PROTEÍNAS CONCEITO GERAL As proteínas são as moléculas orgânicas mais abundantes e importantes nas células e perfazem 50% ou mais de seu peso seco. São encontradas em todas as partes de todas as células, uma vez que são fundamentais sob todos os aspectos da estrutura e função celulares. Existem muitas espécies diferentes de proteínas, cada uma especializada para uma função biológica diversa. Além disso, a maior parte da informação genética é expressa pelas proteínas. Pertencem à classe dos peptídeos, pois são formadas por aminoácidos ligados entre si por ligações peptídicas. Uma ligação peptídica é a união do grupo amino (-NH 2 ) de um aminoácido com o grupo carboxila (-COOH) de outro aminoácido, através da formação de uma amida. São os constituintes básicos da vida: tanto que seu nome deriva da palavra grega "proteios", que significa "em primeiro lugar". Nos animais, as proteínas correspondem a cerca de 80% do peso dos músculos desidratados, cerca de 70% da pele e 90% do sangue seco. Mesmo nos vegetais as proteínas estão presentes. A importância das proteínas, entretanto, está relacionada com suas funções no organismo, e não com sua quantidade. Todas as enzimas conhecidas, por exemplo, são proteínas; muitas vezes, as enzimas existem em porções muito pequenas. Mesmo assim, estas substâncias catalisam todas as reações metabólicas e capacitam aos organismos a construção de outras moléculas - proteínas, ácidos nucléicos, carboidratos e lipídios - que são necessárias para a vida. COMPOSIÇÃO Todas contêm carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio, e quase todas contêm enxofre. Algumas proteínas contêm elementos adicionais, particularmente fósforo, ferro, zinco e cobre. Seu peso molecular é extremamente elevado. Todas as proteínas, independentemente de sua função ou espécie de origem, são construídas a partir de um conjunto básico de vinte aminoácidos, arranjados em várias seqüências específicas. FUNÇÃO Elas exercem funções diversas, como: - Catalisadores; - Elementos estruturais (colágeno) e sistemas contráteis; - Armazenamento(ferritina); - Veículos de transporte (hemoglobina); - Hormônios; - Anti-infecciosas (imunoglobulina); - Enzimáticas (lipases); - Nutricional (caseína); - Agentes protetores. Devido as proteínas exercerem uma grande variedade de funções na célula, estas podem ser divididas em dois grandes grupos: - Dinâmicas - Transporte, defesa, catálise de reações, controle do metabolismo e contração, por exemplo; - Estruturais - Proteínas como o colágeno e elastina, por exemplo, que promovem a sustentação estrutural da célula e dos tecidos. CLASSIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS Quanto a Composição: - Proteínas Simples - Por hidrólise liberam apenas aminoácidos. - Proteínas Conjugadas - Por hidrólise liberam aminoácidos mais um radical não peptídico, denominado grupo prostético. Ex: metaloproteínas, hemeproteínas, lipoproteínas, glicoproteínas, etc. Quanto ao Número de Cadeias Polipeptídicas: - Proteínas Monoméricas - Formadas por apenas uma cadeia polipeptídica. - Proteínas Oligoméricas - Formadas por mais de uma cadeia polipeptídica; São as proteínas de estrutura e função mais complexas. Quanto à Forma: - Proteínas Fibrosas - Na sua maioria, as proteínas fibrosas são insolúveis nos solventes aquosos e possuem pesos moleculares muito elevados. São formadas geralmente por longas moléculas mais ou menos retilíneas e paralelas ao eixo da fibra. A esta categoria pertencem as proteínas de estrutura, como colágeno do tecido conjuntivo, as queratinas dos cabelos, as esclerotinas do tegumento dos artrópodes, a conchiolina das conchas dos moluscos, ou ainda a fribrina do soro sanguíneo ou a miosina dos músculos. Algumas proteínas fibrosas, porém, possuem uma estrutura diferente, como as tubulinas, que são formadas por múltiplas subunidades globulares dispostas helicoidalmente. - Proteínas Globulares - De estrutura espacial mais complexa, são mais ou menos esféricas. São geralmente solúveis nos solventes aquosos e