Resumo Lehninger - PROTEÍNAS

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Princípios de Bioquímica de Lehninger: PROTEÍNAS
1 - Conformação é a denominação dada ao arranjo espacial dos átomos de uma proteína. A conformação existente sob um determinado conjunto de condições e a termodinamicamente mais estável, tendo a menor energia livre de Gibbs (G). As proteínas em qualquer de suas conformações enoveladas funcionais são denominadas proteínas nativas. O termo estabilidade pode ser definido como sendo a tendência à manutenção de uma conformação nativa. Ligações de hidrogênio entre os diversos grupos da cadeia polipeptídica e o solvente (agua) tendem a manter o estado desenovelado. As interações químicas que se contrapõem a esses efeitos e estabilizam a conformação nativa incluem as ligações dissulfeto e as interações fracas (não-covalentes). as ligações de hidrogênio e as interações hidrofóbicas e iônicas. As ligações covalentes individuais que contribuem para as conformações nativas das proteínas, como as ligações dissulfeto que unem partes separadas de uma única cadeia polipeptídica, são claramente muito mais fortes do que as interações fracas individuais; entretanto, as interações fracas são a forca predominante para a manutenção da estrutura proteica, devido ao fato de serem muito numerosas. Em geral, a conformação proteica com a menor energia livre (isto é, a conformação mais estável) e a que possui o numero máximo de interações fracas.
2 - Todas as proteínas iniciam sua existência no ribossomo como uma sequencia linear de resíduos de aminoácidos. Esse poli peptídeo deve enovelar-se durante e em seguida a síntese, a fim de atingir a sua conformação nativa. Vimos que uma conformação nativa e apenas ligeiramente estável. Alterações modestas no meio em que se localiza a proteína podem levar a alterações estruturais que afetam a sua função. Uma perda da estrutura tridimensional suficiente para causar perda de função e denominada desnaturação. A maioria das proteínas pode ser desnaturada pelo calor, que afeta as interações fracas em uma proteína (principalmente as ligações de hidrogênio) de forma complexa. As proteínas podem ser desnaturadas não apenas pelo calor, mas por extremos de pH, por certos solventes orgânicos miscíveis com a agua, como o álcool ou a acetona, por certos solutos como ureia e cloridrato de guanidinio ou por detergentes. Cada um desses agentes desnaturantes representa um tratamento relativamente brando no sentido de que nenhuma ligação covalente na cadeia polipeptídica e rompida. Os solventes orgânicos, a ureia e os detergentes atuam principalmente promovendo o rompimento de interações hidrofóbicas que estabilizam as proteínas globulares; os extremos de pH alteram a carga liquida da proteína, provocando repulsão eletrostática e rompimento de algumas ligações de hidrogênio.
3 – Quatro níveis estruturais são comumente definidos. Uma descrição de todas as ligações covalentes (principalmente as ligações peptídicas e dissulfeto) unindo os resíduos de aminoácidos em uma cadeia polipeptídica e a sua estrutura primaria. O elemento mais importante da estrutura primaria e a sequencia de resíduos de aminoácidos. A estrutura secundaria refere-se aos arranjos particularmente estáveis dos resíduos de aminoácidos, dando origem a padrões estruturais recorrentes. A estrutura
terciaria descreve todos os aspectos do dobramento tridimensional de um polipeptídio. Quando uma proteína possui duas ou mais subunidades polipeptídicas, seu arranjo espacial e denominado estrutura quaternária.
4 - O termo estrutura secundaria refere-se à conformação local de alguma porção de um polipeptídio. A discussão sobre a estrutura secundaria geralmente esta centrada nos padrões regulares de enovelamento da estrutura polipeptídica. Alguns tipos de estrutura secundaria são particularmente estáveis e frequentemente encontrados nas proteínas. Os mais proeminentes são a A-hélice e as conformações B descritas a seguir. O arranjo mais simples que uma cadeia polipeptídica pode assumir com suas ligações peptídicas rígidas (mas com as demais ligações simples livres para rotação) e uma estrutura helicoidal, A-hélice. A A-hélice mostrou ser a estrutura predominante nas A-queratinas. Por que a A-hélice se forma mais facilmente do que outras possíveis conformações? A resposta e, em parte, porque a A-hélice otimiza o uso das ligações de hidrogênio internas. Todas as ligações de hidrogênio combinadas fornecem uma considerável estabilidade à estrutura helicoidal. Nem todos os polipeptídeos podem formar uma a-hélice estável. Interações entre cadeias laterais de aminoácidos podem estabilizar ou desestabilizar essa estrutura. Assim, cinco tipos distintos de restrições afetam a estabilidade de uma a-hélice: (1) a repulsão eletrostática (ou atração) entre resíduos de aminoácidos sucessivos com grupos R carregados; (2) o volume dos grupos R adjacentes; (3) as interações entre as cadeias laterais de aminoácidos espaçados entre si por três ou quatro resíduos; (4) a ocorrência de resíduos de Pro e Gly; e (5) a interação entre os resíduos de aminoácidos nas extremidades do segmento helicoidal e o dipolo elétrico inerente a uma a-hélice.
