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Bioquímica Estrutural e Metabólica Aplicada à Biomedicina Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof.ª Esp. Flávia Bonfim Lima Revisão Textual: Prof.ª Dr.ª Selma Aparecida Cesarin Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas • Aminoácidos ; • Estrutura das Proteínas; • Síntese de Proteínas; • Ciclo da Ureia. • Apresentar a estrutura dos aminoácidos e os aspectos químicos envolvidos (tipo de liga- ção e classifi cação), níveis de estruturas de proteínas; • Ter visão geral do processo de síntese de proteínas (transcrição, processamento e tradução); • Compreender os mecanismos de degradação e excreção das proteínas (transaminação, desaminação oxidativa, ciclo da ureia e balanço nitrogenado). OBJETIVOS DE APRENDIZADO Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam- bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas Aminoácidos Os aminoácidos são biomoléculas essenciais a vida, constituem a unidade fun- cional das proteínas e, portanto, estão envolvidos em diversos processos biológicos, além de contribuírem para a geração de energia metabólica. No entanto, de todos os aminoácidos que já foram descritos em sistemas bioló- gicos, apenas 20 são normalmente encontrados nas proteínas. A seguir, podemos conhecer quais são os principais aminoácidos e como são representados por meio de abreviaturas, que podem ser de três letras ou uma letra: Tabela 1 – Abreviatura empregada para os aminoácidos Aminoácido Abreviatura (3 letras) Abreviatura (1 letra) Alanina Ala A Arginina Arg R Asparagina Asn N Ácido aspártico Asp D Cisteína Cys C Ácido glutâmico Glu E Glutamina Gln Q Glicina Gly G Histidina His H Isoleucina Ile I Leucina Leu L Lisina Lys K Metionina Met M Fenilalanina Phe F Prolina Pro P Serina Ser S Treonina Thr T Triptofano Trp W Tirosina Tyr Y Valina Val V Os aminoácidos apresentam algumas características que são fundamentais para as funções que desempenham. Vejamos quais são: Estrutura geral Os aminoácidos são conhecidos por possuírem uma estrutura química geral em comum. Essa estrutura é composta por um grupo amina e um grupo carboxílico ligado a um átomo de carbono, denominado carbono α (alfa) e uma cadeira lateral, que é a parte variável da estrutura. Carbono Alfa: átomo de carbono adjacente (ou mais próximo) ao grupo funcional carboxílico (ácido). Ex pl or 8 9 R H COOHH2N Cα Cadeia lateral variável Grupo carboxila Grupo amino Carbono alfa Átomo de hidrogênio Figura 1 – Esquematização da estrutura geral dos aminoácidos Quiralidade Como vimos na estrutura básica dos aminoácidos, temos um átomo de carbono ligado a quatro radicais ou ligantes diferentes. A disposição do arranjo tetraédrico dos orbitais permite que os quatro ligantes ocupem dois arranjos espaciais (duas apresentações ou formas) possíveis diferentes; portanto, os aminoácidos, com ex- ceção da glicina, podem ter dois esteroisômeros, nos quais o carbono α é centro quiral. Essas duas formas são chamadas de especulares (espelhada) e não são sobre- poníveis. Para entendermos melhor esse conceito, podemos usar como exemplo as nossas mãos Note que tanto a mão direita quanto a esquerda são a imagem espe- cular uma da outra, ou seja, apresentam as mesmas características, podemos dizer que são iguais, porém, se virarmos a palma da mão e tentarmos sobrepor uma mão à outra, veremos que elas não encaixam perfeitamente. Essa é a ideia por trás do conceito de quiralidade dos aminoácidos. Veja a ilustração a seguir: Frasco A Frasco B Podem ser sobrepostos Figura 2 – Demonstração da sobreposição de dois objetos Fonte: Adaptadas de Getty Images 9 UNIDADE Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas Mão esquerda Mão direita Não são sobreponíveis Espelho Figura 3 – Mãos em imagem espelhada seguida da tentativa de sobreposição Fonte: Adaptadas de Getty Images Figura 4 – Configurações estereoisômeras do aminoácido alanina Fonte: NELSON; COX, 2014, p. 76 A terminologia adotada para os estereoisômeros de um determinado composto com propriedade quiral é relacionada à capacidade dele de desviar a luz planopolari- zada para a esquerda ou a direita, do latim “levo” esquerda e “destro” direita, então L ou D é acrescentado ao nome do composto para sinalizar a forma do estereoisômero. Essa característica dos aminoácidos é muito importante, tendo em vista que, nas proteínas, os aminoácidos ocorrem naturalmente na forma “L”. As células possuem a capacidade de produzir especificamente a forma “L” das cadeias laterais dos ami- noácidos, e esse fato tem relação direta com os sítios ativos das enzimas que, por sua vez, são assimétricos, isso resulta