os seus pesos moleculares situam-se entre 10.000 e vários milhões. Nesta categoria situam-se as proteínas ativas como os enzimas, transportadores como a hemoglobina, etc. Esquemas de proteínas globulares e fibrosas ORGANIZAÇÃO ESTRUTURAL DAS PROTEÍNAS As proteínas possuem complexas estruturas espaciais, que podem ser organizadas em quatro níveis, crescentes em complexidade: 1 - Estrutura Primária - Dada pela seqüência de aminoácidos e ligações peptídicas da molécula. - É o nível estrutural mais simples e mais importante, pois dele deriva todo o arranjo espacial da molécula. - A estrutura primária da proteína resulta em uma longa cadeia de aminoácidos semelhante a um "colar de contas", com uma extremidade "amino terminal" e uma extremidade "carboxi terminal". - A estrutura primária de uma proteína é destruída por hidrólise química ou enzimática das ligações peptídicas, com liberação de peptídeos menores e aminoácidos livres. - Sua estrutura é somente a seqüência dos aminoácidos, sem se preocupar com a orientação espacial da molécula. Fórmulas estruturais de amino ácidos alanina glutamina ácido amino butírico serina arginina asparagina fenilalanina ácido aspártico ácido cisteína glutâmico glicina leucina histidina homocisteína valina lisina serina metionina tirosina norvalina triptofano 2 - Estrutura Secundária - É dada pelo arranjo espacial de aminoácidos próximos entre si na seqüência primária da proteína. - É o último nível de organização das proteínas fibrosas, mais simples estruturalmente. - Ocorre graças à possibilidade de rotação das ligações entre os carbonos a dos aminoácidos e seus grupamentos amina e carboxila. - O arranjo secundário de um polipeptídeo pode ocorrer de forma regular; isso acontece quando os ângulos das ligações entre carbonos a e seus ligantes são iguais e se repetem ao longo de um segmento da molécula. 3 - Estrutura Terciária - Dada pelo arranjo espacial de aminoácidos distantes entre si na seqüência polipeptídica. - É a forma tridimensional como a proteína se "enrola". - Ocorre nas proteínas globulares, mais complexas estrutural e funcionalmente. - Cadeias polipeptídicas muito longas podem se organizar em domínios, regiões com estruturas terciárias semi-independentes ligadas entre si por segmentos lineares da cadeia polipeptídica. - Os domínios são considerados as unidades funcionais e de estrutura tridimensional de uma proteína. 4 - Estrutura Quaternária - Surge apenas nas proteínas oligoméricas. - Dada pela distribuição espacial de mais de uma cadeia polipeptídica no espaço, as subunidades da molécula. - Estas subunidades se mantém unidas por forças covalentes, como pontes dissulfeto, e ligações não covalentes, como pontes de hidrogênio, interações hidrofóbicas, etc. - As subunidades podem atuar de forma independente ou cooperativamente no desempenho da função bioquímica da proteína. AMINOÁCIDOS CARACTERÍSTICAS GERAIS - São as unidades fundamentais das proteínas. - Todas as proteínas são formadas a partir da ligação em seqüência de apenas 20 aminoácidos. - Existem, além destes 20 aminoácidos principais, alguns aminoácidos especiais, que só aparecem em alguns tipos de proteínas. Os aminoácidos que intervêm na composição das proteínas (existem outros) são número de 20 e obedecem à estrutura geral representada na figura abaixo: ESTRUTURA QUÍMICA GERAL - Os 20 aminoácidos possuem características estruturais em comum, tais como: A presença de um carbono central, quase sempre assimétrico. Ligados a este carbono central, um grupamento carboxila, um grupamento amina e um átomo de hidrogênio. O quarto ligante é um radical chamado genericamente de "R", responsável pela diferenciação entre os 20 aminoácidos. É a cadeia lateral dos aminoácidos. É o radical "R" quem define uma série de características dos aminoácidos, tais como polaridade e grau de ionização em solução aquosa. Aluna Amanda Santos Silva Matrícula 2006190546 Introdução A estrutura tridimensional e a função de uma proteína são dependentes da seqüência de cadeias laterais