ESTUDO DIRIGIDO - ESTRUTURA DAS PROTEÍNAS

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ROTEIRO COMPLEMENTAR MEDICINA – ESTRUTURA E PROPRIEDADES
QUÍMICAS DE PROTEÍNAS
UNIFESP 2020 (em realce amarelo: material de estudo facultativo)
Giovanna Lira Rosa Ciutti
A-) Doenças associadas à conformação proteica. Pesquise as alterações
moleculares que provocam as doenças.
1- Amiloidoses (incluí doença de Alzheimer): O que promove a formação de oligômeros
e agregados? Pergunta desafio: Por que certas mutações podem aumentar o risco de
desenvolver doença de Alzheimer?
Os oligômeros e agregados amorfos são agregações de proteínas desenoveladas e de
intermediários proteicos enovelados que escaparam do controle de qualidade das
chaperonas e das vias de degradação. Os agregados organizados do tipo amiloide, que
contribuem para algumas doenças e para os processos de envelhecimento.
As doenças de deposição amiloide que induzem neuro-degeneração, sobretudo em
adultos idosos, são uma classe especial de amiloidoses localizadas. A doença de
Alzheimer está associada com a deposição extracelular de amiloide pelos neurônios,
envolvendo o peptídeo β-amiloide derivado de uma grande proteína transmembrana
(proteína precursora do peptídeo β-amiloide) encontrada na maioria dos tecidos humanos.
Quando faz parte da proteína maior, o peptídeo é composto por dois segmentos
α-helicoidais que atravessam a membrana. Quando os domínios externos e internos são
clivados por proteases específicas, o peptídeo β amiloide, que é relativamente instável,
deixa a membrana e perde a estrutura em α-hélice. Eles então tomam a forma de duas
folhas β paralelas estendidas que se associam lentamente, formando as fibrilas amiloides.
O depósito dessas fibras amiloides parece ser a causa primária da doença de Alzheimer.
Sendo, portanto, a doença de Alzheimer decorrente de uma falha de enovelamento das
proteínas, certas mutações podem aumentar o risco de desenvolvimento dessa doença,
tendo em vista que a sequência de aminoácidos é fundamental na formação das estruturas
secundárias e terciárias das proteínas e, portanto, no enovelamento proteico.
2- Príon: Qual o agente infeccioso da doença do príon e como se propaga a doença
encefalite espongiforme bovina (‘doença da vaca louca’)? Note que existem doenças
priônicas ovinas e humanas também. Nos interessa: Qual o envolvimento da conformação
proteica?
Uma proteína cerebral enovelada de forma errada parece ser o agente causador de um
grupo de doenças neurodegenerativas raras em mamíferos. Talvez a mais conhecida seja a
encefalopatia espongiforme bovina, também conhecida como doença da vaca louca.
Doenças semelhantes incluem a kuru e a doença de Creutzfeldt-Jakob no homem, scrapie
em ovinos e doença debilitante crônica em cervos e alces. Essas doenças também são
conhecidas como encefalopatias espongiformes, uma vez que o cérebro do doente
frequentemente fica cheio de cavidades. A deterioração progressiva do cérebro leva a um
espectro de sintomas neurológicos, incluindo perda de peso, comportamento errático,
problemas de postura, equilíbrio e coordenação e perda da capacidade cognitiva. Essas
doenças são fatais.
O agente infeccioso foi identificado como uma única proteína (Mr 28.000). A proteína
príon é um constituinte normal do tecido cerebral em todos os mamíferos. Seu papel não é
conhecido em detalhes, mas pode ter uma função de sinalização molecular. A doença
ocorre somente quando a PrP celular normal, ou PrPc, apresenta uma conformação
alterada, chamada de PrPSc. A estrutura da PrPc possui duas α-hélices. A estrutura da
PrPSc a PrPC converte esta última em PrPSc é muito diferente, pois a maior parte da
estrutura foi convertida em folha β do tipo amiloide. A interação da PrPSc com PrPC
converte esta última em PrPS,, iniciando um efeito dominó no qual cada vez mais proteínas
do cérebro se convertem na forma que causa a doença. O mecanismo pelo qual a presença
de PrPSc espongiforme não é conhecido.
3- Para quem se interessar pela Doença de Parkinson: o que se sabe sobre
conformação proteica e a fisiopatologia?
A doença de Parkinson é uma doença lentamente progressiva e degenerativa
caracterizada por tremores em repouso, rigidez muscular, movimentos lentos e
diminuídos (bradicinesia) e instabilidade postural e/ou de marcha.
A característica patológica da doença de Parkinson é corpos de Lewy (agregação em
massas esféricas filamentosas da forma mal enovelada da proteína α-sinucleína) cheios
de sinucleína no sistema nigroestriatal.