na característica das enzimas de catalisar re- ações estereoespecíficas. As formas “D” dos aminoácidos normalmente aparecem como constituintes de parede de membranas celulares de bactérias. Propriedades ácido-básicas dos aminoácidos Os aminoácidos possuem uma estrutura comum a todos e uma porção que é variável. Essa parte da molécula é denominada cadeia lateral, e é ela que determina as características químicas de cada aminoácido, permitindo, assim, diferenciá-los e classificá-los de acordo com seu comportamento químico. Os aminoácidos pos- suem a capacidade de ionizarem, ou seja, podem atuar na forma de ácidos ou de bases. A ionização dos aminoácidos é dada pela presença de dois grupos ácidos 10 11 fortemente ionizáveis -COOH (ácido) e um –NH3 + (básico), em pH fisiológico (pH 7,3) os aminoácidos encontram-se protonados. Essas duas formas estão em equi- líbrio R-COOH e R-NH3 +, isto é, e quando em solução, podem coexistir na forma de íon dipolar, podendo agir tanto como doador quanto como aceptor de prótons. Esse comportamento é chamado de anfótero. Quando esses grupos fortes ionizáveis, encontram-se nas formas R-COO- e R-NH2 são as bases conjugadas, pois é a base conjugada do ácido correspondente e, portan- to, atua como aceptora de prótons, sendo assim denominada forma desprotonada. Os aminoácidos em solução podem encontrar-se, portanto, na forma ácida, neu- tra ou básica, de acordo com o meio. R — CH — C — OH +NH 3 O R — CH — C — O– +NH 3 + H+ O R — CH — C — O– +NH 2 + H+ O �� pH = 0 pH = 7 pH = 11 Figura 5 – Infl uência do pH nos grupos ionizáveis Fonte: BRUICE, 2006 Analisando a Figura 5, podemos perceber que a forma predominante do aminoácido em determinada solução vai depender do pH do meio e da natureza do aminoácido. Para entendermos melhor, vejamos a Figura a seguir: Figura 6 Fonte: Adaptado de USP Em soluções em que o pH é fortemente ácido, os aminoácidos se apresentam predominantemente como cátions (doadores de prótons), e quando o pH da so- lução for fortemente alcalino, eles estarão como ânions (receptores de prótons). Quando o pH do meio for neutro, ou seja, em torno de 7,0, a forma predominante será a forma neutra. Esse último estado é denominado ponto isoelétrico (pI), que 11 UNIDADE Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas corresponde ao pH em que a soma total das cargas líquidas é igual a zero. Isso acontece porque a concentração da forma aniônica e catiônica são iguais e, por- tanto, anulam-se, e a carga final é igual a zero. Curva de titulação dos aminoácidos Tanto o comportamento anfótero (capacidade de atuar como doador ou receptor de prótons) quanto o tamponante podem ser evidenciados por meio da curva de titulação dos aminoácidos. Veja a seguir: Figura 7 – Curva de titulação dos aminoácidos Fonte: Adaptado de NELSON, 2011, pg. 83 O pKa é definido como: é o pH em que 50% da concentração do ácido ou da base encontra-se na forma ionizada e 50% na forma não ionizada. Na Figura 7, podemos observar que o primeiro valor de pKa da glicina é de 2,34. Isso significa que em pH 2,34 metade da concentração do aminoácido encontra-se na forma ionizada e a outra metade na forma não ionizada. Por meio do pKa, podemos conhecer a foça dos ácidos e, no nosso caso, pode- mos entender o comportamento de certos aminoácidos. Podemos estabelecer a seguinte relação: quanto maior o pKa, mais fraco é o áci- do em questão. Se pensarmos no conceito de Bronsted-Lowry, a reação ácido-base é simplesmente uma reação de transferência de prótons. Assim, um ácido forte é aquele que tem maior facilidade em doar próton em uma reação ácido-base, e pode apresentar um pKa baixo. 12 13 Já o ácido fraco é aquele que tem maior dificuldade em doar prótons em uma reação ácido-base, isto é, será necessário adicionar uma quantidade maior de base para que todos os prótons sejam liberados, e isso pode ser observado no pKa, que será alto para ácidos fracos. Uma outra característica dos aminoácidos, é que eles podem exercer uma fun- ção tamponante, isto é, possuem a capacidade de manter o pH da solução estável mesmo após a adição de pequenas quantidades de ácido ou base, e uma solução tamponante é formada por um ácido fraco e sua base conjugada ou uma base fraca e seu ácido conjugado em equilíbrio. Classificação dos Aminoácidos O conhecimento detalhado das características químicas e estruturais de cada ami- noácido permitiu a classificação dos aminoácidos de acordo com suas propriedades químicas baseadas na estrutura das cadeias laterais, e sua propriedade de interagir com a água em pH fisiológico que se encontra próximo a 7, em cinco grandes grupos: Figura 8 – Classifi cação dos