Estruturas supramoleculares: agregados protéicos e os vírus

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1 Estruturas supramoleculares: agregados protéicos e os vírus Objetivos Nesta aula vamos explorar dois temas interessantes nos quais você vai aplicar os conhecimentos, adquiridos até agora, a respeito de proteínas. Inicialmente, você vai conhecer as proteínas amiloidogênicas. Em seguida, você vai compreender como as estruturas virais são formadas, explorando o arranjo das proteínas estruturais dos vírus nos capsídeos virais. No final, você compreenderá por quê podemos chamar os vírus e as fibras amilóides de complexos supramolecualres. Pré-requisitos Para esta aula vamos precisar de vários conceitos já apresentados e discutidos em aulas passadas, tais como estrutura tridimensional de proteínas, forças envolvidas na manutenção desta estrutura e fatores que determinam as mudanças conformacionais e o enovelamento protéico. 1ª Parte - Proteínas amiloidogênicas Já estudamos vários aspectos sobre a estrutura das proteínas, desde sua estrutura primária representada pela seqüência de aminoácidos, até aspectos relacionados à organização destes aminoácidos no espaço que dá origem à estrutura secundária e terciária das proteínas. Na Aula 14, vimos como as proteínas se dobram e se montam na sua forma final dotada de estrutura e função. Estudando as proteínas fibrosas (queratina, fibroína e colágeno) e globulares (mioglobina e hemoglobina) vimos como a estrutura das proteínas podem explicar sua função. No caso das proteínas fibrosas, aprendemos que uma grande resistência pode ser adquirida quando, por exemplo, várias hélices se enovelam umas sobre as outras, como no caso do colágeno. No caso das proteínas globulares, vimos que a presença do grupo prostético heme garante com que a mioglobina e hemoglobina transportem oxigênio com grande eficiência. Agora, vamos conhecer um novo aspecto relacionado ao estudo das proteínas um pouco mais sombrio do que aquele que vimos até então. Trata-se das doenças amiloidogênicas e veremos a seguir como certas proteínas podem causá-las

2 BIOQUÍMICA I Estruturas supramoleculares: agregados protéicos e os vírus Mas que doenças são essas? Certamente você já ouviu falar da doença da Vaca Louca, doença de Alzheimer e doença de Parkinson. Todas essas doenças fazem parte de uma classe de doenças ocasionadas pelo mau enovelamento de uma determinada proteína sendo também chamadas amiloidoses. Estes nomes "amiloidose" lembra amido. É. De fato, os primeiros estudos feitos com algumas das proteínas envolvidas nessas doenças mostraram a presença de depósitos fibrilares presentes em alguns tecidos ou orgãos (Figura 17.1) que, por serem corados por reagentes com iodo, imaginou-se serem constituídos por amido, um açúcar. Posteriormente, percebeu-se que esses depósitos fibrilares não eram de amido, mas sim de proteínas. O nome amiloidose, no entanto, permaneceu. Figura 17.1: Fibra amilóide. Mas, afinal, o que há de especial com este grupo de doenças? Como já sabemos, a maioria das doenças é causada por um agente ou microorganismo. Desse modo, o resfriado é causado por um vírus chamado rinovírus; a pneumonia é causada por uma bactéria conhecida como Pneumococcos pneumoniae; a Doença de Chagas é causada por um protozoário conhecido como Trypanossoma cruzi, e assim por diante. Enfim, a grande maioria das doenças, principalmente as contagiosas, é causada por um agente, seja uma bactéria, um vírus ou um protozoário. Esses agentes possuem material genético na forma de DNA ou RNA. Eles se reproduzem no organismo hospedeiro graças à replicação do seu material genético, conforme você verá na disciplina de Genética. Desta forma, quando entramos em contato com uma pessoa resfriada, por exemplo, podemos receber alguns rinovírus que invadem nossas células, se reproduzem e causam os sintomas desagradáveis que conhecemos. E no caso das doenças amiloidogênicas? Quem é o agente responsável pelas mesmas? Conforme já mencionamos, essas doenças são ocasionadas por proteínas que, ao adquirir uma conformação alterada, formam agregados e depósitos fibrilares que causam danos aos tecidos e órgãos onde se acumulam. Veja a Figura 17.2:

