Proteína
Proteínas são macromoléculas biológicas constituídas por uma ou mais cadeias de aminoácidos. As proteínas estão presentes em todos os seres vivos e participam em praticamente todos os processos celulares, desempenhando um vasto conjunto de funções no organismo, como a replicação de ADN, a resposta a estímulos e o transporte de moléculas. Muitas proteínas são enzimas que catalisam reações bioquímicas vitais para o metabolismo. As proteínas têm também funções estruturais ou mecânicas, como é o caso da actina e da miosina nos músculos e das proteínas no citoesqueleto, as quais formam um sistema de andaimes que mantém a forma celular. Outras proteínas são importantes na sinalização celular, resposta imunitária e no ciclo celular. As proteínas diferem entre si fundamentalmente na sua sequência de aminoácidos, que é determinada pela sua sequência genética e que geralmente provoca o seu enovelamento numa estrutura tridimensional específica que determina a sua atividade.
As proteínas são nutrientes essenciais ao corpo humano. Enquanto a maior parte dos microorganismos e das plantas são capazes de biosintetizar todos os vinte aminoácidos-padrão, os animais, incluindo os seres humanos, necessitam de obter alguns desses aminoácidos a partir da dieta alimentar. Isto deve-se à ausência nos animais de algumas enzimas-chave que têm como função sintetizar esses aminoácidos. Os aminoácidos que o organismo não é capaz de sintetizar por si próprio são denominados aminoácidos essenciais. Os animais podem obter aminoácidos através do consumo de alimentos que contenham proteínas. As proteínas ingeridas são transformadas em aminoácidos através da digestão, a qual envolve a desnaturação da proteína através da exposição ao ácido e à hidrólise por parte de enzimas denominadas proteases. Alguns dos aminoácidos ingeridos são usados para a biossíntese proteica, enquanto outros são convertidos em glicose, através de gliconeogénese, ou entram no ciclo do ácido cítrico.
Função das proteínas no corpo
As proteínas são nutrientes essenciais ao crescimento e manutenção do corpo humano. Com a exceção da água, as proteínas são as moléculas mais abundantes no corpo, sendo o principal componente estrutural de todas as células, particularmente dos músculos. As proteínas são também usadas em membranas, como é o caso das glicoproteínas. Depois de serem repartidas em aminoácidos, são usadas como precursores do ácido nucleico, coenzimas, hormonas, resposta imunitária, reparação das células e outras moléculas essenciais para a vida. As proteínas são ainda fundamentais para a formação de células sanguíneas. Acredita-se que as proteínas aumentem o desempenho atlético. Os aminoácidos são usados na produção de tecido muscular e na reparação de tecido danificado. As proteínas só são usadas como fonte de energia quando os recursos de hidratos de carbono e lípidos no corpo diminuem.
Fontes alimentares
As proteínas podem ser encontradas numa ampla variedade de alimentos. A combinação mais adequada de fontes de proteína para cada pessoa depende da região, da acessibilidade, do custo económico, do tipo de aminoácidos e do equilíbrio nutricional, assim como do próprio paladar. Embora alguns alimentos sejam fontes ricas em determinados aminoácidos, o seu valor para na nutrição humana é limitado devido à sua pouca digestibilidade, a fatores antinutricionais, à elevada quantidade de calorias, ao colesterol ou à densidade mineral. A carne, os ovos, o leite e o peixe são fontes de proteínas completas. Entre as fontes vegetais ricas em proteína estão as leguminosas, nozes, sementes e fruta. As leguminosas têm maior concentração de aminoácidos e são fontes mais completas de proteína do que os cereais e os cereais integrais. Entre os alimentos vegetarianos com concentração de proteínas superior a 7% estão a soja, lentilhas, feijão vermelho e branco, feijão-frade, feijão-da-china, grão-de-bico, feijão-verde, tremoço, amêndoa, castanha-do-pará, cajueiro, noz-pecã e sementes de sésamo, de abóbora, de algodão e de girassol.
