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26 de julho de 2021

Proteínas: estruturas, funções e aplicações

As proteínas são macromoléculas formadas por conjuntos de aminoácidos. Essas moléculas apresentam uma grande diversidade de funções moleculares em todos os organismos vivos.

As Proteínas

As proteínas são macromoléculas formadas por conjuntos de aminoácidos. Essas moléculas apresentam uma grande diversidade de funções moleculares em todos os organismos vivos.

Essa diversidade é observada graças às forças evolutivas, em que todas as espécies estão submetidas.

Essas macromoléculas são as responsáveis por processos fundamentais da vida de um organismo, e são estudadas há mais de 50 anos.

Durante esse longo tempo de estudo, foi observado que as proteínas são uniformes, e apenas em alguns casos, é possível observar uma variável abrupta, que é decorrente de “acidentes evolutivos”, em que a proteína apresenta uma característica muito diferente de seu grupo.

Caso esse “acidente” seja benéfico para o organismo, existe uma grande chance dessa proteína se perpetuar, caso não, a chance dessa mutação se perpetuar se torna pequena.

A análise profunda das proteínas é um processo realizado dentro da Biologia Molecular, em que são observados como esses elementos, formados por carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio apresentam diferentes estruturas tridimensionais tão bem ajustadas.

As proteínas participam ativamente de: catálise enzimática, transporte e estoque de moléculas, movimento, suporte mecânico, proteção imune, sinalização intra e extracelular, entre outros.

Essas moléculas são altamente reguladas a níveis molecular e celular, assim, a regulação celular das funções da proteína envolve diferentes expressões gênicas, modificações pós-traducionais e cascatas de sinalização (4).

Já as regulações a nível molecular, são realizadas de acordo com o ambiente em que está a proteína, que é ideal para o seu sítio funcional.

O ajuste de cada proteína é devido a codificação das sequências de aminoácidos, o que garante a cada proteína uma função e também estrutura diferenciada.

A predição dessas estruturas é um elemento imprescindível na Biologia Molecular para projetar as estruturas tridimensionais de uma proteína, pois assim é possível compreender como essa proteína age no organismo, como é correlacionada com as famílias de proteínas, predição de resíduos de interação, entre outros.

Estruturas das Proteínas

Por serem moléculas complexas, as proteínas possuem níveis de conformação natural, ou seja, a sua forma pode se modificar de acordo com a sua função. Existem quatro níveis estruturais: estrutura primária, secundária, terciária e quaternária.

Essas estruturas são subdivididas para o melhor entendimento, em que, a estrutura primária é composta pela sequência de aminoácidos dessa proteína. Já a estrutura secundária demonstra as propriedades da alfa hélice ou beta hélice, nessa estrutura é possível observar o primeiro nível de enrolamento helicoidal.

Na estrutura terciária, conseguimos observar a proteína em forma 3D, além do dobramento da cadeia polipeptídica sobre si mesma, em que é possível distinguir o conjunto de estruturas e conformações termodinamicamente similares, devido ao seu enovelamento global.

Por fim, na estrutura quaternária é possível observar cadeias polipeptídicas, que se agrupam e formam uma estrutura com cadeias interligadas.

Regulação Celular

Dentro das células, as proteínas são responsáveis pela coordenação de processos biológicos cruciais, por este motivo, é importante que todas as moléculas interajam de forma consistente e precisa para manter a homeostase do organismo.

Os processos biológicos mais importantes das proteínas são: diferenciação/viabilidade celular, desenvolvimento, metabolismo, apoptose e autofagia.

Se algum desses processos não estiver bem regulado, pode haver então um impacto na viabilidade celular, e por este motivo, existe todo um processo de regulação celular das funções das proteínas, que podem ser:

– Através da expressão gênica, em que os níveis de transcrição são regulados;

– Por meio de interações com cofatores, ligantes e/ou metabólitos, que podem gerar mudanças conformacionais que alteram as atividades das proteínas;

– Por fim, as modificações pós-traducionais, em que os resíduos de aminoácidos são modificados, e assim há alterações na afinidade e/ou interação das proteínas ao DNA, ou na capacidade de estabilidade da própria proteína.

Modificações de proteínas

Como já informado anteriormente, as proteínas são moléculas muito importantes para o funcionamento ótimo de um organismo.

Por este motivo, a Biologia Molecular estuda profundamente esse assunto. Atualmente já é possível realizar modificações estruturais em proteínas, com a intenção de modificar/otimizar a sua função, gerar controles para reações, utilizar sua função em outro organismo, entre outros.

Para isso, é necessário que o pesquisador saiba como funciona essa proteína, além de se certificar sobre os seus sítios ativos, predição de aminoácidos, design, entre outros.

Quanto ao design, houve um avanço tecnológico significativo e de banco de dados, em que há a possibilidade de previsão da estrutura de uma proteína.

Por meio de algoritmos de modelagem de proteínas e refinamento de sequenciamentos de última geração, houve um aumento no ritmo de determinação da estrutura experimental.

Fusão de Proteínas

Uma das maiores utilizações de proteínas modificadas é justamente com a fusão de proteínas, este tipo de fusão recombinante é essencial para a construção de proteínas bioativas estáveis.

Com o avanço da tecnologia de recombinação de DNA, as proteínas de fusão tomaram conta dos laboratórios de Biologia Molecular, em que atualmente, já é possível fundir proteínas, domínios ou outras sequências de nucleotídeos a outras, produzindo então proteínas de fusão que possuem diversas funções.

Normalmente essas proteínas fusionadas são utilizadas para: purificação de proteínas, biofármacos, compreensão de estrutura, meia-vida, localização, efeito terapêutico, entre outros.

Outra função importante é a predição da estrutura de uma proteína-alvo. A modelagem estrutural é utilizada normalmente para modelar uma estrutura desconhecida.

A predição de estruturas proteicas, principalmente quanto a estrutura quaternária não é um desafio fácil, mesmo com o grande progresso tecnológico, e com a fusão de proteínas esse desafio se torna maior, pois o tamanho, complexidade e flexibilidade da proteína aumenta, sendo assim, se faz necessário procurar por serviços especializados que consigam elucidar as interações de proteínas de fusão sintética, para desvendar os mecanismos inter-domínio, domínios de ligação de co-fatores, substratos, entre outros.

Referências

1.      Kuhlman B, Bradley P. Advances in protein structure prediction and design. Nat Rev Mol Cell Biol. novembro de 2019;20(11):681–97.

2.      Chen X, Zaro JL, Shen W-C. Fusion protein linkers: property, design and functionality. Adv Drug Deliv Rev. outubro de 2013;65(10):1357–69.

3.      Huang P-S, Boyken SE, Baker D. The coming of age of de novo protein design. Nature. setembro de 2016;537(7620):320–7.

4.      Mazmanian K, Sargsyan K, Lim C. How the Local Environment of Functional Sites Regulates Protein Function. J Am Chem Soc. junho de 2020;142(22):9861–71.

5.      Yu K, Liu C, Kim B-G, Lee D-Y. Synthetic fusion protein design and applications. Biotechnol Adv. 2015;33(1):155–64.

6.      Berezovsky IN. Towards descriptor of elementary functions for protein design. Curr Opin Struct Biol. outubro de 2019;58:159–65.

7.      Coluzza I. Computational protein design: a review. J Phys Condens Matter. abril de 2017;29(14):143001. 

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