Proteínas: O que é, função e fontes de proteína

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O que são proteínas?

Uma proteína é uma substância de ocorrência natural e extremamente complexa que consiste em resíduos de aminoácidos unidos por ligações de peptídeos. As proteínas estão presentes em todos os organismos vivos e incluem muitos compostos biológicos essenciais, tais como enzimas, hormônios e anticorpos.

Onde é feita a síntese de proteínas?

A síntese de proteínas ocorre nos ribossomos das células. Nas células eucarióticas, os ribossomos são encontrados como partículas flutuantes livres dentro das células e também estão embutidos no retículo endoplasmático bruto, uma organela celular.

Onde a proteína é armazenada?

As proteínas não são armazenadas para uso posterior em animais. Quando um animal consome proteínas em excesso, elas são convertidas em gorduras (glicose ou triglicerídeos) e usadas para fornecer energia ou construir reservas de energia. Se um animal não estiver consumindo proteína suficiente, o corpo começa a quebrar tecidos ricos em proteínas, como músculos, levando ao desperdício muscular e eventualmente à morte se a deficiência for grave.

O que fazem as proteínas?

As proteínas são essenciais para a vida e são essenciais para uma ampla gama de atividades celulares. As enzimas proteínicas catalisam a grande maioria das reações químicas que ocorrem na célula. As proteínas fornecem muitos dos elementos estruturais de uma célula, e ajudam a unir as células em tecidos. As proteínas, na forma de anticorpos, protegem os animais contra doenças, e muitos hormônios são proteínas. As proteínas controlam a atividade dos genes e regulam a expressão gênica.

Introdução

Proteína, substância altamente complexa que está presente em todos os organismos vivos. As proteínas são de grande valor nutricional e estão diretamente envolvidas nos processos químicos essenciais para a vida. A importância das proteínas foi reconhecida pelos químicos no início do século XIX, incluindo o químico sueco Jöns Jacob Berzelius, que em 1838 cunhou o termo proteína, uma palavra derivada do grego prōteios, que significa “ocupar o primeiro lugar”. As proteínas são específicas de uma espécie, ou seja, as proteínas de uma espécie diferem das de outra espécie. Elas também são específicas de um órgão; por exemplo, dentro de um único organismo, as proteínas musculares diferem daquelas do cérebro e do fígado.

Uma molécula de proteína é muito grande em comparação com moléculas de açúcar ou sal e consiste de muitos aminoácidos unidos para formar longas cadeias, assim como as contas são dispostas em um cordão. Existem cerca de 20 aminoácidos diferentes que ocorrem naturalmente nas proteínas. Proteínas de função similar têm composição e seqüência de aminoácidos similares. Embora ainda não seja possível explicar todas as funções de uma proteína a partir de sua seqüência de aminoácidos, as correlações estabelecidas entre estrutura e função podem ser atribuídas às propriedades dos aminoácidos que compõem as proteínas.

peptídeo
A estrutura molecular de um peptídeo (uma pequena proteína) consiste em uma seqüência de aminoácidos.
© raimund14/Fotolia
peptídeo
A estrutura molecular de um peptídeo (uma pequena proteína) consiste em uma seqüência de aminoácidos.
© raimund14/Fotolia

As plantas podem sintetizar todos os aminoácidos; os animais não podem, mesmo que todos eles sejam essenciais para a vida. As plantas podem crescer em um meio que contém nutrientes inorgânicos que fornecem nitrogênio, potássio e outras substâncias essenciais para o crescimento. Elas utilizam o dióxido de carbono no ar durante o processo de fotossíntese para formar compostos orgânicos como os carboidratos. Os animais, entretanto, devem obter nutrientes orgânicos de fontes externas. Como o teor de proteína da maioria das plantas é baixo, grandes quantidades de material vegetal são requeridas pelos animais, tais como ruminantes (por exemplo, vacas), que comem apenas material vegetal para atender às suas necessidades de aminoácidos. Animais não ruminantes, incluindo humanos, obtêm proteínas principalmente de animais e seus produtos – por exemplo, carne, leite e ovos. As sementes de leguminosas estão sendo cada vez mais utilizadas para preparar alimentos baratos e ricos em proteínas (ver nutrição humana).

leguminosa; aminoácido
Os legumes - como feijões, lentilhas e ervilhas - são ricos em proteínas e contêm muitos aminoácidos essenciais.
© Elenathewise/Fotolia
leguminosa; aminoácido
Os legumes – como feijões, lentilhas e ervilhas – são ricos em proteínas e contêm muitos aminoácidos essenciais.
© Elenathewise/Fotolia

O conteúdo protéico dos órgãos animais é geralmente muito mais alto do que o do plasma sanguíneo. Os músculos, por exemplo, contêm cerca de 30% de proteína, o fígado 20% a 30%, e os glóbulos vermelhos 30%. Percentuais mais elevados de proteína são encontrados no cabelo, ossos e outros órgãos e tecidos com baixo teor de água. A quantidade de aminoácidos e peptídeos livres nos animais é muito menor do que a quantidade de proteína; as moléculas protéicas são produzidas nas células pelo alinhamento gradual dos aminoácidos e são liberadas nos fluidos corporais somente após a síntese estar completa.

O alto teor de proteína de alguns órgãos não significa que a importância das proteínas esteja relacionada à sua quantidade em um organismo ou tecido; pelo contrário, algumas das proteínas mais importantes, como enzimas e hormônios, ocorrem em quantidades extremamente pequenas. A importância das proteínas está relacionada principalmente à sua função. Todas as enzimas identificadas até o momento são proteínas. As enzimas, que são os catalisadores de todas as reações metabólicas, permitem que um organismo acumule as substâncias químicas necessárias para as proteínas vitais, ácidos nucléicos, carboidratos e lipídios – para convertê-las em outras substâncias e degradá-las. A vida sem enzimas não é possível. Existem vários hormônios protéicos com importantes funções reguladoras. Em todos os vertebrados, a hemoglobina da proteína respiratória atua como transportadora de oxigênio no sangue, transportando oxigênio do pulmão para os órgãos e tecidos do corpo. Um grande grupo de proteínas estruturais mantém e protege a estrutura do corpo do animal.

A hemoglobina é uma proteína formada por quatro cadeias de polipeptídeos (α1, α2, β1, e β2). Cada cadeia é ligada a um grupo heme composto de porfirina (um composto orgânico semelhante a um anel) ligado a um átomo de ferro. Estes complexos ferro-porfirina coordenam as moléculas de oxigênio reversivelmente, uma habilidade diretamente relacionada com o papel da hemoglobina no transporte de oxigênio no sangue.
Encyclopædia Britannica, Inc.

Estrutura Geral e Propriedades das Proteínas

A composição de aminoácidos das proteínas

A propriedade comum de todas as proteínas é que elas consistem de longas cadeias de α-amino (aminoácidos alfa). A estrutura geral de α-aminoácidos é mostrada em . O α-aminoácidos são assim chamados porque o átomo de carbono α na molécula carrega um grupo amino (-NH2); o átomo de carbono α também carrega um grupo carboxil (-COOH).

Em soluções ácidas, quando o pH é inferior a 4, os grupos -COO combinam com íons hidrogênio (H+) e são assim convertidos na forma não carregada (-COOH). Em soluções alcalinas, com pH acima de 9, os grupos amônio (-NH+3) perdem um íon de hidrogênio e são convertidos em grupos aminados (-NH2). Na faixa de pH entre 4 e 8, os aminoácidos carregam tanto uma carga positiva quanto negativa e, portanto, não migram em um campo elétrico. Tais estruturas foram designadas como íons dipolares, ou zwitterions (ou seja, íons híbridos).

Embora mais de 100 aminoácidos ocorram na natureza, particularmente nas plantas, apenas 20 tipos são comumente encontrados na maioria das proteínas. Nas moléculas protéicas, os aminoácidos α estão ligados entre si por ligações de peptídeos entre o grupo aminoácido de um aminoácido e o grupo carboxil de seu vizinho.

A condensação (união) de três aminoácidos produz o tripéptídeo.

É costume escrever a estrutura dos peptídeos de tal forma que o grupo livre α-amino (também chamado de terminal N do peptídeo) esteja do lado esquerdo e o grupo livre carboxil (terminal C) do lado direito. As proteínas são polipéptidos macromoleculares – ou seja, moléculas muito grandes (macromoléculas) compostas de muitos aminoácidos ligados ao peptídeo. A maioria das comuns contém mais de 100 aminoácidos ligados uns aos outros em uma longa cadeia de peptídeos. O peso molecular médio (baseado no peso de um átomo de hidrogênio como 1) de cada aminoácido é de aproximadamente 100 a 125; assim, o peso molecular das proteínas está normalmente na faixa de 10.000 a 100.000 daltons (um dalton é o peso de um átomo de hidrogênio). A especificidade de espécies e a especificidade de órgãos das proteínas resultam de diferenças no número e sequências de aminoácidos. Vinte aminoácidos diferentes em uma cadeia de 100 aminoácidos podem ser dispostos de muito mais de 10100 maneiras (10100 é o número um seguido de 100 zeros).

