Enzimas são Proteínas Globulares - (LTC) de NUTES

Aula 1
Enzimas são Proteínas Globulares
Já existem 4.725 enzimas conhecidas, distribuídas em grupos de acordo com suas
características catalíticas, como veremos na aula 2. Apesar de bem conhecidas
atualmente, muito ainda se estuda a respeito das enzimas, a fim de desvendar
aspectos pouco conhecidos ou, até mesmo desconhecidos, de seu
funcionamento. Atualmente, muitas doenças são tratadas com drogas que atuam
diretamente em enzimas e isso só é possível se conhecermos a estrutura das
mesmas. Esse é o caso dos inibidores de proteases que vêm sendo utilizados no
tratamento de HIV desde o início da década de 1980. As enzimas são proteínas
globulares e, portanto, apresentam características estruturais e funcionais desse
grupo. Para melhor compreender tais características, vamos relembrar como as
proteínas globulares são enoveladas.
Existe uma relação direta entre estrutura e
função das macromoléculas. Isso quer dizer
que podemos entender a função dessas
macromoléculas sabendo sua estrutura (e
vice-versa). Considerando a importância das
terapias moleculares, atualmente, podemos
compreender o porquê de estudarmos a
estrutura de macromoléculas. As enzimas
são
alvos
interessantes
para
esses
tratamentos e é conhecendo sua estrutura
que podemos determinar esses alvos.
As proteínas estão presentes essencialmente
em todos os processos celulares, com grande
importância na manutenção da vida. Os
primeiros estudos com proteínas datam do
início do século XIX em pesquisas da
propriedade de coagulação em substâncias
presentes no leite e na clara de ovo, pelo
químico holandês Mulder. As proteínas são
polímeros de aminoácidos formados através
de uma síntese por desidratação, a qual
origina a ligação peptídica.
As proteínas podem ser globulares, fibrosas
e de membrana. As proteínas têm alto nível
de organização estrutural e as globulares
apresentam estruturas primária, secundária,
terciária e, algumas vezes, quaternária.
As enzimas são proteínas globulares, na sua
maioria. Algumas enzimas são proteínas de
membrana, como, por exemplo, as ATPases,
que estão envolvidas no transporte ativo de
íons, ou seja, aquele dependente da energia
proveniente da hidrólise de ATP. Mesmo
sendo proteínas de membrana, a porção
catalítica encontra-se fora da bicamada e
tem estrutura semelhante à de proteínas
globulares.
O termo proteína foi estabelecido por
Jöns J. Berzelius em 1838 e deriva
do grego “proteios”, que significa
“primeiro“ “o mais importante”. Esse
termo foi proposto porque essa
substância era considerada a matéria
fundamental dos seres vivos.
.
De 20 Aminoácidos, quantas
proteínas existem?
São conhecidos 20 aminoácidos que formam
milhões de diferentes proteínas, as quais
exercem funções distintas e altamente
específicas. De certa forma, essa afirmativa
parece inacreditável, e você deve estar
pensando...
Como isso é possível?
Assim como o nosso alfabeto é formado por
apenas 26 letras que dão origem a uma
quantidade quase infinita de palavras devido
às diferentes combinações dessas letras, as
proteínas também são formadas a partir de
diferentes sequências de aminoácidos, prédeterminadas pelo código genético, com
apenas 20 aminoácidos.
Cada aminoácido é constituído de um átomo
de carbono assimétrico, pois tem quatro
ligantes diferentes, chamado de carbono α
(Cα). O Cα está ligado a um grupo amina, a
um grupo carboxila, a um átomo de
hidrogênio e a uma cadeia lateral. As
cadeias laterais variam em tamanho, forma,
carga, capacidade de formação de ligações
não covalentes e reatividade química.
Dentre os aminoácidos apolares encontramos
os de cadeia alifática (cadeia composta de
carbono e hidrogênio) que são a alanina,
valina, leucina, isoleucina, além da
metionina, que contém um enxofre na
cadeia. Há também os aromáticos que são o
triptofano, a tirosina e a fenilalanina. Os
aminoácidos
aromáticos
são
mais
hidrofóbicos (mais apolares).
Dentre os aminoácidos polares, encontramos
compostos sem carga (serina, asparagina e
glutamina) e com carga positiva (arginina,
histidina e lisina) e com carga negativa
(aspartato e glutamato).
Nessa classificação, Glicina, Prolina e
Cisteína
não
foram
citados
porque
apresentam características peculiares:
O Cα da Glicina (Gly) não é
assimétrico pois a cadeia lateral é um
átomo de hidrogênio.
A Prolina (Pro) não tem um grupo
amina e, sim, um grupo imina e,
portanto, é um iminoácido.
