2.4 Estrutura das proteínas

Leucina 19 8 6

Isoleucina 10 6 8

Metionina 2 2 3

Prolina 9 2 4

Fenilalanina 6 3 3

Triptofano 8 6 1

Serina 28 10 2

Treonina 23 7 7

Asparagina 15 13 5

Glutamina 10 3 2

Tirosina 4 3 5

Cisteína 10 8 2

Lisina 14 6 18

Arginina 4 11 2

Histidina 2 1 3

Aspartato 8 8 3

Glutamato 5 2 8

Total 245 129 104

 

As proteínas são classificadas como globulares ou fibrosas, segundo sua forma. As proteínas globulares apresentam uma ou mais cadeias polipeptídicas organizadas em uma forma final aproximadamente esférica; são geralmente solúveis e desempenham funções dinâmicas. As proteínas fibrosas têm forma alongada, são geralmente insolúveis e desempenham um papel basicamente estrutural nos sistemas biológicos.

 

2.4 Estrutura das proteínas

A sequência de aminoácidos determina a estrutura espacial da proteína

A organização espacial 1 da proteína é resultante do tipo de aminoácidos que a compõem e de como eles estão dispostos uns em relação aos outros. A sequência dos aminoácidos irá determinar o tipo de interação possível entre as cadeias laterais, que apresentam características de carga, volume e reatividade com a água muito variáveis. A organização tridimensional de uma proteína, desde a sequência de aminoácidos, passando pelo enrolamento da cadeia polipeptídica até a associação de várias cadeias, pode ser descrita em níveis estruturais de complexidade crescente.

Nesta seção, as estruturas tridimensionais descritas referem-se às proteínas globulares.

 

A estrutura das proteínas pode ser descrita em quatro níveis

A estrutura primária é a sequência de aminoácidos da cadeia polipeptídica, determinada geneticamente e específica para cada proteína. Por convenção, a estrutura primária é escrita na direção amino terminal → carboxila terminal. Exemplificando, os peptídios Ala-Ser-Lys e Lys-Ser-Ala são diferentes, porque, no primeiro caso é o grupo amino da alanina que

está livre e, no segundo caso, o da lisina2.

A estrutura secundária descreve as estruturas tridimensionais regulares, formadas por segmentos da cadeia polipeptídica. Duas organizações são particularmente estáveis: o enrolamento da cadeia ao redor de um eixo e a interação lateral de segmentos de uma cadeia polipeptídica ou de cadeias diferentes. Estas conformações são denominadas, respectivamente, α-hélice e folha β pregueada. A extensão do segmento da cadeia polipeptídica que se organiza nessas duas configurações pode variar de alguns a dezenas de aminoácidos, conforme a proteína. A α-

hélice e a folha β pregueada estabilizam-se por ligações de hidrogênio3 entre o nitrogênio e o oxigênio dos grupos – NH e – C = O, constituintes das unidades peptídicas. Embora a ligação de hidrogênio seja uma interação fraca, o elevado número destas ligações confere grande estabilidade a essas estruturas.

A α-hélice é mantida por ligações de hidrogênio formadas entre uma unidade peptídica e a quarta unidade peptídica subsequente; estas ligações dispõem-se paralelamente ao eixo da hélice. A α-hélice tem um passo de

0,54 nm e apresenta 3,6 resíduos de aminoácidos por volta (Figura 2.5). As cadeias laterais dos aminoácidos estão projetadas para fora da hélice e, evidentemente, não participam das pontes de hidrogênio, estabelecidas unicamente entre os grupamentos das unidades peptídicas. Por esta razão, muitas sequências diferentes de aminoácidos podem adotar esta configuração e sua estabilidade independe do tipo de cadeia lateral, mas até certo ponto — certas sequências de aminoácidos não podem organizar-se em α-hélice. Isto ocorre, por exemplo, quando a cadeia polipeptídica contém vários aminoácidos adjacentes de mesma carga, que se repelem fortemente. Assim, polilisina em solução a pH 7 não forma α-hélice, pois apresenta as cadeias laterais carregadas positivamente; em pH 12, contudo, a maioria das cadeias laterais está desprotonada e a polilisina forma α-hélice espontaneamente. A prolina, quando participa da ligação peptídica, não apresenta o átomo de hidrogênio no grupo imino e, portanto, não pode formar ligação de hidrogênio — este aminoácido é geralmente encontrado entre segmentos em α-hélice.

