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OS AMINOÁCIDOS, AS PROTEÍNAS E AS ENZIMAS PROTEICAS

OS AMINOÁCIDOS, AS PROTEÍNAS E AS ENZIMAS PROTEICAS

Maximiliano Mendes - 2013

Se pensarmos na célula como uma fábrica, capaz de produzir uma variedade enorme de bens, as principais (nano)máquinas das quais a fábrica celular dispõe são as proteínas. Essas máquinas podem, dentre outras ações, construir, quebrar, transportar, modificar e sustentar moléculas e componentes celulares.

As proteínas são moléculas constituídas de uma cadeia linear de aminoácidosunidos por ligações peptídicas, responsáveis por executar diversas funções dentro das células, mais notadamente atuando como enzimas, substâncias que catalisam reações metabólicas aumentando grandemente as suas velocidades.

Moléculas grandes (macromoléculas) construídas a partir da ligação de várias subunidades moleculares do mesmo tipo (nesse caso, aminoácidos), são chamadas polímeros. O termo cadeia é utilizado para se referir a uma molécula constituída de vários componentes ligados em sequência, que podem ser tanto moléculas quanto átomos. Por exemplo, os ácidos graxos têm uma cadeia de átomos de carbono ligados em sequência, já as proteínas são polímeros ou cadeias de aminoácidos ligados em sequência e os polissacarídeos são polímeros ou cadeias de unidades glicídicas ligadas.

As proteínas podem ser formadas por 20 tipos distintos de aminoácidos, e cada um deles é uma molécula consistindo da seguinte estrutura: Um carbono chamado ? ao qual se ligam um átomo de hidrogênio, um grupo amina, um grupo ácido carboxílico (daí o nome aminoácido), e também um radical ou cadeia lateral (R), que varia de aminoácido para aminoácido.

Além de serem componentes das proteínas, os aminoácidos também podem exercer outras funções, como as de neurotransmissores ou então serem precursores na síntese de outras moléculas biológicas importantes.

Nas proteínas os aminoácidos são unidos entre si por ligações peptídicas, nas quais o grupo amina de um deles se liga ao grupo carboxila do próximo (sendo ambos os grupos ligados ao C-?!) havendo a perda da água, ou seja, a formação de uma ligação peptídica é uma síntese por desidratação. Moléculas consistindo de aminoácidos unidos por ligações peptídicas são denominadas peptídios, as proteínas, devido ao fato de que geralmente consistem de vários aminoácidos são também chamadas de polipeptídios.

De forma geral, as duas formas básicas de se obter aminoácidos são através da ingestão via alimentação ou a síntese dentro das próprias células. É importante destacar que geralmente os organismos não são capazes de sintetizar todos os 20 tipos de aminoácidos que constituem as proteínas, sendo assim, podemos classificar os aminoácidos em dois tipos para uma determinada espécie:

A. Aminoácidos não essenciais: são os que podem ser sintetizados pelas próprias células do organismo, sendo assim, não precisam ser obtidos via alimentação.

B. Aminoácidos essenciais: são aqueles que o organismo não é capaz de sintetizar, sendo assim, têm de ser obtidos via alimentação. Para a espécie humana são oito aminoácidos: valina, leucina, treonina, fenilalanina, lisina, isoleucina, triptofano e metionina.

É importante lembrar que um aminoácido essencial para uma espécie não necessariamente o é para outra que é capaz de sintetizá-lo e vice-versa. E também é interessante saber que a combinação arroz e feijão pode nos fornecer todos os aminoácidos essenciais.

No que diz respeito à arquitetura das proteínas, identificamos os seguintes níveis estruturais:

1. Estrutura primária: é a sequência dos aminoácidos que constituem a proteína.

2. Estrutura secundária: consiste em um primeiro nível de enrolamento helicoidal da proteína, graças às interações geralmente do tipo ligações de hidrogênio entre seus aminoácidos, formando estruturas conhecidas como ?-hélices (nada a ver com o C-?!) e folhas-?.

3. Estrutura terciária: forma tridimensional que a molécula de proteína adquire ao dobrar-se sobre si mesma graças às interações entre seus aminoácidos. Esta estrutura é determinada pela seqüência de aminoácidos. A estrutura terciária determina a função da proteína.

4. Estrutura quaternária: consiste de duas ou mais cadeias polipeptídicas (proteínas) unidas por ligações não covalentes.

