento das interações nãocovalentes entre os resíduos de aminoácidos presentes na proteína que são responsáveis por sua estrutura pela geometria do sítio ativo e pelo posicionamento dos grupos funcionais presentes neste MAIS ÁCIDO MAIS BÁSICO COMO ISSO INTERFERE NA ATIVIDADE DAS ENZIMAS As enzimas apresentam um pH ótimo para o seu funcionamento no qual sua atividade catalítica é máxima Em pHs maiores ou menores sua atividade diminui Isso acontece porque as cadeias laterais de alguns aminoácidos apresentam grupos protonáveis ou seja grupos que podem ser protonados ou desprotonados em função do pH do meio você viu esse assunto nas Aulas 9 e 10 sobre titulação de aminoácidos Esses grupos podem 1 fazer parte do sítio ativo e a mudança no seu grau de protonação irá infl uenciar diretamente a ligação do substrato ou 2 podem ser importantes para a estabilização da estrutura da enzima como um todo indiretamente infl uenciando na estrutura do sítio ativo Além disso variações de pH também podem causar mudanças de ionização do substrato afetando sua ligação à enzima Para ver um exemplo do efeito do pH sobre a atividade de uma enzima veja o Gráfi co 201 Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 196 C E D E R J Gráfi co 201 Atividade da enzima amilase salivar em função do pH do meio em que ela se encontra Valor de pH em que a amilase salivar apresenta maior atividade pH ótimo Atividade enzimática 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 pH No gráfi co que você acabou de ver apresentamos o efeito do pH sobre a atividade da amilase salivar também conhecida como ptialina Esta enzima está presente na nossa saliva e é responsável pela quebra de amido durante a mastigação Se você reparar o gráfi co mostra que esta enzima funciona tão melhor quanto mais perto de 70 o pH estiver A faixa de pH na qual a enzima funciona melhor pode fornecer pistas sobre que aminoácidos estão envolvidos na sua atividade Mudanças de atividade em pHs próximos a 70 devem ser decorrentes da protonação desprotonação de resíduos dos His enquanto mudanças de atividades em pHs mais básicos em torno de 90 refl etem a protonaçãodesprotonação de Arg e Lis e em pHs mais ácidos próximos a 30 resultam da protonaçãodesprotonação de Glu ou Asp No caso da amilase salivar que você acabou de ver o pH é ótimo em torno de 70 Isso ocorre por causa da combinação de resíduos ácidos presentes em um domínio desta proteína domínio A e básicos presentes no outro domínio da proteína domínio B ambos importantes para a catálise de uma reação por essa enzima C E D E R J 197 AULA 20 MÓDULO 1 3 De onde é cada enzima Analise as informações a seguir Com base nas informações apresentadas identifi que as enzimas A e B qual é a pepsina e qual é a quimotripsina Como você chegou a esta conclusão ATIVIDADE 3 Boca Esôfago Fígado Estômago Pâncreas Vesícula biliar Cólon Intestino delgado Pepsina Enzima responsável pela quebra de proteínas no estômago de diversos animais incluindo os ma míferos É secretada na cavidade estomacal junto com o suco gástrico Quimotripsina Enzima liberada no intes tino delgado junto com o suco pancreático Atua quebrando proteínas in teiras ou parcialmente digeridas dando origem a peptídeos ainda menores 1 2 Secreção digestória pH aproximado Saliva 70 Suco gástrico 20 Suco pancreático 78 a 82 Bile 72 Suco entérico 65 a 75 3 4 Atividade enzimática Atividade enzimática 2 4 6 7 75 8 pH pH A B Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 198 C E D E R J RESPOSTA COMENTADA Esta atividade era um grande quebracabeças Para chegar à resposta você provavelmente deve ter se dado conta de que se a pepsina é uma enzima presente no suco gástrico quadro 2 o seu pH de atuação deve ser em torno de 20 que é o pH dessa secreção digestória quadro 3 Analisando os gráfi cos quadro 4 podemos concluir que a pepsina é a enzima A por ser esta a que apresenta atividade em pH ácido Uma informação a mais o motivo para a pepsina funcionar somente em pHs ácidos é que essa enzima é secretada no estômago em uma forma precursora o pepsinogênio É o pH ácido que ativa essa enzima transformandoa em pepsina a qual é capaz de quebrar as proteínas que ingerimos naquele belo bife do almoço O mesmo caminho você deve ter feito para justifi car a identifi cação da enzima B como quimotripsina Esta enzima está presente no suco pancreático quadro 2 o qual tem pH em torno de 80 quadro 3 A enzima B quadro 4 tem sua atividade mais alta em torno deste valor de pH A fi gura do quadro 1 era só para você se localizar quanto ao posicionamento dos órgãos do aparelho digestório mencionados no restante da atividade MAIS QUENTE MAIS FRIO O QUE ACONTECE COM AS ENZIMAS O aumento da temperatura causa um aumento na velocidade das reações catalisadas por enzimas assim como ocorre para todas as reações químicas Isso acontece porque o calor energia térmica se converte em energia cinética para as moléculas Esse aumento da energia de movimento fornece às moléculas energia para se sobreporem a barreira energética de uma reação Assim para uma reação quanto mais quente melhor C E D E R J 199 AULA 20 MÓDULO 1 Devemos lembrar que as enzimas são proteínas Essas moléculas desnaturam em decorrência do aquecimento não deixe de ler o boxe a seguir de forma que sua atividade tende a diminuir quando a temperatura aumenta além da temperatura normal do organismo no caso dos humanos em torno de 37C A conseqüência destes dois efeitos opostos pode ser vista no Gráfi co 202 Esse gráfi co mostra o efeito da temperatura sobre a atividade de uma enzima Proteínas desnaturadas Falamos até agora em desnaturação de proteínas por detergente por pH por temperatura Como visualizar isso no diaadia Mais uma vez você vai ver como sempre esteve próximo a conceitos importantes da Bioquímica sem nem se dar conta Duvida Olhe as imagens a seguir Qual a diferença entre a primeira e a segunda imagem A desnaturação térmica da proteína que compõe a clara do ovo a albumina Fonte httpwwwsxchuphoto831221 Fonte httpwwwsxchuphoto552765 Foto Steve Woods Foto Marco Michelini Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 200 C E D E R J Gráfi co 202 Efeito da temperatura na atividade de uma enzima hipotética Temperatura ótima de funcionamento desta enzima Atividade enzimática Temperatura C 0 10 20 30 40 50 60 70 No exemplo do Gráfi co 202 você pode notar que há dois momentos um em que a atividade enzimática aumenta e outro em que ela diminui De 0 a 40C conforme a temperatura aumenta a atividade da enzima também aumenta Em outras palavras o efeito do aquecimento na reação é o de aumentar sua velocidade No entanto se continuamos aumentando a temperatura do meio em que está acontecendo a reação a atividade da enzima começa a diminuir esta proteína está sofrendo desnaturação e por esse motivo sua atividade começa a fi car comprometida Administrando mais calor ao meio causaremos uma desnaturação completa da proteína e mais nenhuma atividade é detectada Não sei se você se lembra mas na Aula 2 comentamos sobre alguns problemas de se ter febre alta e mencionamos a desnaturação de proteínas e perda de atividade de algumas enzimas Agora que você acabou de entender o porquê de a febre ser realmente um perigo por aumentar a temperatura do nosso corpo e poder causar a perda de atividade de diversas enzimas vale a pena voltar e reler aquele trecho C E D E R J 201 AULA 20 MÓDULO 1 CONCLUSÃO Quando você estiver cursando a disciplina Bioquímica II vai aprender como funciona o metabolismo energético do seu organismo Lá você verá como acontece a quebra da glicose para obter energia a respiração das células que utiliza o oxigênio que sorvemos do ar a síntese e a degradação das gorduras dentre outras vias metabólicas O que isso tem a ver com a aula de hoje O fato de todos estes processos envolverem e dependerem da participação de milhares de enzimas diferentes Daí a enorme importância de estudarmos como estas proteínas funcionam e por que podem não funcionar ATIVIDADE FINAL E agora Você acabou de aprender que as enzimas do nosso organismo apresentam uma temperatura ótima para sua atividade em torno de 37C Pois bem faço um desafi o a você Observe o gráfi co a seguir que se refere às atividades em função da temperatura de três enzimas de seres vivos Atividade relativa da enzima Temperatura C 4 37 95 3 Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 202 C E D E R J a Qualis curvas podem representar as atividades de uma enzima de mamífero Por quê tracejada pontilhada linha cheia b Pense nos ecossistemas do planeta Terra Agora diga um ser vivo que venha à sua cabeça que possa ter uma enzima cuja atividade máxima seja em uma temperatura em torno de 4C Escreva em sua resposta o ser vivo e seu habitat Ser vivo Habitat c Você consegue imaginar um ser vivo que exista em uma temperatura próxima a 95C de forma que a atividade máxima de uma de suas enzimas aconteça nesta temperatura Se conseguir citeo e diga onde ele vive Ser vivo Habitat RESPOSTA COMENTADA Fazer esta atividade era importante para você se dar conta de que nos mamíferos que têm sua temperatura corporal constante em torno de 37C é que a atividade máxima das enzimas acontecerá também a esta temperatura Aumentar a temperatura acima de 40C para um mamífero é iniciar um processo de desnaturação de suas enzimas abaixála para menos de 34C é fazer com que as enzimas deste organismo não funcionem direito embora não tenham sido desnaturadas estejam só inativas Daí a preocupação com quadros de febre alta e hipotermia baixa temperatura corporal Exatamente pelo que acabamos de dizer no parágrafo anterior é que a única curva que pode representar a atividade de uma enzima de mamífero dentre as três apresentadas