Autor: Gabriel Renato
As proteínas são as macromoléculas biológicas mais abundantes. Estas são compostas por unidades dos aminoácidos existentes, unidos por meio de ligações peptídicas que resultam na perda de água.
Aminoácidos
Vamos iniciar nossa discussão pela compreensão estrutural dos aminoácidos. Eles são -aminoácidos compostos por uma molécula de carbono ligado a um hidrogênio, um grupo amino, um grupo carboxila e um radical que os diferencia. Nomeia-se o carbono ligado aos grupos citados como carbono alfa, e a partir deles os presentes no radical são nomeados como beta, gama, delta… É importante ressaltar que quando há cadeias laterais ramificadas, os equivalentes recebem números após a letra grega. Outra convenção possível é a numérica, que se inicia pelo carbono da carboxila, sendo o alfa numerado como C-2.
Os aminoácidos livres em meio aquoso ocorrem na forma de zwitterion, um íon dipolar, pela desprotonação do grupo carboxila. Isto possibilita que se comportem como sais, ora reagindo com base e ora com ácidos.
Existem vários aminoácidos, mas apenas 20 compõem as proteínas, recebendo um nome comum e uma abreviatura de três letras. Estes podem ser discriminados de acordo com as propriedades dos grupos R, majoritariamente, pela sua polaridade.
O primeiro deles, contém grupos R apolares e alifáticos, contando com a alanina (Ala, A), valina (Val V), leucina (Leu L), isoleucina (Ile I), metionina (Met M), prolina (Pro P) e glicina (Gly G). O segundo possui grupos aromáticos e apolares, a fenilalanina (Phe F), tirosina (Tyr Y) e triptofano (Trp W). O terceiro contém propriedades polares e neutras, englobando a serina (Ser S), treonina (Thr T), cisteína (Cys C), asparagina (Asn N) e glutamina (Gln Q). O quarto contém grupos hidrofílicos e positivos, com comportamento de bases, incluindo a lisina (Lys K), arginina (Arg R) e histidina (His H). Por fim, o quinto grupo também possui comportamento hidrofílico, mas cargas negativas, apresentando comportamento de ácidos e contendo os aminoácidos aspartato (Asp D) e glutamato (Glu E).
Por fim, algumas proteínas podem conter aminoácidos modificados por conta de resíduos, sendo os principais a 4-hidroxiprolina, a 5-hidroxilisina e a selenocisteína, como indicam o nome, derivadas da prolina, lisina e cisteína, respectivamente.
Síntese de Aminoácidos
Aminoácidos podem ser sintetizados de algumas formas principais: reação de Hell-Volhard-Zelinsky, síntese de amidomalonato, aminação redutiva de cetoácidos alfa e por síntese enantiosseletiva. Essas reações vem das reações de compostos carboxílicos, devido à estrutura dos monômeros.
A primeira delas, a reação de Hell-Volhard-Zelinsky, é uma reação de compostos carboxílicos pela sua bromação alfa, ilustrada na sequência.
Por sua vez, a síntese de amidomalonato é uma extensão da síntese do éster malônico, uma alquilação de íons enolato. Suas etapas envolvem a transformação de um acetamidomalonato de dietila em um íon enolato, a alquilação SN2 com haleto de alquila primário, hidrólise por aquecimento e a descarboxilização.
Além da síntese por reações de compostos carboxílicos, a síntese de aminoácidos também pode ocorrer por reações de compostos nitrogenados, devido ao grupo amino. Como a aminação redutiva de cetoácidos alfa.
Como aminoácidos só exercem sua função biológica como enantiômeros S, se faz necessária a separação das misturas racêmicas produzidas ou sua síntese enantiosseletiva. Nesse segundo caso, se utiliza a hidrogenação de ácido de (Z)-enamida com um catalisador de hidrogenação quiral.