Necessidades dietéticas
Existe um debate considerável sobre as necessidades relativas ao consumo de proteínas. A quantidade de proteínas necessária na dieta de determinada pessoa é determinada em grande parte pelo consumo total de energia e hidratos de carbono, pela necessidade do corpo de nitrogénio e aminoácidos essenciais, composição e massa corporal, taxa de crescimento, nível de atividade física e presença de lesões ou doenças. A atividade física elevada e o aumento da massa muscular aumentam a necessidade de proteínas. A necessidade é também maior durante a infância, gravidez ou amamentação, ou quando o corpo se encontra em recuperação de um trauma ou de uma operação.
Consumo excessivo e insuficiência
Para compensar as variações na ingestão de proteínas ao longo do dia, ou em casos de emergência em que a ingestão de proteínas é temporariamente alta ou baixa, o corpo tenta equilibrar os níveis de proteínas recorrendo a uma reserva de curta duração. No entanto, o corpo é incapaz de armazenar o excesso de proteínas a longo prazo. As proteínas são digeridas em aminoácidos que entram na corrente sanguínea. Os aminoácidos em excesso são convertidos pelo fígado em moléculas úteis, num processo denominado desaminação. A desaminação converte o nitrogénio dos aminoácidos em amónia, a qual é por sua vez convertida pelo fígado em ureia durante o ciclo da ureia. A ureia é depois excretada pelos rins.
Dietas proteicas
As dietas de alto teor proteico podem ajudar a perder peso ao fazer com que a pessoa se sinta cheia mais rapidamente. Na maioria das pessoas saudáveis, este tipo de dietas não apresenta riscos para a saúde, sobretudo se for seguida durante um curto período de tempo. No entanto, os riscos a longo prazo estão ainda em estudo. O recurso prolongado a este tipo de dieta, geralmente associadas com a limitação do consumo de hidratos de carbono, pode causar insuficiências nutricionais e falta de fibras, o que por sua vez provoca dores de cabeça e obstipação. Algumas destas dietas baseiam-se no aumento do consumo de carne vermelha e lacticínios gordos, o que aumenta o risco de doenças cardiovasculares. As escolhas mais saudáveis para uma dieta de alto teor proteico incluem proteína de soja, feijão, nozes, peixe, aves de criação sem pele, carne de porco e lacticínios magros, devendo ser evitadas as carnes vermelhas e processadas.
A maior parte das proteínas consiste em polímeros lineares formados a partir de um máximo de 20 L-α-aminoácidos. Todos os aminoácidos proteinogénicos têm em comum diversas características estruturais, entre as quais um carbono alfa, ao qual estão quimicamente ligados um grupo de aminas, um grupo de ácido carboxílico e uma cadeia lateral variável. Apenas a prolina difere desta estrutura básica. As cadeias laterais dos aminoácidos comuns apresentam uma grande variedade de propriedades e estruturas químicas. É o efeito combinado de todas as cadeias laterais numa proteína que determina a sua estrutura tridimensional e reatividade química. Os aminoácidos numa cadeia de polipeptídios são unidos por ligações peptídicas. Uma vez unidos na cadeia proteica, cada aminoácido individual é denominado "resíduo", e cada série repetitiva e encadeada de átomos de carbono, nitrogénio e oxigénio é denominada "cadeia principal".