no gráfi co da questão é a de linha pontilhada curva do meio Na letra b perguntamos sobre ecossistemas cuja temperatura seja 4C Lembrese de que pensar nos ursos polares do Alasca assim como nos pingüins da Patagônia não responderá à questão pois estes animais embora vivam em ambientes frios mantêm as suas temperaturas corporais constantes Algumas possibilidades de habitats e de seres vivos que se encaixam no perfi l da enzima que mostramos são crustáceos que vivem nos C E D E R J 203 AULA 20 MÓDULO 1 oceanos a uma profundidade grande na qual a luz do sol não é capaz de fornecer calor para aquecer a água ou lugares onde mesmo a presença do sol não é capaz de aquecer a água Camarões lagostas e lagostins dentre outros são seres em que você pode ter pensado Peixes como o salmão e o bacalhau que vivem em águas próximas ao pólo norte e portanto bastante frias também podem ter vindo à sua cabeça para responder à questão e são opções corretas Se você pensou em algas por ter pensado em oceanos e lagos não acertou a questão por pouco Estes seres vivos normalmente não vivem em profundidade onde a temperatura é baixa porque precisam da luz do sol para fazer fotossíntese E na letra c Quase incrível mas há organismos que vivem em temperaturas altíssimas como as arqueias Esses organismos são unicelulares e por viverem em condições muito extremas de temperatura pH e salinidade são denominados extremófi los As arqueias podem ser encontradas tanto em regiões muito frias abaixo de zero grau onde a água só não congela por estar submetida à alta pressão como é o caso das fossas abissais quanto muito quentes como nos GÊISERES e lagos termais como no parque de Yellowstone nos Estados Unidos se você não se lembra este parque é aquele onde moram os ursos Zé Colméia e seu amigo Catatau A temperatura nesses locais pode chegar a 95C exatamente a temperatura de atividade máxima da enzima que mostramos no gráfi co desta questão Figura 207 Um gêiser borbulhando água Fonte httpwwwsxchuphoto822419 Foto Cristiano Galbiati GÊISER Fonte de água quente que lança no ar jatos de água muito quente ou vapor dágua em intervalos de tempo regulares Bioquímica I Sobre as famosas enzimas parte II Já ouviu falar em sítio ativo 204 C E D E R J Foto Cristiano Galbiati Figura 208 Gêiser em atividade Fonte httpwwwsxchuphoto766674 Figura 209 Lago termal no Parque Nacional de Yellowstone Fonte httpwwwsxchuphoto840559 Foto Jeremy Doorten C E D E R J 205 AULA 20 MÓDULO 1 O sítio ativo de uma enzima é a região de sua estrutura à qual o substrato se liga e que promove a catálise da reação Existem dois modelos que explicam a interação de uma enzima com seu substrato o modelo chave e fechadura e o modelo de ajuste induzido Pelo primeiro modelo a enzima tem seu sítio ativo de forma geométrica complementar ao substrato de tal maneira que os dois se encaixam perfeitamente e a catálise da reação tem início No entanto este modelo não explica todas as reações enzimáticas uma vez que a ligação do sítio ativo perfeitamente complementar ao substrato pode em muitos casos formar um complexo enzima substrato de tal ordem estável que a reação se torna energeticamente inviável Uma explicação para as reações que acontecem sem sítio ativo e substrato de geometria complementar é o ajuste induzido onde o substrato ao se ligar à enzima provoca alterações na conformação desta proteína que fazem com que resíduos importantes à reação a ser catalisada se aproximem e esta aconteça Alguns fatores alteram a atividade catalítica de uma enzima como o pH e a temperatura em que ela se encontra Cada enzima possui um pH ótimo e uma temperatura ótima de funcionamento No caso do pH este valor dependerá do meio em que ela atua e dos resíduos de aminoácidos envolvidos na catálise Já no caso da temperatura o valor ótimo se refere em geral à temperatura do animal no caso dos animais que controlam suas temperaturas corporais ou do ambiente em que ele vive no caso daqueles que não controlam a temperatura corporal R E S U M O INFORMAÇÃO SOBRE A PRÓXIMA AULA Na próxima aula você vai estudar mais sobre a velocidade de reação das enzimas no campo de estudo que chamamos cinética enzimática Até lá Prérequisito Tenha em mãos o roteiro da aula prática com todos os resultados obtidos por seu grupo Você vai precisar de tudo isso para confeccionar ao fi nal desta aula um relatório objetivos Meta da aula Apresentar teoria de cinética enzimática e relacionála aos resultados obtidos por você nas aulas práticas sobre este assunto Cinética enzimática partindo da prática para a teoria 21 A U L A 1 2 3 Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de defi nir a constante de Michaelis KM relacionar KM e afi nidade de uma enzima por seu substrato identifi car inibidores irreversíveis reversíveis competitivos e reversíveis nãocompetitivos elaborar um relatório de aula prática 4 Bioquímica I Cinética enzimática partindo da prática para a teoria 208 C E D E R J Diversas doenças no nosso organismo podem ser causadas por disfunções nas atividades de algumas enzimas Vejamos alguns exemplos Fenilcetonúria doença causada por uma defi ciência na enzima que metaboliza o aminoácido fenilalanina Já comentamos sobre ela na Aula 8 só para relembrar o acúmulo desse aminoácido pode causar retardo mental retardo no desenvolvimento psicomotor dentre outros problemas Adrenoleucodistrofia doença causada pela deficiência na enzima que metaboliza gorduras de cadeias muito longas Essas gorduras não metabolizadas se acumulam especialmente no cérebro e passam a interferir na capa de gordura que envolve os neurônios e isola o impulso nervoso a bainha de mielina É uma doença neurodegenerativa para saber mais veja o boxe O óleo de Lorenzo Hemólise destruição de hemácias dentre muitas causas possíveis para esta doença uma delas é a defi ciência em uma enzima que participa da via de síntese de açúcares de cinco carbonos uma via metabólica importante nas hemácias A defi ciência nesta enzima a glicose6fosfato desidrogenase G6PD compromete a integridade das membranas das hemácias o diagnóstico é feito monitorando a atividade da G6PD Doença de Gaucher um produto do metabolismo de gorduras os glucocerebrosídeos não é metabolizado e se acumula nos tecidos principalmente no fígado e baço Isso causa anormalidades no funcionamento destes órgãos O tratamento é feito pela reposição da enzima que não metabolizou os glucocerebrosídeos Tanto para monitorar o acontecimento de algumas doenças quanto para tratálas é importante conhecer bem o funcionamento das enzimas Você já viu na Aula 21 com detalhes que o pH e a temperatura do meio de reação afetam bastante a atividade da enzima na aula prática você mesmo pode testar o efeito da temperatura sobre a atividade enzimática O tipo de estudo que você fez na aula prática chamado cinética enzimática é a abordagem mais clássica para o estudo das enzimas e até hoje é fundamental para a total compreensão do funcionamento dessas proteínas INTRODUÇÃO Colocamos como um dos objetivos desta aula a elaboração do relatório da aula prática porque é a partir dos fundamentos teóricos apresentados nela que você vai poder construir os gráfi cos solicitados em cada um dos itens de seu roteiro de prática e vai responder a todas as questões do estudo dirigido AULA 21 MÓDULO 1 C E D E R J 209 Que tal entender os princípios básicos da cinética enzimática aproveitando os resultados obtidos na aula prática O óleo de Lorenzo Este filme conta a história de um garoto sobre quem se descobriu aos seis anos que tinha problemas men tais conseqüentes de uma doença diagnosticada como adrenoleucodistrofia ADL Esse mal incurável provoca a degeneração do cérebro e leva o doente à morte em poucos anos Os pais do menino representados por Susan Sarandon e Nick Nolte ficam descontentes com os prognósticos médi cos e resolvem estudar a doença por conta própria O filme foi feito em 1992 sob a direção de George Miller e vale a pena conferir MAIS SUBSTRATO REAÇÃO MAIS RÁPIDA Uma das experiências mais comuns no estudo de uma enzima é a medida de sua atividade em função da concentração de seu substrato Esta experiência é feita da seguinte forma 1 Em diferentes tubos de ensaio colocase as mesmas quantidades de enzima variando apenas a quantidade de substrato 2 Após determinado tempo de reação previamente estimado para a enzima em questão de acordo com suas características cinéticas medese a quantidade de produto formado Para isso é possível usar diferentes metodologias cuja escolha depende do produto da reação No caso da aula prática o produto era colorido e sua formação podia ser medida em um espectrofotômetro lembrase Observe o gráfi co obtido quando a atividade da enzima fosfatase alcalina foi medida em função da variação da concentração de seu substrato o PNPP PNPP pNPP ou paranitro fenolfosfato é um composto que serve de substrato para a enzima fosfatase alcalina e que é amplamente utilizado para ensaios químicos envolvendo essa proteína Quando é metabolizado pela enzima o pNPP se transforma em para nitrofenol pNP que é um composto de cor amarela visualizável por espectrofotômetro Bioquímica I Cinética enzimática partindo da prática para a teoria 210 C E D E R J Gráfico 211 Atividade da enzima fosfatase alcalina em função da quantidade de substrato pNPP adicionada ao meio de reação 14 12 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 Atividade nmoles pNPminμg enzima pNPP μM Quanto mais substrato adicionamos à reação maior a atividade da enzima Assim fi ca claro que um fator importante para a velocidade da reação é a concentração de substrato que representaremos a partir de agora como S Entretanto um complicador para tais medidas é o fato