dos aminoácidos na cadeia polipeptídica. As cadeias laterais dos aminoácidos podem ser divididas em diversas classes diferentes de acordo com suas propriedades físicoquímicas. Nesta seção, as principais propriedades dos 20 diferentes aminoácidos encontrados comumente nas estruturas das proteínas serão revisadas. Ao longo desta página serão apresentadas várias fórmulas estruturais de aminoácidos. O diagrama acima apresenta os códigos de cores usados para representar os átomos da estrutura destes aminoácidos. Nas fórmulas estruturais apresentadas, os hidrogênios serão omitidos por motivo de clareza e por que eles usualmente não podem ser observados na maior parte das estruturas de proteínas determinadas por difração de raio X. Os grupamentos carboxílicos dos aminoácido serão representados como carbonilas (C=O), a forma encontrada nos polipeptídeos. C (carbono); N (nitrogênio); O (oxigênio); S (enxofre). Aminoácidos com cadeias laterais hidrofóbicas - cadeias alifáticas Existem quatro aminoácidos nesta classe, como apresentado abaixo. Suas cadeias laterais consistem de grupamentos não polares do tipo metil ou metileno. Estes aminoácidos são usualmente localizados no interior da proteína devido a sua natureza hidrofóbica. Como pode ser observado, todas estas cadeias laterais, exceto a da alanina, são bifurcadas. No caso da Val e da Ile abifurcação é próxima a cadeia principal e pode, portanto, restringir a conformação da cadeia peptídica por impedimento estérico. No diagrama abaixo os átomos vermelhos e azuis estão presentes, respectivamente, nos grupamentos amino e carboxílico ligados ao carbono alfa. Aminoácidos com cadeias laterais hidrofóbicas - cadeias aromáticas Dos três aminoácidos pertencentes a esta classe, apenas a fenilalanina é inteiramente não polar. O grupamento fenólico da cadeia lateral da tirosina possui uma hidroxila substituinte e o triptofano possui um átomo de nitrogênio no anel indol. Estes resíduos são quase sempre encontrados mergulhados no interior hidrofóbico das proteínas, pelo fato de serem de natureza predominantemente não polar. Contudo, os átomos polares da tirosina e do triptofano permitem que pontes de hidrogênio sejam feitas com outros resíduos ou mesmo com moléculas de solvente. Aminoácidos com cadeias laterais polares não carregadas Como pode ser observado na figura abaixo, existe alguns aminoácido que possuem uma cadeia alifática pequena contendo grupos polares que não podem ser ionizar prontamente. Serina e treonina possuem grupamentos hidroxila em suas cadeias laterais e, como estes grupamentos polares estão próximos a cadeia principal eles podem formar ponte de hidrogênio com ela, influenciando na conformação local do polipeptídeo. De fato, resíduos como a serina e asparagina são conhecidos por adotarem conformações que a maioria dos outros aminoácidos não podem adotar. O aminoácidos asparagina e glutamina possuem grupamentos amida em suas cadeias laterais que são usualmente ligadas por ponte de hidrogênio em qualquer lugar que elas ocorram no interior de uma proteína. Nesta classe existem dois aminoácidos que contém enxofre (cisteína e metionina) que são em grande parte de característica não polar. A metionina, de fato, poderia ser razoavelmente classificada como um resíduo hidrofóbico, pois ela está sempre associada ao centro hidrofóbico de proteínas. A cisteína tem a propriedade única de ser capaz de formar uma ligação cruzada covalente com outro resíduos de cisteína da proteína. Esta ponte dissulfeto consiste de ligações -S-S- sendo formada entre resíduos de cisteína espacialmente adjacentes. A grande força coesiva de certas proteínas, como a queratina presente no casco de tartaruga, pode ser atribuída a um grande número destas ligações que ela contem. Pontes dissulfeto são sensíveis a agentes redutores, que convertem os dois átomos de enxofre de volta a sua forma -S-H original. Cisteínas freqüentemente ocorrem em sítios ligadores de metal, devido ao fato de seus átomos de enxofre poderem formar ligações