Você já conheceu os aminoácidos. Agora vamos acompanhar o que acontece quando eles se conectam, formam uma cadeia e essa cadeia ganha uma estrutura tridimensional capaz de realizar uma função.
Quando os "vagões" começam a formar o trem.
Os aminoácidos se conectam por uma ligação peptídica: uma ligação covalente entre o grupo carboxila de um aminoácido e o grupo amino do seguinte. A carboxila perde um –OH, o grupo amino perde um –H, e esses átomos saem juntos como uma molécula de água. Por isso a reação é chamada de condensação.
A reação inversa, quebrar a ligação usando água, é a hidrólise: é o que as enzimas do seu estômago e intestino fazem com as proteínas da comida.
Extremidade da cadeia que apresenta o grupo amino livre.
Extremidade da cadeia que apresenta o grupo carboxila livre.
Como lemos uma sequência? Sempre do N-terminal para o C-terminal, que é também a ordem em que o ribossomo constrói a cadeia.
Duas unidades formam um dipeptídeo. Cadeias curtas são oligopeptídeos, cadeias maiores são polipeptídeos. Não existe uma fronteira oficial entre "peptídeo" e "proteína", mas costuma-se usar "proteína" quando a cadeia já é grande (mais ou menos a partir de 50 aminoácidos) e tem uma estrutura tridimensional definida.
Pequenos, mas poderosos: várias moléculas importantes do corpo são peptídeos curtos.
A ressonância distribui parcialmente os elétrons pelo grupo peptídico e dá à ligação C–N caráter parcial de dupla ligação. Isso restringe sua rotação e torna o grupo peptídico aproximadamente planar. Para este curso, basta guardar a consequência: a cadeia não funciona como uma corda com rotação totalmente livre.
De onde vem a ordem dos aminoácidos?
A ordem dos aminoácidos não é sorteada: ela está escrita no DNA. O caminho DNA → RNA → proteína é tão central na biologia que ganhou um nome, dogma central. O DNA é transcrito em RNA mensageiro, e o RNA mensageiro é lido na síntese da proteína.
Durante a tradução, o ribossomo lê os códons do mRNA (grupos de três letras) e os tRNAs entregam os aminoácidos correspondentes. A cadeia cresce do N-terminal para o C-terminal, à medida que novas ligações peptídicas são formadas.
"Dogma" não quer dizer regra sem exceção. Os retrovírus, como o HIV, têm uma enzima chamada transcriptase reversa, que faz o caminho contrário: usa RNA como molde para produzir DNA.
Importante: aqui precisamos apenas da visão geral. Replicação, transcrição, código genético e detalhes da tradução podem ser explorados no módulo de Ácidos Nucleicos.
A primeira camada da organização de uma proteína.
A estrutura primária é a sequência de aminoácidos da cadeia, do N-terminal ao C-terminal. Parece pouca informação, mas é ela que determina todo o resto: quais interações a cadeia vai conseguir fazer, que forma ela vai assumir e, no fim, o que a proteína faz.
A hemoglobina, que carrega oxigênio no sangue, tem 574 aminoácidos. Na anemia falciforme, apenas um deles está trocado na cadeia beta: na posição 6, o glutamato dá lugar à valina.
Lembra da aula passada? O glutamato é carregado negativamente e gosta de água; a valina é apolar e foge dela. Essa substituição de um único aminoácido cria uma região hidrofóbica na superfície da proteína. Quando a HbS está desoxigenada, essa alteração favorece a associação entre moléculas de hemoglobina, que podem formar longos polímeros. A hemácia, que deveria ser arredondada, assume o formato de foice, entope vasos e causa crises de dor.
No Brasil, a doença falciforme é uma das doenças genéticas mais comuns, e justamente por isso ela é rastreada no teste do pezinho.
Ideia-chave: sequência → estrutura → função. Mude a sequência no lugar errado e a estrutura muda; mude a estrutura e a função vai junto.
Quando partes da cadeia começam a se organizar.
Certos trechos do esqueleto polipeptídico assumem padrões regulares que se repetem. Os dois mais importantes são a α-hélice e a folha β. Os dois são segurados por ligações de hidrogênio entre o C=O de um resíduo e o N–H de outro. Repare que essas ligações envolvem o esqueleto da cadeia, e não as cadeias laterais.
A cadeia se enrola como uma escada em espiral, com cerca de 3,6 resíduos por volta, e as cadeias laterais ficam apontadas para fora. As ligações de hidrogênio são internas à mesma cadeia: o C=O do resíduo n se liga ao N–H do resíduo n+4, ou seja, com quem está uma volta adiante.
Aqui os trechos ficam esticados e se alinham lado a lado, como fitas. As ligações de hidrogênio são entre fitas diferentes (ou entre trechos distantes da mesma cadeia). Quando as setas apontam para lados opostos, a folha é antiparalela; quando apontam para o mesmo lado, é paralela.
Loops e voltas conectam esses elementos e permitem que a cadeia mude de direção. Não é preciso decorar os tipos de volta agora.