5 – Classifica-se as proteínas em dois grupos principais: as proteínas fibrosas, que possuem cadeias polipeptídicas em arranjos de folhas ou feixes, 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 secundaria; as proteínas globulares costumam conter diversos tipos de estruturas secundarias. Os grupos diferem funcionalmente, uma vez que as proteínas fibrosas fornecem suporte, formas e proteção externa aos vertebrados, enquanto as enzimas e as proteínas regulatórias,
na maioria, são proteínas globulares.
As proteínas fibrosas (A-queratina, o colágeno e a fibroina) apresentam propriedades que conferem resistência e/ou flexibilidade as estruturas nas quais aparecem. Todas as proteínas fibrosas são insolúveis em agua, uma propriedade devida à elevada concentração de resíduos de aminoácidos hidrofóbicos tanto no interior da proteína como em sua superfície.
Em uma proteína globular, os diferentes segmentos de uma cadeia polipeptídica enovelam- se uns sobre os outros. Esse enovelamento gera uma forma compacta em relação aos polipeptídeos em uma conformação totalmente estendida. O enovelamento também gera a diversidade estrutural necessária para que as proteínas executem um grande conjunto de funções biológicas. As proteínas globulares incluem as enzimas, as proteínas transportadoras (mioglobina/hemoglobina), as proteínas motoras, as proteínas regulatórias, as imunoglobulinas etc.
6 - O colágeno evoluiu no sentido de fornecer resistência mecânica. É encontrado em tecidos conjuntivos como tendões, cartilagens, na matriz orgânica dos ossos e na córnea dos olhos. A sequência de aminoácidos do colágeno apresenta, em geral, uma unidade repetitiva tripeptidica,
Gly-X-Pro ou Gly-X-HyPro, onde X pode ser qualquer resíduo de aminoácido. Apenas os resíduos de glicina podem ser acomodados nas junções extremamente estreitas existentes entre as cadeias a individuais; os resíduos de Pro possibilitam os enovelamentos acentuados que se verificam na hélice do colágeno. A sequencia de aminoácidos e a estrutura quaternária superenovelada do colágeno permitem um empacotamento denso de seus três polipeptídeos. Esse empacotamento denso das cadeias a na hélice tripla do colágeno fornece uma forca tensional maior do que a de um fio de aço de idêntica secção transversal. As fibrilas do colágeno são estruturas supramoleculares que consistem de
moléculas de tripla hélice de colágeno (algumas vezes denominadas de moléculas de tropocolageno), associadas de diversas maneiras a fim de fornecer diferentes graus de forca tensional. As cadeias a das moléculas do colágeno e as moléculas de colágeno das Fibrilas são unidas por tipos não habituais de ligações covalentes cruzadas. O aumento na rigidez e a inelasticidade do tecido conjuntivoa medida que as pessoas envelhecem resultam de uma acumulação de ligações covalentes cruzadas nas fibrilas de colágeno.
7 - A mioglobina é uma proteína ligante de oxigênio presente nas células musculares. Sua função é armazenar oxigênio e facilitar a difusão deste no tecido muscular em contração rápida. A mioglobina contem uma única cadeia polipeptídica de sequencia conhecida e um único grupo de ferro protoporfirina ou heme. O mesmo grupo heme é encontrado na hemoglobina, a proteína ligadora de oxigênio dos eritrócitos. A mioglobina é particularmente abundante nos músculos de animais aquáticos cujos músculos são tão ricos dessa proteína que são marrons. O armazenamento e a distribuição do oxigênio pela mioglobina muscular permitem que esses animais permaneçam submersos por longos períodos de tempo. 