Estrutura dos Peptídeos e Proteínas
Quando temos aminoácidos ligados uns aos outros, possuímos um polímero nomeado como peptídeo ou proteína. A diferença entre estes dois está na sua complexidade, peptídeos possuem menos aminoácidos e são lineares, enquanto proteínas são cadeias maiores, e, como veremos mais à frente, possui complexa estrutura tridimensional. Formalmente classificados de acordo com a massa molecular, sendo inferior a 10000 em peptídeos e superior em proteínas.
A formação dessas cadeias ocorre pela, anteriormente citada, ligação peptídica, uma reação de condensação em que dois aminoácidos se unem pelos grupos amino e carboxila, liberando H2O no processo.
Proteínas possuem uma estrutura complexa dividida em 4 níveis: primária, secundária, terciária e quaternária. A imagem abaixo ilustra de modo simplificado essas estruturas que serão discutidas nos próximos parágrafos.
A estrutura primária diz respeito a sequência de aminoácidos e as ligações peptídicas e dissulfeto que unem estes monômeros. Uma proteína é formada por vários planos que englobam os 6 átomos de um grupo peptídico ($$C_\alpha$$, C, O, N, H e $$C_\alpha$$ seguinte), estes são rígidos e limitam as possíveis conformações da molécula. As ligações entre o carbono alfa e o nitrogênio do grupo amino e entre o carbono alfa e o carbono do grupo carboxila podem girar, definindo os ângulos diedros, $$\phi$$ e $$\psi$$, entre os planos.
A estrutura secundária diz respeito a arranjos comuns nessas cadeias de acordo com a medida dos ângulos entre os planos, ou seja, de acordo com os ângulos diedros $$\phi$$ e $$\psi$$. Os casos mais comuns são a alfa hélice e a folha beta. Ressalta-se que, na ausência de padrão, a estrutura secundária pode ser considerada indefinida ou uma espiral aleatória. Na alfa hélice, a cadeia está enrolada em torno de um eixo imaginário central, maximizando o número possível de ligações de hidrogênio. A folha beta, também chamada de conformação beta ou folha beta pregueada, possui conformação em zigue-zague. Estas são divididas entre paralelas e antiparalelas, de acordo com a orientação dos grupos aminocarboxiterminal em duas folhas.
A estrutura terciária diz respeito ao arranjo tridimensional da proteína com a interação de partes distantes que podem estar em arranjos secundários diferentes. Por fim, quando uma proteína não é composta por apenas uma cadeia peptídica, mas sim por várias, idênticas ou diferentes, chamamos o arranjos entre essas subunidades de estrutura quaternária.
As estruturas terciárias e quaternárias formam dos grandes grupos de proteínas, as fibrosas e as globulares. As proteínas fibrosas possuem estrutura secundária de um único tipo e estrutura terciária simples, compondo fibras que apresentam funções biológicas de sustentação, forma e proteção. Por sua vez, as proteínas globulares possuem mais de um tipo de estrutura secundária, maior complexidade na estrutura terciária e formato de globo, como indica o nome, apresentando como funções biológicas ações enzimáticas e reguladoras.
Sequenciamento de Peptídeos
Para descobrir a ordem de ligação dos aminoácidos em um peptídeo é realizado seu sequenciamento por meio da degradação de Edman. Esta é feita retirando um aminoácido da extremidade por vez, este é identificado e então se segue para o próximo. Seu mecanismo ocorre pela união do isocianato de fenila (PITC) ao grupo amino do aminoácido, pela separação do resíduo do amino terminal e produção de derivado de anilinotiazolinona (ATZ), por fim, há sua conversão em feniltiodantoína (PTH) de ATZ.
Desnaturação de Proteínas
Proteínas são estruturadas para desempenhar suas funções em condições específicas, quando são expostas a condições diferentes sofrem um processo chamado de desnaturação, fazendo com que percam sua estrutura tridimensional, e, consequentemente, sua função. Este processo pode ser acarretado por mudanças na temperatura, pH, solventes orgânicos miscíveis, detergentes e alguns solutos.