Biossíntese
As proteínas são produzidas a partir de aminoácidos usando informação codificada nos genes. Cada proteína tem a sua própria sequência de aminoácidos que é especificada pela sequência de nucleótidos do gene que codifica a proteína. O código genético é um grupo de conjuntos com três nucleótidos cada um, denominados codões. Cada uma das combinações de três nucleótidos designa um aminoácido. Por exemplo, AUG (adenina-uracilo-guanina) é o código para a metionina. Uma vez que o ADN contém quatro nucleótidos, o número total de codões possíveis é de 64. Por este motivo, existe alguma redundância no código genético, havendo alguns aminoácidos que são especificados por mais de um codão. Os genes que são codificados no ADN são inicialmente transcritos para pré-ARN mensageiro (ARNm) por proteínas como a ARN-polimerase. A maior parte dos organismos processa em seguida o pré-ARNm, usando várias formas de modificação pós-transcricional, formando assim o ARNm amadurecido, o qual é então usado como molde para a síntese proteica feita pelo ribossoma. Nos procariontes, o ARNm tanto pode ser utilizado assim que é produzido, como ser ligado a um ribossoma depois de se ter afastado do nucleoide. Por outro lado, os eucariontes produzem ARNm no núcleo celular, o qual é depois translocado através do envelope nuclear para o citoplasma, no qual se dá a síntese proteica. A velocidade de síntese proteica é maior nos procariontes do que nos eucariontes, podendo atingir os 20 aminoácidos por segundo.
Síntese química
As proteínas curtas podem também ser sintetizadas quimicamente através de uma série de métodos denominados síntese de peptídeos, os quais têm por base técnicas de síntese orgânica de elevado rendimento na produção de peptídeos. A síntese química permite a introdução de aminoácidos não naturais nas cadeias de peptídeos. Estes métodos são úteis em laboratórios de bioquímica e biologia celular, embora não se adequem à produção comercial. A síntese química não é eficiente para polipeptídeos maiores do que 300 aminoácidos, e as proteínas sintetizadas podem não assumir imediatamente a sua estrutura terciária nativa. Grande parte dos métodos de síntese química realiza-se a partir do C-terminal em direção ao N-terminal, ao contrário da reação biológica natural.
A maior parte das proteínas enovela-se em estruturas tridimensionais distintas. A forma para a qual uma proteína se enovela naturalmente é denominada conformação nativa. Embora haja muitas proteínas capazes de se enovelar sem assistência, meramente através das propriedades químicas dos seus aminoácidos, há outras que necessitam do auxílio de chaperonas moleculares de modo a se poderem enovelar para a sua conformação nativa. As proteínas podem ter 4 tipos de estruturas dependendo do tipo de aminoácidos, do tamanho da cadeia e da configuração espacial da cadeia polipeptídica: estrutura primária, secundária, terciária e quaternária. As proteínas não são moléculas completamente rígidas. Para além destes níveis estruturais, as proteínas podem alternar entre várias estruturas enquanto desempenham as suas funções. No contexto destas alterações funcionais, estas estruturas terciárias ou quaternárias são muitas vezes denominadas "conformações", e as transições entre cada uma delas são denominadas "alterações conformacionais". Estas alterações são frequentemente induzidas pela ligação de uma molécula substrato ao sítio ativo de uma enzima – a região física da proteína que participa na catálise química.
Determinação da estrutura
A descoberta da estrutura terciária de uma proteína, ou da estrutura quaternária dos seus complexos, pode fornecer dados importantes acerca da forma como a proteína realiza a sua função. Entre os métodos mais comuns para determinar a estrutura estão a cristalografia de raios X e a ressonância magnética nuclear de proteínas (RMN), ambas capazes de produzir dados à escala atómica. No entanto, a RMN pode disponibilizar dados a partir dos quais é possível determinar as distâncias entre subconjuntos de pares de átomos, permitindo assim determinar todas as conformações finais possíveis de determinada proteína. A interferometria de dupla polarização é um método analítico que permite medir a conformação e as alterações conformacionais das proteínas em função de interações ou de outros estímulos. O dicroísmo circular é outra técnica laboratorial que permite determinar a composição das proteínas a nível de hélices e folhas beta. A crio-microscopia eletrónica (crio-EM) é usada para produzir informação de baixa resolução sobre complexos proteicos de grande dimensão, entre os quais vírus. Uma variante denominada cristalografia eletrónica é, nalguns casos, capaz de produzir informação de elevada resolução, em particular nos cristais bidimensionais de proteínas membranares.