FONTE:
http://iitb.vlab.co.in/?sub=41&brch=118&sim=412&cn
t=1
Os aminoácidos podem ser divididos em dois
grandes grupos: APOLARES e POLARES, de
acordo com as características da cadeia
lateral, representada por R na figura acima.
Classificação Estrutural dos Aminoácidos
Apolares
Aromáticos
Alanina
(Ala)
Valina
(Val)
Leucina
(Leu)
isoleucina
(Ile)
Metionina
(Met)
Fenilalanina
(Phe)
Tirosina
(Tyr)
Triptofano
(Trp)
Polares
sem Carga
Serina
(Ser)
Treonina
(Thr)
Asparagina
(Asn)
Glutamina
(Gln)
Positivos
Negativos
Lisina
(Lys)
Arginina
(Arg)
Histidina
(His)
Aspartato
(Asp)
Glutamato
(Glu)
A Cisteína (Cys) tem um grupo
sulfidrila (SH) na cadeia lateral que é
bastante
reativo.
Em
muitas
proteínas, esse grupo reage com
outro, formando uma ponte de
dissulfeto.
A Glicina é super conservada entre os
seres vivos o que confere uma importância
evolutiva, além disso é pequena e permite
flexibilidade conformacional. A Prolina
não permite a estabilização de estruturas
secundárias mas é muito importante para a
hélice do colágeno. A Tirosina tem esse
nome por ter sido descoberta no queijo
(tyros = queijo).
É comum encontrarmos nos livros didáticos
uma classificação dos aminoácidos diferente
desta descrita acima, e que podemos
considerar como sendo “nutricional”. As
proteínas encontradas nos alimentos são
degradadas e absorvidas ao longo do
processo digestivo, e utilizadas pelo
metabolismo na produção de energia,
síntese de lipídios e de outras proteínas.
Dessa
forma,
os
aminoácidos
são
classificados em dois grupos levando-se em
consideração o fato de serem ou não
produzidos pelo organismo. Os que não são
produzidos pelo nosso organismo são
denominados essenciais, e devem ser
obtidos através da alimentação. Os
aminoácidos que são produzidos em nosso
organismo não são essenciais. Para a espécie
humana, a classificação nutricional é:
Armazenamento: as proteínas de estoque ou
armazenamento são as reservas biológicas
de íons metálicos (Ferritina estoca ferro),
aminoácidos (encontradas nas sementes, no
leite e na clara de ovo). A mioglobina é uma
proteína que armazena gás oxigênio nos
músculos.
Proteção Imunológica: são os Anticorpos,
proteínas com função de reconhecimento de
substâncias estranhas (antígenos) que serão
destruídas pelos leucócitos, atuando na
defesa do organismo.
Aminoácidos
Essencias
Não-essenciais
Leucina
Isoleucina
Valina
Metionina
Triptofano
Fenilalanina
Treonina
Lisina
Histidina
Arginina
Glicina
Alanina
Tirosina
Serina
Aspartato
Glutamato
Asparagina
Glutamina
Cisteína
Prolina
Controle Hormonal: São proteínas que
ajudam a controlar algumas funções
orgânicas como, por exemplo, a insulina
(controle da glicose sanguínea) e a
somatotropina (hormônio de crescimento
que estimula a produção de células de
músculo.2
Movimento Coordenado: Estão envolvidas na
contração muscular e na propulsão dos
espermatozóides.
Transmissão de Impulsos Nervosos: Resposta
de células nervosas a estímulos específicos
(proteínas receptoras)
PROTEÍNAS: três grupos distintos
com funções variadas e específicas
São macromoléculas que podem ser divididas
em três grupos distintos:
globulares
fibrosas
de membrana
As proteínas são polímeros de aminoácidos
que apresentam um variado espectro de
funções biológicas1.
As proteínas globulares são solúveis em água
e estão relacionadas ás funções de:
Transporte de íons e moléculas pequenas:
algumas proteínas que transportam íons
metálicos, lipídios, hormônios e vitaminas. A
transferina é responsável pelo transporte de
ferro no plasma sanguíneo e a hemoglobina
transporta o Oxigênio dos pulmões para os
tecidos, por exemplo. Os canais e bombas,
presentes nas membranas biológicas, são
também proteínas de transporte.
1
Berg, J. M.; Tymoczko, J. L.; Stryer, L. Bioquimíca.
5a edição. editora Guanabara Koogan. São Paulo. 2004
Por fim, citamos a função de catálise, que é
a de grande importância deste curso. As
enzimas são proteínas globulares que
catalisam reações simples e complexas.
Apresentam alto poder catalítico, pois
aumentam a velocidade de reação em
muitas vezes. Nesta aula, vamos entender a
estrutura das proteínas globulares.