3 Proteína enovelada incorretamente Figura 17.2: Mecanismo de agregação de proteínas amiloidogênicas. Podemos perceber que, quando uma proteína se enovela de maneira incorreta deixando segmentos de aminoácidos apolares voltados para o lado de fora, há possibilidade de que esses segmentos se associem uns com os outros formando agregados protéicos ou fibras, conforme visto acima. Mas por que isto ocorre? Lembre-se que discutimos que os aminoácidos apolares ou hidrofóbicos não gostam da água e tendem a se esconder dentro da proteína ocupando seu miolo. Por outro lado, os aminoácidos polares ou hidrofílicos, por gostarem do contato com a água, ficam mais voltados para o lado de fora da proteína, é a ideal, pois todos os aminoácidos ficam felizes! Entretanto, por mecanismos ainda não bem compreendidos, algumas proteínas não se enovelam direito deixando de fora aminoácidos apolares que deveriam ficar escondidos no miolo da proteína. Para evitar o contato com a água, essas proteínas fazem, então, contato umas com as outras, de modo a esconder esses aminoácidos do contato com a água. Desta forma, aparecem fibras como aquelas vistas na Figura Entretanto, um dos aspectos mais surpreendentes sobre essas doenças, principalmente no que diz respeito às chamadas encefalopatias espongiformes transmissíveis (e aqui se incluem a Doença da Vaca Louca que acomete as vacas; e um grupo de doenças que acomete o homem dentre as quais uma doença de nome estranho Creutzfeldt-Jakob) é que elas são contagiosas. É. Isso mesmo! Uma proteína que se enovela errado e forma fibrilas amilóides em um organismo, se for introduzida num organismo saudável pode levar este indivíduo ao estado enfermo. E aí é que está a surpresa, pois é possível termos contágio sem haver um microrganismo ou um material genético envolvido. Apenas uma proteína mal enovelada!

4 BIOQUÍMICA I Estruturas supramoleculares: agregados protéicos e os vírus Doença da Vaca Louca A doença da Vaca Louca já dizimou mais de cabeças de gado na Grã-Bretanha, desde 1985 quando teve início uma grande epidemia desta doença. Ela é causada pela agregação de uma proteína chamada prion ou PrP (prion protein). A proteína PrP é uma proteína encontrada na membrana das células, em especial dos neurônios. A função exata que ela exerce nos organismos ainda é desconhecida, mas sabe-se que aves, répteis e mamíferos a possuem. O que se sabe é que a proteína PrP, quando presente na membrana, possui um alto conteúdo de α-hélices e um baixo conteúdo de folhas β. Nesta conformação não patogênica, a proteína do prion é conhecida como PrP C, onde C quer dizer "celular". Entretanto, por um mecanismo ainda não completamente elucidado, esta proteína sofre o que chamamos mudança conformacional, isto é, sua conformação muda. Tal mudança de conformação dá origem a uma proteína PrP com alto conteúdo de folhas β e um baixo conteúdo de α-hélices. Nesta conformação, a proteína do prion é patogênica sendo conhecida como PrPsc, onde SC quer dizer scrapie. Em conseqüência, esta nova forma da proteína apresenta grande propensão em formar fibrilas, como as mostradas na Figura Estas fibras se acumulam no cérebro causando danos ao funcionamente deste tecido. O cérebro fica com aspecto esponjoso e, por isso, essa doença também é chamada encefalopatia espongiforme bovina. Mas como, então, iniciou-se este tipo de doença? O que se imagina é que as vacas adquiriram esta doença a partir de ovelhas doentes. As ovelhas também desenvolvem um tipo de encefalopatia espongiforme conhecida como "scrapie". A doença das ovelhas é assim chamada, pois as ovelhas ficam se roçando nas cercas quando doentes. Postula-se que, devido ao fatos de as vacas na Inglaterra serem alimentadas com uma ração enriquecida com uma farinha preparada com as vísceras das ovelhas, tenha se iniciado o contágio. Desta forma, ovelhas acometidas com o scrapie teriam sido utilizadas inadvertidamente no preparo da ração. As vacas, ao comerem a ração contaminada, adquiriram a doença. Mas qual seria, então, o mecanismo molecular de transmissão desta doença se não há material genético envolvido no processo? O que se imagina, e existem evidências experimentais para tal, é que as ovelhas afetadas com scrapie possuem suas proteínas do prion na conformação rica em folhas β, ou seja, a conformação patogênica PrP SC. Esta conformação alterada, ao entrar em contato com a proteína celular PrP C presente no cérebro da vacas sadias, por exemplo, causaria uma mudança conformacional nesta última convertendo-a na forma PrP SC