As proteínas são os principais intervenientes no interior das células, realizando as tarefas determinadas pela informação codificada nos genes. Excetuando determinados tipos de ARN, a maior parte das restantes moléculas biológicas são elementos relativamente inertes nos quais as proteínas atuam. As proteínas são também o principal componente celular; por exemplo, metade do peso de uma célula de Escherichia coli corresponde a proteínas, enquanto outras macromoléculas como o ADN e o ARN correspondem apenas a 3% e 20% do peso, respectivamente. O conjunto de proteínas que podem ser expressas numa determinada célula ou tipo celular é denominado proteoma. A principal característica das proteínas, a qual também permite que exerçam um conjunto alargado de funções, é a sua capacidade de ligarem a si outras moléculas, de forma estável e específica. A região da proteína responsável pela agregação de outras moléculas é denominada sítio de ligação, a qual geralmente corresponde a uma depressão na superfície molecular da proteína. Esta capacidade de ligação é mediada pela estrutura terciária da proteína, a qual define a região de ligação, e pelas propriedades químicas das cadeias de aminoácidos laterais. As ligações proteicas podem ser extremamente específicas; por exemplo, a proteína inibidora da ribonuclease liga-se à angiogenina humana, mas não se liga à sua homóloga anfíbia rampirnase. Há variações químicas extremamente subtis que, por vezes, podem ser o suficiente para eliminar por completo a possibilidade de ligação proteica; por exemplo, o aminoacil-tRNA sintetase específico do aminoácido valina não é capaz de se ligar à cadeia lateral do aminoácido isoleucina, muito similar.
Enzimática
As proteínas podem atuar na célula enquanto enzimas, as quais são catalisadoras de reações químicas. As enzimas são, regra geral, extremamente específicas e aceleram apenas uma única ou muito poucas reações químicas. As enzimas realizam maior parte das reações que fazem parte do metabolismo e manipulam ADN em vários processos, como a replicação de ADN, reparação de ADN e transcrição genética. Algumas enzimas atuam sobre outras proteínas no sentido de acrescentar ou remover grupos químicos, um processo denominado modificação pós-translacional. São conhecidas cerca de 4 mil reações químicas catalisadas por enzimas. A taxa de aceleração proporcionada pela catálise é muitas vezes imensa, podendo chegar a valores na magnitude de 1017 em relação à reação não catalisada, o que faz com que um processo que naturalmente demoraria 78 milhões de anos, com a enzima seja completo em apenas 18 milissegundos. Os compostos químicos que sofrem reações enzimáticas são denominados substratos. Embora as enzimas possam ser constituídas por centenas de aminoácidos, só uma pequena percentagem dos resíduos é que entra em contacto com o substrato e uma percentagem ainda mais pequena – três a quatro resíduos, em média – é que está diretamente envolvida na catálise.
Proteínas estruturais
As proteínas estruturais conferem rigidez a componentes biológicos que, de outra forma, seriam apenas fluidos. A maior parte das proteínas estruturais são proteínas fibrilares; por exemplo, o colagénio e a elastina são componentes fundamentais do tecido conjuntivo, como a cartilagem, enquanto a queratina está presente em estruturas duras como o cabelo, unhas, penas, cascos e algumas carapaças animais. Algumas proteínas globulares podem também desempenhar funções estruturais; por exemplo, a actina e a tubulina são globulares e solúveis enquanto monómeros, mas são capazes de se polimerizar nas fibras rígidas e longas que formam o citoesqueleto, o qual permite à célula manter a sua forma e tamanho. Outras proteínas que têm funções estruturais são as proteínas motoras como a miosina, cinesina e a dineína, as quais são capazes de gerar força mecânica, como a que contrai os músculos. Estas proteínas são cruciais para a motilidade de organismos unicelulares e dos espermatozoides dos organismos multicelulares que se reproduzem através de reprodução sexuada.
Sinalização celular e proteínas ligantes
Muitas das proteínas estão envolvidas nos processos de sinalização celular e transdução de sinal. Algumas delas, como a insulina, são proteínas extracelulares que transmitem um sinal para outras células em tecidos distantes, a partir da célula onde são sintetizadas. Outras são proteínas membranares que atuam enquanto recetores, cuja principal função é ligar a si uma molécula sinalizadora e induzir uma resposta bioquímica na célula. Muitos dos recetores têm na sua superfície um sítio de ligação e um domínio efetor dentro da célula, o qual pode ter atividade enzimática ou sofrer alterações conformacionais que são detetadas por outras proteínas no interior da célula.