covalentes dativas com certos íons metálicos. Serina e cisteína freqüentemente desempenham um papel catalítico em centros ativos de enzimas. Aminoácidos com cadeias laterais polares carregadas - ácidas Dois aminoácidos, aspartato e glutamato, possuem grupamentos carboxílicos em suas cadeias laterais e são, portanto, negativamente carregados em pH fisiológico (ao redor de pH 7,0). A forte natureza polar destes resíduos implica em que eles são freqüentemente encontrados na superfície de proteínas globulares onde eles podem interagir favoravelmente com as moléculas do solvente. Estes resíduos podem também realizar interações eletrostáticas com aminoácidos carregados positivamente. Aspartato e glutamato também podem assumir papel catalítico no sítio ativo de enzimas e são conhecidos por sua propriedade de ligação com íons metálicos. Aminoácidos com cadeias laterais polares carregadas - básicas Dos aminoácidos com cadeias laterais básicas, a histidina possui o mais baixo pKa (por volta de 6) e é, portanto, neutro no pH fisiológico. Este aminoácido ocorre muito freqüentemente em centros ativos de enzimas, devido ao fato dele poder funcionar eficientemente em catálise ácidobase. Ela também pode aturar como ligadora de metal em numerosas famílias de proteínas. Lisina e arginina são mais fortemente básicas e são positivamente carregadas em torno do pH fisiológico. Elas são geralmente solvatadas, mas ocasionalmente podem ser encontradas no interior de proteínas onde elas são usualmente envolvidas em interações eletrostáticas com grupamentos negativamente carregados, tais como Asp ou Glu. Lisina e arginina desempenham importantes papéis em proteínas ligadoras de anions, como as histonas, pelo fato de elas poderem interagir eletrostaticamente com moléculas de carga negativa neste caso específico, como o DNA. Resíduos Conformacionalmente Importantes Glicina e prolina são aminoácidos com propriedades especiais no sentido de que eles exercem grande influência na conformação da cadeia peptídica. A glicina possui a cadeia lateral formada por apenas um higrogênio e, portanto, pode adotar conformações que são estericamente proibidas aos outros aminoácidos, conferindo um alto grau de flexibilidade local ao peptídeo. Por isso, resíduos de glicina são freqüentemente encontrados em regiões de voltas ("turns") das proteínas, na qual o esqueleto peptídico tem que fazer uma curva fechada. Este aminoácido ocorre de forma abundante em certas proteínas fibrosas - a sua flexibilidade e pequeno tamanho permite que cadeias peptídicas adjacentes se associem intimamente. Em contraste, a prolina é o mais rígido dos vinte aminoácidos que ocorrem naturalmente na estrutura de proteínas por que sua cadeia lateral é covalentemente ligada com o nitrogênio da cadeia principal. A desnaturação é um processo que se dá em moléculas biológicas, principalmente proteínas, expostas a condições diferentes àquelas em que foram produzidas, como variações de temperatura, mudanças de pH, força iônica, entre outras. A proteína perde a sua estrutura tridimensional e, portanto, as suas propriedades. Este processo pode ser irreversível. Dois exemplos simples de desnaturação ocorrem: Ao pingar gotas de limão no leite, o pH é alterado, causando a desnaturação das proteínas, que se precipitam na forma de coalho (Cf.queijo). Ao cozer um ovo. O calor modifica irreversivelmente a clara, que é formada pela proteína albumina e água. A desnaturação também atinge enzimas, que realizam funções vitais no corpo. Por isso que os médicos preucupam-se antes em baixar a febre do que descobrir a causa, pois a alta temperatura pode destruir enzimas de funçoes vitais, como as enzimas que auxiliam no processo respirátorio (transporte de substãncia via hemoglobina). Estrutura (diferenças entre hemoglobina e na mioglobina) Figura 2 - Formação da estrutura quaternária da hemoglobina ( http://www.biocristalografia.df.ibilce.unesp.br/xtal/texto_hb.php ) Comparação da sequência de aminoácidos na hemoglobina e na mioglobina Foi