O mistério da forma das proteínas

Porquê estudar folding de proteínas? Priões, vacas loucas e design de drogas

A vida depende largamente do funcionamento de uma quantidade enorme de proteínas. Às vezes, muitos processos celulares de controlo e regulação em que essas proteínas estão envolvidas falham, ou porque o organismo não é de todo capaz de as produzir, ou porque são fabricadas com defeito. Como a função da proteína depende estritamente da sua estrutura nativa basta que esta última exiba uma pequena falha para que a proteína deixe de ser capaz de executar a sua função biológica.

Patologias comuns, como diabetes de tipo I e a hemofilia, ocorrem porque o organismo é incapaz de produzir a insulina e o factor VIII, respectivamente. Já certos tipos de cancro resultam da produção defeituosa de uma proteína que participa na regulação da divisão celular, o factor p21 Ras.

A insulina (à esquerda) é uma hormona. O factor VIII (ao centro) é uma proteína que promove a coagulação do sangue. O factor p21Ras (à direita) é uma proteína de sinalização (signaling).

Outras patologias como a doença de Parkinson, a doença de Alzheimer e as encefalopatias espongiformes, têm origem num processo de folding do qual resultam proteínas defeituosas que tendo uma grande afinidade entre si se agregam para formar fibras.

Fibras de amilóide resultantes da interacção entre proteínas cujo folding é defeituoso.

Estas fibras depositam-se sobre o tecido neuronal do sistema nervoso central e o resultado das doenças que provocam pode ser dramático. Essas patologias têm sido denominadas "doenças dos tempos modernos" porque em parte resultam da existência de condições completamente novas, resultantes das actividades desenvolvidas pelo Homem, que desafiam e põem em risco a homeóstase (ou controlo) dos processos bioquímicos normais.

Priões e vacas loucas

Os priões são proteínas que estão na origem de algumas doenças neurodegenerativas como é o caso da BSE, ou doença das vacas loucas. Estas proteínas podem existir em duas formas. A forma normal, PrP^c, é inócua e existe na membrana celular das células do sistema nervoso central, mas a sua função biológica não é bem conhecida. Esta proteína pode sofrer uma alteração da sua conformação nativa na qual uma hélice-alfa é convertida numa folha-beta formando-se a forma PrP^Sc - esta sim, infecciosa - que se multiplica através de uma reacção em cadeia em que mais moléculas de PrP^Sc se formam à custa das moléculas percursoras PrP^c.

Forma normal do prião PrP^c.

Quando existem moléculas de PrP^Sc em número suficiente formam-se longos agregados filamentosos que se depositam no tecido neuronal conduzindo gradualmente à sua degradação (ver figura acima).

Sabe-se hoje que a infecção por priões ocorre espontaneamente, devido a uma mutação pontual da proteína PrP^c, ou através da exposição a um agente patogénico externo.

O gene PrP contém informação para expressar a proteína inócua PrP^c. Uma mutação pontual neste gene dá origem à forma infecciosa PrP^Sc da proteína. Por intermédio de uma terceira proteína, não representada na figura, a PrP^Sc induz uma alteração conformacional na qual uma hélice-alfa da PrP^c é convertida numa folha-beta transformando-a numa molécula da sua própria espécie.

Como resolver este problema? O recurso ao design de drogas

A forma fatal do prião PrP^Sc é extremamente resistente à temperatura e por isso não desnatura com facilidade. É igualmente resistente à radiação ultravioleta e às enzimas fortemente degradativas. Assim sendo, a solução para "aniquilar" o prião infeccioso passa por produzir uma droga que o bloqueie tornando-o inactivo. Essa droga pode ser, por exemplo, uma proteína para a qual o prião infeccioso tenha uma grande afinidade preferindo ligar-se a ela em vez de se ligar ao prião normal. A sua composição química deve ser tal que a sua estrutura tridimensional favoreça um contacto óptimo com o prião infeccioso e deve também conduzir a uma estabilização energética óptima do complexo proteico assim formado. Ou seja, estamos perante o problema de, dada uma certa conformação nativa, encontrar a sequência de aminoácidos que por um lado minimize a sua energia livre e que por outro permita um encaixe óptimo (estrutural e energético) com uma outra molécula. Este é um problema típico que surge no processo de design de drogas (drug design).

Através de uma correcta manipulação de aminoácidos, será em princípio possível criar uma proteína que possuindo de uma grande afinidade com os priões infecciosos os possa desactivar.

De uma forma geral, se compreendermos como é que a sequência de aminoácidos determina a estrutura nativa, isto é, se compreendermos a relação sequência-estrutura, poderemos "desenhar" qualquer proteína. Mas para que isso seja possível, precisamos de compreender a questão mais geral e mais fundamental que é a do mecanismo de folding de proteínas. No que se segue veremos como é que o recurso à simulação computacional e a utilização de modelos físicos simplificados têm contribuído para o esclarecimento deste importante processo.