As proteínas fibrosas são insolúveis em água
e desempenham funções estruturais nos
seres vivos. Estão presentes em penas,
chifres, venenos de serpentes, cabelo e
unhas, por exemplo. Também exercem a
função de sustentação mecânica, pois são
elas que proporcionam a alta força de
tensão da pele e dos ossos. O colágeno, a
queratina e a elastina são proteínas fibrosas.
As proteínas de membrana pertencem a um
grupo de proteínas que faz parte da
composição das membranas de células e
organelas e que atuam como receptores,
canais e bombas.
2
http://biology.about.com/od/molecularbiology/a/aa
101904a.htm
AS PROTEÍNAS SÃO FORMADAS
POR LIGAÇÕES PEPTÍDICAS
A cadeia peptídica é formada por uma série
de aminoácidos unidos por ligações
covalentes denominadas ligações peptídicas.
A ligação peptídica ocorre entre a carboxila
(COO-) do primeiro aminoácido e a amina
(NH3+) do segundo aminoácido, com a saída
de uma molécula de água:
A SEQUÊNCIA DE UMA PROTEÍNA
A tradução é o processo que origina cada
proteína. Esse processo ocorre quando há a
tradução da informação do código genético
contido no DNA, que pode ser resumido da
seguinte forma:
Seqüência de DNA
Seqüência de RNA
Seqüência da proteína
Fonte: http://www.webbooks.com/MoBio/Free/Ch2B.htm
Quando ocorre a ligação peptídica, a
molécula de água formada ao final do
processo tem um átomo de oxigênio da
carboxila e dois átomos de hidrogênio da
amina. Dessa forma, não há mais um
aminoácido, já que os seus grupos funcionais
(amina e carboxila) deixam de existir,
formando um grupo amida. Essas estruturas
são agora denominadas de resíduos de
aminoácidos.
A palavra resíduo, em português, pode
remeter a restos de processos, ao que não
serve mais. Seriam os resíduos industriais,
por exemplo. Porém, em química, é um
radical. Podemos pensar que, na formação
de uma ligação peptídica, seria “o que
resta” daquilo que foi um aminoácido já
que, ao final, temos o que resta da
estrutura inicial dos mesmos.
No início de uma cadeia polipeptídica,
encontramos o grupo amina do primeiro
aminoácido. Esse é o chamado aminoterminal ou, simplesmente, N-terminal. No
final da cadeia polipeptídica, o grupo
carboxila de um aminoácido está livre e é
chamado de carboxi terminal ou C-terminal.
N
C
A informação que está na sequência de
nucleotídeos da molécula de DNA origina
uma molécula de RNA mensageiro (RNAm)
que leva a informação genética para o
citoplasma, onde ocorrerá o processo de
tradução originando uma nova proteína.
Frederick Sanger determinou
em 1953 a sequencia de
aminoácidos da insulina.
Esse feito é considerado um
marco nos estudos
bioquímicos porque mostrou
pela primeira vez que uma
proteína tem uma sequencia
de aminoácidos definida com
precisão
OS DIFERENTES NÍVEIS DE
ORGANIZAÇÃO ESTRUTURAL
DAS PROTEÍNAS
As
proteínas
globulares
apresentam
diferentes
níveis
de
organização,
denominadas
de
estruturas
primária,
secundária, terciária e quaternária.
Consideramos como a Estrutura Primária de
uma proteína a sequência de seus
aminoácidos, determinada pelo código
genético. E é essa sequência que determina
a função da proteína, já que uma alteração
na ordem dos aminoácidos, que pode ser
causada por uma mutação, por exemplo,
pode gerar uma proteína defeituosa que
possivelmente não desempenhará a sua
função biológica.
A
determinação
da
sequência
de
aminoácidos, ou seja, da estrutura primária,
é importante porque é geralmente essencial
para elucidar o seu mecanismo de ação e
revela muito sobre nossa história evolutiva.
A Estrutura Secundária de uma proteína é
um tipo de organização espacial da cadeia
polipeptídica. Essa estrutura apresenta-se na
forma de α-hélices, folhas β pregueadas,
dobras (ou voltas) β e alças.
As cadeias laterais dos resíduos de
aminoácidos estão voltados para o exterior
da hélice.
Estrutura em α-hélice com as cadeias laterais
representadas em bastão.
O conteúdo em α-hélices das proteínas varia
muito, de quase nada a quase 100%.
Além da α-hélice, existem outras duas
hélices: a 310 e a π.
Na α-hélice, o oxigênio do grupo carbonila
(C=O) de uma ligação peptídica forma uma
ligação de hidrogênio com um hidrogênio do
NH de outra ligação peptídica. Cada resíduo
de aminoácido interage com um outro que
está a quatro posições à sua frente através
dessas ligações de hidrogênio, que tornam a
estrutura secundária de cada proteína muito
estável. Interações do tipo van der Waals
(dipolar) também auxiliam na estabilidade
da estrutura.
