CEDERJ Proteínas III (Estrutura Terciária e Quartenária)

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Proteínas III: estrutura terciária e quaternária
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M Ó D U LO 3 - AULA 13
Proteínas III: estrutura terciária e quaternária
Recapitulando, os níveis organizacionais das proteínas são quatro:
a) estrutura primária;
b) estrutura secundária;
c) estrutura terciária e
d) estrutura quaternária.
Até agora você já viu o nível de organização primário, que diz respeito a
simples seqüência de aminoácidos da proteína; e o nível secundário, que diz res-
peito a como essa seqüência se organiza no espaço seja formando uma α-hélice,
seja formando um folha β ou uma volta.
Objetivos
Definir a estrutura terciária das proteínas; conhecer as técnicas de obten-
ção da estrutura terciária; reconhecer as interações que mantêm a estrutura
terciária, assim como o nível de organização quaternário e sua relação com
algumas funções desempenhadas pela proteína.
Estrutura Terciária
O arranjo tridimensional das α-hélices, folhas β e voltas no espaço é co-
nhecido como estrutura terciária da proteína. Para melhor entendermos isto, ima-
gine um cadarço de sapato. Para amarrar o seu sapato, é preciso que o seu cadarço
se dobre sobre si mesmo, até formar o laço. É mais ou menos isto o que acontece
com as proteínas. Os elementos de estrutura secundária (hélices, fitas e voltas)
vão se dobrando e se organizando no espaço até que a proteína atinge sua confor-
mação final quando, então, ela assume sua função que pode ser, por exemplo:
a) a defesa do organismo (anticorpo);
b) a regulação da expressão gênica (ativador e repressor);
c) a catálise de uma reação (enzima);
d) o transporte de substâncias (transportadores);
e) a cobertura de uma partícula viral (estrutural).
Técnicas para
determinação da
estrutura de proteínas
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Cada proteína apresenta uma estrutura terciária que lhe é característica, ou
seja, todas as mioglobinas da espécie humana, por exemplo, apresentam a mesma
estrutura terciária.
É possível desvendar e conhecer a estrutura terciária de uma proteína? Sim.
A estrutura terciária de uma proteína pode ser obtida pela utilização de dois
métodos: difração de raio X e ressonância magnética nuclear. Estas técnicas
permitem que conheçamos os detalhes da estrutura das proteínas, de forma que
saibamos quais partes da proteína estão mais próximas e quais partes estão mais
afastadas. É quase como tentar entender como se enovela um novelo de lã!
Ambas as técnicas são bastante sofisticadas e o que fazem, em última aná-
lise, é fornecer um “retrato” microscópico da proteína. Este “retrato” é então
decifrado por especialistas nestas técnicas que, com a ajuda de computadores,
acabam gerando uma imagem tridimensional, refinada e precisa dos contatos en-
tre os átomos na proteína.
Cristalografia de Raio X
Para se obter uma imagem do padrão de difração de raio X de uma determi-
nada proteína, e com isto, informações sobre sua estrutura, é necessário, primeiro,
obter o cristal desta proteína. O cristal a que estamos nos referindo assemelha-se
àquele presente no açúcar cristalizado. No cristal, a quantidade de água é reduzida
e as moléculas estão perfeitamente ordenadas permitindo que se obtenha um pa-
drão de difração homogêneo.
Existem diversas técnicas para se obter cristais de proteínas. Em geral, é
necessário ter a proteína a ser analisada em estado altamente puro e em alta con-
centração. Além disso, utiliza-se agentes químicos, como, por exemplo, o polietileno
glicol, que precipitam as proteínas.
Uma vez obtido o cristal, incide-se sobre ele radiação raio X. Os átomos da
proteína recebem esta radiação, que se espalha produzindo o que se chama de
padrão de difração de raio X, ou seja, cada proteína possui um padrão de difração
que lhe é próprio. É como se cada átomo possuísse uma “impressão digital” que
deve ser revelada para que se conheça os detalhes daquela molécula. Com a ajuda
de computadores e programas específicos estas impressões digitais são analisadas,
chegando-se à estrutura final da proteína.
Em 1958, John Kendrew ao analisar os cristais da mioglobina, a primeira
proteína a ter sua estrutura cristalográfica determinada, observou espantado que
a estrutura desta proteína era bastante complicada, irregular e assimétrica. O que
as análises de Kendrew mostraram, é que a superfície da mioglobina apresentava
reentrâncias, formando cavidades e bolsos.
