Introdução à Bioquímica/Constituintes estruturais dos sistemas vivos/Aminoácidos e proteínas/Proteínas

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Proteínas

As proteínas são um dos constituintes básicos dos organismos, sendo uma das classes de moléculas mais estudadas em Bioquímica. As proteínas fazem parte de maquinaria celular responsável pelo funcionamento da célula. Muitas proteínas são enzimas, ou seja, têm capacidade de catalisar reacções bioquímicas. Outras têm um papel estrutural ou mecânico, como as que fazem parte do citoesqueleto ou de poros em membranas. As proteínas são polímeros (cadeias) não ramificados de aminoácidos ligados entre si por ligações peptídicas, podendo ser constituídas por um ou mais de tais polímeros.

O papel e a importância das proteínas

Esquema de uma membrana celular, apresentando diferentes tipos de proteínas (entre outros componentes). 1: fosfolípido; 2: colesterol; 3: glicolípido; 4: açúcar; 5: proteína transmembranar; 6: glicoproteína integral; 7: proteína integral ancorada por um fosfolípido; 8: glicoproteína membranar periférica. Proteínas associadas a membranas são normalmente transportadoras ou transdutoras de sinais.

As proteínas são uma classe fundamental de moléculas em Biologia. Estão presentes em todas as formas de vida na Terra, sendo responsáveis pela maioria dos processos mais complexos que tornam a vida possível. e são o principal constituinte estrutural dos seres vivos. De acordo com o dogma central da Biologia Molecular, proposto em 1958 por Francis Crick, a informação hereditária, contida no DNA, é passada de DNA para o RNA e deste para as proteínas. Assim, o DNA é responsável por armazenar a informação necessária para a síntese de proteínas e o RNA toma o papel de transferir essa informação do DNA para a maquinaria de tradução nos ribossomas, onde ocorre a montagem das cadeias polipeptídicas.

Praticamente todos as complexas reacções químicas que ocorrem em sistemas vivos são catalisadas por proteínas denominadas enzimas. Como catalistas que são, as enzimas aumentam a velocidade de reacções químicas sem alterar o seu equilíbrio, possibilitando a existência de reacções na célula que de outra forma seriam demasiado lentas para sustentar processos biológicos. Um grupo de moléculas biológicas, as ribozimas, possuem também alguma capacidade catalítica, mas não são constituídas por proteína, sendo antes moléculas de RNA. A maioria do esqueleto que sustenta e mantém a integridade celular é constituído por proteínas.

Existem proteínas envolvidas na transmissão e transdução de sinal do ambiente extracelular para o interior da célula, proteínas que assistem na duplicação do material genético, proteínas envolvidas na transformação da energia da luz em energia química e desta em energia mecânica e proteínas que transportam moléculas entre compartimentos celulares, entre células e até entre diferentes partes de um organismo. São também importantes reservas de azoto nos organismos, estando todo o metabolismo do azoto ligado ao metabolismo dos aminoácidos.

Por outro lado, as proteínas não são capazes de se replicar de forma autónoma, nem são boas reservas de energia química (este papel é desenrolado pelos glícidos e lípidos). Embora façam parte de estruturas como membranas, as proteínas não são por si só capazes das funções de uma membrana lipídica. São capazes, no entanto, de formar uma capa proteica em vírus.

As proteínas como polímeros de aminoácidos

As proteínas são compostas por um ou mais polímeros lineares de aminoácidos ligados entre si por ligações peptídicas. Este tipo de ligação amida resulta da reacção de condensação entre um grupo carboxílico alfa de um aminoácido e o grupo amina alfa de outro aminoácido (estes grupos estão ligados ao carbono-α dos respectivos aminoácidos). A cada cadeia pode chamar-se também de péptido. Polímeros de pequenas dimensões (tipicamente com menos de vinte aminoácidos) são denominados oligopéptidos; em geral, uma cadeia simples mais ou menos longa de aminoácidos é denominada polipéptido, pelo que as designações "proteína" e "polipéptido" são muitas vezes usadas sem diferenciação.

Por serem cadeias não ramificadas, os polipéptidos têm numa extremidade um grupo amina que não se encontra envolvido numa ligação peptídica e na outra extremidade um carboxilato nas mesmas condições. A primeira extremidade é então denominada N-terminal e a segunda C-terminal. A sequência pela qual se encontram ligados os aminoácidos é denominada estrutura primária da proteína, mas é mais vulgarmente conhecida apenas por sequência de aminoácidos. Por convenção, estes são numerados começando no N-terminal, o que reflecte a forma como os polipéptidos são sintetizados na célula (também começando no N-terminal).

Como os aminoácidos perdem alguns átomos aquando da formação da ligação peptídica, é usual denominar estes de resíduos de aminoácidos (ou simplesmente resíduos) desde o momento em que fazem parte de uma cadeia polipeptídica.

As cadeias laterais dos aminoácidos são quimicamente muito variáveis, podendo ser polares ou apolares, ionizáveis ou não, tendo diversos tamanhos e níveis de complexidade. Os milhões de possibilidades de combinação de diferentes aminoácidos que uma proteína pode ter explica a complexidade e versatilidade das proteínas em geral.

Diferentes níveis estruturais

Estrutura da proteína pilina, da bactéria Neisseria gonorrhoeae, mostrando uma longa hélice alfa (lado direito da imagem) e diversas folhas beta, em conformação antiparalela (do lado esquerdo).

