Estrutura e fun¸c˜ao das prote´ınas

A vida est´a intimamente ligada `as prote´ınas - somos seres prot´eicos. Estas mol´eculas espe- ciais realizam as mais variadas fun¸c˜oes no nosso organismo, desde o transporte de nutrientes e metab´olitos `a cat´alise de rea¸c˜oes biol´ogicas. Apesar da complexidade de suas fun¸c˜oes, as prote´ınas s˜ao relativamente simples: repeti¸c˜oes de 20 unidades b´asicas, os amino´acidos. A versatilidade extraordin´aria das prote´ınas ´e incr´ıvel e muito complexa, podendo estas fun- cionar como m´aquinas moleculares, comutadores, catalisadores celulares e componentes das estruturas celulares, Figura 2.5.

Estrutura hier´arquica das prote´ınas

As prote´ınas podem ter 4 tipos de estrutura, dependendo do tipo de amino´acidos que possuem, do tamanho da cadeia polipept´ıdica e da sua configura¸c˜ao espacial. As estruturas s˜ao:

• Estrutura prim´aria - ´E dada pela sequˆencia de amino´acidos ao longo da cadeia po- lipept´ıdica, Figura 2.6. ´E o n´ıvel estrutural mais simples e mais importante, pois dele deriva todo o arranjo espacial da mol´ecula. S˜ao espec´ıficas para cada prote´ına, sendo geralmente determinados geneticamente. A estrutura prim´aria da prote´ına resulta em

Figura 2.5: Vis˜ao geral da estrutura e fun¸c˜ao das prote´ınas. Lodish et al., Molecular Cell

Biology, 5th Edition.

uma longa cadeia de amino´acidos semelhante a um ”colar de contas”. Uma extremi- dade da prote´ına possui um grupo amino livre (N-terminal) e a outra extremidade possui um grupo carboxila livre (C-terminal). A sequˆencia de uma cadeia prot´eica ´e, por conven¸c˜ao, escrita com a extremidade N-terminal `a esquerda, e a C-terminal `a direita. Sua estrutura ´e somente a sequˆencia dos amino´acidos, sem se preocupar com a orienta¸c˜ao espacial da mol´ecula.

Figura 2.6: Estrutura prim´aria.

• Estrutura secund´aria - ´E dada pelo arranjo espacial de amino´acidos pr´oximos entre si na sequˆencia prim´aria da prote´ına. ´E o ´ultimo n´ıvel de organiza¸c˜ao das prote´ınas

fibrosas mais simples estruturalmente. Ocorre gra¸cas `a possibilidade de rota¸c˜ao das liga¸c˜oes entre os carbonos e dos amino´acidos e seus grupamentos amina e carboxila. O arranjo secund´ario de um polipept´ıdeo pode ocorrer de forma regular; isso acontece quando os ˆangulos das liga¸c˜oes entre carbonos e seus ligantes s˜ao iguais e se repetem ao longo do segmento da mol´ecula. S˜ao dois os tipos principais de arranjo secund´ario regular: h´elice α (Figura 2.7) e folha β (Figura 2.8), ou uma volta curta em forma de U.

Figura 2.7: H´elice α. Figura 2.8: Folha β.

Em uma prote´ına m´edia, 60% da cadeia polipept´ıdica apresenta-se como h´elices α e folhas β pregueadas; o restante da mol´ecula apresenta-se em espirais aleat´orias e voltas. Portanto, as h´elices α e folhas β pregueadas s˜ao os principais elementos internos de suporte das prote´ınas.

• Estrutura terci´aria - Resulta do enrolamento da h´elice α ou da folha pregueada, sendo mantido por pontes de hidrogˆenio e dissulfito. Esta estrutura confere a atividade biol´ogica `as prote´ınas. A estrutura terci´aria descreve o dobramento final de uma cadeia, por intera¸c˜oes de regi˜oes com estrutura regular ou de regi˜oes sem estrutura definida, Figura 2.9, podendo haver intera¸c˜oes de segmentos distantes de estrutura prim´aria, por liga¸c˜oes n˜ao covalentes. Enquanto a estrutura secund´aria ´e determinada pelo relacio- namento estrutural de curta distˆancia, a terci´aria ´e caracterizada pelas intera¸c˜oes de longa distˆancia entre amino´acidos. Todas tˆem sequˆencias de amino´acidos diferentes, refletindo estruturas e fun¸c˜oes distintas.

