«Zíper de leucina» (Leucine zipper)
Este tipo de estrutura supersecundária destina-se principalmente à dimerização — a união firme de duas moléculas proteicas separadas. Tal motivo é extremamente característico de proteínas de ligação ao DNA, que exercem suas funções não isoladamente, mas sim como parte de grandes complexos oligoméricos.
Arquitetura e características geométricas A base do motivo consiste em regiões em $\alpha$-hélice localizadas na superfície das proteínas em contato. A principal característica estrutural é a presença de pelo menos quatro resíduos de leucina, que estão inseridos na cadeia polipeptídica com periodicidade estrita. A leucina aparece exatamente a cada seis aminoácidos, ou seja, ocupa a cada sétima posição.
Como uma volta completa de uma $\alpha$-hélice clássica inclui 3,6 resíduos de aminoácidos, essa periodicidade resulta em um efeito espacial interessante. Os resíduos de leucina ficam na superfície de cada segunda volta e se alinham em uma linha reta estritamente ao longo de um lado da hélice.
Mecanismo de ligação Quando duas dessas hélices se aproximam, os radicais de leucina expostos para o exterior de uma molécula interagem fortemente com os radicais equivalentes da outra. Entre eles surgem potentes interações hidrofóbicas. Essa interação lembra o fechamento dos dentes de um zíper, o que deu nome à estrutura. Como resultado, forma-se um contato muito forte entre as subunidades.
Significado biológico usando as histonas como exemplo Um excelente exemplo da atuação do «zíper de leucina» são as histonas — proteínas do núcleo celular necessárias para o empacotamento do DNA. Elas contêm um enorme número de aminoácidos carregados positivamente (até 80% de sua composição consiste em arginina e lisina). Para a formação do nucleossomo, as moléculas de histonas devem se unir em um octâmero (complexo de 8 monômeros). No entanto, cargas positivas iguais causam uma repulsão eletrostática fortíssima. Justamente os contatos hidrofóbicos dos «zíperes de leucina» permitem superar essa repulsão e manter as histonas firmemente unidas.
«Dedo de zinco» (Zinc finger)
Esta variante da estrutura supersecundária é criticamente importante para proteínas específicas que se ligam ao DNA. Visualmente, ela se apresenta como um pequeno fragmento alongado na superfície do glóbulo proteico, lembrando um dedo em sua forma.
Estrutura e coordenação do íon metálico Em média, o comprimento de um único «dedo» é de cerca de 20 resíduos de aminoácidos. Para que esta alça alongada mantenha sua forma e não se desestruture, ela precisa de um fator estabilizador confiável. Esse papel é desempenhado pelo átomo de zinco ($Zn^{2+}$).
O íon central de zinco é coordenado por radicais de quatro aminoácidos. Existem duas variantes principais dessa coordenação:
- Tipo clássico: o zinco liga-se a dois resíduos de cisteína (Cys) e dois resíduos de histidina (His).
- Tipo alternativo: o zinco interage diretamente com quatro resíduos de cisteína.
Na estrutura primária da proteína, esses aminoácidos coordenantes estão dispostos de maneira específica: um par de resíduos de cisteína próximos é separado do segundo par de aminoácidos coordenantes (histidinas ou cisteínas) por uma cadeia composta por aproximadamente 12 aminoácidos.
Função e especificidade da interação com o DNA
A estrutura formada do «dedo de zinco» inclui uma região em $\alpha$-hélice. É precisamente esta $\alpha$-hélice que responde pelo contato direto com o ácido nucleico. Ela se encaixa com precisão no sulco maior do DNA e se liga às suas regiões regulatórias.
A propriedade mais importante deste motivo estrutural é a garantia da especificidade individual. A qual sequência exata de nucleotídeos a proteína se fixará depende inteiramente da composição de aminoácidos na região da $\alpha$-hélice do «dedo» (esses aminoácidos são frequentemente denotados por códigos de uma letra, por exemplo: E, V, K, F, S, A, L, R).
Tais motivos são típicos de proteínas regulatórias, por exemplo, de receptores de hormônios esteroides. Sua principal tarefa é participar da regulação fina da transcrição, ou seja, o processo de leitura da informação genética a partir da matriz de DNA para uma molécula de RNA.
Resumo: perguntas e respostas sobre o tema
Que outros motivos estruturais de proteínas de ligação ao DNA existem, além do «dedo de zinco» e do «zíper de leucina»?
Além do «dedo de zinco» e do «zíper de leucina», existe o motivo estrutural de ligação ao DNA «$\alpha$-hélice — volta — $\alpha$-hélice».
- «$\alpha$-hélice-volta-$\alpha$-hélice» é uma estrutura supersecundária na qual uma hélice longa está localizada no sulco maior do DNA, e a curta encontra-se transversalmente ao sulco menor. Essa organização estrutural é específica e característica de procariotos.
Quais proteínas regulatórias, além das histonas, utilizam o «zíper de leucina» para dimerização?
Além das histonas, as proteínas conhecidas como fatores de transcrição utilizam o «zíper de leucina».
- Fatores de transcrição são proteínas de ligação ao DNA que funcionam como parte de complexos oligoméricos. Suas cadeias polipeptídicas interagem entre si por meio de ligações hidrofóbicas entre regiões contendo resíduos de leucina.
É fácil lembrar a coordenação do zinco: «O dedo de zinco segura-se ao DNA com duas Cys e duas His, e o zíper de leucina fecha-se a cada 7º dente».
Questões de aulas e exames
A qual nível de organização estrutural pertencem os motivos "dedo de zinco" e "zíper de leucina"?
Esses elementos representam variantes da estrutura supersecundária da proteína. Eles se formam devido a um arranjo espacial específico de $\alpha$-hélices e alças.
Qual ligação química mantém os monômeros unidos no «zíper de leucina»?
A interação entre as cadeias polipeptídicas neste motivo é assegurada por interações hidrofóbicas entre os radicais de leucina, que estão localizados nas superfícies de contato das hélices.
Por que as histonas precisam tanto do «zíper de leucina»?
As histonas contêm muita arginina e lisina, motivo pelo qual possuem uma forte carga positiva e se repelem mutuamente. O «zíper de leucina» permite superar essa repulsão eletrostática e montar as histonas em um octâmero estável.
O que mais estudar sobre o tema
- Complexos oligoméricos de histonas e a formação do nucleossomo
- O mecanismo de interação das alfa-hélices com o sulco maior do DNA
- A especificidade dos radicais de aminoácidos no reconhecimento de sequências nucleotídicas
- O papel dos receptores de hormônios esteroides na regulação da transcrição
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