VIDA - Cap 03-a

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CAPíTULO
Macromoléculas e a
Origem da Vida
Que doçura
Algumas vezes um cientista tem sorte, Em 1989, uma
companhia de açúcar britânica estava procurando por
usos não-tradicionais para seu produto e queria saber
se o açúcar poderia ser quimicamente modificado para
produzir outras substâncias úteis, Como freqüentemen-
te acontece na indústria, a companhia buscou a expe-
riência dos cientistas universitários. Um professor na
Universidade de Londres sabia modificar o açúcar de
mesa (sacarose, C12H2201i)' por meio da substituição
de átomos de hidrogênio e oxigênio com outros ele-
mentos, °professor designou a um estudante de pós-
graduação o trabalho de produzir açúcar com átomos
de cloro no lugar de alguns grupos OH (hidroxila).
A idéia do professor era testar cada nova molécula
para o possível uso como material inicial para outros
compostos, Porém, o estudante de pós-graduação
Shahikant Phadnis respondeu ao pedido do docente de
testar uma molécula, provando-a. Para sua surpresa, a
nova molécula - C12H190gCl3- era doce, Na verdade,
era muitas vezes mais doce que o açúcar. Mas, ao con-
trário do açúcar, ela não poderia ser usada pelo corpo
como alimento energético, Logo, Pnadnis descobriu um
novo adoçante artiticial, \laje con\lec\do como sucra\ose.
lh~v~~'?0r~~'~~~..flP-te~q,8!:\ilÍC'18Lc>"p,
enorme, Cerca de um terço de toda a população
na Europa, nas Américas e Austrália con-
some alimentos e bebidas com baixas calorias. Algu-
mas pessoas, como os diabéticos, devem restringir a
ingestão de açúcar para evitar sérias conseqüências
para a saúde, Pessoas lutando contra a obesidade
querem reduzir a ingestão de açúcar, a principal fonte,
de calorias, Ainda, outros estão sujeitos à cárie dentária
por bactérias orais que se alimentam de açúcar, Com a
sucralose, todas essas pessoas podem comer tortas.
Usada em centenas de produtos, é vendida isolada-
mente como substituto do açúcar, empacotada em
amarelo sob a marca "Splenda".°açúcar comum tem duas importantes proprieda-
des químicas que afetam aos que o ingerem. Primeiro,
liga-se de forma não-covalente a certas proteínas nas
papilas gustativas da língua, A sucralose se liga às
papilas gustativas com ainda mais eficiência, por isso
seu sabor doce é intenso. Segundo, as moléculas de
açúcar têm uma estrutura tridimensional que permite
sua ligação a moléculas digestivas no corpo, que o
degradam para a obtenção de energia e o convertem
em outras substâncias (incluindo gordura). É na sua
segunda propriedade química que a sucralose difere
significativamente do açúcar comum. A sucralose não
se lIga a molécu\as dlgest\\Jas e passa \na\terada atra-
vés do corpo.
h -Sb,\sdi'\JQv 't "'\JrJ1'í'i""i-"1V~dt\.-\\-v6~~-J,~%,-s:::..~~ c.--~_
boidratos, um dos quatro principais tipos de grandes
moléculas que caracterizam os sistemas vivos. Essas
macromoléculas, que também incluem
proteínas, lipídeos e ácidos nucléi-
cos, diferem de forma significativa
das moléculas pequenas e íons des-
critos no Capítulo 2. Primeiro,
o que não é surpresa, são
moléculas grandes com
pesos moleculares variando
Mais doce que açúcar Sucralose, uma
modificação da molécula biológica saca-
rose (açúcar de mesa), tem átomos de
cloro (verde) no lugar de alguns dos grupos
hidroxila da sacarose. Essa modificação re-
sulta em propriedades químicas que confe-
rem sabor doce, mas sem valor nutricional.
Um substituto para o açúcar Sucralose
pode ser usada no lugar do açúcar em produtos
de panificação, permitindo que pessoas em dieta ou com dia-
betes usufruam dos alimentos doces.
de centenas (sacarose) a bilhões de Oaltons (alguns
ácidos nucléicos).
Segundo, essas moléculas contêm átomos de car-
bono e, então, pertencem a um grupo conhecido como
compostos orgânicos. Terceiro, elas são unidas por
ligações covalentes, que conferem importante estabi-
lidade estrutural e formam a base de algumas de suas
funções. Finalmente, carboidratos, proteínas, lipídeos e
ácidos nucléicos são exclusivos ao mundo vivo. Essas
classes moleculares não ocorrem na natureza inanima-
da. Você não encontrará proteínas nas pedras - e se
encontrar, pode ter certeza que vieram de algum orga-
nismo vivo.
NESTE CAPíTULO descrevemos as pro-
priedades biológicas e químicas das proteínas,
lipídeos, carboidratos e ácidos nucléicos. Vemos
do que esses blocos construtores da vida são
constituídos, de que forma estão organizados e
que papéis desempenham nos organismos vi-
vos. Terminamos o capítulo com algumas idéias
de como essas moléculas se originaram quando
a vida começou.
