Denituração de uma molécula biológica refere-se à perda de sua estrutura tridimensional (3D). Como moléculas como proteínas e DNA dependem de sua estrutura para cumprir sua função, a desnaturação é acompanhada por uma perda de função. No entanto, a desnaturação não tem impacto na sequência de aminoácidos da própria proteína.
Estrutura de proteínas
A estrutura de uma proteína pode ser dividida em quatro níveis – primário, secundário, terciário e quaternário. As proteínas são feitas de polímeros lineares de aminoácidos e isso forma sua estrutura primária. Mesmo quando o polipeptídeo está sendo sintetizado em um ribossomo, ele começa a dobrar e formar elementos de sua estrutura secundária. As características mais comuns da estrutura secundária de uma proteína são hélices alfa e folhas plissadas beta formadas através de uma extensa ligação de hidrogênio. Essas estruturas locais formadas por aminoácidos adjacentes se reúnem para formar a estrutura terciária, onde os resíduos que estão distantes um do outro na estrutura primária podem se unir na mesma região espacial. Isso permite que aminoácidos específicos estejam presentes no local ativo ou para interação com outras moléculas e sejam suportados por outras partes da proteína que se dobram em uma forma distinta.
Ocasionalmente, as proteínas são feitas de mais de um polipeptídeo. Por exemplo, a hemoglobina é um tetrâmero formado a partir de quatro subunidades polipeptídicas. A maneira pela qual essas subunidades se reúnem para criar uma proteína funcional forma a estrutura quaternária.
Exceto pela estrutura primária, os três níveis restantes de estrutura proteica dependem principalmente de ligações não covalentes, como ligações de hidrogênio ou interações dipolo-dipolo. Portanto, eles são sensíveis a mudanças de temperatura, acidez, concentração de sal ou presença de solventes fortes. Mesmo alterações leves no microambiente de uma proteína podem levar à perda de forma e função 3D.
Exemplos de proteínas desnaturadas
Embora a desnaturação da proteína seja prejudicial para a sobrevivência celular, ela é frequentemente encontrada na vida cotidiana. Por exemplo, a clara de ovo é feita principalmente de proteínas solúveis e é líquida e translúcida em ovos frescos. Quando é fervido, o calor desnature as proteínas e as faz perder a solubilidade. As proteínas desnaturadas se agregam e formam uma massa que agora é opaca e sólida. Da mesma forma, alterando o pH do leite, adicionando ácidos como ácido cítrico de suco de limão, desnaturas de proteínas do leite e conto o leite. A porção branca sólida que se separa do soro de leite é a proteína desnaturada. Isso também pode ser visto quando as coalhas de leite naturalmente devido à colonização bacteriana. As bactérias podem produzir ácido lático como subproduto do metabolismo. Quando controlado adequadamente, esse processo de desnaturação é usado para fazer iogurte e queijo fresco.
As proteínas desnaturadas estão envolvidas em várias doenças, desde o distúrbio de Parkinson, Alzheimer até a coréia de Huntington. As pessoas que sofrem dessas doenças dobraram anormalmente proteínas em alguma parte do corpo, sendo particularmente suscetível o cérebro e o sistema nervoso. Além disso, uma das principais causas da cegueira é a presença de proteínas desnaturadas na lente do olho. Nesse caso, diz -se que a desnaturação surge devido ao envelhecimento ou à exposição excessiva à radiação UV.
Tipos de desnaturação
A desnaturação pode ser classificada com base no agente que faz com que uma proteína perca sua estrutura secundária, terciária ou quaternária. As ligações de hidrogênio, interações iônicas, interações hidrofóbicas e forças de van der Waal estão envolvidas em manter essas estruturas unidas. Tais interações não covalentes são interrompidas por vários fatores, incluindo calor, radiação, solventes orgânicos, ácidos, bases e sais, porque podem alterar as interações hidrofóbicas no interior da proteína, afetam a ligação de hidrogênio e interferir nas interações iônicas.
Tipo I: desnaturação por mudança no pH
O pH de uma solução tem um efeito importante na estrutura da proteína, porque altera o número e a natureza das ligações de hidrogênio e interações iônicas que ocorrem entre diferentes aminoácidos. No pH fisiológico, muitas cadeias laterais de aminoácidos são carregadas devido à perda ou ganho de um íon hidrogênio.
De fato, a maioria dos aminoácidos existe como zwitterion nas células.