Estruturas de aminoácidos comuns

Os aminoácidos presentes nas proteínas diferem uns dos outros na estrutura de suas cadeias laterais (R). O aminoácido mais simples é a glicina, na qual R é um átomo de hidrogênio. Em vários aminoácidos, R representa cadeias de carbono retas ou ramificadas. Um desses aminoácidos é a alanina, na qual R é o grupo metilo (-CH3). Valina, leucina e isoleucina, com grupos R mais longos, completam a série de cadeias laterais alquílicas. As cadeias laterais alquílicas (grupos R) destes aminoácidos são não-polares; isto significa que eles não têm afinidade com a água, mas alguma afinidade uns com os outros. Embora as plantas possam formar todos os aminoácidos alquílicos, os animais podem sintetizar apenas alanina e glicina; assim, valina, leucina e isoleucina devem ser fornecidas na dieta.

Dois aminoácidos, cada um contendo três átomos de carbono, são derivados da alanina; eles são serina e cisteína. A serina contém um grupo alcoólico (-CH2OH) ao invés do grupo metilo da alanina, e a cisteína contém um grupo mercapto (-CH2SH). Os animais podem sintetizar a serina mas não a cisteína ou a cistina. A cisteína ocorre em proteínas predominantemente em sua forma oxidada (oxidação neste sentido significa a remoção de átomos de hidrogênio), chamada cistina. A cistina consiste em duas moléculas de cisteína ligadas pela ligação de dissulfeto (-S-S-) que resulta quando um átomo de hidrogênio é removido do grupo mercapto de cada uma das cisteínas. As ligações de dissulfeto são importantes na estrutura da proteína porque permitem a ligação de duas partes diferentes de uma molécula de proteína – e, portanto, a formação de laços nas cadeias, de outra forma retas. Algumas proteínas contêm pequenas quantidades de cisteína com grupos sulfidrílicos livres (-SH).

Quatro aminoácidos, cada um composto de quatro átomos de carbono, ocorrem em proteínas; são ácido aspártico, asparagina, treonina e metionina. O ácido aspártico e a asparagina, que ocorrem em grandes quantidades, podem ser sintetizados por animais. A treonina e a metionina não podem ser sintetizadas e, portanto, são aminoácidos essenciais; ou seja, devem ser fornecidas na dieta. A maioria das proteínas contém apenas pequenas quantidades de metionina.

As proteínas também contêm um aminoácido com cinco átomos de carbono (ácido glutâmico) e uma amina secundária (em prolina), que é uma estrutura com o grupo amino (-NH2) ligado à cadeia lateral alquílica, formando um anel. O ácido glutâmico e o ácido aspártico são ácidos dicarboxílicos, ou seja, têm dois grupos carboxílicos (-COOH).

A glutamina é semelhante à asparagina na medida em que ambas são as amidas de suas formas correspondentes de ácido dicarboxílico; ou seja, elas têm um grupo amida (-CONH2) no lugar do carboxil (-COOH) da cadeia lateral. O ácido glutâmico e a glutamina são abundantes na maioria das proteínas; por exemplo, nas proteínas vegetais, elas às vezes compreendem mais de um terço dos aminoácidos presentes. Tanto o ácido glutâmico quanto a glutamina podem ser sintetizados por animais.

aminoácidoproteína
alfa-caseínagliadinaedestincolágeno (couro de boi)queratina (lã)miosina
lisina60,94,4519,927,46,285
histidina18,711,718,64,519,715
arginina24,715,799,247,156,941
ácido aspártico **63,110,199,451,951,585
treonina41,217,631,219,355,941
serina63,146,755,741,079,541
ácido glutâmico**153,1311,0144,976,299,0155
prolina71,3117,832,9125,258,322
glicina37,368,0354,678,039
alanina41,523,957,7115,743,878
meia cistina3,621,310,90,0105,086
valina53,822,754,621,446,642
metionina16,811,316,46,54,022
isoleucina48,890,8 ***41,914,529,042
leucina60,360,028,259,979
tirosina44,717,726,95,528,718
fenilalanina27,939,038,413,922,427
triptofano7,83,26,60,09,6
hidroxiprolina0,00,00,097,512,2
hidroxilisina8,01,2
total8397658831.058863832
peso residual médio11913111395117120
* Número de moléculas de grama de aminoácido por 100.000 gramas de proteína.
** Os valores de ácido aspártico e ácido glutâmico incluem asparagina e glutamina, respectivamente.
*** Isoleucina mais leucina.

Os aminoácidos prolina e hidroxiprolina ocorrem em grandes quantidades no colágeno, a proteína do tecido conjuntivo dos animais. A prolina e a hidroxiprolina carecem de grupos de aminoácidos livres (-NH2) porque o grupo de aminoácidos está encerrado em uma estrutura de anel com a cadeia lateral; assim, não podem existir na forma de zwitterion. Embora o grupo contendo nitrogênio (>NH) desses aminoácidos possa formar uma ligação peptídeo com o grupo carboxil de outro aminoácido, a ligação assim formada dá origem a uma dobra na cadeia do peptídeo; ou seja, a estrutura do anel altera o ângulo de ligação regular das ligações normais do peptídeo.

As proteínas geralmente são moléculas quase neutras, ou seja, não têm propriedades ácidas nem básicas. Isto significa que os grupos ácido carboxílico ( -COO-) de ácido aspártico e glutâmico são aproximadamente iguais em número aos aminoácidos com cadeias laterais básicas. Três desses aminoácidos básicos, cada um contendo seis átomos de carbono, ocorrem em proteínas. O de estrutura mais simples, lisina, é sintetizado por plantas, mas não por animais. Mesmo algumas plantas têm um baixo teor de lisina. A arginina é encontrada em todas as proteínas; ela ocorre em quantidades particularmente altas nas protaminas fortemente básicas (proteínas simples compostas de relativamente poucos aminoácidos) do esperma de peixe. O terceiro aminoácido básico é a histidina. Tanto a arginina quanto a histidina podem ser sintetizadas por animais. A histidina é uma base mais fraca do que a lisina ou a arginina. O anel de imidazol, uma estrutura anular de cinco membros contendo dois átomos de nitrogênio na cadeia lateral da histidina, atua como um tampão (ou seja, um estabilizador da concentração de íons de hidrogênio) ligando íons de hidrogênio (H+) aos átomos de nitrogênio do anel de imidazol.

Os aminoácidos restantes – fenilalanina, tirosina e triptofano – têm em comum uma estrutura aromática; ou seja, um anel de benzeno está presente. Estes três aminoácidos são essenciais e, embora os animais não possam sintetizar o próprio anel de benzeno, eles podem converter a fenilalanina em tirosina.

Como estes aminoácidos contêm anéis de benzeno, eles podem absorver luz ultravioleta em comprimentos de onda entre 270 e 290 nanômetros (nm; 1 nanômetro = 10-9 metros = 10 unidades angstrom). A fenilalanina absorve muito pouca luz ultravioleta; a tirosina e o triptofano, entretanto, absorvem-na fortemente e são responsáveis pela faixa de absorção que a maioria das proteínas exibe a 280-290 nanômetros. Esta absorção é freqüentemente utilizada para determinar a quantidade de proteína presente nas amostras de proteína.

A maioria das proteínas contém apenas os aminoácidos descritos acima; entretanto, outros aminoácidos ocorrem nas proteínas em pequenas quantidades. Por exemplo, o colágeno encontrado no tecido conjuntivo contém, além da hidroxiprolina, pequenas quantidades de hidroxilisina. Outras proteínas contêm algumas monometil-, dimetil-, ou trimetilisina, ou seja, derivados da lisina contendo um, dois ou três grupos metilo (-CH3). A quantidade destes aminoácidos incomuns nas proteínas, no entanto, raramente excede 1 ou 2% do total de aminoácidos.

Propriedades físico-químicas dos aminoácidos

As propriedades físico-químicas de uma proteína são determinadas pelas propriedades análogas dos aminoácidos que a compõem.

O átomo de carbono α de todos os aminoácidos, com exceção da glicina, é assimétrico; isto significa que quatro entidades químicas diferentes (átomos ou grupos de átomos) estão ligadas a ele. Como resultado, cada um dos aminoácidos, exceto a glicina, pode existir em dois arranjos espaciais ou geométricos diferentes (isto é, isômeros), que são imagens espelhadas, semelhantes às da mão direita e esquerda.

Estes isômeros exibem a propriedade de rotação óptica. A rotação óptica é a rotação do plano de luz polarizada, que é composta de ondas de luz que vibram em um plano, ou direção, apenas. As soluções de substâncias que giram o plano de polarização são ditas opticamente ativas, e o grau de rotação é chamado de rotação óptica da solução. A direção na qual a luz é girada é geralmente designada como mais, ou d, para dextrorotatório (à direita), ou como menos, ou l, para levorotatório (à esquerda). Alguns aminoácidos são dextrorotatórios, outros são levorotatórios. Com exceção de algumas pequenas proteínas (peptídeos) que ocorrem nas bactérias, os aminoácidos que ocorrem nas proteínas são os aminoácidos L-aminoácidos.

Em bactérias, D-alanina e alguns outros ácidos D-amino foram encontrados como componentes de gramicidina e bacitracina. Estes peptídeos são tóxicos para outras bactérias e são utilizados na medicina como antibióticos. A D-alanina também foi encontrada em alguns peptídeos de membranas bacterianas.

