química
As proteínas podem ser colocadas em primeiro lugar no "mundo biológico", pois, dadas suas múltiplas funções, não haveria vida sem elas.
A análise elementar das proteínas fornece os seguintes valores médios: 55% de carbono, 7% de hidrogênio e 16% de nitrogênio; é claro que as proteínas diferem umas das outras, mas sua composição elementar média difere pouco dos valores indicados acima.
Constitucionalmente, as proteínas são macromoléculas formadas a partir de α-aminoácidos naturais; os aminoácidos unem-se através da ligação amida que é estabelecida pela reação entre um grupo amino de um a-aminoácido e o carboxila de outro a-aminoácido.
Esta ligação (-CO-NH-) também é chamada de ligação peptídica, uma vez que se liga a peptídeos (aminoácidos em combinação):
o obtido é um dipeptídeo porque é composto por dois aminoácidos. Uma vez que um dipeptídeo contém um grupo amino livre em uma extremidade (NH2) e um carboxil na outra (COOH), ele pode reagir com um ou mais aminoácidos e alongar a cadeia tanto da direita quanto da esquerda, com a mesma reação visto acima.
A sequência de reações (que, aliás, não são realmente tão simples) pode continuar indefinidamente: até que haja um polímero chamado polipeptídeo ou proteína. A distinção entre peptídeos e proteínas está ligada ao peso molecular: normalmente, para pesos moleculares superiores a 10.000, falamos de proteínas.
Ligar aminoácidos para obter até mesmo proteínas pequenas é uma operação difícil, embora recentemente tenha sido desenvolvido um método automático de produção de proteínas a partir de aminoácidos que dá excelentes resultados.
A proteína mais simples, portanto, é composta de 2 aminoácidos: por convenção internacional, a numeração ordenada de aminoácidos em uma estrutura de proteína começa a partir do aminoácido com o grupo a-amino livre.
Estrutura
As moléculas de proteína são formadas de forma a serem capazes de vislumbrar até quatro organizações distintas: geralmente se distinguem, uma estrutura primária, uma secundária, uma terciária e uma quaternária.
As estruturas primárias e secundárias são essenciais para as proteínas, enquanto as estruturas terciárias e quaternárias são "acessórias" (no sentido de que nem todas as proteínas podem tê-las).
A estrutura primária é determinada pelo número, tipo e sequência de aminoácidos na cadeia da proteína; portanto, é necessário determinar a sequência ordenada dos aminoácidos que compõem a proteína (saber isso significa saber a sequência exata de bases do DNA que codificam para essa proteína) que encontra dificuldades químicas não desprezíveis.
Foi possível determinar a seqüência ordenada de aminoácidos por meio da degradação de Edman: a proteína é reagida com o fenilisotiocianato (FITC); inicialmente o dupleto de nitrogênio α-amino ataca o fenilisotiocianato formando o derivado tiocarbamil; subsequentemente, o produto obtido cicliza dando o derivado de feniltio-hidantoína que é fluorescente.
Edman criou uma máquina chamada sequenciador que ajusta automaticamente os parâmetros (tempo, reagentes, pH, etc.) para degradação e fornece a estrutura primária das proteínas (por isso ele recebeu o Prêmio Nobel).
A estrutura primária não é suficiente para interpretar totalmente as propriedades das moléculas de proteína; acredita-se que essas propriedades dependem, de maneira essencial, da configuração espacial que as moléculas das proteínas tendem a assumir, dobrando-se de várias maneiras: ou seja, assumindo o que foi definido como estrutura secundária das proteínas.
La estrutura secundária das proteínas é cintilante, ou seja, tende a se desintegrar devido ao aquecimento; então, as proteínas se desnaturam, perdendo muitas de suas propriedades características. Além do aquecimento acima de 70 ° C, a desnaturação também pode ser causada por irradiação ou pela ação de reagentes (de ácidos fortes, por exemplo).
A desnaturação das proteínas devido ao efeito térmico é observada, por exemplo, pelo aquecimento da clara do ovo: ela perde a aparência gelatinosa e se transforma em uma substância branca insolúvel. No entanto, a desnaturação das proteínas leva à destruição de sua estrutura secundária, mas deixa sua estrutura primária inalterada (a concatenação dos vários aminoácidos).
As proteínas assumem o Estrutura terciária quando sua corrente, ainda flexível apesar da curvatura da estrutura secundária, se dobra de modo a originar um arranjo tridimensional contorcido em forma de corpo sólido. Responsáveis pela estrutura terciária são sobretudo as ligações dissulfureto que podem ser estabelecidas entre a cisteína -SH espalhada ao longo da molécula.
