Estrutura Tridimensional das Proteínas

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Introdução
Na década de 1920, várias proteínas já haviam sido cristalizadas. A disposição ordenada das moléculas em um cristal indica que as unidades moleculares são idênticas. Assim, as proteínas deveriam ter estrutura singular, o que revolucionou o modo de pensar sobre as proteínas e suas funções.
A estrutura tridimensional das proteínas é determinada por sua sequência de aminoácidos e a função da proteína depende de sua estrutura, que é singular (ou quase) para cada proteína. Esta estrutura é estabilizada principalmente por interações não-covalentes. As estruturas proteicas podem ser agrupadas em alguns padrões estruturais comuns.
A relação entre a sequência de aminoácidos de uma proteína e sua estrutura tridimensional é um quebra-cabeça intricado, que está sendo gradualmente resolvido com as técnicas usadas na bioquímica moderna. Podemos descobrir e compreender os padrões dentro do labirinto bioquímico da estrutura proteica, aplicando os princípios fundamentais da bioquímica e da física.
A estrutura tridimensional da proteína
O esqueleto covalente das proteínas possui um elevado número de ligações em torno das quais é possível rotação, resultando num enorme número de conformações moleculares. A maioria das proteínas biológicas possui uma estrutura tridimensional bem definida, chamada estrutura nativa, que corresponde a um pequeníssimo conjunto dentro de todas as possíveis conformações.
A estrutura nativa é estabilizada por interações fracas (não-covalentes), sendo apenas marginalmente estável
Princípios fundamentais para a compreensão da estrutura nativa das proteínas:
a) A ligação peptídica é rígida e planar
b) Os resíduos hidrofóbicos preferem o interior não polar das proteínas
c) O número de ligação de hidrogénio na proteína é maximizado
À sequência de aminoácidos que acaba por originar uma proteína, dá-se o nome de estrutura primária. Esta estrutura é mantida pela ligação peptídica (covalente) entre os resíduos de aminoácidos. A estrutura é determinada pelo código genético no DNA. A estrutura primária da proteína determina sua estrutura tridimensional, enquanto essa determina sua função.
Essa estrutura é extremamente importante, porque dela dependem as funções biológicas das proteínas. Assim, em uma grande sequência de aminoácidos, a troca de um deles por outro pode comprometer seriamente a atividade proteica. 
Figura 1 – Estrutura primária da proteína
Fonte: http://www.fcfar.unesp.br/alimentos/bioquimica/imagens/estrutura_primaria.GIF
Propriedades estruturais da ligação peptídica
A ligação peptídica apresenta interações de ressonância que lhe conferem um caráter de 40% ligação dupla. O efeito de ressonância favorece a conformação planar da ligação peptídica.
Figura 2 – Efeito de ressonância
Fonte: http://w3.ualg.pt/~pmartel/cadeiras/bq-mieb/aula3.pdf
A conformação cis da ligação peptídica é estericamente menos favorável e muito mais raramente observada em proteínas.
Figura 3 – Conformação cis
Fonte: http://w3.ualg.pt/~pmartel/cadeiras/bq-mieb/aula3.pdf
A cadeia polipeptídica é formada por uma sucessão de planos peptídicos. Os ângulos de torsão (fi) e (psi) descrevem a orientação relativa dos planos peptídicos. Certos valores de (fi) e (psi) não são possíveis, pois provocam interferência estérica.
A estrutura secundária da proteína
O termo estrutura secundária refere-se à conformação local de alguma porção de um polipeptídio. Alguns tipos de estrutura secundária são particularmente estáveis e frequentemente encontrados nas proteínas. No caso particular das proteínas, este termo é geralmente usado para descrever os padrões regulares da geometria local da cadeia polipeptídica, tais como hélices, folhas e voltas (turns). A estrutura da hélice αe da folha βforam corretamente deduzidas por Pauling e Corey em 1951, ainda antes de se ter conseguido determinar a estrutura de uma proteína com detalhe atômico.