Na doença de Parkinson, ocorre perda dos neurônios pigmentados da substância
negra, lócus cerúleo e outros grupos de células dopaminérgicas do tronco encefálico se
degeneram. A perda dos neurônios da substância negra resulta na depleção da
dopamina no aspecto dorsal do putâmen (parte dos gânglios basais) e causa muitas das
manifestações motoras da doença.
4- Para quem se interessar por Fibrose Cística: pesquise qual a relação da primeira
mutação descrita na FC com conformação proteica, funcionalidade do canal de cloreto, e
impacto que provoca os sintomas.
A fibrose cística é causada por defeitos em uma proteína de membrana chamada
regulador da condutância transmembrana da fibrose cística (CFTR, do inglês, cystic fibrosis
transmembrane conductance regulator), que atua como canal iônico de cloreto. A mutação
mais comum que causa a fibrose cística é uma deleção de um resíduo Phe na posição 508
da CFTR, o que causa o enovelamento inapropriado da proteína. A maior parte dessa
proteína é, então, degradada, e a função normal é perdida. Essa perda de função leva a
uma redução na movimentação de Cl- através da membrana plasmática das células
epiteliais que revestem as vias aéreas, o trato digestivo, as glândulas exócrinas (pâncreas,
glândulas sudoríparas), dutos biliares e vaso deferente. Mutações menos comuns, como a
mutação G551D (Gly551 é trocado por Asp), levam à produção de CFTR, que é enovelado
corretamente e se insere na membrana, mas não é capaz de transferir Cl-. A diminuição na
exportação de Cl- em pessoas com fibrose cística é acompanhada por uma diminuição na
exportação de água pelas células, o que faz o muco da superfície celular ficar desidratado,
viscoso e muito espesso. Em circunstâncias normais, os cílios das células epiteliais que
revestem a superfície dos pulmões constantemente arrem as bactérias que se estabelecem
nesse muco. Entretanto, o muco de pessoas com fibrose cística impede esse processo,
proporcionando um paraíso para as bactérias patogênicas para o pulmão. Infecções
frequentes por bactérias, como Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa, causam
dano progressivo aos pulmões, o que reduz a eficiência respiratória, levando à morte devido
ao funcionamento inadequado dos pulmões
5- Colágeno (Escorbuto e Ehlers-Danlos): Quais os resíduos que encontramos repetidos
na cadeia polipeptídica do colágeno? O que difere as estruturas secundárias do colágeno e
da alfa-hélice? Compare as fibras do colágeno com a queratina (ver com atenção os
aminoácidos da sequência primária; não confundir ‘cadeia alfa’ do colágeno com
‘alfa-hélice’). Exemplos de figuras disponíveis na internet (podem conter direitos autorais):
A cadeia polipeptídica do colágeno é formada por resíduos de glicina, prolina e
hidroxiprolina. A sequência de aminoácidos de todos os colágenos é caracteristicamente
reconhecida por conter a glicina repetida a cada terceira posição da sequência. Os vários
tipos de colágeno resultam de diferenças na estrutura química dessas cadeias polipeptídicas.
A hélice de colágeno é uma estrutura secundária única, bem diferente da α-hélice. Ela gira
para a esquerda e tem três resíduos de aminoácidos por volta. O colágeno também é uma
espiral enrolada, mas com estruturas terciária e quaternária distintas: três polipeptídeos
separados, chamados de cadeias α (não confundir com α-hélices), são super torcidos uns
sobre os outros. No colágeno, a torção super-helicoidal tem sentido horário, oposto ao da
hélice anti-horária das cadeias α.
As α-queratinas evoluíram para serem resistentes. Sua estrutura primária é rica em
resíduos hidrofóbicos:Ala, Val, Leu, Ile, Met e Phe. Um polipeptídeo da α-queratina com as
cadeias em espiral enrolada tem uma estrutura terciária relativamente simples, dominada por
uma estrutura secundária α-helicoidal, com seu eixo enrolado em uma super-hélice
anti-horária.
Explique porque o cabelo e a unha têm propriedades físicas diferente das cartilagens e
outros tecidos ricos em colágeno.
O cabelo e a unha são formados majoritariamente por α-queratinas: função estrutural
(resistência), ricas em resíduos hidrofóbicos (Ala, Val, Leu, Ile, Met e Phe), as ligações entre
as cadeiras que estabilizam a estrutura quaternária são ligações dissulfeto. O colágeno, por
sua vez, não é uma α-hélice, encontrado em tecidos conectivos (garante resistência à tração
- enovelamento compacto das cadeias α na hélice tripla), apresenta uma quantidade muito
baixa de aminoácidos essenciais para a dieta humana, sequência de aminoácidos Gly-X-Y
(em que X é normalmente uma Pro, e Y em geral é uma 4-Hyp).
Como se forma e se organiza bioquimicamente o colágeno (do ribossomo ao espaço
extracelular)? Como a deficiência de vitamina C impacta a estrutura do colágeno e quais os
sintomas?