de que a S varia durante o curso da reação já que o substrato vai sendo convertido em produto Uma maneira de contornar este problema é sempre medir o produto da reação quando ela ainda está acontecendo em sua velocidade inicial V0 lêse vê zero ou seja quando a diminuição da concentração de substrato ainda é insignifi cante Isso é possível se adicionarmos todos os componentes da reação ao tubo de ensaio e somente aí colocarmos a enzima e medirmos a formação do produto O intervalo de tempo entre colocar a enzima e medir a formação do produto é um parâmetro chave Na nossa experiência usamos um tempo de reação que garantia que estávamos trabalhando em velocidade inicial Com este procedimento garantimos que a variação na S fosse insignifi cante e por isso podemos considerar seu valor constante AULA 21 MÓDULO 1 C E D E R J 211 LEONOR MICHAELIS 18751949 Leonor Michaelis bioquímico alemão dedicouse em toda sua carreira ao estudo de parâmetros físico químicos aplicados à Biologia e à Medicina Além da famosa equação para explicar a cinética das reações enzimáticas ele foi fundamental para que hoje seja possível fazer ondas permanentes nos cabelos Ele descobriu que a proteína queratina que compõe os cabelos é solúvel em uma determinada substância o ácido tioglicólico Essa substância é utilizada na primeira etapa do permanente reduzindo as pontes dissulfeto Observando o Gráfi co 211 você pode ver que em concentrações relativamente baixas de substrato a velocidade inicial da enzima V0 aumenta quase que linearmente em função do aumento da S À medida que aumentamos a S a resposta de V0 aumentando é cada vez menor até que em determinado ponto o aumento de V0 é praticamente nulo Neste momento a enzima alcançou sua capacidade máxima de catálise O platô que você vê no Gráfi co 211 corresponde ao alcance da velocidade máxima da reação ou Vmáx lêse vê máxima Dois importantes cientistas do início do século XX LEONOR MICHAELIS e MAUDE MENTEN descobriram que a formação do complexo enzimasubstrato ES que você aprendeu com tantos detalhes na Aula 20 infl uencia diretamente a velocidade máxima de catálise de uma enzima em uma reação Eles propuseram que a enzima inicialmente se combinava com o substrato de forma rápida e reversível O passo seguinte mais lento era a dissociação de ES gerando enzima livre e produto Enzima se liga ao substrato formando de maneira reversível um complexo E S ES O substrato é convertido em produto que se dissocia lentamente da enzima que fi ca livre para uma nova catálise ES E P MAUDE LEONORA MENTEN 18791970 Maude Leonora Menten médica canadense foi uma das cientistas mais versáteis e inovadoras da Química no início do século XX Viajou na companhia de Michaelis para Berlim onde desenvolveu junto com este pesquisador seu trabalho mais notável a equação de Michaelis e Menten O mais interessante é que a despeito de sua paixão pela investigação científi ca ela também se dedicava à música às artes existem algumas telas suas expostas em uma galeria de arte em Pitsburgo nos EUA e pode acreditar à escalada de montanhas Bioquímica I Cinética enzimática partindo da prática para a teoria 212 C E D E R J Como a segunda reação é mais lenta ela é a etapa que limita a conversão de substrato em produto A velocidade de formação do produto será proporcional à concentração de ES ou seja a rapidez com que o complexo ES se desfaz determina a velocidade de formação do produto Com o que dissemos você agora sabe que uma enzima pode existir sob duas formas livre ou associada ao substrato Quando a concentração de substrato no meio de reação é baixa a maior parte das enzimas está livre logo a velocidade da reação será proporcional unicamente à S Já quando oferecemos muito substrato ao meio de reação ou seja quando a S é muito maior do que a concentração de enzima todas as enzimas se encontram na forma ES Nesse ponto a velocidade máxima da reação é alcançada Quando uma reação atinge sua Vmáx dizemos que a S é SATURANTE Afi nal se todas as enzimas estão ocupadas com substrato aumentar mais ainda a S não irá resultar em nenhum aumento da velocidade da reação Quando uma enzima é misturada com seu substrato em concentração saturante rapidamente se inicia a formação de diversos complexos ES Este período da reação é denominado préestado estacionário e ele é marcado pelo aumento expressivo da concentração de ES O préestado estacionário é seguido do ESTADO ESTACIONÁRIO no qual a concentração de ES é constante ao longo do tempo Figura 211 a duração do préestado estacionário é tão curta que é quase impossível medilo SATURANTE A concentração de substrato dita saturante é aquela que ocupa todos os sítios ativos das enzimas presentes em um meio de reação ESTADO ESTACIONÁRIO Momento da reação em que a concentração do complexo ES é constante O conceito de estado estacionário foi formulado por dois pesquisadores Briggs e Haldane em 1925 Haldane inclusive foi um enzimólogo importante que você já conheceu na Aula 20 quando mencionamos que ele participou da elucidação do mecanismo de ligação da enzima ao seu substrato AULA 21 MÓDULO 1 C E D E R J 213 Concentrações Tempo S inicial P fi nal Substrato Produto Concentrações Tempo E Enzima Complexo enzimasubstrato ES Gráfi co A representando as concentrações de substrato e produto em função do termo Gráfico B representando as concentrações de enzima livre e de enzima associada ao substrato ao longo do tempo Concentrações Tempo Substrato Produto Enzima Complexo enzimasubstrato Gráfi co C mostrando os tempos em que acontecem os processos apresentados nos gráfi cos A e B uma vez que são dependentes uns dos outros Figura 211 Variações da concentração de produto substrato enzima e do complexo enzimasubstrato em uma reação ao longo do tempo No gráfi co A você vê que a concentração de substrato diminuiu ao longo do tempo ao passo que a do produto aumenta No gráfi co B você pode observar que a concentração de enzima livre no início da reação diminui rapidamente e só retorna a seus valores iniciais no fi nal da reação Nesse meio tempo toda a enzima está envolvida na reação associada ao substrato formando o complexo ES A região sombreada neste gráfi co indica o estado estacionário e a região imediatamente antes do sombreado o momento préestado estacionário O gráfi co C mostra a junção dos outros dois para que você possa acompanhar ao mesmo tempo todas as variações de concentração de enzima substrato complexo ES e produto ao longo da reação uma vez que estes processos acontecem e estão relacionados S inicial P fi nal E ES Bioquímica I Cinética enzimática partindo da prática para a teoria 214 C E D E R J Somente quando o substrato começa a sair da concentração satu rante por ter sido convertido em produto é que a reação sai do estado estacionário Normalmente nesta situação ela se encaminha para o seu fi m o substrato praticamente acaba grande quantidade de produto é formada e o complexo ES se desfaz deixando a enzima E livre novamente Na verdade essas variações entre os estados durante uma reação são quase que instantâneas Assim em condições laboratoriais sempre que fazemos a medida da cinética da reação catalisada por uma enzima mesmo em V0 estamos trabalhando com a reação já no estado estacionário Elucidando numericamente uma reação enzimática a equação de Michaelis e Menten A fi m de relacionar a velocidade de uma reação enzimática com a concentração de substrato usada Leonor Michaelis e Maud Menten pesquisadores que começaram a elucidar a cinética das reações enzimáticas como mencionamos antes propuseram a seguinte fórmula batizada de equação de Michaelis e Menten Equação de Michaelis e Menten V0 Vmáx S KM S Caso você queira conhecer mais profundamente a equação assim como a sua dedução matemática consulte qualquer livro de Bioquímica como os que você encontra na biblioteca do seu pólo por exemplo Lehninger Princípios de Bioquímica O importante para nós nesta aula é entender como podemos usála para determinar os parâmetros cinéticos de uma enzima que servirão para compreendermos seu funcionamento Além disso é fundamental você ter sempre em mente que todos esses estudos e deduções são sempre feitos em condições que garantam que a velocidade da reação medida é a velocidade inicial ou seja que ainda não há uma variação signifi cativa da S Embora pareça complicada esta equação apenas relaciona numericamente os parâmetros de uma reação sobre os quais já conversamos na seção anterior desta aula velocidade inicial velocidade máxima e concentração de substrato S A novidade nessa expressão AULA 21 MÓDULO 1 C E D E R J 215 matemática é o termo KM do qual não falamos ainda mas que tem uma enorme importância para o estudo da cinética das enzimas O KM é a constante de Michaelis que corresponde à relação entre as constantes de velocidade de formação e dissociação do complexo ES como você poderá ver melhor se estudar a dedução da equação de Michaelis e Menten Este parâmetro da cinética de uma enzima pode nos trazer muitas informações sobre seu funcionamento mas vamos com calma Primeiro vamos conhecer uma estratégia para se obter o valor de KM Imagine que façamos um gráfi co no qual estejam relacionadas velocidade inicial da reação e concentração de substrato Gráfi co 212 Gráfi co 212 Relação entre a velocidade inicial da reação e a concentração de substrato consumida durante uma reação S mM V0 μMmin V0 1 2 Vmáx Vmáx Como você pode ver neste gráfico para uma determinada concentração de substrato a velocidade inicial da reação apresenta valor numérico igual à metade do valor da Vmáx que esta reação alcançará Escrevendo isso por uma fórmula como no gráfi co temos V0 1 2 Vmáx Bioquímica I Cinética enzimática partindo da prática