Post on 08-Nov-2018
Proteínas
Prof Karine P. Naidek
Agosto/2016
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA – DQMC BIOQUÍMICA – BIO0001
Proteínas
Entre os objetos de estudo dos cientistas no início do século XIX (...) Estava:
Albúmen – clara de ovo [albus = branco];
Tinha átomos de C, H, N, O e S;
Tinha estranha propriedade de coagular ao ser submetido a aquecimento;
Verificaram que outras substâncias presentes no leite e no sangue também coagulavam quando aquecidas;
Então decidiram chamar esses componentes de substâncias albuminoides [semelhantes ao albúmen].
Estudos mais tarde acabaram por concluir que essas substâncias estão presentes em todos os seres vivos.
Proteínas
Origem grego (protos) primeira, mais importante
“A palavra proteína que eu proponho vem derivada de proteos, porque ela parece ser a substância primitiva ou principal da nutrição animal, as plantas preparam para os herbívoros que posteriormente a passam para os carnívoros” (Berzelius, 1838)
Em 1838, Gerardus Mulder chama essas substâncias de PROTEÍNAS [do grego Proteios = primeiro, primitivo].
Proteínas
Grande variedade (tamanho e função)
• Pequenos peptídeos a grandes cadeias com MM alto
• Diversidade funcional (enzimas, estruturais, defesa, sinais, transportadores, hormônios, etc)
Macromolécula mais abundante nas células
• Produto final da informação genética
• Constituída por aminoácidos (dipeptídeo, tripeptídeo... oligopeptídeo, polipeptídeo)
Qual a importância das proteínas?
• São fundamentais para qualquer ser vivo [e até vírus].
• Toda manifestação genética é dada por meio de proteínas.
• Grande parte dos processos orgânicos são mediados por proteínas [enzimas].
• Sem proteínas, não existiríamos e nenhum outro ser vivo existiria.
• *Coacervatos (primeiros compostos proteicos).
Aminoácidos
Esquema da estrutura química básica de um aminoácido
Ligação peptídica
Ligação feita entre aminoácidos (aa) para formar peptídeos (2 a 5 aa), polipeptídeos (+5 aa) e proteínas (+50 aa).
Ligação Péptica
Aminoácido 2 Aminoácido 1
Duplo Peptídeo
Água
Ligação peptídica
Essa sequência de aminoácidos ligados através de ligações peptídicas constituem a estrutura primária das proteínas
Ligação peptídica
Ligações simples com caráter de dupla ligação
O oxigênio da carbonila possui uma carga parcial negativa e o nitrogênio uma positiva, isso faz com que seja formado um pequeno dipolo elétrico que diminui a distância entre o átomo de C e N
Todos esses átomos estão em um mesmo plano, dando à ligação peptídica um caráter de dupla ligação
As estruturas primárias das proteínas são conhecidas
• Para todos os genomas sequenciados, conhece-se a estrutura primária de todas as proteínas para este organismo
• As pontes dissulfeto podem se formar entre diferentes cadeias protéicas – E principalmente dentro da
mesma
Sequenciamento de peptídeos
• Degradação de Edman – Marca e remove apenas o
resíduo N-terminal
• Método ineficiente, permite sequenciamento de pequenas porções das moléculas
• Sequenciamento do RNAm é muito mais simples e preciso; permite sequenciar proteínas enormes – como a titina
Produção de peptídeos
• Purificação a partir de tecidos
• Engenharia genética
• Síntese química direta
Alinhamento de sequências
• Os organismos possuem, em grande medida, as mesmas proteínas (ortólogas) – Derivam do ancestral
comum entre os organismos
• O alinhamento permite que identifiquemos as porções mais importantes (conservadas) da proteína
Evolução molecular
• Quanto mais similares as sequências das proteínas dos organismos, mais próximos eles são evolutivamente
Árvore molecular da vida
Conclusões
• Diferentes características químicas das cadeias laterais dos aminoácidos definem características de peptídeos e proteínas
• Os resíduos de aminoácidos são ligados às centenas ou milhares para formar peptídeos e proteínas
• As proteínas podem ser modificadas pós-traducionalmente
• As proteínas podem ser separadas por carga, tamanho e afinidade e assim estudadas isoladamente – cromatografia e eletroforese
• As proteínas podem ser sequenciadas e sua estrutura primária (seq. de aminoácidos é conhecida)
• As sequências das proteínas são excelentes marcadores da evolução da vida na terra
Níveis estruturais das proteínas
A conformação de uma proteína é fundamental para a função que ela exerce
A conformação espacial das proteínas
• As proteínas não são traços rígidos porque suas ligações químicas podem realizar rotação
– A maioria das ligações químicas não são planares
