Estrutura Quaternária e Ligação de Ligantes em Proteínas

Bioquímica Médica Básica de Marks Uma Abordagem Clínica 2ª Edição Colleen Smith Allan D Marks Michael Lieberman 27032023 1404 1600webp 16002133 fileCUsersuserDownloads1600webp 11 Estrutura quaternária O agrupamento de subunidades polipeptídicas globulares em um complexo de múltiplas subunidades pode fornecer a oportunidade de ligação cooperativa de ligantes p ex ligação do O2 à hemoglobina formar sítios de ligação para moléculas complexas p ex ligação de antígeno à imunoglobulina e aumentar a estabilidade de uma proteína As cadeias polipeptídicas de proteínas fibrosas como o colágeno são alinhadas ao longo de um eivo têm elementos repetitivos e estão extensivamente ligadas a outras por pontes de hidrogênio Ligação de ligantes As proteínas formam sítios de ligação para uma molécula específica chamada de ligante p ex ATP ou O2 ou para outra proteína A afinidade de um sítio de ligante é quantitativamente caracterizada por uma constante de dissociação ou afinidade Kd ou sua constante de dissociação Kd Dobraremse a estrutura terciária a qual é uma conformação estável que ela adota em sua estrutura terciária a qual é uma conformação estável que ela adota em sua estrutura terciária a qual é uma conformação estável que ela adota em sua estrutura terciária As chaperoninas agem como moldes para vencer a barreira crítica para ativar uma conformação estável As proteínas prions causam doenças neurodegenerativas agindo como modelo para dobramento errado Calor ácido e outros agentes causam desnaturalização de proteínas isto é desdobram ou reobram e desfazem sua conformação tridimensional nativa A Descrições de Estrutura Proteica As proteínas em geral são agrupadas em classificações estruturais maiores proteínas globulares proteínas fibrosas proteínas transmembranas e proteínas de ligação de DNA Figura 72 As proteínas globulares seriam solúveis em meio aquoso e se parecem com bolas irregulares As proteínas fibrosas são geometricamente lineares arranjadas em torno de um único eixo e têm unidade de estrutura que se repete Outra classe geral as proteínas transmembrana consiste em proteínas que têm uma ou mais regiões alinhadas através da membrana lipídica As proteínas ligadoras de DNA em geral classificadas separadamente são consideradas no Capítulo 16 A estrutura dessas proteínas foi reconhecida de acordo com níveis de estrutura chamados de primário secundário e terciário A estrutura primária é a sequência linear de aminoácidos ligados por ligações peptídicas para formar uma cadeia polipeptídica A estrutura secundária se refere a estruturas recorrentes como a estrutura helicoidal α que se forma em regiões localizadas da cadeia polipeptídica A estrutura tridimensional geral de uma proteína é sua estrutura terciária A estrutura quaternária é a associação de subunidades polipeptídicas de uma maneira geométrica específica III ESTRUTURA SECUNDÁRIA As regiões dentro das cadeias polipeptídicas formam estruturas localizadas recorrentes conhecidas como estruturas secundárias As duas estruturas secundárias regulares chamadas de hélice α e folha β contêm elementos repetidos formados por pontes de hidrogênio entre os átomos das ligações peptídicas Outras regiões da cadeia polipeptídica formam estruturas secundárias nãoregulares nãorepetidas conhecidas como alças e enrolamento em hélice Uma folha β pregueada Nesse caso as cadeias estão orientadas em direções opostas antiparalelas As setas grandes mostram a direção carboxila terminal As cadeias laterais dos aminoácidos R em uma fita são trans umas com as outras e se alternam acima e abaixo do plano da folha a qual pode ter uma face hidrofóbica e uma face polar que se envolvem em pontos de hidrogênio D Padrões de Estruturas Secundárias A Figura 78 é um desenho tridimensional de um domínio globular da enzima lactatodesidrogenase LDH Ele ilustra a combinação de elementos de estrutura secundária que formam padrões Esse domínio é LDH e típico de