4. Funções das Proteínas

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Funções das proteínas
1º semestre de 2012
Prof. Dr. Helotonio Carvalho
Unidade Curricular de Bioquímica Estrutural
UNIFESP – Campus Diadema
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Funções das proteínas
Função estrutural – participam da estrutura dos tecidos.  
Muitas proteínas servem como filamentos de suporte para fornecer proteção ou resistência a estruturas biológicas. 
A alta força de tensão da pele o do osso é devida à presença do colágeno, uma proteína fibrosa. O couro é quase que colágeno puro. Os ligamentos contêm elastina, uma proteína estrutural capaz de distender-se em duas dimensões. 
Colágeno: proteína de alta resistência, encontrada na pele, nas cartilagens, nos ossos e tendões.
Actina e Miosina: proteínas contráteis, abundantes nos músculos, onde participam do mecanismo da contração muscular.
Queratina: proteína impermeabilizante encontrada na pele, no cabelo e nas unhas, Evita a dessecação, o que contribuiu para a adaptação à vida terrestre.
Albumina: proteína mais abundante do sangue, relacionada com a regulação osmótica e com a viscosidade do plasma (porção líquida do sangue).
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2) Função enzimática 
As enzimas compõem o grupo de proteínas mais variado e mais especializado, formadas por componentes que exibem atividade catalítica – As enzimas têm eficiência catalítica extraordinária, em geral, muito maior que aquela dos catalisadores sintéticos, aumentando a velocidade de reações em milhares ou milhões de vezes. 
Quase todas as reações químicas em sistemas biológicos são catalisadas por enzimas. As enzimas são fundamentais como moléculas reguladoras das reações biológicas. Dentre as proteínas com função enzimática pode-se citar as lipases que transformam os lipídios em suas unidades constituintes: ácidos graxos e glicerol; e as DNA polimerases.
Funções das proteínas
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3) Função contrátil e de movimento
 Algumas proteínas tem papel importante na capacidade de células e organismos de contrairem-se, mudarem de forma, ou de se deslocarem no meio ambiente. 
Actina e miosina funcionam no sistema contrátil do músculo esquelético. A contração muscular é realizada pelo deslizamento dos dois tipos de filamentos protéicos constituídos por estas proteínas. 
A tubulina é a proteína com a qual os microtúbulos são construídos. Os microtúbulos agem de forma coordenada com a proteína dineína nos cílios e flagelos para propelir as células. 
O movimento coordenado dos cromossomos na mitose é produzido por montagens contráteis de microtúbulos. 
Funções das proteínas
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Contração muscular-Filamentos de actina e miosina
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Contração muscular
A contração muscular ocorre devido ao deslizamento dos filamentos de miosina sobre os filamentos de actina, um processo dependente de ATP. 
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Contração muscular
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Contração muscular-regulação por troponina e tropomiosina
Além de actina e miosina, também são essenciais à contração muscular as proteínas troponina e tropomiosina, que são responsáveis pela regulaçào da contração muscular . 
A tropomiosina liga-se ao filamento fino bloqueando a ligação das cabeças de miosina. A troponina, uma proteína que liga Ca2+, interage com a tropomiosina. Essa interação é alterada quando impulsos nervosos causam liberação de Ca2+ do retículo sarcoplasmático, o que expõe a região de interação com a miosina. 
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4) Função hormonal
Muitos hormônios são protéinas. Hormônios são sintetizados pelas glândulas endócrinas e lançados no sangue a fim de estimular ou inibir a atividade de certos órgãos. É o caso da insulina, hormônio peptídico de 5,8 kDa, produzido no pâncreas responsável pela manutenção da glicemia (taxa de glicose no sangue).   
Funções das proteínas
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5) Função nutritiva
Proteínas servem como fontes de aminoácidos, incluindo os essenciais requeridos pelo homem e outros animais. 
Esses aminoácidos podem ainda ser oxidados como fonte de energia. Nos ovos de muitos animais (como os das aves) o vitelo, material que se presta à nutrição do embrião, é particularmente rico em proteínas.   