Já a estrutura quaternária pertence apenas a proteínas formadas por duas ou mais subunidades. A hemoglobina, por exemplo, é composta por dois pares de proteínas (ou seja, em todas as quatro cadeias de proteínas) localizadas nos vértices de um tetraedro de forma a dar origem a uma estrutura esférica; as quatro cadeias de proteínas são mantidas juntas por forças iônicas e não por ligações covalentes.
Outro exemplo de estrutura quaternária é a da insulina, que parece ser composta de até seis subunidades de proteínas organizadas em pares nos vértices de um triângulo no centro do qual estão dois átomos de zinco.
Fibrose de proteínas
São proteínas com certa rigidez e com eixo muito mais longo que o outro; a proteína fibrosa presente em maiores quantidades na natureza é o colágeno (ou colágeno).
Uma proteína fibrosa pode assumir diferentes estruturas secundárias: α-hélice, β-folha e, no caso do colágeno, tripla hélice; A hélice α é a estrutura mais estável, seguida pela folha β, enquanto a menos estável das três é a hélice tripla.
Α-elica
A hélice é denominada destra se, seguindo o esqueleto principal (orientado de baixo para cima), é realizado um movimento semelhante ao aparafusamento de um parafuso à direita; enquanto a hélice é canhota se o movimento for análogo ao aparafusamento de um parafuso canhoto. Nas hélices α à direita, os substituintes -R dos aminoácidos são perpendiculares ao eixo principal da proteína e estão voltados para fora, enquanto nas hélices a esquerdas os substituintes -R eles estão voltados para dentro. As a-hélices destras são mais estáveis do que as canhotas porque entre os vati-Rs há menos interação e menos impedimento estérico. Todas as hélices α encontradas nas proteínas são dextrorotais.
A estrutura da hélice α é estabilizada pelas ligações de hidrogênio (pontes de hidrogênio) que são formadas entre o grupo carboxila (-C = O) de cada aminoácido e o grupo amino (-NH) encontrado quatro resíduos posteriormente no seqüência linear.
Um exemplo de proteína com estrutura em hélice α é a queratina do cabelo.
Β-folheto
Na estrutura da folha β, as ligações de hidrogênio podem ser formadas entre aminoácidos pertencentes a cadeias polipeptídicas diferentes, mas paralelas entre si, ou entre aminoácidos da mesma proteína, mesmo numericamente distantes uns dos outros, mas fluindo em direções antiparalelas. No entanto, as ligações de hidrogênio são mais fracas do que aquelas que estabilizam a forma de hélice α.
Um exemplo de estrutura de folha β é a fibrina de seda (também encontrada em teias de aranha).
Ao alongar a estrutura da hélice α, a transição da hélice α para a folha β é realizada; também o calor ou o estresse mecânico permitem passar da hélice α para a estrutura da folha β.
Normalmente, em uma proteína, as estruturas da folha β estão próximas umas das outras porque ligações de hidrogênio entre cadeias podem ser estabelecidas entre as porções da própria proteína.
Em proteínas fibrosas, a maior parte da estrutura da proteína é organizada em hélice α ou folha β.
Proteínas globulares
Eles têm uma estrutura espacial quase esférica (devido às inúmeras mudanças na direção da cadeia polipeptídica); algumas partes do ser podem ser rastreadas até uma estrutura de hélice α ou folha β e outras partes não são, por outro lado, atribuíveis a tais formas: o arranjo não é aleatório, mas organizado e repetitivo.
As proteínas até agora referidas são substâncias de constituição completamente homogênea: ou seja, sequências puras de aminoácidos combinados; essas proteínas são chamadas de simples; existem proteínas constituídas por uma parte proteica e uma parte não proteica (grupo da próstata) denominadas proteínas conjugadas.
Colágeno
É a proteína mais abundante da natureza: está presente nos ossos, unhas, córnea e cristalino, entre os espaços intersticiais de alguns órgãos (por exemplo, fígado), etc.
A sua estrutura confere-lhe capacidades mecânicas específicas; possui grande resistência mecânica associada a alta elasticidade (por exemplo, nos tendões) ou alta rigidez (por exemplo, nos ossos) dependendo da função que deve desempenhar.
Uma das propriedades mais curiosas do colágeno é sua simplicidade constitutiva: é composto por cerca de 30% de prolina e por cerca de 30% de glicínias; os outros 18 aminoácidos só precisam compartilhar os 40% restantes da estrutura da proteína. A sequência de aminoácidos do colágeno é notavelmente regular: para cada três resíduos, o terceiro é glicina.