Em contraste com a maioria dos ácidos orgânicos e aminas, os aminoácidos são insolúveis em solventes orgânicos. Em soluções aquosas eles são íons dipolares (zwitterions, ou íons híbridos) que reagem com ácidos fortes ou bases de forma a neutralizar os fins de carga negativa ou positiva, respectivamente. Devido a suas reações com ácidos fortes e bases fortes, os aminoácidos atuam como tampões-estabilizadores das concentrações de íons hidrogênio (H+) ou íons hidróxidos (OH-). Na verdade, a glicina é freqüentemente utilizada como tampão na faixa de pH de 1 a 3 (soluções ácidas) e de 9 a 12 (soluções básicas). Em soluções ácidas, a glicina tem uma carga positiva e, portanto, migra para o cátodo (eletrodo negativo de um circuito elétrico de corrente contínua com terminais na solução). Sua carga, entretanto, é negativa em soluções alcalinas, nas quais migra para o ânodo (eletrodo positivo). A pH 6,1 a glicina não migra, pois cada molécula tem uma carga positiva e uma negativa. O pH no qual um aminoácido não migra em um campo elétrico é chamado de ponto isoelétrico. A maioria dos monoaminoácidos (ou seja, aqueles com apenas um grupo de aminoácidos) tem pontos isoelétricos semelhantes ao da glicina. Os pontos isoelétricos dos ácidos aspártico e glutâmico, entretanto, estão próximos ao pH 3, e os da histidina, lisina e arginina estão em pH 7,6, 9,7 e 10,8, respectivamente.

Sequência de aminoácidos em moléculas de proteínas

Como cada molécula de proteína consiste em uma longa cadeia de resíduos de aminoácidos, ligados entre si por ligações de peptídeos, a clivagem hidrolítica de todas as ligações de peptídeos é um pré-requisito para a determinação quantitativa dos resíduos de aminoácidos. A hidrólise é realizada com mais frequência através da fervura da proteína com ácido clorídrico concentrado. A determinação quantitativa dos aminoácidos baseia-se na descoberta de que os aminoácidos podem ser separados uns dos outros por cromatografia em papel filtro e tornados visíveis pela pulverização do papel com ninidrina. Os aminoácidos do hidrolisado de proteína são separados uns dos outros passando o hidrolisado por uma coluna de adsorventes, que adsorvem os aminoácidos com diferentes afinidades e, ao lavar a coluna com soluções tampão, liberam-nos em uma ordem definida. A quantidade de cada um dos aminoácidos pode ser determinada pela intensidade da reação de cor com ninidrina.

Para obter informações sobre a seqüência dos resíduos de aminoácidos na proteína, a proteína é degradada em etapas, sendo um aminoácido dividido em cada etapa. Isto é conseguido através do acoplamento do grupo livre α-amino (-NH2) do aminoácido N-terminal com o isotiocianato de fenil; a hidrólise leve subseqüente não afeta as ligações do peptídeo. O procedimento, chamado de degradação Edman, pode ser aplicado repetidamente; assim, revela a seqüência dos aminoácidos na cadeia do peptídeo.

As pequenas perdas inevitáveis que ocorrem durante cada etapa tornam impossível determinar a sequência de mais de cerca de 30 a 50 aminoácidos por este procedimento. Por esta razão, a proteína é normalmente hidrolisada pela exposição à enzima tripsina, que clivam apenas as ligações peptídeas formadas pelos grupos carboxil da lisina e arginina. A degradação do Edman é então aplicada a cada um dos poucos peptídeos resultantes produzidos pela ação da tripsina. Mais informações podem ser obtidas hidrolisando outra porção da proteína com outra enzima, por exemplo com a quimotripsina, que divide predominantemente as ligações peptídeas formadas pelos aminoácidos tirosina, fenilalanina e triptofano. A combinação dos resultados obtidos com duas ou mais enzimas proteolíticas diferentes (degradantes da proteína) foi aplicada pela primeira vez pelo bioquímico inglês Frederick Sanger, e lhe permitiu elucidar a sequência de aminoácidos da insulina. As sequências de aminoácidos de muitas outras proteínas foram determinadas posteriormente da mesma maneira.

Níveis de organização estrutural em proteínas

Estrutura primária

Os procedimentos analíticos e sintéticos revelam apenas a estrutura primária das proteínas – ou seja, a seqüência de aminoácidos das cadeias de peptídeos. Eles não revelam informações sobre a conformação (disposição no espaço) da cadeia do peptídeo – isto é, se a cadeia do peptídeo está presente como um longo fio reto ou se está irregularmente enrolada e dobrada em um glóbulo. A configuração, ou conformação, de uma proteína é determinada pela atração mútua ou repulsão de grupos polares ou não polares nas cadeias laterais (grupos R) dos aminoácidos. Os primeiros têm cargas positivas ou negativas em suas cadeias laterais; os segundos repelem a água, mas se atraem mutuamente. Algumas partes de uma cadeia de peptídeos contendo 100 a 200 aminoácidos podem formar um laço, ou hélice; outras podem ser retas ou formar bobinas irregulares.

Os termos estrutura secundária, terciária e quaternária são freqüentemente aplicados à configuração da cadeia do peptídeo de uma proteína. Um comitê de nomenclatura da União Internacional de Bioquímica (IUB) definiu estes termos da seguinte forma: A estrutura primária de uma proteína é determinada por sua seqüência de aminoácidos sem qualquer consideração pela disposição da cadeia do peptídeo no espaço. A estrutura secundária é determinada pela disposição espacial da cadeia do peptídeo principal sem qualquer consideração pela conformação das cadeias laterais ou outros segmentos da cadeia principal. A estrutura terciária é determinada tanto pelas cadeias laterais quanto por outros segmentos adjacentes da cadeia principal, sem qualquer consideração pela conformação das cadeias de peptídeos vizinhos. Finalmente, o termo estrutura quaternária é usado para a disposição de subunidades idênticas ou diferentes de uma grande proteína na qual cada subunidade é uma cadeia peptídeo separada.

Estrutura secundária

Os átomos de nitrogênio e carbono de uma cadeia de peptídeos não podem estar em linha reta, devido à magnitude dos ângulos de ligação entre os átomos adjacentes da cadeia; o ângulo de ligação é de cerca de 110°. Cada um dos átomos de nitrogênio e carbono pode girar até certo ponto, porém, para que a cadeia tenha uma flexibilidade limitada. Como todos os aminoácidos, exceto a glicina, são ácidos L-aminoácidos assimétricos, a cadeia do peptídeo tende a assumir uma forma helicoidal assimétrica; algumas das proteínas fibrosas consistem de hélices alongadas ao redor de um eixo de rosca reta. Tais características estruturais resultam de propriedades comuns a todas as cadeias de peptídeos. O produto de seus efeitos é a estrutura secundária da proteína.

Estrutura terciária

A estrutura terciária é o produto da interação entre as cadeias laterais (R) dos aminoácidos que compõem a proteína. Alguns deles contêm grupos carregados positiva ou negativamente, outros são polares, e outros ainda não são polares. O número de átomos de carbono na cadeia lateral varia de zero em glicina a nove em triptofano. As cadeias laterais com cargas positivas e negativas têm a tendência de se atrair umas às outras; cadeias laterais com cargas idênticas se repelem umas às outras. As ligações formadas pelas forças entre as cadeias laterais com carga negativa de ácido aspártico ou glutâmico, por um lado, e as cadeias laterais com carga positiva de lisina ou arginina, por outro lado, são chamadas pontes salinas. A atração mútua das cadeias de peptídeos adjacentes também resulta da formação de numerosas ligações de hidrogênio.

As ligações de hidrogênio se formam como resultado da atração entre o átomo de hidrogênio ligado ao nitrogênio (o hidrogênio imide) e o par de elétrons não partilhados do átomo de oxigênio no grupo de dupla ligação carbono-oxigênio (o grupo carbonil). O resultado é um leve deslocamento do hidrogênio imida em direção ao átomo de oxigênio do grupo carbonilo. Embora a ligação de hidrogênio seja muito mais fraca que uma ligação covalente (ou seja, o tipo de ligação entre dois átomos de carbono, que compartilham igualmente o par de elétrons de ligação entre eles), o grande número de grupos imida e carbonilo em cadeias de peptídeos resulta na formação de numerosas ligações de hidrogênio. Outro tipo de atração é aquela entre cadeias laterais não polares de valina, leucina, isoleucina e fenilalanina; a atração resulta no deslocamento de moléculas de água e é chamada interação hidrofóbica.

Em proteínas ricas em cistina, a conformação da cadeia do peptídeo é determinada em grande parte pelas ligações dissulfeto (-S-S-) da cistina. As metades da cistina podem estar localizadas em diferentes partes da cadeia do peptídeo e assim podem formar um laço fechado pela ligação do dissulfeto.

Se a ligação de dissulfeto for reduzida (ou seja, o hidrogênio é adicionado) a dois grupos sulfidrílicos (-SH), a estrutura terciária da proteína sofre uma mudança drástica – laços fechados são quebrados e cadeias adjacentes de peptídeos dissulfeto-correntes separadas.

Estrutura quaternária

A natureza da estrutura quaternária é demonstrada pela estrutura da hemoglobina. Cada molécula de hemoglobina humana consiste em quatro cadeias de peptídeos, duas cadeias α e duas cadeias β; ou seja, é um tetrâmero. As quatro subunidades estão ligadas entre si por ligações de hidrogênio e interação hidrofóbica. Como as quatro subunidades estão tão estreitamente ligadas, o tetrâmero da hemoglobina é chamado de molécula, embora não ocorram ligações covalentes entre as cadeias de peptídeos das quatro subunidades. Em outras proteínas, as subunidades estão ligadas umas às outras por ligações covalentes (pontes de dissulfeto).

