Aminoácidos e proteínas

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Aminoácidos e proteínas
Introdução
As proteínas são as macromoléculas biológicas mais abundantes, ocorrendo em todas as células e em todas as partes das células, controlando praticamente todos os processos que ocorrem em uma célula e exibindo uma quase infinita diversidade de funções. As proteínas também ocorrem em grande variedade, milhares de diferentes tipos podem ser encontrados em uma única célula. As proteínas são os instrumentos moleculares pelos quais a informação genética é expressa. Os aminoácidos são as subunidades monoméricas que fornecem a chave da estrutura de milhares de proteínas diferentes. As células produzem proteínas com propriedades e atividades completamente diferentes ligando os mesmos 20 aminoácidos em combinações e sequências muito diferentes. Nesta discussão serão apresentadas as propriedades químicas fundamentais dos aminoácidos, peptídeos e proteínas. Em seguida será discutida a estrutura das proteínas e de que forma as proteínas interagem com outras moléculas e como essas interações estão relacionadas com a estrutura dinâmica da proteína.
1. Aminoácidos
As proteínas são polímeros de aminoácidos, com cada resíduo de aminoácido unido ao seu vizinho por um tipo específico de ligação covalente. Vinte aminoácidos diferentes são comumente encontrados em proteínas. Todos os 20 tipos de aminoácidos comuns são α-aminoácidos, isto é, eles têm um grupo carboxila e um grupo amino ligados ao mesmo átomo de carbono, o carbono α. Diferem uns dos outros em suas cadeias laterais ou grupos R, que variam em estrutura, tamanho e carga elétrica, e que influenciam a solubilidade dos aminoácidos em água. Além desses 20 aminoácidos, há muitos outros menos comuns. Para todos os aminoácidos comuns, exceto a glicina, o carbono α está ligado a quatro grupos diferentes; um grupo carboxila, um grupo amino, um grupo R e um átomo de hidrogênio. Nestes casos, o átomo de carbono α é um centro quiral. Em decorrência do arranjo tetraédrico dos orbitais de ligação em volta do átomo de carbono α, os quatro grupos diferentes podem ocupar dois arranjos espaciais únicos e, portanto, os aminoácidos têm dois estereoisômeros possíveis. As configurações absolutas de aminoácidos são especificadas pelo sistema D, L, com base na configuração absoluta do açúcar de três carbonos gliceraldeído. Os L-aminoácidos são aqueles com o grupo α-amino na esquerda e os D-aminoácidos com esse grupo na direita. Os resíduos de aminoácidos em moléculas proteicas são estereoisômeros L, os resíduos de D-aminoácidos foram encontrados em peptídeos de paredes celulares bacterianas e certos antibióticos peptídicos. A estrutura geral de um aminoácido e os dois estereoisômeros da alanina está representada a seguir.
Os aminoácidos são agrupados em cinco classes principais com base nas propriedades dos seus grupos R, particularmente sua polaridade. Alguns aminoácidos (glicina, histidina e cisteína) são um pouco difíceis de caracterizar ou não se encaixam perfeitamente em qualquer grupo. Em cada classe há gradações de polaridade, tamanho e forma dos grupos R.
a) Grupos R apolares, alifáticos: Os grupos R nesta classe de aminoácidos são apolores e hidrofóbicos. São glicina (cadeia lateral muito curta, grupo R é um átomo de hidrogênio), alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina (contém enxofre em ligação tioéter) e a prolina (possui estrutura cíclica e um grupo imino).
b) Grupos R aromáticos: apresentam cadeias aromáticas e são relativamente apolares. São fenilalanina, tirosina (grupo hidroxila) e triptofano (anel indol). Absorvem a luz ultravioleta, com absorção máxima no λ=280 nm. 
c) Grupos R polares, não carregados: São solúveis em água, porque eles contêm grupos funcionais que formam ligações de hidrogênio com água. Serina e treonina (grupo hidroxila), cisteína (sulfidrila, polaridade modesta), asparagina e glutamina (grupo amida). A cisteína pode ser oxidada para formar um aminoácido dimérico (cistina) ligado por uma ligação covalente (ligação dissulfeto). 
d) Grupos R carregados positivamente (básicos): São grupos hidrofílicos que apresentam carga positiva em pH 7,0. São a lisina (segundo grupo amino no carbono ε), arginina (grupo guanidino) e a histidina (grupo imidazol aromático, sua cadeia lateral está parcialmente ionizada em pH 7,0, pois possui pKa próximo da neutralidade). 
e) Grupos R carregados negativamente (ácidos): Apresentam grupos R com carga negativa em pH 7,0. Aspartato e glutamato (possuem um segundo grupo carboxílico).
