Estrutura tridimensional das proteínas

Fundamentos de Bioquímica   

Capítulo 06. ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL DAS PROTEÍNAS

Na década de 1920, várias proteínas já haviam sido cristalizadas. A disposição ordenada das moléculas em um cristal indica que as unidades moleculares são idênticas. Assim, as proteínas deveriam ter estrutura singular, o que revolucionou o modo de pensar sobre as proteínas e suas funções.

A estrutura tridimensional das proteínas é determinada por sua seqüência de aminoácidos e a função da proteína depende de sua estrutura, que é singular (ou quase) para cada proteína. Esta estrutura é estabilizada principalmente por interações não-covalentes. As estruturas protéicas podem ser agrupadas em alguns padrões estruturais comuns.

Aspectos gerais da estrutura protéica

As proteínas podem apresentar mais de uma conformação, mas assumem a conformação que é mais termodinamicamente estável, tendo a menor energia livre de Gibbs – proteína nativa.

A conformação de uma proteína é estabilizada em grande parte por interações fracas

A estabilidade, ou tendência à manutenção de uma conformação nativa, das proteínas é muito frágil.

O estado desenovelado de uma proteína é caracterizado por um elevado grau de entropia conformacional, e, as ligações de hidrogênio entre os diversos grupos da cadeia polipeptídica e o solvente (água) tendem a manter o estado desenovelado. Contudo, nenhuma molécula possui o potencial de estabelecer ligações de hidrogênio como a própria molécula de água, e assim as outras moléculas presentes em uma solução de água rompem estas ligações, mas de maneira entalpicamente desfavorável.  Além disto, quando a água envolve uma molécula hidrofóbica forma uma camada de solvatação (envoltório altamente organizado) ao redor desta molécula.  Esta ordenação da água resulta em diminuição desfavorável da entropia da água. Se os grupos hidrofóbicos são reunidos, há uma redução na extensão da camada de solvatação, com aumento favorável na entropia. As cadeias laterais de aminoácidos hidrofóbicos tendem, portanto, a se reunir em um ambiente interno da proteína, afastadas da água.

A formação de ligações de hidrogênio e as interações iônicas em uma proteína possuem entropia favorável. Apesar de grupos polares formarem ligações de hidrogênio com a água, o número destas ligações é maior para a água pura do que para qualquer outro líquido ou solução. Isto limita a solubilidade mesmo de moléculas polares. Assim, haverá uma certa formação de camada de solvatação de moléculas estruturadas de água até mesmo em torno de moléculas polares. Portanto, quando ligações de hidrogênio ou interações iônicas ocorrem dentro de uma macromolécula e ocorre enovelamento, a principal força propulsora deste enovelamento foi o aumento da entropia para as moléculas de água. Isto mais do que contrabalança a grande perda de entropia conformacional que se verifica quando um polipeptídeo é submetido a uma única conformação enovelada.

As interações hidrofóbicas são importantes para a estabilização de uma conformação protéica; o interior de uma proteína é constituído por um núcleo densamente empacotado de cadeias laterais de aminoácidos hidrofóbicos. Os grupos polares ou carregados no interior da proteína formam ligações de hidrogênio ou interações iônicas, porque grupos livres podem desestabilizar a estrutura da proteína.

A ligação peptídica é rígida e plana

As ligações covalentes impõem restrições à conformação de um polipeptídeo. Os carbonos a dos resíduos de aminoácidos adjacents estão separados por três ligações covalentes (Ca-C-N-Ca). A ligação C-N em um peptídeo é mais curta do que a ligação C-N em uma amina simples, o que se deve a um compartilhamento de elétrons entre o oxigênio e o hidrogênio ligados a um carbono em comum, formando um dipolo elétrico, em que o oxigênio e o hidrogênio (ligado ao nitrogênio) estão em posição trans. Os seis átomos do grupo peptídico situam-se em um mesmo plano. As ligações C-N são incapazes de possuir rotação livre por causa de seu caráter parcial de dupla ligação. Rotações ocorrem em torno das ligações N-Ca (f, fi) e Ca-C (y, psi). Assim, o polipeptídeo pode apresentar diversas conformações, que estão limitadas, no entanto pelas rígidas ligações peptídicas. As diferentes conformações possíveis podem ser plotadas em um gráfico que relaciona as rotações y e f - o gráfico de Ramachandran.

A estrutura secundária das proteínas

A estrutura secundária indica a conformação local de alguma porção de um polipeptídeo. Alguns tipos de estrutura secundária são particularmente estáveis e frequentemente encontradas nas proteínas - a-hélice, conformação b.

A a-hélice é uma estrutura secundária comum

O arranjo mais simples que uma cadeia polipeptídica pode assumir com suas ligações peptídicas rígidas (mas com as demais ligações simples livres para rotação) é uma estrutura helicoidal - a-hélice. A cadeia polipeptídica é fortemente retorcida em torno de um eixo imaginário longitudinal que passa pelo centro da hélice, com os grupos R dos resíduos de aminoácidos projetados para a face externa da hélice. A unidade repetitiva é uma volta simples da hélice (passo = 5,4 Å) que inclui 3,6 resíduos de aminoácidos. A hélice é sempre orientada para a direita (sentido anti-horário) em todas as proteínas. De forma geral, cerca de um quarto de todos os resíduos de aminoácidos nos polipeptídeos é encontrado em a-hélices. A a-hélice é a forma mais comum porque otimiza o uso das ligações de hidrogênio internas (entre hidrogênio e oxigênio de resíduos distantes entre si quatro resíduos). Cada passo da a-hélice é unido aos passos adjacentes por três ou quatro ligações de hidrogênio, o que fornecem estabilidade à estrutura helicoidal.