A imagem mostra os dois isômeros da alanina, onde o grupo de ácido carboxílico perde um átomo de hidrogênio e obtém uma carga negativa e o grupo amina ganha um próton para se tornar positivo. A carga líquida na molécula permanece zero. Além dessas duas cargas em todos os aminoácidos, a cadeia lateral também pode ser polar ou carregada. Ácido aspártico, ácido glutâmico, arginina, histidina e lisina são exemplos de aminoácidos que contêm uma carga extra em condições fisiológicas. No entanto, a carga nesses aminoácidos depende do pH. Por exemplo, a histidina é geralmente carregada positivamente em uma célula. No entanto, pode ocorrer em quatro formas diferentes com base no pH da solução. Devido a isso, ele pode ter uma carga líquida de -1, 0, +1 ou +2. Isso implica que o pH determinará a natureza e o número de ligações iônicas que um resíduo de histidina pode se formar com outros aminoácidos.
Quando um átomo de hidrogênio é ligado covalentemente a um átomo altamente eletronegativo, como oxigênio ou nitrogênio, ele obtém uma carga positiva parcial. Devido ao pequeno tamanho do átomo de hidrogênio, essa carga parcial é suficiente para criar uma alta densidade de carga que possa exercer uma forte atração em um par solitário de elétrons em outro átomo. Essa atração forma a base de uma ligação de hidrogênio. É sensível a alterações no pH, porque uma mudança na concentração de íons de hidrogênio pode alterar a natureza dos grupos funcionais. Por exemplo, aminoácidos como asparagina, cisteína ou tirosina contêm grupos polares em suas cadeias laterais. Esses átomos podem interagir entre si através de ligações de hidrogênio com base em sua proximidade espacial e na orientação de diferentes cadeias laterais. No entanto, à medida que o pH muda, esses grupos polares podem ser protonados ou desprotonados, alterando sua capacidade de formar ligações de hidrogênio. Além disso, a formação de uma hélice alfa ou uma folha beta envolve a formação de ligação de hidrogênio entre os grupos carboxilato e amina de todos os aminoácidos. Se um grande número dessas interações for interrompido, a proteína se desenrola e se torna desnaturada.
Finalmente, o pH afeta a carga geral de um polipeptídeo e isso tem um impacto na solubilidade das proteínas. Se a carga líquida em uma proteína se tornar zero, ela poderá agregar e precipitar.
Tipo II: Denaturação química
Certos produtos químicos e solventes orgânicos podem causar desnaturação de proteínas. Os solventes orgânicos interrompem a estrutura da proteína porque a maioria das proteínas sequestra seus resíduos hidrofóbicos em direção ao centro da molécula quando se dobram em sua forma única. Essencialmente, a estrutura 3D de um polipeptídeo otimiza a energia da molécula, diminuindo a interação de cadeias laterais hidrofóbicas com um meio aquoso. A presença de produtos químicos como benzeno ou etanol altera essas interações e pode ocasionalmente levar à proteína “inversão”, onde os resíduos internos são apresentados do lado de fora com a perda de estrutura e função.
Os detergentes e outras moléculas anfipáticas também podem ser particularmente prejudiciais. Essas moléculas têm o mesmo efeito, interrompendo as interações hidrofóbicas e as ligações de hidrogênio. A espuma observada durante a extração de proteínas em laboratórios e a espuma associada aos detergentes domésticos são, em parte, devido ao seu efeito desnaturador nas proteínas. Metais pesados e altas concentrações de sal podem afetar a formação de ligações iônicas, enquanto agentes caotrópicos como a uréia podem ter um extenso efeito disruptivo na rede de ligação de hidrogênio.
Tipo III: desnaturação por calor e radiação
Quando a temperatura de uma amostra biológica é aumentada, leva a um aumento geral na energia cinética de cada átomo e a um aumento na entropia do sistema. Todos os átomos e moléculas começam a ter colisões de energia mais altas entre si, além de aumentar o movimento translacional, rotacional e vibracional. Isso reduz a força das ligações de hidrogênio e enfraquece a influência de interações hidrofóbicas não polares. Essa é uma das razões pelas quais uma febre alta é usada pelo corpo para combater infecções. É uma tentativa de retardar ou prender o crescimento de microorganismos para que o sistema imunológico possa limpar os patógenos. No entanto, uma febre alta sustentada também pode ser prejudicial para as proteínas dentro do hospedeiro, e é por isso que as temperaturas além de 104 ° Fahrenheit (40 ° Celsius) são consideradas perigosas. A exposição prolongada à radiação do sol também leva à perda da estrutura proteica. Queimaduras solares e cataratas nos olhos são apenas dois exemplos de seus efeitos deletérios. A radiação de outras fontes (como uma máquina de raios-X ou de materiais radioativos) também pode causar danos às proteínas e resultar em várias doenças.