A seqüência de aminoácidos da proinsulina porcina é mostrada abaixo. As setas indicam a direção do terminal N da cadeia β (B) para o terminal C da cadeia α (A).

O isolamento e a determinação das proteínas

O material animal geralmente contém grandes quantidades de proteínas e lipídios e pequenas quantidades de carboidratos; nas plantas, a maior parte da matéria seca é geralmente carboidrato. Se for necessário determinar a quantidade de proteína em uma mistura de alimentos animais, uma amostra é convertida em sais de amônia por meio da ebulição com ácido sulfúrico e um catalisador inorgânico adequado, como o sulfato de cobre (método Kjeldahl). O método se baseia na suposição de que as proteínas contêm 16% de nitrogênio, e que o nitrogênio não-proteico está presente em quantidades muito pequenas. A suposição se justifica para a maioria dos tecidos de animais superiores, mas não para insetos e crustáceos, nos quais uma porção considerável do nitrogênio do corpo está presente na forma de quitina, um carboidrato. Grandes quantidades de nitrogênio não-proteico também são encontradas na seiva de muitas plantas. Nesses casos, as análises quantitativas precisas são feitas depois que as proteínas são separadas de outros compostos biológicos.

As proteínas são sensíveis ao calor, ácidos, bases, solventes orgânicos e exposição à radiação; por este motivo, os métodos químicos empregados para purificar compostos orgânicos não podem ser aplicados às proteínas. Sais e moléculas de pequeno tamanho são removidos das soluções protéicas por diálise – ou seja, colocando a solução em um saco de material semipermeável, como celulose ou acetilcelulose, que permitirá a passagem de pequenas moléculas, mas não de grandes moléculas protéicas, e mergulhando o saco em água ou em uma solução salina. As moléculas pequenas também podem ser removidas passando a solução protéica por uma coluna de resina que adsorve apenas a proteína ou por filtração de gel. Na filtração em gel, as moléculas proteicas grandes passam através da coluna e as pequenas moléculas são adsorvidas ao gel.

Grupos de proteínas são separados uns dos outros através da salga – ou seja, a adição gradual de sulfato de sódio ou sulfato de amônio a uma solução protéica. Algumas proteínas, chamadas globulinas, tornam-se insolúveis e precipitam-se quando a solução é meia saturada com sulfato de amônio ou quando seu conteúdo de sulfato de sódio excede cerca de 12%. Outras proteínas, as albuminas, podem ser precipitadas a partir da solução sobrenadante (ou seja, a solução restante após uma precipitação) por saturação com sulfato de amônio. As proteínas solúveis em água podem ser obtidas em estado seco por liofilização, na qual a solução protéica é congelada, baixando a temperatura abaixo de -15 °C (5 °F) e removendo a água; a proteína é obtida como um pó seco.

A maioria das proteínas são insolúveis em água fervente e são desnaturadas por ela – ou seja, irreversivelmente convertidas em um material insolúvel. A desnaturação por calor não pode ser usada com tecido conjuntivo porque a principal proteína estrutural, o colágeno, é convertida pela água fervente em gelatina solúvel em água.

A fracionamento (separação em componentes) de uma mistura de proteínas de peso molecular diferente pode ser realizada por filtração em gel. O tamanho das proteínas retidas pelo gel depende das propriedades do gel. As proteínas retidas no gel são removidas da coluna por soluções de uma concentração adequada de sais e íons de hidrogênio.

Muitas proteínas foram originalmente obtidas na forma cristalina, mas a cristalinidade não é prova de pureza; muitos preparados de proteínas cristalinas contêm outras substâncias. Vários testes são usados para determinar se um preparado protéico contém apenas uma proteína. A pureza de uma solução protéica pode ser determinada por técnicas tais como cromatografia e filtração em gel. Além disso, uma solução de proteína pura produzirá um pico quando girada em uma centrífuga a velocidades muito altas (ultracentrifugação) e migrará como uma única faixa em eletroforese (migração da proteína em um campo elétrico). Após estes métodos e outros (como a análise de aminoácidos) indicarem que a solução protéica é pura, ela pode ser considerada como tal. Como a cromatografia, ultracentrifugação e eletroforese não podem ser aplicadas a proteínas insolúveis, pouco se sabe sobre elas; elas podem ser misturas de muitas proteínas similares.

Sabe-se que ocorrem diferenças muito pequenas (microheterogêneas) em algumas das proteínas aparentemente puras. São diferenças na composição de aminoácidos de proteínas de outra forma idênticas e são transmitidas de geração em geração; ou seja, são determinadas geneticamente. Por exemplo, alguns humanos têm duas hemoglobinas, a hemoglobina A e a hemoglobina S, que diferem em um aminoácido em um local específico na molécula. Na hemoglobina A o local é ocupado por ácido glutâmico e na hemoglobina S por valina. O refinamento das técnicas de análise de proteínas resultou na descoberta de outras instâncias de microheterogeneidade.

A quantidade de uma proteína pura pode ser determinada por pesagem ou pela medição da absorção ultravioleta a 280 nanômetros. A absorção a 280 nanômetros depende do conteúdo de tirosina e triptofano na proteína. Às vezes é utilizada a reação de biureto um pouco menos sensível, uma cor roxa dada por soluções de proteína alcalina após a adição de sulfato de cobre; sua intensidade depende apenas do número de ligações de peptídeos por grama, que é semelhante em todas as proteínas.

Propriedades físico-químicas das proteínas

O peso molecular das proteínas

O peso molecular das proteínas não pode ser determinado pelos métodos da química clássica (por exemplo, depressão do ponto de congelamento), pois elas requerem soluções de maior concentração de proteínas do que as que podem ser preparadas.

Se uma proteína contém apenas uma molécula de um dos aminoácidos ou um átomo de ferro, cobre ou outro elemento, o peso molecular mínimo da proteína ou de uma subunidade pode ser calculado; por exemplo, a mioglobina da proteína contém 0,34 gramas de ferro em 100 gramas de proteína. O peso atômico do ferro é 56; assim, o peso molecular mínimo da mioglobina é (56 × 100)/0,34 = cerca de 16.500. As medidas diretas do peso molecular da mioglobina produzem o mesmo valor. O peso molecular da hemoglobina, entretanto, que também contém 0,34% de ferro, foi encontrado em 66.000 ou 4 × 16.500; assim, a hemoglobina contém quatro átomos de ferro.

O método mais freqüentemente utilizado para determinar o peso molecular das proteínas é a ultracentrifugação – ou seja, a centrifugação em uma centrifugadora a velocidades de até cerca de 60.000 rotações por minuto. As forças centrífugas de mais de 200.000 vezes a força gravitacional na superfície da Terra são atingidas a tais velocidades. As primeiras ultracentrifugadoras, construídas em 1920, foram utilizadas para determinar o peso molecular das proteínas. Foram determinados os pesos moleculares de um grande número de proteínas. A maioria consiste de várias subunidades, cujo peso molecular geralmente é inferior a 100.000 e frequentemente varia de 20.000 a 30.000. Proteínas de pesos moleculares muito altos são encontradas entre as hemocianinas, as proteínas respiratórias contendo cobre de invertebrados; algumas chegam a atingir vários milhões. Embora não exista um limite inferior definido para o peso molecular das proteínas, as seqüências curtas de aminoácidos são normalmente chamadas de peptídeos.

A forma das moléculas proteicas

Na técnica de difração de raios X, os raios X podem atingir um cristal de proteína. Os raios X, difratados (dobrados) pelo cristal, colidem com uma placa fotográfica, formando um padrão de manchas. Este método revela que cadeias de peptídeos podem assumir formas muito complicadas, aparentemente irregulares. Dois extremos na forma incluem a estrutura estreitamente dobrada das proteínas globulares e a estrutura alongada e unidimensional das proteínas fibrosas em forma de fio; ambos foram reconhecidos muitos anos antes do desenvolvimento da técnica de difração de raios X. As soluções das proteínas fibrosas são extremamente viscosas (ou seja, pegajosas); as das proteínas globulares têm baixa viscosidade (ou seja, fluem facilmente). Uma solução de 5% de uma proteína globular-ovalbumina, por exemplo – flui facilmente através de um tubo de vidro estreito; uma solução de 5% de gelatina, uma proteína fibrosa, no entanto, não flui através do tubo, porque é líquida apenas a altas temperaturas e solidifica à temperatura ambiente. Mesmo soluções contendo apenas 1% ou 2% de gelatina são altamente viscosas e fluem através de um tubo estreito, muito lentamente ou apenas sob pressão.

X-ray diffraction pattern of a crystallized enzyme.Jeff Dahl

As cadeias alongadas de peptídeos das proteínas fibrosas podem ser imaginadas para se enredarem não apenas mecanicamente, mas também por atração mútua de suas cadeias laterais, e desta forma incorporam grandes quantidades de água. A maioria dos grupos hidrofílicos (atraentes de água) das proteínas globulares, no entanto, encontra-se na superfície das moléculas e, como resultado, as proteínas globulares incorporam apenas algumas poucas moléculas de água. Se uma solução de uma proteína fibrosa flui através de um tubo estreito, as moléculas alongadas tornam-se orientadas paralelamente à direção do fluxo, e a solução torna-se assim birefringente como um cristal; ou seja, ela divide um raio de luz em dois componentes que viajam em velocidades diferentes e são polarizados em ângulos retos um ao outro. As proteínas globulares não mostram este fenômeno, que é chamado de birefringência de fluxo. Soluções de miosina, a proteína contrátil dos músculos, mostram birefringência de fluxo muito alto; outras proteínas com birefringência de fluxo muito alto incluem soluções de fibrinogênio, o material de coagulação do plasma sanguíneo, e soluções do vírus do mosaico do tabaco. As gama-globulinas do plasma sanguíneo mostram birefringência de baixo fluxo, e nenhuma pode ser observada em soluções de albumina sérica e ovalbumina.