A seqüência de aminoácidos afeta a estabilidade da a-hélice

Nem todos os polipeptídeos podem formar uma a-hélice estável. Interações entre cadeias laterais de resíduos de aminoácidos podem desestabilizar esta estrutura. Por exemplo, grande bloco de resíduos glutamina (repulsão entre grupos negativamente carregados), lisina e/ou arginina (repulsão entre grupos positivamente carregados), asparagina, serina, treonina e cisteína (grupos muito volumosos), prolina (forma um anel rígido que desestabiliza a a-hélice), glicina (muito flexível).

Cinco tipos distintos de restrições afetam a estabilidade de uma a-hélice: (1) a interação eletrostática entre grupos R carregados, (2) o volume dos grupos R adjacentes, (3) as interações entre as cadeias laterais de resíduos de aminoácidos espaçados entre si por três ou quatro resíduos, (4) a ocorrência de resíduos de prolina ou glicina, (5) a interação entre os resíduos de aminoácidos nas extremidades do segmento helicoidal e o dipolo elétrico inerente a uma a-hélice.

A conformação b organiza as cadeias polipeptídicas em folhas

A cadeia polipeptídica estende-se em uma estrutura em ziguezague. As cadeias polipeptídicas em ziguezague podem ser disposta lado a lado, para formar uma estrutura que se assemelha a uma série de pregas – folha b. Ligações de hidrogênio são formadas entre os segmentos adjacentes. Os grupos R de resíduos adjacentes projetam-se em direções opostas a partir da estrutura em ziguezague. As cadeias polipeptídicas adjacentes em uma folha b podem ser paralelas ou antiparalelas (com orientações amino e carboxila iguais ou diferentes, respectivamente).  Os resíduos de aminoácidos devem apresentar grupos R pouco volumosos. Exemplos de proteínas que possuem folhas b são a fibroína da seda e a fibroína da teia de aranha.

As dobras b são comuns nas proteínas

Uma dobra de 180° que envolve quatro resíduos de aminoácidos, com o grupo de oxigênio carbonílico do primeiro resíduo de aminoácido formando uma ligação de hidrogênio com o hidrogênio do grupo amino do quarto. São comuns em proteínas globulares e em proteínas ricas em folhas b.

Estrutura terciárias e quaternárias das proteínas

A estrutura terciária é o arranjo tridimensional global de todos os átomos em uma proteína. Segmentos interagentes de cadeias polipeptídicas são mantidos em suas posições terciárias características por tipos distintos de interações fracas (e, às vezes, por ligações covalentes tais como ligações dissulfeto) entre os segmentos.

O arranjo das subunidades em proteínas que contêm duas ou mais cadeias polipeptídicas separadas em complexos tridimensionais constitui a estrutura quaternária.

As proteínas podem ser classificadas em dois grupos principais: proteínas fibrosas, que possuem cadeias polipeptídicas em arranjos de folhas e feixes, e as proteínas globulares, que possuem cadeias polipeptídicas enoveladas em formas esféricas ou globulares. As proteínas fibrosas em geral consistem principalmente de um único tipo de estrutura secundária; as proteínas globulares costumam conter diversos tipos de estruturas secundárias. 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 globulares.

As proteínas fibrosas são estruturalmente adaptadas para uma função

As proteínas fibrosas apresentam propriedades que conferem resistência e/ou flexibilidade. Todas as proteínas fibrosas são insolúveis em água, devido à elevada concentração de resíduos de aminoácidos hidrofóbicos. A unidade fundamental é um simples elemento repetitivo de estrutura secundária que são empacotadas em conjunto formando elaborados complexos supramoleculares. Exemplos são a a-queratina, o colágeno e a fibroína.

a-queratina. As a-queratinas fazem parte de uma família maior de proteínas – proteínas do filamento intermediário. A hélice da a-queratina é orientada para a direita. Duas fitas de a-queratinas, orientadas em paralelo, enovelam-se uma à outra para formar uma espiral super-retorcida com orientação à esquerda. Pontes dissulfeto formam ligações cruzadas entre as proteínas. Esta proteína constitui o cabelo, lã, unhas, garras, espinhos, chifres, cascos e a maior parte da camada externa da pele.

Colágeno. Fornecem resistência mecânica. Encontrada em tecido conjuntivo (tendão, cartilagem, matriz orgânica de osso, córnea). A hélice do colágeno é orientada para a esquerda e possui três resíduos de aminoácidos por passo. Três polipeptídeos separados (cadeias a) são superenoveladas com orientação para a direita. O colágeno apresenta 35% de glicina, 11% de alanina e 21% de prolina ou hidroxi-prolina.