O Código Da Vida Descodificado – As Proteínas

Por esta altura, já deves saber o que é o dito “Código da Vida”, o DNA (se não sabes vê aqui), e que uma das suas funções é ser um “plano” de produção de proteínas, através da síntese proteica. Ou seja, ao ser descodificado, o DNA resulta nas proteínas (e em elementos reguladores como RNAs)que basicamente executam quase todas as funções das células (e muitas fora delas).

Mas o que é realmente uma proteína? (Lê mais, se queres saber porque são tão importantes)

Para perceberes o que é uma proteína, tens de perceber como é a sua estrutura, que é essencial para o seu funcionamento.

Uma proteína é uma macromolécula, tal como o DNA, o que quer dizer que é constituída por moléculas mais pequenas, neste caso uma sequência de aminoácidos. Estas moléculas são exatamente o que dizem: constituídos por um carbono ligado a um grupo amina ( -NH2), um ácido carboxílico ( -COOH) e um hidrogénio (parte a preto da Figura 1). Isto é uma definição mais ou menos vaga – um carbono partilha 4 dos seus eletrões em ligações químicas, ou seja, a outra ligação (a cadeia lateral) pode ser constituída por muitos grupos funcionais. Os grupos funcionais são conjuntos de átomos ligados covalentemente uns aos outros que têm um “comportamento químico e bioquímico específico” e podem ser muito variados, desde grupos -OH, outros grupos amina, cadeias de carbonos, etc. – e, por isso, há mais de 500 aminoácidos na Natureza. Com tanta variedade, é óbvio que há muitas características diferentes que alteram a maneira como eles interagem uns com os outros e com outras moléculas. [1, 22]

Destes 500, apenas 22 são usados para formar proteínas, e dois desses 22 não estão presentes em todos os organismos. Por exemplo, o ser humano só usa 20 deles nas suas proteínas que só por si já trazem uma série de características diferentes (podes vê-los na Figura 1). Estas incluem:

Diferenças de carga – se a cadeia lateral tem um ácido carboxílico vai ter carga negativa, se tiver um grupo amina, terá carga positiva, visto que o grupo amina (um azoto e 3 hidrogénios) tende a receber hidrogénios (é uma base, normalmente encontra-se no estado -NH3+) e o ácido carboxílico (um carbono e dois oxigénios) tende a doá-los (é um ácido, normalmente encontra-se no estado -COO) com algumas exceções (a carga também depende do pH, visto que este é uma medida da quantidade de hidrogénios “soltos” numa solução e varia com a composição da mesma, há moléculas mais dispostas a “largar” os seus hidrogénios que outras [2]);

Diferenças de polaridade – algumas causadas pelas cargas positivas ou negativas, outras exclusivamente pela eletronegatividade dos átomos que constituem o radical;

Diferenças nos átomos que os constituem – para além de haver uns com mais carbonos, grupos amina ou ácidos carboxílicos do que outros, a Metionina e a Cisteína têm átomos de enxofre. O facto de terem átomos diferentes permite que estes aminoácidos possam ter interações diferentes com outras moléculas e outros aminoácidos;

Diferenças na sua estrutura – alguns têm anéis de carbonos (e outros átomos) enquanto que outros são lineares.

Figura 1 – Representação da estrutura química dos 20 aminoácidos. A preto está representada a estrutura básica de qualquer aminoácido e a cores os radicais (grupos químicos) ligados a esta estrutura básica. Não só há muita variedade nestas cadeias laterais, como esta variedade traz consigo uma série de funções e características diferentes. Imagem de [3].
Figura 1 – Representação da estrutura química dos 20 aminoácidos. A preto está representada a estrutura básica de qualquer aminoácido e a cores os radicais (grupos químicos) ligados a esta estrutura básica. Não só há muita variedade nestas cadeias laterais, como esta variedade traz consigo uma série de funções e características diferentes. Imagem de [3].