Funções de desnaturação
O impacto do calor e da radiação nas proteínas também tem suas vantagens. Os alimentos, especialmente a carne, são cozidos para desnaturar as proteínas dentro e torná -las mais fáceis de digerir. Muitos alimentos embalados são irradiados para desnaturar proteínas bacterianas e garantir que os alimentos possam ser armazenados por longos períodos de tempo. O corpo também secreta ácidos potentes no estômago, a fim de matar patógenos e proteínas de desnatura nos alimentos. A ação das enzimas digestivas é aprimorada quando uma proteína é desdobrada porque as peptidases obtêm acesso a todas as ligações covalentes que mantêm o polipeptídeo unido.
Além disso, a desnaturação também está envolvida em alterações na estrutura 3D dos ácidos nucleicos. Quando os dois fios de um DNA desenrolam, diz -se que está passando por desnaturação. Esse tipo de desnaturação é importante para a transcrição e a replicação do DNA. Também é explorado em técnicas de laboratório, como a reação em cadeia da polimerase, a fim de produzir um grande número de cópias de DNA em um curto período de tempo.
Efeitos da desnaturação
A desnaturação leva à perda da função proteica. Em uma enzima à base de proteínas, pode ser uma pequena alteração na conformação do local ativo, o que a torna incapaz de catalisar uma reação. Para proteínas como anticorpos, a perda de forma remove sua capacidade de reconhecer e se ligar a antígenos. Quando um grande número de proteínas dentro de uma célula é desnaturado, a célula passa por estresse grave na remoção dessas moléculas e na sintetização da proteína funcional. Quando esse processo sobrecarrega a célula, ele sofre apoptose ou causa doença. Devido ao impacto da desnaturação de proteínas na formação de doenças, foi interessante analisar se é possível induzir uma proteína para recuperar sua forma original após a desnaturação. Até agora, estudos in vitro conseguiram obter essa reversão em algumas proteínas, como albumina sérica, RNase e hemoglobina.
Termos de biologia relacionados
Anfifilo – uma molécula contendo partes hidrofílicas e hidrofóbicas.
Eletronegatividade – uma medida da capacidade de um átomo para atrair um par de elétrons. Geralmente usado em referência a uma ligação covalente polar, onde a nuvem de elétrons é inclinada para o átomo que é mais eletronegativo.
Entropia – uma medida do grau de desordem dentro de um sistema, relacionado à energia de um sistema indisponível para o trabalho mecânico.
Resíduos hidrofóbicos – aminoácidos contendo uma cadeia lateral hidrofóbica ligada ao carbono alfa, além de conter uma amina e um grupo funcional do ácido carboxílico.
Questionário
1. Qual dessas ligações não está comumente envolvido na criação da estrutura secundária ou terciária de uma proteína? A. ligações de hidrogênio B. ligações covalentes C. interações iônicas D. Nenhuma das opções acima
Resposta à pergunta nº 1
B está correto. As ligações covalentes não estão comumente envolvidas na criação da estrutura secundária ou terciária de uma proteína. Embora as ligações covalentes sejam importantes na formação de polímeros lineares de aminoácidos, elas não são de importância primária em suas estruturas de ordem superior. As pontes dissulfeto são exceções a esta regra. No entanto, em um ambiente redutor como o citosol, as pontes de dissulfeto não são frequentemente encontradas.
2. Por que uma mudança no pH leva à desnaturação de proteínas? A. altera a sequência primária de aminoácidos B. altera a eletronegatividade de um átomo C. altera a formação de ligação de hidrogênio entre vários resíduos D. Todos os itens acima
Resposta à pergunta nº 2
C está correto. As alterações de pH não afetam diretamente as ligações covalentes. Portanto, eles não alteram a sequência primária de aminoácidos. A eletronegatividade de um átomo não é variável e não é afetada pelo pH.
3. Qual dessas proteínas foi renatada com sucesso? A. Hemoglobina B. RNase C. albumina sérica D. Todos os acima acima
Resposta à pergunta nº 3
D está correto. Todas as três proteínas foram relatadas como submetidas à renaturação bem-sucedida in vitro, com retorno da função e estrutura tridimensional.