aminoácidos Fonte: NELSON, 2011, pg. 79 13 UNIDADE Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas • Grupo R apolares, alifáticos: alanina, valina, leucina, isoleucina, glicina e metionina: Nessa classe, os aminoácidos são hidrofóbicos, as grandes cadeias laterais de alanina, valina, leucina e isoleucina, com suas formas específicas desempenham papel fundamental na estabilização da estrutura das proteínas, por promover interação hidrofóbica em seu interior; Embora seja classificado como aminoácido apolar, a glicina possui uma estru- tura reduzida e simples, o que não contribui muito para interações hidrofóbicas; A metionina apresenta uma estrutura diferente, apresenta um átomo de enxo- fre e um grupo tioéter em sua cadeia lateral; A prolina contribui para uma conformação rígida e, com isso, menor flexibili- dade estrutural de regiões polipeptídicas, isso devido à sua estrutura cíclica que acomoda um grupo amino em uma conformação rígida; • Grupo R apolares, aromáticos: fenilalanina, tirosina, triptofano: Embora estejam no mesmo grupo, ou seja, todos fazem interações hidrofóbicas, eles diferem entre si quanto ao nível de hidrofobicidade. Em decorrência do grupo hidroxila na tirosina e do nitrogênio no anel indol do triptofano, eles se tornam mais polares que a fenilalanina; • Grupo R polares, carregados negativamente: aspartato e glutamato: São os aminoácidos que, em pH 7,0 apresentam carga negativa. Esse fato se deve à presença de um segundo grupo carboxílico presente em ambos aminoácidos; • Grupo R polares, carregados positivamente: lisina, arginina, histidina: Também conhecidos como aminoácidos básicos, devida à sua capacidade de atuar como aceptores de prótons, são aminoácidos que em pH 7 possuem uma carga líquida positiva. Eles são considerados os mais hidrofílicos; • Grupo R polares, não carregados: serina, treonina, cisteína, asparagi- na e glutamina: Esses aminoácidos são denominados de não carregados ou neutros, pois suas cadeias laterais não apresentam carga positiva ou negativa. Apesar disso, são capazes de estabelecer ligações de hidrogênio pois possuem átomos de hidrogênio disponíveis para essa interação. Esse fato os torna mais solúveis em água que os aminoácidos hidrofóbicos. Se agruparmos os aminoácidos por ordem de polaridade, teríamos o seguinte cenário: Menos polar Mais polar Apolares Apolaresaromáticos Polares não carregados Polares carregados (–) Polares carregados (+) • Alanina • Valina • Leucina • Isoleucina • Glicina • Metionina • Lisina • Arginina • Histidina • Aspartato • Glutamato • Serina • Treonina • Cisteína • Asparagina • Glutamina • Fenilalanina tirosina triptofano Figura 9 14 15 As características químicas dos aminoácidos são fundamentais para compreen- dermos o comportamento das proteínas em meio aquoso, bem como suas caracte- rísticas, vez que são formadas por aminoácidos e suas funções podem ser prejudi- cadas em caso de desordem química ou estrutural. Estrutura das Proteínas Os aminoácidos são partes constituintes das proteínas. Podemos comparar as proteínas a grandes polímeros nos quais os aminoácidos representam os mo- nômeros que, unidos entre si, formam esta grande estrutura. A ligação que ocorre entre dois aminoácidos é denominada de ligação pep- tídica. Esse tipo de ligação é caracterizado quimicamente por uma reação de desidratação (perda de uma molécula de água) resultado de uma ligação amida, que é a união do grupo α – carboxila de um aminoácido e o grupo α – amina do aminoácido seguinte. Figura 10 – Esquema representativo de uma ligação peptídica Fonte: ist.utl.pt A formação de ligações peptídicas entre resíduos de aminoácidos leva à forma- ção, em um primeiro momento, de polímeros de aminoácidos, também conhecidos como peptídeos, que correspondem a uma sequência de poucos aminoácidos liga- dos entre si por meio de ligações peptídica. Apesar de serem pequenas sequências de aminoácidos, os peptídeos têm sido descritos, participando de diversos processos fisiológicos, bem como fisiopatológicos. Os peptídeos aparecem exercendo funções biológicas importantes como Glu- tationa, um tripeptídeo (cisteína — ácido glutâmico — glicina), que é encontrada no organismo em suas formas; reduzida (GSH) e oxidada (GSSG), e atuam direta e indiretamente em muitos processos biológicos importantes, incluindo síntese de proteínas, metabolismo e proteção celular contra a ação de radicais livres. 