Funções das proteínas
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Funções das proteínas
6) Função de defesa
Existem células no organismo capazes de "reconhecer" proteínas "estranhas" que são chamadas de antígenos. Na presença dos antígenos o organismo produz proteínas de defesa, denominados anticorpos. O anticorpo combina-se, quimicamente, com o antígeno, de maneira a neutralizar seu efeito. A reação antígeno-anticorpo é altamente específica, o que significa que um determinado anticorpo neutraliza apenas o antígeno responsável pela sua formação. 
 Os anticorpos são produzidos por certas células de corpo (como os linfócitos, um dos tipos de glóbulo branco do sangue). 
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Funções das proteínas
7) Coagulação sangüínea - vários são os fatores da coagulação que possuem natureza protéica, como por exemplo: fibrinogênio, protrombina, globulina anti-hemofílica, etc...
   8) Transporte - pode-se citar como exemplo a hemoglobina, proteína responsável pelo transporte de oxigênio no sangue e a transferrina, responsável pelo transporte de ferro na corrente sanguínea.
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Mioglobina e Hemoglobina
Armazenamento e Transporte de oxigênio
Grupo Heme
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Hemoglobina
Função: transporte de O2.
Peso molecular: 64,5 kDa.
4 cadeias sendo duas cadeias a, com 141 aminoácidos cada e duas cadeias b, com 146 aminoácidos cada. Cada cadeia polipeptídica possui um grupo heme ligado. 
Formada por 8 segmentos de a-hélice separada por voltas b na cadeia b e 7 segmentos de a-hélice na cadeia a (não possui hélice D). As hélices são denominadas A a H e as conexões entre elas AB, BC, etc.
Apesar da identidade entre as cadeias a e b ser menor que 50 %, a estrutura tridimensional dos dois tipos de cadeia é muito similar. Estas estrutruras também são muito semelhantes à da mioglobina. 
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Similaridades de seqüências de aminoácidos entre mioglobina e as cadeias a e b da hemoglobina
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Ligação de oxigênio na mioglobina e na hemoglobina
Oxigênio ligado à mioglobina
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Sendo:
 
q = fração de sítios protéicos ocupados por O2 (grau de saturação).
Kd = constante de constante de dissociação do complexo proteína-O2. 
P50 = pressão parcial de oxigênio em que 50% dos sítios estão ocupados.
ou
Descrição matemática para interação proteína-ligante 
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Constantes de dissociação para algumas proteínas e seus respectivos ligantes 
Quanto menor a constante de afinidade, mais forte é a interação proteína-ligante
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A expressão de q descreve uma hipérbole
A curva descreve a variação do número de sítios ocupados/número total de sítios para ligação de O2 na mioglobina em função da pressão parcial de oxigênio. 
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No entanto, no caso da hemoglobina, esta curva se desvia do comportamento esperado, não descrevendo uma hipérbole, mas uma sigmóide:
Por quê isso ocorre?
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Isto acontece devido à cooperatividade entre as cadeias polipeptídicas da hemoglobina.
A ligação da primeira molécula de O2 favorece a ligação da 2a, que facilita a ligação da 3a que facilita a ligação da 4a. A ligação da quarta molécula de oxigênio é 300 vezes mais eficiente que a primeira. 
Este efeito se deve a mudanças conformacionais em uma subunidade da hemoglobina que ligou O2. Isto induz alterações conformacionais nas demais subunidades da hemoglobina. 
Ligação de O2 à hemoglobina
Efeito cooperativo 
Após ligação ao O2, heme assume uma posição mais planar, alterando a posição da His F8 e da hélice F, o que leva a alterações nas interações eletrostáticas entre cadeias laterais de aminoácidos das cadeias a e b, causando alterações conformacionais na proteína.
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Deoxihemoglobina (deoxyHb)
(vermelho amarronzado-sangue venoso)
Oxihemoglobina (oxyHb) ou hemoglobina ligada a O2. (vermelho vivo-sangue arterial)
Alterações conformacionais na hemoglobina ligada a O2.
Esta é uma característica de proteínas alostéricas: a ligação uma região da proteína afeta a afinidade pelo ligante em outra região da proteína. 