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Hoje, sabemos que esta irregularidade na superfície das proteínas, na verda-
de, é muito importante, por exemplo, para permitir que elas interajam entre si, ou
com outras moléculas da célula, como duas peças de um quebra-cabeça que se
encaixam. Veja a seguir alguns exemplos de estruturas de proteínas já conhecidas:
Ressonância Magnética Nuclear
Na Ressonância Magnética Nuclear (RMN) também é necessário que se te-
nha a proteína de interesse, em alta concentração e altamente pura. Diferente da
difração de raio X, na RMN a proteína fica em solução e não na forma cristalizada.
Esta proteína em solução é, então, levada para o espectrômetro de ressonância.
Neste equipamento, a molécula de proteína é colocada sob um campo magnético
muito forte, fazendo com que os núcleos dos átomos de H, C e N fiquem alinhados.
Em seguida, são aplicados pulsos de radiofreqüência que são absorvidos pelos nú-
cleos dos átomos presentes na molécula da proteína. Quando esses núcleos retornam
ao seu estado basal, isto é, não excitado, eles emitem radiofreqüências específicas
que podem ser medidas. Essas freqüências são características para cada núcleo em
um dado ambiente.
Existem seqüências de pulsos específicas capazes de revelar, por exemplo,
os átomos que estão unidos através de uma ligação covalente. Neste caso, pode-
se conhecer o tipo de aminoácido responsável por aquelas freqüências. Existem
também seqüências de pulsos capazes de revelar os átomos que estão próximos
no espaço, mas que não estão unidos através de ligação covalente. Estes sinais são
oriundos de aminoácidos que estão distantes, na seqüência primária da proteína,
mas próximos na estrutura terciária. Desta forma, também com a ajuda de progra-
mas e computadores, pode-se obter a estrutura tridimensional da proteína.
Figura 13.1: Estruturas de diversas proteínas
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No Brasil, existem diversos grupos de pesquisa que se dedicam a determinação
da estrutura de proteínas. Em São Paulo e no Rio de Janeiro existem equipamentos de
RMN muito modernos, bem como uma enorme facilidade para determinação de
estrutura de proteínas por raio X, mais especificamente em Campinas e São Carlos.
Forças que mantêm a estrutura terciária das proteínas
Hoje sabemos que a estrutura terciária das proteínas é mantida por pontes
de hidrogênio, interações apolares, interações iônicas e também pelas pon-
tes de enxofre que se formam quando duas cisteínas se aproximam no es-
paço. De todas essas interações, a mais forte é, sem dúvida, aquela da ponte de
enxofre, já que é a única que envolve uma ligação covalente.
Para quebrá-la é necessário que se adicione um agente redutor de pontes
de enxofre. Este agente, que pode ser o ditiotreitol (DDT), o β mercaptoetanol,
o glutatião etc., desfaz a ponte ao doar H para cada uma das cisteínas. Veja:
Pontes de Hidrogênio,
interações apolares,
iônicas e pontes de
enxofre
PONTES DE ENXOFRE
 veja Aula 11
REDUÇÃO DE PONTE DE
ENXOFRE
Distribuição dos
aminoácidos polares e
apolares nasproteínas
Adição de agente redutor -H
Cisteína S – S Cisteína ⇒ Cisteína SH HS Cisteína
 Ponte Intacta Ponte quebrada
 (cistina)
Distribuição dos aminoácidos segundo sua natureza química
Um aspecto importante quando se analisa a estrutura das diversas proteínas,
é que há uma tendência de se encontrar aminoácidos apolares no seu interior,
enquanto os aminoácidos polares podem ser encontrados na superfície da proteí-
na. Você vê alguma razão para que tal fato ocorra? Vejamos por quê.
A tendência que os aminoácidos apolares apresentam de se esconder dentro
da proteína tem sentido, quando lembramos que o interior de muitas delas é “seco”,
isto é, existem poucas ou quase nenhuma molécula de água lá dentro. Lembremos
que estes aminoácidos evitam o contato indesejável com a água, escondendo-se,
então, no interior da proteína.
O mesmo não ocorre com os aminoácidos polares que interagem com a
água formando pontes de H.
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Estrutura Quaternária
Uma proteína apresenta nível de organização quaternário quando possui
mais de uma subunidade. Neste caso, a proteína pode ser um dímero, trímero,
tetrâmero, pentâmero, e assim por diante, se possui duas, três, quatro, ou cinco
subunidades respectivamente. Quando usamos o termo oligômero, queremos di-
zer que a proteína tem várias subunidades.