3.1 Que tipos de moléculascaracterizam os organismos
vivos?
Quatro tipos de moléculas são características dos organismos
vivos: proteínas, carboidratos, lipídeos e ácidos nucléicos. A
maioria dessas moléculas biológicas consiste em grandes po-
límeros (poli,"muitos"; mer,"unidade") construídos por liga-
ções covalentes entre moléculas menores, chamadas de mo-
nômeros (Tabela 3.1). Os monômeros que constituem cada
tipo de molécula biológica têm estruturas químicas similares.
Assim, cadeias de monômeros de açúcares similares quimica-
mente (sacarídeos) formam os diferentes carboidratos; milha-
res de diferentes proteínas são formadas a partir de combi-
nações de vinte aminoácidos, que compartilham semelhanças
químicas.
Polímeros com pesos moleculares excedendo 1.000 são
comum ente considerados macromoléculas. As proteínas, os
polissacarídeos (carboidratos grandes) e os ácidos nucléicos
dos sistemas vivos certamente se enquadram nessa categoria.
O modo como essas macromoléculas funcionam e interagem
com outras moléculas depende das propriedades dos grupos
químicos nos monômeros, os grupos funcionais.
Os grupos funcionais conferem propriedades
específicas às moléculas
Certos pequenos grupos de átomos, chamados de grupos
funcionais, são consistentemente encontrados em uma va-
riedade de diferentes moléculas biológicas. Você encontrará
repetidamente diversos grupos funcionais no seu estudo da
biologia (Figura 3.1). Cada grupo funcional tem propriedades
específicas e quando se liga a uma molécula maior, confere-
lhe estas propriedades. Por exemplo, o grupo hidroxila é polar
e atrai moléculas de água. Pequenas moléculas contendo o
grupo hidroxila geralmente se dissolvem facilmente na água.
O átomo de oxigênio no grupo cetona é altamente eletrone-
gativo e pode atrair o átomo de hidrogênio mantido por um
outro átomo eletronegativo (tal como o nitrogênio), forman-
do uma ponte de hidrogênio. O consistente comportamento
químico desses grupos funcionais nos ajuda a compreender
as propriedades das moléculas que os contêm.
Grupo Classe de Fórmula
funcional compostos estrutural
Hidroxila
[§}OH-OH Álcoois
ou
HO-
O
[§}/,'Aldeído Aldeídos R C
\
-CHO H
°Cetona Cetonas [§}~-§J\
co
/
°Ácidos [§}/,'Carboxila R C
carboxmcos \-COOH OH
H
/Amino Aminas
[§}N\
-NH2 H
Fosfato
-OP032-
°II[§}o-r-o-
0-
Fosfatos
orgânicos
Sulfidrila
-SH
H H
I I
H-C-C OH
I I
H H
Etanol
EEoI /,'H-C CI \H H
Acetaldeído
B}°taI II IH-~ C ~-H
AcetonaB}0I /,'H-C CI \H OH
Ácidoacético
EEHI /H-C N[ \H H
Metilamina
-O °\/,'
C
I
H-C-OH
IH-C
I
H
3-Fosfoglicerato
H H
I I
HO-C-C SH
I I
H H
Mercaptoetanol
Figura 3.1 Certos grupos funcionais importantes para os
sistemas vivos Os sete grupos funcionaisdemonstrados aqui
(ressaltados em amarelo) são os mais comuns encontrados em
moléculas importantes biologicamente. R representa o "restante" da
molécula, que pode ser qualquer um entre um grande número de
esqueletos de carbono ou outros grupos químicos.
TABELA 3.1 Os blocos construtores dos organismos
pOLíMERO COMPLEXO
MONÔMERO (MACROMOLÉCULA)
Monossacarídeo (açúcar)
Nucleotídeo
Polissacarídeo (carboidrato)
Ácidonucléico
Os isômeros têm arranjos diferentes
dos mesmos átomos
Os isômeros são moléculas que têm a mesma fórmulaquími-
ca - os mesmos tipos e números de átomos - mas os átomos são
arranjados diferentemente. (O prefixo "iso" significando "igual" é
encontrado em muitos termos biológicos.) Dos diferentes tipos de
isômeros, consideraremos dois: os isômeros estruturais e os isôme-
ros ópticos.
Os isômeros estruturais diferem na forma em que seus áto-
mos são ligados. Considere duas moléculas simples, cada uma
composta de 4 carbonos e 10 átomos de hidrogênio ligados co-
valentemente, ambos com a fórmula C4H10. Esses átomos podem
estar ligados de duas maneiras diferentes, resultando em duas
formas diferentes da molécula:
H H H H
I I I I
H-C-C-C-C-H
I I I IH H H H
H
IH H-C-H H
I I I
H-C--C--C-H
I I I
H H H
As relações das ligações diferentes de butano e isobutano são dis-
tinguidas nas suas fórmulas estruturais, e as duas moléculas têm
diferentes propriedades químicas.
