Capítulo 4: Proteínas - Estrutura e Funções Biológicas

Capítulo 4 Proteínas 1 Conceito As proteínas constituem nosso mais abundante polímero biológico Elas perfazem mais da metade do peso seco de nossas células Há milhares de proteínas diferentes cada uma desempenhando uma função específica As funções das proteínas são muito mais diversificadas do que aquelas de carboidratos e lipídios conforme exemplificado no item abaixo 2 Funções biológicas As proteínas exercem papéis cruciais em virtualmente todos os processos biológicos a quase todas as reações químicas em sistemas biológicos são catalisadas por macromoléculas específicas as enzimas quase todas as enzimas conhecidas são proteínas Portanto podemos dizer que as proteínas são essenciais para a determinação do padrão de transformações químicas em sistemas biológicos b proteínas transportam moléculas por exemplo oxigênio transportado pela hemoglobina ferro transportado pela transferrina c proteínas são os principais componentes dos músculos elas são responsáveis pela contração muscular através de um movimento deslizante entre duas proteínas d algumas proteínas têm função de sustentação mecânica por exemplo a força de tensão da pele e do osso é devida à presença de colágeno uma proteína fibrosa e os anticorpos substâncias de defesa do nosso organismo são proteínas altamente específicas que reconhecem substâncias estranhas vírus bactérias células de outros organismos f proteínas fazem o papel de receptores específicos é o caso das proteínas de membrana e rodopsina que é um receptor sensível à luz presente nos bastonetes da retina g proteínas controlam o crescimento e a diferenciação dos organismos pois podem funcionar como repressores da expressão gênica fatores de crescimento de nervos por exemplo são proteínas hormônios anabolizantes como a insulina também são proteínas 3 Estrutura 31 Aminoácidos São compostas a partir de um repertório de 20 aminoácidos Um aminoácido é estruturado da seguinte maneira Os aminoácidos são os blocos de construção das proteínas Eles contêm um grupo amina NH2 e um grupo ácido carboxílico COOH na mesma molécula Como mostrado na figura acima ambos os grupos estão ligados ao mesmo átomo de carbono chamado de carbono alfa deste modo os aminoácidos das proteínas podem ser chamados de alfaaminoácidos Além desses grupos um átomo de hidrogênio e outro átomo ou grupo de átomos cadeia lateral R se ligam também ao carbono alfa Este quarto grupo a cadeia lateral R é que faz um aminoácido diferente do outro elas diferirão em tamanho carga capacidade de formação de pontes de hidrogênio e reatividade química O arranjo tetraédrico dos 4 grupamentos diferentes em torno de um átomo de carbono confere atividade óptica aos aminoácidos Assim temos aminoácidos D e L porém somente os aminoácidos L são constituintes das proteínas Os aminoácidos se prestam à formação de todas as proteínas em todas as espécies de bactérias a seres humanos Há 20 principais aminoácidos encontrados em proteínas sendo cada um com uma cadeia lateral característica São eles 1 glicina Gly só possui um átomo de H em sua cadeia lateral 2 alanina Ala possui um grupamento metila em sua cadeia lateral 3 valina Val possui cadeia lateral hidrocarbonada com 3 carbonos 4 leucina Leu possui cadeia lateral hidrocarbonada com 4 carbonos 5 isoleucina Ile também possui cadeia hidrocarbonada com 4 carbonos 6 prolina Pro possui cadeia lateral cíclica que inclui o nitrogênio amínico e o carbono alfa 7 fenilalanina Phe possui cadeia lateral aromática 8 tirosina Tyr também possui cadeia lateral aromática 9 triptofano Trp também possui cadeia lateral aromática 10 cisteína Cys contém enxofre em sua cadeia lateral 11 metionina Met também contém enxofre em sua cadeia lateral 12 serina Ser contém hidroxila em sua cadeia lateral 13 treonina Thr contém hidroxila em sua cadeia lateral 14 lisina Lys contém cadeia lateral polar com grupo nitrogenado adicional é hidrofóbico 15 arginina Arg também contém cadeia lateral polar com grupo nitrogenado adicional hidrófilo 16 histidina His também contém cadeia lateral polar também hidrófilo 17 aspartato ácido aspártico Asp contém cadeia lateral ácida 18 glutamato ácido glutâmico Glu contém cadeia lateral ácida 19 asparagina Asn contém cadeia lateral ácida 20 glutamina Gln também contém cadeia lateral ácida a propriedades e classificações dos aminoácidos A cadeia lateral pode ser polar ou apolar ainda ela pode ser neutra ou eletricamente carregada A polaridade e a carga dos aminoácidos são importantes para a determinação da forma das moléculas das proteínas como veremos logo adiante Alguns exemplos a aminoácidos com cadeia lateral apolar GLICINA ALANINA VALINA b aminoácidos com cadeia lateral polar negativa c TIROSINA SERINA ASPARTATO d aminoácidos com cadeia lateral polar positiva LISINA ARGININA HISTIDINA Os grupos amina e ácido carboxílico dos aminoácidos livres também são eletricamente carregados em solução aquosa os aminoácidos são íons duplamente carregados chamados íons dipolares Dez dos