para a teoria 216 C E D E R J Então para esta S podemos substituir o termo V0 na equação de Michaelis e Menten pela expressão V0 1 2 Vmáx V0 Vmáx S KM S 1 2 Vmáx Vmáx S KM S Você deve se lembrar de que matematicamente é possível dividir os dois lados de uma equação por um mesmo número sem alterar seu resultado Assim veja o que acontece quando dividimos os dois lados da equação por Vmáx 1 Vmáx 2 Vmáx Vmáx S KM S Vmáx 1 2 S KM S Agora podemos fazer a multiplicação cruzada do denominador de um lado com o numerador do outro 1 2 S KM S KM S 2 S Continuando a resolver a expressão KM S 2 S KM 2S S Logo KM S Esta expressão nos mostra que o valor do KM é equivalente à concentração do substrato que faz com que a velocidade inicial da reação seja metade da velocidade máxima da reação Uma enzima que precise de uma quantidade de substrato pequena para alcançar a metade da sua Vmáx é uma enzima capaz de se associar com facilidade ao seu substrato Já uma enzima que precise de muito substrato para que sua velocidade inicial chegue à metade da Vmáx é uma enzima que não se associa ao seu substrato tão facilmente Essa facilidade maior ou menor de uma enzima se associar ao seu substrato é chamada afi nidade Quando dissemos que o KM fornece informações importantes sobre a cinética de uma enzima era neste ponto que queríamos chegar a afi nidade de uma enzima por seu substrato AULA 21 MÓDULO 1 C E D E R J 217 Se o KM equivale à concentração de substrato com a qual a velocidade inicial da reação é metade da Vmáx uma enzima com KM muito alto precisa de muito substrato para atingir metade da sua velocidade máxima Já um valor de KM baixo signifi ca que a enzima atinge essa velocidade na presença de pouco substrato Podemos concluir a partir destas informações que o valor de KM é inversamente proporcional à afi nidade da enzima por seu substrato quanto maior o KM menor a afi nidade da enzima por seu substrato quanto menor o KM maior a afi nidade O KM equivale ao valor da concentração de substrato que faz com que a reação atinja metade da sua Vmáx Quanto menor for a quantidade de substrato para isso acontecer maior é a afi nidade da enzima por seu substrato Assim Enzima com ALTO KM enzima com BAIXA afi nidade pelo substrato Enzima com BAIXO KM enzima com ALTA afi nidade pelo substrato É possível que você agora esteja um pouco zonzo com tantos conceitos e tantos números em uma aula só Por isso nada melhor do que fazer uma atividade para consolidar o que você estudou até agora verifi car se já tem tudo claro na cabeça ou precisa reler algum trecho da aula Mãos à obra 1 Qual é mais afi m Um dos passos mais importantes do metabolismo de glicose dentro de uma célula é etiquetar essa glicose para ela poder ser usada pelas vias de destino e ao cabo gerar energia etc Essa etiqueta que é colocada na glicose é a adição de um grupamento fosfato no sexto carbono da cadeia que forma este açúcar Veja um esquema da reação Glicose glicose6fosfato Existem diferentes isoformas da enzima que catalisa a conversão da glicose em glicose6fosfato G6P Essas isoformas são enzimas levemente diferentes que catalisam a mesma reação e que são expressas em tecidos diferentes no nosso corpo ATIVIDADE 2 1 Bioquímica I Cinética enzimática partindo da prática para a teoria 218 C E D E R J No cérebro a isoforma é denominada hexocinase enquanto no fígado a enzima é denominada glicocinase Veja a cinética das reações catalisadas por estas duas enzimas Atividade das enzimas hexocinase e glicocinase em função da concentração de seu substrato a glicose Analisando o gráfi co e com as informações que demos no enunciado responda a Qual das duas enzimas precisa de uma maior concentração de substrato para atingir sua velocidade máxima Hexocinase Glicocinase b O que é KM c Pela análise do gráfi co qual das duas enzimas apresenta maior KM Hexocinase Glicocinase d Qual enzima apresenta maior afi nidade pelo seu substrato glicose Hexocinase Glicocinase RESPOSTAS COMENTADAS a Observando o gráfi co você deve ter percebido que a glicocinase alcança a velocidade máxima em uma concentração de substrato bem mais alta do que a hexocinase b Como você bem sabe o KM representa o valor da concentração do substrato em que a enzima atinge metade da sua Vmáx c Se você realmente entendeu a defi nição de KM não deve ter tido nenhuma difi culdade em responder à esta pergunta Isto porque 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Hexocinase Glicocinase Glicose mM Velocidade máxima AULA 21 MÓDULO 1 C E D E R J 219 se a glicocinase chega à velocidade máxima em uma concentração muito mais alta de substrato do que a hexocinase a concentração de substrato que ela precisa para atingir metade da Vmáx também é mais alta Portanto seu KM é mais alto do que o da hexocinase Na verdade o KM da hexocinase para glicose é de 01 mM enquanto o KM da glicocinase para a glicose é de 10 mM d Pelo gráfi co e pela análise do KM das duas enzimas é possível concluir que a hexocinase apresenta muito maior afi nidade pela glicose do que a glicocinase Afi nal quem tem maior KM tem menor afi nidade pelo substrato e viceversa Só por curiosidade a diferença na afi nidade das duas enzimas e os tecidos em que elas se encontram têm um motivo fi siológico A concentração basal de glicose no sangue é de aproximadamente 45 mM Assim na faixa fi siológica de concentração de glicose o cérebro pode usar a glicose em velocidade máxima enquanto o fígado não Isso é importante porque o fígado pode usar gorduras para gerar energia para suas células mas o cérebro não pois as moléculas de gordura se associam a proteínas para circularem o que as impede de atravessar a barreira que há entre o sangue e o cérebro barreira hematoencefálica Como calcular precisamente os valores de KM e Vmáx para uma reação A equação de Michaelis e Menten pode ser algebricamente transformada em outras equações de maior utilidade experimental Uma transformação simples e muito útil é feita invertendose os numeradores com os denominadores Assim Equação de Michaelis e Menten Equação de Michaelis e Menten com numeradores e denominadores invertidos V0 Vmáx S KM S 1 V0 KM S Vmáx S Bioquímica I Cinética enzimática partindo da prática para a teoria 220 C E D E R J Separando os componentes do numerador do lado direito da expressão temos 1 V0 KM Vmáx S S Vmáx S Repare que na parcela do lado direito temos S sendo dividida por S Assim esta equação pode ser simplifi cada 1 V0 KM Vmáx S 1 Vmáx Esta equação que obtivemos é denominada equação de Lineweaver Burk em homenagem aos pesquisadores que a deduziram Ela é também chamada de duplo recíproco assim como o gráfi co que ela gera já explicaremos por quê Você deve estar achando que não faz nenhuma diferença aplicar a equação de Michaelis e Menten ou a de Lineweaver Burk à cinética de uma enzima No entanto a grande diferença aparece quando você plota os dados obtidos experimentalmente em um gráfi co a equação de Michaelis e Menten gera uma hipérbole ao passo que a de LineweaverBurk gera uma reta muito mais fácil de analisar Veja um exemplo Gráfi co 213 O duplo recíproco um gráfi co para cinética enzimática em forma de reta obtido a partir do uso da equação de LineweaverBurk No eixo y o inverso da velocidade inicial 1V0 no x o inverso da concentração de substrato 1S Slope Km Vmáx 1 Km 1 Vmáx 1 S 1 mM 1 V0 1 μMmin AULA 21 MÓDULO 1 C E D E R J 221 No gráfi co gerado a partir da equação de Michaelis e Menten não é trivial encontrar o ponto exato em que a velocidade inicial se iguala à metade da velocidade máxima Em outras palavras não é fácil encontrar naquele tipo de gráfi co o valor de Vmáx e do KM No entanto no gráfi co do duplo recíproco os dados obtidos geram uma reta a qual cruza o eixo y que neste caso é o inverso da V0 e o eixo x que neste tipo de gráfi co é o inverso da S O valor em que a reta cortar o eixo y equivalerá ao inverso da velocidade máxima O valor em que a reta cortar o eixo x equivalerá ao inverso de KM Além disso a inclinação da reta pode ser obtida apenas dividindose o KM pela Vmáx Assim só de olhar um gráfi co do duplo recíproco e de fazer alguns cálculos bastante simples encontramos as informações importantes sobre a cinética de uma enzima o seu KM e sua Vmáx Até agora você viu como varia a velocidade de reação de uma enzima em função da concentração de seu substrato Você viu que aumentandose a concentração de substrato uma enzima tem sua velocidade de reação aumentada até alcançar a Vmáx No entanto é possível que uma enzima em condições ideais de temperatura e pH e na presença de seu substrato não seja capaz de realizar sua catálise Por quê Veja na seção a seguir INIBIÇÃO DA ATIVIDADE DAS ENZIMAS Uma enzima pode mesmo na presença de seu substrato e em condições ótimas para o seu funcionamento não realizar catálise ou ter sua velocidade de reação diminuída Isso pode acontecer se no meio de reação houver aquilo que chamamos de inibidor enzimático Um inibidor enzimático é uma molécula capaz de se associar à enzima e reduzir ou até zerar sua velocidade de catálise isto é de gerar produto a partir do substrato Existem dois tipos de inibidor os irreversíveis e os reversíveis 1 Inibidores irreversíveis são aqueles que se ligam à enzima modifi cando sua estrutura de tal forma que inutilizam permanentemente essa proteína Bioquímica I Cinética enzimática partindo da prática para a teoria 222 C E D E R J 2 Inibidores reversíveis são aqueles que podem se dissociar da enzima e de acordo com a maneira como isso acontece estão subdivididos em a Inibidores reversíveis competitivos competem com o substrato pela ligação ao sítio ativo da enzima Assim se aumentamos a concentração de substrato favorecemos o acontecimento