Figura 4 - hélice α e folha β
Fonte: http://w3.ualg.pt/~pmartel/cadeiras/bq-mieb/aula3.pdf
A hélice α
O arranjo mais simples que uma cadeia polipeptídica pode assumir com suas ligações peptídicas rígidas (mas com as demais ligações simples livres para rotação) é uma estrutura helicoidal, a que Pauling e Corey denominaram de α-hélice. Nessa estrutura, a cadeia polipeptídica é fortemente retorcida em torno de um eixo imaginário longitudinal que passa pelo centro da hélice. De forma mais geral, cerca de um quarto de todos os resíduos de aminoácidos nos polipeptídios é encontrado em α-hélice; a proporção exata varia de uma proteína para outra.
Por que a α-hélice se forma mais facilmente do que outras possíveis conformações? A resposta é, em partes, porque a α-hélice otimiza o uso das ligações de hidrogênio internas. A estrutura é estabilizada por uma ligação de hidrogênio entre o átomo de hidrogênio ligado ao átomo de nitrogênio eletronegativo de uma ligação peptídica e o oxigênio eletronegativo do grupo carboxila do quarto aminoácido na extremidade aminoterminal dessa ligação peptídica. Na α-hélice todas as ligações peptídicas (exceto as próximas de cada uma das extremidades da hélice) participam dessas ligações de hidrogênio. Cada passo sucessivo da α-hélice é unido aos passos adjacentes por três ou quatro ligações de hidrogênio. Todas as ligações de hidrogênio combinadas fornecem uma considerável estabilidade à estrutura helicoidal. 
Figura 5 – Estrutura da α- hélice
Fonte: http://3.bp.blogspot.com/-ccKqCMrjrGA/UvJ4o3BUivI/AAAAAAAAABI/lJU3eE-k8JM/s1600/Proteine_helice_alpha1.gif
Há um método simples para determinar se uma estrutura helicoidal é orientada à esquerda ou à direita. Feche os dedos de suas mãos, exceto os polegares que deverão apontar para cima. A mão direita estará indicando uma hélice, com os dedos fechados mostrando uma rotação anti-horária no sentido do polegar direito (para cima). Essa hélice será orientada à direita. A mão esquerda mostra uma hélice orientada à esquerda, que gira no sentido horário, à medida que se dirige para cima, em direção ao polegar esquerdo.
Nem todos os polipeptídios podem formar uma -hélice estável. Interações entre cadeias laterais de resíduos de aminoácidos podem desestabilizar esta estrutura. Por exemplo, grande bloco de resíduos glutamina (repulsão entre grupos negativamente carregados), lisina e/ou arginina (repulsão entre grupos positivamente carregados), asparagina, serina, treonina e cisteína (grupos muito volumosos), prolina (forma um anel rígido que desestabiliza a -hélice), glicina (muito flexível).
Cinco tipos distintos de restrições afetam a estabilidade de uma -hélice: (1) a interação eletrostática entre grupos R carregados, (2) o volume dos grupos R adjacentes, (3) as interações entre as cadeias laterais de resíduos de aminoácidos espaçados entre si por três ou quatro resíduos, (4) a ocorrência de resíduos de prolina ou glicina, (5) a interação entre os resíduos de aminoácidos nas extremidades do segmento helicoidal e o dipolo elétrico inerente a uma -hélice.
A folha β
Pauling e Corey predisseram um segundo tipo de estrutura repetitiva, a conformação β. Esta é uma conformação mais estendida das cadeias polipeptídicas, e sua estrutura foi confirmada por analise de raio-X. Na conformação β a cadeia polipeptídica estende-se em uma estrutura em ziguezague. As cadeias polipeptídicas em ziguezague podem ser dispostas lado a lado, para formar uma estrutura que se assemelha a uma série de pregas. Nesse arranjo, denominado folha β, as ligações de hidrogênio são formadas entre os segmentos adjacentes da cadeia peptídica. Os grupos R de resíduos adjacentes projetam-se em direções opostas a partir da estrutura em ziguezague, criando um padrão alternado. As cadeias polipeptídicas adjacentes em uma folha β podem ser paralelas ou antiparalelas (com orientações amino e carboxila iguais ou diferentes, respectivamente). Os resíduos de aminoácidos devem apresentar grupos R pouco volumosos. Exemplos de proteínas que possuem folhas β são a fibroína da seda e a fibroína dateia de aranha. 
