Proteinas

PROTEÍNAS

• São as macromoléculas mais abundante nos organismos vivos, perfazendo cerca de 50% do peso seco celular. Apresentam uma grande diversidade de funções nos sistemas biológicos. Praticamente todos os processos vitais dependem dessa classe de moléculas.

• Constituídas de cadeia de L-aminoácidos de extensão variada- Citocromo C humano contem 104 resíduos de aminoácidos em uma única cadeia polipeptídica. Apoliproteína B -transportadora de colesterol, contem 4536 resíduos de aa distribuídos em uma única cadeia polipeptídica. Imunoglobulina G apresenta cerca de 800 resíduos de aa distribuídos em 4 cadeias polipeptídicas.

• Executam uma série de funções.

• Constituem a expressão da informação genética ou seja, para cada proteína existe um segmento de DNA (gene) que armazena a informação que especifica sua composição, seqüência e número de aminoácidos.

FUNÇÃO BIOLÓGICA DAS PROTEÍNAS

ENZIMAS - Grupo mais variado e especializado. Cada enzima catalisa um tipo de reação química.

TRANSPORTADORAS - Proteínas que transportam moléculas ou íons Ex: Hemoglobina dos eritrócitos, mioglobina, lipoproteínas do sangue, transferrina, albumina do sangue.

ARMAZENAMENTO - Ex: ferritina- proteína que armazena ferro no tecidos animais, vegetais e algumas bactérias.

NUTRIENTES - Ovoalbumina , caseína

CONTRÁTEIS OU DE MOBILIDADE - a contração muscular é resultante do deslizamento de dois tipos de filamentos proteicos que são actina e miosina. A dineína é a proteína que impele o movimento de flagelos e cílios em protozoários

ESTRUTURAIS - Fornecem proteção ou resistência às estruturas biológicas.

Ex: Colágeno - proteína fibrosa resistente a tensão, componente do osso, cartilagem e pele.

Elastina - proteína estrutural dos ligamentos capaz de distender-se em 2 dimensões.

Queratinas- proteínas resistentes e insolúveis presentes no cabelos, unhas, penas, etc

DEFESA - Os anticorpos são proteínas altamente específicas que reconhecem substâncias estranhas como virus, bactérias e células de outros organismos. Ex: Imunoglobulinas Fibrinogênio e trombina- previnem a perda de sangue quando o sistema vascular é lesado.

TOXINAS - Veneno de serpentes, toxinas bacterianas, substâncias vegetais tóxicas (Ex: ricina da mamona), toxina diftérica e outras.

PROTEÍNAS REGULADORAS- Regulam a atividade celular e fisiológica. Ex: muitos hormônios- insulina, hormônio do crescimento, proteínas G- regulam a resposta celular a muitos sinais hormonais.

OUTRAS FUNÇÕES - Ex: proteína anticongelante. Monelina -proteína intensamente doce presente em algumas plantas africanas. Está sendo estudada como adoçante. Reselina- proteína elástica que insere a asa no corpo dos insetos.

CLASSIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS

1- Quanto ao número de cadeias polipeptídicas

• Monomérica, dimérica, trimérica

• oligomérica - Ex Hemoglobina - 574 resíduos de aa distribuídos em 4 cadeias polipeptídicas, sendo 2 cadeias  e 2 cadeias  mantidas unidas por interações não covalentes.

2- Quanto a composição

• Proteínas simples ou homoproteínas - Contem apenas aminoácidos e nenhum outro grupo químico.

• Proteínas conjugadas - Contem além da cadeia de aminoácidos outros grupos químicos chamados de grupo prostético.

Prot. conjugada Grupo prostético

lipoproteínas lipídios

glicoproteínas glicídios

fosfoproteínas fosfato

hemoproteínas grupo hemo (ferro protoporfirina)

metaloproteínas metais

GP desempenha papel importante na função biológica da proteína.