As proteínas possuem diferentes tipos de estrutura, além da já mencionada estrutura primária. A sequência de aminoácidos pode organizar-se espacialmente em domínios, sendo esta organização denominada estrutura secundária. Os principais tipos de estrutura secundária são hélices alfa e folhas beta; além destas podem referir-se os random coils (zonas desordenadas) e as beta turn (ligações entre folhas beta).

As hélices alfa são troços de polipéptido com uma forma em hélice em que as cadeia de aminoácidos apontam para o exterior dessa hélice. Este tipo de estrutura é estabilizado pela existência de múltiplas ligações de hidrogénio no interior da hélice. Uma concentração relativamente alta de glicinas no polipéptido tende a forçar a existência de hélices alfa.

A estrutura em folha beta é formada por sequências do polipéptido que se empilham em camadas, havendo uma estabilização desta estrutura também através de ligações de hidrogénio. As folhas podem ter uma conformação em paralelo se se encontrarem na mesma direcção N-terminal—C-terminal ou em antiparalelo se se empilharem em sentidos opostos. As beta turns ligam duas folhas beta com quatro aminoácidos numa conformação definida.

Um random coil é uma zona da proteína que não tem uma estrutura secundária definida.

As proteínas adquirem a sua estrutura final (enrolamento ou folding, a estrutura terciária) de forma espontânea de modo a adquirir uma configuração de energia mínima. In vivo, existem algumas proteínas (denominadas "chaperones") que ajudam neste enrolamento nalguns casos, em especial quando uma proteína é muito complexa e tende a tomar enrolamentos errados; no entanto, a maioria das proteínas enrola-se de forma correcta espontaneamente. É a estrutura primária da proteína que determina o seu enrolamento final. Este enrolamento pode demorar alguns milissegundos.

Devido à enorme complexidade provocada pela existência de inúmeros aminoácidos de natureza química diversa, é difícil prever como uma proteína se enrolará. Existem curtas sequências de aminoácidos que se repetem em diferentes proteínas e que são ou podem ser conhecidos estruturalmente, podendo prever-se como se encontrarão noutras proteínas; estas sequências são denominadas motivos. Um dos maiores problemas em Biologia Molecular é saber se uma proteína pode ser produzida com um enrolamento correcto ou não.

As proteínas podem perder a sua estrutura se postas em condições químicas adversas, como pH extremos, ambientes hidrofóbicos, altas concentrações de sais ou altas temperaturas. Este processo é denominado desnaturação. Uma proteína desnaturada não tem uma estrutura definida e tende a agregar-se em massas insolúveis, especialmente se se encontrar numa concentração relativamente elevada. Um exemplo comum de desnaturação ocorre quando um ovo é cozinhado: o branqueamento e solidificação da clara do ovo é devido à desnaturação de proteínas (em particular da albumina) nela contida. Neste caso, o processo é irreversível, ou seja, as proteínas não voltam à sua configuração inicial, mas nem sempre este é o caso: muitas proteínas renaturam quando colocadas num ambiente adequado à formação da sua estrutura.

Pode também falar-se em estrutura quaternária de uma proteína quando se refere à presença de múltiplas cadeias polipeptídicas numa só proteína. Neste caso, diversos (dois ou mais) polipéptidos enrolam-se formando uma proteína. O enrolamento de mais de uma cadeia numa estrutura é estabilizado pela presença de ligações químicas intermoleculares, em particular ligações dissulfureto, que ligam as diferentes cadeias numa só unidade.

A importância da estrutura das proteínas

De uma forma geral, a função de uma proteína é determinada pela sua estrutura. Macromoléculas como o DNA, que não efectuam muitas funções diferentes, têm pouca diversidade estrutural. As proteínas têm uma diversidade estrutural muito maior, que se reflecte nas múltiplas funções que assumem em sistemas vivos. A manutenção de uma estrutura é vital para o funcionamento correcto da proteína, existindo por isso situações patológicas associadas a maus enrolamentos da estrutura de determinadas proteínas. As enzimas têm de ter uma conformação espacial tal que possam reconhecer o seu substrato, havendo necessidade de uma complementaridade espacial para uma eficiente catálise. Proteínas estruturais como o colagénio têm de sofrer stress mecânico e ainda assim serem capazes de manter uma matriz regular onde as células podem aderir e proliferar. Proteínas com funções motoras têm de ser capazes de converter energia química em movimento de uma forma precisa, como no caso de poros membranares que regulam a entrada e saída de iões da célula.

Modificações pós-traducionais

Muitas proteínas sofrem modificações após a sua síntese dentro da célula. Estas são provocadas por modificações químicas nas cadeias laterais de alguns resíduos de aminoácidos. As mais comuns são:

• oxidação,
• acilação,
• glicosilação,
• metilação.

Representação esquemática da estrutura de um anticorpo. As diferentes cadeias são ligadas entre si por ligações dissulfureto (linhas vermelhas).

A modificação de cadeias laterais pode conferir propriedades específicas a proteínas tais como a capacidade de reconhecer outras moléculas ou de se integrar na membrana plasmática.

Ligações dissulfureto

As ligações dissulfureto formam-se entre os átomos de enxofre de dois resíduos de cisteína. Esta ligação resulta da oxidação dos grupos sulfidrilo das cisteínas, que resulta numa ligação covalente entre os átomos de enxofre (-S-S-). Estas ligações dificilmente se formam na superfície e uma proteína porque existem muitas substâncias de natureza redutora no citoplasma. São importantes na manutenção da estrutura de uma proteína, podendo ocorrer entre cisteínas de uma mesma ou de diferentes cadeias polipeptídicas.

Em algumas enzimas, a formação e redução de ligações dissulfureto tem grande importância na sua actividade biológica.