Tendo em conta que uma proteína é (na sua maioria, já falo das exceções) uma sequencia de muitos aminoácidos, estas diferenças permitem a formação de um leque muito alargado de proteínas que podem interagir com as mais variadas moléculas. Aliás para teres uma noção desta variedade foram identificadas 30 057 proteínas que podem ser produzidas pelo nosso corpo em 17 294 genes diferentes. [4, 5]

Espera… Como é que 17 000 genes produzem 30 000 proteínas?

Um dos fatores e, provavelmente, o mais significativo é o splicing alternativo, que permite retirar ou manter exões específicos quando o DNA é transcrito em RNA.

Na Figura 2 podes ver uma representação pouco detalhada de aminoácidos a serem ligados uns aos outros durante a síntese proteica. Se visses esta reação com mais detalhe, ias reparar que os aminoácidos se ligam uns aos outros pelos grupos amina e carboxilo (mostrados a preto na Figura 1 e na Figura 3), deixando as cadeias laterais (normalmente representada por um R) livres para interagir com outras substâncias e aminoácidos – a isto chama-se uma ligação peptídica, que podes ver com mais detalhe na Figura 3.

Ou seja, de um lado vamos ter um grupo amina a terminar a sequencia de átomos e do outro um grupo carboxilo. Aos resíduos (nome dado a um aminoácido num péptido ou proteína) que estão nestas pontas chamamos amino-terminal (ou N-terminal) e carboxil-terminal (C-terminal). [6]

Figura 2 – Processo de tradução a acontecer. A estrutura grande roxa corresponde a um ribossoma, a linha cor-de-rosa ao mRNA a ser traduzido, a amarelo o tRNA e a azul os aminoácidos e o péptido a ser formado. Imagem de [8].
Figura 2 – Processo de tradução a acontecer. A estrutura grande roxa corresponde a um ribossoma, a linha cor-de-rosa ao mRNA a ser traduzido, a amarelo o tRNA e a azul os aminoácidos e o péptido a ser formado. Imagem de [8].

A sequência de aminoácidos, codificada pelo DNA, é apenas a primeira fase da formação das proteínas – elas não são lineares, os aminoácidos interagem uns com os outros, dando-lhe uma estrutura definida.

Até aqui, apenas temos um polipéptido (se tiver mais de 50 aminoácidos) ou de um oligopéptido (muitas vezes apenas péptido) quando é mais pequeno, ou seja, uma sequência de aminoácidos. [6] Uma proteína completa é mais complexa, a sequência de aminoácidos é apenas a estrutura primária das proteínas, que (na sua maioria) têm 4 níveis estruturais. [7]


 Artigo relacionado: Descodificando O DNA – Síntese Proteica


Como os aminoácidos têm muitos hidrogénios (H) e Oxigénios (O), têm tendência a formar pontes de hidrogénio (podes ver o que são aqui), o que os faz interagir uns com os outros (e com outras substâncias). Desta forma, vão posicionar-se de forma a que o máximo de aminoácidos da cadeia principal estejam ligados uns aos outros com estas ligações.

Mas como cada um está ligado covalentemente a outros dois (exceto os das pontas), resulta em duas conformações: a alfa-hélice (α-hélice) e a folha plissada beta (β), que constituem a estrutura secundária e estão representadas na Figura 4.

Figura 3 – Representação de uma ligação peptídica. Esta é a reação que ocorre com a ajuda o ribossoma durante a tradução. Podes ver os átomos envolvidos na formação da ligação a cores e que se liberta uma molécula de água. Imagem de [9].
Figura 3 – Representação de uma ligação peptídica. Esta é a reação que ocorre com a ajuda o ribossoma durante a tradução. Podes ver os átomos envolvidos na formação da ligação a cores e que se liberta uma molécula de água. Imagem de [9].

 A maior parte de cada proteína está numa destas duas conformações, o resto tem estruturas como “dobradiças” (hinges), “ganchos para o cabelo” (hairpins), entre outras (normalmente estas são as áreas mais flexíveis das proteínas e as mais ativas, biologicamente). [7] Podes ver dois exemplos na Figura 4.

Depois tens a estrutura terciária que consiste na organização da cadeia polipeptídica como um todo: que “voltas” é que a cadeia de aminoácidos tem de dar para poder ser funcional. Ou seja, a estrutura terciária contem muitas α-hélices e folhas plissadas β, visto que tem em conta toda a cadeia de aminoácidos.