15 UNIDADE Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas Estrutura primária das proteínas A estrutura primária corresponde ao nível estrutural mais simples das proteínas, e também o mais importante, pois a partir dele, origina-se todo o arranjo espacial e a configuração tridimensional da proteína, que está diretamente relacionada às funções que ela irá desempenhar no SistemaBiológico. A estrutura primária é específica para cada proteína e são determinadas gene- ticamente. Um exemplo da importância da estrutura primária é a anemia falciforme. É uma doença genética hereditária, resultado de uma mutação no gene da hemoglobina, proteína responsável pelo transporte de oxigênio no organismo. A proteína produzida é hemoglobina S (HbS), que apresenta um resíduo de vali- na no lugar do ác. Glutâmico na posição 6 da cadeia β da globina. Essa troca afeta a função da hemoglobina que, nessa conformação, não con- segue se ligar ao oxigênio de forma eficiente, e altera a forma hemácia para a forma de “foice” o que dificulta sua passagem nos pequenos capilares e se rompe com facilidade. A estrutura primária da proteína resulta em uma longa cadeia de aminoácidos, com uma extremidade “amino terminal” e uma extremidade “carboxi terminal”. Sua estrutura é somente a sequência dos aminoácidos, sem se levar em con- ta a orientação espacial da molécula. Suas ligações são ligações peptídicas e pontes dissulfeto. Figura 11 – Imagem de hemácias normais e uma hemácia na forma de foice, característico da anemia falciforme Fonte: ibcc.gov.br Lys His Ala Val Leu Gly Gly Lys Figura 12 – Esquema representativo da estrutura primária das proteínas Estrutura secundária das proteínas A estrutura secundária das proteínas é o arranjo do esqueleto da cadeia polipep- tídica, e é estabilizada por ligações de hidrogênio. É resultado do arranjo espacial de 16 17 aminoácidos próximos entre si na sequência primária da proteína. Ocorre graças à possibilidade de rotação das ligações entre os carbonos alfa dos aminoácidos e os seus grupos amina e carboxila. O arranjo secundário de uma cadeia polipeptídica compreende o arranjo espacial dos átomos pertencentes à estrutura primária ou “esqueleto” da proteína. Isso pode ocorrer de forma regular e acontece quando os ângulos das ligações entre carbonos alfa e seus ligantes são iguais e se repetem ao longo de um segmento da molécula. As cadeias laterais também desempenham um papel na determinação da forma tridimensional de uma proteína, mas apenas seu esqueleto é considerado na estru- tura secundária. Os dois principais tipos de arranjos possíveis na estrutura secundária são, α-hélice e β pregueada, que podem gerar um arranjo bidimensional e conter uma ou mais cadeias polipeptídicas. Configuração α- hélice São estruturas cilíndricas estabilizadas por pontes de hidrogênio paralelas ao seu eixo, que ocorrem no interior do esqueleto de uma única cadeia polipeptídica. Dentro desse nível de estrutura, ocorrem dois pontos de interação, entre o car- bono α e o nitrogê nio do grupamento amina dos resí duos, e entre o carbono α e o carbono da carboxila do mesmo resí duo. Todas as cadeias laterais dos aminoáci- dos encontram-se viradas para fora e o car- bono a fica no lado externo da hé lice. A conformação helicoidal permite um arranjo linear dos átomos envolvidos nas pontes de hidrogênio, o que torna essa con- formação muito estável. As proteínas possuem quantidades variá- veis e estruturas de α- hélice, variando des- de uma baixa percentagem até a sua com- pleta composição. Embora seja uma conformação estável, al- guns fatores podem levar à desestabilização da α- hélice. Por exemplo, a presença do ami- noácido prolina cria uma curvatura no esque- leto da hélice devido à sua estrutura cíclica. Outros fatores localizados envolvendo as cadeias laterais incluem a forte repulsão ele- trostática, causada por grupos de resíduos Figura 13 – Representação da estrutura secundária α-hélice evidenciando as interações entre os grupamentos NH e CO da cadeia principal Fonte: NELSON, 2014 17 UNIDADE Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas de lisina e arginina, carregados positivamente ou grupo de resíduos de glutamato e aspartato, carregados negativamente. Outra possibilidade é o efeito de densidade (repulsão estérica) causada pela pro- ximidade de várias cadeias laterais volumosas. Configuração folha β pregueada A configuração folha β pregueada, ou configuração β, difere marcantemente do arranjo observado na α- hélice, em decorrência da disposição do arranjo dos áto- mos nessa conformação. As pontes de hidrogênio são estabelecidas perpendiculares à direção da cadeia proteica e não paralelas a ela como na α-hélice e, ainda, pode ser subdividida em antiparalelas e paralelas. O termo “pregueada” se dá em decorrência das ligações de hidrogênio entre as cadeias que ocorrem como ziguezague. O esqueleto peptídico nas