Os isômeros ópticos ocorrem quando um átomo de carbono
possui quatro átomos ou grupos diferentes ligados a ele. Esse pa-
drão permite duas formas de fazer as ligações, uma a imagem es-
pelhada da outra (Figura 3.2).Talátomo de carbono é chamado de
carbono assimétrico, e as duas moléculas resultantes são isômeros
ópticos uns dos outros. Você pode visualizar suas mãos direita e
esquerda como isômeros ópticos. Assim como uma luva é especí-
fica para uma determinada mão, algumas moléculas bioquímicas,
que podem interagir com um isômero óptico de um composto,
são incapazes de se" encaixar" com outro.
As estruturas das macromoléculas
refletem suas funções
Os quatro tipos de macromoléculas biológicas estão presentes,
aproximadamente, na mesma proporção em todos os organis-
mos vivos (Figura 3.3). Uma proteína com certa função em uma
macieira provavelmente tem um emprego similar nos seres hu-
manos porque sua química é a mesma, independente de onde é
encontrada. Uma importante vantagem dessa unidade bioquímica
é que os organismos podem adquirir os compostos bioquímicos
necessários ingerindo outros organismos. Quando você come
uma maçã, as moléculas ingeridas incluem carboidratos, lipídeos
e proteínas que podem ser transformadas em variedades especiais
daquelas moléculas necessárias para os humanos.
Cada tipo de macromolécula realiza determinada combinação
de funções, como armazenamento de energia, suporte estrutural,
proteção, catálise (acelerando uma reação química), transporte,
defesa, regulação, movimento e hereditariedade. Esses papéis não
são necessariamente exclusivos. Por exemplo, tanto os carboidra-
tos como as proteínas podem desempenhar papéis estruturais,
sustentando e protegendo tecidos e órgãos. Entretanto, somente
os ácidos nucléicos se especializam no armazenamento da infor-
mação. Essas macromoléculas funcionam como material here-
ditário, transportando traços individuais e das espécies de uma
geração para outra.
Imagem
espelhada
Imagem
espelhada
Figura 3.2 Isômeros ópticos (A) Isômeros ópticos são imagens
espelhadas. (B)Isômeros ópticos moleculares resultam quando
quatro átomos ou grupos diferentes estão ligados a um único áto-
mo de carbono. Se um modelo (representando uma molécula bio-
lógica grande) é projetado para combinar os grupos em um átomo
de carbono, os grupos naquele isômero de imagem espelhada não
podem ser movimentados para preencher o mesmo modelo.
As funções das macromoléculas relacionam-se diretamente às
suas formas tridirnensionais e às seqüências e propriedades quí-
micas de seus monômeros. Algumas macromoléculas se dobram
em formas esféricas compactas com superfícies características que
as tornam solúveis em água, capazes de profundas interações com
outras moléculas. Algumas proteínas e carboidratos formam sis-
temas fibrosos longos que fornecem força e rigidez às células e
aos organismos. Ainda, outras organizações de proteínas finas e
longas podem contrair e produzir movimento.
Sendo as macromoléculas tão grandes, podem conter muitos
grupos funcionais diferentes (ver Figura 3.1). Por exemplo, uma
grande proteína pode conter grupos funcionais carregados, po-
Tecidos vivos são
constituídos de
70% de água.
Quatro tipos de macromoléculas estão
presentes, aproximadamente, nas mesmas
proporções em todos os organismos vivos.
~
Proteínas
(polipeptídeos)
~Ácidos
nucléicos
íons e
moléculas pequenas
Figura 3.3 Substâncias encontradas em tecidos vivos As
substâncias aqui demonstradas são componentes não-minerais
do tecido vivo(os ossos seriam um exemplo de um componente
mineral).
lares e hidrofóbicos que conferem propriedades específicas a de-
terminados locais em uma macromolécula. Como veremos, essa
diversidade de propriedades determina as formas das macromo-
léculas e suas interações com outras macromoléculas e com mo-
léculas menores.
A maioria das macromoléculas forma-se por
condensação e degrada-se por hidrólise
Os polímeros são q:mstruídos de monômeros por uma série de
reações chamadas de reações de condensação (às vezes cha-
madas de reações de desidratação; ambas as palavras referem-se à
perda de água). As reações de condensação resultam em monô-
meros ligados covalentemente. Essas reações liberam uma molé-
cula de água para cada ligação covalente formada (Figura 3.4A).
As reações de condensação que produzem os diferentes tipos de
polímeros diferem em detalhes, mas em todos os casos, os polí-
meros se formam somente se energia for adicionada ao sistemá.
Em sistemas vivos, moléculas específicas ricas em energia suprem
essa demanda.
O oposto de uma reação de condensação é a reação de hi-
drólise (hidro-," água"; -lise, "quebra"). As reações de hidrólise
digerem polímeros e produzem monômeros. A água reage com
as ligações que mantêm o polímero unido, e os produtos são
os monômeros livres. Os elementos (H e O) da H20 tornam-
--i.. Monômero
+ H ----L)- OH
l H O A água é remo_vida
~~ 2 na condensaçao.