proteínas globulares as quais têm em média 31 de estrutura hélice α e cerca de 28 de folhas β pregueadas com um amplo espectro de variação Estrutura Terciária A estrutura terciária de uma proteína é o padrão de dobramento dos elementos da estrutura secundária em uma conformação tridimensional como mostrado para o domínio LDH na Figura 78 Como ilustrado com exemplos e esquemas essa estrutura tridimensional é desenhada para permitir os aspectos da função da proteína Ela cria sítios de ligação específicos e flexíveis para ligantes os compostos que ligam Dobras nas Proteínas Globulares Dobras são padrões relativamente grandes de estrutura tridimensional que têm sido reconhecidos em muitas proteínas incluindo proteínas de diferentes ramos da árvore filogenética Uma atividade característica está associada à dobra como ligação e hidrólise de ATP a dobra da actina ou ligação de NAD a dobra da ligação de nucleotídeos Esses três conceitos de padrão de dobramento são discutidos a seguir Estrutura Terciária de Proteínas Transmembrana As proteínas transmembrana como o receptor β2adrenérgico contêm domínios dentro da membrana e domínios intra e extracelular nos dois lados da membrana Figura 710 Muitas proteínas de canais iônicos proteínas de transporte receptores de neurotransmissores e receptores de hormônio contêm segmentos através da membrana semelhantes às hélices ou com resíduos hidrofóbicos expostos à bicamada lipídica Essas hélices rígidas estão conectadas por alas contendo cadeias laterais de aminoácidos hidrofílicos que se estendem para o meio aquoso dos lados da membrana V ESTRUTURA QUATERNÁRIA A estrutura quaternária de uma proteína se refere à associação de subunidades indiretamente de cadeias polipeptídicas em uma maneira estiqueometricamente específica Muitas proteínas funcionam nas células como dimerostereotetrameros ou oligômeros proteínas nas quais duas quatro ou mais subunidades respectivamente se combinam para fazer uma proteína funcional As subunidades de uma proteína particular sempre se combinam com o mesmo número e na mesma maneira pois as ligações entre as subunidades é determinada pela estrutura terciária que é determinada pela estrutura primária que é determinada pelo código genético Diversos termos diferentes são utilizados para descrever a estrutura de subunidades Os prefixos homo ou hetero são utilizados para descrever subunidades idênticas ou diferentes respectivamente por exemplo 2 3 ou 4 subunidades de proteínas p ex proteínas Heterotrêmicas têm três subunidades diferentes Um protômero é uma unidade de estrutura composta por subunidades nãoidênticas Em contraste a unidade F é um oligômero uma protéina em múltiplas subunidades compostas por subunidades idênticas ao átomo Multímeros são muitas vezes e utilizado com um termo mais específico para designar um complexo com muitas subunidades de mesmo tipo As regiões de contato entre as subunidades de proteínas globulares lembram o interior de uma única subunidade de proteína elas contêm cadeias laterais estritamente compactadas pontes de hidrogênio envolvendo esqueleto péptídico e suas cadeias laterais e ocasionalmente ligações iônicas ou pontes salinas As subunidades de proteínas globulares não raramente são mantidas juntas por pontes dissulfídicas interacões a menos que outras ligações envolvam as outras proteínas por ligações covalentes O aumento em estrutura em múltiplas subunidades aumenta a estabilidade da estrutura Ela pode tornar a proteína capaz de exibir cooperatividade entre as subunidades ao ligar o ligante ilustrado mais adiante com a hemoglobina ou formar ligações de ligação com alta afinidade por moléculas grandes ilustrado com a ligação do antígeno a moléculas de imunoglobulina IgG Uma vantagem adicional de uma estrutura de múltiplas subunidades é que as subunidades diferentes podem ter atividades diferentes e cooperam em uma função comum Exemplos de enzimas que têm subunidades eletrolíticas ou existem como complexos multiprotéicos são fornecidos no