da catálise por dois mecanismos aumentando a chance de enzimas livres se associarem ao substrato em vez de ao inibidor deslocando o inibidor da enzima Por afi nidade o substrato pode fazer com que a enzima se dissocie do inibidor e se associe a ele e a partir daí aconteça a reação b Inibidores reversíveis nãocompetitivos são aqueles que se associam à enzima em uma parte de sua estrutura diferente daquela onde se liga o substrato Esta ligação promove alterações na enzima de forma que a catálise seja comprometida e que mesmo aumentando a concentração de substrato nenhuma mudança no acontecimento da reação seja observada ATIVIDADE FINAL Inibidores enzimáticos Nos trechos a seguir relatamos os três mecanismos de inibição enzimática possíveis irreversível reversível competitivo e reversível nãocompetitivo Identifi que que letra corresponde a que tipo de inibição e sublinhe a frase que lhe revelou o mecanismo a A produção das hemácias no nosso organismo depende da produção de heme composto capaz de se ligar ao oxigênio possibilitando o transporte deste gás pelo nosso organismo como você viu na Aula 16 Uma das enzimas da via de síntese do heme se chama ALAD Em locais onde há contaminação por metal pesado como o chumbo os organismos em contato com esse metal podem sofrer de anemia Isso porque o chumbo se liga a um sítio da estrutura da ALAD de onde não pode ser removido pelo aumento da concentração de ALA substrato da enzima No entanto poderia ser removido por uma molécula capaz de grudar metais Inibição 3 AULA 21 MÓDULO 1 C E D E R J 223 b A aspirina é um medicamento para dores de cabeça que atua em uma enzima da via de processos infl amatórios a ciclooxigenase Funciona assim OH COO O CH3 C O O H O C CH3 O COO Ciclo oxigenase Ciclo oxigenase A aspirina ácido acetilsalicílico se liga à enzima ciclooxigenase que fi ca modifi cada permanentemente impedindo a continuação da via de síntese de moléculas que promovem a sensação de dor prostaglandinas Inibição c A angiotensina 2 é uma molécula que promove a vasoconstrição e conse qüentemente o aumento da pressão arterial Ela é produzida por uma reação catalisada pela enzima conversora de angiotensina ECA Angiotensina 1 Angiotensina 2 Medicamentos como o captopril e o enalapril são capazes de inibir a enzima ECA controlando a pressão arterial No entanto esta inibição só funciona por um determinado período de tempo necessário para a concentração de angiotensina 1 aumentar e disparar sua conversão em angiotensina 2 Inibição Aspirina Acetilsalicilato Ativa Inibida Salicilato ECA Bioquímica I Cinética enzimática partindo da prática para a teoria 224 C E D E R J RESPOSTA COMENTADA Como você viu nesta aula há três mecanismos de inibição enzimática Em um o inibidor é capaz de promover uma alteração permanente na estrutura da enzima de forma que mesmo que ele se desligue dela essa enzima continua inativada Este tipo de inibição é chamado irreversível e é o que acontece quando tomamos uma aspirina para dor de cabeça Em outro o inibidor se liga à enzima mas pode ser deslocado caso a concentração de substrato para esta enzima seja aumentada Este tipo de inibição a inibição competitiva reversível é o que faz remédios para controle de hipertensão como o captopril e o enalapril Por fi m o terceiro tipo de inibição é caracterizado pela ligação do inibidor à enzima em um sítio diferente daquele em que se liga o substrato Embora diferente esta ligação afeta a atividade da enzima Aumentar a concentração de substrato não infl uencia neste caso a velocidade da reação pois ele não é capaz de deslocar o inibidor da estrutura da enzima Este tipo de inibição é chamado reversível não competitiva e é o caso do chumbo que ligado à ALAD inibe a sua atividade sem que o aumento da concentração de ALA faça qualquer diferença neste quadro A concentração de substrato é um dos fatores que infl uenciam a velocidade de uma reação enzimática A adição de mais substrato ao meio de reação aumenta a velocidade desta reação até um certo ponto Quando concentração de substrato S é sufi ciente para ocupar todas as moléculas de enzima dizemos que a reação está com uma S saturante nestas condições a enzima atinge sua velocidade máxima de catálise Dois pesquisadores Michaelis e Menten se dedicaram intensamente a desvendar a cinética das reações enzimáticas Eles chegaram à conclusão de que durante a reação rapidamente se forma um complexo entre enzima e substrato chamado ES com a formação deste complexo é possível que o produto da reação seja formado Este se dissocia da enzima que volta à sua forma livre etapa esta que é mais lenta e por isso a limitante da reação Michaelis e Menten propuseram uma equação que relaciona os parâmetros velocidade inicial velocidade máxima R E S U M O AULA 21 MÓDULO 1 C E D E R J 225 e concentração de substrato levando em consideração uma constante chamada constante de Michaelis o KM O valor do KM corresponde à concentração de substrato com a qual a reação atinge metade da sua Vmáx Ele pode ser entendido também como uma medida de afi nidade da enzima pelo seu substrato quando mais baixo o KM maior a afi nidade da enzima por seu substrato e viceversa A equação de Michaelis e Menten foi objeto de estudo de outros cientistas também Uma derivação dela foi elaborada por Lineweaver e Burk que propuseram uma equação cujo gráfi co fornece os dados em uma reta e não uma hipérbole Este tipo de gráfi co o duplo recíproco fornece os valores de KM e Vmáx de forma mais fácil de calcular do que o gráfi co gerado pela equação de Michaelis e Menten Embora o aumento da concentração de substrato em geral desencadeie o funcionamento da enzima há situações em que isso não acontece Estas situações estão relacionadas à presença de um composto chamado inibidor que se associa à enzima ou modifi ca sua estrutura impedindo seu funcionamento Há três tipos de inibidores os que modifi cam as enzimas defi nitivamente irreversíveis os que competem com o substrato pela enzima reversíveis competitivos e os que não competem com o substrato pela enzima reversíveis nãocompetitivos Prérequisito Antes de começar a estudar esta aula é importante que você volte à Aula 20 e relembre o que é sítio ativo de uma enzima bem como a participação dos aminoácidos da enzima na catálise de uma reação objetivos Meta da aula Apresentar o que são vitaminas e seus papéis no bom funcionamento do organismo Você realmente sabe o que são vitaminas 22 A U L A Ao fi nal desta aula você deverá ser capaz de defi nir vitaminas identifi car a importância desses compostos para o organismo identifi car alimentos que sejam fontes de determinadas vitaminas 1 2 3 Bioquímica I Você realmente sabe o que são vitaminas 228 C E D E R J Provavelmente todos nós ouvimos quando crianças que devíamos comer frutas e legumes porque estes alimentos contêm vitaminas que são importantes para crescermos fortes e saudáveis etc É bem possível também que você já tenha visto em pacotes de biscoitos normalmente voltados para o público infantil a expressão biscoito vitaminado Às vezes damos preferências a esses produtos vitaminados valorizamos a adição de vitaminas aos alimentos mas sabemos de fato o que são estes compostos Sabemos qual é a importância das vitaminas para o organismo Por que é tão comum escutarmos que as crianças precisam tanto de vitaminas O que acontece quando esses compostos faltam no nosso organismo Não tinha parado para pensar nisso ainda Ficou curioso Então você tem um bom motivo para começar a estudar esta aula INTRODUÇÃO Fonte wwwsxchuphoto732221 Foto Sanja Gjenero Fonte wwwsxchuphoto774156 Fonte httpwwwsxchuphoto771855 Foto Kotz Foto Meliha Gojak Fonte wwwsxchuphoto774158 Foto Meliha Gojak Fonte wwwsxchuphoto840735 Foto Meliha Gojak C E D E R J 229 AULA 22 MÓDULO 1 AS FAMOSAS VITAMINAS As vitaminas são moléculas orgânicas pequenas não sintetizadas pelo nosso corpo ou sintetizadas em quantidades insignifi cantes mas essenciais ao bom funcionamento do organismo São obtidas a partir do consumo de diversos alimentos especialmente frutas e legumes As vitaminas foram batizadas com este nome porque são essenciais à vida por isso o prefi xo latino vita que em português signifi ca vida e porque a primeira delas observada pelo pesquisador polonês CASIMIR FUNK possuía grupamentos amina NH3 em sua estrutura Existem diversos tipos de vitaminas que podem ser divididas em três grupos hidrossolúveis lipossolúveis e nutrientes tipo vitaminas As vitaminas hidrossolúveis são como o próprio nome diz solúveis em água as lipossolúveis não são solúveis em água de forma que elas geralmente estão associadas a lipídeos ou gorduras e são absorvidas a partir da ingestão destes Esses dois tipos de vitaminas hidro e lipossolúveis não são sintetizados em nosso corpo ou são sintetizados em quantidades insufi cientes para as funções que desempenham Isso inclusive é o que as diferencia dos nutrientes tipo vitamina o terceiro tipo de vitaminas Os nutrientes tipo vitamina são sintetizados em nosso corpo em quantidades sufi cientes para as funções que desempenham podendo ser lipo ou hidrossolúveis Veja a Tabela 221 que apresenta as vitaminas divididas de acordo com essa classifi cação Tabela 221 Vitaminas de acordo com sua classifi cação em hidrossolúveis lipossolúveis e nutrientes tipo vitamina Vitaminas hidrossolúveis Vitaminas lipossolúveis Nutrientes tipo vitaminas Tiamina B1 Vitamina A Inositol Ribofl avina B2 Vitamina D Colina Piridoxina B6 Vitamina E Carnitina Vitamina B12 cobalamina Vitamina K Ácido lipóico Ácido nicotínico niacina ou PP paminobenzoato PABA Ácido pantotênico Coenzima Q Biotina Ácido fólico Vitamina C CASIMIR FUNK 18841967 Bioquímico polonês que observou que