Aula 3 - Estrutura Proteina

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LOT2004 - BIOQUÍMICA
Prof. Anuj Kumar
anuj10@usp.br
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA 
12/04/2023
Aula 3-Estrutura da Proteína
				Aula 3
2
“Estrutura Tridimensional das Proteínas”
Níveis de estrutura das proteínas
Estrutura primária
Estrutura secundária (α-hélice, folha β)
Irregularidades estruturais
Conformações de proteínas: fibrosas e globulares
Estrutura terciária
Estrutura quaternária: hemoglobina
Desnaturação e renaturação de proteinas
Por que a estrutura da proteína é importante?
 A estrutura está diretamente relacionada com a função!
3
Aminoácidos - Estrutura
4
Ligação peptídica
5
Grupo AMIDA formado pela reação entre aminoácidos
Peptídeos:
Compostos formados pela união de um pequeno número de aminoácidos
Ligação peptídica
6
Ligações peptídicas
Direção da cadeia peptídica
Resíduo N-terminal
Resíduo C-terminal
Ligação peptídica
7
Implicações importantes para as conformações tridimensionais de peptídeos e proteínas
ROTAÇÃO EM TORNO DAS LIGAÇÕES: conformações tridimensionais das proteínas
ROTATION AROUND CONNECTIONS: three-dimensional conformations of proteins
Peptídeos maiores: polipeptídeos
8
Proteínas biologicamente ativas
Polímeros que consistem em aminoácidos unidos por ligações peptídicas covalentes
Sequência linear de aminoácidos
ESTRUTURA PRIMÁRIA
8
Proteínas
9
Proteínas biologicamente ativas
Polímeros que consistem em aminoácidos unidos por ligações peptídicas covalentes
Desdobramento da cadeia proteica (Protein chain unfolding): α-hélice/folha β 
ESTRUTURA SECUNDÁRIA
9
Proteínas
10
Proteínas biologicamente ativas
Polímeros que consistem em aminoácidos unidos por ligações peptídicas covalentes
Conformação de uma cadeia proteica completa
ESTRUTURA TERCIÁRIA
10
Proteínas
11
Proteínas biologicamente ativas
Polímeros que consistem em aminoácidos unidos por ligações peptídicas covalentes
Combinações de subunidades proteicas
ESTRUTURA QUATERNÁRIA
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		Proteínas: estrutura
12
Proteínas
13
Exemplo.
Mioglobina
Hemoglobina
Estrutura Terciária
Estrutura Quaternária
Proteínas
14
Estrutura primária das proteínas
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Sequência de
aminoácidos
Estrutura 
tridimensional
Propriedades
Substituição de um único nucleotídeo que altera o códon do sexto aminoácido da B-Globina de ácido glutâmico para valina
Exemplo. Anemia falciforme
Estrutura = Função
Estrutura primária das proteínas
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Diagnóstico: eletroforese de hemoglobina
A célula falciforme apresenta menor capacidade de se ligar ao oxigênio
Circulação menos eficiente pela corrente sanguínea:
obstrução de vasos com calibre menor
As hemáceas (red blood cells) são naturalmente destruídas pelo organismo, provocando a anemia
plano da
amida
plano da
amida
Estrutura secundária das proteínas
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Arranjo das ligações hidrogênio do esqueleto proteico
(cadeia polipeptídica)
Duas ligações com rotação razoavelmente livre
Grupos peptídicos planares ligados a carbono α com rotação livre: conformações tridimensionais de peptídeos e proteínas
plano da
amida
plano da
amida
Estrutura secundária das proteínas
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Arranjo das ligações hidrogênio do esqueleto proteico
(cadeia polipeptídica)
Ângulo ϕ (fi): 
rotações em torno da ligação C-N
Ângulo ψ (psi): 
rotações em torno da ligação C-C
Ângulos de
Ramachandran
-180o a 180o
Estrutura secundária das proteínas
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α-hélice
folha β pregueada
Estruturas periódicas mantidas por ligações hidrogênio
Apenas uma 
cadeia
polipeptídica
Uma ou mais 
cadeias 
polipeptídicas
α-hélice
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Estabilização por ligação hidrogênio paralelas ao eixo da hélice no interior do esqueleto de uma única cadeia polipeptídica
“Contando a partir da extremidade N-terminal, o grupo C=O de cada resíduo de aminoácido está ligado por hidrogênio ao grupo N-H do aminoácido colocado a quatro resíduos de distância adiante na sequência linear formada por ligações covalentes” 
α-hélice
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ARRANJO LINEAR DOS ÁTOMOS ENVOLVIDOS NA LIGAÇÃO HIDROGÊNIO
ESTABILIDADE
α-hélice
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Proteínas
 Quantidades variáveis de estruturas em α-hélice
 Série de fatores que podem desestruturar a α-hélice
 CONTRIBUIÇÃO DAS CADEIAS LATERAIS
(Variable amounts of α-helix structures, Series of factors that can disrupt the α-helix, CONTRIBUTION OF SIDE CHAINS]
Prolina
EXEMPLO
Estrutura cíclica cria uma curvatura no esqueleto proteico 
Não pode acomodar-se na α-hélice!