A folhaβpregueada ou conformaçãoβ é uma estrutura também mantida por ligações de hidrogênio entre as unidades peptídicas. Neste caso, entretanto, as ligações são estabelecidas entre cadeias polipeptídicas diferentes ou entre segmentos distantes de uma mesma cadeia. Na folha β pregueada, as cadeias apresentam uma conformação maisdistendida que na α-hélice e dispõem-se lado a lado, o que atribui a essa estrutura o aspecto de uma folha de papel pregueada. As ligações de hidrogênio são perpendiculares ao eixo das cadeias, e os grupos R dos aminoácidos

projetam-se para cima e para baixo do plano da folha pregueada (Figura

2.6).

Figura 2.5 Modelo da α-hélice: a cadeia polipeptídica forma uma espiral, estabilizada por pontes de H entre os grupos – C = O e – NH das ligações peptídicas. As cadeias laterais dos resíduos de aminoácidos dispõem-se no exterior da hélice. (Adaptada de Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL, Darnell J: Molecular Cell Biology, 5th ed. W. H. Freeman and Company, 2004.)

 

Os dois tipos principais de estruturas secundárias regulares (α-hélice e folha β pregueada) ocorrem nas proteínas em proporções muito diversas. Um exemplo extremo é a mioglobina — uma proteína de músculo transportadora de oxigênio — que apresenta cerca de 80% da cadeia polipeptídica organizada em α-hélice. Sua molécula é formada por oito segmentos em α-hélice, separados por trechos sem estrutura regular, que permitem o dobramento da cadeia (“cotovelos”), alguns deles resultantes da

presença de prolina (Figura 2.7). No outro extremo aparecem proteínas

como a concanavalina A4, que tem alto conteúdo de folha β pregueada e

não forma α-hélice (Figura 2.8). A maioria das proteínas exibe os dois tipos

de estrutura secundária, como acontece com a toxina diftérica (Figura 2.9), produzida por uma bactéria que infecta o trato respiratório superior de seres humanos.

Cada proteína tem um conteúdo próprio de α-hélice e de folha β pregueada, determinado pela sua estrutura primária. No entanto, um exemplo dramático e excepcional de alteração da estrutura de proteínas acontece no caso do príon (do inglês prion, derivado de proteinaceous infectious particle). Trata-se de uma partícula infecciosa constituída apenas de proteína — diferindo, portanto, dos agentes infecciosos conhecidos, capazes de se replicar porque contêm DNA ou RNA, como protozoários, bactérias e vírus —, responsável por encefalopatias transmissíveis em mamíferos. Alguns exemplos são: encefalopatia espongiforme bovina (doença da vaca louca), scrapie, uma moléstia semelhante que afeta ovelhas e a doença de Creutzfeldt-Jakob, em seres humanos. A incidência da moléstia no rebanho bovino atingiu proporções epidêmicas na Inglaterra na década de 1990, devido ao hábito de alimentar o gado com rações preparadas com carne e ossos derivados, inadvertidamente, de animais infectados. Estes animais apresentavam parte das moléculas da proteína PrP (de Prion Protein) com estrutura alterada; esta proteína, na sua forma normal, ocorre no cérebro de animais sadios e sua função ainda é desconhecida. As moléculas modificadas da proteína PrP são os príons, capazes de converter a proteína PrP normal em novos príons. As mudanças consistem em aumento do conteúdo de folha β pregueada e redução daquele de α-hélice, além de agregação das moléculas. Resultam os sintomas característicos — disfunções motoras e extensa degeneração do tecido nervoso — e a morte do animal infectado. A transmissão das encefalopatias causadas por príons ocorre interespécies, como ficou demonstrado com a identificação de uma variante da doença de Creutzfeldt-Jakob, uma moléstia de ocorrência rara, em seres humanos que consumiram a carne de gado infectado. Outras doenças neurodegenerativas mais comuns, como as doenças de Alzheimer e Parkinson, estão igualmente associadas a agregados de proteínas anormais.