Capítulo 9 A insulina é composta por duas cadeias polipeptídicas nãoidênticas ou por pontes dissulfídicas entre as cadeias ver Capítulo 6 Figura 613 As subunidades da proteína normalmente não são mantidas juntas por pontes dissulfídicas mas regiões da mesma cadeia podem ser conectadas por pontes dissulfídicas que de forma a medida que a cadeia se dobra A insulina na verdade se enzaxa nas cadeias que são ligadas como uma cadeia polipeptídica única a qual forma pontes dissulfídicas Subseqüentemente uma enzima proteolítica nas vesículas secretores corta a cadeia polipeptídica em duas subunidades nãoidênticas Em geral cada subunidade é derivada do mais protômeros e oligômeros é sintetizada como uma cadeia polipeptídica Nas proteínas fibrosas as quais têm uma sequência de aminoácidos regular algumas vezes repetida as ligações entre cadeias têm diferentes funções A estrutura do colágeno é discutida no Capítulo 49 sobre tecido conjuntivo Equação 71 A constante de associação para um sítio de ligação em uma proteína Considere uma reação na qual um ligante L ligase a uma proteína P para formar um complexo proteínaligante LP com uma constante de velocidade k2 LP se dissocia com uma constante de velocidade k1 Então k1 LP k2 LP Kd 1 A constante de equilíbrio Kd é igual à constante de associação Ka ou 1Kd a constante de dissociação A menos que indicado de outra maneira as concentrações de L P e LP são expressas como molL e a unidade de Ka é molL1 IV QUANTIFICAÇÃO DA LIGAÇÃO DO LIGANTE Nos exemplos de estrutura terciária discutidos anteriormente o diagrama de proteína cria um sítio de ligação tridimensional para um ligante NAD para o dinucleotídeo NAD para a enzima hexoquinase adenina para o receptor βadrenérgico A afinidade de ligação de uma proteína por um ligante é quantificativamente descrita por sua constante de associação Ka a qual é a constante de equilíbrio para a reação de ligação de um ligante L com uma proteína P Equação 71 Kd é igual à constante de velocidade k2 para associação do ligante aos sítios de ligação dividida pela constante de velocidade k1 para a dissociação do complexo liganteproteína LP Ka consiste em uma relação direta para a ligação do ligante e portanto é uma medida do quanto é concentrado o receptor para diferentes fármacos VII RELAÇÕES ESTRUTURAFUNÇÃO NA MIoglobina E HEMOGLOBINA Mioglobina e hemoglobina são duas proteínas ligadas aos oxigênio com uma estrutura primária muito semelhante Figura 711 Contudo a mioglobina é uma proteína globular composta de uma única cadeia polipeptídica que tem um sítio de ligação para O2 A hemoglobina é um tetrâmero composto de dois tipos diferentes de subunidades cadeias polipeptídicas 2α e 2β referidas como protômeros αβ Cada subunidade tem uma forte homologia de sequência com a mioglobina e contém um sítio de ligação para O2 Uma comparação entre mioglobina e hemoglobina ilustra algumas vantagens da estrutura quaternária com múltiplas subunidades A Ligação do Oxigênio e Heme A estrutura terciária da mioglobina consiste em oito hélices α conectadas por pequenos enrolamentos uma estrutura conhecida como dobra de globina ver Figura 711 Essa estrutura não é usual para uma proteína globular por ela não ter folhas B As hélices A se encaixam em um bolço de ligação de heme que se liga fortemente ligado a um átomo de ferro Fe2 em seu centro O heme consiste em um anel de porfirina plano composto de quatro anéis pirrólicos que se localizam com seus átomos de nitrogênio no centro ligandose a um átomo de Fe2 Figura 713 A anemia falciforme é na verdade uma doença causada por um erro de estrutura quaternária As crises vasooclusivas sofridas por Will Sichel são causadas por polimerização de moléculas de HbS em fibras longas que distorcem a forma das células sanguíneas vermelhas em células falciformes A substituição de uma valina hidrofóbica por glutamato na cadeia β cria uma saliência na superfície da subunidade β em uma molécula de hemoglobina diferente Uma terceira molécula de hemoglobina