A ESTRUTUTA TRIDIMENSIONAL DAS PROTEÍNAS

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A ESTRUTUTA TRIDIMENSIONAL DAS PROTEÍNAS
A estrutura covalente de uma proteína característica é composta de centenas de ligações individuais; Cada proteína possui uma função estrutural e química específica, e assim sugere-se que cada uma contém a sua constituição tridimensional única.
VISÃO GLOBAL DA ESTRUTURA DAS PROTEÍNAS
È chamado de conformação, o arranjo espacial dos átomos em uma proteína; Provavelmente, as conformações de uma proteína incluem qualquer estado estrutural que possa ser alcançado sem quebrar as ligações covalentes. A necessidade para múltiplas conformações estáveis reflete as alterações que devem ocorrer na maioria das proteínas à medida que elas se ligam às moléculas ou reações catalisadas; Proteínas em qualquer das suas conformações funcionais são chamadas de proteínas nativas.
Uma conformação protéica é estabilizada em grande parte por interações fracas; A expressão: estabilidade pode ser definida como disposição a manter uma conformação nativa; Proteínas nativas são apenas marginalmente estáveis. O papel dessas interações fracas é importante, pois nos permite entender como as cadeias polipeptídicas se enovelam em estruturas secundárias e terciárias, e também como combinam com outros polipeptídios para então formar as estruturas quaternárias.
A conformação protéica com a menor energia livre é aquela com número máximo de interações fracas. A estabilidade de uma proteína não é apenas a soma das energias livres de formação de muitas interações fracas dentro dela.
A contribuição das interações fracas para a estabilidade protéica pode ser entendida em termos das propriedades da água; A água pura contém uma rede de moléculas de H2O formando pontes de hidrogênio. Quando a água circunda uma molécula hidrofóbica, o arranjo ótimo das pontes de hidrogênio resulta em uma concha altamente estruturada ou camada de solvatação, da água na vizinhança imediata. As interações hidrofóbicas são importantes na estabilização de uma conformação protéica. O interior de uma proteína é geralmente um núcleo densamente empacotado das cadeias laterais dos aminoácidos hidrofóbicos.
A ligação peptídica é rígida e planar; A natureza das ligações covalentes no esqueleto polipeptídico coloca restrições na estrutura. A ligação peptídica possui um caráter parcial de dupla ligação que mantém o grupo peptídico inteiro de seis átomos em uma configuração planar rígida. As ligações N-Cα e Cα-C podem rodar para assumir ângulos de ligaçãoφ e ψ, respectivamente.
ESTRUTURA SECUNDÁRIA DAS PROTEÍNAS
Estrutura secundária refere-se à conformação local de alguma parte de um polipeptídio. Uns poucos tipos de estrutura secundária são estáveis e ocorrem amplamente nas proteínas; As mais relevantes são as α-hélices e a conformação β. As estruturas secundárias mais comuns são a α-hélice, a conformação β e as dobras β. A estrutura secundária de um segmento polipeptídico pode ser definida se os ângulos φ e ψ forem conhecidos para todos os resíduos de aminoácidos em determinado segmento.
A α-hélice é uma estrutura secundária comum nas proteínas; A relação mais simples que a cadeia polipeptídica poderia assumir com suas ligações peptídicas rígidas é uma estrutura helicoidal, que Pauling e Corey chamaram α-hélice. Os resíduos de aminoácidos em uma α-hélice possuem conformações com ψ= -45° a -50° e φ= -60, e cada volta helicoidal inclui 3,6 resíduos de aminoácidos. Cerca de um quarto de todos os resíduos de aminoácidos nos polipeptídicos são encontrados nas α-hélices, e a fração exata varia grandemente de uma proteína para a outra.
A seqüência de aminoácidos afeta a estabilidade da α-hélice; Nem todos os polipeptídios podem formar uma α-hélice estável. Interações entre cadeias laterais de aminoácidos podem estabilizar ou desestabilizar essa estrutura. A torção de uma α-hélice garante que interações críticas entre a cadeia lateral de um aminoácido e a cadeia lateral de três resíduos (e algumas vezes quatro) se afastem dela. Dois resíduos de aminoácidos aromáticos são freqüentemente espaçados, resultando em uma interação hidrofóbica. Outro fator que afeta a estabilidade de uma α-hélice em um polipeptídio é a identidade dos resíduos de aminoácidos próximos às extremidades de um segmento α-helicoidal.
A conformação β organiza as cadeias polipeptídicas em folhas; A conformação β é uma conformação mais estendida das cadeias polipeptídicas e sua estrutura tem sido confirmada por análises de raio X. Nas conformações β, o esqueleto da cadeia polipeptídica é estendido em ziguezague em vez da estrutura helicoidal.