Birefringence de fluxo. Orientação de macromoléculas alongadas, tipo haste (A) em solução de repouso, ou (B) durante o fluxo através de um tubo horizontal.
Encyclopædia Britannica, Inc.

Hidratação de proteínas

Quando as proteínas secas são expostas ao ar com alto teor de água, elas ligam rapidamente a água até uma quantidade máxima, que difere para diferentes proteínas; geralmente é de 10 a 20 por cento do peso da proteína. Os grupos hidrofílicos de uma proteína são principalmente os grupos com carga positiva nas cadeias laterais de lisina e arginina e os grupos com carga negativa de ácido aspártico e glutâmico. A hidratação (ou seja, a ligação da água) também pode ocorrer nos grupos hidroxila (-OH) de serina e treonina ou nos grupos amida (-CONH2) de asparagina e glutamina.

A ligação das moléculas de água a grupos carregados ou polares (parcialmente carregados) é explicada pela estrutura dipolar da molécula da água; ou seja, os dois átomos de hidrogênio com carga positiva formam um ângulo de cerca de 105°, com o átomo de oxigênio carregado negativamente no ápice. O centro das cargas positivas está localizado entre os dois átomos de hidrogênio; o centro da carga negativa do átomo de oxigênio está no ápice do ângulo. O pólo negativo da molécula dipolar da água se liga aos grupos com carga positiva; o pólo positivo se liga aos com carga negativa. O pólo negativo da molécula da água também se liga aos grupos hidroxila e aminoácidos da proteína.

A água de hidratação é essencial para a estrutura dos cristais de proteína; quando eles estão completamente desidratados, a estrutura cristalina se desintegra. Em algumas proteínas este processo é acompanhado de desnaturação e perda da função biológica.

Em soluções aquosas, as proteínas ligam algumas das moléculas de água com muita firmeza; outras são muito soltas ou formam ilhas de moléculas de água entre laços de cadeias de peptídeos dobrados. Como as moléculas de água em tal ilha são pensadas para serem orientadas como no gelo, que é água cristalina, as ilhas de água em proteínas são chamadas icebergs. As moléculas de água também podem formar pontes entre os grupos carbonilo e imino das cadeias de peptídeos adjacentes, resultando em estruturas semelhantes às da folha pregueada, mas com uma molécula de água na posição das ligações de hidrogênio dessa configuração. A extensão da hidratação das moléculas de proteínas em soluções aquosas é importante, pois alguns dos métodos usados para determinar o peso molecular das proteínas produzem o peso molecular da proteína hidratada. A quantidade de água ligada a um grama de uma proteína globular em solução varia de 0,2 a 0,5 gramas. Quantidades muito maiores de água são mecanicamente imobilizadas entre as cadeias alongadas de peptídeos de proteínas fibrosas; por exemplo, uma grama de gelatina pode imobilizar à temperatura ambiente de 25 a 30 gramas de água.

A hidratação das proteínas é necessária para sua solubilidade em água. Se a água de hidratação de uma proteína dissolvida na água for reduzida pela adição de um sal como o sulfato de amônio, a proteína não é mais solúvel e é salgada, ou precipitada. O processo de salga é reversível porque a proteína não é desnaturada (ou seja, irreversivelmente convertida em um material insolúvel) pela adição de sais como cloreto de sódio, sulfato de sódio ou sulfato de amônio. Algumas globulinas, chamadas euglobulinas, são insolúveis na água na ausência de sais; sua insolubilidade é atribuída à interação mútua de grupos polares na superfície de moléculas adjacentes, um processo que resulta na formação de grandes agregados de moléculas. A adição de pequenas quantidades de sal faz com que as euglobulinas se tornem solúveis. Este processo, chamado salga, resulta de uma combinação entre ânions (íons com carga negativa) e cátions (íons com carga positiva) do sal e cadeias laterais de carga positiva e negativa das euglobulinas. A combinação evita a agregação de moléculas de euglobulina, impedindo a formação de pontes de sal entre elas. A adição de mais sulfato de sódio ou amônia faz com que as euglobulinas salifiquem novamente e se precipitem.

Eletroquímica de proteínas

Como o grupo α-amino e o grupo α-carboxil de aminoácidos são convertidos em ligações peptídeo na molécula de proteína, há apenas um grupo α-amino (no terminal N) e um grupo α-carboxil (no terminal C) em uma determinada molécula de proteína. O caráter eletroquímico de uma proteína é muito pouco afetado por estes dois grupos. Entretanto, são importantes os numerosos grupos de amônio com carga positiva (-NH3+) de lisina e arginina e os grupos carboxílicos com carga negativa (-COO-) de ácido aspártico e ácido glutâmico. Na maioria das proteínas, o número de grupos com carga positiva e negativa varia de 10 a 20 por 100 aminoácidos.

Titulação eletrometrica

Quando volumes medidos de ácido clorídrico são adicionados a uma solução de proteína em água sem sal, o pH diminui em proporção à quantidade de íons hidrogênio adicionados até que seja cerca de 4. A adição adicional de ácido causa muito menos diminuição no pH porque a proteína age como um tampão em valores de pH de 3 a 4. A reação que ocorre nesta faixa de pH é a protonação do grupo carboxil – ou seja, a conversão de -COO- em -COOH. A titulação eletrométrica de uma proteína isoelétrica com hidróxido de potássio causa um aumento muito lento do pH e uma fraca ação tampão da proteína a pH 7; uma ação tampão muito forte ocorre na faixa de pH de 9 a 10. A ação tamponante a pH 7, que é causada pela perda de prótons (hidrogênio com carga positiva) dos grupos imidazólicos (ou seja, a estrutura em anel de cinco membros na cadeia lateral) da histidina, é fraca porque o teor de histidina das proteínas é geralmente baixo. A ação tamponante muito mais forte a valores de pH de 9 a 10 é causada pela perda de prótons do grupo hidroxila da tirosina e dos grupos amônia da lisina. Finalmente, os prótons são perdidos dos grupos de guanidínio (ou seja, a porção terminal contendo nitrogênio das cadeias laterais de arginina) de arginina a pH 12. Titulações eletrométricas de proteínas produzem curvas semelhantes. A titulação eletrométrica torna possível a determinação do número aproximado de grupos carboxil, grupos amônio, histidinas e tirosinas por molécula de proteína.

Electrometric titration of glycine.Encyclopædia Britannica, Inc.

Eletroforese

As cadeias laterais de proteínas carregadas positiva e negativamente fazem com que elas se comportem como aminoácidos em um campo elétrico; ou seja, migram durante a eletroforese a valores baixos de pH para o cátodo (terminal negativo) e a valores altos de pH para o ânodo (terminal positivo). O ponto isoelétrico, o valor de pH no qual a molécula de proteína não migra, está na faixa de pH 5 a 7 para muitas proteínas. Proteínas como lisozima, citocromo c, histone e outras ricas em lisina e arginina, no entanto, têm pontos isoelétricos na faixa de pH entre 8 e 10. O ponto isoelétrico da pepsina, que contém muito poucos aminoácidos básicos, é próximo a 1.

aminoácidoproteína*
CytoHb alfaHb betaRNaseLysChgenFdox
lisina181111106144
histidina31094121
arginina23341141
ácido aspártico **8121315212313
treonina797107238
serina21151510287
ácido glutâmico**105111251513
prolina4774294
glicina13713312236
alanina621151212229
meia cistina21288105
valina3131896237
metionina3214220
isoleucina80036104
leucina6181828198
tirosina5336344
fenilalanina3783362
triptofano1120681
total10414114612412924597
* Cyto = citocromo c humano; Hb alfa = hemoglobina A humana, cadeia alfa; Hb beta = hemoglobina A humana, cadeia beta; RNase = ribonuclease bovina; Lys = lisozima de frango; Chgen = quimiotripsinogênio bovino; Fdox = ferredoxina de espinafre.
** Os valores registrados para ácido aspártico e ácido glutâmico incluem asparagina e glutamina, respectivamente.
Na eletroforese de gel bidimensional, as proteínas são separadas com base na carga e no tamanho. As abordagens comuns empregadas incluem focalização isoelétrica (IEF), sulfato de sódio (SDS), eletroforese em gel de poliacrilamida (PAGE) e gradiente de pH imobilizado (IPG-Dalt) SDS-PAGE.
JE Celis, Centro Dinamarquês de Pesquisa do Genoma Humano

A eletroforese livre, o método original de determinação da migração eletroforética, foi substituído em muitos casos por eletroforese de zona, na qual a proteína é colocada em um gel de amido, ágar ou poliacrilamida ou em um meio poroso, como papel ou acetato de celulose. A migração da hemoglobina e de outras proteínas coloridas pode ser acompanhada visualmente. As proteínas incolores são tornadas visíveis após a conclusão da eletroforese, corando-as com um corante adequado.