Uma ligação
covalente se
forma entre os
monômeros.
H~OH
H O -I A água é adicionada
2 l na hidrólise.
H --c:::r OH +
Uma ligação
covalente entre os
monômeros é
quebrada.
H~OH
H'O~
H ---<=)- OH + H ---<=)- OH
Figura 3.4 Condensação e hidrólise de polímeros (A) Uma
reação de condensação ligamonômeros à polímeros. (B)Uma rea-
ção de hidrólisequebra polímeros em monômeros individuais.
se parte dos produtos (Figura 3.48). Assim, as ligações entre os
monômeros podem ser formadas e quebradas no interior dos
tecidos vivos.
3.1 RECAPITULAÇÃO
Os quatro tipos de moléculas grandes que distinguem os
tecidos vivos são proteínas, Iipídeos, carboidratos e ácidos
nucléicos. Essas moléculas biológicas transportam gran-
de variedade de funções que sustentam a vida. A maioria
delas são polímeros, construídos a partir de subunidades
monoméricas ligadas. Polímeros muito grandes são cha-
mados de macromoléculas.
• Você percebe como os grupos funcionais podem afetar a
estrutura e a função das macromoléculas? (Mantenha essa
questão em mente enquanto lê o restante deste capítulo.)
Ver p. 39 e Figura 3.1.
• Por que a unidade bioquímica, observada nas proporções
dos quatro tipos de macromoléculas presentes em todos os
organismos, é importante para a vida? Ver p. 40 e Figura 3.3.
• Como os monômeros se ligam para formar os polimeros?
Como os polímeros são convertidos em monômeros nova-
mente? Ver p. 41-42 e Figura 3.4.
As reações de condensação e hidrólise são universais nos siste-
mas vivos e, como veremos no fim deste capítulo, seu papel na
construção dos polímeros configurou-se em importante passo na
origem da vida em ambiente aquoso. Nós começamos nosso es-
tudo dos blocos construtores da vida com um grupo diverso de
polímeros, as proteínas.
3.2 Quais são as estruturas químicas eas funções das proteínas?
As funções das proteínas incluem suporte estrutural, proteção,
transporte, catálise, defesa, regulação e movimento. As subunida-
des monoméricas das proteínas são os vinte aminoácidos. Entreas funções das macromoléculas listadas anteriormente, somente
duas - o armazenamento de energia e a hereditariedade - não são
normalmente realizadas pelas proteínas.
As proteínas variam em tamanho desde pequenas, como o
hormônio insulina, com peso molecular de 5.733 e 51 aminoáci-
dos, até moléculas enormes, como a proteína muscular titina, que
tem um peso molecular de 2.993.451 e 26.926 arninoácidos. Cada
uma dessas proteínas consiste em uma única cadeia de aminoáci-
dos (uma cadeia polipeptídica), dobrada em uma forma tridimen-
sional específica.
Muitas proteínas possuem mais de uma cadeia polipeptídica.
Por exemplo, a proteína transportadora de oxigênio hemoglobi-
na apresenta' quatro cadeias dobradas separadamente e mantidas
juntas para tornar a proteína funcional. Segundo veremos poste-
riormente neste livro, as proteínas podem se associar, formando
"máquinas multiprotéicas" a fim de desempenhar tarefas comple-
xas como a síntese de DNA.
A composição de uma proteína se refere às relativas quantida-
des de diferentes aminoácidos nela contidos. A variação na precisa
seqüência de aminoácidos de cada cadeia polipeptídica é a fonte da
diversidade nas estruturas e nas funções das proteínas.
Para compreender os muitos papéis das proteínas descritos ao
longo deste livro, devemos primeiro explorar a estrutura protéica.
Primeiro, examinaremos as propriedades dos aminoácidos e de
que maneira eles se ligam para formar cadeias polipeptídicas. En-
tão, analisaremos sistematicamente a estrutura das proteínas e ve-
remos como uma cadeia linear de arninoácidos é consistentemen-
te dobrada em uma forma tridimensional específica e compacta.
Finalmente, veremos de que modo essa estrutura tridimensional
fornece um ambiente químico e físico que influencia o modo com
que outras moléculas interagem com a proteína.
Os aminoácidos são os blocos construtores
das proteínas
Os aminoácidos têm um grupo funcional carboxila e um grupo
funcional amino (ver Figura 3.1) ligados ao mesmo átomo de
carbono, chamado de carbono a. Nos valores de pH comumente
encontrados nas células, os dois grupos são ionizados: o grupo
carboxila perdeu um íon hidrogênio e o grupo amino ganhou um.
Por possuírem ambos os grupos, carboxila e amino, os aminoácidos
são simultaneamente ácidos e bases.
Ligados ao átomo de carbono a estão ainda um átomo de hi-
drogênio e uma cadeia lateral ou grupo R, designado pela letra R:
~
cadeia lateral
Carbono a R
~
H3N+ COOW
Grupo H Grupo
amino carboxila
O carbono a dos aminoácidos é assimétrico, porque está liga-
do a quatro diferentes átomos ou grupos de átomos. Portanto, os
aminoácidos existem em duas formas isoméricas, chamadas de D-
aminoácidos e L-aminoácidos. D e L são abreviações para os ter-
mos latinos direita (dextro) e esquerda (levo). Somente os L-amino-
ácidos são comumente encontrados na maioria dos organismos, e
sua presença é uma importante" assinatura" química da vida.