aminoácidos são conhecidos como aminoácidos essenciais estes não podem ser sintetizados pelo organismo mas são requeridos para o crescimento normal e manutenção dos tecidos portanto devem ser incluídos na dieta São eles isoleucina leucina lisina metionina fenilalanina treonina triptofano e valina arginina pode ser sintetizada mas não em quantidade suficiente e histidina e essencial para crianças 32 Ligações peptídicas Os aminoácidos se unem uns aos outros através das ligações peptídicas ou ligações amídicas para formar as proteínas Numa ligação peptídica a carboxila de um aminoácido unese à amina de outro com perda de uma molécula de água a ligação formada é chamada de ligação amida Muitos aminoácidos unidos por ligações peptídicas formam uma cadeia peptídica ou polipeptídica Em geral se mais de 50 unidades ou resíduos de aminoácidos estão ligados a molécula é chamada de proteína Cada proteína tem um arranjo definido e característico das unidades básicas de aminoácidos A maioria das proteínas contém de 100 a 1000 unidades de aminoácidos devido a seu grande tamanho as proteínas são ditas macromoléculas Uma cadeia peptídica não é ramificada e é composta por 3 partes I aminoácido aminoterminal que é a ponta amínica da cadeia peptídica II cadeia principal parte do meio que se repete regularmente III aminoácido carboxiterminal que é a ponta carboxílica da cadeia peptídica Por exemplo 4 Modificações póstraducionais Tais modificações alteram as propriedades das cadeias polipeptídicas Exemplos a aminas terminais podem ser acetiladas isso torna as proteínas mais resistentes à degradação b aminoácidos podem ter sua cadeia lateral hidroxilada isso torna a proteína mais estável é o que ocorre com o colágeno hidroxilação insuficiente causa escorbuto a prolina é um exemplo de aminoácido que pode ser hidroxilado a hidroxiprolina c aminoácidos podem ter suas cadeias laterais carboxiladas é o caso do glutamato que é carboxilado na protrombina carboxilação insuficiente pode levar a hemorragias d proteínas podem adquirir unidades glicídicas é o que ocorre nas cadeias laterais da asparagina isso torna a proteína mais hidrófila e aminoácidos podem sofrer adição de um ácido graxo isso torna a proteína mais hidrófoba ácidos graxos podem ser adicionados à amina ou à sulfidrila da cisteína f proteínas podem ser clivadas após sua síntese ocorre com as enzimas digestivas estas são sintetizadas inativas e assim são armazenadas no pâncreas após serem liberadas no intestino sofrem clivagem e tornamse ativas g algumas proteínas são fosforiladas nos aminoácidos hidroxilados serina e treonina muitos hormônios como insulina e adrenalina agem alterando a atividade de enzimas fosforilandoas existem casos de câncer devido a fosforilação excessiva em proteínas que controlam a proliferação celular serina fosfosserina 5 Níveis de estrutura das proteínas a estrutura primária é a sequência de aminoácidos ela é formada por aminoácidos definidos e em posições definidas pode ser esquematizada da seguinte forma b estrutura secundária se refere às interações entre os aminoácidos vizinhos a αhélice e a fita βpregueada são exemplos de estrutura secundária Resulta da formação de pontes de hidrogênio entre um átomo de hidrogênio e outro átomo da mesma ou de outra molécula A cadeia peptídica é rígida e plana Tal rigidez na ligação peptídica permite que as proteínas tenham formas tridimensionais bem definidas o que é essencial para manutenção de sua conformação e consequentemente de sua função Apesar dessa rigidez as cadeias peptídicas dobramse de duas maneiras b1 αhélice estrutura semelhante a um bastão as cadeias laterais se projetam para fora em uma disposição helicoidal é estabilizada por pontes de hidrogênio entre os grupamentos NH e CO da cadeia principal o grupamento CO de cada aminoácido forma ponte de hidrogênio com o grupamento NH do aminoácido que está situado a 4 unidades adiante na sequência linear ou seja próximos o sentido de giro de uma hélice pode ser para a direita hélice dextrorsa ou para a esquerda hélice sinistrorsa as αhélices encontradas são dextrorsas o conteúdo de αhélice em uma proteína varia muito de quase nada a 100 a αhélice é flexível pode ser curvada ou dobrada sem se romper e elástica capaz de recuperar a forma depois de se estirar duas ou mais αhélices podem entrelaçarse formando estruturas muito estáveis são as superhélices de αhélices estas prestamse a uma função mecânica pois formam feixes potentes de fibras b2 folha βpregueada estrutura quase totalmente distendida também estabilizada por pontes de hidrogênio entre grupamentos NH e CO em fitas peptídicas diferentes unidades estruturais constituídas de 25 fitas β paralelas ou antiparalelas são especialmente comuns A figura abaixo ilustra as conformações secundárias c estrutura terciária tratase da complexa forma tridimensional da proteína ou conformação resultante das dobras da cadeia polipeptídica referese a interações entre aminoácidos que estão distantes na sequência linear pontes dissulfeto são exemplos