Name: how protein shape controls function
Uploaded: 2020-09-24T15:06:53.000Z
Duration: 2 min 15 s
Channel: JoVE

As proteínas são polímeros de aminoácidos ligados entre si através de ligações de peptídeo. A maioria das proteínas dobra-se em específicas estruturas tridimensionais para desempenharem a sua função. A estrutura proteica é classificada em quatro categorias:primária, secundária, terciária, e quaternária.A sequência linear dos aminoácidos na proteína é a sua estrutura primária. Estas sequências são lidas na ordem de síntese dos polímeros, do terminal N, na extremidade do amino livre, para o terminal C, na extremidade carboxil livre. Forma de estruturas secundárias através da ligação de hidrogénio entre o oxigénio do grupo carbonilo de um aminoácido e o hidrogénio do grupo de aminoácidos de outro.Estruturas secundárias comuns incluem hélices α-e folhas plissadas β-Estas e outras estruturas de ligações, tais como voltas β-interagem ainda mais para formar o tridimensional da proteína conhecida como a estrutura terciária. A formação da estrutura terciária ocorre devido às interações entre os grupos R dos aminoácidos. Os grupos R com cargas opostas podem formar ligações iónicas, e o enxofre em duas cisteínas pode formar uma ponte de dissulfureto covalente.Outros colaboradores incluem interações hidrofóbicas entre as cadeias laterais hidrofóbicas e as ligações de hidrogénio entre as cadeias laterais polares. Além disso, algumas proteínas formam estruturas quaternárias, montagens de duas ou mais cadeias de polipeptídios. Por exemplo, a hemoglobina é uma proteína composta de quatro subunidades, duas α e duas β.Os cientistas podem utilizar o estrutura de uma proteína para prever a sua função e localização numa célula. As proteínas no citoplasma da célula têm aminoácidos hidrofílicos nas suas superfícies que interagem com a água no citoplasma e têm núcleos hidrofóbicos. Em contraste, as proteínas presente nas membranas celulares têm frequentemente aminoácidos hidrófobos na superfície que interagem com glicerofosfolípidos na membrana e têm núcleos hidrofílicos.

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	<li>Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). Princípios de bioquímica de Lehninger (5ª ed.). W.H. Freeman. Pág. 113-140</li>
	<li>Estrutura cristalina da hemoglobina do estado T com oxigênio ligado em todos os quatro hems.Paoli, M., Liddington, R., Tame, J., Wilkinson, A., Dodson, G. (1996) J Mol Biol 256: 775</li>
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proteínas e estrutura proteica