As cadeias laterais dos aminoácidos também contêm grupos
funcionais importantes na determinação da estrutura tridimen-
sional e na função da macromolécula protéica. As cadeias laterais
são realçadas em branco na Tabela 3.2. Como ela demonstra, os
vinte aminoácidos encontrados em organismos vivos são agrupa-
dos e distinguidos por suas cadeias laterais:
• Os cinco aminoácidos que dispõem de cadeias laterais eletri-
camente carregadas (+1, -1), atraem água (são hidrofi.1icos) e
íons de carga oposta de todos os tipos.
• Os cinco aminoácidos que dispõem de cadeias laterais polares
(13+, 13-) tendem a formar pontes de hidrogênio com a água e
com outras substâncias polares ou carregadas. Esses aminoá-
cidos são hidrofílicos.
• Os sete aminoácidos dispõem de cadeias laterais hidrocarbo-
netos apoIares ou hidrocarbonetos levemente modificados.
No ambiente aquoso da célula, as cadeias laterais hidrofóbicas
podem-se agrupar no interior da proteína. Esses aminoácidos
são hidrofóbicos.
Três aminoácidos - cisteína, glicina e prolina - configuram casos
especiais, embora suas cadeias laterais sejam geralmente hidro-
fóbicas.
• A cadeia lateral da cisteína, com um grupo terminal-SH, pode
reagir com outra cadeia lateral desse aminoácido para formar
Aminoácidos com cadeias laterais hidrofílicas carregadas eletricamente
Positiva Q
Aminoácidos com cadeias laterais polares e não-carregadas (hidrofílicas)
Serina Treonina Asparagina Glutamina Tirosina
(Ser; S) (Thr; T) (Asn; N) (Gln; Q) (Tyr;Y)
H H H
Aminoácidos com cadeias laterais hidrofóbicas
Alanina Isoleucina Leucina
(Ala;A) (lIe; I) (Leu; L)
H
H
3
N+-&- coa-
T
H-C-CH3
I
CH2
I
CH3
Q
OH
Metionina
(Mel; M)
H
Negativa ~
A
Casos especiais
Cisteína
(Cys; C)
Glicina
(Gly;G)
Prolina
(Pro; P)
Fenilalanina
(Phe; F)
H
Triptofânio
(Trp; W)
H
Valina
(Vai; V)
H
uma ligação covalente, chamada ponte dissulfeto (- S - S-)
(Figura 3.5). As pontes dissulfeto ajudam a determinar de que
forma uma cadeia de proteína se dobra. Quando a cisteína
não é parte de uma ponte dissulfeto, sua cadeia lateral é hi-
drofóbica.
A cadeia lateral da glicina consiste em um único átomo de hi-
drogênio;' é pequena o suficiente para caber no interior de uma
molécula protéica, onde uma cadeia lateral maior não caberia.
A prolina difere de outros aminoácidos, pois possui um grupo
amino modificado faltando um hidrogênio no seu nitrogênio,
o que limita sua habilidade de fazer pontes de hidrogênio.
Além disso, o sistema de anéis da prolina limita a rotação so-
bre seu carbono cx, então a prolina é freqüentem ente encon-
trada nas curvas ou voltas de uma proteína.
As ligações peptídicas formam o esqueleto
de uma proteína
Quando os aminoácidos se polimerizam, o grupo carboxila e o
grupo amino, ligados ao carbono cx, são os grupos reativos. O
grupo carboxila de um aminoácido reage com o grupo amino de
outro, sofrendo uma reação de condensação que cria uma liga-
ção peptídica. A Figura 3.6 fornece uma descrição simplificada
desse processo. (Nos sistemas vivos, outras moléculas devem
ativar os aminoácidos para que essa reação ocorra e existem pas-
sos intermediários no processo. Examinaremos esses passos na
Seção 12.4).
Assim como uma frase começa com letra maiúscula e termina
com ponto, as cadeias polipeptídicas seguem uma ordem linear. A
"letra maiúscula" química, marcando o início de uma cadeia poli-
Moléculas de cisteína
na cadeia polipeptídica
/ \
C Cadeias laterais N
I / '" I
H- C fCH2 -SHIISH-CH2t C -H
~ :2H-1 6
I
Os grupos -SH de
duas cadeias laterais
da cisteínas reagem
para formar uma
ligação covalente entre
os dois átomos de
enxofre..
C
I
H-C
I
N
N
I
C-H
I
C
...resultando na
formação de uma
ponte dissulfeto.
peptídica, é o grupo amino do primeiro aminoácido na cadeia, co-
nhecido como N-terminal. A"pontuação" química, que marca o final
da cadeia, é o grupo carboxila do último aminoácido, o C-terminal.