havia uma relação entre defi ciências alimentares e algumas doenças Em 1911 ele administrou extratos obtidos de arroz em pombos que apresentavam uma doença chamada beribéri curando os animais Como havia grande quantidade de aminas no extrato que ele utilizou concluiu que naquele extrato havia uma amina vital que por isso foi batizada por ele de vitamina Funk caracterizou a primeira vitamina que a ciência conheceu a niacina uma vitamina do complexo B PABA Nutriente tipo vitamina que auxilia no crescimento dos cabelos e na manutenção da pele em boas condições Você já deve ter ouvido falar em PABA por causa dos fi ltros solares pois muitos deles contêm esta substância Ocasionalmente os fi ltros solares contendo PABA causam irritação da pele em algumas pessoas Bioquímica I Você realmente sabe o que são vitaminas 230 C E D E R J Cada uma destas vitaminas tem uma função no nosso organismo e é isso que você verá na próxima seção 1 Sobre as vitaminas Veja as descrições a seguir É um composto cuja estrutura apresenta um grupamento amina e que é fundamental para o nosso organismo Essa substância não só participa da composição de moléculas importantes no nosso organismo como atua ela própria como um neurotransmissor é sintetizada no nosso organismo a partir de modifi cações químicas em outras moléculas que servem de fonte de carbono É um composto cuja estrutura apresenta um grupamento amina e que é fundamental para o nosso organismo embora não a sintetizemos Essa substância participa de reações químicas importantes e sem ela o bom funcionamento do organismo fi ca comprometido a Qual destes dois trechos se refere a uma vitamina Por quê b Toda vitamina apresenta um grupamento amina necessariamente c Uma alimentação balanceada é aquela que possui uma proporção adequada entre proteínas gorduras carboidratos além das vitaminas é claro Por que motivo consumir vitaminas como a vitamina A em uma dieta com abstenção de lipídeos é praticamente o mesmo que não consumir esta vitamina ao passo que o consumo de vitamina B não percebe esta ausência das gorduras RESPOSTAS COMENTADAS a Como você viu na primeira seção desta aula vitaminas são nutrientes que são essenciais à dieta pois não são sintetizadas pelo nosso organismo ou o são mas em quantidades insufi cientes para suprir as necessidades do corpo Assim o trecho que se refere a uma vitamina é o trecho 2 ATIVIDADE 1 C E D E R J 231 AULA 22 MÓDULO 1 b A resposta é não O nome vitamina foi dado em função da estrutura dos primeiros compostos desse tipo que foram descobertos os quais continham grupamentos amina Atualmente os cientistas já revelaram a estrutura de outras vitaminas e nem todas possuem uma amina na sua estrutura c Como você viu as vitaminas são divididas em três grupos hidrossolúveis lipossolúveis e nutrientes tipo vitaminas As vitaminas lipossolúveis só são solubilizadas como o próprio nome diz em gorduras Isso signifi ca que elas só podem ser absorvidas pelo organismo se junto com elas no trato digestivo houver lipídeos Esse é o caso da vitamina A Já a vitamina B é hidrossolúvel e a presença ou ausência de lipídeos não faz diferença para sua absorção O que esperávamos que você desse como resposta neste item da atividade era porque a vitamina A é lipossolúvel e precisa de gorduras para ser absorvida enquanto a vitamina B é hidrossolúvel e para sua absorção não há necessidade de gorduras PARA QUE SERVEM AS VITAMINAS Pode parecer estranho mas antes de começar a explicar para que servem as vitaminas no nosso corpo é preciso relembrar o que você aprendeu nas aulas anteriores sobre enzimas As enzimas são proteínas capazes de aumentar a velocidade de uma reação química por diminuírem a energia de ativação existente entre o substrato e seu estado de transição São diversas as atividades enzimáticas quebrar proteínas em peptídeos proteases duplicar o DNA polimerases quebrar o ATP para liberar energia dentro da célula ATPases adicionar novos grupamentos químicos aos substratos por exemplo fosfatos fosforilases ou cinases ou grupamentos carboxilas carboxilases etc Todas estas atividades só acontecem quando o substrato encontra o sítio ativo da enzima são os aminoácidos presentes no sítio ativo que possibilitam à enzima exercer sua função Um ponto importante é que dos vinte aminoácidos que compõem as proteínas apenas nove possuem grupamentos R grupamentos laterais com características químicas que possibilitam a mediação de reações enzimáticas veja o boxe a seguir Bioquímica I Você realmente sabe o que são vitaminas 232 C E D E R J Aminoácidos ativos Como você viu na Aula 20 uma reação enzimática acontece a partir da interação do sítio ativo da enzima com seu substrato No sítio ativo portanto deve haver aminoácidos capazes de interagir com o substrato Como você acabou de ver apenas nove aminoácidos podem participar de reações enzimáticas como mediadores São eles histidina ácido glutâmico ácido aspártico serina treonina tirosina lisina arginina e cisteína Por que estes Por que eles possuem grupamentos laterais que podem agir como ácidos e bases recebendo prótons ou outros grupos químicos e os transferindo para o substrato da enzima Com isso temos um problema existe uma infi nidade de reações que acontecem no organismo e várias delas envolvem reações químicas que não podem ser realizadas por esses nove aminoácidos Como resolver este problema Como realizar reações enzimáticas que não podem ser catalisadas pelos nove aminoácidos capazes de realizar transferência de grupamentos químicos httpwwwsxchu photo264245 Quando uma reação não pode ser mediada por nenhum dos nove aminoácidos formadores de sítios ativos entram em cena outras moléculas capazes de auxiliar na transferência de grupamentos as coenzimas Coenzimas são moléculas orgânicas pequenas que se ligam ao sítio ativo das enzimas e agem junto com elas para catalisar reações bioquímicas Neste momento imagino que você já esteja vislumbrando onde é que entram as vitaminas nesta história Muito simples diversas vitaminas são precursoras ou atuam diretamente como coenzimas Veja a Tabela 222 C E D E R J 233 AULA 22 MÓDULO 1 Tabela 222 Vitaminas que dão origem ou atuam diretamente como coenzimas Vitaminas hidrossolúveis Vitaminas que compõem o COMPLEXO B Vitaminas Funções Tiamina B1 Precursora da coenzima tiamina pirofosfato Ribofl avina B2 Precursora da coenzima fl avina mononucleotídeo e fl avina adenina dinucleotídeo Piridoxina B6 Precursora da coenzima piridoxal fosfato Vitamina B12 cobalamina Precursora da coenzima deoxiadenosil cobalamina Ácido nicotínico niacina ou PP Precursora da coenzima nicotinamida adenina dinucleotídeo e nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato Ácido pantotênico Precursora da coenzima A CoA Biotina Precursora da coenzima biocitina Ácido fólico Precursora da coenzima ácido tetrahidrofólico Nutrientes tipo vitamina Ácido lipóico Coenzima na descarboxilação oxidativa de cetoácidos paminobenzoato PABA Componente do ácido fólico que é precursor de uma coenzima Coenzima Q Importante para o transporte de elétrons na mitocôndria COMPLEXO B Grupo de vitaminas batizadas com a letra B seguida de um número ex B1 B2 B6 B12 Todas as vitaminas do complexo B são hidrossolúveis e são precursoras ou atuam diretamente como coenzimas Embora haja listado nesta tabela um número grande de reações e compostos de que você nem imagina o signifi cado e não se preocupe pois não é relevante saber agora é importante você saber que as vitaminas são fundamentais como coenzimas de uma série de reações metabólicas Só para você ter uma idéia o ácido nicotínico por exemplo dá origem à coenzima que sintetiza um dos nucleotídeos que compõem a estrutura do DNA e do RNA Como uma célula poderia se dividir e sintetizar uma nova molécula de DNA sem esta coenzima necessária para produzir nucleotídeo Como uma célula poderia sintetizar proteínas se não houvesse nucleotídeo para sintetizar o RNAm A vantagem de se ter compostos como as vitaminas participando de reações enzimáticas é que por essas moléculas possuírem natureza variada aumentam o repertório de possíveis reações a serem catalisadas pelas enzimas Bioquímica I Você realmente sabe o que são vitaminas 234 C E D E R J As enzimas que participam de reações com o auxílio de coenzimas são chamadas apoenzimas quando não estão ligadas à coenzima e holoenzimas quando estão ligadas a essa Apoenzima coenzima holoenzima Enzima inativa desligada da coenzima Vitamina ou composto derivado de uma vitamina Enzima ativa ligada à coenzima 2 Para que servem Um pesquisador percebeu que ao colocar a proteína que ele estudava em um meio de reação contendo tampão e uma mistura de vitaminas e um determinado composto A Este composto A desaparecia e um composto B era formado Com isso e mais alguns estudos ele concluiu que sua proteína era uma enzima Utilizando técnicas para revelar a estrutura tridimensional desta proteína ele descobriu que o sítio ativo dela era composto pelos seguintes aminoácidos glicina asparagina metionina e alanina Sabendo que estes aminoácidos não são capazes de mediar diretamente reações enzimáticas como podemos justifi car o fato de que esta proteína seja capaz de exercer sua atividade de conversão do composto A em B RESPOSTA COMENTADA Como você acabou de ver nessa seção da aula um dos papéis mais importantes das vitaminas é o de atuarem como coenzimas ou precursores de coenzimas as quais medeiam reações enzimáticas que não podem ser mediadas por aminoácidos Esse papel das vitaminas é fundamental uma vez que no nosso organismo temos uma infi nidade de reações a serem catalisadas e apenas nove aminoácidos capazes de fazêlo Daí a grande importância de estes compostos estarem