As proteínas são uma das moléculas orgânicas mais abundantes em sistemas vivos e têm a mais diversa gama de funções de todas as macromoléculas. As proteínas podem ser estruturais, regulatórias, contráteis, ou protetoras. Podem servir em transporte, armazenamento, ou membranas; ou podem ser toxinas ou enzimas. As suas estruturas, como as suas funções, variam muito. Todas elas são, no entanto, polímeros de aminoácidos dispostos em sequência linear.
A forma de uma proteína é crítica para a sua função. Por exemplo, uma enzima pode ligar um substrato específico no seu local ativo. Se este local ativo for alterado devido a alterações locais ou alterações na estrutura global das proteínas, a enzima pode não ser capaz de se ligar ao substrato. Para entender como a proteína recebe a sua forma ou conformação final, precisamos entender os quatro níveis de estrutura proteica: primária, secundária, terciária, e quaternária.
Estrutura Primária
A sequência única dos aminoácidos em uma cadeia polipeptídica é a sua estrutura primária. Por exemplo, a hormona pancreática insulina tem duas cadeias de polipeptídeos, A e B, e elas estão ligadas entre si por ligações de dissulfeto. O aminoácido do terminal N da cadeia A é a glicina; enquanto que o aminoácido do terminal C é a asparagina.  As sequências de aminoácidos nas cadeias A e B são exclusivas da insulina.
O gene que codifica a proteína determina, em última análise, a sequência única para cada proteína. Uma alteração na sequência de nucleótidos da região codificante do gene pode levar à adição de um aminoácido diferente à cadeia polipeptídica em crescimento, causando uma alteração na estrutura e função das proteínas. Na anemia falciforme, a cadeia β da hemoglobina apresenta uma única substituição de aminoácidos, causando uma alteração na estrutura e função proteicas. Especificamente, a valina na cadeia β substitui o aminoácido ácido glutâmico. Devido a esta alteração de um aminoácido na cadeia, as moléculas de hemoglobina formam fibras longas que distorcem as células sanguíneas bicôncavas, ou em forma de disco, vermelhas, e fazem com que elas assumam uma forma de lua crescente ou de “foice”, que obstrui os vasos sanguíneos. Isto pode conduzir a uma miríade de problemas sérios de saúde tais como falta de ar, tonturas, dores de cabeça, e dor abdominal para aqueles afetados por esta doença.
Estrutura Secundária
O enovelamento local do polipeptídeo em algumas regiões dá origem à estrutura secundária da proteína. As mais comuns são as estruturas de folha em α-hélice e β-pregueada. Ambas as estruturas mantêm a sua forma através de ligações de hidrogénio. As ligações de hidrogénio formam-se entre o átomo de oxigénio no grupo carbonilo em um aminoácido e outro aminoácido que está quatro aminoácidos mais longe ao longo da cadeia.
Cada dobra helicoidal em uma hélice alfa tem 3,6 resíduos de aminoácidos. Os grupos R do polipeptídeo (os grupos de variantes) projetam-se para fora da cadeia de α-hélice. Na folha β-pregueada, as ligações de hidrogénio entre átomos no esqueleto da cadeia polipeptídica formam as "pregas". Os grupos R estão ligados aos carbonos e estendem-se por cima e por baixo das dobras da prega. Os segmentos pregueados alinham-se de forma paralela ou antilparalela entre si, e as ligações de hidrogénio formam-se entre o átomo de hidrogénio parcialmente positivo no grupo amino e o átomo de oxigénio parcialmente negativo no grupo carbonilo do esqueleto do polipeptídeo. As estruturas das folhas em α-hélice e β-pregueadas estão na maioria das proteínas globulares e fibrosas, e desempenham um papel estrutural importante.
Estrutura Terciária
A estrutura tridimensional única do polipeptídeo é a sua estrutura terciária. Esta estrutura deve-se em parte a interações químicas sobre a cadeia polipeptídica. Principalmente, as interações entre os grupos R criam a complexa estrutura terciária tridimensional da proteína. A natureza dos grupos R nos aminoácidos envolvidos pode neutralizar a formação das ligações de hidrogénio que descrevemos para estruturas secundárias padrão. Por exemplo, grupos R com cargas semelhantes repelem-se uns aos outros, e aqueles com cargas diferentes são atraídos uns para os outros (ligações iónicas). Quando ocorre o enovelamento de proteínas, os grupos R hidrofóbicos dos aminoácidos não polares encontram-se no interior da proteína; enquanto isso, os grupos R hidrofílicos ficam no exterior. As interações entre as cadeias laterais da cisteína formam ligações de dissulfeto na presença de oxigénio, o único elo covalente que se forma durante o enovelamento de proteínas.
Todas essas interações, fracas e fortes, determinam a forma tridimensional final da proteína. Quando uma proteína perde a sua forma tridimensional, pode não ser mais funcional. 
Estrutura Quaternária
Na natureza, algumas proteínas formam-se a partir de vários polipeptídeos, ou subunidades, e a interação dessas subunidades forma a estrutura quaternária. Interações fracas entre as subunidades ajudam a estabilizar a estrutura geral. Por exemplo, a insulina (uma proteína globular) tem uma combinação de ligações de hidrogénio e de dissulfeto que fazem com que ela se compacte principalmente em uma forma de bola. A insulina começa como um único polipeptídeo e perde algumas sequências internas na presença de modificação pós-translacional após formar as ligações de dissulfeto que mantêm as cadeias restantes juntas. A seda (uma proteína fibrosa), no entanto, tem uma estrutura de folha β-pregueada que é o resultado de ligações de hidrogénio entre as diferentes cadeias.
Este texto foi adaptado de <a href="https://openstax.org/books/biology-2e/pages/3-4-proteins">Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Proteins</a>.