que é igual a primeira é agregada com moléculas por interações polares alinhadas ligase a uma outra molécula de hemoglobina pela saliência de valina Assim a polimerização continua até que fibras longas sejam formadas A mioglobina é prontamente liberada do músculo esquelético e do tecido cardíaco quando a célula é lesada Ela tem um peso molecular de 17000 kDa e não forma complexos como outras redes na célula D a abreviação de Dálton e qual é uma unidade de massa aproximadamente igual a 17000 kDa é igual a cerca de 17000 gmol Grandes lesões de músculo esquelético resultantes de trauma físico falam da produção de ATP resultante em calor pela liberação de mioglobina e outras proteínas para a mioglobina passa para a urina e torna vermelha devido ao fato de o heme o heme permanecer ligado de forma covalente a proteína Durante um IAM a mioglobina é uma das primeiras proteínas liberadas do tecido cardíaco lesado Contudo a quantidade liberada não é alta o suficiente para causar mioglobinúria Mediadas laboratoriais de mioglobina séricas são utilizadas para o diagnóstico precoce em pacientes como Ann Jeina Devido ao fato de a mioglobina não estar presente no músculo esquelético e no coração como isoenzimas tecnoespecíficas e a quantidade liberada pelo coração ser muito menor do que a quantidade que pode ser liberada de grandes lesões de músculo esquelético as medidas de mioglobina não são específicas para um IM Figura 713 Heme O Fe é ligado a quatro átomos de nitrogênio no centro do anel de porfirina heme As cadeias laterais metil M CH3 vinil V CH CH2 e propionato P CH3CH2COO se estendem para fora dos quatro anéis pirrólicos que constituem o anel de porfirina Os grupos propionato carregados negativamente no anel de porfirina interagem com as cadeias laterais de arginina e histidina da hemoglobina e os grupos hidrofóbicos metil e vinil que se estendem para fora do anel de porfirina interagem com as cadeias laterais de aminoácidos da hemoglobina Todas juntas performam aproximadamente 16 interações diferentes entre aminoácidos da mioglobina e grupos diferentes no anel de porfirina Ligantes orgânicos que estão fortemente ligados como o heme da mioglobina são chamados de grupos prostéticos Uma proteína com seu grupo prostético ligado é chamada de holoproteína sem o grupo prostético é chamada de apoproteína O O2 se liga diretamente ao átomo Fe2 no bolso da mioglobina em um dos lados do anel planar da porfirina Figura 714 O átomo de Fe2 é capaz de fazer que seja diferentes quatro das posições de ligantes estão em um plano são ocupadas pelos nitrogênios centrais no anel planar de porfirina Duas posições ligantes estão perdidas a esse plano Uma dessas posições é tomada pelo átomo de nitrogênio de uma histidina chamada de histidina proximal a qual se estende para baixo da mioglobina A outra posição é ocupada por O2 A histidina proximal da mioglobina e da hemoglobina é especialmente repelida pelo an heme da porfirina Assim quando a histidina se liga ao Fe2 no meio do anel atrai o Fe2 acima do plano do anel Quando o oxigênio se liga no outro lado do anel ele atira o Fe2 de volta O O2 ligado desloca a histidina proximal em direção ao anel de porfirina que move a hélice contendo a histidina proximal Essa alteração conformacional não tem efeito na função da mioglobina Contudo na hemoglobina o movimento de uma hélice leva ao movimento de outras hélices naquela subunidade incluindo a ponta da subunidade que está em contato com uma subunidade diferente através de pontes salinas A perda dessas pontes salinas inclui então alterações con figuram em todas as subunidades e todas as quatro subunidades podem se modificar de maneira conjunta a partir de suas conformações originais para uma nova conformação B Cooperatividade da Ligação de O2 na Hemoglobina A cooperatividade na ligação de oxigênio na hemoglobina ocorre por alterações conformacionais na estrutura terciária que ocorrem quando o O2 se liga Figura 715 A alteração conformacional da hemoglobina em