Enquanto que estrutura secundária é estabilizada por pontes de hidrogénio entre os átomos mais próximos das ligações peptídicas,

na estrutura terciária não é este o caso. [7]

A estrutura terciária traz estabilidade à cadeia polipeptídica de outra forma: fazendo ligações entre as cadeias laterais. Estas ligações podem ser covalentes, no caso das cisteínas, que fazem ligações dissulfídicas entre si (são ligações entre átomos de enxofre, S na tabela periódica), ou não covalentes.

As ligações não covalentes podem ser: pontes de hidrogénio, ligações iónicas entre grupos amino e grupos ácidos (pontes salinas), ou interações hidrofóbicas – há partes das cadeias laterais que, sendo não-polares, não gostam da água e têm tendência a agruparem-se e interagirem uns com os outros para se afastarem da água que está a toda a sua volta. [11]

Figura 4 – Representação de duas áreas de uma proteína genérica. A azul está representada uma zona em folha plissada β, a verde uma α-hélice e a cinzento sequencias de ligação entre estas duas estruturas, uma em hairpin, em cima, e outra em loop, em baixo. As linhas a tracejado correspondem a pontes de hidrogénio, enquanto que as linhas são ligações covalentes. Imagem adaptada de [10].
Figura 4 – Representação de duas áreas de uma proteína genérica. A azul está representada uma zona em folha plissada β, a verde uma α-hélice e a cinzento sequencias de ligação entre estas duas estruturas, uma em hairpin, em cima, e outra em loop, em baixo. As linhas a tracejado correspondem a pontes de hidrogénio, enquanto que as linhas são ligações covalentes. Imagem adaptada de [10].

Olhando para a estrutura terciária, há ainda outra classificação que se pode fazer, que são os domínios, zonas da cadeia polipeptídica que se “enrolam” (fazem as ligações que referi para a estrutura terciária) quase independentemente das outras. Os domínios normalmente estão ligados a outras zonas da cadeia polipeptídica apenas por algumas ligações peptídicas e, muitas vezes, têm funções específicas. [7]

Normalmente, as proteínas podem cair em duas categorias, conforme a sua estrutura terciária de um modo geral: globulares ou fibrosas. As globulares têm uma forma arredondada, enrolam-se sobre si mesmas e têm diversas funções.

Podem funcionar como transportadoras de substâncias (como a hemoglobina, na Figura 5A), catalisadoras (“facilitadores”) de reações (como as DNARNA polimerases, chamam-se enzimas), defesa do organismo (como os anticorpos, também conhecidos por imunoglobulinas), entre outras. [7]

As fibrosas, como o colagénio (Figura 5B), formam estruturas longas, resistentes a forças de tração (quando se “puxam as pontas”) e de cisalhamento (é melhor veres na Figura 6) e, por isso, normalmente têm funções estruturais. Ou seja, ao contrário das globulares, as proteínas fibrosas têm uma estrutura linear, “esticada”.  [7, 12]

Figura 5 – Representação de uma proteína fibrosa (hemoglobina, (A)) e de uma proteína globular (colagénio, (B)).  A hemoglobina, como podes ver, enrola-se sobre si mesma, formando uma estrutura com “zonas internas” e “zonas externas”. O que está a roxo são os grupos heme, que são pequenas estruturas não-proteicas associadas a um ião de Ferro (o Fe+2), onde o oxigénio vai ser transportado (O-2). Cada sub-unidade da hemoglobina (vê a estrutura quaternária, mais abaixo) tem o seu grupo heme (são 4 em cada proteína completa). O colagénio, como proteína fibrosa, tem uma estrutura “esticada”, os aminoácidos estão todos orientados na mesma direção em qualquer uma das cadeias polipeptídicas da tripla hélice (são três cadeias associadas, vê a estrutura quaternária neste artigo). Imagens de [13, 14].
Figura 5 – Representação de uma proteína fibrosa (hemoglobina, (A)) e de uma proteína globular (colagénio, (B)). A hemoglobina, como podes ver, enrola-se sobre si mesma, formando uma estrutura com “zonas internas” e “zonas externas”. O que está a roxo são os grupos heme, que são pequenas estruturas não-proteicas associadas a um ião de Ferro (o Fe+2), onde o oxigénio vai ser transportado (O-2). Cada sub-unidade da hemoglobina (vê a estrutura quaternária, mais abaixo) tem o seu grupo heme (são 4 em cada proteína completa). O colagénio, como proteína fibrosa, tem uma estrutura “esticada”, os aminoácidos estão todos orientados na mesma direção em qualquer uma das cadeias polipeptídicas da tripla hélice (são três cadeias associadas, vê a estrutura quaternária neste artigo). Imagens de [13, 14].