recentemente concluído que a evolução relacionada com os membros das famílias das proteínas pode ser deduzido por observação e comparação das sequências equivalentes. Esta aproximação baseia-se no facto de que as sequências mais semelhantes tenham tido menos tempo evolutivo para divergir do que aquelas que apresentam mais diferenças. Os estudos efectuados permitiram a construção da árvore de evolução em que o comprimento de cada ramo que liga cada par de proteínas é proporcional ao número de aminoácidos que diferem em ambas as sequências. Figura 3 -Sequência de aminoácidos da hemoglobina humana (cadeia α) e mioglobina humana Figura 4 - Comparação da sequência de aminoácidos da hemoglobina humana (cadeia α) e mioglobina humana Hemoglobina é constituída por quatro cadeias polipeptídicas. A hemoglobina dos vertebrados, o transportador de oxigénio nas hemácias, é constituída por quatro cadeias polipeptídicas, duas de um tipo, e duas de outro. As quatro são mantidas juntas por ligações não covalentes. Cada uma contém um grupo heme e um só centro de ligação ao oxigénio. A hemoglobina A, a principal dos adultos, é constituída por duas cadeias alfa (α) e duas beta (β). Uma outra hemoglobina nos adultos (cerca de 2% da hemoglobina total) é a hemoglobina A 2, na qual as cadeias β são substituídas por cadeias delta (δ). Sendo assim, a composição da hemoglobina A é α2 β2 e da hemoglobina A2 é α2δ2. Os embriões e fetos apresentam hemoglobinas diferentes. Logo após a concepção, os embriões sintetizam cadeias zeta (ξ), que são cadeias do tipo α; e cadeias épsilon (ε), que são do tipo (β). No decurso do desenvolvimento, ξ é trocado por α, e ε é trocado por gama (γ) e depois por β. A principal hemoglobina durante os dois terços terminais da vida fetal é a hemoglobina F, cuja composição em sub-unidades é α2γ2. As cadeias α e ξ contém 141 aminoácidos e as cadeias β, γ e δ contém 146. Logo, a hemoglobina consiste em vários polipéptideos que diferem entre si. As interacções das subunidades determinam a capacidade da hemoglobina de transportar O2, CO2 e H+, atendendo às condições fisiológicas. Figura 5 - Estrutura quaternária da hemoglobina A estrutura quaternária da hemoglobina muda acentuadamente pela oxigenação A hemoglobina pode ser dissociada nas cadeias que a constituem. As propriedades da cadeia α isolada são muito parecidas com as da mioglobina. A cadeia α, por si só, tem uma grande afinidade para o oxigénio. As cadeias β isoladas associam-se para formar um tetrâmero (β4). Da mesma forma que a cadeia α e que a mioglobina, β4 não tem as propriedades alostéricas da hemoglobina, e tem uma alta afinidade pelo oxigénio. As propriedades alostéricas da hemoglobina surgem de interacções entre as suas subunidades. A unidade funcional da hemoglobina é um tetrâmero que consiste em dois tipos de cadeias polipeptídicas. Em 1938, Félix Haurowitz descobriu que cristais de desoxi-hemoglobina se fragmentavam quando eram expostos ao oxigénio. Os cristais de desoximioglobina, por outro lado, ligam-se e libertam oxigénio sem alteração da sua forma. A fragmentação dos cristais da hemoglobina sugeriu que a proteína passa por uma mudança conformacional importante quando se liga ao O2. de facto, estudos de cristalografia com raios X mostraram qua a oxi e a desoxi-hemoglobina diferem acentuadamente nas suas estruturas quaternárias. A molécula oxigenada é mais compacta. A estrutura quaternária da desoxihemoglobina é chamada de forma T (Tensa), a da oxi-hemoglobina é chamada de forma R (relaxada). O Ferro Move-se em Direcção ao Plano do Heme Quando o Oxigénio se Liga Na mioglobina não oxigenada, o ferro do heme situa-se cerca de 0,03 nm (0,3 Ǻ) fora do plano do anel, na direcção de His F8. Na mioglobina oxigenada, uma molécula de oxigénio ocupa a sexta posição de coordenação do átomo de ferro que, então, se situa apenas a cerca de 0,01 nm (0,1 Ǻ) fora do plano do heme. A oxigenação da hemoglobina é, portanto, acompanhada pelo movimento do átomo de ferro e, consequentemente, pelo movimento de