3- Quanto a conformação (forma)

• PROTEÍNAS FIBROSAS- são caracterizadas por um grupo de cadeias polipeptídicas enroladas em espiral ou hélice (no sentido longitudinal) formando fibras ou lâminas, com ligações cruzadas por intermédio de pontes de dissulfeto, bem como pontes de hidrogênio.

Essas proteínas compartilham propriedades que dão resistência e/ou elasticidade às estruturas anatômicas onde ocorrem. São elementos estruturais básicos do tecido conjuntivo. Ex. colágeno e elastina (proteínas dos tendões e matriz óssea),  e  queratina ( : cabelos, unhas, casco, chifre, pele,lã e : fibroína da seda).

• São insolúveis em água devido a presença de uma grande número de aa hidrofóbicos no interior e superfície da molécula.

PROTEÍNAS GLOBULARES - Caracterizam-se por cadeias polipeptídicas dobradas e enroladas de maneira compacta em um arranjo tridimensional assumindo a forma globular e esférica. Sua função é mais dinâmica: Ex: insulina, albumina, globulinas plasmáticas e a maioria das enzimas.

• São solúveis em água.

NATUREZA DA LIGAÇÃO PEPTÍDICA

A ligação que conecta os átomo de C carbonílico e o N de uma ligação peptídica tem caráter parcial de dupla ligação e portanto é uma ligação rígida e os 4 átomos estão dispostos no mesmo plano (são coplanares). A unidade peptídica é rígida e plana.

Por outro lado as ligações remanescentes do esqueleto polipeptídico têm ampla liberdade de rotação ou seja, a ligação entre o átomo de C e o átomo de C da carbonila e a ligação entre o C e o N peptídico têm liberdade de rotação.

NÍVEIS ESTRUTURAIS DAS PROTEÍNAS

São conhecidos 4 níveis de estrutura das proteínas:

1) ESTRUTURA PRIMÁRIA: É definida pela sequência de aminoácidos de uma proteína. É estabilizada através das ligações peptídicas.

Nenhuma outra propriedade distingue tão claramente uma proteína da outra, já que os aa podem ser arranjados em um número quase infinito de proteínas diferentes. Logo as proteínas diferem entre si em número, sequência e composição dos resíduos de aa.

2) ESTRUTURA SECUNDÁRIA- refere-se ao arranjo regular no espaço dos resíduos de aa resultante de interações entre os resíduos de aa adjacentes na cadeia polipeptídica.

Existem poucos tipos de estrutura secundária sendo as mais comuns:

•  hélice

• conformação ,

• estrutura do colágeno

• estrutura da elastina.

Embora as proteínas fibrosas em geral apresentem um tipo de estrutura secundária, as proteínas globulares podem incorporar vários tipos de estrutura secundária na mesma molécula.

a HÉLICE

É a estrutura proteica secundária mais comum

O arranjo mais simples que a cadeia polipeptídica pode assumir, com suas ligações rígidas e outras livres, é a estrutura em a-hélice (estrutura helicoidal). Nesta estrutura o esqueleto polipeptídico está enrolado ao longo de um eixo da molécula e os grupos R dos resíduos de aa projetados para fora do esqueleto helicoidal. Cada passo da hélice é constituído de cerca de 4 resíduos de aa.

As voltas das hélices têm sentido para a direita ou esquerda (a-hélice orientada para a direita ou para a esquerda).

Essa é a estrutura predominante nas a queratinas, proteína fibrosa do cabelo, lã, unhas, garras, camada externa da pele etc. As cadeias polipeptídicas dessas proteínas têm estrutura helicoidal simples do tipo a-hélice orientada à direita.

Nas proteínas globulares perto de ¼ de todos os aminoácidos são encontrados em a-hélice.

Esse tipo de estrutura é mais comum porque a estrutura é estabilizada por pontes de hidrogênio entre os átomos de H ligado ao N peptídico e o oxigênio eletronegativo do grupo carbonila do 4o aminoácido. Todas as ligações peptídicas da cadeia participam de tais pontes de hidrogênio. Cada passo de a- hélice é mantido unido ao adjacente por numerosas pontes de hidrogênio, que somadas dão considerável estabilidade à estrutura completa.