Por fim, temos ainda a estrutura quaternária, que consiste na ligação de várias cadeias polipeptídicas da mesma forma que a estrutura terciária (ou seja, pontes de hidrogénio, pontes salinas, interações hidrofóbicas e pontes dissulfídicas). [16]

Cada cadeia chama-se uma subunidade e podem ser iguais ou diferentes. No caso do colagénio, são três as cadeias polipeptídicas que se ligam umas às outras para formar a estrutura resistente que vês na Figura 5A, enquanto que na hemoglobina são quatro cadeias polipeptídicas que se “juntam”, formando uma proteína capaz de transportar quatro átomos de oxigénio de cada vez. [17, 18]

Às tantas estás a pensar: Tudo bem, isso da estrutura é muito bonito, mas como é que as proteínas funcionam realmente?

Bem, isso depende da proteína de que estejamos a falar.

No caso da hemoglobina, que se encontra na superfície dos glóbulos vermelhos, as partes responsáveis por transportar o oxigénio são os grupos heme, estruturas não-proteicas que estão associadas a um ião de ferro (Fe+2) no seu centro.

Cada sub-unidade da hemoglobina tem um grupo heme com um ião de ferro onde o oxigénio (O-2) se liga para ser transportado dos pulmões para as células. [18] Ao libertar o oxigénio, o dióxido de carbono liga-se às aminas terminais da hemoglobina, e não ao grupo heme (uma pequena parte do CO2 é transportada dissolvida no plasma do sangue). [19]

No caso do colagénio… bem, há, pelo menos, 28 tipos de colagénio no reino animal e eles estão espalhados por todo o tipo de tecidos, desde os ossos e tendões à pele (são proteínas extracelulares, as células produzem-nas e “enviam-nas” para o exterior). São as proteínas mais abundantes no corpo dos animais e, por isso, vou-me focar apenas no colagénio tipo I, a principal proteína estrutural do osso e da pele. [17, 20, 21]

Para formarem as estruturas de que fazem parte as moléculas de colagénio do tipo I ligam-se umas às outras lateralmente, formando fibrilhas que se ligam umas às outras, formando fibras de colagénio mais grossas e resistentes. [17]

Também tens enzimas que podem “construir” ou “destruir” outras substâncias, por exemplo, a RNA polimerase constrói uma molécula de RNA e as protéases destroem outras proteínas.

As enzimas funcionam através de um centro ativo, uma zona da proteína onde as peças da “construção” (substrato) vão ser “encaixadas” umas nas outras (a “construção” é o produto) ou a substância a destruir (substrato) vai encaixar para se “separarem” as peças (as peças são o produto). Estas interações podem ser muito variadas, dependendo do tipo de substrato de que estamos a falar, por isso não vou entrar em detalhes.

No entanto há dois modelos para o seu funcionamento: o modelo de chave-fechadura e o modelo de encaixe induzido. No modelo de chave-fechadura, o substrato encaixa perfeitamente na enzima (que tem um centro ativo com a forma exata do substrato). No modelo mais aceite, o do encaixe induzido, a enzima adapta-se ao substrato (e vice-versa), apresentando uma maleabilidade muito maior (mais consistente com a forma e estrutura das proteínas).

Figura 6 – Ilustração da direcção das forças de cisalhamento. Imagem de [15].
Figura 6 – Ilustração da direcção das forças de cisalhamento. Imagem de [15].