Conformação de proteínas globulares

Resultados dos estudos de difração de raios X

A maioria dos conhecimentos sobre a estrutura secundária e terciária das proteínas globulares foi obtida através do exame de seus cristais usando difração de raios X. Nesta técnica, os raios X podem atingir o cristal; os raios X são difratados pelo cristal e incidem sobre uma placa fotográfica, formando um padrão de manchas. A intensidade medida do padrão de difração, conforme registrado em um filme fotográfico, depende particularmente da densidade de elétrons dos átomos no cristal de proteína. Esta densidade é menor nos átomos de hidrogênio, e eles não dão um padrão de difração visível. Embora os átomos de carbono, oxigênio e nitrogênio produzam padrões de difração visíveis, eles estão presentes em tão grande número – cerca de 700 ou 800 por 100 aminoácidos – que a resolução da estrutura de uma proteína contendo mais de 100 aminoácidos é quase impossível. A resolução é consideravelmente melhorada pela substituição nas cadeias laterais de certos aminoácidos de átomos muito pesados, particularmente os de metais pesados. Os íons de mercúrio, por exemplo, se ligam aos grupos sulfidrílicos (-SH) de cisteína. O cloreto de platina tem sido utilizado em outras proteínas. Nas proteínas que contêm ferro, o átomo de ferro já na molécula é adequado.

Embora a técnica de difração de raios X não possa resolver a completa conformação tridimensional (ou seja, a estrutura secundária e terciária da cadeia do peptídeo), a resolução completa foi obtida pela combinação dos resultados da difração de raios X com os da análise da seqüência de aminoácidos. Desta forma, a completa conformação de proteínas como a mioglobina, quimotripsinogênio, lisozima e ribonuclease foi resolvida.

O método de difração de raios X revelou arranjos estruturais regulares nas proteínas; uma é uma forma estendida de cadeias de peptídeos antiparalelas que estão ligadas entre si por ligações de hidrogênio entre os grupos carbonilo e imino. Esta conformação, chamada folha plissada, ou β-estrutura, é encontrada em algumas proteínas fibrosas. Fios curtos da estrutura β também foram detectados em algumas proteínas globulares.

Um segundo arranjo estrutural importante é a hélice α; ela é formada por uma seqüência de aminoácidos enrolados em torno de um eixo reto, seja em espiral à direita ou à esquerda. Cada volta da hélice corresponde a uma distância de 5,4 angstroms (= 0,54 nanômetro) na direção do eixo do parafuso e contém 3,7 aminoácidos. Portanto, o comprimento da hélice α por resíduo de aminoácidos é 5,4 dividido por 3,7, ou 1,5 angstroms (1 angstrom = 0,1 nanômetro). A estabilidade da hélice α é mantida pelas ligações de hidrogênio entre os grupos carbonilo e imino das voltas vizinhas da hélice. Antigamente pensava-se, com base em dados de análises da molécula de mioglobina, mais da metade da qual consiste de α-helices, que a hélice α-helix é o elemento estrutural predominante das proteínas globulares; sabe-se agora que a mioglobina é excepcional a este respeito. As outras proteínas globulares para as quais as estruturas foram resolvidas por difração de raios X contêm apenas pequenas regiões da α-helix. Na maioria delas, as cadeias de peptídeos são dobradas de forma aparentemente aleatória, para as quais o termo bobina aleatória tem sido usado. O termo é enganoso, no entanto, porque a dobra não é aleatória; ao contrário, é ditada pela estrutura primária e modificada pelas estruturas secundárias e terciárias.

estrutura da proteína; α-helix
A α-helix no arranjo estrutural de uma proteína.
Encyclopædia Britannica, Inc.

As primeiras proteínas para as quais as estruturas internas foram completamente resolvidas são as proteínas contendo ferro mioglobina e hemoglobina. A investigação dos cristais hidratados destas proteínas pelo bioquímico britânico nascido na Áustria Max Perutz e pelo bioquímico britânico John C. Kendrew, que ganhou o Prêmio Nobel de Química de 1962 por seu trabalho, revelou que a dobra das cadeias de peptídeos é tão apertada que a maior parte da água é deslocada do centro das moléculas globulares. Os aminoácidos que carregam os grupos amônia (-NH3+) e carboxil (-COO-) foram encontrados deslocados para a superfície das moléculas globulares, e os aminoácidos não-polares foram encontrados concentrados no interior.

A estrutura simplificada da lisozima da clara de ovo da galinha tem uma única cadeia de peptídeos de 129 aminoácidos. Os resíduos de aminoácidos são numerados do grupo terminal α (N) para o grupo terminal carboxil (C). Os círculos indicam cada quinto resíduo, e cada décimo resíduo é numerado. As linhas quebradas indicam as quatro pontes de bissulfeto. Os alfaelices são visíveis nas faixas de 25 a 35, 90 a 100, e 120 a 125.
Encyclopædia Britannica, Inc.

Outras abordagens para a determinação da estrutura das proteínas

Nenhum dos vários outros métodos físicos que foram usados para obter informações sobre a estrutura secundária e terciária das proteínas fornece tanta informação direta quanto a técnica de difração de raios X. A maioria das técnicas, entretanto, são muito mais simples do que a difração de raios X, que requer, para a resolução da estrutura de uma proteína, muitos anos de trabalho e equipamentos, como computadores eletrônicos. Algumas das técnicas mais simples são baseadas nas propriedades ópticas da refratariedade de proteínas, absorção de luz de diferentes comprimentos de onda, rotação da luz polarizada plana em diferentes comprimentos de onda, e luminescência.

Comportamento espectrofotométrico

A espectrofotometria de soluções proteicas (a medida do grau de absorção de luz por uma proteína dentro de um comprimento de onda especificado) é útil dentro da faixa de luz visível somente com proteínas que contenham grupos protéticos coloridos (os componentes não proteicos). Exemplos de tais proteínas incluem as proteínas heme vermelhas do sangue, os pigmentos roxos da retina do olho, proteínas verdes e amarelas que contêm pigmentos biliares, proteínas azuis contendo cobre e proteínas marrons escuras chamadas melaninas. As ligações peptídicas, devido a seus grupos carbonílicos, absorvem energia luminosa em comprimentos de onda muito curtos (185-200 nanômetros). Os anéis aromáticos de fenilalanina, tirosina e triptofano, no entanto, absorvem a luz ultravioleta entre comprimentos de onda de 280 e 290 nanômetros. A absorção da luz ultravioleta pelo triptofano é maior, a da tirosina é menor e a da fenilalanina é menor. Se o teor de tirosina ou triptofano da proteína for conhecido, portanto, a concentração da solução protéica pode ser determinada medindo sua absorvância entre 280 e 290 nanômetros.

Atividade ótica

Será lembrado que os aminoácidos, com exceção da glicina, exibem atividade óptica (rotação do plano de luz polarizada; ver acima Propriedades físico-químicas dos aminoácidos). Não é surpreendente, portanto, que as proteínas também sejam opticamente ativas. Elas são geralmente levorotatórias (ou seja, giram o plano de polarização para a esquerda) quando é utilizada luz polarizada de comprimentos de onda na faixa visível. Embora a rotação específica (uma função da concentração de uma solução protéica e da distância que a luz percorre nela) da maioria dos L-aminoácidos varie de -30° tο +30°, o aminoácido cistina tem uma rotação específica de aproximadamente -300°. Embora a rotação óptica de uma proteína dependa de todos os aminoácidos dos quais é composta, os mais importantes são a cistina e os aminoácidos aromáticos fenilalanina, tirosina e triptofano. A contribuição dos outros aminoácidos para a atividade óptica de uma proteína é negligenciavelmente pequena.

A reatividade química das proteínas

Informações sobre a estrutura interna das proteínas podem ser obtidas com métodos químicos que revelam se certos grupos estão presentes na superfície da molécula de proteína e, portanto, capazes de reagir ou se estão enterrados dentro das cadeias de peptídeo estreitamente dobradas e, portanto, são incapazes de reagir. Os reagentes químicos utilizados em tais investigações devem ser suaves e não devem afetar a estrutura da proteína.

A reatividade da tirosina é de especial interesse. Foi descoberto, por exemplo, que apenas três das seis tirosinas encontradas na enzima ribonuclease natural podem ser iodadas (ou seja, reagiram para aceitar um átomo de iodo). A decomposição enzimática catalisada da ribonuclease iodada é utilizada para identificar os peptídeos nos quais as tirosinas iodadas estão presentes. As três tirosinas que podem ser iodadas encontram-se na superfície da ribonuclease; as outras, supostamente inacessíveis, dizem estar enterradas na molécula. A tirosina também pode ser identificada usando outras técnicas – por exemplo, o tratamento com compostos de diazônio ou tetranitrometano. Como os compostos formados são coloridos, eles podem ser facilmente detectados quando a proteína é decomposta com enzimas.

A cisteína pode ser detectada pelo acoplamento com compostos como ácido iodoacético ou iodoacetamida; a reação resulta na formação de carboximetilcisteína ou carbamidometilcisteína, que pode ser detectada pela determinação de aminoácidos dos peptídeos que os contêm. Os grupos imidazólicos de certas histidinas também podem ser localizados por acoplamento com os mesmos reagentes sob condições diferentes. Infelizmente, poucos outros aminoácidos podem ser rotulados sem alterações na estrutura secundária e terciária da proteína.

