Por que as proteínas precisam passar pelo processo de enovelamento?

A estrutura da proteína refere-se a sua conformação natural necessária para desempenhar suas funções biológicas.

As proteínas são macromoléculas formadas pela união de aminoácidos.

Os aminoácidos são unidos entre si por ligações peptídicas. As moléculas resultantes da união de aminoácidos são denominadas de peptídeos.

As proteínas apresentam quatro níveis estruturais: estrutura primária, secundária, terciária e quaternária.

Estrutura primária das proteínas

A estrutura primária corresponde à sequência linear dos aminoácidos unidos por ligações peptídicas.

Em algumas proteínas, a substituição de um aminoácido por outro pode causar doenças e até mesmo levar à morte.

Estruturas espaciais das proteínas

As estruturas espaciais das proteínas são resultantes do enrolamento e dobramento do filamento proteico sobre si mesmo.

As propriedades funcionais das proteínas dependem da sua estrutura espacial.

Estrutura Secundária

A estrutura secundária corresponde ao primeiro nível de enrolamento helicoidal.

É caracterizada por padrões regulares e repetitivos que ocorrem localmente, causada pela atração entre certos átomos de aminoácidos próximos.

Os dois arranjos locais mais comuns que correspondem a estrutura secundária são a alfa-hélice e a beta-folha ou beta-pregueada.

• Conformação alfa-hélice: caracterizada por um arranjo tridimensional em que a cadeia polipeptídica assume conformação helicoidal ao redor de um eixo imaginário.
• Conformação beta-folha: ocorre quando a cadeia polipeptídica estende-se em zig-zag e podem ficar dispostas lado a lado.

Estrutura Terciária

A estrutura terciária corresponde ao dobramento da cadeia polipeptídica sobre si mesma.

Na estrutura terciária, a proteína assume uma forma tridimensional específica devido o enovelamento global de toda a cadeia polipeptídica.

Estrutura Quaternária

Enquanto muitas proteínas são formadas por uma única cadeia polipeptídica. Outras, são constituídas por mais de uma cadeia polipeptídica.

A estrutura quaternária corresponde a duas ou mais cadeias polipeptídicas, idênticas ou não, que se agrupam e se ajustam para formar a estrutura total da proteína.

Por exemplo, a molécula da insulina é composta por duas cadeias interligadas. Enquanto, a hemoglobina é composta por quatro cadeias polipeptídicas.

Saiba mais sobre as Proteínas.

Desnaturação das Proteínas

Para que possam desempenhar suas funções biológicas, as proteínas precisam apresentar sua conformação natural.

O calor, acidez, concentração de sais, entre outras condições ambientais podem alterar a estrutura espacial das proteínas. Com isso, suas cadeias polipeptídicas desenrolam e perdem a conformação natural.

Quando isso ocorre, chamamos de desnaturação das proteínas.

O resultado da desnaturação é a perda da função biológica característica daquela proteína.

Entretanto, a sequência de aminoácidos não é alterada. A desnaturação corresponde apenas a perda de conformação espacial das proteínas.

Para saber mais, leia também sobre peptídios e ligações peptídicas.

Teste seus conhecimentos com Exercícios sobre Proteínas.

Licenciada em Ciências Biológicas (2010) e Mestre em Biotecnologia e Recursos Naturais pela Universidade do Estado do Amazonas/UEA (2015). Doutoranda em Biodiversidade e Biotecnologia pela UEA.

Não é todo dia que o IBqM tem um trabalho científico tão denso — e elaborado por apenas dois autores (!) — publicado em uma das mais prestigiosas revistas científicas em nível internacional. Porém, no dia 6 de abril de 2015, o Prof. Jérson Lima Silva e o pós-doutorando Guilherme A. P. Oliveira conseguiram essa façanha em um artigo de 10 páginas e 8 figuras! O artigo intitulado "A hypothesis to reconcile the physical and chemical unfolding of proteins" foi publicado no periódico norte-americano PNAS, cujo fator de impacto é de 9,6.

Neste artigo, os autores tentam aplicar duas técnicas diferentes para modificar as estruturas das proteínas de forma a tentar entender como estruturas mal enoveladas dessas moléculas podem ser responsáveis por doenças como o câncer e o mal de Alzheimer. Usando tecnologias de ressonância magnética, nossos cientistas puderam verificar as mais sutis diferenças conformacionais nas proteínas quando submetidas a estresses físicos (pressão) e químicos (alta concentração de uréia). A compreensão de como as estruturas das proteínas são modificadas por esses estresses pode permitir uma melhor compreensão da etiologia de doenças neurodegenerativas e câncer. O pós-doutorando Guilherme Oliveira aceitou gentilmente ser entrevistado para este portal e nos contou detalhes sobre a importância de suas descobertas.

PORTAL BIOQMED. Bom dia, Guilherme. O portal BIOQMED parabeniza os senhores pela publicação! Sabemos que a doença de Parkinson e Alzheimer são causados por grandes agregados proteicos gerados pelo enovelamento incorreto de proteínas. Neste trabalho recém-publicado vocês testam diferentes formas de causar problemas no enovelamento protéico usando fatores químicos e físicos. Qual a importância dos mecanismos de desenovelamento para o desenvolvimento de doenças humanas como o câncer?