Todos os outros grupos amino e carboxila (exceto aqueles nas ca-
deias laterais) estão envolvidos na formação da ligação peptídica,
logo não existem na cadeia como grupos intactos "livres". Os bio-
químicos se referem à orientação de polipeptídeos como "N -,;C"
ou "amino a carboxila".
A ligação peptídica dispõe de duas características importantes
na estrutura tridimensional das proteínas:
• Diferente de muitas ligações covalentes simples,
nas quais os grupos em qualquer lado das liga-
ções são livres para girar no espaço, a ligação C-N
é relativamente rígida. Os átomos adjacentes (os
carbonos a. dos dois aminoácidos adjacentes, de-
monstrados em preto na Figura 3.6) em uma liga-
ção peptídica não são livres para girar totalmente,
e essa falta de flexibilidade limita o dobramento da
cadeia polipeptídica.
• O oxigênio ligado ao carbono (C=O) no grupo
carboxila apresenta uma leve carga negativa W),
enquanto o hidrogênioligado ao nitrogênio é le-
vemente positivo (0+). Essa as simetria de carga
favorece as pontes de hidrogênio, no interior da
própria molécula protéica e com outras moléculas,
contribuindo para a estrutura e a função de muitas
proteínas.
Antes exploramos o significado dessas características,
agora precisamos examinar a importãncia da ordem
dos aminoácidos.
Figura 3.6 Formação das ligações peptídicas Nos orga-
nismos vivos, a reação conduzindo a uma ligação peptídica tem
muitos passos intermediários, mas os reagentes e produtos são
os mesmos, conforme demonstrado neste diagrama simplificado.
Figura 3.5 Uma ponte dissulfeto Duas moléculas de cisteina em
uma cadeia polipeptídica podem formar uma ponte dissulfeto (-&-S-).
A estrutura primária de uma proteína é a sua
seqüência de aminoácidos
Existem quatro níveis da estrutura de proteínas: primária, secun-
dária, terciária e quaternária. A seqüência precisa de aminoácidos
em um polipeptídeo constitui a estrutura primária de uma pro-
teína (Figura 3.7A). O esqueleto peptídico da cadeia polipeptídica
consiste em uma seqüência repetitiva -N-C-C-, constituída do
átomo de N do grupo amino, o átomo de carbono a. e o átomo de
C do grupo carboxila de cada aminoácido.
Os cientistas têm deduzido a estrutura primária de muitas pro-
teínas. As abreviaturas de uma letra para aminoácidos (ver Tabela
3.2) são usadas para registrar a seqüência de aminoácidos de uma
proteína. Aqui, por exemplo, estão os primeiros vinte aminoácidos
(de um total de 124) da proteína ribonuclease de um bovino:
O número teórico de proteínas diferentes é enorme. Consideran-
do que existem vinte aminoácidos diferentes, poderiam existir 20
x 20 = 400 dipeptídeos distintos (dois aminoácidos ligados), e
20 x 20 x 20 = 8.000 tripeptídeos diferentes (três aminoácidos
ligados). Imagine esse processo de multiplicação por vinte es-
tendido a uma proteína feita de cem aminoácidos (considerada
uma proteína pequena). Poderiam existir 20100 proteínas peque-
nas, cada uma com sua própria estrutura primária distinta. Qual
é a dimensão do número 20100? Não existem tantos elétrons no
universo inteiro!
H O
H"" + I II -
H-N-@-C-O
H/ Io
H H
1 I ~O
H-N-@-C
I I b-
H 0
Os grupos aminoe carboxila
dos dois aminoácidos reagem
para formaruma ligação
peptídica.Umamoléculade
água é perdida (condensação)
Ligação peptídica \ para cada ligaçãoque se forma.
H_H_",,_~-l-~~N-l- éO
H/ I I I b-o H 0
N-terminal
(+H3N)
C-terminal
(COO-)
A repetição desta reação
ligamuitosaminoácidos
em um polipeptídeo.
Monõmeros de aminoácidos associam-se
formando cadeias polipeplídicas. ~~ Ll9aÇãOPePtidica\
. .
/ \
Folhas p-pregueadas
Po"," " h'dmg"'m~.
Polipeplídeos dobram, produzindo formas
específicas. As dobras são estabilizadas
por ligações, incluindo pontes de
hidrogênio e dissulfeto. Dois ou mais polipeplídeos se dobram para formar
moléculas maiores. A molécula hipotética aqui é um
tetrâmero, constituído de quatro subunidades
polipeptídicas.
_____Pontes de
" hidrogênio
Figura 3.7 Os quatro níveis de estrutura protéica A estrutura secundária, a ter-
'ária e a quaternária surgem a partir da estrutura primária da proteína.
Nos níveis mais elevados da estrutura protéica, o enovela-
::lento e o dobramento locais fornecem à molécula sua forma fun-
;::onal final, mas todos esses níveis derivam da estrutura primária,
ou seja, a precisa localização dos aminoácidos específicos na ca-
.:leia polipeptídica. As propriedades associadas à seqüência precisa
je aminoácidos determinam como a proteína pode enrolar-se e
iobrar-se, adotando assim uma estrutura estável específica que a
i:stingue de todas as outras.