• Estrutura quatern´aria - Tamb´em conhecida como o quarto nivel de organiza¸c˜ao estrutural, descreve o n´umero (esquiometria) e as posi¸c˜oes relativas das subunidades

nas prote´ınas multim´ericas. As prote´ınas multim´ericas consistem de dois ou mais po- lipept´ıdeos ou subunidades. Elas s˜ao guiadas e estabilizadas pelas mesmas intera¸c˜oes da terci´aria. A jun¸c˜ao de cadeias polipept´ıdicas pode produzir diferentes fun¸c˜oes para os compostos. Um dos principais exemplos de estrutura quatern´aria ´e a hemoglobina, Figura 2.10. Sua estrutura ´e formada por quatro cadeias polipept´ıdicas.

Figura 2.9: Estrutura terci´aria. Figura 2.10: Estrutura quatern´aria.

A organiza¸c˜ao espacial da prote´ına - sua forma tridimensional - ´e a chave para enten- der sua fun¸c˜ao. Somente quando uma prote´ına est´a na estrutura tridimensional correta, ou conforma¸c˜ao, ´e capaz de funcionar de modo eficiente. Um conceito importante para o en- tendimento das prote´ınas ´e que a fun¸c˜ao ´e derivada da estrutura tridimensional, e a estrutura

tridimensional ´e especificada pela sequˆencia de amino´acidos.

A incorpora¸c˜ao de prote´ınas diferentes, durante a evolu¸c˜ao, produziu a diversidade de estrutura e fun¸c˜ao das prote´ınas. As c´elulas contˆem grandes arranjos macromoleculares nos quais todos os elementos necess´arios em um processo celular complexo (por exemplo, s´ıntese de DNA, RNA e de prote´ınas; fotoss´ıntese; transdu¸c˜ao de sinais) est˜ao integrados, formando m´aquinas moleculares.

Fun¸c˜ao das prote´ınas

• Estrutural ou pl´astica - S˜ao aquelas que participam dos tecidos dando-lhes rigi- dez, consistˆencia e elasticidade. S˜ao prote´ınas estruturais: col´ageno (constitu´ınte das cartilagens), actina e miosina (presentes na forma¸c˜ao das fibras musculares), queratina (principal prote´ına do cabelo), fibrinogˆenio (presente no sangue), albumina (encontrada em ovos) e outras;

• Hormonal - Exercem alguma fun¸c˜ao espec´ıfica sobre algum ´org˜ao ou estrutura de um organismo como, por exemplo, a insulina (embora tecnicamente a insulina seja considerada apenas um polipept´ıdeo, devido a seu pequeno tamanho);

• Defesa - Os anticorpos s˜ao prote´ınas que realizam a defesa do organismo, especializados no reconhecimento e neutraliza¸c˜ao de v´ırus, bact´erias e outras substˆancias estranhas. O fibrinogˆenio e a trombina s˜ao outras prote´ınas respons´aveis pela coagula¸c˜ao do sangue e preven¸c˜ao de perda sangu´ınea em casos de cortes e machucados;

• Energ´etica - Obten¸c˜ao de energia a partir dos amino´acidos que comp˜oem as prote´ınas; • Enzim´atica - Enzimas s˜ao prote´ınas capazes de catalizar rea¸c˜oes bioqu´ımicas como, por exemplo, as l´ıpases. As enzimas n˜ao reagem, s˜ao reutilizadas (sempre respeitando o s´ıtio ativo) e s˜ao espec´ıficas. As enzimas reduzem a energia de ativa¸c˜ao das rea¸c˜oes qu´ımicas. A fun¸c˜ao da enzima depende diretamente de sua estrutura. Prote´ınas alta- mente especializadas e com atividade catal´ıtica. Mais de 2000 enzimas s˜ao conhecidas, cada uma capaz de catalisar um tipo diferente de rea¸c˜ao qu´ımica;

• Condutoras de gases - O transporte de gases (principalmente do oxigˆenio e um pouco do g´as carbˆonico) ´e realizado por prote´ınas como a hemoglobina e hemociani- na. Prote´ınas trans-membrˆanicas s˜ao respons´aveis pelo transporte de substˆancias para dentro e fora da c´elula atrav´es da membrana de composi¸c˜ao fosfolip´ıdica e isolante. ´

E importante salientar que, neste trabalho, usaremos apenas o conte´udo de informa¸c˜ao das sequˆencias de DNA, ou seja, a sequˆencia prim´aria de nucleot´ıdeos e de amino´acidos dessas sequˆencias (genoma, gene, DNA repetitivo, ´ıntron, RNA, mRNA, prote´ınas, hormˆonio, SD e SI), sendo que, atrav´es do processo de modelagem, reproduziremos tais sequˆencias. Agora, a determina¸c˜ao das demais estruturas da prote´ına requerir´a o conhecimento de propriedades e conceitos no contexto bioqu´ımico e matem´atico.