5 Veja o esquema: Mas será que existem encefalopatias espongiformes que afetam os homens? Sim. Existem quatro doenças que afetam os homens e que são causadas por mudanças conformacionais na proteína PrP. Todas são raras, afetam o sistema nervoso e são fatais. Já se conhecem algumas mutações na proteína PrP que favorecem a conversão da proteína celular em scrapie. A partir do estudo destas doenças, a biologia moderna deparou-se com um problema novo, até então sem precedente, que é um grupo de doenças transmissíveis onde não há um patógeno convencional como agente responsável, mas sim uma simples proteína. Ao sofrer uma alteração de conformação, esta proteína passa da forma celular e inofensiva, para a forma patogênica e deletéria. Como poderíamos imaginar que uma estrutura tão "ingênua" como uma proteína poderia causar tantos problemas... Doença de Alzheimer Diferente das encefalopatias espongiformes transmissíveis que são bastante raras em humanos, a doença de Alzheimer afeta 25% das pessoas acima de 80 anos. Isto significa que uma em cada quatro pessoas que atinge 80 anos tem a possibilidade de adquirir a doença de Alzheimer. À medida que a expectativa de vida vai aumentando, principalmente nos países ricos, a doença de Alzheimer pode vir a representar um grave problema de saúde pública. Na verdade, já é alarmante o número de pessoas afetadas por essa doença nos Estados Unidos. Estima-se que pessoas estejam afetadas por esta doença e que, nos próximos cinco anos, este número suba para A doença de Alzheimer é fatal e de curso lento. A pessoa acometida pode ficar doente de 2 a anos. As funções cognitivas são perdidas lentamente, tais como memória, raciocínio, fala, comportamento etc. Como ocorre então esta doença? Cortes histológicos do cérebro de pessoas que faleceram de Alzheimer, apresentados na figura 17.3, mostram a presença de placas conhecidas como placas senis. Nesta placa, encontramos fibras de um peptídeo conhecido com β amilóide. Obviamente, a presença destas placas atrapalha o funcionamento do cérebro e, em conseqüência, aparecem os sintomas antes descritos

6 BIOQUÍMICA I Estruturas supramoleculares: agregados protéicos e os vírus Figura 17.3: Placas senis que se formam no cérebro de pessoas acometidas com a doença de Alzheimer. Já se sabe que o peptídeo β amilóide é derivado de uma proteína maior chamada APP (amyloid precursor protein ou proteína precursora de amilóide). Esta proteína está presente na membrana de várias células, inclusive na dos neurônios. Sua função precisa ainda é incerta, mas ela parece estar relacionada com o crescimento celular. A proteína APP é clivada por proteases. Proteases são enzimas que quebram as proteínas gerando fragmentos menores das mesmas. No caso da APP, duas secretases conhecidas como β e γ quebram esta proteína gerando o peptídeo β amilóide. Este peptídeo é liberado da célula e, devido a sua alta propensão em agregar, forma fibras, conforme mostrado na Figura Além disso, este peptídeo é neurotóxico, isto é, ao ser adicionado a uma cultura de neurônios que cresce numa placa, ele causa a morte dessas células. Acredita-se que ele também cause a morte de neurônios no organismo. Vale a pena chamar a atenção para o fato de que, diferente das encefalopatias espongiformes transmissíveis, a doença de Alzheimer não é transmissível. Ainda não existe tratamento para as doenças causadas pelos prion ou pelo peptídeo β amilóide. Os cientistas têm procurado desenvolver drogas que inibam a formação das fibrilas visando, com isto, impedir a progressão das doenças. Outras estratégias estão sendo adotadas, como por exemplo, a descoberta de inibidores para as secretases que geram o peptídeo β amilóide, por exemplo. Acredita-se que inibindo-se estas secretases, o peptídeo não se forme e com isto a doença não progrida. No caso dos prions, como já é bem aceito que a doença das ovelhas tenha migrado para as vacas, diversos países da Europa tem diminuído o consumo de carne de vaca, pois é possível que a doença da vaca possa passar para o homem. Esta doença tem causado graves problemas em diversos países influenciando, desde de o cardápio das pessoas, até a política e relações comerciais. Estas doenças nos mostram então, a necessidade de conhecermos muito bem a estrutura e o funcionamento das proteínas. Desta forma, é possível desenhar ou descobrir drogas capazes de impedir o avanço destas doenças fatais e enigmáticas

