Estrutura e função de proteínas: da conformação à especificidade enzimática
A função de uma proteína é a sua conformação, e esta unidade a lê em cinco frentes: o dobramento (a sequência dita a forma, o calor a desfaz, as chaperonas a protegem, e o mal-dobramento vira doença); a hemoglobina, tetrâmero cooperativo cuja curva sigmoide se opõe à hipérbole da mioglobina; a hemoglobina S, em que uma troca de aminoácido na superfície, e não no núcleo, muda a interação entre moléculas; o colágeno, em que a glicina é a única que cabe na tripla hélice; e as serina-proteases, em que a tríade catalítica corta a ligação e o bolsão S1 escolhe o substrato (aqui, "enzimática" quer dizer só as serina-proteases da família S1A, tipo quimotripsina/tripsina). Ficam de fora, e são declaradas: aminoácidos e ligação peptídica, ponto isoelétrico, purificação e eletroforese, geometria da α-hélice e da folha β, Ramachandran, domínios, a lista de forças de cada nível, a estrutura da mioglobina e seus números, o efeito Bohr formal, outras hemoglobinopatias, a catálise detalhada da quimotripsina e o oxiânion, as serpinas e a deficiência de α1-antitripsina, e as amiloidoses além do príon. A cinética enzimática já tem unidade própria e não é repetida.
Material educacional escrito com apoio de IA e conferido por revisão automatizada, sem revisão médica nomeada. Não substitui o livro-texto nem orientação clínica.
Essencial
- A conformação tridimensional da proteína é ditada pela sua sequência de aminoácidos (e influenciada por fatores celulares) e determina diretamente a sua atividade e a sua função.
- O trabalho de Anfinsen com a ribonuclease A mostrou o dobramento espontâneo: a estrutura nativa é determinada unicamente pela sequência e é a conformação termodinamicamente mais estável nas condições fisiológicas.
- Na célula, o ambiente lotado de macromoléculas, a temperatura fisiológica e a tradução rápida aumentam o risco de mal-dobramento e agregação; as chaperonas auxiliam o dobramento correto, previnem a agregação e refazem proteínas mal-dobradas.
- A proteína mal-dobrada que não pode ser refeita é encaminhada para degradação proteassomal ou autofagia.
- O calor desnatura a proteína ao aumentar a velocidade com que se rompem as ligações não covalentes fracas intramoleculares (interações de van der Waals e pontes de hidrogênio); desnaturação é perda de estrutura e de função.
- Uma mutação única troca o ácido glutâmico por valina na sexta posição da cadeia β da globina: é a hemoglobina S (HbS).
- A troca fica na SUPERFÍCIE da molécula e só afeta a interação entre proteínas por resíduos de superfície, sem efeito sobre aminoácidos do núcleo; a HbS continua um tetrâmero de duas cadeias α e duas β, como a HbA.
- O glutamato hidrofílico vira uma valina hidrofóbica: a valina da cadeia β forma uma "chave" hidrofóbica que se encaixa numa cavidade hidrofóbica (Phe85 e Leu88) da cadeia β de outra molécula de HbS.
- Quando falta oxigênio ou a tensão de O2 cai, a HbS polimeriza: HbA e HbS formam agregados lineares (contatos axiais); só a HbS forma filamentos duplos e deforma o eritrócito.
- O polímero destrói a flexibilidade do eritrócito, que fica enrijecido, deformado e com forma de foice.
- Os eritrócitos falcizados dificultam a circulação e causam vaso-oclusão e infarto; o quadro inclui isquemia, dor, necrose, danos permanentes a tecidos e órgãos e hemólise crônica.
- Nas proteases tipo quimotripsina/tripsina, o aspartato conservado Asp102 (numeração do quimotripsinogênio) completa, com a His57 e a Ser195, a tríade e estabiliza o centro catalítico.
- A cadeia lateral do resíduo do substrato na posição P1, ao lado da ligação peptídica a ser cortada, interage com a parede e o fundo do bolsão de ligação S1.
- Pontes de hidrogênio enzima-substrato em P1 e P3 e com a Gly193 ajudam a posicionar a ligação peptídica para o ataque da Ser195.
- Após o ataque, o fragmento N-terminal do substrato forma um complexo covalente transitório (acil-enzima) e o fragmento C-terminal é liberado; o acil-enzima é então hidrolisado, o que libera o fragmento N-terminal.