ROTAÇÃO ALTAMENTE RESTRITA
α-hélice
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Prolina
EXEMPLO
Estrutura cíclica cria uma curvatura no esqueleto proteico 
Não pode acomodar-se na α-hélice!
NÃO PARTICIPA DE LIGAÇÃO HIDROGÊNIO INTRACADEIA
Proteínas
 Quantidades variáveis de estruturas em α-hélice
 Série de fatores que podem desestruturar a α-hélice
 CONTRIBUIÇÃO DAS CADEIAS LATERAIS
α-hélice
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Proteínas
 Quantidades variáveis de estruturas em α-hélice
 Série de fatores que podem desestruturar a α-hélice
 CONTRIBUIÇÃO DAS CADEIAS LATERAIS (series of the factors that can degrade the structure of α-hélice)
LISINA
ARGINA
ÁCIDO
ASPÁRTICO
ÁCIDO
GLUTÂMICO
Forte repulsão
eletrostática
α-hélice
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Proteínas
 Quantidades variáveis de estruturas em α-hélice
 Série de fatores que podem desestruturar a α-hélice
 CONTRIBUIÇÃO DAS CADEIAS LATERAIS
ISOLEUCINA
VALINA
Forte repulsão
estérica
TREONINA
carbono β ligado a grupo volumoso
Na conformação em α-hélice, todas as cadeias laterais ficam do lado externo da hélice, não há espaço suficiente para elas em seu interior. O carbono beta fica no lado externo na hélice e pode haver maior densidade se ele estiver ligado a dois átomos que não sejam de hidrogênio, como é o caso da valina, da isoleucina e da treonina.
25
Folha β 
26
Ligações hidrogênio entre diferentes partes de uma mesma cadeia dobrada sobre si própria ou entre diferentes cadeias
(Hydrogen bonds between different parts of the same chain folded over itself or between different chains)
Esqueleto peptídico quase completamente estendido
 
Folha β 
27
Esqueleto peptídico quase completamente estendido
 
Ligações hidrogênio entre diferentes partes de uma mesma cadeia dobrada sobre si própria ou entre diferentes cadeias
FOLHA
PARALELA
Folha β 
28
Esqueleto peptídico quase completamente estendido
 
Ligações hidrogênio
PERPENDICULARES EM RELAÇÃO À CADEIA PROTEICA
(na α-hélice são paralelas)
IRREGULARIDADE EM
ESTRUTURA REGULAR
Beta sheets consist of beta strands (β-strands) connected laterally by at least two or three backbone hydrogen bonds, forming a generally twisted, pleated sheet. A β-strand is a stretch of polypeptide chain typically 3 to 10 amino acids long with backbone in an extended conformation.