As dobras β são comuns nas proteínas. A dobra β é uma dobra de 180° que envolve quatro resíduos de aminoácidos, com o grupo de oxigênio carboxílico do primeiro resíduo de aminoácido formando uma ligação de hidrogênio com o hidrogênio do grupo amino do quarto. São comuns em proteínas globulares e em proteínas ricas em folhas β.
Figura 6 – Cadeias polipeptídicas paralelas e antiparalelas
Fonte: http://w3.ualg.pt/~pmartel/cadeiras/bq-mieb/aula3.pdf
Estrutura terciária e quaternária das proteínas
O arranjo tridimensional global de todos os átomos em uma proteína é denominado estrutura terciária de uma proteína. Enquanto o termo ‘’ estrutura secundária’’ se refere ao arranjo espacial dos resíduos de aminoácidos que são adjacentes na estrutura primaria, a estrutura terciaria inclui aspectos envolvendo distancias mais longas dentro da sequência de aminoácidos. 
Alguns peptídeos contêm duas ou mais cadeias polipeptídicas separadas ou subunidades que podem ser idênticas ou não. O arranjo dessas unidades proteicas em complexos tridimensionais constitui a estrutura quaternária. 
As proteínas podem ser classificadas em dois grupos principais: proteínas fibrosas, que possuem cadeias polipeptídicas em arranjos de folhas e feixes, e as proteínas globulares, que possuem cadeias polipeptídicas enoveladas em formas esféricas ou globulares. Os dois grupos são estruturalmente distintos. As proteínas fibrosas em geral consistem principalmente de um único tipo de estrutura secundária; as proteínas globulares costumam conter diversos tipos de estruturas secundárias. Os grupos diferem funcionalmente, uma vez que as proteínas fibrosas fornecem suporte, formas e proteção externa aos vertebrados, enquanto as enzimas e as proteínas regulatórias, na maioria, são globulares.
As proteínas fibrosas apresentam propriedades que conferem resistência e/ou flexibilidade. Todas as proteínas fibrosas são insolúveis em água, devido à elevada concentração de resíduos de aminoácidos hidrofóbicos. A unidade fundamental é um simples elemento repetitivo de estrutura secundária que são empacotadas em conjunto formando elaborados complexos supramoleculares. 
-queratina: As -queratinas fazem parte de uma família maior de proteínas – proteínas do filamento intermediário. A hélice da -queratina é orientada para a direita. Duas fitas de -queratinas, orientadas em paralelo, enovelam-se uma à outra para formar uma espiral super retorcida com orientação à esquerda. Pontes dissulfeto formam ligações cruzadas entre as proteínas. Esta proteína constitui o cabelo, lã, unhas, garras, espinhos, chifres, cascos e a maior parte da camada externa da pele.
Colágeno: Fornece resistência mecânica. Encontrada em tecido conjuntivo (tendão, cartilagem, matriz orgânica de osso, córnea). A hélice do colágeno é orientada para a esquerda e possui três resíduos de aminoácidos por passo. Três polipeptídios separados (cadeias ) são super enoveladas com orientação para a direita. O colágeno apresenta 35% de glicina, 11% de alanina e 21% de prolina ou hidroxi-prolina.
Fonte: Lehninger – Principios de Bioquimica – 3ª edição – Pág. 135
Difração de raios-X como método para a determinação da estrutura tridimensional de uma proteína
O espaçamento dos átomos em uma grade cristalina pode ser determinado pelas medidas de localização e intensidades das manchas produzidas em filme fotográfico por um feixe de raios X de um determinado comprimento de onda, após este ser difratado pelos elétrons dos átomos. Por exemplo, a análise por raios X dos cristais de cloreto de sódio mostra que os íons Na* e Cl" estão dispostos em uma grade cubica simples. O espaçamento dos diferentes tipos de átomos em moléculas orgânicas complexas, mesmo as de tamanho muito grande como as proteínas, pode ser também analisado por métodos de difração de raios X, embora de forma bem mais trabalhosa do que para os cristais salinos simples. Quando o padrão repetitivo em um cristal e uma molécula tão grande como uma proteína, os numerosos átomos da molécula geram milhares de padrões de difração que devem ser analisados por computadores.