- As serina-proteases da família S1A (tipo quimotripsina/tripsina) são sintetizadas como precursores inativos (zimogênios), convertidos às formas ativas por proteólise limitada, no local e sob demanda, em resposta a estímulos específicos.
- A ativação intracelular da tripsina pode causar morte celular e pancreatite recorrente, como nos casos familiares ligados a mutações do gene da tripsina.
A hemoglobina é um tetrâmero de duas subunidades α e duas β, cada cadeia com um grupo heme: quatro hemes, quatro oxigênios por molécula. A revisão cita a mioglobina como exemplo da ligação não cooperativa ao O2, de curva hiperbólica.
A ligação do primeiro O2 aumenta gradualmente a afinidade dos sítios restantes até que todos estejam preenchidos de modo cooperativo, e por isso a curva de dissociação da hemoglobina é sigmoide, em vez da hipérbole da ligação não cooperativa. A alosteria é a mudança de forma de um sítio de ligação acoplada a uma mudança conformacional terciária/quaternária, com modulação da função.
No colágeno, a cada três aminoácidos há uma glicina (repetição Gly-X-Y), e prolina e hidroxiprolina são comuns nas posições X e Y. As cadeias laterais de X e Y ficam expostas ao solvente e acomodam, segundo a revisão, qualquer aminoácido para a montagem da hélice.
A glicina tem a menor cadeia lateral possível (um único átomo de hidrogênio) e é a única que cabe na estrutura da tripla hélice: o único requisito para construí-la é ter glicina a cada três posições.
Na clínica
- Mutação que muda a sequência e leva ao mal-dobramento de uma proteína de canal (CFTR F508del, fibrose cística) · A proteína CFTR exibe defeitos de gating do canal e maior retenção no retículo endoplasmático, seguida de degradação pelo sistema ubiquitina-proteassoma. · Mutações de sequência estão entre as perturbações que fazem perder a proteostase, e a F508del é uma mutação de classe II, a que causa mal-dobramento do CFTR; a proteína mal-dobrada que não pode ser refeita é encaminhada à degradação proteassomal ou à autofagia.
- Doença priônica (proteína priônica celular, PrPC) · A PrPC normal, rica em α-hélices, passa a uma isoforma patogênica rica em folhas β (PrPSc) que age como semente: induz o mal-dobramento de outras moléculas de PrP, num mecanismo autocatalítico. · O conformero mal-dobrado propaga a própria conformação às moléculas adicionais de PrP; a revisão descreve o resultado como neurodegeneração, alterações espongiformes e deterioração clínica rápida.
- Protease tipo tripsina (resíduo P1 básico) · Corta depois de resíduos de carga positiva, como a arginina e a lisina. · Na maioria das proteases tipo tripsina há um aspartato ácido (Asp189) no fundo do bolsão S1: na tripsina, ele atrai a cadeia lateral positiva da arginina por interação iônica direta, e a da lisina se liga ao Asp189 por uma molécula de água em ponte.
- Protease tipo quimotripsina (resíduo P1 hidrofóbico grande) · Hidrolisa ligações depois de resíduos hidrofóbicos grandes. · O resíduo P1 é o determinante-chave do sítio de corte, mas a especificidade não vem de um resíduo só: ao converter a tripsina em quimotripsina, a troca do Asp189 por serina, típica da quimotripsina, não induziu a especificidade correspondente, e obtê-la exige substituir quatro resíduos do S1 e modificar regiões distantes dele.
- Protease tipo elastase (resíduo P1 hidrofóbico pequeno) · Prefere resíduos hidrofóbicos pequenos na posição P1. · A preferência por resíduos hidrofóbicos pequenos em P1 define o terceiro grupo de especificidade; as proteases neutrofílicas humanas (elastase, proteinase 3, catepsina G e NSP4) cortam depois de resíduos alifáticos pequenos, aromáticos ou de arginina. Como fato citado, nas quatro há uma carga negativa na posição 226 blindada por cadeias hidrofóbicas, sobretudo as valinas 190 e 216.
