Estrutura das proteínas

A estrutura das proteínas é extraordinariamente complexa e seu estudo requer o conhecimento dos vários níveis de organização. A distinção dos níveis de organização é realizada em termos de natureza das interacções necessárias para a sua manutenção. Distinguem-se quatro níveis de organização existentes nas proteínas. Os conceitos a seguir destinam-se fundamentalmente a melhor compreensão das estruturas protéicas, pois existem casos de sobreposição entre os diferentes níveis de organização. As quatro estruturas são:

• Primária: número, espécie e a sequência dos aminoácidos unidos por ligações peptídicas e pontes dissulfeto. É especificada por informação genética.
• Secundária: arranjos regulares e recorrentes da cadeia polipeptídica (α−hélice e folha β pregueada).
• Terciária: pregueamento não periódico da cadeia polipeptídica, formando uma estrutura tridimensional estável.
• Quaternária: arranjo espacial de duas ou mais cadeias polipeptídicas (ou subunidades protéicas) com a formação de complexos tridimensionais.

a) Estrutura primária

Cada cadeia polipeptídica tem uma sequência específica de aminoácidos determinada por informação genética. A estrutura primária descreve o número de aminoácidos, a espécie, a sequência (ordem) e a localização das pontes dissulfeto (cistina) de uma cadeia polipeptídica. A estrutura é estabilizada pelas ligações peptídicas e pontes dissulfeto. Polipeptídos com funções e sequências de aminoácidos similares são denominados homólogos.

O conhecimento das sequências de aminoácidos em proteínas é importante por várias razões:

• Compreender como as proteínas realizam suas acções moleculares.
• Compreender os efeitos das mutações resultantes da substituição ou deleções de um ou mais aminoácidos nas proteínas.
• Verificar como proteínas similares em diferentes organismos podem contribuir com informações acerca das vias evolutivas.
• Comparar sequências específicas de proteínas com funções similares em espécies diferentes.
• Identificar a presença de repetições de sequências em diferentes proteínas para agrupá-las em famílias.
• Estudar da constituição de proteínas desconhecidas.

Actualmente são conhecidas as estruturas primárias de numerosas proteínas.

b) Estrutura secundária

As proteínas apresentam arranjos tridimensionais com dobramentos regulares denominados estruturas secundárias das proteínas. Esta estrutura é estabilizada por pontes de hidrogénio entre o oxigénio carbonil de uma ligação peptídica e o hidrogénio amida de uma outra ligação peptídica próxima (−NH⋅⋅⋅⋅O=C−). A presença de numerosas pontes de hidrogénio entre as ligações peptídicas tem grande significado na estabilização da estrutura secundária. Existem dois tipos de estruturas secundárias: α −hélice e folha β pregueada.

c) Estrutura terciária

A estrutura terciária descreve a conformação específica da cadeia polipeptídica secundária que resulta numa estrutura mais compacta onde os átomos ocupam posições específicas. O dobramento protéico é um processo no qual uma molécula não organizada, nascente (recentemente sintetizada) adquire uma estrutura altamente organizada como consequência de interacções entre as cadeias laterais presentes na sua estrutura primária. A estrutura terciária apresenta várias características importantes:

• Muitos polipéptidos dobram de modo que os resíduos de aminoácidos que estão distantes um do outro na estrutura primária podem estar próximos na estrutura terciária. 
• Devido ao empacotamento eficiente pelo dobramento da cadeia polipeptídica, as proteínas globulares são compactas. Durante o processo, a maioria das moléculas de água são excluídas do interior da proteína tornando possível interacções entre grupos polares e não−polares.
• Algumas cadeias polipeptídicas dobram-se em duas ou mais regiões compactas conectadas por um segmento flexível de cadeia polipeptídica. Essas unidades globulares compactas, chamadas domínios, são formadas por 30 a 400 resíduos de aminoácidos. Domínios são segmentos estruturalmente independentes que têm funções específicas. As pequenas proteínas possuem, geralmente, apenas um domínio.

A estrutura terciária tridimensional das proteínas é estabilizada por interacções entre as cadeias laterais:

•        I.          Interacções hidrofóbicas.

São as forças não-covalentes mais importantes para a estabilidade da estrutura enovelada. As interacções são resultantes da tendência das cadeias laterais hidrofóbicas – presentes na alanina, isoleucina, leucina, fenilalanina e valina – de serem atraídas umas pelas outras para agruparem-se em áreas específicas e definidas para minimizar seus contactos com a água. Quando circundados por moléculas de água, os grupos hidrofóbicos são induzidos a juntarem-se para ocupar o menor volume possível. Assim, as moléculas de água altamente ordenadas são liberadas do interior, aumentando a desordem do sistema (entropia). O aumento da entropia é termodinamicamente favorável e dirige o dobramento protéico.