presentes na nossa alimentação ATIVIDADE 1 C E D E R J 235 AULA 22 MÓDULO 1 OUTRAS FUNÇÕES DAS VITAMINAS Reparou que na Tabela 222 não estão listadas todas as vitaminas que mencionamos na Tabela 221 Nem todas as vitaminas atuam no nosso organismo como coenzimas Observe a Tabela 223 Tabela 223 Vitaminas que não são coenzimas e suas funções Vitaminas Funções Hidrossolúvel C Proporciona o aumento da absorção de ferro pelo intestino especulase que infl uencie o sistema imunológico no combate a viroses Lipossolúvel A Atua na formação dos ossos em funções da retina associadas à visão noturna e na QUERATINIZAÇÃO da pele D Age como um hormônio regulando as concentrações de cálcio no sangue E Antioxidante Atua impedindo que radicais tóxicos ataquem biomoléculas importantes para o organismo K Participa da produção de uma molécula importante para a coagulação do sangue Nutriente tipo vitamina Inositol Participa do metabolismo de lipídeos no fígado e da estrutura de fosfolipídeos que compõem as membranas das células Colina Possui as mesmas funções do inositol e ainda é parte da estrutura de um NEUROTRANSMISSOR importante a acetilcolina Carnitina É importante para o metabolismo de gorduras Embora não sejam coenzimas as vitaminas apresentadas na Tabela 223 também são importantíssimas para o bom funcionamento do organismo Elas estão envolvidas em uma gama de processos fi siológicos e qualquer desequilíbrio envolvendo estas vitaminas acarreta uma série de transtornos incluindo alguns graves como a possibilidade de cegueira Aprenda mais sobre avitaminoses isto é falta das vitaminas na próxima seção QUERATINIZAÇÃO Processo de impermeabilização da pele por acúmulo de queratina NEUROTRANSMISSOR Molécula secretada entre dois neurônios na sinapse é liberada por um e capturada em seguida por outro proporcionando a transmissão de informações entre essas células Bioquímica I Você realmente sabe o que são vitaminas 236 C E D E R J E QUANDO FALTAM VITAMINAS As vitaminas como já dissemos não são sintetizadas no nosso organismo e precisam ser obtidas através da alimentação Quando não comemos vitaminas sufi cientes podemos sofrer algumas conseqüências que variam de acordo com a vitamina da qual carecemos Existem dois tipos de carências de vitaminas a primária e a secundária A carência primária acontece quando o indivíduo não ingere vitaminas sufi cientes na sua dieta já a secundária ocorre quando o organismo perde ou tem reduzida a sua capacidade de absorver as vitaminas que ingeriu Esse tipo de carência normalmente está associado a hábitos de vida como o fumo e o consumo excessivo de álcool dentre outros E o que acontece com um indivíduo se sua dieta for pobre em vitaminas Quais são as conseqüências A resposta para esta pergunta depende do tipo de vitamina que faltar no organismo Nesta aula vamos nos ater àquelas avitaminoses que mais freqüentemente geram casos clínicos São elas as carências de Tiamina B1 Niacina B3 Cobalamina B12 Vitamina C ácido ascórbico Vitamina A retinol Vitamina D Independente de estas serem as avitaminoses mais freqüentes é importante termos em mente que todas as vitaminas são importantes e apenas uma dieta balanceada que contenha carnes verduras legumes e cereais é capaz de fornecer a quantidade diária de vitaminas de que necessitamos Veja agora mais detalhes sobre as conseqüências da carência das sete vitaminas que listamos anteriormente Em seguida você verá uma tabela indicando os alimentos mais indicados para se obter não apenas estas mas todas as vitaminas Hidrossolúveis Lipossolúveis C E D E R J 237 AULA 22 MÓDULO 1 Carência de tiamina vitamina B1 A tiamina ou vitamina B1 dá origem à coenzima tiamina pirofosfato TPP Este composto é importante para que uma molécula de açúcar que tenhamos obtido a partir da alimentação possa ser completamente oxidada e gerar mais energia para a célula A falta desta vitamina causa o BERIBÉRI que se caracteriza pelo acúmulo de fl uidos corpóreos inchamento do corpo dor paralisia e em casos extremos morte Essa doença não precisa ser tratada com medicamentos complexos Seu tratamento é a reposição da vitamina ao organismo do indivíduo acometido Carência de niacina vitamina B3 ou PP A niacina é precursora de um composto chamado NAD Esta molécula é fundamental ao organismo pois ela é necessária a uma série de reações químicas incluindo a oxidação de açúcares a síntese e a degradação de lipídios a geração de energia durante a respiração celular dentre muitos outros A ausência da niacina acarreta uma doença da pele chamada pelagra A pelagra é também conhecida como doença dos três D por causar DERMATITE diarréia e demência Em casos mais extremos pode chegar a ser a doença dos quatro D quando leva o paciente à morte que em inglês é death O tratamento da pelagra é feito pela administração de altas doses de niacina juntamente com doses elevadas de outras vitaminas do complexo B cuja carência também provocam sintomas como os da pelagra por exemplo falta de vitamina B6 causando dermatite Cobalamina vitamina B12 Esta vitamina é fundamental para a síntese de um dos nucleotídeos que compõem as moléculas de DNA Assim uma defi ciência dessa vitamina acarreta em defi ciências de crescimento por exemplo BERIBÉRI Esta palavra vem do cingalês língua falada no Sri Lanka onde beri signifi ca eu não posso Desta forma beribéri eu não posso duas vezes mostra como as pessoas acometidas pela defi ciência desta vitamina fi cam incapacitadas e fracas DERMATITE Segundo o dicionário eletrônico Houaiss é uma infl amação da pele caracterizada por eritema edema e presença de vesículas no local exposto Ou seja uma pessoa com dermatite apresenta vermelhidão inchaço e feridas em forma de placas arredondadas na pele Bioquímica I Você realmente sabe o que são vitaminas 238 C E D E R J Além disso essa vitamina tem um papel importante na origem de novas células sangüíneas Quando falta B12 no organismo por exemplo por uma defi ciência na dieta ou na capacidade de o intestino absorver esta vitamina é comum as pessoas desenvolverem um tipo de anemia chamado ANEMIA PERNICIOSA É comum que vegetarianos daqueles que não comem nenhum tipo de alimento de origem animal sofram as conseqüências da falta de B12 Isso acontece porque essa vitamina é presente apenas em alimentos de origem animal A anemia perniciosa causada pela falta de B12 deve ser tratada pela administração de altas doses dessa vitamina Uma particularidade da B12 é que a sua carência normalmente e excluindose o caso dos vegetarianos é do tipo secundária ou seja está ligada a uma defi ciência na sua absorção e não ao seu baixo consumo Por causa disso a maioria dos pacientes que desenvolvem os sintomas da carência de B12 precisam ter sua alimentação suplementada com essa vitamina pelo resto da vida caso não o façam voltam a ter anemia perniciosa Vitamina C ácido ascórbico A vitamina C participa da síntese de colágeno nas nossas células como cofator da reação catalisada pela prolilhidroxilase que como você viu na Aula 15 transforma a prolina em hidroxiprolina aminoácido presente nas hélices do colágeno Sua ausência causa uma fragilidade na pele da gengiva que acarreta em inchaço sangramento hemorragia e má fi xação dos dentes Este quadro caracteriza uma doença chamada escorbuto veja como essa doença foi descoberta no boxe a seguir Além desses sintomas uma pessoa com escorbuto também pode apresentar feridas que não cicatrizam espalhadas por todo o corpo Para tratar essa doença é necessário administrar as doses cor retas de vitamina C uma vez que mais do que isso não é aproveitado pelo organismo ANEMIA PERNICIOSA Doença hereditária causada pela falta de vitamina B12 no organismo que não é absorvida por problemas nas células do estômago que secretam um fator que facilita a absorção desta vitamina quando ela chega ao intestino Com toda anemia os doentes apresentam uma diminuição do número de hemácias circulantes no sangue e conseqüentemente perda da efi ciência no transporte de oxigênio C E D E R J 239 AULA 22 MÓDULO 1 Estamos em pleno mar Doenças com os sintomas do escorbuto foram visualizadas em seres humanos desde o Antigo Egito No entanto o ponto que marcou a caracterização desta doença foi a época das grandes navegações século XVI Neste período uma grande tripulação saía de sua terra natal em busca de novos territórios e passava um enorme tempo no mar Durante o período em que estavam embarcados os tripulantes tinham acesso apenas a alimentos que não eram frescos vegetais de nenhuma natureza era consumido nessas grandes jornadas e os tripulantes acabavam padecendo de deficiência de vitamina C expressa pelo início de hemorragias na boca que não paravam e se agravavam cada vez mais A maior parte dos tripulantes morria Foi um cirurgião inglês a bordo de uma expedição que descreveu o tratamento dos acometidos por escorbuto com limões e laranjas como eficaz prevenindo a morte de milhares de pessoas Foi no início do século XX que descobriram haver uma vitamina antiescorbútica que foi por causa disso batizada de ácido ascórbico se aproximando de escorbuto em inglês scurvy Fonte httpwwwsxchuphoto763855 Fonte httpwwwsxchuphoto849277 Vitamina A retinol A vitamina A também conhecida como retinol funciona como hormônio e como um composto fundamental para a síntese de um pigmento que ajuda nossos olhos a captar luz a rodopsina A vitamina A também regula a expressão gênica e o desenvolvimento do tecido epitelial incluindo a pele Na ausência desta vitamina a síntese de rodopsina é prejudicada e o indivíduo tem difi culdade de se adaptar a pouca disponibilidade de luz no ambiente Por isso um dos sintomas da carência de vitamina A é chamado cegueira noturna Além disso a