Nos tecidos em atividade, vários moduladores alostéricos — 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG), pH (H+), cloreto e CO2 — forçam a hemoglobina a liberar o O2. Os ligantes pequenos que a afetam (fosfatos orgânicos, prótons, bicarbonato) são produzidos pelo eritrócito durante o metabolismo e, ao se ligarem a sítios específicos, fazem a Hb "sentir" o ambiente.
As substituições de glicina causam a maior ruptura da tripla hélice e costumam dar fenótipos mais graves (atraso do dobramento em zíper, modificação excessiva, maior degradação), enquanto as mutações em X e Y têm efeitos em geral moderados ou leves; mais de 40 doenças genéticas se ligam a mutações missense do colágeno. A hidroxilação da prolina e da lisina depende do ascorbato, e sem ele a formação do colágeno pode ficar prejudicada, resultando em condições como o escorbuto.
Na doença priônica, a proteína priônica celular normal (PrPC), rica em α-hélices, se dobra numa isoforma patogênica rica em folhas β (PrPSc) que age como semente para induzir o mal-dobramento de outras moléculas de PrP.
Teste-se antes de seguir
O aquecimento de uma solução de uma proteína solúvel pode fazê-la perder a função. Que tipo de interação o calor afeta, e o que a proteína perde?
A resposta fica na Avaliação, sem spoiler aqui.
Responder na AvaliaçãoFontes (9)
- Kuzu OF, Granerud LJT, Saatcioglu F. Navigating the landscape of protein folding and proteostasis: from molecular chaperones to therapeutic innovations. Signal Transduct Target Ther. 2025;10(1):358.
The three-dimensional conformation of a protein, which is dictated by its amino acid sequence and influenced by various cellular factors, directly determines its activity and function.
- Olubiyi OO, Olagunju MO, Strodel B. Rational Drug Design of Peptide-Based Therapies for Sickle Cell Disease. Molecules. 2019;24(24):4551.
Sickle cell disease (SCD) is a group of inherited disorders affecting red blood cells, which is caused by a single mutation that results in substitution of the amino acid valine for glutamic acid in the sixth position of the β-globin chain of hemoglobin.
- Saunthararajah Y. Targeting sickle cell disease root-cause pathophysiology with small molecules. Haematologica. 2019;104(9):1720-1730.
mutated gene substitute a hydrophilic glutamate with a hydrophobic valine, predisposing deoxygenated HbS
- Brasil. Ministério da Saúde. Secretaria de Atenção à Saúde. Doença falciforme: condutas básicas para tratamento. 1ª ed., 1ª reimpr. Brasília: Ministério da Saúde; 2013.
A Hb S tem uma característica química especial que, em situações de ausência ou diminuição da tensão de oxigênio, provoca a sua polimerização, alterando drasticamente a morfologia do eritrócito.
- Weiss SAI, Rehm SRT, Perera NC, Biniossek ML, Schilling O, Jenne DE. Origin and Expansion of the Serine Protease Repertoire in the Myelomonocyte Lineage. Int J Mol Sci. 2021;22(4):1658.
In chymotrypsin/trypsin-like proteases, a third conserved aspartate residue, Asp102 (chymotrypsinogen numbering), complements the His57 and Ser195 residues and stabilizes the catalytic center of the enzyme
- Demidyuk IV, Chukhontseva KN, Kostrov SV. Glutamyl Endopeptidases: The Puzzle of Substrate Specificity. Acta Naturae. 2017;9(2):17-33.
The residue at the P1 position is a key determinant of the hydrolysis sites of CLPs
- Alayash AI. The Impact of COVID-19 Infection on Oxygen Homeostasis: A Molecular Perspective. Front Physiol. 2021;12:711976.
The binding of oxygen (four oxygen per four hemes) process occurs at the lungs.
- Brunori M, Miele AE. Modulation of Allosteric Control and Evolution of Hemoglobin. Biomolecules. 2023;13(3):572.
Tetrameric hemoglobin (Hb), the oxygen transporter of all vertebrates, has been for decades the ideal system to test for the validity of the MWC theory.
- Boudko SP. Around the collagen triple helix: an introduction to studying associated genetic and acquired diseases. Matrix Biol. 2025;140:43-58.
The GXY repeat unit is a well-known characteristic of the collagen sequence, where every third amino acid is glycine (Gly), while proline (Pro) and hydroxyproline (Hyp) are commonly found in the X and Y positions.
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