As medições termodinâmicas indicam que as proteínas no estado nativo são entidades marginalmente estáveis sob condições fisiológicas. A energia livre necessária para as proteínas desnaturarem é somente de ~0.4 kJ.mol-1 por resíduo de aminoácido, portanto uma proteína de 100 resíduos são estáveis por volta dos 40 kJ.mol-1. Em contraste, a energia necessária para quebrar uma só ligação de hidrogénio é de 20 kJ.mol-1. As várias influências não covalentes às quais as proteínas estão sujeitas – interações electroestáticas (atrativas e repulsivas), ligações por pontes de hidrogénio (intramoleculares e à água) e forças hidrofóbicas – têm diferentes magnitudes que podem totalizar milhares de quilo joules por mole numa molécula de proteína. Consequentemente, uma estrutura de uma proteína surge a partir de um balanço delicado entre forças compensatórias.
Forças electroestáticas
As moléculas são compostas por partículas eletricamente carregadas, em que as suas interações são determinadas pelas leis da electroestática clássica. Existem 2 tipos de forças electroestáticas:
- Interações iónicas: são caracterizadas por serem interações fortes, no entanto não ajudam significativamente na estabilização da proteína. A associação de dois grupos iónicos de carga oposta é designada por par iónico ou ponte salina. Os iões livres na solução aquosa estão altamente solvatados, e a formação de uma ponte salina tem a penalização entrópica de perturbar a organização da cadeia lateral disposta a formar a ponte salina. Consequentemente, a energia livre de solvatação de dois iões separados é praticamente igual à energia livre de formação do par iónico não solvatado. Desta forma, as ligações iónicas numa proteína pouco contribuem para a estabilização da estrutura nativa da proteína.
- Interações dipolo-dipolo: são caracterizados por serem interações fracas, embora contribuam de uma forma significativa para a estabilização da proteína. As associações não covalentes entre moléculas eletricamente neutras são designadas de forças van der Waals e surgem como interações electroestáticas nos momentos dipolares. Estas forças são responsáveis por numerosas interações de diversas magnitudes entre átomos não ligados vizinhos (a ligação por pontes de hidrogénio é um caso especial de interação dipolar que vai ser discutido de seguida).
Pontes de hidrogénio
As ligações de hidrogénio são predominantemente interações electroestáticas (mas com ~10% de caracter covalente) entre um grupo dador (D-H) fracamente ácido e um aceitador (A) que possui um par de eletrões livres. As ligações de hidrogénio são mais direcionais do que as forças de van der Waals, mas menos do que as ligações covalentes. A distância D…A varia, normalmente, entre 2.7 e 3.1 Å, embora não existe uma distância cut off em que a ligação de hidrogénio cesse. A maioria das ligações de hidrogénio de uma proteína estão circunscritas num determinado local, ou seja, estas ligações envolvem dadores e aceitadores que estão próximos na sequência de aminoácidos e que conseguem encontrar rapidamente o seu parceiro de interação. Este tipo de ligações não contribuem de uma forma significativa para a estabilização da proteína, no entanto fornecem o padrão de enrolamento da proteína nativa.
Forças hidrofóbicas
O efeito hidrofóbico define-se como um conjunto de influências que fazem com que substâncias não polares minimizem o contacto com moléculas de água e com substâncias anfipáticas, como sabões e detergentes, para formar micelas nas soluções aquosas. Uma vez que as proteínas nativas formam um tipo de micelas intramoleculares em que as cadeias laterais não polares estão distantes dos solventes aquosos, facilmente se percebe que estas interações são relevantes na estrutura de uma proteína. O efeito hidrofóbico deriva das propriedades especiais que a água possui como solvente, como a sua alta constante dielétrica. Em 1958, Walter Kauzmann (1916 – 2009) referiu que as forças hidrofóbicas são os principais promotores do enrolamento das proteínas nas suas conformações nativas.
Ligações dissulfeto
Uma vez que as ligações dissulfeto se formam quando a proteína se enrola para a sua conformação nativa, elas estabilizam a sua estrutura tridimensional. O caracter químico reduzido do citoplasma diminui a estabilidade das ligações intracelulares de dissultefo. Na verdade, praticamente todas as proteínas com ligações dissulfeto são secretadas para locais extracelulares que possuam ambientes mais oxidados, onde as suas ligações dissulfeto são mais eficazes em estabilizar a estrutura da proteína.
Outros assuntos relacionados:
- Estrutura secundária da proteína
- Estrutura terciária da proteína
- Estrutura quaternária da proteína
- Dinâmica da proteína
- Proteínas globulares
References:
- Alber, T., Stabilization energies of protein conformation, in Fasman, G.D. (Ed.), Prediction of Protein Structure and the Principles of Protein Conformation, pp. 161-192, Plenum Press (1989)
