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RESUMO As proteínas, além de constituírem o componente celular mais abundante nos seres vivos, são as moléculas mais diversidades quanto a forma e a função. As funções desempenhadas podem ser estruturais ou dinâmicas, são elas: • Composição do esqueleto celular e estruturas de sustentação • Ação enzimática • Contração muscular (actina e miosina) • Ação humoral • Mecanismos de defesa • Controle da atividade dos genes • Transporte de moléculas As proteínas apesar de apresentarem estrutura e funções tão diversas, são sintetizas a partir de 20 monômeros diferentes, os aminoácidos que são combinados de diversas maneiras e sequencias Aminoácidos São compostos que apresentam na sua molécula um grupo amino (-NH2) e um grupo carboxila (-COOH). Os aminoácidos tem uma formula básica comum, no qual os grupos amino e carboxila alfa ao qual também se liga a um átomo de hidrogênio e um grupo variável chamado R As propriedades das cadeias laterais dos aminoácidos (estrutura, tamanho e carga elétrica) influenciam na sua solubilidade em água e são importantes para a conformação e para função das proteínas O carbono alfa de todos os aminoácidos com exceção da glicina (pois o grupo R é hidrogênio), é assimétrico já que está ligado a quatro grupos diferentes – carbono qiral. Em decorrência do arranjo tetraédrico dos orbitais de ligação em volta do carbono quiral, os quatro grupos diferentes podem ocupar dois arranjos espaciais únicos e, portanto, os aminoácidos tem dois estereoisomeros possíveis- D e L. Uma vez que ela é imagem especulares não sobreponíveis uma da outra, as duas formas representam uma classe denominada enantiômeros. Todas as moléculas com um carbono quiral são opticamente ativas ou sejam giram ao plano da luz polarizada. Todas as proteínas encontradas nos seres vivos são formadas de l-aminoácidos, pois enzimas que sintetizam os aminoácidos possuem sítios ativos capazes de sintetizar apenas as formas L dos aminoácidos. Os d-aminoácidos aparecem apenas em certos antibióticos e em peptídeos componentes da parede de algumas bactérias Sítio ativo = Local onde ocorre a reação química catalisada pela enzima. Para todos os compostos quirais, os estereoisômeros com configuração relacionada à do L-gliceraldeído são designados L, e os estereoisômeros relacionados ao D- gliceraldeído foram designados D. Os grupos funcionais de L- alanina são combinados com aqueles de L-gliceraldeído pelo alinhamento daqueles que podem ser Inter convertidos por reações químicas simples, de etapa única. Portanto, o grupo carboxila de L-alanina ocupa a mesma posição ao redor do carbono quiral que o grupo aldeído de L- gliceraldeído, porque um aldeído é prontamente convertido em um grupo carboxila por meio de uma oxidação de etapa única. Ionização de aminoácidos Os aminoácidos tem pelo menos dois grupos ionizáveis, que podem existir na forma protonada (-COOH, -NH³) ou desprotonada (-COO-, -NH²), dependendo do pH do meio em que se encontram. Em ph7, um aminoácido com grupo R não ionizável é dissolvido em água, apresenta uma região carregada positivamente (amina) e outra carregada negativamente (carboxila). Quando uma molécula apresenta duas cargas distintas em duas regiões da sua estrutura, dizemos que essa molécula é um íon dipolar, também chamado de zwitterion. Essas dualidades de cargas fazem com que o aminoácido possa atuar tanto como ácido quanto como base. Qual dos dois comportamentos dependera muito do pH do meio. Em soluções muito acidas, os dois grupos, amina e carboxila, apresentam-se protonados, em pH muito alcalino, ambos se apresentam desprotonados, e em soluções próximas da neutralidade, os aminoácidos apresenta-se como íon dipolar. A conversão entre essas formas do pH do meio é refletida na curva de titulação do aminoácido e permite atuação do aminoácido como tampão. Curva de titulação dos aminoácidos Vamos utilizar a glicina como exemplo haja vista que apresenta um grupo R (-H) não ionizável. Em uma solução com ph ácido, há uma elevada com centração de H+ livres, fazendo com que a glicina se torne completamente protonada pela inserção de um íon H+ à carboxila (-COOH). Enquanto a carboxila recebe os prótons do meio o pH da solução se mantem