geral é descrita como uma mudança de um estado T tenso com baixa afinidade por O2 para um estado R relaxado com alta afinidade por O2 A quebra de pontes salinas nos contatos entre as subunidades é um processo que requer energia e consequentemente a velocidade de ligação para o primeiro oxigênio é muito baixa Quando o oxigênio se liga muitas das moléculas de hemoglobina contido em Já estão todas as quatro subunidades de estado R e portanto a velocidade de ligação é maior Quando duas moléculas de O2 ligam uma porcentagem ainda maior de moléculas de hemoglobina ter todas as quatro subunidades se alteram para o estado R quando duas moléculas de O2 se ligam Estrutura de imunoglobulinas A Cada molécula de IgG contém duas cadeias leves L e duas pesadas H unidas por pontes disulfídicas Cada cadeia leve contém dois domínios um domínio variável VL e uma região de sequência de aminoácidos constante CL Cada cadeia pesada tem quatro domínios um domínio variável VH e três domínios constantes CH A conformação do domínio constante contém folhas β chamadas de dobra de imunoglobulina Os domínios variáveis são específicos por um antígeno que está ligado assim as regiões constantes são as mesmas para todas as moléculas de anticorpos de uma determinada classe O carboidrato CHO está ligado como indicado dentro da região constante das cadeias pesadas CH As regiões de dobra permitem flexibilidade quando a molécula de antígeno se liga B No modelo espacial as cadeias leves estão em branco e as cadeias pesadas estão em dois tons de cinza A A estrutura primária de uma proteína determina sua conformação tridimensional Mais especificamente a sequência das cadeias laterais dos aminoácidos determina o padrão de enovelamento e o agrupamento de subunidades em estrutura quaternária Sob certas circunstâncias proteínas desnaturadas podem se renovar em sua conformação nativa recuperando seus fundamentos originais Às proteínas podem ser desnaturadas com solventes orgânicos como ureia que rompem as interações hidrofóbicas e tornam a proteína solúvel em um enovelamento ao acaso Muitas subunidades de unicélulas de proteínas como a ribonuclease que são desnaturadas dessa maneira podem se reconstituir em sua conformação nativa sempre que são trazidas de volta a condições fisiológicas Mesmo pequenas proteínas podem competir por múltiplos subconjuntos como cofatores de ligação após serem desnaturadas B Desnaturação de Proteínas 1 DESNATURAÇÃO PELA MODIFICAÇÃO NÃOENZIMÁTICA DE PROTEÍNAS Aminoácidos em proteínas podem sofrer uma grande variedade de modificações químicas que não são catalisadas por enzimas como glicosilação ou oxidação nãoenzimática Essas modificações geralmente levam a uma perda de função e a desnaturação da proteína assim muitas vezes a um nível não exposto de uma proteína Figura 719 O processo de duas etapas forma uma proteína irreversivelmente glicosilada As proteínas entram em metabolismo e muito lento no corpo como colágeno ou hemoglobina existem como uma fração presente na forma glicosilada Figura 719 Glicolisação nãoenzimática da hemoglobina A glicerose forma uma base de Schiff com o grupo amino Nterminal da proteína e ela rearranja para formar um produto glicolisado estável Reações de glicolisação similares ocorrem em outras proteínas Comentários clínicos Will Sichel Will Sichel continuou a ter dores lombares graves e dor nas extremidades inferiores durante muitas horas após a internação A dor difusa das crises falciformes parece ser resultada do oclusão de vasos em uma variedade de tecidos privando assim células de oxigênio e causando lesão anóxica dos tecidos Em uma crise aguda as células de hemoglobina tornandose longas polimerizadas distorcem biconvexa para uma forma irregular devido a um aumento da carga de ferro sobrecarregada levando a uma estrutura estressada Doenças de prion familiares são causadas por mutações pontuais no gene codificante da proteína Pr mutações pontuais são alterações em uma base da sequência nucleotídica do DNA As