Conexão com a aula anterior: a prolina, com aquele anel que trava a cadeia, e a glicina, que é flexível demais, quase não aparecem no meio de α-hélices. Elas costumam ficar justamente nas curvas, e por isso são apelidadas de "quebradoras de hélice".
A conformação do esqueleto pode ser descrita por ângulos de torção, principalmente φ (phi) e ψ (psi). Nem todas as combinações são fisicamente possíveis devido a impedimentos estéricos. O gráfico de Ramachandran é uma forma de visualizar as regiões conformacionais mais permitidas, e nele as α-hélices e as folhas β aparecem como ilhas bem definidas. Este conceito é útil em Bioquímica estrutural, mas não é pré-requisito para seguir o curso.
Da cadeia à forma tridimensional funcional.
A estrutura terciária é a forma tridimensional completa de uma cadeia, já com hélices, folhas e voltas dobradas umas sobre as outras. É aqui que as propriedades dos grupos R que você estudou em aminoácidos têm consequências concretas.
Experimente: a cadeia abaixo está esticada dentro da água. Clique no botão e veja para onde cada tipo de cadeia lateral tende a ir.
O motor principal é o efeito hidrofóbico: as cadeias laterais apolares se escondem no interior para fugir da água. Somam-se a ele ligações de hidrogênio, interações entre cargas e forças de van der Waals, todas interações fracas. A única ligação covalente dessa lista é a ponte dissulfeto, entre duas cisteínas, presente em algumas proteínas.
Surge quando duas ou mais cadeias, chamadas subunidades, se associam para formar um complexo funcional. O exemplo clássico é a hemoglobina: quatro subunidades (duas alfa e duas beta) trabalhando juntas. Nem toda proteína tem estrutura quaternária: a mioglobina, por exemplo, é uma cadeia só.
Um motivo é um padrão estrutural recorrente formado pela combinação de elementos secundários. Um domínio é uma região estrutural maior que pode formar uma unidade relativamente independente dentro de uma proteína, muitas vezes com uma função própria.
Estruturas tridimensionais determinadas experimentalmente podem ser consultadas em bancos como o Protein Data Bank (PDB), de graça. Classificações mais detalhadas de folds, famílias e superfamílias ficam para uma etapa posterior de Bioinformática ou Biologia Estrutural.
A forma acompanha a função.
Alongadas, pouco solúveis em água e com funções estruturais. A queratina (cabelo e unhas) e o colágeno (pele, tendões, ossos) são os exemplos clássicos.
Compactas, geralmente solúveis, com funções muito diversas: catálise (enzimas), transporte (hemoglobina), regulação (insulina) e defesa (anticorpos).
Cuidado com o nome: o colágeno não é feito de α-hélices. Ele forma uma hélice tripla, com três cadeias enroladas entre si, e é a abundância de glicina, a cada três posições, que permite esse encaixe tão apertado.
Conexão com saúde: como vimos na aula de aminoácidos, a vitamina C é necessária para transformar prolinas e lisinas do colágeno em hidroxiprolina e hidroxilisina. Sem ela, as fibras ficam frágeis: é o escorbuto.
Estrutura e função estão conectadas.
A atividade da maioria das proteínas depende da conformação tridimensional. Quando o ambiente muda muito, as interações fracas que seguram essa conformação se desfazem e a proteína se desenrola. Esse processo é a desnaturação.
As interações mantêm a estrutura dobrada.
A cadeia continua inteira, mas desorganizada.
Calor, pH muito ácido ou muito básico, alguns sais e solventes, ureia em alta concentração e agitação mecânica. Esses fatores podem perturbar as interações que estabilizam a conformação da proteína, favorecendo sua desnaturação.
Não. A desnaturação afeta as estruturas secundária, terciária e quaternária, mas não rompe as ligações peptídicas: a estrutura primária continua intacta. Quebrar a cadeia em pedaços é outro processo, a hidrólise.
Dá para voltar atrás? Às vezes, sim. No experimento clássico de Christian Anfinsen, nos anos 1960, a enzima ribonuclease foi desnaturada e, quando os agentes desnaturantes foram removidos, ela se enovelou sozinha de novo e voltou a funcionar. Foi essa experiência que mostrou uma ideia poderosa: a informação de como se dobrar já está na própria sequência de aminoácidos. Anfinsen recebeu o Nobel de Química de 1972 por esse trabalho.
Na cozinha: ao fritar um ovo, as proteínas da clara se desenrolam e se agarram umas às outras. Essa agregação é o que torna o processo irreversível: não existe ovo "desfrito". O mesmo acontece pelo ácido, sem nenhum calor, quando o limão "cozinha" o peixe do ceviche ou quando o leite talha.
Quando o enovelamento erra: algumas doenças acontecem porque proteínas se dobram do jeito errado e se acumulam. É o caso dos príons (a "doença da vaca louca") e das placas associadas ao Alzheimer e ao Parkinson. Para reduzir esse risco, a célula tem as chaperonas, proteínas cujo trabalho é ajudar outras a se enovelarem corretamente.
Conecte sequência, estrutura e função.