Além dos 20 aminoácidos comuns, as proteínas podem conter resíduos criados por modificações de resíduos comuns já incorporados em um polipeptídico. A 4-hidroxi-prolina e a 5-hidroxilisina são encontradas no colágeno; a 6-N-metil-lisina é constituinte da miosina, o y-carboxiglutamato é encontrada em proteínas que se ligam ao Ca2+ e a desmosina encontrada na elastina. Os aminoácidos também podem ser modificados de forma reversível (fosforilação, metilação, etilação, adenilação, adição de ADP-ribosil), regulando a atividade da proteína. Além disso, nem todos os aminoácidos são constituintes de proteínas, mas sim, são intermediários metabólicos como a ornitina e a citrulina. Algumas poucas proteínas apresentam o aminoácido selocisteína, o qual é introduzido durante a síntese proteica, em vez de criado por uma modificação pós-traducional.
Os grupos amino e carboxila de aminoácidos, em conjunto com os grupos R ionizáveis de alguns aminoácidos, funcionam como ácidos e bases fracos. Os aminoácidos atuam com um íon bipolar, denominado zwitteríon, que pode agir como base ou ácido, e assim é denominado de anfólito. Aminoácidos monamino monocarboxílico são ácidos dipróticos em pH baixo e existem em várias formas iônicas diferentes à medida que o pH aumenta. A partir da curva de titulação ácido-base de um aminoácido é possível obter o pKa de cada um dos dois grupos ionizáveis. Estes valores de pKa são mais baixos do que aqueles dos grupos simples de carboxila e amino substituído por metil. Estas pertubações do pKa se devem a interações intramoleculares. O pKa do grupo carboxil é menor nos aminoácidos que no ácido acético porque grupos com cargas opostas diminuem o pKa pela estabilização do zwitteríon. Os átomos de oxigênio eletronegativos no grupo carboxila puxam os elétrons para longe do grupo amino, reduzindo seu pKa. Cada região de 1 unidade de pH de cada lado de cada pKa indica a região em que o aminoácido é um bom tampão. O pH característico no qual a carga elétrica final é zero é designado ponto isoelétrico ou pH isoelétrico (pI). O pI corresponde ao ponto de inflexão entre os dois estágios na curva de titulação de um aminoácido ou ao pH no qual o aminoácido está totalmente ionizado, mas sem carga líquida final. Para os aminoácidos sem cadeia lateral ionizável, o ponto isoelétrico é a média aritmética dos dois valores de pKa. Para os aminoácidos com cadeia lateral ionizável, a curva de titulação apresenta três estágios e o valor de pI é calculado a partir do valor de pKa dos dois grupos mais próximos da forma isoelétrica. Quanto mais distante for o pH de uma solução do ponto isoelétrico de um aminoácido, maior será a carga elétrica final da molécula de aminoácido. Em qualquer pH abaixo do seu pI, o aminoácido tem carga final positiva e se desloca em direção ao eletrodo negativo (cátodo) e em qualquer pH acima do seu pI, o aminoácido tem carga final negativa e se desloca em direção ao eletrodo positivo (anôdo). 
2. Peptídeos e proteínas
Duas moléculas de aminoácidos podem ser ligadas de modo covalente por meio de uma ligação amida substituída, denominada ligação peptídica, a fim de produzir um dipeptídeo. A formação de tal ligação envolve a remoção de água e é um exemplo de uma reação de condensação. Em condições bioquímicas padrão, o equilíbrio favorece os aminoácidos em relação ao dipeptídeo. Para tornar a reação mais favorável termodinamicamente, o grupo carboxila deve ser modificado ou ativado, de modo que o grupo hidroxila possa ser mais rapidamente eliminado. O aminoácido é ativadopela ligação fosfodiéster ao RNA transportador. Embora a hidrólise de uma ligação peptídica seja uma reação exergônica, ela ocorre lentamente porque tem uma elevada energia de ativação. Em um peptídeo, o resíduo de aminoácido na extremidade com um grupo α-amino livre é chamado de resíduo aminoterminal (N-terminal); o resíduo na outra extremidade, que tem um grupo carboxila livre, é o resíduo carboxiterminal (C-terminal). Os peptídeos podem ser diferenciados por seus comportamentos de ionização, que depende do pKa dos seus grupos α-amino e α-carboxila livres combinado com a natureza e o número de seus grupos R ionizáveis. 