folhas β está quase completamente estendido, e é estabilizado por ligações de hidrogênio. Pontes de hidrogênio podem ser formadas entre diferentes partes de uma mesma cadeia, isto é, pontes intracadeia ou entre diferentes cadeias ou pontes intercadeias. A configuração folha beta pregueada paralela se dá quando todas as cadeias peptídicas estão com suas extremidades alinhadas seguindo uma mesma direção (N-terminal e C- terminal). Quando as cadeias se estabelecem em direções opostas, temos a folha beta pregueada antiparalela. Figura 14 – Representação da folha beta pregueada vista de cima e de lado Fonte: UNESP As α- hélices e as folhas β são combinadas de muitas maneiras à medida que a cadeia poliptídica de uma mesma proteína dobra-se sobre si. A combinação de fitas α e β produz vários tipos de estruturas super secundárias nas proteínas. A estrutura mais comum desse tipo é a unidade βαβ, na qual duas fitas paralelas de folha β estão conectadas por um seguimento de α- hélice. Uma unidade αα consiste de duas hélices α antiparalelas. Nesse tipo de arranjo, existem contatos energeticamente favoráveis entre as cadeias laterais dos dois se- guimentos de hélice. 18 19 Estrutura terciária A estrutura terciária de uma proteína é o arranjo tridimensional de todos os átomos das moléculas. As conformações das cadeias laterais e as posições de quais- quer grupos prostéticos são partes da estrutura terciária, e o único aspecto impor- tante da estrutura terciária, que não é especificado pela estrutura secundária, é o arranjo dos átomos das cadeias laterais. A estrutura terciária apresenta o dobramento final de uma cadeia peptídica, po- dendo haver interações de segmentos distantes de estrutura primária, por ligações não covalentes. Enquanto a estrutura secundária é determinada pelo relacionamento estrutural de curta distância, a terciária é caracterizada pelas interações de longa distância entre aminoácidos, denominadas interações hidrofóbicas, pelas interações eletros- táticas, pontes de hidrogênio e de sulfeto. Todas têm sequências de aminoácidos diferentes, refletindo estruturas e funções dife- rentes. Efetua interações locais entre os aminoácidos que ficam próximos uns dos outros. Ao considerarmos níveis mais elevados de organização estrutural, torna- se interessante classificar as proteínas em dois grupos: as proteínas fibrosas e as proteínas globulares, que possuem cadeias polipeptídicas enoveladas em formas esféricas ou globulares. Os dois grupos são estruturalmente distintos: as proteínas fibrosas, em geral, consistem, principalmente, de um único tipo de estrutura secundária. As proteínas globulares costumam conter diversos tipos de estruturas secundá- rias. Os grupos diferem também no que tange à funcionalidade, vez que as proteí- nas fibrosas fornecem suporte, forma e proteção externa aos vertebrados, enquanto as enzimas e os inibidores bem como as proteínas regulatórias são globulares. Em uma proteína globular, os diferentes segmentos de uma cadeia polipeptídica enovelam-se uns sobre os outros. Esse enovelamento também gera uma forma compacta em relação aos polipeptídios em uma conformação totalmente estendida. Lys His Ala Val Leu Gly Gly Lys Estrutura primária Estrutura terciária Estrutura secundária Sequência de aminiácidos Arranjo espacial da cadeia polipeptídica Enovelamento da cadeira polipeptídica Figura 15 – Os três níveis estruturaisrepresentados destacando cada característica dos níveis estruturais Fonte: Adaptado de Getty Images 19 UNIDADE Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas O enovelamento também gera a diversidade estrutural necessária para que as proteínas executem um grande conjunto de funções biológicas, que compreendem as enzimas e os inibidores, as proteínas motoras, imunoglobulinas, proteínas regu- latórias e proteínas transportadoras. Assim, pode-se dizer que diversidade estrutural reflete na diversidade funcional nas proteínas globulares. Estrutura quaternária das proteínas Como vimos na sessão anterior, a estrutura terciária leva à formação do que chamamos de cadeia polipeptídica. A estrutura quaternária seria o último nível de organização estrutural de uma proteína complexa. Essa estrutura é característica de proteínas formadas por mais de uma cadeia polipeptídica. Essas cadeias podem ser todas idênticas ou mistas. Proteínas compostas por duas cadeias polipetídidicas são chamadas de dímeros, com três trímeros e com quatro tetrâmero, e assim por diante. Essas cadeias, tam- bém chamadas de subunidades, interagem entre si por ligações não covalentes, e esse fato se torna importante pois, por conta, dessas interações do tipo fracas, as