Estrutura da Dienolactona Hydrolase
(1din.pdb) comparando uma hélice 310
(amarelo) com uma α-hélice (laranja)
Comparadas com a α-hélice, a hélice 310 é
mais estendida e a hélice-π é mais relaxada.
A figura a seguir foi gerada com modelagem
molecular
de
poli-alaninas
(peptídios
formados apenas por alaninas) mostrando os
três tipos de hélice:
Estrutura em α-hélice
(Obs: não existem “lados de cima” e “de baixo” nessa
estrutura; estamos usando essa descrição para
facilitar a compreensão)
Imagens geradas no laboratório de Justin Lorieau do
National Institute of Health. http://www.lorieau.com/
Há dois tipos de fitas β: paralelas e
antiparalelas. Na fitas de arranjo paralelo,
tanto o N-terminal quanto o C-terminal
estão no mesmo sentido. Já no arranjo
antiparalelo, os resíduos terminais estão em
sentidos opostos.
C
C
C
N
N
Paralela
N
C
Outro tipo de estrutura secundária é a folha
β pregueada ou apenas folhas β. É formada
pela união de duas ou mais fitas β através de
ligações de hidrogênio. Diferem-se da
estrutura em α-hélice por serem mais
distendidas, enquanto a outra é mais
enrolada.
N
Antiaralela
As dobras β, também chamadas de voltas β,
são formadas por 4 aminoácidos que se
arranjam em um semicírculo, onde o
primeiro aminoácido faz ligação de
hidrogênio com o quarto aminoácido. São
estruturas que permitem, por exemplo, a
ocorrência das folhas β antiparalelas:
2
Duas fitas β formam uma folha β
Nas fitas β, as cadeias laterais apontam para
fora do plano da cadeia principal, ou seja, a
cadeia lateral do primeiro resíduo “para
cima” e o seguinte, “para baixo” do plano
da fita, e assim por diante:
3
4
C
1
N
N
C
Além disso, outro arranjo secundário
possível é a estrutura do tipo alça que não é
estabilizada por ligações de hidrogênio e,
portanto, é bastante flexível, como puderam
ver na AP1.
preferencialmente
polares.
cadeias
laterais
Consideramos que uma proteína apresenta
Estrutura Quaternária quando há mais de
uma sequência polipeptídica, cada uma com
uma estrutura terciária independente,
formando a proteína.
Parte da cadeia polipeptídica pode estar
completamente desestruturada, em um tipo
de arranjo secundário conhecido como ao
acaso.
A Estrutura Terciária é formada
enovelamento da cadeia polipeptídica
caracterizada por apresentar mais de
estrutura secundária. É mantida
interações não covalentes:
as
Nesse caso, cada polipeptídio é enovelado,
sendo denominado de subunidade. Na
estrutura quaternária encontramos duas ou
mais subunidade. As proteínas oligoméricas
(formadas por mais de uma cadeia
peptídica) podem apresentar subunidades
idênticas como ocorre na hexocinase de
levedura, ou subunidades distintas, como é o
caso da hemoglobina (duas cadeias α e duas
cadeias β).
pelo
e é
uma
por
ligações de hidrogênio,
interações apolares (hidrofóbicas),
Assim são as proteínas globulares, com
formas semelhantes a glóbulos enovelados,
ricos em elementos de estrutura secundária.
Podemos encontrar as α-hélices, as dobras e
as folhas β, bem como alças e estruturas ao
acaso em uma mesma proteína.
iônicas (pontes salinas)
van der Walls ou dipolares
Essas interações ocorrem entre as cadeias
laterais. Algumas proteínas (não todas!)
apresentam pontes de dissulfeto (-S-S-), o
que dá uma maior estabilidade à estrutura
terciária.
Proteínas globulares apresentam grande
flexibilidade conformacional, como vimos na
aula presencial, e isso é muito importante
para a função das mesmas. Como a estrutura
é mantida por ligações não covalentes,
sofre efeitos de pH (que altera as pontes
salinas) e de temperatura (que pode levar à
perda completa da estrutura globular,
mantendo a estrutura primária intacta).
A estrutura terciária é característica de cada
proteína e é estudada e determinada através
de estudos de cristalografia de raios X e de
ressonância magnética nuclear.
Um sistema é termodinamicamente mais
estável quando os grupos apolares estão
agregados e distantes do meio aquoso.
Sendo assim, a cadeia peptídica se enovela
de tal forma que as cadeias laterais
hidrofóbicas ficam no interior da estrutura
enquanto que na superfície encontramos
As enzimas são proteínas globulares e,
portanto, têm as características estruturais
apresentadas nesta aula. Vamos ver na aula
seguinte quais são suas propriedades gerais.
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Laboratório de Biocalorimetria
Instituto de Bioquímica Médica
UFRJ
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