carência da vitamina A faz com que a produção de lágrimas seja prejudicada Isso faz com que nossos olhos fi quem ressecados uma doença chamada xeroftalmia xero seco ftalmia relativo a olho Bioquímica I Você realmente sabe o que são vitaminas 240 C E D E R J Mais uma vez o tratamento se dá pela administração desta vitamina ao paciente para saber outras funcionalidades da vitamina A veja o boxe a seguir Fugindo da acne Algumas drogas usadas no tratamento da acne severa contêm ácido retinóico um derivado da vitamina A Isso porque essa vitamina tem caráter ácido e realiza uma leve escamação da pele além de auxiliar na síntese de colágeno melhorando o aspecto da pele Vitamina D A vitamina D dá origem na presença de luz UV a um hormônio chamado de 125diidroxicolecalciferol que controla a captação de cálcio no intestino bem como os níveis de cálcio nos rins e ossos Por interferir na captação de cálcio esse hormônio infl uencia no bom crescimento dos ossos Ele é importantíssimo para crianças em fase de crescimento Crianças que possuem problemas na via de biossíntese da vitamina D apresentam graves difi culdades de formação óssea raquitismo O raquitismo é mais comum em crianças que vivem em áreas de clima frio Isso porque nestas regiões a incidência de luz solar é menor ou seja há menos luz disponível para participar da reação de síntese do hormônio diidroxicalciferol A defi ciência em vitamina D pode ser tratada com suplementos dessa vitamina C E D E R J 241 AULA 22 MÓDULO 1 3 Faltou vitamina sobrou problema Como você acabou de estudar as vitaminas são importantes no nosso organismo pelos diversos papéis que desempenham A seguir você vê duas colunas na primeira estão os nomes de algumas vitaminas e na segunda alguns quadros clínicos decorrentes da ausência de alguma vitamina Sua tarefa é relacionálas Primeira coluna 1 Vitamina A 2 Vitamina D 3 Vitamina C 4 Vitamina B1 tiamina 5 Vitamina B3 PP niacina 6 Vitamina B12 cobalamina Lana 32 anos apresenta fraquezas e declara desmaiar com freqüência Diz se alimentar bem comer frutas e verduras orgânicas e variadas não ingere carne vermelha Exame de sangue mostra quadro de anemia perniciosa João 40 anos trabalhava como segurança noturno e foi demitido por quase ter deixado a casa que protegia ser assaltada Queixase de estar sempre piscando por tempos prolongados devido a um incômodo nos olhos Além disso declarou que o incidente que causou sua demissão aconteceu porque ele não tinha enxergado a aproximação do bandido Maria das Dores 72 anos queixase de estar com as pernas doloridas e bastante inchadas Seu pé direito não apresenta mais mobilidade e sua função locomotora está bastante comprometida Rafaela 6 anos apresenta estatura de 98 cm e já sofreu várias fraturas nas pernas e braços embora declara a mãe seja menos levada do que as outras colegas de escola Apresenta pele pálida e declara não tomar sol com freqüência Joaquim 9 anos está apresentando problemas de aprendizagem e por vezes não reconhece seus pais Estes declaram que a criança tem diarréia com freqüência e que há dois meses apresenta uma vermelhidão na pele que embora medicada com antialérgicos não foi curada José 26 anos funcionário da bolsa de valores procurou consultório médico por estar freqüentemente resfriado e recentemente ter começado a apresentar sangramentos na gengiva Declarou que sua alimentação é feita às pressas geralmente em lanchonetes do tipo fastfood ATIVIDADE 2 Bioquímica I Você realmente sabe o que são vitaminas 242 C E D E R J RESPOSTA COMENTADA De acordo com as descrições que demos dos quadros clínicos desencadeados pela falta de algumas vitaminas no organismo você não deve ter tido muitas difi culdades para realizar esta atividade Lana sofre de anemia perniciosa e sua fraqueza e desmaios são derivados desse quadro de defi ciência nas suas hemácias Ela apresenta carência de vitamina B12 porque não come carne vermelha e esta é uma fonte importante deste nutriente João está com um quadro de xeroftalmia e de cegueira noturna típicos da carência de vitamina A Maria das Dores está com avitaminose de B1 e está sofrendo de beribéri Se ela não se cuidar rapidamente fazendo uma reposição desta vitamina poderá até morrer Rafaela está raquítica e com fragilidade óssea conseqüências da falta de vitamina D que infl uencia na captação de cálcio pelos ossos e no crescimento Joaquim está com dermatite diarréia e quadros temporários de demência sintomas que caracterizam a pelagra doença causada pela falta de vitamina B3 Por fi m José está com escorbuto sintoma típico da carência de vitamina C essa carência certamente tem relação com sua má alimentação rica em calorias e pobre em alguns nutrientes essenciais ONDE OBTER VITAMINAS Todos nós sabemos desde crianças que as frutas e legumes são boas fontes de vitaminas No entanto não são todas as vitaminas que são abundantes em qualquer vegetal assim como há algumas que somente estão presentes em carnes Na Tabela 224 resumimos as fontes das quais você pode obter cada uma das vitaminas que mencionamos nesta aula incluindo as que não comentamos em detalhes na seção anterior C E D E R J 243 AULA 22 MÓDULO 1 Tabela 224 Alimentos como fontes de vitaminas Vitaminas Fontes A Fígado de aves animais e cenoura D Óleo de peixe fígado gema de ovos E Verduras azeite e vegetais K Fígado e verduras B1 Cereais carnes verduras levedo de cerveja B2 Leites carnes verduras Ácido pantotênico Fígado cogumelos milho abacate ovos leite vegetais B6 Carnes frutas verduras e cereais B12 Fígado carnes C Laranja limão abacaxi kiwi acerola morango brócolis melão manga Biotina Noz amêndoa castanha levedo de cerveja leite gema de ovo arroz integral Ácido fólico Cogumelos hortaliças verdes niacina Ervilha amendoim fava peixe feijão fígado Obs Os nutrientes tipo vitamina são sintetizados pelo organismo em quantidades sufi cientes para suprir as necessidades do corpo CONCLUSÃO Agora você sabe por que as vitaminas são importantes no nosso organismo Elas participam como coenzimas ou precursores destas de diversas reações enzimáticas e como base para a síntese de moléculas fundamentais ao bom funcionamento do organismo como é o caso do hormônio que controla a absorção de cálcio e do retinol que forma o pigmento do nosso olho capaz de perceber luz no ambiente Quando alguém lhe perguntar sobre a importância das vitaminas você realmente saberá explicar Bioquímica I Você realmente sabe o que são vitaminas 244 C E D E R J ATIVIDADE FINAL Como resolver o problema Na atividade anterior você identifi cou pelos sintomas quais eram as vitaminas que faltavam nos organismos de Lana João Maria das Dores Rafaela Joaquim e José O médico deles já receitou um suplemento vitamínico No entanto esse suplemento só pode ser consumido enquanto persistirem os sintomas A fi m de que não apresentem problemas novamente indique para cada um deles pelo menos um alimento que devem ingerir com freqüência para não fi carem doentes de novo Lana João Maria das Dores Rafaela Joaquim José RESPOSTA COMENTADA Para realizar essa atividade você precisava apenas consultar a Tabela 224 De acordo com as avitaminoses apontadas para cada uma dessas pessoas por você e por nossa resposta comentada da Atividade 3 era só escolher um alimento para sugerir a cada um dos seis pacientes Se esta situação toda fosse verdade seu problema seria convencer a macrobiótica Lana a comer carne vermelha e ao José que embora seu ritmo de trabalho na Bolsa de Valores seja enlouquecedoramente acelerado ele deveria comer uma saladinha de frutas de sobremesa 3 C E D E R J 245 AULA 22 MÓDULO 1 As vitaminas são pequenas moléculas orgânicas essenciais ao bom funcionamento do organismo e que não são sintetizadas por este em quantidades sufi cientes para atender às necessidades do corpo Estes compostos podem ser divididos em três grupos hidrossolúveis lipossolúveis e nutrientes tipo vitaminas Muitas vitaminas atuam como coenzimas ou como precursoras de coenzimas moléculas que participam de reações enzimáticas auxiliando na transferência de grupamentos químicos Outras participam de processos diversifi cados no organismo por exemplo absorção de ferro no intestino coagulação sangüínea proteção contra radicais livres composição de neurotransmissores etc Dada a importância destes compostos no organismo a carência de vitaminas pode acarretar uma série de quadros clínicos Alguns deles são o beribéri a pelagra a cegueira noturna e o raquitismo Para evitar a carência de vitaminas é importante fazer uma dieta balanceada diversifi cando alimentos como grãos carnes legumes e verduras R E S U M O INFORMAÇÃO SOBRE A PRÓXIMA AULA Na próxima aula você começará a aprender um pouco sobre a classe de biomoléculas que serve de reserva de energia no nosso organismo os lipídeos C E D E R J 247 Bioquímica I Referências 248 C E D E R J Aula 11 CARR Steven M Protein structure and function Memorial 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NELSON David L COX Michael M 2000 Lehninger principles of biochemistry 3ed New York Worth Publishers 2000 C E D E R J 251 Aula 22 Laboratório de Ensino de Ciências e Tecnologia A vitamina C Disponível em http darwinfuturouspbrsitefrutasquadroteoricocvithtm Acesso em 29 fev 2008 Manual Merck Brasil Distúrbios da nutrição e do metabolismo Cap 135 Vitaminas e minerais Disponível em httpwwwmsdbrazilcommsd43mmanualmmsec12 135htm Acesso em 29 fev 2008 Manual Merck Introduction vitamins Disponível em httpwwwmerckcommmhe sec12ch154ch154ahtml Acesso em 29 fev 2008 Revista de Química da Universidade Federal de Santa Catarina As vitaminas Disponível em httpwwwqmcufscbrquimicapagesespeciaisrevistaespeciais vitaminashtml Acesso em 29 fev 2008 ISBN 9788576486671