Os peptídeos e polipeptídeos ocorrem em uma ampla variação de tamanho e composições, uma vez que proteínas podem ter cadeias peptídicas muito longas de 100 a muitos milhares de resíduos de aminoácidos, enquanto que alguns peptídeos possuem apenas alguns poucos resíduos de aminoácidos. Algumas proteínas são compostas por várias cadeias polipeptídicas associadas de modo não covalente, chamadas de subunidades. Algumas proteínas contêm componentes químicos permanentemente associados além dos aminoácidos, elas são chamadas de proteínas conjugadas. A parte não aminoácido de uma proteína conjugada é chamada grupo prostético. As proteínas conjugadas são classificadas com base na natureza química dos seus grupos prostéticos. Assim, as lipoproteínas contêm lipídeos, as glicoproteínas contêm grupos de açúcares e as metaloproteínas contêm um metal. 
3. Estrutura de proteínas
O arranjo espacial dos átomos em uma proteína ou qualquer parte da proteína é chamado de conformação. As conformações possíveis de uma proteína incluem qualquer estado estrutural que ela possa assumir sem a quebra de suas ligações covalentes. As conformações que existem em determinadas condições são, normalmente, aquelas termodinamicamente mais estáveis, ou seja, aquelas com energia livre menores. Proteínas dobradas, em qualquer uma de suas conformações funcionais, são chamadas de proteínas nativas. A maioria das proteínas possuem uma ou pequeno número de estruturas cruciais para a função. No entanto, em muitos casos, partes das proteínas carecem de estruturas perceptíveis. Esses segmentos proteicos são intrinsecamente desordenados. Em alguns casos, proteínas inteiras são intrinsecamente desordenadas, e mesmo assim funcionais. No contexto da estrutura de proteínas, o termo estabilidade pode ser definido como a tendência em manter a conformação nativa. As interações químicas que estabilizam a conformação nativa incluem ligações dissulfeto (covalentes) e interações fracas (não covalentes): ligações de hidrogênio, interações iônicas, hidrofóbicas e de van der Waals. A estrutura das proteínas pode ser descrita em quatro níveis: primário, secundário, terciário e quaternário. 
a) Estrutura primária: descreve todas as ligações covalentes (peptídicas e dissulfeto) ligando resíduos de aminoácidos em uma cadeia polipeptídica. O elemento mais importante da estrutura primária é a sequência de resíduos de aminoácidos, uma vez que a função de uma proteína depende de sua sequência de aminoácidos que confere uma determinada estrutura tridimensional. Embora a sequência de aminoácidos em algumas regiões da estrutura primária possa variar consideravelmente sem afetar a sua função biológica, a maior parte das proteínas contém regiões cruciais que são essenciais para suas funções e cuja sequência é conservada. Além de serem uma fonte rica de informação sobre a estrutura e a função da proteína, as sequências proteicas fornecem informações importantes sobre a localização celular e evolução. 
As ligações covalentes impõem importantes restrições na conformação de um polipeptídeo. A ligação peptídica C-N é mais curta que a ligação C-N de uma amina simples, indicando caráter de ligação dupla devido à ressonância e não pode girar. O oxigênio tem uma carga parcial negativa e o hidrogênio ligado ao nitrogênio tem uma carga líquida parcial positiva, formando um pequeno dipolo elétrico. Os seis átomos do grupo peptídico estão em um único plano, com o átomo de oxigênio do grupo carbonílico trans ao átomo de hidrogênio do nitrogênio da amida. A conformação da ligação peptídica é definida por três ângulos diedros φ, ψ e ω, que refletem a rotação sobre cada uma das três ligações que se repetem no esqueleto peptídico. A princípio φ e ψ podem ter qualquer valor entre +180° e -180°, mas diversos valores são proibidos por impedimento estérico entre os átomos do esqueleto polipeptídico e as cadeias laterais dos aminoácidos. O diagrama de Ramachandran é uma descrição visual das combinações dos ângulos diedros φ e ψ permitidos em um esqueleto peptídico ou não permitidos devido a impedimentos estéricos. O ângulo ω envolve a ligação peptídica, a qual a conformação trans restringe o ω a um valor de ±180°. 
