Estrutura de Proteínas

Proteínas são macromoléculas biológicas compostas de aminoácidos ligados através de ligações peptídicas, podendo ter diferentes estruturas tridimensionais e podem ser classificadas quanto à composição química como proteínas simples (compostas apenas de resíduos de aminoácidos) ou proteínas conjugadas (compostas por um grupo prostético - que constituem componentes químicos diretamente associados aos aminoácidos).1

A ligação peptídica entre os resíduos de aminoácidos apresenta caráter parcial de dupla ligação devido à ressonância entre a dupla ligação da carbonila e a ligação carbono-nitrogênio, portanto, esta ligação é rígida e planar. A geometria dos átomos de carbono alfa (Cα) da cadeia principal se encontra em configuração trans, configuração energeticamente favorável (Figura 1) quando comparada a configuração cis, e os resíduos de aminoácidos presentes em quase todas as proteínas estão em configuração estereoquímica L, devido a estereoespecificidade dos sítios ativos assimétricos das enzimas. 1,2

Figura 1. Representação da ligação peptídica de proteínas, onde observa-se que essa ligação é planar e as ligações N – Cα e Cα – C podem apresentar rotações cujos ângulos

são denominados phi (ø) e psi (Ψ), respectivamente.1

A estrutura tridimensional de uma determinada proteína é denominada estrutura nativa ou enovelamento proteico. O enovelamento proteico apresenta diferentes níveis de organização estrutural conforme representado na Figura 2. A estrutura primária é definida pela sequência específicas de resíduos de aminoácidos que compõe a cadeia polipeptídica, esta sequência de aminoácidos é única para cada proteína e define a estrutura e função desta proteína. 1,2,3

2 Figura 2. Representação dos níveis estruturais de uma proteína. Estrutura primária é definida pela sequência de resíduos de aminoácidos de uma proteína. A estrutura secundária é o arranjo espacial local entre os resíduos de aminoácidos. A estrutura terciária é definida pelo arranjo tridimensional de todos resíduos de aminoácidos. A estrutura quaternária, por sua vez, é definida como o arranjo espacial de subunidades de cadeias polipeptídicas. Estrutura baseada na hemoglobina (PDB 1C7D).1,2,3

O arranjo espacial entre os resíduos de aminoácidos adjacentes da cadeia principal através de ligações de hidrogênio define a estrutura secundária. Este nível organizacional pode ser classificado em alfa-hélice e folha beta, sugeridos por Linus Pauling e colaboradores em 1951.4 _{A alfa-hélice apresenta uma} estrutura helicoidal, em que a principal alfa-hélice contém 3,6 resíduos de aminoácidos por volta e ligação de hidrogênio entre 4 resíduos de aminoácidos (Figura 3A e 3B). As folhas beta consistem em um estrutura em ziguezague, na qual a ligação de hidrogênio ocorre entre segmentos adjacentes na cadeia polipeptídica (Figura 3C).1,2,5

3 Figura 3. Arranjo estrutural das estruturas secundárias. (A) Orientação dos átomos da cadeia principal na alfa-hélice. As ligações de hidrogênio são formadas pelos átomos de hidrogênio e o oxigênio da ligação peptídica entre 4 resíduos de aminoácidos (i, i+4) estabilizando esta conformação. (B) Vista de cima do eixo de uma alfa-hélice. As cadeias laterais (R) dos resíduos de aminoácidos estão do lado de fora na estrutura da alfa-hélice. (C) Orientação dos átomos da cadeia principal na estrutura folha beta que consiste em uma estrutura em ziguezague. A ligação de hidrogênio ocorre entre os átomos de hidrogênio e oxigênio da ligação peptídica entre seguimentos adjacentes na cadeia polipeptídica. 5

Algumas regiões das proteínas apresentam estruturas não regulares denominadas loops e turns. Os turns são pequenos segmentos de aminoácidos que ligam duas estruturas secundárias. Os loops são segmentos com um número maior de resíduos de aminoácidos causando uma região flexível na proteína. 1,5

A região desestruturada das proteínas pode ser responsável por diversos papéis biológicos fundamentais nos organismos. Como exemplos, em algumas enzimas esta região é responsável pela ligação com o substrato e pode participar nesta catálise, como é o caso da interação entre proteína p53 e o domínio CBP (Figura 4); em proteínas responsáveis pela ligação com DNA. Os loops quando presente entre alfa-hélices tornam possível a interação destas estruturas

4 secundárias com o DNA. Existem proteínas instrisecamente desestruturadas que assumem uma determinada conformação estrutural ao ligar-se com diferentes substratos, como o caso da interação entre o fator induzido por hipóxia 1 alfa (HIF- 1α) com o fator inibidor de HIF-1α (FIH) e com o domínio da CBP (Figura 5).5-7

Figura 4. Estrutura do complexo formado entre a proteína p53 (demonstrada em azul escuro) e domínio CBP-bromo (demonstrada em cinza) (PDB 1JSP). Aproximação da região de interação entre o sítio de ligação do domínio de ligação CBP e o peptídeo da proteína p53. Os resíduos de interação do domínio CBP estão representados em verde e os resíduos de interação da proteína p53 estão representado em vermelho, amarelo e em azul claro que contém um resíduo de acetil-lisina (AcLys). 6

Figura 5. Alterações da estrutura da HIF-1α na interação com o domínio CBP (PDB 1L8C) (A) e com o fator de inibição da HIF-1α (FIH) (PDB 1H2K) (B). A proteína intrinsecamente desestruturada HIF-1α está demonstrada em vermelho e as regiões que apresentam diferentes estruturas nos dois complexos estão representadas em azul.7

Alguns resíduos de aminoácidos tem tendência de serem encontrados em maiores quantidades em proteínas e em determinadas estruturas secundárias,

5 portanto, estudos foram realizados para determinar estas porcentagens de resíduos de aminoácidos (Figura 6). Para isso, foram utilizadas 1654 proteínas nativas obtidas a partir do servidor PISCES (Protein Sequence Culling Server), que filtrou estruturas tridimensionais de proteínas com alta resolução depositadas no PDB (Protein Data Bank). Com base nesse estudo, foi observada uma maior porcentagem dos resíduos de aminoácidos leucina e alanina em proteínas nativas; de prolina e glicina em loops; de ácido glutâmico e alanina em alfa-hélice e valina e iso-leucina em folhas beta, quando comparado com os demais aminoácidos.8

Figura 6. Porcentagem de resíduos de aminoácidos em estruturas tridimensionais de proteínas (A) e em estruturas secundárias de proteínas (alfa-hélice, folha beta ou loop) (B). Esses valores foram obtidos por cálculos através de 1654 estruturas de alta resolução de proteínas depositadas no PDB filtradas pelo servidor PISCES. Os resíduos de aminoácidos estão representados por abreviação de uma letra.8

O arranjo tridimensional de todos os átomos da cadeia polipeptídica é definido como estrutura terciária, no qual interações entre os resíduos de aminoácidos podem ocorrer através de ligação de hidrogênio, ligação de dissulfeto, interações iônicas e hidrofóbicas. O arranjo estrutural entre

6 subunidades da proteína (cadeias peptídicas separadas) é definido como estrutura quaternária (Figura 2).1,2,5

A estrutura nativa das proteínas está diretamente ligada a sua estabilidade e atividade biológica, portanto, com exceção das proteínas intrinsicamente desordenadas, alterações em suas estruturas podem provocar a perda de sua função biológica. 1,2,5,6