Doenças proteicas
A acumulação de proteínas mal enoveladas pode causar doenças amiloides, um grupo de várias doenças comuns, entre as quais a doença de Alzheimer, doença de Parkinson e doença de Huntington. O risco destas doenças aumenta significativamente com a idade. À medida que o ser humano envelhece, o equilíbrio da síntese, enovelamento e degradação das proteínas vai sofrendo distúrbios, o que provoca a acumulação de proteínas mal enoveladas em agregados. No entanto, as doenças causadas pela agregação de proteínas mal enoveladas não são exclusivas do sistema nervoso central e podem-se manifestar em tecidos periféricos, como no caso da diabetes mellitus tipo 2, cataratas hereditárias, algumas formas de aterosclerose, distúrbios relacionados com a hemodiálise e amiloidose, entre outras. Os genes e produtos proteicos envolvidos nestas doenças denominam-se amiloidogénicos e todas estas doenças têm em comum a expressão de uma proteína fora do seu contexto normal. Em todas estas doenças, a agregação de proteínas pode ser causada por mero acaso, por hiperfosforilação proteica, por mutações que tornam a proteína instável ou ainda pelo aumento desregulado ou patológico da concentração de algumas destas proteínas entre as células. Estes desequilíbrios na concentração podem ser causados por mutações dos genes amiloidogénicos, alterações na sequência de aminoácidos da proteína ou por deficiências no proteassoma.
As proteínas são uma das moléculas biológicas mais intensivamente estudadas, quer in vitro, in vivo ou in silico. O estudo in vitro de proteínas purificadas em ambiente controlado é útil na aprendizagem da forma como as proteínas desempenham as suas funções; por exemplo, o estudo da cinética enzimática explora o mecanismo químico da atividade catalítica de uma enzima e a sua afinidade relativa em relação às possíveis moléculas substrato. Por outro lado, as experiências in vivo podem fornecer dados sobre o papel fisiológico da proteína no contexto de uma célula ou de um organismo. O estudo in silico recorre a métodos computacionais para estudar proteínas.
Purificação de proteínas
Antes de se poder efetuar uma análise in vitro, a proteína deve ser purificada dos restantes componentes celulares. Este processo de purificação geralmente tem início com a citólise da célula, através da qual a membrana celular é rompida e o conteúdo interno libertado para uma solução denominada lisado bruto. A mistura daí resultante pode ser purificada através de ultracentrifugação, a qual fracciona os vários componentes celulares em frações que contêm proteínas solúveis, proteínas e lípidos membranares, organelas celulares e ácidos nucleicos. As proteínas deste lisado são então concentradas através de precipitação, feita através do método de relargagem. São depois usados vários tipos de cromatografia para isolar a proteína ou as proteínas pretendidas, de acordo com propriedades como o peso molecular ou afinidade de ligação. O nível de purificação pode ser monitorizado através de vários tipos de eletroforese em gel, quando são conhecidos o peso molecular e o ponto isoelétrico, através de espectroscopia, quando a proteína possui características espectroscópicas distintas, ou através de análise enzimática, quando a enzima tem atividade enzimática. As proteínas podem ainda ser isoladas de acordo com a sua carga através de focalização isoelétrica.
Localização celular
O estudo de proteínas in vivo dedica-se às questões relacionadas com a síntese e localização de proteínas no interior de células. Embora muitas das proteínas intercelulares sejam sintetizadas no citoplasma e as proteínas segregadas sejam sintetizadas no retículo endoplasmático, o processo específico de como as proteínas se orientam para organelas ou estruturas celulares específicas é em muitas situações pouco claro. Uma das técnicas para avaliar a localização celular recorre a engenharia genética para expressar numa célula uma proteína de fusão, a qual é constituída pela proteína em estudo ligada a um gene repórter, como por exemplo a proteína verde fluorescente. A posição da proteína de fusão na célula pode então ser facilmente visualizada através de microscopia.
