O enovelamento de proteínas é o processo pelo qual uma cadeia polipeptídica linear adota sua estrutura tridimensional nativa. Embora a sequência de aminoácidos contenha toda a informação necessária para o enovelamento, como demonstrado pelos experimentos clássicos de Anfinsen com ribonuclease, muitas proteínas requerem chaperonas moleculares para se enovelar eficientemente no ambiente celular congestionado.

O Problema do Enovelamento

O número de conformações possíveis para uma cadeia polipeptídica é astronomicamente grande. Uma proteína de 100 aminoácidos poderia teoricamente adotar um número enorme de conformações, mas o enovelamento ocorre em milissegundos a segundos. Este paradoxo, conhecido como paradoxo de Levinthal, mostra que o enovelamento não é uma busca aleatória, mas segue vias específicas. O enovelamento é guiado pelo colapso hidrofóbico, ligações de hidrogênio e a formação de elementos estruturais secundários que restringem a busca conformacional.

A Paisagem Energética

O enovelamento de proteínas é descrito pelo conceito de paisagem energética ou funil de enovelamento. A paisagem em forma de funil tem muitas conformações desenoveladas de alta energia no topo e um único estado nativo de baixa energia na base. O funil não é liso, mas contém mínimos de energia locais onde intermediários parcialmente enovelados podem se acumular. Algumas proteínas se enovelam através de intermediários bem definidos, enquanto outras se enovelam por compactação mais gradual. Paisagens acidentadas com armadilhas cinéticas profundas podem levar ao mal-enovelamento e agregação.

Colapso Hidrofóbico

A força motriz para o enovelamento de proteínas é o efeito hidrofóbico. Cadeias laterais apolares agrupam-se no interior da proteína, minimizando sua exposição à água. Este colapso hidrofóbico é termodinamicamente favorável porque libera moléculas de água das camadas de solvatação ordenadas ao redor de superfícies hidrofóbicas, aumentando a entropia. O glóbulo colapsado então sofre rearranjos estruturais para formar a estrutura nativa, com estrutura secundária e terciária formando-se concomitantemente.

Chaperonas Moleculares

As chaperonas moleculares são proteínas que auxiliam o enovelamento sem se tornar parte da estrutura final. Elas previnem a agregação ligando-se a superfícies hidrofóbicas expostas de proteínas desenoveladas ou parcialmente enoveladas. As chaperonas não contêm informação estérica para o enovelamento, mas previnem interações inapropriadas que levam ao mal-enovelamento.

Sistema de Chaperona Hsp70

A família Hsp70 inclui Hsc70 constitutivamente expressa e Hsp70 induzida por estresse. Hsp70 reconhece manchas hidrofóbicas expostas em proteínas desenoveladas através de seu domínio de ligação ao substrato C-terminal. A ligação e liberação são reguladas pela hidrólise de ATP no domínio de ligação a nucleotídeos N-terminal. Proteínas J, como Hsp40, estimulam a hidrólise de ATP e entregam substratos a Hsp70. Fatores de troca de nucleotídeos como Bag-1 e HspBP1 facilitam a liberação de ADP e a religação de ATP.

Chaperoninas

As chaperoninas são grandes complexos em forma de barril que fornecem uma câmara isolada para o enovelamento de proteínas. As chaperoninas do Grupo I em bactérias incluem GroEL e seu cofator GroES. GroEL forma um anel duplo empilhado de sete subunidades cada, criando uma cavidade central. A proteína desenovelada liga-se na cavidade, GroES tampa a câmara, e a hidrólise de ATP induz mudanças conformacionais que liberam a proteína no espaço fechado para enovelamento. As chaperoninas do Grupo II em eucariotos, chamadas TRiC ou CCT, funcionam sem um cofator separado e auxiliam o enovelamento de proteínas do citoesqueleto como actina e tubulina.

Proteína Dissulfeto Isomerase

A proteína dissulfeto isomerase catalisa a formação e o rearranjo de pontes dissulfeto no retículo endoplasmático. Contém domínios semelhantes à tiorredoxina com resíduos de cisteína no sítio ativo que formam dissulfetos mistos com proteínas substrato. A PDI pode introduzir, reduzir ou isomerizar pontes dissulfeto, garantindo que o emparelhamento correto de resíduos de cisteína seja alcançado à medida que a proteína se enovela. O estado redox do RE é mantido pelo tampão de glutationa, com um ambiente oxidado que favorece a formação de dissulfetos.

Peptidil-Prolil Isomerases

As peptidil-prolil isomerases aceleram a isomerização cis-trans de ligações peptídicas de prolina, que é intrinsecamente lenta e pode ser limitante da velocidade para o enovelamento de proteínas. Existem três famílias: ciclofilinas, proteínas de ligação a FK506 e parvulinas. As ciclofilinas são alvos do imunossupressor ciclosporina A. As PPIs estão presentes em todos os compartimentos celulares e auxiliam o enovelamento de proteínas contendo resíduos de prolina. A atividade da PPI é particularmente importante para o enovelamento do colágeno, onde repetições de glicina-prolina-hidroxiprolina são abundantes.

Mal-enovelamento e Doença

O mal-enovelamento e agregação de proteínas estão associados a muitas doenças. A doença de Alzheimer envolve a agregação de peptídeos beta-amiloide em placas amiloides e da proteína tau em emaranhados neurofibrilares. A doença de Parkinson apresenta agregação de alfa-sinucleína em corpos de Lewy. A doença de Huntington resulta da expansão de poliglutamina na proteína huntingtina. As doenças priônicas envolvem a conversão da proteína priônica normal em uma conformação anormal propensa à agregação que é infecciosa. Em todas essas doenças, o equilíbrio entre enovelamento de proteínas, assistência de chaperonas e degradação é interrompido.