7 2ª Parte - Os vírus Introdução Todos nós já ouvimos falar dos vírus. Muitas vezes ficamos doentes e após uma consulta médica escutamos a seguinte frase: "É uma virose" (Figura 17.4). Figura 17.4: A presença dos vírus nas nossas vidas. Mas o que são vírus e como eles podem causar tantas doenças? Os vírus são estruturas incapazes de se replicar por conta própria, necessitando da maquinaria enzimática e dos suprimentos energéticos de uma célula hospedeira para se propagarem. Assim, sua perpetuação na natureza depende de sua capacidade de infectar alguns tipos celulares. Por isso, os vírus não são considerados seres vivos, embora esta seja uma definição mais semântica do que científica. Por outro lado, quando os vírus atingem o interior de determinadas células, podem replicar seus genes e produzir uma numerosa prole. Além disso, podem sofrer mutações durante sua replicação, sendo, portanto, capazes de evoluir e de se adaptar às mais diferentes condições. A diversidade dos vírus Os vírus apresentam uma grande diversidade estrutural (Figura 17.5). Eles são formados por um material genético, que pode ser DNA ou RNA, e ocorre em fita dupla ou simples, segmentada ou não. Este material genético, que é o genoma viral, pode permanecer longos períodos de tempo fora do ambiente intracelular, graças à presença de uma capa protéica, o capsídeo, que protege o ácido nucléico de possíveis danos ou degradação. Os capsídeos virais são estruturas extremamente estáveis enquanto os vírus se encontram no meio extracelular /17/2004, 8:26 AM

8 BIOQUÍMICA I Estruturas supramoleculares: agregados protéicos e os vírus Por outro lado, ao entrarem em contato com sua célula hospedeira, os capsídeos virais devem se desestabilizar, permitindo a exposição do genoma ao meio intracelular onde ele será replicado, transcrito e traduzido. Os mecanismos envolvidos nesta mudança de estabilidade constituem o tema de nossa próxima aula. Figura 17.5: Diversidade estrutural dos vírus. BACTERIÓFAGO Vírus que infecta bactérias. GLICOPROTEÍNAS Proteínas que apresentam carboidratos (açúcares) ligados a sua estrutura. Na Figura 17.5, podemos observar que os vírus também apresentam grande variação quanto ao tamanho, forma e composição. Os menores vírus conhecidos, os vírus satélites, possuem diâmetro de 18 nm, apresentando apenas um gene. Estes vírus são tão simples, que só podem se replicar caso infectem uma célula juntamente com outro vírus. Já outros vírus, como o bacteriófago T4, os rabdovírus (como o vírus da raiva) e os poxvírus (como o vírus da varíola e o vírus vaccínia) apresentam mais de 200 nm e uma complexa estrutura genômica, que pode chegar, no caso dos poxvírus, a mais de 200 genes. O capsídeo protéico viral pode ou não ser envolvido por uma membrana lipídica. Esta membrana é, na verdade, uma bicamada de fosfolipídeos proveniente da membrana plasmática da célula hospedeira, que apresenta glicoproteínas codificadas pelo vírus em sua superfície. Os vírus que possuem essa membrana são denominados vírus envelopados, enquanto os vírus sem membrana são chamados não-envelopados /17/2004, 8:26 AM