b) Estrutura secundária: refere-se a qualquer segmento de uma cadeia polipeptídica e descreve o arranjo espacial de seus átomos na cadeia principal, sem considerar a posição de suas cadeias laterais ou sua relação com outros segmentos. As estruturas secundárias mais comuns são as hélices α, conformações β e voltas β. Quando um padrão regular não é observado, a estrutura secundária é denominada de indefinida ou espiral aleatória. 
I) Hélice α. Nesta estrutura, o esqueleto polipeptídico é firmemente enrolado em torno de um eixo imaginário desenhado longitudinalmente no centro da hélice, e os grupos R dos resíduos de aminoácidos se projetam para fora do esqueleto helicoidal. A unidade que se repete forma uma volta de hélice, que se estende por cerca de 5,4A ao longo do eixo e cada volta da hélice é formada por 3,6 resíduos de aminoácidos. A hélice α é voltada para direita, orientação mais estável. As hélices α se formam mais facilmente do que qualquer outra conformação porque otimizam 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 átomo de oxigênio eletronegativo da carbonila do quarto aminoácido no lado aminoterminal da ligação peptídica. A sequência de aminoácidos afeta a estabilidade da hélice α e cinco tipos de restrições influenciam a estabilidade de uma hélice α: ocorrência de resíduos de prolina e glicina; volumes dos grupos R adjacentes; interações entre os grupos R; tendência intrínseca de um resíduo de aminoácido formar uma hélice α; interações entre os resíduos de aminoácidos das extremidades do segmento helicoidal e o dipolo elétrico inerente da hélice α.
II) Conformação β: Essa é uma conformação mais estendida das cadeias polipeptídicas na forma de zigue-zague. O arranjo de vários segmentos lado a lado é chamado de folhas β. A estrutura em zigue-zague dos segmentos polipeptídicos individuais dá origem a uma aparência pregueada. As ligações de hidrogênio são formadas entre segmentos adjacentes da cadeia polipeptídica, dentro da folha. Os grupos R dos aminoácidos adjacentes se projetam da estrutura em zigue-zague em direções opostas. As cadeias polipeptídicas adjacentes em uma folha β podem ser tanto paralelas quanto antiparalelas, apresentando uma orientação aminocarboxiterminal igual ou oposta, respectivamente. As ligações de hidrogênio intersegmentos são alinhadas na folha β antiparalela, enquanto elas são distorcidas ou não alinhadas na variante paralela. 
III) Voltas β: são elementos conectores que ligam estruturas sucessivas de hélice α e conformações β, onde a cadeia polipeptídica inverte sua direção. A estrutura é uma volta de 180° que envolve quatro resíduos de aminoácidos com o oxigênio carbonílico do primeiro resíduo formando uma ligação de hidrogênio com o hidrogênio do grupo amino do quarto resíduo. Os resíduos de glicina e prolina frequentemente ocorrem em voltas β. Existe também a volta γ, uma volta com três resíduos e ligação de hidrogênio entre o primeiro e o terceiro resíduo.
A estrutura secundária de um segmento polipeptídico pode ser completamente definida se seusângulos φ e ψ são conhecidos para todos os aminoácidos do segmento. A espectrometria de dicroísmo circular é um método para a identificação das estruturas secundárias comuns e o monitoramento do enovelamento das proteínas.
c) Estrutura terciária: corresponde ao arranjo tridimensional total de todos os átomos de uma proteína. Aminoácidos que estão bem distantes na sequência polipeptídica e em diferentes tipos de estruturas secundárias podem interagir na estrutura da proteína completamente dobrada. Os segmentos de cadeia polipeptídica que interagem entre si são mantidos em suas posições terciárias características por diferentes tipos de interações fracas entre os segmentos. Considerando esse nível de estrutura, as proteínas podem ser classificadas em fibrosas e globulares.