As cadeias polipeptídicas podem ser arranjadas lado a lado para formar uma estrutura que se assemelha a uma série de folhas; Nesse arranjo, chamado de folha β, as pontes de hidrogênio são formadas entre segmentos adjacentes da cadeia polipeptídica. Essas cadeias polipeptídicas podem ser paralelas ou antiparalelas (possuindo a mesma orientação amino até carboxila ou a oposta, respectivamente).
As dobras β são comuns nas proteínas; Nas proteínas globulares, que possuem uma estrutura enovelada compacta, quase um terço dos resíduos de aminoácidos estão em dobras ou alças onde a cadeia polipeptídica reverte sua direção; Essas são os elementos de conexão que unem corridas sucessivas de α-héliceou conformação β. Particularmente comuns são as dobras β que conectam as extremidades de dois segmentos adjacentes de uma folha β antiparalela.
Estruturas secundárias comuns possuem conteúdo de aminoácidos e ângulos de ligação característicos; As α-hélices e a conformação β são as principais estruturas secundárias repetitivas em uma ampla variedade de proteínas; Cada tipo de estrutura secundária pode ser completamente descrito pelos ângulos ψ e φ de cada resíduo. A maior parte dos valores ψ e φ retirados de estruturas de proteínas conhecidas cai dentro das regiões esperadas, com altas concentrações próximas dos valores preditos para a α-hélices e a conformação β. O único resíduo de aminoácido encontrado freqüentemente em uma conformação fora dessas regiões é a glicina.
ESTRUTURA TERCIÁRIA E QUATERNÁRIA DAS PROTEÍNAS.
O arranjo tridimensional geral de todos os átomos em uma proteína é referido como a estrutura terciária das proteínas; Essa estrutura inclui aspectos de variação maior da seqüência de aminoácidos. Algumas proteínas contêm duas ou mais cadeias polipeptídicas separadas, ou subunidades, que podem ser idênticas ou diferentes. O arranjo dessas subunidades protéicas em complexos tridimensionais constitui a estrutura quaternária. È útil classificar as proteínas em dois grupos principais: as proteínas fibrosas, possuindo cadeias polipeptídicas arranjadas em longas fitas ou folhas; e as proteínas globulares possuindo cadeias polipeptídicas enoveladas em uma forma esférica globular.
A estrutura desses dois grupos são diferentes, enquanto as proteínas fibrosas consistem principalmente de um único tipo de estrutura secundária, já as proteínas globulares freqüentemente contém vários tipos de estrutura secundária.
As estruturas fibrosas estão adaptadas para a função estrutural; A α-Queratina, colágeno e fibroína da seda ilustram adequadamente a relação entre a estrutura da proteína e a função biológica. As proteínas fibrosas compartilham propriedades que dão forma ou flexibilidade às estruturas onde elas ocorrem. Em cada caso, a unidade estrutural fundamental é um elemento de repetição simples da estrutura secundária; Todas as proteínas fibrosas são insolúveis em água, uma propriedade conferida pela alta concentração de resíduos de aminoácidos hidrofóbicos tanto no interior da proteína quanto na sua superfície.
A simplicidade estrutural subjacente às proteínas fibrosas as torna particularmente úteis para ilustrar alguns princípios fundamentais da estrutura protéica.
A diversidade estrutural reflete a diversidade funcional nas proteínas globulares; Em uma proteína globular, segmentos diferentes de uma cadeia polipeptídica enovelam entre si. O enovelamento também fornece a diversidade estrutural necessária para as proteínas desempenharemum amplo conjunto de funções biológicas; As proteínas globulares incluem enzimas, proteínas de transporte, proteínas motoras, proteínas reguladoras, imunoglobinas e proteínas com muitas outras funções.
À medida que começa um novo milênio, o número de estruturas protéicas tridimensionais conhecidas está em milhares e mais que dobra a cada dois anos. Assim que novas estruturas são disponíveis torna-se crescentemente claro que elas são manifestações de um conjunto finito de padrões reconhecíveis de enovelamento estáveis.
A mioglobulina forneceu as primeiras sugestões sobre a complexidade da estrutura da proteína globular; Para um melhor entendimento da estrutura tridimensional de uma proteína globular, primeiramente veio dos estudos de difração dos raios X da mioglobulina. A mioglobulina é uma proteína de ligação ao oxigênio, relativamente pequena, das células musculares; Ela funciona tanto no armazenamento do oxigênio, como para facilitar a difusão do oxigênio no tecido muscular que se contrai rapidamente.