A mioglobina, por exemplo, é uma proteína monomérica, já que possui uma
única subunidade. Já a hemoglobina possui quatro subunidades, duas chamadas α
e duas ditas β.
Desta forma, a mioglobina, por ser formada por apenas uma subunidade,
não possui estrutura quaternária. Podemos, então, concluir que nem todas as
proteínas possuem estrutura quaternária. Veja o esquema a seguir:
MIOGLOBINA
X
HEMOGLOBINA
Fosforilar: Unir fosfato
a uma dada molécula.
Muitas enzimas oligoméricas apresentam seu sítio ativo nas interfaces en-
tres as subunidades. Dessa forma, se elas se desmontam ou se dissociam, perdem
a sua função.
As proteínas oligoméricas podem possuir subunidades idênticas, como no
caso da hexoquinase, enzima que fosforila a glicose, ou subunidades distintas,
como no caso da hemoglobina que apresenta cadeias α e β.
Um bom exemplo de oligômero é o ribossoma, estrutura da célula onde se
processa a tradução das proteínas. Os ribossomas são formados por dezenas de
proteínas distintas que se associam às moléculas de ARN ribossomal. A estrutura
deste grande complexo foi completamente desvendada recentemente por pesqui-
sadores da Universidade de Yale (Thomas Steitz).
Na Aula 17 onde falaremos de estruturas virais e fibras amilóides veremos
outra vez exemplos de oligômeros e de estrutura quaternária.
Figura 13.2: Representação esquemática dos tetrâmeros da hemoglobina e do monômero da mioglobina.
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Outros grupamentos nas proteínas
Não podemos deixar de mencionar que muitas proteínas possuem
grupamentos não protéicos aderidos. Por exemplo, a hemoglobina possui quatro
grupos heme que contêm ferro; as proteínas do complexo coletor de luz, que estão
envolvidas na fotossíntese, possuem pigmentos aderidos, tais como a clorofila.
Várias vitaminas também se ligam a proteínas, tais como biotina, fosfopantoteína,
piridoxal fosfato, etc.
Veremos com mais detalhes o grupamento heme na Aula Proteínas VI sobre
hemoglobina e mioglobina.
Os grupamentos não protéicos têm papel relevante em grande parte das
funções das proteínas e, conseqüentemente, faltando um desses grupamentos, a
proteína perde sua função, como por exemplo, no caso de uma dieta desbalanceada
na qual nos falta alguma vitamina. As proteínas que possuem esta vitamina como
parte de sua estrutura, e que dela dependem para realizar sua função, ficarão pre-
judicadas. Em aulas mais à frente, veremos como agem e quais são as vitaminas,
para que você compreenda melhor toda essa história.
Resumo
Nesta aula você conheceu mais dois níveis organizacionais das proteínas:
o terciário e o quaternário. Com relação ao nível terciário, você viu duas
técnicas utilizadas para obtenção desta estrutura: a difração de raio X e
a ressonância magnética nuclear.
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Exercícios
1. Defina com suas próprias palavras o que é estrutura primária, secundária, terciária
e quaternária.
2. Por que os aminoácidos apolares se sentem melhor acomodados no interior das
proteínas?
3. Observe a seqüência de aminoácidos a seguir. Procure um pedaço de barbante
ou arame e cole nele papéis pequenos com o nome destes aminoácidos, conforme
a ordem seguir:
NH
3
--- Metionina --- Lisina --- Alanina --- Glutamina --- Isoleucina --- Leucina
--- Valina --- Leucina --- Fenilalanina --- Alanina --- Isoleucina --- Tirosina ---
Serina --- Ácido aspártico --- Treonina --- Arginina --- Asparagina --- COOH
Atividade
3.1. Agora tente dobrar este barbante ou arame de modo que os aminoácidos
fiquem “felizes” com a sua organização.
Quais critérios você utilizou para organizar sua proteína?
3.2. Agora, imagine que ela é uma proteína de membrana, isto é, uma proteína que
fica embebida na membrana da célula. Você acha, neste caso, que esta proteína
teria a mesma disposição de aminoácidos? Por quê?
Discuta esta atividade com seus colegas e com seu tutor no pólo e sugira novas
seqüências de aminoácidos para realizar esta experiência.
Se você preferir, utilize macarrão em forma de tubo colorido para representar os
aminoácidos.
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