• Cada proteína tem uma estrutura específica que depende de
– sua estrutura primária
– interações químicas resultantes entre as cadeias laterais dos aminoácidos
– modificações pós-traducionais
– condições do meio em que elas estão inseridas
Pontos Importantes
1. A conformação tridimensional (3D) depende da seqüência de aminoácidos
2. A função depende da estrutura
3. Cada proteína existe em um ou em pequeno número de formas estruturalmente estáveis
4. As principais forças para a estabilização de estruturas são forças não-covalentes
5. Existem padrões estruturais comuns que ajudam a organizar o entendimento
Interações importantes para a manutenção da estrutura das proteínas
Conformação nativa
• Proteína dobrada em conformação funcional
• Dobramento espacial se dá principalmente por interações fracas – principalmente hidrofóbicas – Ligações de H e iônicas são otimizadas em
estruturas termodinamente mais favoráveis
• Estabilidade estrutural – Tendência a manter a conformação nativa – Ligações dissulfeto são incomuns, mas
estabilizam proteínas de organismos termófilos
• Camada de solvatação: formada pela água envolvendo uma molécula hidrofóbica
Estrutura de uma treptavidina, proteína modificada a partir da estreptavidina humana que funciona biotecnologicamente para ligar outras moléculas, como a biotina. Formada apenas por folhas beta e loops (2Y3E)
Ligações de Hidrogênio
Aminoácidos que podem formar ligações de hidrogênio
AA polares com OH ou NH2 na sua cadeia lateral
Interações Iônicas
AA encontrados geralmente na superfície das proteínas junto com aminoácidos polares
Cadeias longas e flexíveis Importantes para a solubilidade das proteínas
Ligações (Pontes) dissulfeto
Dois resíduos de cisteína na mesma cadeia ou cadeias separadas
Ligações peptídicas e o ângulo ômega
Trans: ω = 180º
• Ligações peptídicas tem geometria rígida e planar
Ângulos torcionais, phi (ɸ) e psi(ψ)
• Responsáveis pela curvatura na estrutura da proteína
• Entre o C-α e o N (do NH2) e o C (do COOH)
Estruturas secundárias
• Descreve o arranjo espacial dos átomos na cadeia principal
• Ocorre quando os ângulos diedros (phi e psi) permanecem quase iguais durante todo um segmento da proteína
• Tipos – Hélices α – Conformações β – Voltas β – Indefinida (loops, coils, turns)
Alfa-hélices
• O arranjo mais simples que as proteínas podem assumir é um arranjo helicoidal
• Esqueleto polipeptídico fica enrolado em torno de um eixo imaginário
– Cada volta contém 3,6 resíduos
– Φ = -57º; ψ = -47º
• Grupos R se voltam para fora do eixo
• Em média, 25% dos aminoácidos de qualquer proteína estão em hélices α
All-alpha proteins
Estabilidade da alfa hélice
• A hélice é comum porque nesse modelo as posições das ligações de hidrogênio estão otimizadas – Entre um H ligado ao NH2 e um
O do COOH – Cada ligação peptídica participa
de ligação de hidrogênio, conferindo estabilidade
• Para isso, todos os aminoácidos precisam ter o mesmo tipo de isomeria óptica (L ou D)
Tendência dos aa’s em formar hélices
• O grupo lateral interfere na capacidade do aminoácido em formar hélices – Volume e forma de Asp, Ser, Thr e Cys
desestabilizam se estiverem muito próximos
– Pro e Gly dificultam a formação de hélices
• Relações com o vizinho também são importantes
• Componentes amino a carbonil formam dipolo elétrico
Restrições para a formação de hélice-α
1. Tendência do resíduo em formar hélice
2. Interações entre os grupos R espaçados 3-4 aa
3. Volumes dos grupos R adjacentes
4. Ocorrência de Pro e Gly 5. Interações entre resíduos
das extremidades com o dipolo
Conformação β (beta)
• Esqueleto estendido em forma de zigue-zague
• Folhas β paralelas e anti-paralelas – Paralela: Φ = -119º; ψ = 113º – Anti-par: Φ = -139º; ψ = 135º
• Quanto as folhas são próximas, os grupos R devem ser pequenos – Teias e queratinas... Gly e Ala
Conformação β-pregueada
Cadeia polipeptídica estende-se em zigzag e podem estar arrumadas lado a lado formando um estrutura
chamada folhas β pregueada
Folhas β pregueada
Ligações de H são formadas entre as cadeias adjacentes (C=O e o N-H da ligação peptídica)
Existem dois tipos de folhas β pregueada
Folhas β pregueada
Paralelas – mesma orientação das cadeias (terminal amino e carboxílico)
Folhas β pregueada
Anti-Paralelas –orientação oposta das cadeias (terminal amino e carboxílico)
Dobras
Proteínas globulares podem apresentar essas duas estruturas, entretanto para ficar compacta a cadeia deve apresentar dobras
α-hélice
Conformação β α-hélice + Conformação β
Dobras β
Elemento de conexão entre as regiões com estrutura secundária diferentes ou não