Proteínas e Estrutura Proteica

As proteínas são uma das moléculas orgânicas mais abundantes nos sistemas vivos e têm a mais diversificada gama de funções de todas as macromoléculas. As proteínas podem ...

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KEY TERMS AND CONCEPTS

TERMOS-CHAVE E CONCEITOS

Protein and Protein Structure

how protein shape controls function

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence.

A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or larger changes in protein structure alter that site, the enzyme may no longer bind the substrate. To understand how a protein reaches its final conformation, it helps to study four levels of structure: primary, secondary, tertiary, and quaternary.

Primary structure is the unique amino acid sequence of a polypeptide chain. In insulin, the pancreatic hormone, there are two polypeptide chains, A and B, held together by disulfide bonds. The A chain begins with glycine at the N terminus and ends with asparagine at the C terminus. The gene that encodes a protein determines this sequence, so a change in the coding region can add a different amino acid and change protein structure and function. Sickle cell anemia shows this clearly. In the hemoglobin beta chain, valine replaces glutamic acid, and that single change leads hemoglobin to form long fibers that distort red blood cells into a sickle shape and clog blood vessels. This can cause breathlessness, dizziness, headaches, and abdominal pain.

Secondary structure comes from local folding in parts of the polypeptide chain. The most common forms are the alpha helix and the beta-pleated sheet. Hydrogen bonds hold both forms in place. These bonds form between the oxygen in a carbonyl group on one amino acid and another amino acid four positions farther along the chain. In an alpha helix, each turn contains 3.6 amino acid residues, and the R groups point outward. In a beta-pleated sheet, hydrogen bonds form along the backbone to create pleats. The R groups extend above and below the folds, and the strands can align parallel or antiparallel. These structures are common in globular and fibrous proteins, where they provide support.

Tertiary structure is the full three-dimensional shape of one polypeptide. Interactions among R groups are the main force behind this folding. Like charges repel, unlike charges attract through ionic bonds, and hydrophobic R groups tend to move into the protein interior while hydrophilic R groups stay outside. Cysteine side chains can also form disulfide linkages in the presence of oxygen, and this is the only covalent bond formed during protein folding. Together, these weak and strong interactions set the final shape. If a protein loses that shape, it may no longer work.

Some proteins also form quaternary structure. This happens when several polypeptide subunits join together. Weak interactions between the subunits help stabilize the overall protein. Insulin is one example of a globular protein with hydrogen and disulfide bonds that help it form a mostly ball-like shape. It begins as a single polypeptide and then loses some internal sequences during post-translational modification after the disulfide linkages form and hold the remaining chains together. Silk is another example, but it is a fibrous protein with a beta-pleated sheet structure created by hydrogen bonding between different chains.

How Protein Shape Controls Function

functional groups

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structure of lipids

Lipids, Fats, and Cell Membranes

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chemistry of the cell

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Peptide bonds join amino acids into peptides and polypeptides. They form when the carboxyl group of one amino acid reacts with the amino group of another. This dehydration reaction releases a water molecule and creates a covalent link. As more amino acids are added, the chain becomes a polypeptide. Each polypeptide has a free amino group at one end. This end is the N-terminal, or amino-terminal. The other end has a free carboxyl group. This end is the C-terminal, or carboxyl-terminal. The...

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DNA and RNA are the nucleic acids that store genetic information and help direct cell activity. These macromolecules carry the cell’s genetic blueprint and the instructions it uses to function. DNA is the genetic material in all living organisms, from single-celled bacteria to multicellular mammals. In eukaryotic cells, DNA is found in the nucleus and also in organelles such as chloroplasts and mitochondria. In prokaryotes, DNA is not enclosed in a membrane. The full genetic content of a cell...

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Polymer Chains and How They Form

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key terms and concepts

Explore how amino acid sequence, folding, and subunit interactions shape proteins. Learn the four levels of protein structure with insulin and sickle cell examples.

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chemistry

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