A maioria dos grupos R hidrofóbicos localiza-se no interior da molécula da mioglobina, ocultos da exposição a agua. Todos os grupos R polares localizam-se na superfície externa da molécula e todos são hidratados. Esse núcleo hidrofóbico denso é típico das proteínas globulares. As cadeias apolares no interior da molécula estão tão juntas que as interações de van der Waals de curto alcance representam uma contribuição significativa para a estabilização das interações hidrofobicas.
7.1 - O grupo heme, plano, reside em uma cavidade ou bolsão no interior da molécula de mioglobina. No interior dessa cavidade, o acesso do grupo heme ao solvente e bastante restrito. Isso e de importância para a sua função, pois grupos heme livres em uma solução oxigenada são rapidamente oxidados da forma ferrosa (Fe2+), que e ativa na ligação reversível do O2, para a forma férrica (F3+), que não liga O2.
 Além disso, a difusão do oxigênio pelos tecidos e ineficiente em distancias maiores que alguns milímetros. A evolução dos animais multicelulares dependeu da evolução de proteínas capazes de transportar e armazenar oxigênio. Entretanto, nenhuma das cadeias laterais das proteínas e adequada para a ligação reversível de moléculas de oxigênio. Esse papel e desempenhado por certos metais de transição, entre os quais o ferro e o cobre, que possuem uma forte tendência para ligar oxigênio. Os organismos multicelulares tiram proveito das propriedades desses metais, mais comumente do ferro, para transportar o oxigênio. Entretanto, o ferro livre favorece a formação de espécies de oxigênio altamente reativas, como os radicais hidroxila, que podem danificar o DNA e outras macromoléculas. Por isso, o ferro usado pelas células esta ligado a estruturas que o sequestram e/ou o tornam menos reativo. Nos organismos multicelulares — aqueles nos quais o ferro, com sua capacidade de transportar oxigênio, precisa ser transportado por longas distancias —, o ferro esta, com frequência, incorporado a um grupo prostético ligado a uma proteína, denominado heme. (Um grupo prostético e um composto associado de modo permanente a uma proteína e que contribui para a função dessa proteína.).
O conhecimento da estrutura da mioglobina permitiu aos pesquisadores entender em detalhe, pela primeira vez, a correlação existente entre a estrutura e a função de uma proteína.
7.2 – Estrutura da mioglobina
7.3 - Estrutura da hemoglobina A
7.4 - Além de transportar dos pulmões para os tecidos quase todo o oxigênio necessário para as células, a hemoglobina transporta dois produtos finais da respiração celular — e CO2 — dos tecidos para os pulmões e rins, onde eles são excretados. O CO2, produzido pela oxidação de combustíveis orgânicos nas mitocôndrias, e hidratado formando bicarbonato: 
Esta reação e catalisada pela anidrase carbônica, uma enzima particularmente abundante nos eritrócitos. O dióxido de carbono não e muito solúvel em solução aquosa, e haveria a formação de borbulhas de CO2 nos tecidos e no sangue se ele não fosse convertido em bicarbonato. Como mostra a equação, a hidratação de CO2 resulta em um aumento da concentração de H+ (uma diminuição do pH) dos tecidos. A ligação de oxigênio pela hemoglobina e influenciada profundamente pelo pH e pela concentração de CO2, de modo que a interconversao entre CO2 e bicarbonato e de grande importância para a regulação da ligação do oxigênio e sua liberação no sangue. A hemoglobina transporta para os pulmões e rins cerca de 20% do total de H+ e CO2 formados nos tecidos. A ligação de H+ e CO2 e inversamente proporcional a ligação do oxigênio. Em pH relativamente baixo e alta concentração de CO2 dos tecidos periféricos, a ligação de H+ e CO2 leva a diminuição da afinidade da hemoglobina pelo oxigênio e a liberação de O2 nos tecidos. De maneira inversa, nos capilares do pulmão, com a excreção de CO2 e a consequente elevação do pH, aumenta a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio e a proteína liga mais O2 para poder transporta-lo para os tecidos. Esse efeito do pH e da concentração de CO2 sobre a ligação e a liberação do oxigênio pela hemoglobina e denominado efeito de Bohr.
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Maria Paula Gomes FORP USP