A a queratina é rica em resíduos hidrofóbicos de fenilalanina, isoleucina, valina, metionina e alanina.

A sequência de aa afeta a estabilidade da a-hélice, portanto nem todos os polipeptídios podem formar uma a-hélice estável. As cadeias laterais dos aa podem estabilizar ou desestabilizar esta estrutura. Ex: cadeia com muitos aa ácidos em um longo segmento da cadeia não formará a-hélice em pH 7. Os agrupamentos carboxilas dos resíduos adjacentes carregados negativamente repelir-se-ão de maneira muito forte de forma que superará a influência estabilizadora das pontes de H da a-hélice. Da mesma forma se houver muitos aminoácidos básicos, contendo grupos carregados positivamente também repelir-se-ão mutuamente e impedirão a formação de a-hélice.

A massa e a forma de certos grupos R também podem desestabilizar a a-hélice ou impedir sua formação. É o caso de resíduos como Asn, Ser, Thr e Leu que quando ocorrem muito próximos podem desestabilizar a a-hélice.

Os aminoácidos (aa) com carga negativa permitem formação de interações iônicas com aa de carga positiva à distância de três resíduos de aa.

Os aa aromáticos estão freqüentemente espaçados e geralmente participam de interações hidrofóbicas.

Uma restrição menor para a formação da a-hélice é a presença de resíduos de prolina onde o N é parte do anel rígido e não permite a rotação Ca-N e alem disso o N de um resíduo de Pro em uma ligação peptídica não tem H substituinte e portanto não formará ponte de H. Portanto a Pro é raramente encontrada em a-hélice.

Em resumo as restrições que afetam a estabilidade da a-hélice são:

1- Repulsão eletrostática entre resíduos de aa com grupos carregados.

2- Massa e volume dos grupos R adjacentes.

3- Interação entre cadeias laterais de aa espaçados 3 ou 4 resíduos de aa.

4- Ocorrência de resíduos de Pro.

CONFORMAÇÃO b OU FOLHA b PREGUEADA

Esse tipo de conformação organiza as cadeias polipeptídicas em folhas. É a conformação mais distendida da cadeia polipeptídica. Ocorre na fibroína (proteína da seda) e proteínas fibrosas chamadas b queratina.

Neste caso o esqueleto das cadeias polipeptídicas é estendido em ziguezague. Na fibroína as cadeia polipeptídica em ziguezague estão arranjadas lado a lado para formar estruturas parecidas com uma série de pregas ou dobras.

Nesse tipo de conformação as pontes de H entre ligações peptídicas podem ser intra ou intercadeia. Na b queratina todas as ligações peptídicas participam de pontes de H intercadeias

As cadeias polipeptídicas adjacentes em uma folha b pregueada podem ser paralelas - quando todas as cadeias têm a mesma orientação amino para carboxila ou antiparalela quando apresentam orientação amino para carboxila opostas.

COLÁGENO

Outras estruturas secundárias existem em poucas proteínas especializadas. Um exemplo é a hélice tríplice do colágeno que apresenta resistência à tensão. Ocorre no colágeno dos tendões, dentes, cartilagens, córnea e matriz óssea.

O colágeno tem estrutura helicoidal simples do tipo a-hélice orientada à esquerda, é rico em Gly, Ala, Pro e Hyp e Hyl a sequência de aa comum é uma unidade tripeptídica Gly-X-Pro ou Gly-X- HO-Pro onde X é um dos 20 aa padrões.

Tanto na a queratina quanto no colágeno a resistência mecânica é aumentada pelo enrolamento helicoidal de múltiplos segmentos em super-hélices, da mesma forma como os cordões são enrolados para formar uma corda resistente. Os múltiplos segmentos são enrolados para aumentar a resistência. Fibras de colágeno podem suportar até 10.000 vezes ao seu peso.