doenças têm uma variedade de nomes relacionados a diferentes mutações e ao síndrome clínica p ex doença de GertsmannStrausslerScheinker doença familair CreutzfeldtJakob prion scrapie em ovelhas Embora PrPC e PrPSc tenham a mesma composição de aminoácidos a forma PrPSc é substancialmente mais rica em estruturas em folha β comparada com a forma normal PrPC a qual tem pouca ou nenhuma folha β e é aproximadamente 40 hélice α Essa diferença favorece a agregação de PrPSc em complexos multiméricos Essas duas conformações presumivelmente têm níveis de energia semelhantes Felizmente o renomeamento espontâneo de proteínas PrP na forma PrPC é previsto por uma grande barreira de energia de ativação que torna essa conversão extremamente lenta Assim provas moleculares de PrPSc são formadas A doença infecciosa ocorre com a ingestão de diferentes formas de PrPSc nos quais a proteína prion é fisiologicamente extraída e já organizada Acreditase que essas proteínas PrPSc atuem como moldes para baixar a barreira de energia de ativação para a alteracão conformacional transformando proteínas nativas que se renovelam na conformação PrPSc de forma muito mais rápida muito semelhante ao papel da chaperonina O renovelamento inicia uma cascata à medida que cada nova PrPSc formada atua como um molde para renovar outras moléculas À medida que o número de moléculas PrPSc aumenta na célula elas se agregam em agrupamentos multiméricos que são resistentes à digestão proteolítica Leituras Sugeridas Khan MF Falk RH Amyloidosis Postgrad Med J 200177686693 Horwich AL Weissman JS Deadly conformationsprotein misfolding in prion diseases Cell 199789499510 Raj DSC Choudhury D Welbourne TC Levi M Advanced glycation end products a nephrologists perspective Am J Kidney Dis 200035365380 QUESTÕES DE REVISÃO CAPÍTULO 7 1 Qual das seguintes alternativas caracteriza regiões hélice α de proteínas A Todas elas têm a mesma estrutura primária B Elas são formadas principalmente por pontes de hidrogênio entre o átomo de oxigênio carbonila em uma ligação e o hidrogênio da amida de uma ligação peptídica diferente C Elas são formadas principalmente por pontes de hidrogênio entre o átomo de hidrogênio e outro carbonila em uma ligação peptídica e os átomos de hidrogênio da cadeia lateral de outro aminoácido D Elas são formadas por pontes de hidrogênio entre dois aminoácidos adjacentes na sequência primária E Elas requerem alto conteúdo de prolinas e glicina 2 Quais das seguintes é uma característica de proteínas globulares A Aminoácidos hidrofóbicos tendem a estar no interior B Aminoácidos hidrofóbicos tendem a estar no exterior C A estrutura terciária é formada por interações hidrofóbicas e eletrostáticas entre aminoácidos e entre aminoácidos e água D As estruturas secundárias são formadas principalmente por interações hidrofóbicas entre aminoácidos E Pontes dissulfídicas covalentes são necessárias para manter a proteína na conformação rígida 3 Uma proteína tem um domínio transmembrana composto inteiramente de estruturas secundárias hélice α Qual dos seguintes aminoácidos poderia ser encontrado no domínio transmembrana A Prolina B Glutamato C Lisina D Leucina E Arginina 4 Autópsias de pacientes com doença de Alzheimer mostram agregados proteicos chamados de nódulos neurofibrilares e placas neuríticos em várias regiões do cérebro Essas placas exibem a coloração característica de amiloide Qual das seguintes características estruturais é a característica mais provável de pelo menos uma proteína nessas placas A Um alto conteúdo de estrutura folha β B Um alto conteúdo de estrutura hélice α Colleen Smith Allan D Marks Michael Lieberman 5 Enquanto estudava uma nova via em uma espécie remota de bactéria você descobre uma proteína globular que fosforila um substrato utilizando ATP como doador de fosfato Essa proteína provavelmente contém qual das seguintes estruturas A Uma dobra de actina B Uma dobra de imunoglobulina C Uma dobra ligadora de nucleotídeo D Uma dobra de globina E Um barril β