A química supramolecular das aranhas
Dois artigos recentemente publicados na revista científica “Nature”, sobre a química, a bioquímica e a biofísica dos fios das teias de aranhas, foram comentados em um artigo publicado em outra revista científica, “Angewandte Chemie International Edition”. O texto a seguir é uma tradução livre deste. O fio das teias de aranhas é um material absolutamente excepcional: tem uma resistência mecânica proporcionalmente maior do que a do aço quando se leva em conta sua baixa densidade. Um único fio de teia de aranha alinhado sobre a linha do equador teria a massa de apenas 500 gramas. Os fios da teia de aranhas são feitos de proteínas: uma cadeia polipeptídica que consiste de uma sequência repetida de dois fragmentos peptídicos, juntos chamados de “sequência AQ”. O fragmento A é hidrofóbico (hidro=água; fobia=aversão. Ou seja, aversão à água, um fragmento que não admite moléculas de água associadas), que apresenta muitas unidades do aminoácido alanina (A): GPYGPGASA6GGYGPGGQQ (cada letra corresponde a um aminoácido). O fragmento Q é hidrofílico (hidro=água; filo=afinidade. Ou seja, com afinidade por água, é um fragmento que apresenta moléculas de água associadas através de ligações de pontes de hidrogênio), rico em glutamina e em glicina: (GPGQQ)4. Esta estrutura AQ é a “parte central” da fibra do fio da teia de aranha, e sua estrutura e função lembram a do colágeno (proteína espalhada pelo corpo dos humanos que forma o tecido conjuntivo). A fibra dos fios da teia de aranha são formados por 12 fragmentos AQ, os quais terminam com fragmentos diferentes, que atuam como “sinais químicos” e partes diferentes constituídas por grupos amina livres (-NH2) e grupos carboxila lvres (-CO2H). Estas partes diferentes formadas pelos grupos amina e carboxila livres participam de funções diferentes, como controle da solubilidade da proteína e da formação da fibra que dá origem ao fio da teia de aranha.
Por exemplo, a estrutura da terminação C (ácido carboxílico, -CO2H) não repetida (NR-C) da fibroína da aranha Aaraneus diadematus foi estudada em solução por ressonância magnética nuclear (RMN). A técnica de RMN detecta os núcleos de alguns átomos (mas não de todos), como por exemplo os de hidrogênio (1H). É possível se “medir” a forma como átomos de hidrogênio de uma molécula orgânica interagem entre si, e com isso entender como esta molécula orgânica se comporta em solução (por exemplo, em uma solução salina). Desta forma, é possível se verificar como partes das proteínas das aranhas “se dobram” em solução (foi o que foi feito). Foi observado que dois NR-C da fibroína de A. diadematus formam uma estrutura dimérica, altamente simétrica, com um formato de barril, constituído por duas hélices da proteína, unidas entre si por uma ponte dissulfeto (pontes dissulfeto, S-S, são ligações enxofre-enxofre formadas entre dois aminoácidos cisteína. Estas pontes dissulfeto aumentam a rigidez das proteínas). Este “formato de barril” da estrutura das proteínas das fibras dos fios da teia fazem com que as partes hidrofóbicas (A) fiquem agregadas, enquanto que a parte hidrofílica (Q) fica fora do barril, de maneira a que possa se agregar a moléculas de água.
Para que o fio da teia seja formado, é necessário que o pH do ambiente de formação seja muito bem regulado. Foram feitos experimentos com mini-spindroínas (proteínas bem menores do que as spindroínas, que formam os fios), que mostraram que quando a terminação N (amino, -NH2) está participando da formação da proteína, o pH do ambiente deve ser 6,0 (levemente ácido).De outra forma, em pHs mais baixos (mais ácidos) ou maiores (mais básicos), a proteína não se forma. Todavia, estes efeitos são reversíveis. Ou seja, se por um acaso o pH do ambiente se altera, e a formação da proteína é interrompida, a formação da proteína continua quando o pH do ambiente volta a ser 6,0. Já a terminação C (ácido carboxílico, -CO2H) participa da extensão da proteína, ou seja, do aumento do tamanho desta.