A resistência dessas estruturas é aumentada pelas ligações covalentes entre cadeia polipeptídicas no interior das cordas multi-helicoidais e entre as adjacentes. Na a-queratina as ligações entrecruzadas são pontes de dissulfetos. No caso do colágeno as ligações entrecruzadas ocorrem entre 2 resíduos de lisina normais formando um aa diferente que é o lisinonorleucina.

As fibrilas do colágeno consistem de unidades polipeptídicas recorrentes, chamada de tropocolágeno formado por três cadeias arranjadas em feixes paralelos as quais mantêm constante a orientação cabeça-cauda das moléculas.

Há muitos defeitos genéticos envolvendo o colágeno, mostrando uma relação estreita entre a sequência de aa e a estrutura tridimensional. Ex. alterações genéticas da osteogênese imperfeita resulta em ossos anormais em bebes, são decorrentes da substituícão de Gly por resíduos de Cys ou Ser. Estas substituíções têm efeito catastrófico na função do colágeno porque rompem a unidade repetitiva Gly-X-Pro que dá ao colágeno a sua estrutura helicoidal única.

ELASTINA

O tecido conjuntivo elástico contem a proteína fibrosa elastina que parece com o colágeno em algumas propriedade porem é muito diferente em outras.

A subunidade polipeptídica das fibrilas de elastina é a tropoelastina, contendo perto de 800 resíduos de aa. O colágeno é rico em Gly. A tropoelastina difere do tropocolágeno por possuir muitas Lys e poucos resíduos de Pro, forma um tipo especial de hélice diferente da a hélice e da hélice do colágeno

A tropoelastina consiste de porções de hélices ricas em resíduos de Gly separadas por regiões curtas, contendo resíduos de Lys e Ala. As porções helicoidais alongam-se quando aplicamos tensão, porem volta ao seu comprimento normal quando a tensão é suprimida. As regiões contendo Lys formam interligações covalentes onde 4 resíduos de Lys unem-se e são convertidas enzimáticamente em desmosina. Lisinonorleucina também ocorre na elastina. Esses aa são capazes de reunir as cadeias de tropoelastina em arranjos que podem ser esticados, em todas as direções.Presente em ligamentos, pulmão, vasos sanguíneos, etc.

ESTRUTURA TERCIÁRIA

A cadeia polipeptídica pode apresentar dobras sobre si mesma, devido a interação de aa a longa distância, adquirindo uma conformação espacial própria. A forma espacial de cada proteína (estado nativo da proteína) é a principal responsável por suas propriedades biológicas.

O arranjo tridimensional de todos os átomos de uma proteína é chamada de estrutura terciária.

A estrutura 3ária é resultante de interações entre os aa situados a longa distância dentro da seqüência primária. Os aa que estão longe uns dos outros na seqüência polipeptídicas e situam-se em diferentes tipos de estrutura 2ária podem interagir quando a proteína é enovelada.

As proteínas diferem em suas estruturas terciárias ou seja, as cadeias polipeptídicas podem enovelar de muitas formas diferentes.

Mioglobina- contem uma única cadeia com 153 resíduos de aa e apresenta 8 seguimentos retilíneos em a hélice cada um interrompido por curvaturas. Mais de 70% dos aa estão na região em a hélice.

Citicromo c- contem uma cadeia polipeptídica com cerca de 100 aa e um grupo heme ligado covalentemente ao polipeptídio. 40% dos aa estão em seguimentos a hélice, o restante da molécula contem curvaturas, voltas e segmentos irregulares enrolados ou distendidos.

Logo a mioglobina e o citocromo c diferem marcadamente em suas estruturas mesmo sendo ambas proteínas pequenas e portadoras do grupo hemo.

Lisozima- hidrolisa os polissacarídeos de paredes celulares protetoras de algumas bactérias. 40% dos 129 aa estão em a hélice e apresenta alguma estrutura b. Possui 4 ligações dissulfeto que ajudam a estabilizar a proteína.