Como podes ver, as proteínas podem funcionar de formas consideravelmente diferentes e a sua função depende da sua estrutura e constituição (a própria estrutura depende da sequencia de aminoácidos).

Não só isso, mas elas estão espalhadas por todo o nosso corpo, desde a superfície e interior das células até ao exterior. Por isso, como deves imaginar, um erro num aminoácido pode ser potencialmente catastrófico, e pode causar uma grande quantidade de doenças.

Por exemplo, a falta de colagénio tipo I causa a Osteogénese Imperfeita, que torna os ossos muito frágeis. Há várias mutações que podem levar a esta doença, mas todas reduzem a produção de colagénio e levam a esta doença (com diferentes intensidades, dependendo de quanto colagénio tipo I é produzido). [21]

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Referencias

 

  1. Gutiérrez-Preciado, A., H. Romero, and M. Peimbert. An Evolutionary Perspective on Amino Acids. Cell Origins and Metabolism 2010 [cited 2017 17/03]; Available from: http://www.nature.com/scitable/topicpage/an-evolutionary-perspective-on-amino-acids-14568445.
  2. Provost, J.J., et al., The Science Of Cooking. 2016, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.
  3. Silva, A. Os 20 aminoácidos essenciais ao organismo. [cited 2016; Available from: http://www.infoescola.com/bioquimica/os-20-aminoacidos-essenciais-ao-organismo/.
  4. Kim, M.-S., et al., A draft map of the human proteome. Nature, 2014. 509(7502): p. 575-581.
  5. Kim, M.-S., et al. Human Proteome Map. 2014 [cited 2017 24/03]; Available from: http://www.humanproteomemap.org/.
  6. Berg, J., J. Tymoczko, and L. Stryer, Primary Structure: Amino Acids Are Linked by Peptide Bonds to Form Polypeptide Chains, in Biochemistry. 2002, W H Freeman: New York.
  7. Karp, G., Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments. 7th ed. 2013, United States of America: John Wiley and Sons.
  8. Protein synthesis in ribosome. 2013; Available from: http://gifsoup.com/view/4737457/protein-synthesis-in-ribosome.html.
  9. V8rik. AminoacidCondensation. 2009 [cited 2017 20/03]; Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:AminoacidCondensation.svg.
  10. OpenStax, C. Secondary Protein Structure. 2016 [cited 2017 22/03]; Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Figure_03_04_07.jpg.
  11. Ophardt, C.E. Tertiary Structure – Proteins. Virtual Chembook 2003 [cited 2017 23/03]; Available from: http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/567tertprotein.html.
  12. Roberts, M., M. Reiss, and G. Monger, Advanced Biology. 2000: Nelson.
  13. College, O. 225 Peptide Bond-01. 2013 [cited 2017 06/04]; Available from: https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:225_Peptide_Bond-01.jpg.
  14. Vossman. Collagentriplehelix. 2005 [cited 2017 06/04]; Available from: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Collagentriplehelix.png#file.
  15. luide body. Ensaio de Cisalhamento. 2010 [cited 2017 27/03]; Available from: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA3ToAD/ensaio-cisalhamento.
  16. Ophardt, C.E. Quaternary Protein – Structure. Virtual Chembook 2003 [cited 2017 06/04]; Available from: http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/567quatprotein.html.
  17. Lodish, H., et al., Collagen: The Fibrous Proteins of the Matrix, in Molecular Cell Biology. 2000, W. H. Freeman: New York.
  18. Marengo-Rowe, A.J., Structure-function relations of human hemoglobins. Proceedings (Baylor University. Medical Center), 2006. 19(3): p. 239-245.
  19. Berg, J., J. Tymoczko, and L. Stryer, Hemoglobin Transports Oxygen Efficiently by Binding Oxygen Cooperatively, in Biochemistry. 2002, W H Freeman: New York.
  20. Ricard-Blum, S., The Collagen Family. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2011. 3(1): p. a004978.
  21. Gajko-Galicka, A., Mutations in type I collagen genes resulting in osteogenesis imperfecta in humans. Acta Biochim Pol, 2002. 49(2): p. 433-41.
  22. Provost, J.J., et al., The Science Of Cooking. 2016, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.

 

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