His F8 e os resíduos ligados covalentemente a His F8, em direcção ao plano do anel. Este movimento gera uma nova conformação das porções da proteína. Figura 6 - Transição da hemoglobina da forma T para a forma R Ao contrário da mioglobina, a hemoglobina é uma proteína tetramérica Ao contrário da mioglobina, que não apresenta estrutura quaternária, as hemoglobinas são proteínas tetraméricas, consistindo de pares de 2 polipeptídeos diferentes ou unidades monoméricas (denominadas ą, ß, γ ...). Não obstante similares nos seus comprimentos, os polipeptídeos ą (141 resíduos) e ß (146 resíduos) da hemoglobina A (HbA), são codificados por diferentes genes e apresentam diferentes estruturas primárias. Em contraste, as estruturas primárias, ß, γ, δ das cadeias polipeptídicas das hemoglobinas humanas conservaram firmemente as suas estruturas primárias. As estruturas tetraméricas das hemoglobinas comuns são: HbA (hemoglobina normal adulto) = ą, 2ß2 ,HbF (hemoglobina fetal) = ą,2γ2 HbS (hemoglobina da célula falciforme) = ą,2S2 e HbA2 (hemoglobina adulta “minor”) = ą,2δ2. Figura 7 - Comparação entre mioglobina e hemoglobina As estruturas secundárias e terciárias da mioglobina e das subunidades β da Hemoglobina são quase idênticas Embora ocorram diferenças no tipo e número de aminoácidos presentes na mioglobina e no polipeptídeo β das HbA, apresentam as estruturas secundárias e terciárias quase idênticas. Essa notável semelhança, que se estende à localização do grupo heme e à região das 8 hélices, resulta, em parte, da substituição de aminoácidos de propriedades análogas em pontos equivalentes nas estruturas primárias da mioglobina e da subunidade β da HbA. Além disso, o polipeptídeo β assemelha-se muito à mioglobina, apesar de possuir 7 regiões em hélice em vez de 8. Como no caso da mioglobina, os resíduos hidrofóbicos são internos e (com excepção dos 2 resíduos de Hys por subunidade) os resíduos hidrofílicos estão na superfície das subunidades α e β da HbA. Figura 8 - Mioglobina e Sub-unidade β da Hemoglobina ( http://www.iq.usp.br/wwwdocentes/chsfarah/Aula_Chuck_3.ppt ) O 2,3-Difosfoglicerato (DPG) estabiliza a estrutura T da hemoglobina Nos tecidos periféricos, a deficiência de oxigénio determina uma acumulação de 2,3- difosfoglicerato (DPG). Este composto é formado de um intermediário glicolítico, o 1,2-difosfoglicerato. Uma molécula de DPG liga-se à hemoglobina tetramérica, numa cavidade central, formada pelas 4 subunidades. A cavidade central tem tamanho suficiente para acomodar o DPG somente quando o espaço entre as hélices da cadeia β é suficientemente largo, isto é, quando a hemoglobina está na sua forma T. O DPG está ligado por pontes salinas entre os seus átomos de oxigénio e ambas as cadeias beta via resíduos de amino, grupos N-terminais (Val NA1), Lys EF6 e His H21. Assim, o DPG estabiliza a forma T, a forma desoxigenada, da hemoglobina, por ligação cruzada das cadeias beta, e contribui, adicionalmente, para a formação de pontes salinas, que devem ser rompidas para que a forma T se “transforme” na forma R da hemoglobina. O DPG liga-se com menor afinidade à hemoglobina fetal, do que à adulta, porque o resíduo H21, da cadeia gama da hemoglobina fetal é a serina em vez da His que não pode participar na formação da ponte salina (que mantém o DPG na cavidade central). Portanto, o DPG tem um efeito menos pronunciado na estabilidade da forma T da hemoglobina fetal e é responsável pela maior afinidade que a hemoglobina fetal apresenta para o oxigénio quando comparada com a hemoglobina do adulto. (saber mais...) O indicador da transição entre as formas R e T da hemoglobina é o movimento do ferro para dentro e para fora do anel porfirínico. Factores estéricos e electrostáticos regulam a iniciação com uma energia livre de 3000 calorias por mol. Assim, a mudança mínima da posição do Fe2- em relação ao anel porfirínico induz significativa mudança na conformação da hemoglobina e produz efeitos cruciais nas suas funções biológicas, em resposta a factores externos.