constante, ou seja, a glicina está atuando como tampão. Se adicionarmos uma base forte como o hidróxido de potássio (KOH), a solução de pH1, ela irá se dissociar, fazendo com que o pH se eleve. Isso ocorre, pois, a hidroxila (OH-) da base atrairá os prótons livres da solução, formando moléculas de água. Desse modo, a concentração de íons H+ tende a diminuir o meio, aumentando o pH Adicionando mais base a este meio, o pH continuará subindo ate alcançar o ponto em que, colocando mais hidróxido de potássio, o pH (ainda ácido) não irá se alterar muito. MOMENTO 1 – Nesse momento o grupo -COOH da glicina começa a perder seu próton para as hidroxilas adicionadas da base. Assim o aminoácido atua como tampão, pois ao perder o hidrogênio da carboxila, impediu que o pH da solução aumentasse muito. Adicionando mais KOH à solução em pHneutro, todas as moléculas de glicina perderão seu hidrogênio da carboxila (encontra-se na forma zwitterion) e o ph da solução voltara a subir rapidamente, ate alcançar um novo estagio em que o pH se mantem. MOMENTO 2 – Isso se deve ao fato de que, com elevação do pH, a concentração dos prótons livres ficou muito baixa e a hidroxilas livres ficaram significamente alta. O grupamento amino da glicina passa a perder seu próton que se junta as hidroxilas provenientes da base, formando água Os pontos observados no meio das regiões em destaque, indicam o pK dos grupamentos carboxila (pK1) e amino (pK2). O pK indica o valor de pH no qual metade desses grupos está protonada e a outra metade está desprotonada. Peptídeos Os aminoácidos podem formar polímeros através de ligação amida do grupo carboxila de um aminoácido com grupo amino de outro. Esta ligação covalente é denominada ligação peptídica, obtida pela liberação de uma molécula de água e resulta na formação de um peptídeo. Tal processo só ilustra uma reação de condensação baseada na desidratação. A ligação peptídica, apesar de ser representada por apenas um traço de ligação, apresenta caráter parcial de dupla ligação (característica intermediarias entre uma ligação simples e um dupla ligação), devido as interações entre duas formas de ressonância. A consequência disso é que não há possibilidade de rotação em torno dela. Assim, os quatros átomos dos grupamentos que participam da ligação peptídica ficam dispostos em um plano rígido, que recebe o nome de grupo peptídico ou unidade peptídica. A cadeia polipeptídica por conter de dois milhares de aminoácidos (mais especificadamente, resíduos de aminoácidos após a perda da molécula de água) • Dipeptídeo: 2 aminoácidos • Tripeptídeo: 3 aminoácidos • Tetrapeptídeo: 4 aminoácidos • Oligopeptídeos (ou apenas peptídeo): de 5 ate 30 • Polipeptídio: > 30 aminoácidos Embora os termos proteína e polipeptídio sejam algumas vezes intercambiáveis, as moléculas chamadas de polipeptídio têm massa moleculares abaixo de 10.000, e as chamadas de proteínas têm massas moleculares mais elevadas. Em um peptídeo, o resíduo de aminoácido na extremidade com um grupo alfa-amino livre é chamado de resíduo aminoterminal (ou N-terminal), o resíduo na outra extremidade que tem um grupo carboxila livre é o resíduo carboxiterminal (ou C-terminal) O comportamento ácido básico de um peptídeo pode ser visto a partir de seus grupos alfa-amino e alfa-carboxila livres combinado com a natureza e o numero dos seus grupos R ionizáveis. As proteínas podem ser formadas por uma ou mais cadeias polipeptídicas,contem geralmente, mais de 50 aminoácidos e apresentam todos os20 tipos de aminoácidos, com poucas exceções Cada proteína apresenta uma estrutura espacial definida e característica. O arranjo espacial dos átomos em uma proteína é chamado de conformação A proteína tende a sempre assumir conformação energeticamente mais favorável nas condições celulares, que ela possa assumir sem a quebra de suas ligações covalentes. Esta conformação, entretanto, não é permanentemente fixa e, muitas vezes, alterações transitórias da estrutura estão relacionadas com a função desempenhada pela proteína. Proteínas dobradas em qualquer uma de suas conformações funcionais, são chamadas de proteínas nativas. As proteínas podem ser classificadas quanto ao arranjo estrutural: • Proteína monomérica: apresenta uma cadeia polipeptídica • Proteína multimerica: caracterizada pela associação de cadeias polipeptídicas (monômeros) ➢ Homomultimerica: possui um tipo de cadeia ➢ Heteromultimérica: possui dois ou mais tipos de cadeias. Estrutura das proteínas A organização espacial das proteínas é resultanto dos tipos de aminoácidos que compõem e de como eles estão dispostos uns em relação aos outros. Sua composição tem um efeito profundo sobre as propriedades físicos e químicas. A enorme diversidade de proteínas deve as diferentes composições e tamanhos que elas podem apresentar, bem como as modificações pos-traducionais (após a tradução, processo de síntese de uma proteína a partir da sequencia de RNA.) que elas podem sofrer no meio intracelular. Síntese proteica (contextualizando) A síntese proteica é o processo de formação das proteínas. Esse processo é realizado por estruturas denominadas de ribossomos, presentes tanto em células procarióticas quanto eucarióticas. Na molécula de DNA (ácido desoxirribonucleico) estão contidas todas as informações genéticas do indivíduo, assim, para que a síntese de uma determinada proteína seja realizada, é necessário que a região específica do DNA onde está contida essa informação seja decodificada. Nesse processo ocorre a transcrição dos nucleotídeos dessa região em uma molécula de RNA (ácido ribonucleico), que irá direcionar a síntese proteica em um processo denominado de tradução. Molécula de RNA que carrega essa informação é a RNAm. Como ocorre a síntese proteica ? • Iniciação da tradução ➢ Nessa etapa ocorre a união das duas subunidades do ribossomo com o RNAm e RNAt, este trazendo o primeiro aminoácido da cadeia polipeptídica. • Alongamento da cadeia polipeptídica ➢ Durante essa etapa, os demais aminoácidos que compõem a cadeia polipeptídica são adicionados. O anticódon do RNAt pareia-se com o RNAm no sítio A. O RNAr (RNA ribossômico) catalisa a formação da ligação peptídica entre o novo aminoácido e a cadeia em formação. O polipeptídio é separado do RNAt presente no sítio P e ligado ao aminoácido do RNAt do sítio A. O RNAt presente no sítio P é deslocado ao sítio E retirado, em seguida, do ribossomo, enquanto o RNAt do sítio A é deslocado ao sítio P. O RNAm também é deslocado no ribossomo e leva ao sítio A o próximo códon a ser traduzido, dando sequência ao processo até a identificação do códon de término. • Termina da tradução ➢ Após a identificação do códon de término, uma proteína, chamada de fator de término, liga-se a esse códon induzindo a ligação de uma molécula de água na porção final da cadeia, fazendo com que ocorra a quebra da ligação entre o peptídeo e o RNAt presente no sítio P. O peptídeo formado é então liberado através do túnel de término presente na subunidade maior do ribossomo. Após esse processo, as cadeias polipeptídicas formadas podem passar por diferentes processos de transformação, de modo a tornar essas proteínas funcionais. Estrutura primaria da proteína É a sequência de aminoácidos ao longo da cadeia polipeptídica que é determinada geneticamente, sendo especifica para cada proteína. Por convenção, a estrutura primaria é escrita na direção aminoterminal: carboxiterminal. A função da proteína depende de sua sequencia primaria. Qualquer alteração nela, gera uma proteína diferente que pode até perder sua função biológica A sequencia primaria de uma proteína é determinada pela sequencia de bases nitrogenadas do DNA. Alterações de determinados aminoácidos em uma proteína (geradas por mutações no DNA) podem acarretar perda da função desta, ao passo que alterações em outros sítios da proteína podem https://www.biologianet.com/biologia-celular/dna.htm https://www.biologianet.com/biologia-celular/rna.htm não ser nocivas, ao contrário são boas medidas para estabelecer relações filogenéticas entre as espécies. O que são proteínas homólogas? São aquelas que se relacionam evolutivamente. Em geral, realizam a mesma função em espécies diferentes. Com isso, podemos concluir que sua sequência primária não pode variar muito. Ou, pelo menos, não pode haver troca dos aminoácidos que estejam mais diretamente relacionados com a função específica da proteína. Assim, a taxa de mutação de uma determina proteína depende da extensão em que a mudança afeta a sua