pequenas alterações na estrutura de uma região da molécula podem causar gran- des mudanças que impactarão as propriedades de uma outra região distante do ponto original da interação. Lys His Ala Val Leu Gly Gly Lys Estrutura primária Estrutura terciária Estrutura secundária Sequência de aminiácidos Arranjo espacial da cadeia polipeptídica Enovelamento da cadeia polipeptídica Estrutura quartenária Montagem das cadeias polipeptídicas Figura 16 – Esquema geral das conformações das proteínas Fonte: Adaptado de Getty Images Como exemplo, podemos citar a hemoglobina e a mioglobina, ambas as prote- ínas tem função de transportar oxigênio. A hemoglobina, transporta oxigênio dos pulmões para os tecidos e é o principal constituinte das hemácias. A mioglobina tem função de armazenar oxigênio nos músculos esquelético e cardíaco. Estruturalmente, elas diferem na quantidade de subunidades. A hemoglobina apresenta quatro cadeias polipeptídicas (tetrâmero), duas cadeias α e duas β, cada uma possui um sítio de ligação heme para acomodação do oxigênio. 20 21 A mioglobina é formada por apenas uma cadeia polipeptídica, assim, apresenta apenas um sítio de ligação para o oxigênio. Embora a composição da estrutura pri- mária, secundária e terciária serem idênticas, a estrutura quaternária da hemoglobi- na é o que a torna uma molécula eficiente no transporte de oxigênio, pois consegue transportar quatro vezes mais oxigênio do que a mioglobina. Como podemos ver a estrutura de uma proteína definirá a sua função, mioglo- bina como armazenadora e hemoglobina como transportadora. Figura 17 – Estrutura da mioglobina e hemoglobina comparadas Fonte: Adaptado de Wikimedia Commons Síntese de Proteínas As proteínas são macromoléculas constituídas de cadeias polipeptídicas ligadas entre si que apresentam basicamente três níveis de estruturas, primária, secundária e terciária. Diante dessas informações, surge a seguinte questão: de onde vem ou qual a origem das proteínas? A teoria que explica esse fenômeno é chamada de dogma central da biologia molecular. Por meio dele, podemos entender o fluxo da informação genética, isto é, do DNA à proteína. O dogma central da biologia molecular é constituído de três etapas: replicação, transcrição e tradução da informação genética. DNA RNA PROTEÍNA Transcrição Tradução Figura 18 – Etapas da síntese proteica Seguindo o esquema da Figura acima, vamos falar brevemente focando na parte conceitual sobre cada etapa envolvida na síntese de proteína. 21 UNIDADE Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas Replicação Para que a informação genética seja transmitida, é necessário que ela seja re- plicada, ou seja, copiada utilizando como base a dupla fita de DNA. Nessa etapa, ocorre a abertura da dupla fita por meio do rompimento das pontes de hidrogênio que mantem os nucleotídeos ligados entre si. Dessa forma, teremos duas fitas sim- ples que ao serem complementadas com os respectivos nucleotídeos, originarão duas novas moléculas de DNA dupla fita. Precisamos lembrar que os nucleotídeos interagem entre si de forma específica: Adenina – Timina / Citosina – Guanina, vejamos a Figura a seguir para ilustrar melhor esse conceito: Figura 19 Fonte: Adaptado de Wikimedia Commons 22 23 Quais são as principais moléculas envolvidas neste processo? • Helicase: liga-se na origem da replicação do DNA e avança abrindo a dupla fita por meio da quebra das pontes de hidrogênio entre os nucleotídeos; • Primase: insere um primer de RNA complementar na extremidade 3´ da fita simples para que o processo de construção da fita complementar ou a nova fita se inicie; • DNA polimerase: responsável pela adição dos nucleotídeos complementares. Transcrição Nesta etapa, a informação genética é transcrita de DNA para RNA, e o produto final é o RNA mensageiro (RNAm). Inicialmente, a enzima RNA polimerase se liga a uma região específica do gene a ser transcrito, chamada promotor. Nessa região, a enzima reconhece o ponto de partida para iniciar a transcrição. Após a ligação da RNA polimerase ao promotor, forma-se a estrutura de bolha de transcrição e a enzima pode seguir, então, com a transcrição. Para que a trans- crição ocorra, a RNA polimerase utilizará uma das fitas do DNA aberto na bolha de transcrição como molde para executar a transcrição. Vejamos, na imagem a seguir, a ilustração que evidencia essas etapas: Figura 20 Fonte: Adaptado de Khan Academy Na bolha de transcrição, inicia-se a etapa de alongamento, na qual a RNA polime- rase caminha no sentido 5́- 3 ,́ inserindo nucleotídeos complementares à fita molde. O produto final é uma fita de RNA, parecida com a fita molde. Isso porque não são idênticas, como vimos no caso da replicação. Isso ocorre porque há uma troca de nucleotídeo no processo de transcrição. As fitas de RNA apre- sentam o nucleotídeo uracila (U) ao invés de timina (T). Sendo assim, todas as timinas estão substituídas por uracila na fita de RNA final e o processo de trans- crição termina quando a RNA polimerase reconhece a região de terminação na sequência molde. 