Desnaturação é o nome que se dá à perda da estrutura terciária das proteínas graças ao rompimento das interações entre os aminoácidos, como as ligações de hidrogênio e as atrações elétricas. Uma proteína desnaturada perde a função.

Como exemplos de fatores capazes de desnaturar uma proteína temos: altas temperaturas, altas concentrações de sais, grandes variações na acidez ou alcalinidade do meio, agitação e etc. O aquecimento de um ovo desnatura a albumina, proteína presente na clara. A desnaturação promove o entrelaçamento entre as moléculas de albumina, que por sua vez é o que promove o endurecimento da clara. O aumento da acidez no leite, que pode ser devido à atuação de microrganismos, também promove a desnaturação e emaranhamento de proteínas do leite, fazendo com que ele coalhe.

As principais funções das proteínas são atuarem como:

A. Enzimas, catalisando as reações metabólicas para que ocorram em velocidades rápidas o suficiente para sustentar a vida. Nem todas as enzimas são proteínas!

B. Anticorpos ou imunoglobulinas, proteínas envolvidas na defesa imune do organismo.

C. Proteínas contráteis, responsáveis pelos movimentos celulares, como a contração das células musculares.

D. Hormônios, substâncias mensageiras que atuam no controle do funcionamento do organismo. Nem todos os hormônios são proteínas.

E. Proteínas de reserva energética, como a albumina da clara dos ovos.

F. Proteínas de transporte, como a hemoglobina, que transporta o O₂.

AS ENZIMAS PROTEICAS

Apesar de nem todas as proteínas serem enzimas (alguns RNAs também podem atuar como enzimas, chamadas ribozimas, mas aqui nós trataremos apenas das enzimas proteicas), uma das funções principais das proteínas é a de atuarem como enzimas e aumentarem bastante a velocidade das reações metabólicas ao catalisarem-nas. De forma geral, para manter a vida, essas reações devem ocorrer numa velocidade bastante superior àquela na qual ocorreriam caso não fossem catalisadas pelas enzimas, sendo que a diferença pode ser de milissegundos com a enzima, e bilhões de anos sem! Inclusive, todas as reações biológicas são catalisadas por enzimas!

As enzimas são capazes de catalisar as reações biológicas, pois graças à sua estrutura tridimensional/terciária, possuem locais chamados centros ativos, ou sítios catalíticos, que consistem basicamente em ?encaixes?, onde se ligarão sustâncias específicas chamadas substratos que são os reagentes em uma reação metabólica. Note que o centro ativo das enzimas geralmente é específico, somente um tipo de substrato se liga a ele, e não várias outras moléculas distintas!

Como exemplo de reação catalisada por uma enzima, pode-se citar a quebra do substrato sacarose em seus dois monossacarídeos constituintes, uma molécula de glicose e uma de frutose pela enzima chamada sacarase.

Observe na figura que o sítio ativo da sacarase apresenta formato complementarao da sacarose. Sendo assim, o substrato se liga a enzima e a reação procede em uma velocidade muito maior se comparada à mesma reação não catalisada pela enzima. Note também que a enzima não sofreu modificações químicas e ao término da reação pode se ligar a outra molécula de sacarose e catalisar mais uma reação de quebra.

Várias enzimas consistem apenas da cadeia polipeptídica, todavia, outras requerem a ligação dos chamados cofatores para que possam funcionar (tornarem-se ativas) exercendo seu papel de catalisadoras biológicas. O cofator é então a porção não proteica da enzima. Nos casos em que há a necessidade de cofatores, a parte proteica da enzima, inativa, é chamada apoenzima, e ao conjunto apoenzima mais o cofator, sendo este conjunto ativo, dá-se o nome holoenzima.

De forma geral, os cofatores mais comum são:

A. Íons metálicos, como o Cu⁺², Mg⁺², Zn⁺², Fe⁺², Fe⁺³e etc.

B. Vitaminas. Neste caso, quando o cofator é outra molécula orgânica, dá-se a ele o nome de coenzima.

Além dos cofatores e substratos, outras substâncias podem se ligar às enzimas e inativá-las, ou seja, impedi-las de realizar suas funções. Essas substâncias são chamadas de inibidores, e podem se ligar ou ao sítio catalítico da enzima, ou em outros locais, de forma que alteram a conformação espacial (formato tridimensional) do sítio ativo, fazendo com que ele perca a complementaridade que deve ter com o substrato:

Os inibidores podem inativar as enzimas de forma reversível ou irreversível:

A. Inibição reversível: a enzima pode voltar a funcionar, pois o inibidor pode se desligar dela.

B. Inibição irreversível: admite-se que a enzima não pode mais voltar a funcionar, pois a ligação do inibidor a ela é muito forte, então ele não mais se dissocia dela.