9 A estrutura dos capsídeos virais Veja na Figura 17.6 imagens de microscopia eletrônica obtidas para vários vírus. Repare que os capsídeos apresentam sempre forma tubular ou esférica. De fato, os vírus de estrutura conhecida apresentam seu ácido nucléico contido em capsídeos cujas subunidades protéicas estão arranjadas simetricamente de forma helicoidal ou icosaédrica, como veremos a seguir. Figura 17.6: Imagens de microscopia eletrônica de vários capsídeos virais. Na década de 50, os estudos de Francis Crick e James Watson contribuíram enormemente para a compreensão da estrutura dos vírus. Estes cientistas propuseram que os capsídeos virais, sejam de vírus que infectam animais, sejam dos que infectam vegetais superiores ou, ainda, dos que infectam bactérias, consistiam em poliedros regulares. Como não é possível que um ácido nucléico codifique para uma proteína grande o bastante para envolvê-lo e protegê-lo, a informação genética contida no genoma viral é suficiente para codificar para uma proteína cuja massa molecular seja apenas uma fração da massa do capsídeo íntegro. Assim, é preciso que o capsídeo seja formado por muitas cópias de uma ou de poucas proteínas diferentes. Além disso, estas subunidades protéicas devem se reconhecer com precisão, formando uma interface exata de interações não-covalentes, uma vez que as partículas têm de se montar espontaneamente dentro da célula, a partir de seus componentes individuais. Desta forma, dois princípios básicos governam o arranjo das subunidades protéicas nos capsídeos virais: 1) o da economia genética os vírus são formados por poucos tipos protéicos; 2) e o da especificidade proteínas virais apresentam alto grau de reconhecimento. Francis Crick e James Watson. Estes pesquisadores ganharam o Prêmio Nobel por decifrarem a estrutura do DNA. Eles também contribuíram decisivamente para os estudos acerca da estrutura dos vírus /17/2004, 8:26 AM

10 BIOQUÍMICA I Estruturas supramoleculares: agregados protéicos e os vírus Economia genética e especificidade - princípios básicos que governam o arranjo das proteínas nos capsídeos virais. Você aprenderá mais sobre estas técnicas na disciplina Biologia Celular. Estes dois princípios implicam a ocorrência de estruturas de simetria, uma vez que padrões repetidos de partes idênticas levam a uma estrutura final simétrica. Assim, os capsídeos virais consistem em poliedros formados por subunidades simetricamente arranjadas. Na verdade, há apenas três poliedros simétricos cujos elementos constituintes são indistinguíveis entre si: o tetraedro, o cubo e o icosaedro. Dentre estes poliedros, o icosaedro é aquele que compreende o maior volume por subunidade, apresentando uma estrutura compatível com o número de subunidades necessárias para a formação de um capsídeo viral. De fato, outro cientista, chamado Paul Kaesberg, também na década de 50, analisando estudos de microscopia com sombreamento, difração de raios X e microscopia eletrônica (Figura 17.7), propôs que os vírus ditos "esféricos", estudados até então, na verdade eram icosaédricos, o que posteriormente se tornou evidente para todos os capsídeos protéicos dos vírus "esféricos". Figura 17.7: Microscopia eletrônica com sombreamento retirada do artigo de Paul Kaesberg (1956). A relação entre a estrutura das proteínas virais e a entrada dos vírus nas células hospedeiras A estrutura das proteínas virais e sua flexibilidade conformacional permitem aos vírus possam reconhecer sua célula hospedeira, à qual se ligam. A interação destas proteínas com a superfície celular desencadeia uma série de eventos que culminam com a entrada do vírus na célula e na exposição do genoma viral ao meio intracelular. Os mecanismos envolvidos neste processo variam muito de vírus para vírus. Na próxima aula analisaremos o processo de entrada de uma importante família de vírus os picornavírus da qual fazem parte vírus de grande importância médica, como o poliovírus, vírus causador da poliomielite, o FMDV (foot and /17/2004, 8:26 AM

11 mouth disease virus), vírus causador da febre aftosa, o rinovírus, vírus causador do resfriado comum, e o vírus da hepatite A. Em seguida, entenderemos as estratégias usadas pelos vírus envelopados, aqueles que possuem uma membrana lipídica em volta de seu capsídeo, para atingirem o interior de suas células hospedeiras. Para isso, usaremos como exemplo o HIV, o vírus que causa a AIDS. Resumo Nesta aula, você conheceu os vírus e descobriu como suas estruturas são diversas. Você aprendeu também que os capsídeos virais são poliedros regulares formados por subunidades protéicas arranjadas de forma simétrica, que envolvem o genoma viral. Exercícios e auto-avaliação A próxima aula será um estudo dirigido que tem como objetivo aplicar os conhecimentos adquiridos nesta aula acerca do papel das proteínas virais no processo de infecção. Assim, não teremos exercícios nesta aula. Aproveite seu tempo para reler a aula e fazer um pequeno resumo do que você aprendeu /17/2004, 8:26 AM