A estrutura primária é determinada por ligações covalentes. O
próximo nível de estrutura protéica é determinado por pontes de
hidrogênio mais fracas.
A estrutura secundária de uma proteína requer
pontes de hidrogênio
A estrutura secundária de uma proteína consiste em padrões es-
paciais regulares e repetidos em diferentes regiões de uma cadeia
polipeptídica. Existem dois tipos básicos de estrutura secundária,
ambos determinados pelas pontes de hidrogênio, entre os resídu-
os de aminoácidos, que constituem a estrutura primária.
a-HÉLICE A a-hélice é uma espiral voltada para a direita
"torcida" na mesma direção que a rosca de um parafuso padrão
(Figura 3.78). Os grupos R se estendem para fora do esqueleto
polipeptídico da hélice. O enovelamento resulta das pontes de
hidrogênio entre o hidrogênio levemente positivo, do N-H de
um aminoácido, e o oxigênio levemente negativo, do C=O de ou-
tro. Quando esse padrão de pontes de hidrogênio é estabelecido
repetidamente sobre um segmento da proteína, ele estabiliza o
enovelamento. A presença de aminoácidos com grupos R gran-
des que distorcem a hélice ou, de outra forma, previnem a forma-
ção das pontes de hidrogênio necessárias, manterão a a-hélice na
forma de cadeia linear.
A estrutura secundária em a-hélice é comum em proteínas
estruturais fibrosas insolúveis, chamadas queratinas, que consti-
tuem o cabelo, os cascos e as penas. O cabelo pode ser esticado
porque a elasticidade exige que somente as pontes de hidrogênio
da a-hélice, não as ligações covalentes, sejam rompidas; quando
a tensão sobre o cabelo é liberada, as pontes de hidrogênio e a
hélice se reconstituem.
FOLHA !l-PREGUEADA Uma folha l3-pregueada é formada de
duas ou mais cadeias polipeptídicas quase distendidas comple-
tamente e alinhadas. A folha é estabilizada por pontes de hidro-
gênio entre os grupos N-H de uma cadeia e os grupos C=O de
outra (Figura 3.7C). A folha ~-pregueada pode se formar entre
cadeias polipeptídicas separadas, como na teia da aranha, ou entre
diferentes regiões de um mesmo polipeptídeo inclinado sobre si
mesmo. Muitas proteínas contêm regiões tanto da a-hélice quan-
to da folha ~-pregueada na mesma cadeia polipeptídica.
As proteínas unidas podem ser muito fortes. A teia de
aranha, por exemplo, é mais forte que o Kevlar,o políme-
ro artificial usado em roupas à prova de balas. Os usos
potenciais da teia de aranha (se pudesse ser purificada
em quantidades suficientemente grandes) incluem airba-
gs para automóveis e suturas cirúrgicas.
A estrutura terciária de uma proteína é formada
pela curvatura e pelo dobramento
Em muitas proteínas, a cadeia polipeptídica é dobrada em pon-
tos específicos e então dobrada para trás e para frente, resultan-
do na estrutura terciária da proteína (Figura 3.70). Embora as
a-hélices e as folhas ~-pregueadas contribuam para a estrutura
terciária, somente partes da macromolécula geralmente têm essas
estruturas secundárias, e regiões grandes consistem em estruturas
terciárias únicas para uma proteína particular. A estrutura terciária
resulta em uma macromolécula com uma definida forma tridi-
mensional..As superfícies externas da macromolécula apresentam
grupos funcionais capazes de interagir quimicamente com outras
moléculas na célula. Estas podem ser outras proteínas (como na
estrutura quaternária, conforme veremos abaixo) ou pequenas
moléculas (como nas enzimas, ver Seção 6.4).
Enquanto as pontes de hidrogênio entre os grupos N-H e
C=O dentro e entre as cadeias são responsáveis pela estrutura se-
cundária, as interações entre os grupos R - as cadeias laterais dos
aminoácidos - determinam a estrutura terciária. Descrevemos as
várias interações fortes e fracas entre os átomos na Seção 2.2 (ra-
bela 2.1).Muitas dessas interações envolvem-se na determinação
da estrutura terciária:
• Pontes dissulfeto covalentes podem se formar entre cadeias la-
terais específicas de cisteína (ver Figura 3.5), mantendo um
polipeptídeo dobrado no lugar.
• Cadeias laterais hidrofóbicas podem se agregar no interior da
proteína, distante da água, dobrando o polipeptídeo no pro-
cesso.
• Forças de van der Waals podem estabilizar interações próximas
entre as cadeias lateraishidrofóbicas.
• Interações iônicas podem ocorrer entre cadeias laterais carrega-
das positivamente e negativamente, enterradas no fundo de
uma proteína, distante da água, formando uma ponte salina.
• Pontes de hidrogênio entre as cadeias laterais também estabili-
zam dobramentos nas proteínas.