A formação das proteínas do fio da teia ocorre dentro de glândulas das aranhas, e são estocadas como oligômeros (pequenos polímeros) de alta densidade, com uma estrutura micelar (uma micela é uma estrutura esférica supra-molecular, ou seja, que faz uso de muitas moléculas de um determinado tipo, chamadas de detergentes, por terem uma extremidade carregada positiva ou negativamente, hidrofílica, e uma “cauda” sem carga, hidrofóbica), formando uma microemulsão. Cada micela contém várias proteínas dos fios da teia, e as micelas são estabilizadas pela presença dos grupos N (amina, -NH2) e C (ácido carboxílico, -CO2H) terminais. A auto-agregação das proteínas para formar as micelas é reversível.
Dentro das aranhas, a formação das fibras de proteínas não é apenas determinada pelas mudanças químicas do ambiente, mas também por estímulos mecânicos em um tipo de sinergia (ação conjunta de forças) de efeitos macroscópicos e microscópicos, ilustrados na figura a seguir. Para entender as propriedades formadoras de fibrilas da cadeia de proteínas, é preciso compreender como a extrusão do complexo micelar supra-molecular acontece: estresse de cisalhamento (cisalhamento é um movimento de “escorregar para frente e para trás” ao longo do comprimento de um eixo), extrusão de água e troca de íons estimulam a formação das fibras dos fios da teia. A terminação C (ácido carboxílico) faz com que a cadeia AQ não mude de viscosidade durante o processo de cisalhamento. Por outro lado, a cadeia protéica já formada dá origem a uma forma globular que leva ao surgimento de agregados fibrosos quando o terminal C (ácido carboxílico) está presente.
As aranhas formam uma proteína extremamente específica para dar origem às fibras dos fios da teia. Estas proteínas são o resultado da fusão de um bloco de um co-polímero (AQ) anfifílico (anfi=ambos; filo=afinidade. Ou seja, um polímero que é ao mesmo tempo hidrofílico e hidrofóbico) e dois “barris” diméricos, com proteínas dobradas na forma de alfa-hélices. Nas glândulas da aranha, as proteínas formam um conjunto de uma microemulsão supramolecular. A aranha então aplica fortes forças de cisalhamento ao mesmo tempo que realiza a extrusão da proteína de suas glândulas. Esta extrusão é acompanhada da expulsão de água da microemulsão, levando ao desdobramento das estruturas de barris, fazendo com que os fragmentos hidrofílicos se projetem de dentro para fora. Ocorre então uma mudança macroscópica na forma da emulsão, levando a uma polimerização específica que dá origem aos fios da teia com sua enorme resistência mecânica.
A transição na forma das proteínas dos fios da teia, a partir de um complexo supramolecular solúvel em água na forma de micelas para formar fibras longas, mostra como estas proteínas podem mudar de forma de acordo com mudanças no ambiente químico e sob forças mecânicas. Além disso, o estudo realizado mostrou não somente as particularidades de como os fios das teias de aranha e como a teia é formada, mas também como as aranhas trabalham com os fios para formar a teia mais eficiente para capturar suas presas. Embora a formação de fibrilas protéicas sempre foi vista como uma disfunção estrutural, levando à perda de forma tridimensional das proteínas que as formam, as aranhas se utilizam de tais propriedades para formar os fios de suas teias, altamente resistentes.
Perguntas que ainda restam para serem respondidas sobre as teias de aranha incluem: será que as terminações N (amina) e C (ácido carboxílico) operam de maneira cooperativa, ou reagem diferentemente sob um determinado estímulo químico? Como a agregação supramolecular das cadeias protéicas individuais garante a formação de uma estrutura em rede para dar origem a fios de até 1 metro de comprimento? Como que um fio formado de maneira tão específica pode responder tão bem a diferentes presas capturadas pelas aranhas? A qualidade dos fios das teias depende de como esta é formada pela aranha e fatores ambientais, bem como da alimentação das aranhas. Mas a qualidade intrínseca dos fios é determinada pela sua composição de aminoácidos. A compreensão de como os componentes dos fios da teia pode dar origem ao processo de formação da teia, com suas propriedades mecânicas, ainda permanece um enigma para as ciências dos biomateriais.