Várias drogas e venenos são inibidores irreversíveis de enzimas, alguns exemplos:

1. Os íons cianeto ? CN^-, ligam-se de forma irreversível à enzima citocromo oxidase, que faz parte da cadeia de transporte de elétrons, uma das etapas do processo de respiração celular. O resultado é que a célula pode perder a capacidade de executar o processo de respiração celular e acaba morrendo.

2. O antibiótico penicilina se liga de forma irreversível à transpeptidase bacteriana. Com essa enzima inativada, as bactérias perdem a capacidade de sintetizar suas paredes celulares e acabam lisando e morrendo.

3. O medicamento aspirina se liga à ciclooxigenase, impedindo a síntese de prostaglandinas. O resultado é a inibição do processo inflamatório.

Além dos inibidores, outros fatores podem afetar a atividade das enzimas, dentre eles, os mesmos fatores capazes de desnaturar uma proteína (lembre-se de que estamos tratando das enzimas proteicas):

1. Temperatura: o aumento da temperatura pode elevar a velocidade da reação catalisada até certo ponto, chamado de temperatura ótima para a ação da enzima, graças ao fato de que aumenta o grau de agitação das moléculas, e com isso, o número de colisões eficazes entre elas, resultando em reações químicas. Porém, passando desse ponto, o aumento da temperatura começa a desnaturar a enzima, sendo que a perda da estrutura tridimensional faz com que ela perca sua capacidade catalítica.

2. pH: meios muito ácidos ou muito alcalinos também podem afetar a atividade enzimática ao desnaturá-la. De forma geral, as enzimas atuam em faixas de pH, o chamado pH ótimo, de acordo com a localização celular ou o órgão. Fora da faixa de pH ótimo, a atividade da enzima decai drasticamente. Por exemplo, enzimas como a pepsina, presente no suco gástrico, atuam em meios ácidos, ao passo que as enzimas dos sucos pancreático e entérico atuam em meios alcalinos.

Enzimas e doenças

Pode acontecer de o organismo ser incapaz de produzir uma enzima funcional, ou então nem mesmo ser capaz de produzi-la. Tendo em vista o fato de serem tão importantes para o organismo, é de se esperar que o mau funcionamento de uma enzima, ou mesmo sua ausência, possam acarretar em doenças graves. Dois exemplos:

1. Fenilcetonúria: doença causada pela incapacidade do organismo em produzir a enzima fenilananina-4-monoxigenase, que converte o aminoácido fenilalanina em tirosina (outro aminoácido). Como resultado da falta da enzima, ocorre o acúmulo da fenilalanina, que inclusive pode causar danos aos neurônios. Esse é um dos motivos pelos quais os portadores da doença, os fenilcetonúricos, devem ingerir quantidades mínimas do aminoácido. A doença pode ser detectada ainda cedo com a realização do conhecido teste do pezinho, que consiste em coletar gotas de sangue do pé do recém-nascido para análises.

2. Doença de Fabry: causada pela deficiência (ou ausência) da enzima alfa-galactosidase-A, importante no metabolismo de lipídios. A falta da enzima faz com que um glicolipídio chamado globotriaosilceramida se acumule no organismo, inclusive nos vasos sangüíneos, o que por sua vez pode acarretar em danos ao coração, rins e cérebro.

Veja também:

http://ed.ted.com/lessons/what-triggers-a-chemical-reaction-kareem-jarrah
(Tem legendas em língua portuguesa).

Referências:

ALBERTS, B. et al. Molecular Biology of the Cell. 4th ed. Garland. 2002.

AMABIS & MARTHO. Biologia das Células. Moderna. 2004.

CAMPBEL & REECE. Biology. 7th Ed. Benjamin-Cummings. 2005.

KOOLMAN & ROEHM. Color Atlas of Biochemistry. 2nd Ed. Thieme. 2005.

LEHNINGER, et al. Principles of Biochemistry. 4th Ed. WH Freeman. 2004.

LODISH, H. et al. Molecular Cell Biology. 5th ed. WH Freeman. 2003.

STRYER, L. et al. Biochemistry. 4th ed. WH Freeman. 2002.

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