Ribonuclease- proteína globular, é secretada pelo pâncreas e hidrolisa ligações existentes nos ribonucleotídios presentes nos alimentos. Poucos dos 124 aa estão em conformação de a hélice, contem muitos segmentos em conformação b

Cada proteína tem uma estrutura diferente adaptada à sua função biológica. Estas proteínas estão enoveladas de forma compacta e os aa portadores de cadeias laterais hidrofóbicas estão orientados para o interior da molécula ( longe da água) e as hidrofílicas estão na superfície. São estabilizadas por ponte de H, interações hidrofóbicas, interações iônicas e pontes de dissulfeto.

MUDANÇA DE CONFORMAÇÃO DAS PROTEÍNAS

Muitas enzimas mudam de conformação quando se ligam a seus substratos.

As estruturas 3árias não são rígidas. Embora a conformação 3ária nativa de uma proteína seja termodinamicamente a mais estável ela não é absolutamente rígida. As proteínas globulares têm certa flexibilidade em seu esqueleto covalente e muitas delas sofrem pequenas mudanças conformacionais durante o exercício da sua função biológica que normalmente está associada à ligação de um ligante. Ex: a hemoglobina tem uma conformação quando o O2 está ligado e outra quando ele é liberado.

ESTRUTURA QUATERNÁRIA

Algumas proteínas contem duas ou mais cadeias polipeptídicas ou subunidades separadas que podem ser iguais ou diferentes em estrutura. São chamadas de proteínas oligoméricas. Ex hemoglobina tem 2 cadeias a com 141 aa cada e 2 cadeias b com 146 aa cada.

RNA polimerase de E.Coli tem 12 cadeias.

O complexo da piruvato desidrogenase mitocondrial que é um agregado de 3 enzimas contem 102 cadeias polipeptídicas

• O arranjo das proteínas e das subunidades em complexos tridimensionais constitui a estrutura 4ária.

As interações entre as subunidades são estabilizadas pelas mesmas forças que estabilizam a estrutura terciária ou seja, interações não covalentes múltiplas.

DESNATURAÇÃO (DENATURAÇÃO)

As proteínas perdem a estrutura e a função quando desnaturadas.

O processo de desnaturação consiste em uma perda total da estrutura tridimensional da proteína. Ex: clara de ovo cozida - desnaturação irreversível

O calor desnatura quase todas as proteínas globulares independentes de tamanho ou função biológica. Em alguns casos o efeito é reversível

A mudança de estrutura produzida pela desnaturação é quase invariavelmente associada à perda de função.

A desnaturação ocorre pela ação dos agentes desnaturantes que são: aquecimento, pH (em valores extremos de pH), solventes orgânicos miscíveis em água como etanol, acetonas , etc e com substâncias detergentes.

• O aquecimento rompe uma variedade de interações fracas.

• Solventes orgânicos, uréia e detergentes rompem interações hidrofóbicas.

• Valores de pH alteram a carga líquida da proteína provocando repulsão e rompimento de algumas pontes de H.

• A estrutura terciária nativa da maioria das proteínas é pouco estável.

RENATURAÇÃO

Algumas proteínas globulares desnaturadas pelo calor, extremos de pH ou reagentes desnaturantes podem recuperar sua estrutura nativa e a atividade biológica por um processo de renaturação.

Ex: desnaturação de ribonuclease. A desnaturação completa ocorre pela exposição da ribonuclease a uma solução concentrada de uréia e na presença de agente redutor mercaptoetanol que rompe as 4 ligações dissulfeto entre os 8 resíduos de Cys. A uréia rompe as interações hidrofóbicas. A enzima perde sua atividade catalítica e sua estrutura enovelada para formar uma estrutura enrolada ao acaso. Quando há remoção destes agentes, a ribonuclease enovela-se espontaneamente em sua estrutura terciária, recuperando completamente a atividade catalítica.