As proteínas globulares compreendem um grupo altamente diverso de substâncias que, no seu estado nativo, existem como moléculas compactas de aparência esferoide. As enzimas, os recetores e as proteínas transportadores apresentam uma estrutura globular. A maioria do conhecimento das estruturas das proteínas e, por consequência a sua função, deve-se às determinações dos seus cristais por raios-X e, mais recentemente, através da aplicação de técnicas como a ressonância magnética nuclear (RMN).
Determinação da estrutura por raios-X
As moléculas nos cristais de proteínas, tal como em outras substâncias cristalinas, estão dispostas numa estrutura repetitiva e regular. No entanto, os cristais de proteína diferem daqueles de pequenas moléculas orgânicas e inorgânicas uma vez que são altamente hidratados; a água corresponde entre 40 a 60% do seu volume. Tal como John Bernal (1901 – 1971) e Dorothy Hodgkin (1910 – 1994) constatam em 1934 quando realizaram os primeiros estudos de raios-X de cristais de proteínas, o solvente aquoso da cristalização é necessário para a integridade estrutural dos cristais de proteína. Este facto deve-se à evidência de que a água mantém a integridade estrutural das proteínas.
A grande quantidade de solvente presente nos cristais de proteína confere-lhes uma consistência suave e de aspeto similar a um gel, que faz com que as suas moléculas não sejam rígidas quando comparada com outros cristais de pequenas dimensões como o cloreto de sódio ou glicina. As moléculas nos cristais de proteína estão usualmente desordenadas por mais do que um angström, fazendo com que o seu mapa de densidade eletrónica não evidencie detalhes estruturais de tamanho reduzido. Os cristais de proteína têm, usualmente, limites de resolução entre os 1.5 e os 3.0 Å, embora estejam mais ou menos ordenados (uma maior resolução corresponde a um menor limite de resolução).
Uma vez que o mapa de densidade eletrónica da proteína tem que ser interpretado em termos das suas posições atómicas, a exatidão e até a viabilidade da análise estrutural do cristal depende dos seus limites de resolução. De facto, a capacidade de obter cristais com uma resolução suficientemente alta é o principal fator limitante na determinação da estrutura de raios-X dos cristais de proteínas ou de outras macromoléculas. A maioria dos cristais de proteínas estão fracamente resolvidos para relevar de uma forma clara as posições individuais dos seus átomos. De qualquer forma, consegue-se definir uma forma distintiva da cadeia polipeptídica, que, por sua vez, permite a dedução da posição e da orientação das cadeias laterais. No entanto, as cadeias laterais de tamanho e de forma semelhantes, como as presentes na leucina, isoleucina e treonina, não podem ser diferenciadas com um grau de confiança razoável, fazendo com que a estrutura da proteína não possa ser elucidada a partir do seu mapa de densidade eletrónica.
Existem várias evidências que sugerem que as proteínas sobre a forma cristalina assumem praticamente a mesma estrutura que têm em solução:
- Uma molécula de proteína em cristal está essencialmente em solução porque é banhada pelo solvente de cristalização ao longo de toda a sua superfície.
- Em vários casos em que diferentes formas de cristais da mesma proteína foram independentemente analisados, conseguiu-se virtualmente conformações idênticas;
- Também se observou que muitas enzimas estão cataliticamente ativas na sua forma cristalina.
Determinação da estrutura por RMN
A partir dos anos de 1980, devido aos estudos protagonizados por Kurt Wuthrich (1938 – ), tornou-se possível a determinação da estrutura tridimensional de pequenas proteínas globulares em soluções aquosas através do desenvolvimento de espetroscopia de RMN bidimensional (e, mais recentemente, tridimensional e tetradimensional). Estas medições via RMN analisa as distâncias interatómicas entre protões específicos que estão a menos de 5 Å de distância. As distâncias interprotões podem ser analisadas através do espaço, como usado na espectroscopia de efeito Overhauser (NOESY), ou através de ligações, como usado na espectroscopia de correlação (COSY). Estas distâncias, juntamente com a informação dos constrangimentos geométricos como as distâncias e ângulos das ligações covalentes, a planaridade dos grupos, a quiralidade e o raio de van der Waals, são usados para determinar a estrutura tridimensional de uma proteína através da análise computacional.
Na grande maioria dos casos a estrutura da proteína a determinar é semelhante utilizando tanto a RMN ou a análise por raios-X.
Outros assuntos relacionados:
– Estrutura primária da proteína
– Estrutura secundária da proteína
– Estrutura terciária da proteína
– Estrutura quaternária da proteína
References:
- Bourne, P. and Wessig, H. (Eds.), Structural Bioinformatics, Wiley-Interscience (2003)