Uma descrição completa da estrutura terciária da proteína especi-
fica a posição de cada átomo na molécula no espaço tridimensio-
nal em relação a todos os outros átomos. Tal descrição é disponí-
vel para a proteína lisozima (Figura 3.8). As primeiras estruturas
terciárias levaram anos até serem decifradas, mas hoje dezenas de
novas estruturas são publicadas a cada semana. Graças a inúme-
ros avanços isso têm sido possível. Dentre eles destacamos: nossa
habilidade de produzir grandes quantidades de proteínas espe-
cíficas por meio da biotecnologia e o uso de computadores para
analisar os dados atômicos.
Não esqueça de que as estruturas terciária e secundária deri-
vam da estrutura primária da proteína. Se a lisozima é aquecida
lentamente, a energia do calor rompe somente as interações fra-
cas e causa apenas o rompimento da estrutura terciária. Contudo,
a proteína retorna à estrutura terciária normal quando resfriar, de-
monstrando que toda a informação necessária para especificar a
forma única de uma proteína está contida na estrutura primária.
A estrutura quaternária de uma proteína
consiste em subunidades
Muitas proteínas funcionais contêm duas ou mais cadeias poli-
peptídicas, chamadas subunidades, cada uma delas dobrada na sua
própria e especial estrutura terciária. A estrutura quaternária das
proteínas resulta das formas com que essas subunidades se ligam
e interagem (ver Figura 3.7E).
A hemoglobina ilustra a estrutura quaternária (Figura 3.9).
Interações hidrofóbicas, forças de van der Waals, pontes de hidro-
gênio e ligações iônicas ajudam a unir as quatro subunidades, a
fim de formarem a molécula da hemoglobina. A função da he-
moglobina é transportar o oxigênio nos eritrócitos. Como ela liga
uma molécula de O2, as quatro subunidades movem suas posições
relativas levemente, mudando a estrutura quaternária. As ligações
iônicas são rompidas, expondo as cadeias laterais que aumentam
a ligação de moléculas de O2 adicionais. A estrutura muda nova-
mente quando a hemoglobina libera suas moléculas de O2 nas
células do corpo.
A forma e a química da superfície contribuem
para a especificidade das proteínas
A forma e a estrutura específicas de uma proteína permitem-na
se ligar não-covalentemente a outra molécula (freqüentemente cha-
mada de ligante), que por sua vez permite que ocorram outros
eventos biológicos importantes. Aqui estão apenas alguns poucos
Uma representação realista da lisozima demonstra
o denso empacotamento de seus átomos.
9gura 3.8 Três representações da lisozima Representações
-::J eculares diferentes enfatizam aspectos diversos de sua estrutu-
:: :erciária. Estas três representações da Iisozima estão orientadas
~~i1armente.
- emplos do modo que a proteína funciona de acordo com a sua
.::.:,--::rutura:
Duas células adjacentes podem se unir, porque proteínas se
sobressaem de cada uma das células, interagindo umas com
as outras (junções celulares; ver Seção 5.2).
Uma substância pode entrar em uma célula por ligação a uma
proteína transportadora na membrana da superfície celular
(transporte nas membranas; ver Seção 5.3).
Uma reação química pode ser acelerada quando um tipo de
proteína, enzima, se liga aos reagentes (interações enzima-
substrato; ver Seção 6.3).
Sinalizadores químicos, como os hormônios, podem se ligar a
proteínas na superfície externa da célula (proteínas receptoras;
\·er Seção 15.1 e o Capítulo 47).
o "esqueleto" da lisozima consiste em
unidades N-C-C repetidas de aminoácidos.
• Proteínas de defesa (anticorpos) podem reconhecer a forma
de um vírus e ligar-se a ele (resposta imune; ver Capítulo 18).
A especificidade biológica da função protéica depende de duas
propriedades gerais da proteína: sua forma e a química dos seus
grupos de superfície expostos.
• Fonna. Quando uma molécula pequena colide e se liga a uma
proteína muito maior, é como uma bola de beisebol sendo
pega por um apanhador. A luva do apanhador apresenta uma
forma que se adapta a bola e a preenche ao redor. Assim como
uma bola de pingue-pongue ou hóquei não são desenhadas
para caber na luva de beisebol, uma dada molécula se ligará a
uma proteína somente se existir um" encaixe" entre suas duas
formas tridimensionais. A necessidade do correto" encaixe" se
torna mais específica após a ligação inicial.
• Química. Os grupos funcionais na superfície de uma proteína
promovem interações químicas com outras substâncias (Figu-
ra 3.10). Esses grupos são as cadeias laterais dos aminoácidos
expostos e são, portanto, propriedade da estrutura primária da
proteína.
-gura 3.9 Estrutura quaternária de uma
teína A hemoglobina consiste em quatro
:õ....:Junidadesdobradas que se reúnem na es-
-_~ura quaternária aqui demonstrada. Nestas
:..2.s representações gráficas cada tipo de subu-
- :::ade tem uma cor diferente. Os grupos heme
==":êm ferro e são os sítios transportadores de
-, ;jênio.