As proteínas são moléculas grandes e complexas que desempenham uma vasta gama de funções nos organismos vivos. Sua função está intimamente ligada à sua estrutura, que se organiza em quatro níveis distintos: primário, secundário, terciário e quaternário.
Os quatro níveis de estrutura proteica
Estrutura Primária
A estrutura primária é a sequência linear de aminoácidos em uma cadeia polipeptídica. Cada proteína possui uma sequência única determinada pelo gene correspondente. Mesmo uma única alteração de aminoácido pode alterar a função da proteína, como visto na anemia falciforme, onde uma única valina substitui o ácido glutâmico.
Estrutura Secundária
A estrutura secundária refere-se a estruturas dobradas locais que se formam dentro da cadeia polipeptídica devido à ligação de hidrogênio entre os átomos da estrutura principal. Os dois tipos mais comuns são a hélice alfa, uma espiral destra estabilizada por ligações de hidrogênio entre cada quarto aminoácido, e a folha beta, uma estrutura plana e pregueada formada por ligações de hidrogênio entre segmentos polipeptídicos adjacentes que correm paralelamente ou antiparalelamente.
Estrutura Terciária
A estrutura terciária é a forma tridimensional geral de uma única cadeia polipeptídica. É estabilizado por vários tipos de interações entre cadeias laterais: interações hidrofóbicas (cadeias laterais não polares agrupadas no interior da proteína), ligações de hidrogênio entre cadeias laterais polares, ligações iônicas entre cadeias laterais com carga oposta e pontes dissulfeto (ligações covalentes entre resíduos de cisteína).
Estrutura Quaternária
A estrutura quaternária descreve como múltiplas cadeias polipeptídicas se reúnem em um complexo proteico funcional. A hemoglobina, por exemplo, é composta por quatro subunidades polipeptídicas – duas cadeias alfa e duas cadeias beta – que trabalham juntas para transportar oxigênio.
Dobramento de Proteínas
As proteínas dobram-se em suas estruturas tridimensionais nativas espontaneamente ou com a ajuda de acompanhantes moleculares. Proteínas mal dobradas podem formar agregados e estão associadas a doenças como Alzheimer e Parkinson.
Determinação e visualização prática da estrutura de proteínas
Três métodos experimentais principais determinam estruturas de proteínas em resolução atômica. Cristalografia de raios X requer proteína de alta pureza (>95%) concentrada em 5–20 mg/mL. Condições de cristalização de tela usando kits de matriz esparsa (por exemplo, Hampton Research) com ensaios de difusão de vapor em queda de 96 poços. Otimize os resultados variando o pH, a concentração do precipitante e a temperatura. Monte um cristal com qualidade de difração (0,1–0,5 mm) em um crio-loop, esfrie a 100 K em nitrogênio líquido e colete dados de difração em uma linha de luz síncrotron. Processe dados com XDS ou iMosflm, resolva o problema de fase por substituição molecular (Phaser) usando uma estrutura homóloga, construa o modelo em Coot e refine-o com phenix.refine. Resolução alvo: <3,0 Å; uma boa estrutura tem Rwork/Rfree < 0,20/0,25. Espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) funciona para proteínas pequenas (<30 kDa) na concentração de 0,5–1 mM em 10% de D2O. Grave espectros de ressonância tripla 2D ¹⁵N-HSQC, 3D (HNCA, HNCO, CBCA(CO)NH) e NOESY para restrições de distância. Atribuir ressonâncias de backbone manualmente ou usando software automatizado (por exemplo, CARA, NMRFAM-SPARKY). Calcule estruturas a partir de restrições de distância derivadas de NOE e ângulos diédricos usando CYANA ou Xplor-NIH. Microscopia crioeletrônica (crio-EM) é o método de escolha para grandes complexos (>150 kDa). Aplique 3 μL de amostra (0,1–1 mg/mL) a uma grade de carbono perfurada com descarga brilhante, seque por 3–4 segundos e congele em etano líquido. Colete filmes em um Titan Krios a 300 kV com um detector K2 ou K3. Processe com RELION ou CryoSPARC por meio de correção de movimento, estimativa de CTF, seleção de partículas (classificação 2D), reconstrução ab initio, classificação 3D e refinamento de alta resolução. Para visualização da estrutura, use PyMOL ou ChimeraX para carregar arquivos PDB. Exiba a proteína como desenhos (coloração da estrutura secundária), superfícies (potencial eletrostático) ou bastões (resíduos do sítio ativo). Meça distâncias, ângulos e ligações de hidrogênio entre átomos.
Aplicação no mundo real
A proteína spike SARS-CoV-2 (ectodomínio de 150 kDa) foi resolvida por crio-EM com resolução de 3,3 Å meses após o início da pandemia. A estrutura revelou o domínio de ligação ao receptor (RBD) na sua conformação “up” ligado ao ACE2, permitindo o desenho da vacina baseada na estrutura. A visualização PyMOL da interface RBD-ACE2 identificou os principais resíduos de contato (K417, N501, Y453), orientando o desenvolvimento de anticorpos neutralizantes.