•      II.          Interacções electrostáticas (ligações iónicas).

Grupos carregados positivamente como os grupos ε-amino, (-NH₃⁺), nas cadeias laterais de resíduos de lisina podem interagir com grupos carregados negativamente, como o grupo carboxila (−COO−) do ácido glutámico ou ácido aspártico. Cerca de dois terços dos resíduos de aminoácidos com cargas nas proteínas formam pares iónicos (ou pontes salinas: associação de dois grupos iónicos de cargas opostas).

•    III.          Ligações covalentes.

O único tipo de ligação covalente presente na manutenção da estrutura terciária é a ponte dissulfeto formada de dois grupos sulfidrila de cadeias laterais de duas cisteínas (Cys−S−S−Cys) para produzir uma cistina. As pontes dissulfeto separadas uma da outra na estrutura primária (intracadeia) ou entre duas cadeias polipeptídicas (intercadeias) formam-se à medida que a proteína se dobra para adquirir a sua conformação nativa. No meio extracelular, essas ligações protegem parcialmente a estrutura das proteínas de modificações adversas de pH e das concentrações de sais. As proteínas intracelulares raramente contêm pontes dissulfeto devido às altas concentrações citoplasmáticas de agentes redutores.

•   IV.          Pontes de hidrogénio.

Grande número de pontes hidrogénio são formadas no interior e na superfície das proteínas (são pontes diferentes daquelas envolvidas na manutenção de α−hélice ou folha β pregueada). Além de formar pontes de hidrogénio entre si, os grupos polares das cadeias laterais dos aminoácidos podem interagir com a água ou com o esqueleto polipeptídico. As pontes de hidrogénio contribuem moderadamente para direccionar o enovelamento.

•     V.          Forças de Van der Waals.

É uma força de atracção inespecífica que ocorre quando dois átomos quaisquer estão próximos. Podem existir entre unidades de fenilalanina e tirosina próximas umas das outras ou entre resíduos vizinhos de serina. As forças de Van der Waals são também proeminentes entre as cadeias laterais envolvidas nas interacções hidrofóbicas. Apesar dessas forças serem comparativamente fracas, o efeito acumulativo de numerosos sítios de interacção tem substancial influência para a estabilidade da estrutura enovelada

d) Estrutura quaternária

Muitas proteínas são multiméricas, ou seja, são compostas por duas ou mais cadeias polipeptídicas. As cadeias individuais de polipéptidos − chamadas protómeros ou subunidades – estão associadas por interacções não−covalentes: efeitos hidrofóbicos, pontes de hidrogénio e interacções electrostáticas. O arranjo espacial das subunidades é conhecido como estrutura quaternária das proteínas. As proteínas multiméricas em que algumas ou todas as subunidades são idênticas, denominam-se oligómeros. Os oligómeros são compostos de protómeros, que podem consistir de uma ou mais subunidades. Grande quantidade de proteínas oligoméricas contêm duas ou quatro subunidades protoméricas, e são chamadas de diméricas ou tetraméricas, respectivamente.

Existem várias razões para a existência de proteínas multi-subunidades:

• A síntese isolada de subunidades é mais eficiente que aumentos de tamanho da cadeia polipeptídica única.
• Em complexos supramoleculares como as fibrilas do colágeno, a reposição de pequenos componentes defeituosos é um processo mais eficiente.
• As interacções complexas de múltiplas subunidades ajudam a regular as funções protéicas.

Um exemplo de estrutura quaternária é a hemoglobina formada por quatro subunidades, ligadas entre si numa configuração específica (oligómero). Cada uma das subunidades é caracterizada por sua própria estrutura secundária e terciária. As interacções dos polipéptidos ocorrem entre os grupos desprotegidos que não participam do enovelamento da cadeia (estrutura terciária). Por outro lado, a enzima α−quimotripsina não possui estrutura quaternária apesar de ser formada por três cadeias polipeptídicas, já que essas subunidades estão unidas entre si por ligações covalentes.

Os diferentes tipos de estrutura das proteínas

Dinâmica protéica

Apesar da importância das forças que estabilizam as estruturas, deve-se reconhecer que as funções das proteínas exigem um certo grau de flexibilidade. O significado da flexibilidade conformacional (flutuações contínuas e rápidas na orientação dos átomos na proteína) foi demonstrado nas interacções proteínas-ligantes. A função protéica muitas vezes envolve a rápida abertura e fechamento de cavidades na superfície da molécula. A velocidade com que as enzimas catalisam reacções está limitada em parte pela rapidez com que o produto é libertado do sítio activo. A transferência de informações entre biomoléculas é acompanhada por modificações na estrutura tridimensional. Por exemplo, a conformação das subunidades das moléculas de hemoglobina sofre modificações estruturais específicas com a ligação e libertação do oxigênio da molécula.