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Relevância
biológica do comportamento diferencial de mioglobina e hemoglobina 
A mioglobina liga O2 fortemente a pressões parciais de O2 muito baixas, e mantém este O2 ligado. Funciona muito bem para armazenar O2.
A hemoglobina liga O2 fortemente nas altas pressões parciais de O2 dos alvéolos pulmonares (100 Torr = 13,3 kPa). Em contrapartida, sua afinidade pelo O2 é muito menor em pressões parciais de O2 menores como as dos capilares dos tecido (26 Torr = 4kPa). Adaptada para transportar O2 de lugares com mais O2 para outros com menos O2.
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A hemoglobina também carrega H+ e CO2: Efeito Bohr 
Oxigenação – Desoxigenação da Hemoglobina
O CO2, produzido pelo metabolismo dos tecidos, se difunde para os capilares sanguíneos. Não sendo muito solúvel o CO2 é transformado em HCO3- (bicarbonato) pela anidrase carbônica, enzima abundante na hemácia.
 
O íon H+ formado é captado pela hemoglobina ao mesmo tempo em que esta libera o O2 para as necessidades dos tecidos. A reação inversa ocorre nos capilares pulmonares, levando à captação de O2 e liberação de CO2.
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A hemoglobina também carrega H+ e CO2: Efeito Bohr 
A afinidade da Hemoblobina pelo O2 diminui com o aumento da pressão de CO2 e conseqüente baixa do pH nos tecidos metabolicamente ativos que têm maior necessidade de O2. 
A conversão de oxi-Hb em desoxi-Hb é acompanhada por captação de prótons, e sua oxigenação por liberação de prótons.
A Hemoglobina, então, exerce um papel fundamental na manutenção
do pH plasmático, juntamente com o tampão bicarbonato sanguíneo.
pO2 em tecido muscular ativo
Em tecidos musculares ativos há formação de ácido lático que abaixa o pH para 7,2. Neste pH a hemoglobina libera 10 % mais O2, aumentando o suprimento de O2 para o músculo. 
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Regulação da afinididade da hemoglobina por O2 pelo 2,3-bifosfoglicerato
O BPG é um intermediário de uma das reações da glicólise. 
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Regulação da afinidade da hemoglobina por O2 pelo 2,3-bifosfoglicerato (BPG)
A afinidade da hemoblobina pelo O2 é reduzida pela ligação ao 2,3-difosfoglicerato. 
Sem BPG, a afinidade da hemoglobina pelo O2 seria muito maior e pouco O2 seria liberado nos capilares.
O BPG tem um papel importante na adaptação do organismo humano a grandes altitudes. Isto ocorre pelo aumento da [BPG] no sangue, o que diminui a afinidade da hemoglobina pelo O2 resultando num aumento na quantidade de O2 liberada nos capilares, o que compensa a falta de oxigênio em grandes altitudes. 
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Anemia Falciforme
Anemia: nível de glóbulos vermelhos abaixo do normal;
 A anemia das células falciformes é um tipo específico de anemia;
 É causada por uma mutação na qual há substituição de um Glu por uma Val na cadeia b da hemoglobina, levando à formação da hemoglobina S, anormal. Ocorre apenas em indivíduos homozigotos para esta mutação.
 Esta mutação provoca uma alteração na estrutura da hemoglobina uma vez que o glutamato é polar enquanto a valina é apolar. Esta substituição provoca a associação anormal das hemoglobinas (por interações hidrofóbicas na parte externa na molécula), o que que leva à formação de agregados fibrosos característicos.
Isto leva à deformação da célula dos glóbulos vermelhos, ficando estes com forma de foice.
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Anemia Falciforme
A crises na anemia falciforme são desencadeadas por exercício físico e se caracterizam por fraqueza, tontura, falta de fôlego e aumento da pulsação. O conteúdo de hemoglobina no sangue é de aproximadamente metade do valor normal de 15-16 g/100 mL, devido à fragilidade das hemácias em forma de foice que se rompem facilmente. Os capilares podem ser obstruídos pelas células alongadas causando dores e mal funcionamento de órgãos. 
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