Prolina é um aminoácido cíclico no qual o grupo R ele se liga ao nitrogênio α-amino e isso lhe dá uma certa rigidez.
A estrutura final é uma cadeia repetitiva em forma de hélice; dentro da cadeia de colágeno, as ligações de hidrogênio estão ausentes. O colágeno é uma hélice esquerda com um passo (comprimento correspondente a uma volta da hélice) maior do que a α-hélice; a hélice de colágeno é tão frouxa que três cadeias de proteínas são capazes de se enrolar formando uma única corda: uma estrutura de hélice tripla.
A tripla hélice do colágeno é, no entanto, menos estável do que a α-hélice e a estrutura da folha β.
Agora vamos ver o mecanismo pelo qual é produz colágeno; considere, por exemplo, a ruptura de um vaso sanguíneo: essa ruptura é acompanhada por uma miríade de sinais com o objetivo de fechar o vaso, formando assim o coágulo.
La coagulação requer pelo menos trinta enzimas especializadas. Após o coágulo é necessário continuar com a reparação do tecido; células próximas à ferida também produzem colágeno. Para fazer isso, primeiro a expressão de um gene é induzida, ou seja, organismos que partem da informação de um gene são capazes de produzir a proteína (a informação genética é transcrita no mRNA que sai do núcleo e atinge os ribossomos no citoplasma onde a informação é traduzida em proteína). Em seguida, o colágeno é sintetizado nos ribossomos (ele aparece como uma hélice esquerda composta por cerca de 1200 aminoácidos e tendo um peso molecular de cerca de 150000 d) e então se acumula nos lúmens onde se torna um substrato para enzimas capazes de realizar pós-modificações -traduais (modificações da linguagem traduzida pelo mRNA); no colágeno, essas modificações consistem na hidroxilação de algumas cadeias laterais, principalmente prolina e lisina.
A falha das enzimas que levam a essas modificações causa o escorbuto: é uma doença que causa inicialmente a rutura dos vasos sanguíneos, a rutura dos dentes que pode ser seguida por hemorragias interintestinais e morte; pode ser causado pelo uso contínuo de alimentos de longa duração.
Posteriormente, devido à ação de outras enzimas, ocorrem outras modificações que consistem na glicosidação dos grupos hidroxila da prolina e da lisina (um açúcar se liga ao oxigênio do OH); essas enzimas são encontradas em outras áreas que não o lúmen, portanto, a proteína, ao sofrer modificações, migra para dentro do retículo endoplasmático para terminar em sacos (vesículas) que se fecham e se desprendem do retículo: dentro deles está contido o pró-glicosidato -monômero de colágeno; o último atinge o aparelho de Golgi onde determinadas enzimas reconhecem a cisteína presente na parte do terminal carboxi do pró-colágeno glicosidado e fazem com que as diferentes cadeias se aproximem e formem pontes dissulfeto: portanto, três cadeias de colágeno pró-glicosidado ligados entre si e este é o ponto de partida do qual as três cadeias, interpenetrando-se, então, espontaneamente, dão origem à tripla hélice. As três cadeias de pró-colágeno glicoxidado ligadas entre si atingem uma vesícula que, sufocando-se, se desprende do aparelho de Golgi, transportando as três cadeias para a periferia da célula onde, pela fusão com a membrana plasmática, o trímero é expelido da célula.
No espaço extracelular, existem enzimas particulares, as peptidases pró-colágeno, que removem das espécies expelidas da célula, três fragmentos (um para cada hélice) de 300 aminoácidos cada, da parte carboxi terminal e três fragmentos ( um para cada hélice) de cerca de 100 aminoácidos cada, da parte aminoterminal: resta uma hélice tripla consistindo de cerca de 800 aminoácidos por hélice conhecida como tropocolágeno.
O tropocolágeno parece um bastão bastante rígido; os diferentes trímeros estão associados a ligações covalentes para dar estruturas maiores: as microfibrilas. Nas microfibrilas, os vários trímeros estão dispostos de forma escalonada; muitas microfibrilas constituem feixes de tropocolágeno.
Nos ossos, entre as fibras de colágeno, existem espaços intersticiais nos quais se depositam sulfatos e fosfatos de cálcio e magnésio: esses sais também cobrem todas as fibras; isso torna os ossos rígidos.
Nos tendões, os espaços intersticiais são menos ricos em cristais do que nos ossos, enquanto proteínas menores estão presentes do que no tropocolágeno: isso dá elasticidade aos tendões.
A osteoporose é uma doença causada pela falta de cálcio e magnésio que impossibilita a fixação de sais nas áreas intersticiais das fibras do tropocolágeno.