Proteómica e bioinformática
O conjunto total de proteínas presentes numa célula em determinado momento é denominado proteoma, e o estudo em grande escala destes conjuntos define o campo da proteómica, assim denominado em analogia ao campo relacionado da genómica. Entre as principais técnicas da proteómica estão a eletroforese bidimensional, a qual permite a separação de um vasto número de proteínas, a espectrometria de massa, a qual permite a rápida identificação de proteínas e sequenciação de peptídeos, o microarranjo de proteínas, que permite a deteção dos níveis relativos do grande número de proteínas presentes na célula, e o sistema de duplo híbrido, que permite a exploração sistemática de interações proteína-proteína. O conjunto total e biologicamente possível destas interações é denominado interactoma. O esforço sistemático para determinar as estruturas de proteínas e de todos os enovelamentos possíveis é denominado genómica estrutural.
Previsão e simulação da estrutura
Complementar ao campo da genómica estrutural, a previsão de estruturas das proteínas procura desenvolver métodos eficientes de fornecer modelos plausíveis para proteínas cujas estruturas não foram ainda determinadas experimentalmente. O mais bem-sucedido método de previsão estrutural, denominado modelação por homologia, assenta na existência de uma estrutura-modelo com uma sequência semelhante à proteína a ser modelada. O objetivo da genómica estrutural é fornecer uma representatividade suficiente de estruturas resolvidas que sirva de modelo a todas as restantes. Os processos de enovelamento e ligação proteica podem ser simulados usando técnicas como a dinâmica molecular ou o método de Monte Carlo, os quais têm vindo cada vez mais a tirar partido da computação distribuída, como o projeto Folding@home. O enovelamento de pequenos domínios proteicos de alfa-hélice, como a proteína acessória do VIH, tem vindo a ser simulado com sucesso in silico. Os métodos híbridos que combinam dinâmica molecular com cálculo de mecânica quântica têm permitido a exploração dos estados eletrónicos das rodopsinas.
As proteínas foram pela primeira vez descritas pelo químico holandês Gerardus Johannes Mulder e assim batizadas pelo químico sueco Jöns Jacob Berzelius em 1838. Mulder levou a cabo análises elementares de proteínas vulgares e constatou que praticamente todas as proteínas apresentavam a mesma fórmula empírica – C400H620N100O120P1S1. Ainda que erradamente, concluiu que as proteínas deveriam ser constituídas por um único tipo de molécula de grande dimensão. O termo "proteína" para descrever estas moléculas foi proposto pelo sócio de Mulder, Berzelius. Proteína deriva da palavra grega πρωτεῖος (proteios), a qual significa "na liderança" ou "a que está à frente". Mulder prosseguiu com a sua investigação, identificando produtos da degradação proteica, como o aminoácido leucina, para o qual determinou o peso molecular quase preciso de 131 Da. Os cientistas pioneiros no campo da nutrição, como o alemão Carl von Voit, acreditavam que a proteína era o mais importante nutriente na manutenção da estrutura corporal, uma vez que existia a crença generalizada de que seria a carne tinha origem na própria carne. Karl Heinrich Ritthausen alargou o campo das proteínas conhecidas com a identificação do ácido glutâmico. Thomas Burr Osborne compilou em 1909 uma revisão detalhada de todas as proteínas vegetais e, no mesmo ano e em conjunto com Lafayette Mendel, determinou os aminoácidos essenciais à sobrevivência de ratos de laboratório aplicando a lei de Liebig. A compreensão das proteínas enquanto polipetídeos foi proporcionada por Franz Hofmeister e Hermann Emil Fischer. O papel central das proteínas enquanto enzimas nos organismos vivos foi determinado em 1926, quando James Batcheller Sumner demonstrou que a urease era de facto uma proteína.