Figura 2.6 Folha β pregueada. a) Esquema de parte da molécula de uma proteína — os segmentos da cadeia polipeptídica com este tipo de estrutura secundária são simbolizados por setas onduladas que apontam na direção amino terminal → carboxila terminal. b) Representação plana dos dobramentos da cadeia polipeptídica e da disposição paralela dos diversos segmentos que, associados por ligações de H intracadeia, formam a folha β pregueada. c) Detalhamento mostrando os grupos que estabelecem as ligações de H. Não estão representadas as cadeias laterais dos aminoácidos.

Figura 2.7 Modelos da mioglobina mostrando: os diversos trechos em α-hélice (representados por espirais), alternados por segmentos desenrolados (a); os dobramentos da cadeia da mioglobina, onde as esferas representam o carbono α dos resíduos de aminoácidos (b). A cadeia polipeptídica liga-se

 

ao grupo heme — vermelho em (a) e preto em (b) —, descrito no Capítulo

3.

Figura 2.9 Estrutura da toxina diftérica, que apresenta segmentos em α-hélice, em folha β pregueada e sem estrutura regular, organizados em três domínios, representados em cores diferentes.

 

Figura 2.8 Concanavalina A, uma proteína que se organiza, predominantemente, em folha β pregueada.

 

A estrutura terciária descreve o dobramento final da cadeia polipeptídica por interação de regiões com estrutura regular (α-hélice ou folha β pregueada) ou de regiões sem estrutura definida. Neste nível de

organização (Figuras 2.7 a 2.9), segmentos distantes da estrutura primária podem se aproximar e interagir, por intermédio de ligações não covalentes entre as cadeias laterais dos resíduos de aminoácidos. Estas ligações são consideradas fracas (4 a 30 kJ ⋅ mol–1), quando comparadas a ligações covalentes (200 kJ ⋅ mol–1). Como ocorre com as ligações de hidrogênio da estrutura secundária, é o grande número de ligações individualmente fracas que permite a manutenção dos dobramentos da estrutura terciária das

proteínas. Estas ligações podem ser de diferentes tipos (Figura 2.10): ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas, ligações iônicas ou salinas e forças de van der Waals.

— Ligações de hidrogênio. Estabelecidas entre grupos R de

aminoácidos polares com ou sem carga. Por exemplo, serina e treonina, que apresentam grupo hidroxila, podem formar ligações de hidrogênio com asparagina ou glutamina, que apresentam grupo carbonila. As ligações de hidrogênio da estrutura terciária, naturalmente, não apresentam um padrão regular de disposição, ao contrário do que ocorre com as ligações de hidrogênio da estrutura secundária, com as quais não devem ser confundidas.

— Interações hidrofóbicas. Formadas entre as cadeias laterais

hidrofóbicas dos aminoácidos apolares. Estas cadeias não interagem com a água e aproximam-se, reduzindo a área apolar exposta ao solvente. As interações hidrofóbicas não resultam de qualquer atração entre os grupos apolares, mas são consequência da presença da molécula proteica no ambiente aquoso celular — a maioria das cadeias hidrofóbicas localiza-se no interior da molécula proteica. As interações hidrofóbicas são as mais importantes para a manutenção da conformação espacial das proteínas, dado o grande número (nove) de aminoácidos hidrofóbicos.

— Ligações iônicas ou salinas. Incluem interações de grupos com

cargas opostas, como os presentes nos aminoácidos básicos (lisina, arginina e histidina) e ácidos (aspartato e glutamato). A energia de formação das ligações iônicas tem magnitude semelhante à das ligações dos grupos iônicos com a água, não contribuindo, portanto, para a conformação da molécula proteica quando estão localizados na sua superfície. Estas ligações, entretanto, têm importância fundamental para o dobramento da cadeia polipeptídica quando ocorrem no interior apolar da proteína. Todavia, esta situação não é muito frequente: a maioria dos grupos carregados de uma proteína localiza-se em sua superfície, estabelecendo interações íon-dipolo com a água, que forma uma camada organizada em volta da molécula proteica, a camada de solvatação.

— Forças de van der Waals. São a resultante das forças de atração e

repulsão entre partes de moléculas. Inclui as forças entre dipolos permanentes e dipolos induzidos, encontrados nas cadeias laterais

dos aminoácidos.