Dobramento, modifica¸c˜ao e degrada¸c˜ao das prote´ınas

Uma cadeia polipept´ıdica ´e sintetizada por um processo chamado tradu¸c˜ao, no qual a polimeriza¸c˜ao dos amino´acidos em uma sequˆencia espec´ıfica ´e determinada pelo RNA men- sageiro (mRNA - messenger RNA). A c´elula promove o dobramento adequado de uma cadeia polipept´ıdica nascente e, em muitos casos, modifica os res´ıduos, ou cliva o esque- leto pept´ıdico para produzir uma prote´ına final. Al´em disso, a c´elula tem mecanismos de verifica¸c˜ao de erros, que eliminam prote´ınas sintetizadas ou dobradas incorretamente. As prote´ınas dobradas incorretamente geralmente n˜ao possuem atividade biol´ogica e, em alguns casos, podem estar associadas a doen¸cas. O dobramento incorreto das prote´ınas ´e evitado por dois mecanismos distintos. Primeiro, as c´elulas tˆem sistemas que reduzem as chances de formar prote´ınas mal dobradas. Segundo, qualquer prote´ına incorretamente dobrada, bem

como as prote´ınas citos´olicas que n˜ao s˜ao mais necess´arias `a c´elula, s˜ao degradadas por um sistema celular especializado de descarte.

• A informa¸c˜ao para o dobramento de uma prote´ına est´a codificada na sequˆencia A sequˆencia de amino´acidos de uma prote´ına determina seu dobramento em uma conforma¸c˜ao tridimensional espec´ıfica chamada de estado nativo; para a grande maio- ria das prote´ınas, o estado nativo ´e a forma mais est´avel de dobramento da mol´ecula. • O dobramento in Vivo das prote´ınas ´e promovido por chaperonas

Apesar de o dobramento de prote´ınas ocorrer in vitro, apenas uma minoria das mol´eculas desnaturadas (tratamento laboratorial que faz com que a prote´ına perca sua conforma- ¸c˜ao nativa e sua fun¸c˜ao biol´ogica) sofre o dobramento completo e volta `a conforma¸c˜ao nativa em alguns minutos. Obviamente, as c´elulas necessitam de um mecanismo mais r´apido e eficiente para o dobramento das prote´ınas nas formas corretas, pois de outro modo as c´elulas gastariam muita energia na s´ıntese das prote´ınas n˜ao-funcionais e na degrada¸c˜ao de prote´ınas n˜ao-dobradas ou dobradas incorretamente.

A explica¸c˜ao para a incr´ıvel eficiˆencia das c´elulas em promover o dobramento correto das prote´ınas est´a, provavelmente, nas chaperonas, uma classe de prote´ınas encontradas em todos os organismos, de bact´erias a humanos. As chaperonas est˜ao localizadas em todos os compartimentos celulares, se ligam a uma enorme variedade de prote´ınas e atuam no mecanismo geral de dobramento de prote´ınas. Duas fam´ılias gerais de chaperonas s˜ao conhecidas:

- Chaperonas moleculares, que ligam e estabilizam prote´ınas n˜ao-dobradas ou com dobramento parcial, evitando sua agrega¸c˜ao e degrada¸c˜ao. O dobramento de prote´ınas in vivo ocorre com o aux´ılio de chaperonas moleculares (prote´ınas Hsp70), que se ligam ao polipept´ıdeo nascente que emerge dos ribossomos, impe- dindo seu dobramento incorreto (Figura 2.11).

- Chaperoninas, que atuam diretamente, facilitando o dobramento das prote´ınas. As chaperoninas, grandes complexos de prote´ınas semelhantes ao Hsp60, protegem algumas prote´ınas parcialmente dobradas ou com dobramentos incorretos em uma cavidade em forma de barril, fornecendo um tempo adicional para que ocorra o dobramento correto.

Algumas doen¸cas neurodegenerativas, incluindo a doen¸ca de Alzheimer e de Parkinson em humanos e a encefalopatia espongiforme transmiss´ıvel (doen¸ca da “vaca louca”)

Figura 2.11: Dobramento de prote´ınas mediado por chaperonas e chaperoninas. Lodish et

al., Molecular Cell Biology, 5th Edition.

em bovinos e ovinos, s˜ao causadas por agregados prot´eicos que sofrem dobramentos est´aveis em uma conforma¸c˜ao alternativa.