As proteínas globulares possuem estruturas terciárias mais complexas, freqüentemente contendo vários tipos de estrutura secundária na mesma cadeia polipeptídica. Através de análises de raio X, tornou-se claro que a mioglobina ilustra apenas uma das várias maneiras pelas quais uma cadeia polipeptídica pode envolver-se. As proteínas: citocromo c, lisozima, e ribonuclease possuem diferentes seqüências de aminoácidos e estruturas terciárias, refletindo as diferenças de funções; Todas são relativamente pequenas e fáceis de trabalhar, facilitando a análise estrutural.
Nas proteínas pequenas, os resíduos hidrofóbicos têm menor probabilidade de estar protegidos em um interior hidrofóbico. Essas proteínas também possuem menor potencial de interações fracas disponíveis para estabilizá-las.
A análise de muitas proteínas globulares revela padrões de estrutura comuns; A estrutura tridimensional de uma proteína globular típica pode ser considerada uma montagem de segmentos polipeptídicos nas conformações de α-hélice e da folha β unidas por segmentos conectantes. A estrutura então pode ser descrita em uma primeira aproximação definindo como esses segmentos se empilham uns com os outros e como os segmentos que se conectam são arranjados.
Os arranjos particularmente estáveis de vários elementos da estrutura secundária e as conexões entre eles são denominados de estruturas supersecundárias, motivos ou dobras. As milhares de estruturas protéicas conhecidas são geralmente montadas a partir de um repertório de apenas umas poucas centenas de motivos; As regiões de uma cadeia polipeptídica são chamadas de domínios.
Os motivos protéicos são a base para a classificação estrutural das proteínas; No nível mais alto da classificação, a base de dados da classificação estrutural das proteínas (SCOP) toma emprestado um esquema já de uso comum, onde as estruturas das proteínas são divididas em quatro classes: toda α, toda β, α / β (onde as regiões α e β são intercaladas ou alternadas) e α + β (onde as regiões α e β são de alguma forma separadas). A base de dados SCOP é administrada manualmente, com o objetivo de colocar proteínas na moldura correta evolucionária baseando-se nas características estruturais conservadas.
Estruturas quaternárias das proteínas variam de simples dímeros a grandes complexos. A estrutura quaternária resulta de interações entre subunidades de proteínas com subunidades múltiiplas ou a montagem de proteínas maiores. Uma proteína com subunidades múltiplas é também referida como um multímero; Proteínas multiméricas podem formar de duas a centenas de subunidades. Um multímero com apenas umas poucas subunidades é freqüentemente chamado de oligômero.
A unidade estrutural de repetição de uma proteína multmérica, seja ela uma subunidade apenas, seja um grupo de subunidades, é chamada de protômero.A primeira proteína oligomérica para a qual a estrutura tridimensional foi determinada foi a hemoglobina.
As subunidades idênticas das proteínas multiméricas são geralmente arranjadas em um ou em um conjunto limitado de padrões simétricos. Os oligômeros podem possuir ou a simetria rotacional ou a simetria helicoidal, ou seja, subunidades individuais podem superpor-se nas outras por rotação sobre um ou mais eixos de rotação, ou por uma rotação helicoidal.
Há limites para o tamanho das proteínas; O grande tamanho das proteínas reflete suas funções. O tamanho das proteínas possui limites, entretanto, impostos por dois fatores: a capacidade genética dos ácidos nucléicos e a precisão do processo biossintetizante das proteínas.
DESNATURAÇÃO E ENOVELAMENTO DAS PROTEÍNAS
As proteínas iniciam sua existência em um ribossomo como uma seqüência linear de resíduos de aminoácidos. Esse polipeptídio precisa enovelar-se durante e depois da síntese para tomar sua conformação nativa.
A estrutura e a função tridimensional das proteínas podem ser destruídas pela desnaturação, demonstrando uma relação entre a estrutura e a função. A maior parte das proteínas pode ser desnaturada pelo calor, que afeta as interações fracas em uma proteína (principalmente as pontes de hidrogênio) de maneira complexa; Mas algumas proteínas podem ser desnaturadas não somente pelo calor, mas por extremos de PH, por certos solventes orgânicos miscíveis ou por certos solventes. Certas proteínas desnaturadas podem renaturar-se espontaneamente para formar proteínas biologicamente ativas, mostrando que a estrutura terciária das proteínas é determinada pela seqüência de aminoácidos.
Os polipeptídios enovelam-se rapidamente por um processo em etapas; O enovelamento das proteínas nas células provavelmente envolve vias múltiplas; Inicialmente, regiões de estrutura secundária podem formar estruturas supersecundárias, seguidas pelo enovelamento. Grandes montagens de intermediários de enovelamentos são rapidamente trazidas para uma conformação nativa única.
Algumas proteínas apresentam enovelamento assistido; O enovelamento é facilitado pelas chaperonas Hsp70 e pelas chaperoninas. A formação de pontes de dissulfeto e a isomerização cis-trans de ligações peptídicas de Pro, são catalisadas por enzimas específicas.