Dobras β
Compreende uma estrutura que causa uma volta de 180º
• envolvendo 4 aminoácidos
• forma ligação de Hidrogênio entre oxigênio da carboxila do primeiro resíduo com o H do grupo amina do quarto resíduo
Resíduos 2 e 3 não participam de nenhuma
interação
Estrutura terciária e quaternária das proteínas
Estrutura terciária - arranjo tridimensional da cadeia peptídica estabilizado por interações entre grupos de aminoácidos distantes
Estrutura quaternária - arranjo entre cadeias polipeptídicas (subunidades) que constituem um proteína ativa
Mantida por interações fracas
(ligações de H, ligações iônicas e
interações hidrofóbicas) e /ou ligações dissulfeto
entre resíduos distantes na
própria molécula
Estrutura terciária (3D)
• Arranjo tridimensional total de todos os átomos de uma proteína
• Alcance mais longo e dimensão total, quando comparado com 2D
• Segmentos distantes na estrutura 1D podem ser atraídos por interações fracas
• Algumas proteínas são formadas por mais de um complexo polipeptídico (quaternária)
• Proteínas fibrosas e globulares
Proteínas fibrosas
• Queratina, colágeno, fibroína – Proteínas estruturais: força e
elasticidade
• Insolúveis em água: aa’s hidrofóbicos (Ala, Val, Leu, Ile, Met e Phe)
• Alfa queratina: cabelo, pelo, unhas, garras, penas, chifres, cascos e parte externa da pele
• Pontes dissulfeto estabilizam e dão mais resistências às cadeias
Colágeno
• Tecidos conectivos: tendões, cartilagens – Garante resistência
• Hélice específica (phi = -51º; psi = 153º)
• Existem mais de 30 variantes do colágeno dependendo do tecido e da função
Fibroínas de seda
• Folhas beta
• Rica em A e G
– Alto empacotamento
• Ligações de H entre as cadeias B
• Não é elástica, mas é flexível
Proteínas globulares
• Diversidade estrutural reflete diversidade funcional
– Dobramento gera estrutura compacta
• Tem partes em hélices-α e partes em folhas-β
• Motivos estruturais – Padrão identificável
– Envolve elementos 2D e conexões entre eles
Proteínas fibrosas e globulares
Fibrosas
• Cadeias longas e folhas
• Tipo simples de estrutura secundária
• Função – estrutural, suporte e proteção
• Caracterizadas por proporcionar resistência e flexibilidades às estruturas onde ocorrem
• São insolúveis em água
Globulares
• Cadeias esféricas ou globulares
• Diversos tipos de estrutura secundária
• Função – enzimas, reguladoras e de defesa
• Cadeia polipeptídica se dobra formando uma estrutura compacta - diversas estruturas e funções
• Grupos hidrofóbicos interior e hidrofílicos exterior – pontes H com a água - solúveis
Estrutura Quaternária
Tanto as proteínas fibrosas como as globulares podem se associar para desempenhar uma função biológica (estrutura
quaternária)
Multímero - proteína formada por várias subunidades proteicas
Oligômeros – poucas subunidades
Unidades de repetição - protômeros
Quanto ao número de subunidades as proteínas podem ser:
Dímeros, trímeros, tetrâmeros ...
Estrutura Quaternária
Hemoglobina – tetrâmero (duas cadeias α e duas
cadeias β
Pode ser considerada um dímero de dois
protômeros αβ (unidade repetitiva)
Desnaturação de proteínas
• Condições diferentes das celulares levam as proteínas à desnaturação
• Perda da estrutura leva também à perda da função
• Calor, pHs extremos, temperatura (?), solventes orgânicos, detergentes
Renaturação de proteínas
• A sequência terciária é determinada pela sequência primária, certo?
• As proteínas desnaturadas, portanto, podem voltar aos estados nativos através de renaturação, quando o estímulo é retirado
Enovelamento protéico
• Lento e gradual
• Diminuição da entropia até alcançar um estado estável
• Algumas proteínas se dobram de forma assistida pelas proteínas chaperonas
Vaca louca
• A doença de Creutzfeldt-Jakob, é causada por uma falha no enovelamento de proteínas
• Mecanismo não muito entendido, mas parece que as proteínas em forma priônica transformam as outras também em proteínas com esse formato
Conclusões
• Estrutura da proteína é estabilizada principalmente por interações fracas
• Estrutura secundária consiste no arranjo espacial de átomos de trechos de proteínas, definidas por ângulos phi e psi específicos
• A estrutura 3D das proteínas tem dois tipos básicos: proteínas fibrosas e globulares
• A estrutura quaternária vem da junção de várias subunidades terciárias oriundas de genes
• A estrutura das proteínas pode ser destruída pela desnaturação, o que mostra que a função depende da estrutura
• Enovelamento de proteínas envolve múltiplos mecanismos