23 UNIDADE Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas Figura 21 – Representação do processo de transcrição Fonte: Adaptado de Khan Academy Tradução O processo de tradução, dentro do dogma central da biologia molecular, com- preende a etapa da produção ou da expressão de uma proteína em questão. Na sessão anterior, vimos, que o produto final da transcrição gênica é o RNA mensageiro; pois bem, na etapa da tradução, o RNAm obtido após a transcrição de um gene será utilizado como base para a proteína que será produzida. A tradução é feita quando o RNAt lê o códon formado por 3 nucleotídeos do RNAm e insere o aminoácido correspondente. Se pensarmos em um exemplo, seria como a tradução de uma língua estrangeira para a nossa língua de origem. Na figura a seguir, podemos observar todas as possibilidades de códons e seus aminoácidos correspondentes: Figura 22 – Aminoácidos e seus códons correspondentes Fonte: Adaptado de Khan Academy Essa etapa ocorre no ribossomo e é dividida em três partes: iniciação, elongação e terminação. Vejamos cada uma delas, a seguir. 24 25 Iniciação Primeiramente, é necessária a presença da estrutura conhecida como complexo de iniciação. Essa estrutura é composta por: ribossomo (contendo duas partes uma grande e uma pequena), RNAm (contém o código genético da proteína) e RNA transportador (é o iniciador da inserção dos aminoácidos decodificando o RNAm). Além dessa estrutura, existem outras proteínas que atuam na organização desse complexo, chamadas de fatores de iniciação. Basicamente, o início da tradução se dá com a ligação do RNA transportador na subunidadepequena do ribossomo, geralmente, o primeiro aminoácido que o RNAt carrega é a metionina. Então, RNAt ligado ao ribossomo se liga à extremidade 5́ do RNA mensageiro após reconhecer o cap 5́ GTP (região de iniciação do RNAm), e segue no sentido 3 áté encontrar o códon de iniciação que geralmente é o AUG. Elongação Para entendermos esta etapa, vejamos o esquema a seguir: Na primeira etapa, podemos observar 3 sítios na subunida- de grande do ribossomo, E, P e A. Na primeira rodada da elongação o RNAt carregando a metionina (primeiro aminoácido) se liga no sítio P. Em seguida, o próximo RNAt se liga ao sítio A. O próximo passo é a formação da ligação peptídica entre os dois aminoácidos. Os dois aminoácidos, ligados entre si por meio de uma ligação peptídica, agora estão no sítio A, e o RNAt do sítio P agora está vazio. À medida que o ribossomo avança na �ta de RNAm, o RNAt vazio que estava no sítio P passa para o sítio E (saída). Assim, o próximo RNAt entrará no sítio A trazendo mais um aminoácido. Esse ciclo se repete muitas e muitas vezes, até que todo o RNAm seja traduzido e a proteína esteja completa. Isso ocorre quando é identi�cado o stop códon ou códon de parada. Figura 23 – Etapas da elongação Fonte: Adaptado de Khan Academy 25 UNIDADE Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas Após a tradução da proteína, ocorre, ainda, o que chamamos de modificações pós traducionais (MPT), que são uma série de reações e modificações na proteína que levarão à sua função e à configuração final. Seriam os últimos ajustes, ou o retoque final. Essas modificações podem ser: fosforilação, glicosilação e pontes de sulfeto, entre outras. Ciclo da Ureia Ao longo desta Unidade, vimos como as proteínas são originadas, sua constitui- ção, estrutura química e suas interações. Agora, vamos conhecer o ciclo da ureia, que seria uma parte da etapa final do “ciclo de vida” de uma proteína, ou podemos enten- der também como o organismo consome energia a partir do consumo de proteínas. Quando ingerimos proteínas durante uma refeição, elas precisam ser digeridas para que possam ser aproveitadas pelo nosso organismo e gerar energia; porém, o metabolismo de proteínas para geração de energia leva à produção de compostos nitrogenados que são tóxicos ao organismo. Como falamos anteriormente, os aminoácidos são compostos formados por um grupo nitrogenado (amino) que, ao fim do seu aproveitamento, precisa ser eliminado. Na tentativa de eliminar esses compostos nitrogenados tóxicos (amônia), o nosso organismo converte-os em um composto menos tóxico (ureia) para que sejam elimi- nados mais facilmente, mas não se engane! Esse