O escorbuto é causado pela falta de vitamina C, ou ácido ascórbico (ascorbato). A
vitamina C é necessária para, entre outras coisas, a hidroxilação da prolina e da lisina no
colágeno. O escorbuto é uma doença que se caracteriza por degeneração do tecido
conectivo. As manifestações de escorbuto em estágio avançado incluem inúmeras pequenas
hemorragias, causadas por vasos sanguíneos frágeis, perda dos dentes, difícil cicatrização
de feridas e reabertura de feridas antigas, dor e degeneração dos ossos, e, no final, falência
cardíaca. Casos mais brandos de deficiência de vitamina C são acompanhados de fadiga,
irritabilidade e aumento da gravidade das infecções do trato respiratório.
Pesquise os sintomas (facultativo) e entenda o que ocorre na mutação Arg > Cys (este é
importante) descrita em pacientes portadores de Ehlers-Danlos.
A síndrome de Ehlers-Danlos é caracterizada por articulações soltas e, pelo menos seis
variantes ocorrem nos seres humanos. Todas as variantes resultam da substituição de um
resíduo de aminoácido com um grupo R volumoso (como Cys ou Ser) por um resíduo de Gly
de uma cadeia α em uma ou outra proteína colágena (um resíduo Gly diferente é substituído
em cada uma das doenças). Essas substituições de um único resíduo têm um efeito
catastrófico na função do colágeno, pois interrompem a repetição de Gly-X-Y, que garante ao
colágeno sua estrutura helicoidal única. Dada sua importância na hélice tripla do colágeno
(Figura 4-12d), a Gly não pode ser substituída por outro resíduo de aminoácido sem um
efeito substancialmente prejudicial para a estrutura do colágeno.
B- Observe as principais funções características de certas conformações proteicas
(Por que a estrutura dos anticorpos exercem papel na defesa adquirida? Por que a
insulina provoca alterações metabólicas?,...Qual a relação com a conformação?).
Notar também o papel de grupos prostéticos, cofatores e coenzimas (pequenas
moléculas que se ligam a proteínas). Ex adicionais: observe uma proteína
transportadora que muda de conformação através da fosforilação, ou uma proteína
que faz ligação reversível com íons (calmodulina e outras...), ou ainda proteínas que
fazem ligações dissulfeto em ambiente oxidante ou desfazem em ambiente redutor.
C- Pesquise rapidamente sobre as principais modificações em proteínas (como a
fosforilação citada acima), e como podem alterar a funcionalidade através de
conformação proteica.
ESTUDO BASE
Conceitos, fundamentos e definições que não podem ser esquecidos:
- Resíduo de aminoácido vs aminoácido livre.
- Estrutura primária, secundária, terciária e quaternária de proteínas.
- Estruturas secundárias comumente encontradas (motivos e domínios pode ajudar a
entender evolução molecular).
- Como as cadeias laterais (R) dos resíduos de aminoácidos influenciam o dobramento de
proteínas: forças e propriedades químicas que contribuem para isto; impedimentos de
ângulos de rotação, estéricos, etc. Por que resíduos de glicina e prolina não são facilmente
encontrados em alfa-hélice? Por que alfa-hélice é uma estrutura tão comum em proteínas?
Responda da forma mais completa possível. - Algumas proteínas são ‘desestruturadas’ e isto
é importante para as suas funções. Você saberia explicar? - Você já ouviu falar de proteínas
‘chaperonas’? Algumas proteínas precisam delas para atingir sua conformação nativa...(só
saber o que são chaperonas já é razoável) - O que é desnaturação proteica?
COMPLEMENTO: Breve resumo superficial sobre a síntese do colágeno (complementar se
necessário) ##O enfoque de biologia celular é facultativo, nos interessa aqui a bioquímica
propriamente dita: modificações em resíduos de aminoácidos, glicosilação, conformação
ligações cruzadas, clivagem proteica. É um exemplo razoavelmente completo##
As cadeias do colágeno não se estruturam em alfa-hélice! Composição: Repetições
Gly-X-Y, onde geralmente X=Pro e Y=Hyp.
Na Célula: 2 tipos de cadeias polipeptídicas são formadas (pré procolágeno) cadeias alfa-1 e
alfa-2. Contém sequência sinal que direcionam para o retículo endoplasmático (RE).
Clivagem das sequências sinais (viram cadeias pró-alfa colágeno) no RE, onde ocorrem
hidroxilação de Lys e Pro, glicosilação (Hidroxilisina, algumas) e formação da tripla hélice (2
x alfa1 + 1 x alfa-2). O Procolágeno é levado ao Golgi, onde é empacotado e secretado por
exocitose
Fora da Célula Outros peptídeos são clivados e o tropocolágeno é formado
(procolágeno peptidase). As fibrilas de colágeno são formadas através de ligações
cruzadas (ação da Lisil Oxidase).