Associação de subunidades de proteínas

Muitas proteínas com pesos moleculares superiores a 50.000 ocorrem em soluções aquosas como complexos: dímeros, tetrâmeros e polímeros superiores – ou seja, como cadeias de duas, quatro, ou mais unidades estruturais básicas repetidas. As subunidades, que são chamadas de monômeros ou protomers, geralmente estão presentes como um número par. Menos de 10% dos polímeros têm um número ímpar de monômeros. A disposição das subunidades é considerada regular e pode ser cíclica, cúbica ou tetraédrica. Algumas das pequenas proteínas também contêm subunidades. A insulina, por exemplo, com um peso molecular de cerca de 6.000, consiste em duas cadeias de peptídeos ligadas entre si por pontes de dissulfeto (-S-S-). Ligações semelhantes de dissulfeto entre cadeias foram encontradas nas imunoglobulinas. Em outras proteínas, ligações de hidrogênio e ligações hidrofóbicas (resultantes da interação entre as cadeias laterais de aminoácidos de valina, leucina, isoleucina e fenilalanina) causam a formação de agregados das subunidades. As subunidades de algumas proteínas são idênticas; as subunidades de outras são diferentes. A hemoglobina é um tetrâmero formado por duas correntes α e duas correntes β.

Desnaturação de proteínas

Quando uma solução de uma proteína é fervida, a proteína frequentemente se torna insolúvel – ou seja, é desnaturada – e permanece insolúvel mesmo quando a solução é resfriada. A desnaturação das proteínas da clara de ovo pelo calor – como quando se ferve um ovo – é um exemplo de desnaturação irreversível. A proteína desnaturada tem a mesma estrutura primária que a proteína original, ou nativa. As forças fracas entre os grupos carregados e as forças mais fracas de atração mútua de grupos não-polares são perturbadas a temperaturas elevadas; como resultado, a estrutura terciária da proteína é perdida. Em alguns casos, a estrutura original da proteína pode ser regenerada; o processo é chamado de renaturalização.

Classificação das Proteínas

Classificação por solubilidade

Depois que dois químicos alemães, Emil Fischer e Franz Hofmeister, declararam independentemente em 1902 que as proteínas são essencialmente polipéptidos compostos por muitos aminoácidos, foi feita uma tentativa de classificar as proteínas de acordo com suas propriedades químicas e físicas, porque a função biológica das proteínas ainda não havia sido estabelecida. (O caráter proteico das enzimas não foi comprovado até os anos 1920). As proteínas foram classificadas principalmente de acordo com sua solubilidade em vários solventes. Esta classificação não é mais satisfatória, entretanto, porque proteínas de estrutura e função bastante diferentes às vezes têm solubilidades semelhantes; ao contrário, proteínas da mesma função e estrutura semelhante às vezes têm solubilidades diferentes. Os termos associados com a antiga classificação, entretanto, ainda são amplamente utilizados. Eles são definidos abaixo.

Collagen molecule.
© ynse/Shutterstock.com

Os albúmenes são proteínas solúveis em água e em água semi-saturada com sulfato de amônio. Por outro lado, as globulinas são salgadas (ou seja, precipitadas) por meio-saturação com sulfato de amônio. As globulinas que são solúveis em água sem sal são chamadas pseudoglobulinas; aquelas insolúveis em água sem sal são as euglobulinas. Tanto as prolaminas quanto as glútelinas, que são proteínas vegetais, são insolúveis em água; as prolaminas dissolvem-se em etanol de 50% a 80%, as glútelinas em solução acidificada ou alcalina. O termo protamina é usado para uma série de proteínas no esperma de peixe que consistem em aproximadamente 80% de arginina e, portanto, são fortemente alcalinas. Os histones, que são menos alcalinos, aparentemente ocorrem apenas nos núcleos celulares, onde estão ligados aos ácidos nucléicos. O termo escleroproteínas tem sido usado para as proteínas insolúveis dos órgãos animais. Elas incluem queratina, a proteína insolúvel de certos tecidos epiteliais, como a pele ou o pêlo, e colágeno, a proteína do tecido conjuntivo. Um grande grupo de proteínas tem sido chamado de proteínas conjugadas, porque são moléculas complexas de proteínas compostas de proteínas e não proteínas moieties. A porção não-proteica é chamada de grupo protéico. As proteínas conjugadas podem ser subdivididas em mucoproteínas, que, além de proteínas, contêm carboidratos; lipoproteínas, que contêm lipídios; fosfoproteínas, que são ricas em fosfato; cromoproteínas, que contêm pigmentos como ferro-porfirinas, carotenóides, pigmentos biliares e melanina; e, finalmente, nucleoproteínas, que contêm ácido nucleico.

Micrografia eletrônica de varredura mostrando fios de queratina em uma pluma, ampliada em 186×.
Janice Carr/Centers for Disease Control and Prevention (CDC) (Número de imagem: 8673)

A fraqueza da classificação acima reside no fato de que muitas, se não todas, as globulinas contêm pequenas quantidades de carboidratos; assim, não há uma fronteira nítida entre as globulinas e as mucoproteínas. Além disso, as fosfoproteínas não possuem um grupo protético que possa ser isolado; elas são meramente proteínas nas quais alguns dos grupos hidroxil da serina são fosforados (ou seja, contêm fosfato). Finalmente, as globulinas incluem proteínas com papéis bastante diferentes -enzimas, anticorpos, proteínas fibrosas, e proteínas contráteis.

Classificação por funções biológicas

Tendo em vista o estado insatisfatório da antiga classificação, é preferível classificar as proteínas de acordo com sua função biológica. Tal classificação está longe de ser ideal, porém, porque uma proteína pode ter mais de uma função. A miosina da proteína contrátil, por exemplo, também atua como uma ATPase (adenosina trifosfatase), uma enzima que hidrolisa adenosina trifosfato (remove um grupo fosfato da ATP introduzindo uma molécula de água). Outro problema com a classificação funcional é que a função definida de uma proteína freqüentemente não é conhecida. Uma proteína não pode ser chamada de enzima enquanto seu substrato (o composto específico sobre o qual ela atua) não for conhecido. Ela não pode nem mesmo ser testada por sua ação enzimática quando seu substrato não é conhecido.

Estrutura Especial e Função das Proteínas

Apesar de seus pontos fracos, uma classificação funcional é utilizada aqui para demonstrar, sempre que possível, a correlação entre a estrutura e a função de uma proteína. As proteínas estruturais fibrosas são apresentadas em primeiro lugar, pois sua estrutura é mais simples que a das proteínas globulares e mais claramente relacionada à sua função, que é a manutenção de uma estrutura rígida ou flexível.

Proteínas estruturais

Scleroproteínas

Colágeno

O colágeno é a proteína estrutural dos ossos, tendões, ligamentos e pele. Durante muitos anos o colágeno foi considerado insolúvel na água. Parte do colágeno da pele do bezerro, entretanto, pode ser extraído com tampão citrato a pH 3,7. Um precursor do colágeno chamado procollagen é convertido no corpo em colágeno. O procolágeno tem um peso molecular de 120.000. A clivagem de uma ou algumas ligações de peptídeo do procollagen produz colágeno, que tem três subunidades, cada uma com um peso molecular de 95.000; portanto, o peso molecular do colágeno é de 285.000 (3 × 95.000). As três subunidades são enroladas como espirais em torno de um eixo reto alongado. O comprimento de cada subunidade é de 2.900 angstroms, e seu diâmetro é de aproximadamente 15 angstroms. As três correntes são escalonadas, de modo que o trímero não tem limites terminais definidos.

Fibras de colágeno de orientação aleatória de tamanho variável em uma fina extensão de tecido conjuntivo areolar solto (ampliado em cerca de 370 ×).
Don W. Fawcett, M.D.

O colágeno difere de todas as outras proteínas em seu alto teor de prolina e hidroxiprolina. A hidroxiprolina não ocorre em quantidades significativas em nenhuma outra proteína, exceto a elastina. A maior parte da prolina no colágeno está presente na seqüência glicina-prolina X, na qual X é freqüentemente alanina ou hidroxiprolina. O colágeno não contém cistina ou triptofano e, portanto, não pode substituir outras proteínas da dieta. A presença da prolina causa dobras na cadeia do peptídeo e, portanto, reduz o comprimento da unidade de aminoácidos de 3,7 angstroms na cadeia estendida da estrutura β para 2,86 angstroms na cadeia do colágeno. Na tripla hélice entrelaçada, as glicinas estão dentro, próximas ao eixo; as prolinas estão fora.

O colágeno nativo resiste à ação da tripsina, mas é hidrolisado pela enzima enzima colagenase bacteriana. Quando o colágeno é fervido com água, a tripla hélice é destruída, e as subunidades são parcialmente hidrolisadas; o produto é gelatina. As cadeias desdobradas de peptídeos de gelatina prendem grandes quantidades de água, resultando em uma molécula hidratada.

Quando o colágeno é tratado com ácido tânico ou com sais de cromo, formam-se elos cruzados entre as fibras de colágeno, que se tornam insolúveis; a conversão da pele em couro é baseada neste processo de curtimento. O material curtido é insolúvel em água quente e não pode ser convertido em gelatina. Ao se expor à água a 62° a 63° C (144° a 145° F), entretanto, os elos cruzados formados pelos agentes curtentes colagênicos se desfazem, e o couro se contrai irreversivelmente a cerca de um terço de seu volume original.