O processo pode ser entendido em um nível elementar, considerando-se que as imagens são geradas em um microscópio ótico. A luz de uma fonte pontual e focalizada sobre um objeto. As ondas de luz são espalhadas pelo objeto e, em seguida, recombinadas por uma série de lentes, a fim de gerar a imagem ampliada do objeto. O menor objeto cuja estrutura pode ser determinada por esse sistema (isto e, o poder de resolução do microscópio) e determinado pelo comprimento de onda da luz — nesse caso, a luz visível, com comprimentos na faixa de 400 a 700nm. Objetos menores do que a metade do comprimento de onda da luz incidente não podem ser resolvidos. Para resolver objetos tão pequenos quanto uma proteína, devem-se utilizar raios X, cujos comprimentos de onda se situam na faixa de 0,7 a 1,5A {0,07 a 0,15nm). Entretanto, não existem lentes que possam recombinar os raios X para formar uma imagem; por isso, o padrão dos raios X difratados e diretamente recolhido e uma imagem e reconstruída por técnicas matemáticas.
A quantidade de informação obtida a partir da cristalografia de raios X depende do grau de ordem estrutural da amostra. Alguns parâmetros estruturais importantes foram obtidos de estudos iniciais dos padrões de difração das proteínas fibrosas dispostas em arranjos regulares, como no cabelo e na lã. Entretanto, os empacotamentos ordenados formados por proteínas fibrosas não são cristais — as moléculas estão alinhadas lado a lado, mas nem todas estão orientadas na mesma direção. Informações mais detalhadas sobre a estrutura tridimensional das proteínas requerem cristais altamente ordenados.
A cristalização de proteínas e uma ciência um tanto empírica, e as estruturas de muitas proteínas importantes não são ainda conhecidas simplesmente porque elas se mostraram de difícil cristalização. Os especialistas nessa técnica compararam a obtenção de cristais de proteínas a manter juntas bolas de boliche com fita de celofane.
Operacionalmente, há várias etapas em uma análise estrutural por raios X. Tendo sido obtido um cristal, este e colocado perante um feixe de raios X entre a fonte dos raios e um detector, de modo a gerar um arranjo regular de manchas denominadas reflexões. As manchas são criadas pelo feixe de raios difratado, e cada átomo em uma molécula contribui para cada mancha. Um mapa de densidade eletrônica da proteína e reconstituído a partir do padrão global de difração utilizando-se uma técnica matemática denominada transformada de Fourier. Assim, um computador atua como uma “lente computacional”. Um modelo da estrutura consistente com o mapa de densidade eletrônica é então obtido.
Conclusão 
A estrutura da proteína é estabilizada principalmente por interações fracas. A estrutura secundária consiste no arranjo espacial de átomos de trechos de proteínas, definidas por ângulos phi e psi específicos. A estrutura 3D das proteínas tem dois tipos básicos: proteínas fibrosas e globulares. A estrutura quaternária vem da junção de várias subunidades terciárias oriundas de genes 
A estrutura das proteínas pode ser destruída pela desnaturação, o que mostra que a função depende da estrutura.
Referências bibliográficas
Livro: Lehninger Princípios de bioquímica – 3ª edição – David L. Nelson e Michael M. Cox
http://professor3fbioquimica.blogspot.com.br/2011/04/estrutura-tridimensional-das proteinas.html
http://www.fcfar.unesp.br/alimentos/bioquimica/imagens/estrutura_primaria.GIF
http://w3.ualg.pt/~pmartel/cadeiras/bq-mieb/aula3.pdf
http://3.bp.blogspot.com/ccKqCMrjrGA/UvJ4o3BUivI/AAAAAAAAABI/lJU3eE-k8JM/s1600/Proteine_helice_alpha1.gif