I) Fibrosas: contêm cadeias polipeptídicas arranjadas em longos filamentos ou folhas. São formadas em geral por um único tipo de estrutura secundária, e sua estrutura terciária é relativamente simples. Constituem a base de estruturas que garantem suporte, forma e proteção externa aos vertebrados. Compartilham propriedades que dão força e flexibilidade às estruturas nas quais ocorrem. São insolúveis em água devido a alta concentração de resíduos de aminoácidos hidrofóbicos tanto no interior quanto na superfície da proteína. São exemplos de proteínas fibrosas a α-queratina, o colágeno e a fibroína da seda. 
II) Globulares: contêm cadeias polipeptídicas dobradas em forma esférica ou globular e normalmente contêm diversos tipos de estruturas secundárias. O enovelamento também garante a diversidade estrutural necessária às proteínas para realizar um grande leque de funções biológicas. Cada proteína globular está dobrada de forma compacta e, em cada caso, as cadeias laterais hidrofóbicas dos aminoácidos estão orientadas na direção do centro da proteína, e suas cadeias laterais hidrofílicas se encontram na superfície. As proteínas globulares apresentam dois tipos de padrões estruturais: motivo (estrutura supersecundária ou enovelamento), que é um padrão de enovelamento identificável, envolvendo dois ou mais elementos da estrutura secundária e a conexão entre eles; tais como alça β-α-β e barril β e, domínio que é uma parte da cadeia polipeptídica que é independentemente estável ou pode se movimentar como uma entidade isolada em relação ao resto da proteína. Os milhares de estruturas proteicas conhecidos geralmente são formados por um repertório de apenas poucas centenas de motivos. 
d) Estrutura quaternária: Algumas proteínas contêm duas ou mais cadeias polipeptídicas distintas, ou subunidades, que podem ser idênticas ou diferentes. O arranjo destas subunidades proteicas em complexos tridimensionais constitui a estrutura quaternária. Um exemplo de proteína com subunidades é a hemoglobina. Muitas proteínas com subunidades tem funções reguladoras. Proteínas fibrosas também podem ter subunidades, que têm um papel estrutural.
e) Proteínas intrinsecamente desordenadas: Algumas proteínas ou segmentos proteicos são intrinsecamente desordenados, carecendo de estruturas definidas. Essas proteínas têm composições distintas de aminoácidos (prolina e aminoácidos carregados) que permitem uma estrutura mais flexível. Algumas dessas proteínas desordenadas funcionam como componentes estruturais ou sequestradoras; outras podem interagir com outras proteínas, servindo como inibidores versáteis ou como componentes centrais de redes de interação de proteínas. 
4. Desnaturação e enovelamento das proteínas
a) Desnaturação
Desnaturação proteica é a perda de estrutura tridimensional suficiente para causar a perda de função da proteína. O estado desnaturado não necessariamente corresponde ao desdobramento completo da proteína. Na maioria das condições, as proteínas desnaturadas existem como um conjunto de estados parcialmente dobrados. A maioria das proteínas é desnaturada pelo calor, que tem efeito nas muitas interações fracas, principalmente sobre as ligações de hidrogênio. Os efeitos da temperatura sobre as proteínas são mais complexos e não podem ser facilmente preditos pois existem algumas proteínas que são ditas termorresistentes, funcionando a 100°C. Entretanto, todas as proteínas submetidas a variação de temperatura mostram um comportamento semelhante: a transição do estado de dobramento para o desnaturado é abrupto. O ponto médio da faixa de temperatura em que ocorre a desnaturação é chamado de temperatura de fusão. As proteínas também podem ser desnaturadas por pHs extremos (alteram a carga líquida da proteína, causando repulsão eletrostática e rompimento de algumas ligações de hidrogênio), por certos solventes orgânicos como álcool ou acetona, por ureia, cloreto de guanidina e detergentes (rompem principalmente as interações hidrofóbicas). A desnaturação geralmente leva à uma precipitação de proteínas, em consequência da formação de agregados proteicos pela exposição de superfícies hidrofóbicas. A maioria das proteínas que sofrem desnaturação podem ser renaturadas, ou seja, retornarem às condições nas quais a conformação nativa é estável. O reenovelamento é tão preciso que as ligações dissulfeto intramoleculares são restabelecidas na molécula renaturada nas mesmas posições da proteína nativa. 
b) Enovelamento 
A manutenção do estado estável da coleção de proteínas celulares ativas necessárias em um conjunto de condições específicas é denominada proteostase e envolve um conjunto elaborado de vias e processos que dobram, redobram e degradam cadeias polipeptídicas. 