O colágeno parece passar por um processo de envelhecimento em organismos vivos que pode ser causado pela formação de ligações cruzadas entre as fibras de colágeno. Elas são formadas pela conversão de algumas cadeias laterais de lisina em aldeídos (compostos com a estrutura geral RCHO), e pela combinação dos aldeídos com os grupos de aldeídos ε-amino de cadeias laterais de lisina intactas. A elastina proteica, que ocorre nas fibras elásticas do tecido conjuntivo, contém elos cruzados similares e pode resultar da combinação de fibras de colágeno com outras proteínas. Quando o colágeno ou elastina reticulada é degradado, formam-se produtos dos fragmentos de lisina reticulada, chamados de desmosinas e isodesminas.

Queratina

A queratina, a proteína estrutural das células epiteliais nas camadas mais externas da pele, foi isolada dos pêlos, unhas, cascos e penas. A queratina é completamente insolúvel em água fria ou quente; não é atacada por enzimas proteolíticas (ou seja, enzimas que se quebram, ou moléculas proteicas lise), e, portanto, não pode substituir as proteínas da dieta. A grande estabilidade da queratina resulta das numerosas ligações de dissulfeto da cistina. A composição de aminoácidos da queratina é diferente da do colágeno. A cistina pode ser responsável por 24% do total de aminoácidos. As cadeias de peptídeos de queratina estão dispostas em quantidades aproximadamente iguais de folhas pregueadas antiparalelas e paralelas, nas quais as cadeias de peptídeos estão ligadas entre si por ligações de hidrogênio entre os grupos carbonilo e imino.

A redução das ligações de dissulfeto a grupos sulfidrílicos resulta na dissociação das cadeias de peptídeos, cujo peso molecular é de 25.000 a 28.000 cada. A formação de ondas permanentes no tratamento de beleza dos cabelos baseia-se na redução parcial das ligações de queratina dissulfeto de queratina capilar pelo tioglicol, ou algum outro agente redutor suave, e posterior oxidação dos grupos sulfidrils (-SH) nos cabelos reorientados para ligações de dissulfeto (-S-S-) pela exposição ao oxigênio do ar.

O comprimento das fibras de queratina depende de seu conteúdo de água. Elas podem ligar aproximadamente 16% da água; esta hidratação é acompanhada por um aumento no comprimento das fibras de 10% a 12%.

A queratina mais bem investigada é a queratina capilar, particularmente a de lã. Ela consiste em uma mistura de peptídeos com alto e baixo teor de cistina. Quando a lã é aquecida em água a cerca de 90° C (190° F), ela encolhe de forma irreversível. Isto é atribuído à quebra das ligações de hidrogênio e outras ligações não-vigalentes; as ligações de dissulfeto não parecem ser afetadas.

Outros

A escleroproteína mais investigada tem sido a fibroína, o material insolúvel da seda. A seda crua que constitui o casulo do bicho-da-seda é constituída por duas proteínas. Uma, a sericina, é solúvel em água quente; a outra, a fibroina, não é. A composição de aminoácidos desta última difere da de todas as outras proteínas. Ela contém grandes quantidades de glicina, alanina, tirosina e serina; pequenas quantidades dos outros aminoácidos; e nenhuma que contenha enxofre. As cadeias de peptídeos estão dispostas em estruturas antiparalelas β. A fibroína é parcialmente solúvel em soluções concentradas de tiocianato de lítio ou em misturas de sais cúpricos e etileno diamina. Tais soluções contêm uma proteína de peso molecular de 170.000, que é um dímero de duas subunidades.

Pouco se sabe sobre as escleroproteínas das esponjas marinhas ou sobre as proteínas insolúveis das membranas celulares das células animais. Algumas das membranas são solúveis em detergentes; outras, entretanto, são insolúveis em detergentes.

As proteínas musculares

A quantidade total de proteínas musculares em mamíferos, incluindo humanos, excede a de qualquer outra proteína. Cerca de 40% do peso corporal de um adulto humano saudável pesando cerca de 70 quilos é músculo, que é composto de cerca de 20% de proteína muscular. Assim, o corpo humano contém cerca de 5 a 6 quilos (11 a 13 libras) de proteína muscular. Uma fração semelhante à albumina destas proteínas, originalmente chamada miogen, contém várias enzimas-fosforilase, aldolase, gliceraldeído fosfato desidrogenase e outras; não parece estar envolvida na contração. A fração globulina contém miosina, a proteína contrátil, que também ocorre nas plaquetas sanguíneas, pequenos corpos encontrados no sangue. Substâncias contráteis similares ocorrem em outras estruturas contráteis; por exemplo, nos cílios ou flagelos (órgãos de locomoção) de bactérias e protozoários. Em contraste com as escleroproteínas, as proteínas contráteis são solúveis em soluções salinas e susceptíveis à digestão enzimática.

A energia necessária para a contração muscular é fornecida pela oxidação dos carboidratos ou lipídios. O termo reação mecanico-química tem sido utilizado para esta conversão de energia química em energia mecânica. O processo molecular subjacente à reação é conhecido por envolver as proteínas musculares fibrosas, cujas cadeias de peptídeos sofrem uma mudança na conformação durante a contração.

A miosina, que pode ser removida do músculo fresco, adicionando-a a uma solução refrigerada de cloreto de potássio diluído e bicarbonato de sódio, é insolúvel na água. A miosina, cujas soluções são altamente viscosas, consiste em uma cadeia alongada – provavelmente de duplo péptido, que é enrolada em ambas as extremidades de tal forma que se forma um glóbulo terminal. O comprimento da molécula é de aproximadamente 160 nanômetros e seu diâmetro médio de 2,6 nanômetros. O peso equivalente de cada um dos dois glóbulos terminais é de aproximadamente 30.000; o peso molecular da miosina é próximo a 500.000. A tripsina divide a miosina em grandes fragmentos chamados meromiosina. A miosina contém muitos aminoácidos com cadeias laterais de carga positiva e negativa; eles formam 18 e 16 por cento, respectivamente, do número total de aminoácidos. A miosina catalisa a clivagem hidrolítica do ATP (trifosfato de adenosina). Uma proteína menor com propriedades similares às da miosina é a tropomiosina. Ela tem um peso molecular de 70.000 e dimensões de 45 por 2 nanômetros. Mais de 90% de suas cadeias de peptídeos estão presentes na forma de α-helix.

A miosina combina facilmente com outra proteína muscular chamada actina, cujo peso molecular é de cerca de 50.000; ela forma 12 a 15 por cento das proteínas musculares. A actina pode existir em duas formas – uma, G-actin, é globular; a outra, F-actin, é fibrosa. A actomyosin é uma molécula complexa formada por uma molécula de miosina e uma ou duas moléculas de actina. No músculo, a actina e os filamentos de miosina são orientados paralelamente um ao outro e ao longo eixo do músculo. Os filamentos de actina são ligados um ao outro longitudinalmente por fios finos chamados filamentos S. Durante a contração, os filamentos S encurtam, de modo que os filamentos de actina deslizam um para o outro, passando pelos filamentos de miosina, causando assim um encurtamento do músculo (para uma descrição detalhada do processo, ver músculo: músculo estriado).

músculo: actin e myosin
A estrutura dos filamentos de actina e miosina.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Fibrinogênio e fibrina

O fibrinogênio, a proteína do plasma sanguíneo, é convertido em fibrina proteica insolúvel durante o processo de coagulação. O fluido livre de fibrinogênio obtido após a remoção do coágulo, chamado soro sanguíneo, é o plasma sanguíneo menos o fibrinogênio. O conteúdo de fibrinogênio do plasma sanguíneo é de 0,2 a 0,4 por cento.

fibrina na coagulação do sangue
Eritrócitos (eritrócitos) presos em uma rede de fios de fibrina. A fibrina, uma proteína resistente e insolúvel formada após lesão dos vasos sanguíneos, é um componente essencial dos coágulos sanguíneos.
BSIP/age fotostock

O fibrinogênio pode ser precipitado do plasma sanguíneo por meio-saturação com cloreto de sódio. As soluções de fibrinogênio são altamente viscosas e apresentam forte birefringência de fluxo. Nas micrografias eletrônicas as moléculas aparecem como varetas com um comprimento de 47,5 nanômetros e um diâmetro de 1,5 nanômetros; além disso, dois terminais e um nódulo central são visíveis. O peso molecular é de 340.000. Uma porcentagem excepcionalmente alta, cerca de 36%, das cadeias laterais de aminoácidos são carregadas positiva ou negativamente.

O processo de coagulação é iniciado pela enzima trombina, que catalisa a quebra de algumas ligações de peptídeo do fibrinogênio; como resultado, dois pequenos fibrinopeptídeos com pesos moleculares de 1.900 e 2.400 são liberados. O restante da molécula de fibrinogênio, um monômero, é solúvel e estável a valores de pH inferiores a 6 (ou seja, em soluções ácidas). Em solução neutra (pH 7) o monômero é convertido em uma molécula maior, a fibrina insolúvel; isto resulta da formação de novas ligações de peptídeo. As ligações peptídeas recém-formadas formam ligações cruzadas intermoleculares e intramoleculares, dando assim origem a um grande coágulo, no qual todas as moléculas estão ligadas umas às outras. A coagulação, que ocorre apenas na presença de íons de cálcio, pode ser evitada por compostos como oxalato ou citrato, que têm alta afinidade com os íons de cálcio.

Referências

Britannica.com | Protein

Veja também

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