Só o homem-aranha conhece estes segredos.
Para que o fio da teia seja formado, é necessário que o pH do ambiente de formação seja muito bem regulado. Foram feitos experimentos com mini-spindroínas (proteínas bem menores do que as spindroínas, que formam os fios), que mostraram que quando a terminação N (amino, -NH2) está participando da formação da proteína, o pH do ambiente deve ser 6,0 (levemente ácido).De outra forma, em pHs mais baixos (mais ácidos) ou maiores (mais básicos), a proteína não se forma. Todavia, estes efeitos são reversíveis. Ou seja, se por um acaso o pH do ambiente se altera, e a formação da proteína é interrompida, a formação da proteína continua quando o pH do ambiente volta a ser 6,0. Já a terminação C (ácido carboxílico, -CO2H) participa da extensão da proteína, ou seja, do aumento do tamanho desta.
A formação das proteínas do fio da teia ocorre dentro de glândulas das aranhas, e são estocadas como oligômeros (pequenos polímeros) de alta densidade, com uma estrutura micelar (uma micela é uma estrutura esférica supra-molecular, ou seja, que faz uso de muitas moléculas de um determinado tipo, chamadas de detergentes, por terem uma extremidade carregada positiva ou negativamente, hidrofílica, e uma “cauda” sem carga, hidrofóbica), formando uma microemulsão. Cada micela contém várias proteínas dos fios da teia, e as micelas são estabilizadas pela presença dos grupos N (amina, -NH2) e C (ácido carboxílico, -CO2H) terminais. A auto-agregação das proteínas para formar as micelas é reversível.
As aranhas formam uma proteína extremamente específica para dar origem às fibras dos fios da teia. Estas proteínas são o resultado da fusão de um bloco de um co-polímero (AQ) anfifílico (anfi=ambos; filo=afinidade. Ou seja, um polímero que é ao mesmo tempo hidrofílico e hidrofóbico) e dois “barris” diméricos, com proteínas dobradas na forma de alfa-hélices. Nas glândulas da aranha, as proteínas formam um conjunto de uma microemulsão supramolecular. A aranha então aplica fortes forças de cisalhamento ao mesmo tempo que realiza a extrusão da proteína de suas glândulas. Esta extrusão é acompanhada da expulsão de água da microemulsão, levando ao desdobramento das estruturas de barris, fazendo com que os fragmentos hidrofílicos se projetem de dentro para fora. Ocorre então uma mudança macroscópica na forma da emulsão, levando a uma polimerização específica que dá origem aos fios da teia com sua enorme resistência mecânica.
Perguntas que ainda restam para serem respondidas sobre as teias de aranha incluem: será que as terminações N (amina) e C (ácido carboxílico) operam de maneira cooperativa, ou reagem diferentemente sob um determinado estímulo químico? Como a agregação supramolecular das cadeias protéicas individuais garante a formação de uma estrutura em rede para dar origem a fios de até 1 metro de comprimento? Como que um fio formado de maneira tão específica pode responder tão bem a diferentes presas capturadas pelas aranhas? A qualidade dos fios das teias depende de como esta é formada pela aranha e fatores ambientais, bem como da alimentação das aranhas. Mas a qualidade intrínseca dos fios é determinada pela sua composição de aminoácidos. A compreensão de como os componentes dos fios da teia pode dar origem ao processo de formação da teia, com suas propriedades mecânicas, ainda permanece um enigma para as ciências dos biomateriais.
Só o homem-aranha conhece estes segredos.
Silvers, R., Buhr, F., & Schwalbe, H. (2010). The Molecular Mechanism of Spider-Silk Formation Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.201003033
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