desse tipo de interação Pontes dissulfeto são interligações entre cadeias ou entre partes de uma mesma cadeia ocorrem entre os átomos de enxofre S presentes na cisteína Proteínas intracelulares frequentemente não têm pontes dissulfeto enquanto que as extracelulares têm várias As pontes dissulfeto servem tanto para unir duas cadeias polipeptídicas como para enovelar uma mesma cadeia Ligações hidrofóbicas também são extremamente importantes na determinação da estrutura terciária neste caso a proteína se dobra de modo que as cadeias laterais não polares de aminoácidos ficam no interior e grupos polares ficam no exterior Além disso há as pontes salinas entre grupos carregados positiva e negativamente que também ajudam na manutenção da estrutura terciária d estrutura quaternária referese a interações entre várias subunidades polipeptídicas que podem formar uma proteína É a interação entre os componentes da cadeia principal e também entre os radicais da cadeia lateral que vão determinar a conformação final da proteína É importante notar que a forma de uma proteína é determinada grandemente pela sua estrutura primária a sequência de aminoácidos Assim cada proteína tem uma forma característica devido à sua composição e sequências únicas de aminoácidos Mudando o arranjo dos aminoácidos afetamos os tipos de ligações que podem se formar dentro da proteína e portanto alteramos sua conformação tridimensional A função de uma proteína depende desta conformação Uma vez que a função das proteínas está baseada na sua conformação a qual por sua vez depende da estrutura primária é realmente a sequência de aminoácidos que em última análise determina como a proteína atua 6 Sequências particulares de aminoácidos formam proteínas Conhecemse atualmente as sequências completas de aminoácidos de mais de 10000 proteínas Cada proteína tem uma sequência particular de aminoácido definida com precisão A sequência de aminoácidos de uma cadeia polipeptídica é importante por diversos motivos é a sequência de aminoácidos de uma proteína que vai determinar sua estrutura tridimensional ou seja é a sequência que determina sua conformação deste modo é a sequência de aminoácidos que determina a ação da proteína seu mecanismo de ação alterações na sequência de aminoácidos podem produzir função anormal e doenças como por exemplo anemia falciforme e fibrose cística as proteínas agem através de sua ligação a uma outra molécula por exemplo mioglobina que ligase ao oxigênio filamentos contrácteis dos músculos anticorpos que ligamse a antígenos proteínas que controlam a expressão gênica Tal ligação é altamente específica isso é possível devido à sua estrutura complexa rica em superfícies e fendas complementares encaixes O repertório de 20 tipos de cadeias laterais permite que as proteínas se enovelem em estruturas distintas e formem superfícies e fendas complementares 7 Propriedades das proteínas a desnaturação tratase da desorganização da estrutura proteica ou destruição de sua conformação As ligações peptídicas não são quebradas mas as estruturas secundária e terciária são perdidas As cadeias resultantes se aglomeram coagulam e precipitam As proteínas podem ser desnaturadas pelos seguintes fatores calor é o caso observado quando fervemos um ovo a proteína da clara desnatura e coagula neste caso o calor aumenta o movimento dos átomos da proteína fazendo com que ligações fracas que mantêm a estrutura terciária se rompam é utilizado para desnaturar proteínas bacterianas no processo de esterilização por autoclave álcoois e outros solventes orgânicos desnaturam proteínas porque provocam mudanças no meio aquoso onde as proteínas estão dissolvidas também são poderosos desinfetantes ácidos e bases causam desnaturação por alterarem a distribuição de cargas positivas e negativas na proteína íons metálicos ligamse a certos grupos nas proteínas rompendo as ligações fracas normalmente presentes agentes oxidantes e redutores desnaturam proteínas afetando os grupos sulfidrila do aminoácido cisteína Desnaturação pode ser produzida de outras maneiras agitação violenta por exemplo é o que ocorre quando se bate clara de ovo A desnaturação também não é necessariamente permanente b ser carregada eletricamente por conter muitos grupos ácidos ou básicos que se ionizam na água se a carga é positiva ou negativa depende do pH e dos aminoácidos constituintes Esta propriedade é utilizada na eletroforese método de separação de proteínas baseado em sua carga elétrica c hidrólise quebra das ligações peptídicas e adição de moléculas de água a hidrólise completa de uma proteína produz aminoácidos livres Hidrólise ocorre por exemplo durante a digestão 8 Tipos de proteínas a proteínas fibrosas insolúveis em água freqüentemente consistem de várias cadeias polipeptídicas paralelas espiraladas e esticadas Exemplos de proteínas fibrosas são o colágeno a queratina a elastina b proteínas globulares polipeptídeos firmemente dobrados na forma de uma bola solúveis em água Como exemplos citamos as enzimas albuminas hemoglobina