Estrutura e função de proteínas: da conformação à especificidade enzimática

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. A proteína mal-dobrada que não pode ser refeita é encaminhada para degradação proteassomal ou autofagia.
5. 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.

1. Uma mutação única troca o ácido glutâmico por valina na sexta posição da cadeia β da globina: é a hemoglobina S (HbS).
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. O polímero destrói a flexibilidade do eritrócito, que fica enrijecido, deformado e com forma de foice.
6. 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.

1. 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.
2. 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.
3. Pontes de hidrogênio enzima-substrato em P1 e P3 e com a Gly193 ajudam a posicionar a ligação peptídica para o ataque da Ser195.
4. 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.
5. 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.
6. 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.

• 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.