função. Estrutura secundaria A estrutura secundaria de uma proteína refere-se a uma estrutura local da cadeia polipeptídica. Essa estrutura é determinada por ligações de hidrogênio entre o oxigênio do grupo carboxila de uma ligação peptídica e o hidrogênio azídico de outra ligação peptídica vizinha. A formação da estrutura enovelada de uma proteína se dá pelo aumento da entropia a partir do encobrimento de suas superfícies hidrofóbicas. Além disso é importante que os grupos polares presentes na proteína possuam pares adequados para estabelecer ligações de hidrogênio ou interações iônicas. A ausência das ligações de hidrogênio pode desestabilizar a proteína. Há dois tipos de estrutura secundária: a α-hélice e a folha β-pregueada Alfa hélice Cadeia polipeptídica retorcida em torno de um eixo imaginário longitudinal que passa pelo centro da hélice, com os grupos R voltados para a face externa da hélice. Essa estrutura otimiza o uso das ligações de hidrogênio que se dispõem paralelamente ao longo do eixo da hélice. A α – hélice apresenta as cadeias laterais dos resíduos de aminoácidos projetadas para fora do eixo da espiral, já que muitos deles são volumosos e, por esta razão, dificilmente se ajustariam ao interior da hélice. Cada hidrogênio do grupamento amino de um resíduo de aminoácido está ligado através de uma ligação de hidrogênio ao oxigênio do grupamento carboxila de uma ligação peptídica distante quatro resíduos na mesma cadeia. A manutenção da estrutura da hélice é garantida, ainda, pelas interações de Van der Walls que acontecem em seu interior, fazendo com que esta região seja bastante empacotada. Há, em média, 3,6 resíduos de aminoácidos por volta da hélice, e a hélice enrola- -se para a direita (sentido horário) em quase todas as proteínas. Interações de Van der Walls são interações fracas estabelecidas entre dois átomos que se aproximam muito um do outro. Cada átomo apresenta uma nuvem de elétrons que influencia o átomo vizinho, atraindo-o ou repelindo-o. Nem todos os polipeptídios podem formar uma α – hélice estável. Cada resíduo de aminoácido em um polipeptídio tem uma propensão intrínseca a formar essa hélice, consequência das propriedades dos seus grupos R e como elas interferem na capacidade de seus átomos de conexão da cadeia principal em aceitar os ângulos características da espiral. Por exemplo, se uma cadeia polipeptídica possui uma longa sequência de resíduos de Glutamato (aminoácido polar carregado negativamente em pH 7), esse segmento não irá formar uma α – hélice em pH 7. Os grupos carboxílicos carregados negativamente, dos resíduos de glutamato adjacentes repelem-se mutuamentede forma tão forte que impedem a formação da hélice. Da mesma forma, se existem muitos resíduos com grupos R carregados positivamente em pH 7, eles também se repelem. A prolina e a glicina são aminoácidos caracterizados por impedir a formação da α – hélice. A prolina é má formadora dessa estrutura porque possui seu átomo de nitrogênio como parte de um anel, o que impossibilita que a ligação N – Cα gire para formar uma espiral. Além disso, por conta das características química da estrutura da prolina, o nitrogênio da prolina envolvido neste anel não dispõe de hidrogênios para formar ligações de hidrogênio necessárias à formação de uma hélice. Enquanto isso, a glicina também não funciona bem na formação de α – hélices devido à sua grande flexibilidade. Por ser um aminoácido pequeno (o menor deles), a glicina apresenta grande mobilidade no espaço, o que desestabiliza essa organização. Somente as estruturas conhecidas como voltas – β permitem que as glicinas se movimentem mais livremente e concentram grandes quantidades deste aminoácido. Folha – beta pregueada As cadeias polipeptídicas estendem- -se em uma estrutura em zigue-zague e podem ser dispostas lado a lado, formando uma estrutura que se assemelha a uma série de pregas. São caracterizadas por ligações de hidrogênio formadas entre os segmentos adjacentes da cadeia polipeptídica de forma perpendicular ao eixo das cadeias e pelos grupos R projetados em direções opostas (90° em relação ao plano da folha). Essa organização confere bastante estabilidade e um certo grau de rigidez ao polipeptídio. As cadeias adjacentes em uma folha - β podem ser paralelas ou antiparalelas. Toda vez que uma proteína se dobrar de forma que a extremidade carboxila esteja orientada no mesmo sentido da extremidade amino, teremos uma folha paralela. Quando os grupos aminoterminal e carboxila terminal estiverem em sentidos opostos, estaremos diante de uma folha antiparalela. A volta - β refere-se ao segmento do polipeptídio onde ocorre uma inversão abrupta de direção. Podem estar presente entre duas α – hélices, conectando uma α – hélice a uma cadeia da folha - β ou, ainda, conectando duas cadeias polipeptídicas para formar a folha - β. Resíduos de glicina e de prolina estão presentes frequentemente nas voltas - β na superfície das proteínas globulares. Estrutura terciaria Corresponde ao arranjo biologicamente ativo tridimensional total de todos os átomos de uma proteína, incluindo aspectos envolvendo distância mais longas dentro da sequência de aminoácidos. Desse modo, aminoácidos que estão distantes e que residem em diferentes tipos de estruturas secundárias podem interagir no interior de uma estrutura totalmente enovelada. As ligações entre os resíduos mais distantes para a manutenção dos dobramentos da estrutura terciária ocorrem pode meio de interações fracas não - covalentes: • Ligações de hidrogênio: estabelecidas entre grupos R de aminoácidos polares com ou sem cargas. Naturalmente, não apresentam um padrão regular de disposição ao contrario do que ocorre na estrutura secundaria • Interações hidrofóbicas: formadas entre cadeias laterais hidrofóbicas dos aminoácidos apolares. Não interagem com água, determinando uma retração das moléculas de água do seu redor. Naturalmente, os grupos hidrofóbicos aproximam-se da molécula proteica, reduzindo a área apolar exposta ao solvente. São interações mais importantes para manutenção da conformação espacial das proteínas, dado o grande número de aminoácidos hidrofóbicos. • Ligações eletrostáticas ou iônicas: incluem interações de grupos com cargas opostas. Tem importância fundamental para o dobramento da cadeia polipeptídica quando ocorrem no interior apolar da proteína. Porém, esta não é uma situação muito frequente, pois a maioria dos grupos carregados de uma proteína localizam-se na sua superfície , estabelecendo interações íon-di-polo com água. Assim forma-se uma camada organizada em volta da molécula proteica, a camada de solvatação. Além dessas interações, os dobra mentos de uma cadeia polipeptídica podem ser estabilizados por uma ligação covalente chama de ponte dissulfeto ( - S – S - ), formada entre dois resíduos de cisteína por uma reação de oxidação. São raramente encontradas em proteínas intracelulares, provavelmente devido à presença de altas concentrações citoplasmáticas de glutationa, que rompem estas ligações. A maioria das proteínas contém do pontes dissulfeto localizam-se na superfície celular ou são secretadas para o meio extracelular. Muitas vezes, pode-se distinguir na estrutura terciária de uma proteína monomérica ou das subunidades componentes de uma polimérica, regiões diferenciadas independentemente estáveis ou que podem se movimentar como uma entidade isolada, chamadas domínios. Cada domínio tem uma organização espacial compacta, com o interior hidrofóbico e a superfície externa polar. Geralmente, longas cadeias polipeptídicas (+ de 200 resíduos de aminoácidos) são as que se dobram em dois ou mais domínios. O grau de interação entre domínios pode variar desde domínios independentes, ligados por um segmento flexível, ou domínios separados por uma fenda estreita, até os que estabelecem contato íntimo. Em qualquer um dos casos, os domínios podem movimentar-se, uns em relação aos outros. Esta flexibilidade é fundamental para que a proteína possa se ligar eficientemente a outros compostos. Estrutura quaternária Arranjo de duas ou mais cadeias polipeptídicas (que podem ser idênticas ou diferentes) em complexos tridimensionais para compor uma proteína funcional oligomérica. É mantida por ligações não covalentes entre as subunidades, dos mesmos tipos que mantêm a estrutura terciária. Se a proteína tiver: • Dímero: duas subunidades • Trimero: três subunidades • Tetrâmero: quatro subunidades • Pentâmero: cinco subunidades Assim por diante. OBS.: Proteína oligomérica = apresenta várias subunidades. Nem todas as proteínas alcançam o nível quaternário de organização. Muitas proteínas se apresentam na forma monomérica, isto é, com apenas uma subunidade, como a mioglobina. de acordo com estruturas mais complexas, pode-se classificar as estruturas quartearias em: • Proteína fibrosas: tem propriedades que conferem resistência mecânica, flexidade e suporte as estruturas nas quais são encontradas desempenhando um papel basicamente estrutural nos sistemas biológicos. Essas proteínas possuem cadeias polipeptídicas arranjadas em feixes, constituindo tipicamente um único tipo de estrutura secundaria, além de serem insolúveis em água, devido a elevada ocorrência de aminoácidos hidrofóbicos tanto na parte externa como interna da proteína. Tipos principais - Alfa queratina - Beta-queratina - Colágeno • Proteínas globulares: apesar de proteínas fibrosas terem só um tipo de estrutura secundaria, as proteínas globulares podem ter diversos tipos de estrutura secundaria em uma mesma molécula. São estruturas muito compactas que as conformações alfa e beta. Dentre as proteínas globulares presentes em nosso organismo, as principais são a hemoglobina e a mioglobina, moléculas especializadas no transporte de gases para os tecidos. A hemoglobina está contida no interior das células transportadoras de gases, as hemácias, onde sua principal função é transportar oxigênio dos pulmões aos capilares dos tecidos. Sua principal molécula, a hemoglobina A, é um heterotetrâmero composto por 2 cadeias α e duas cadeias β, associadas sobretudo por interações não - covalentes. Além disso, há quatro grupos hemes, cada um ligado a uma destas subunidades. Dessa forma, a hemoglobina transporta quatro moléculas de oxigênio de cada vez. Mioglobina A mioglobina é uma proteínacomposta por uma única cadeia, que contém 153 aminoácidos, apenas uma molécula de heme e oito α – hélices. Presente no coração e no músculo esquelético, atua armazenando e transportando oxigênio apenas entre as células musculares. O interior da molécula de mioglobina é constituído quase que completamente por aminoácidos apolares, estabilizados por interações hidrofóbicas. Em contras te, os aminoácidos com carga estão localizados quase exclusivamente na superfície da molécula, onde podem formar pontes de hidrogênio entre si e com a água. Estruturas supersecundaria É um padrão de enovelamento identificável, envolvendo dois ou mais elementos da estrutura secundarias e a conexão (ou conexões) entre eles. Um motivo pode ser muito simples, tal como dois elementos de estruturas secundário dobrados um sobre o outro e representa apenas uma pequena parte de uma proteína. Um exemplo é uma alça beta-alfa-beta. Um motivo também pode ter uma estrutura bem elaborada, envolvendo muitos segmentos proteicos dobrados juntos, como o barril beta. Desnaturação das proteínas A desnaturação corresponde à perda de estrutura tridimensional, suficiente para causar a perda da função, por meio da quebra de ligações não-covalentes. Esse processo pode ser resultante de diferenças nas condições presentes no interior das células. Dentre os fatores envolvidos nas desnaturações estão: • Calor: afeta as interações fracas com efeitos complexos. Se a temperatura eleva lentamente, a conformação, geralmente, permanece intacta ate que haja, em uma estreita faixa de temperatura, uma perda abrupta da estrutura – processo cooperativo. • pH: alterações externas alteram a carga liquida da proteína, causando repulsão eletrostática e rompimento de algumas ligações de hidrogênio. Alguns solutos, solventes orgânicos e detergente podem causar alterações distintas porem brandas haja vista que nenhuma ligação covalente é rompida. A adição de solventes orgânicos polares e de compostos com grande capacidade de formar ligações de hidrogênio, como a ureia, determina a desnaturação da proteína. Estes últimos agentes estabelecem ligações de hidrogênio com radicais da proteína, substituindo ligações que mantinham a estrutura nativa, e os solventes orgânicos por diminuírem a constante dielétrica do meio. Após a volta para um ambiente “neutro” adequado, certas proteínas são capazes de reassumir suas estruturas nativas e atividades biológicas no processo de renaturação.