GAPO. Compreender os mecanismos relacionados ao processo de desenovelamento protéico podem nos fornecer pistas que podem levara até mesmo para a cura dessas doenças. Por exemplo, para uma proteína alcançar sua estrutura funcional, seus resíduos de aminoácidos precisam experimentar diversos contatos entre si que, muitas vezes, podem gerar intermediários parcialmente desenovelados e não funcionais. Essas estruturas intermediárias da via de desenovelamento ou enovelamento podem deslocar o equilíbrio para a formação de mais estruturas não funcionais, gerando com isso a produção de agregados protéicos relacionados com as doenças descritas. Na verdade, é como se esses intermediários funcionassem como ponto inicial para a geração de agregados protéicos. Se conseguirmos compreender melhor esse ponto inicial em diferentes vias de agregação, podemos futuramente buscar estratégias para impedir que ele ocorra. Como em qualquer situação de nosso cotidiano, se quisermos propor uma solução, primeiro temos que saber com o que estamos lidando!

PORTAL BIOQMED. Você quer dizer que, para que o desenovelamento de proteínas ocorra, as proteínas devem passar por estágios consecutivos à medida que vão perdendo sua forma nativa? Me parece que vocês querem gerar um modelo genérico para compreender as etapas sucessivas que vão ocorrendo à medida em que uma proteína perde sua conformação ativa. Como vocês estudam esse modelo de desenovelamento?

GAPO. Novamente acho interessante fazer uma analogia com nosso cotidiano: se quisermos obter uma informação profunda sobre um determinado sistema, precisamos perturbar esse sistema. Ou seja, se diversos indivíduos estão andando por uma rua em sua direção ou em direção oposta e você está na dúvida sobre a direção correta a seguir, terá que perturbar alguns indivíduos até obter sua informação. No mundo das proteínas, isso ocorre de maneira semelhante: para obtermos informações sobre o caminho que uma cadeia polipeptídica segue durante seu percurso de desenovelamento ou enovelamento, temos que perturbá-las de diferentes formas. As ferramentas mais comuns que utilizamos para extrair essas informações de proteínas são as perturbações químicas com a utilização de agentes como ureia e guanidina e por perturbações físicas como a variação de temperatura e pressão. Em nosso trabalho, utilizamos a ureia e a pressão para entender o percurso que as proteínas adotam durante o processo de desenovelamento e, pelo que nossos resultados sugerem, conseguimos observar diferentes percursos, dependendo do tipo de perturbação que aplicamos.

PORTAL BIOQMED. E como um processo químico tal como a adição de ureia pode levar à modificação de uma estrutura protéica causando a perda da função original ?

GAPO. Bem, existem duas hipóteses controversas na literatura atual sobre o efeito da ureia em proteínas. A primeira é a hipótese de interação direta da ureia com a proteína; e a segunda refere-se a hipótese indireta, onde a ureia desloca moléculas de água próximas à proteína ao invés de interagir diretamente com ela. Em ambas as hipóteses, o resultado final é o mesmo: a proteína sofre o processo de desenovelamento. Nossos resultados fornecem fortes indícios de que a hipótese predominante para o desenovelamento mediado por ureia é a direta, onde a ureia interage com a cadeia polipeptídica e leva a formação de um estado intermediário mais sensível a pulsos de pressão com o arcabouço tridimensional ainda montado. Essas características observadas para esse intermediário dão a ele o nome, do inglês, "dry molten globule state".

PORTAL BIOQMED. E qual seria a relevância dos mecanismos físicos de desenovelamento para modificar a estrutura 3D nativa da proteína?

GAPO. O efeito da pressão em proteínas é mais brando que o efeito da ureia e comumente afeta a estrutura protéica através de um processo reversível. Diferentemente do que ocorre na presença do agente químico, a pressão afeta de forma mais heterogênea a estrutura proteica, sendo seu efeito mais pronunciado em regiões onde existem cavidades na superfície ou cavidades internas geradas por defeitos do enovelamento proteico. Em todo caso, a pressão parece dar origem a intermediários distintos aos formados na presença de ureia.

PORTAL BIOQMED. No seu trabalho, os senhores estudam o desenovelamento de uma proteína chamada MpNep2. Como o estudo do desenovelamento de uma proteína específica como MpNep2 pode nos ajudar a compreender fatores mais genéricos sobre o desenovelamento de quaisquer proteínas, como a p53 ou a beta-amilóide?

GAPO. Definitivamente essa é uma ótima pergunta. No mundo da experimentação científica, buscamos sempre extrapolar alguns mecanismos a partir de observações específicas. Características observadas em determinados modelos são utilizados como alicerces para, a partir da formulação de hipóteses, podermos propor uma teoria mais abrangente. Entretanto, para que isso ocorra, é necessário muito esforço em experimentação científica e a confirmação da hipótese em outros modelos biológicos. Nossa hipótese de desenovelamento proteico alcança, até o momento, um grupo pequeno de proteínas. Entretanto temos como objetivo imediato expandi-la para outras proteínas como, por exemplo, para a p53. Definitivamente, se houver a confirmação de nossa hipótese em intermediários proteicos de outros modelos como a proteína p53 e outras proteínas relacionadas a patologias humanas, teremos uma quebra de paradigmas na literatura recente e uma nova visão para a intervenção terapêutica nessas doenças.

Créditos da Ilustração: Verônica Tascheri;
Design Gráfico: Francisco Prosdócimi

Recomendamos fortemente a leitura do artigo “A hypothesis to reconcile the physical and chemical unfolding of proteins” no site do periódico através do endereço eletrônico: http://www.pnas.org/content/112/21/E2775.long

Formato para citação:
* de Oliveira GA, Silva JL. A hypothesis to reconcile the physical and chemical unfolding of proteins. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015 May 26;112(21):E2775-84. doi: 10.1073/pnas.1500352112. Epub 2015 May 11. PubMed PMID: 25964355; PubMed
Central PMCID: PMC4450381.

Por Francisco Prosdocimi para o portal BIOQMED.

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