processo custa caro! Isto é, um alto gasto energético é necessário para que essa conversão aconteça. Esse processo acontece no fígado, e parte das reações envolvidas nesse ciclo ocor- rem na mitocôndria e parte no citosol. Vejamos, a seguir, as principais reações desse ciclo: Fumarato Arginina Argininossuccinato Ornitina CitrulinaAspartato Carbamil fosfato Uréia CITOSSOL MATRIZ MITOCONDRIAL H2O R — NH2 CO2 + NH4 + R — C — NH2 O H2N — C — NH2 O Figura 24 – Ciclo da ureia 26 27 O ciclo da ureia é constituído por 5 etapas: 1. Síntese de carbamoil fosfato: a reação química de condensação da amô- nia com o dióxido de carbono origina o composto carbamoil fosfato. Essa reação ocorre na mitocôndria dos hepatócitos e é catalisada pela enzima carbamoil fosfato sintetase (CFS1): 2ATP + HCO3 -- + NH3 → Carbamoilfosfato + 2ADP + Pi 2. Síntese da citrulina: a u nião entre o carbamoil fosfato e a ornitina é me- diada enzimaticamente pela ornitina transcarbamilase ornitina (OTC). Essa reação ocorre na mitocôndria com gasto energético, e após a formação da citrulina, ela é transportada para o citosol onde ocorrerão as demais reações: Carbamoil fosfato + ornitina → citrulina + Pi 3. Formação de argininosuccinato: a união de citrulina com o aminoácido aspartato é mediada pela enzima argininosuccinato sintetase (ASS), e, por ser uma reação de condensação, requer gasto energético (ATP). Essa reação ocorre no citosol e, como produto fi nal, temos o composto argininosuccinato: citrulina + aspartato + ATP → argininosuccinato+ AMP + |PPi 4. Conversão do argininosuccinato: Esta se reação se dá pela quebra do argininosuccinato originando uma arginina e uma molécula de fumarato, mediada pela enzima Arginosuccinato Liase (ASL). O fumarato liberado pode sofrer a adição de uma molécula de água e se originar o composto malato, este por sua vez após receber elétrons origina o oxalacetato que reagindo com o aminoácido glutamato é regenerado a aspartato pode no- vamente participar do ciclo: Argininosuccinato → Arginina + fumarato 5. Liberação da ureia: neste ponto da reação, a arginina é quebrada enzimati- camente pela enzima arginase 1 e origina ornitina e ureia. A ureia é fi ltrada pelos rins e eliminada na urina. A ornitina, por sua vez, entra novamente no ciclo, passando por todas as reações novamente até ser eliminada: Arginina + H2O → ornitina + ureia 27 UNIDADE Estrutura, Síntese e Metabolismo de Proteínas Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Princípios de bioquímica de Lehninger – Capítulo 6 Enzimas, p. 200-24 NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6.ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. Princípios de bioquímica de Lehninger – Capítulo 6 Enzimas, p.143-50 Capítulo de Desnaturação e enovelamento das proteínas 4.4: NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de bioquímica de Lehninger. Porto Alegre: Artmed, 2011. Vídeos Replicação do DNA e transcrição e tradução do RNA Vídeo explicativo sobre o processo de replicação de DNA, transcrição e tradução de RNA. http://bit.ly/2velmmD Leitura Efeito da Oferta Dietética de Proteína Sobre o Ganho Muscular, Balanço Nitrogenado e Cinética da 15N-Glicina de Atletas em Treinamento de Musculação Artigo sobre aplicação dos conhecimentos do metabolismo doa aminoácidos. http://bit.ly/2RGL4rj 28 29 Referências ALBERTS, B. et al. Biologia Molecular da Célula. Porto Alegre: Artmed, 2011. 1396p. BAYNES, J. W.; DOMINICZAK, M. H. Bioquímica médica. 3.ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2010. BERG, J. M.; STRYER, L.; TYMOCZKO, J. L. Bioquímica. 7.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014. BRUICE, P. Y. Química Orgânica, v.2, 4.ed. Porto Alegre: Grupo A, 2006. CAMPBELL, M. K.; FARRELL, S. O. Bioquimica. 3.ed. São Paulo: Cengage Learning, 2006. CHAMPE, P. C.; HARVEY, R. A.; FERRIER, D. R. Bioquímica ilustrada. 4.ed. Porto Alegre: Artmed, 2009. MARZZOCO, A.; TORRES, B. B. Bioquímica básica. 3.ed. Rio de Janeiro: Gua- nabara Koogan, 2007. MURRAY R. K. H. Bioquímica Ilustrada. 27.ed. Rio de Janeiro: McgrawHill, 2007 NELSON, D. L.; COX, M.l M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6.ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. _______; _______. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5.ed. Porto Alegre: Grupo A, 2011. VOET, D.; VOET, J.; PRATT, J. W. Fundamentos de Bioquímica: a vida em nível molecular. 2.ed. Porto Alegre: ARTMED, 2008. Sites visitados <https://pt.khanacademy.org/science/biology/gene-expression-central-dogma/ translation-polypeptides/a/translation-overview>. Acesso em: 29 jul. 2019. 29
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