 

Figura 2.10 Ligações da estrutura terciária de uma proteína globular: ligações não covalentes — ligações de hidrogênio (1), interações hidrofóbicas (2) e ligações iônicas (3) — e uma ligação covalente, a ponte dissulfeto (6). Estão mostradas, ainda, as ligações iônicas entre cadeias laterais dos aminoácidos com carga e dipolos da água (4, 5).

Além das ligações não covalentes, a estrutura proteica pode ser

estabilizada por uma ligação covalente (Figura 2.10), a ponte dissulfeto (– S – S –), formada entre dois resíduos de cisteína por uma reação de oxidação catalisada por enzimas específicas. Pontes dissulfeto são raramente encontradas em proteínas intracelulares, sendo mais frequentes em proteínas secretadas para o meio extracelular. Este é o caso da insulina, que

apresenta três pontes dissulfeto (Figura 19.10 — Seção 19.4).

 

Figura 2.11 A estrutura quaternária da hemoglobina consiste na associação de duas cadeias α e duas cadeias β, cada uma associada a um grupo heme (em vermelho).

 

A estrutura quaternária descreve a associação de duas ou mais cadeias polipeptídicas (subunidades), para compor uma proteína funcional. A estrutura quaternária é mantida geralmente por ligações não covalentes entre as subunidades, dos mesmos tipos que mantêm a estrutura terciária. As subunidades que constituem uma proteína podem ser iguais ou diferentes. A molécula de hemoglobina, por exemplo, é formada por quatro cadeias polipeptídicas, iguais duas a duas, chamadas α e β, associadas sobretudo por interações hidrofóbicas, com contribuição menor de ligações

de hidrogênio e interações eletrostáticas (Figura 2.11).

 

A estrutura terciária pode conter domínios e motivos

A estrutura terciária pode apresentar padrões de elementos estruturais, que se repetem em proteínas diferentes, chamados de domínios e motivos.

Domínios são regiões diferenciadas da molécula proteica, com organização espacial compacta; cada domínio é um conjunto estrutural definido, formado por dobramentos da cadeia polipeptídica. Geralmente, cadeias polipeptídicas longas, com centenas de resíduos de aminoácidos, são as que se organizam em domínios.

O grau de interação entre domínios pode variar desde domínios ligados

por um segmento flexível da cadeia polipeptídica (Figura 2.9), até aqueles que estabelecem um contato muito íntimo, separados apenas por uma fenda estreita. Em qualquer um dos casos, os domínios podem movimentar-se, uns em relação aos outros. Esta flexibilidade é fundamental para que a molécula de proteína possa ligar-se eficientemente a outros compostos. Em muitas enzimas, a ligação com a molécula de substrato ocorre em fendas situadas entre domínios; estes se aproximam, encaixando o substrato na

molécula da enzima (Figura 5.4, Seção 5.1).

Os domínios frequentemente desempenham ações específicas; em inúmeras reações do metabolismo, o substrato liga-se a um dos domínios da enzima e a coenzima a outro. Em proteínas diferentes, domínios com a mesma função têm estruturas semelhantes, o que permite prever a atividade de uma proteína desconhecida a partir do conhecimento de seus domínios.

Motivos são diferentes formas de organização de elementos da estrutura secundária de proteínas globulares. Cada motivo tem um padrão de dobramento característico, que envolve interação entre segmentos da cadeia polipeptídica em α-hélice e/ou folha β pregueada. Os mesmos motivos se repetem em proteínas de origens muito diferentes.

Os motivos podem ser constituídos por arranjos de α-hélices, folhas β pregueadas ou por combinações das duas. Numerosos receptores da superfície celular, por exemplo, são compostos por sete α-hélices que

atravessam a membrana plasmática (Figura 2.12); são responsáveis por receber os sinais que iniciam o processo de transdução, envolvido em fenômenos tão diversos quanto a visão, o paladar, o olfato e a atividade

hormonal (Seção 19.3). Outro motivo complexo, chamado β barril, resulta da associação de numerosos segmentos em folha β pregueada. É encontrado

na família das porinas (Figura 2.13), que formam canais na membrana externa de bactérias gram-negativas e de mitocôndrias, destinados ao transporte de íons e moléculas pequenas, como nucleosídios ou açúcares.