O enovelamento de proteínas nas células é hierárquico, primeiro se formam as regiões de estrutura secundária, seguido pelo enovelamento em motivos e domínios. Grandes conjuntos de intermediários dobrados são rapidamente conduzidos a uma única conformação nativa. Nem todas as proteínas se dobram espontaneamente à medida que são sintetizadas dentro da célula. Para muitas proteínas, o enovelamento é facilitado por chaperonas Hsp 70 e chaperoninas. A formação de ligações dissulfeto e a isomerização cis-trans de ligações peptídicas contendo Pro são catalisadas por enzimas específicas. As proteínas desdobradas e os intermediários proteicos enovelados que escapam do controle de qualidade das chaperonas e das vias de degradação podem agregar, formando tanto agregados desordenados quanto agregados organizados do tipo amiloide que contribuem para doenças, incluindo as amiloidoses e processos de envelhecimento. 
5. Função proteica
Embora cada proteína apresente uma função específica, a função de uma proteína depende da forma como as proteínas interagem com outras moléculas e como essas interações estão relacionadas com a estrutura dinâmica da proteína. A maioria dessas interações é transitória e obedecem alguns princípios. 
a) A natureza transitória das interações proteína-ligante é transitória, rápida e reversível. As funções de muitas proteínas envolvem a ligação reversível com outras moléculas. Uma molécula que interage de modo reversível com uma proteína é chamada de ligante, que pode ser qualquer tipo de molécula, incluindo outra proteína. 
b) Um ligante interage com uma região da proteína chamada de sítio de ligação, que é complementar a ele em tamanho, forma, carga e caráter hidrofílico ou hidrofóbico. Além disso, a interação é específica: a proteína pode diferenciar milhares de moléculas diferentes no seu ambiente e interagir seletivamente somente com uma ou algumas. Determinada proteína pode ter sítios de ligação separados para vários ligantes diferentes. 
c) As proteínas sofrem mudanças conformacionais. As proteínas são flexíveis e mudanças sutis na conformação refletem vibrações moleculares e pequenos movimentos de resíduos de aminoácidos por toda a proteína. Mudanças na conformação também podem ser muito significativas, com segmentos da estrutura proteica movendo-se por uma distância de vários nanômetros. A interação de uma proteína com seu ligante torna o sítio de ligação mais complementar ao ligante, permitindo uma interação mais firme. 
d) As proteínas podem formar grandesagregados que abastecidos com energia química derivada de ATP são submetidos a mudanças conformacionais cíclicas que se acumulam em uma força unificada e direcional. As interações entre as proteínas motoras caracterizam combinações complementares de interações de van der Waals, iônicas, hidrofóbicas e de ligações de hidrogênio nos sítios de ligação das proteínas. 
e) Em uma proteína com várias subunidades, mudanças conformacionais em uma delas com frequência afetam a conformação das demais.
f) As interações entre proteínas e ligantes podem ser reguladas, geralmente por meio de interações específicas com um ou mais ligantes adicionais, causando mudanças conformacionais na proteína que afetam a interação com o primeiro ligante. 
Conclusão
	Existem 20 tipos diferentes de aminoácidos nas proteínas, cada um com propriedades químicas distintas. Uma molécula de proteína é formada a partir de uma longa cadeia de aminoácidos, cada um ligado ao seu vizinho por uma ligação peptídica covalente, sendo também chamadas de polipeptídeos. Cada tipo de proteína tem um sequência exclusiva de aminoácido, e existem milhares de proteínas diferentes, cada qual com a sua própria sequência de aminoácidos. Além da sequência, que constitui a estrutura primária das proteínas, a função também é determinada pelos outros níveis de organização estrutural, que passa pelo enrolamento da cadeia polipeptídica até a associação de várias cadeias.