Folha beta plissada
Estructura protéina segunadário
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Estruturas supersecundárias
30
Combinações de fitas α e β produzem as estruturas supersecundárias
unidade βαβ
unidade αα
meandro β (repeated β) 
chave grega (Greek key)
Estruturas supersecundárias
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“Motivo”: estrutura supersecundária de repetição
Meandro (curva) β ou chave grega: organizadas em barril β (β-barrel) na estrutura terciária de proteínas
série de 
meandros
β ligados
unidades
β e α
alternadas
Estrutura terciária das proteínas
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Arranjo tridimensional de todos os átomos na molécula
Conformações das cadeias laterais
Posições de grupos prostéticos
Disposição de seções helicoidais e de folhas pregueadas, umas em relação às outras
[Disposition of helical sections and pleated sheets in relation to each other]
GRUPO PROSTÉTICO:
Componente de natureza não-proteica de proteínas essencial para sua atividade biológica
Ex. grupo hemo da mioglobina
Estrutura terciária das proteínas
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Arranjo tridimensional de todos os átomos na molécula
Conformações das cadeias laterais
Posições de grupos prostéticos
Arrangement of helical sections and pleated sheets in relation to each other
Obs. APOPROTEÍNA:
Cadeia polipeptídica sozinha, sem considerar o grupo prostético
(p. ex. mioglobina sem o grupo heme)
Ex. grupo heme da mioglobina
Estruturaterciária das proteínas
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Arranjo tridimensional de todos os átomos na molécula
Conformações das cadeias laterais
Posições de grupos prostéticos
Disposição de seções helicoidais e de folhas pregueadas (pleated sheets), umas em relação às outras
Proteína fibrosa: esqueleto helicoidal da proteína não se dobra sobre si mesmo (a estrutura terciária se limita à disposição dos átomos das cadeias laterais)
Proteína globular: forma como as seções helicoidais e de folha pregueada se dobram sobre si mesmas E disposição dos átomos das cadeias laterais e grupos prostéticos 
Forças envolvidas na estrutura terciária
35
Forças e interações: mantêm a proteína unida na sua conformação nativa correta
Covalentes
Não-covalentes
Estrutura primária
(ligações peptídicas)
Ligações dissulfeto
Estrutura secundária
(conformação do esqueleto)
Estrutura terciária
(posições dos átomos)
Estrutura quaternária
(interações das subunidades)
ESTABILIZAÇÃO DA 
ESTRUTURA COM
ENERGIA MAIS BAIXA
Forças envolvidas na estrutura terciária
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Estrutura 
helicoidal
Estrutura 
de folha b
Ligação
dissulfeto
Coordenação
por íon metálico
Interações 
hidrofóbicas
Atração
eletrostática
Ligação
hidrogênio
entre 
cadeias
laterais
UMA PROTEÍNA NÃO EXIBE NECESSARIAMENTE TODAS ESSAS INTERAÇÕES!
Forças envolvidas na estrutura terciária
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Estrutura 
helicoidal
Ligação
dissulfeto
Coordenação
por íon metálico
Interações 
hidrofóbicas
Atração
eletrostática
Ligação
hidrogênio
entre 
cadeias
laterais
Exemplo. Mioglobina/Hemoglobina
Íon Fe (II)
Estrutura 
de folha b
Forças envolvidas na estrutura terciária
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Estrutura 
helicoidal
Ligação
dissulfeto
Coordenação
por íon metálico
Interações 
hidrofóbicas
Atração
eletrostática
Ligação
hidrogênio
entre 
cadeias
laterais
Exemplo. Enzimas tripsina e quimotripsina
Estrutura 
de folha b
 Colágeno
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Tripla hélice do colágeno
40
Colágeno: componente dos ossos (bones) e do tecido conjuntivo
Proteína mais abundante nos vertebrados
fibras de 
colágeno*
fibrilas de 
colágeno
moléculas de colágeno (tripla-hélice)
cadeias α
cadeias de 
aminoácidos
*insolúveis em água e altamente resistentes
Tripla hélice do colágeno
41
cadeia α
tripla hélice
AMINOÁCIDOS
Glicina, Prolina, Lisina
Hidroxiprolina, Hidroxilisina
41
Tripla hélice do colágeno
42
Sequência de aminoácidos: cada terceira posição deve ser ocupada pela glicina
Ficam no interior da hélice – menor impedimento estérico
Tripla hélice do colágeno
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- Cadeias α individuais: conformação diferente da hélice α 
- Tripla hélice: tropocolágeno
- 300 nm de comprimento (length), 1,5 nm de diâmetro
- Três cadeias α unidas por ligação hidrogênio entre resíduos de hidroxiprolina e hidroxilisina
Tripla hélice:
MM ~ 300.000 Da
Cada cadeia α:
~ 800 resíduos
Lisina e histidina: ligações covalentes intra e intermoleculares
Quantidade de ligações cruzadas em um tecido aumenta com a idade
Old and Young Skin
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Conformações de proteínas
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FIBROSA
GLOBULAR
Exemplos: colágeno, fibras de seda e fibras de lã
Exemplo: Hemoglobina
Conformações de proteínas
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FIBROSA
GLOBULAR
Estrutura compacta
Solúvel em água
Estrutura terciária complexa
Estrutura quaternária se mantém em função de interações não covalentes
Função metabólica: enzimas, transporte, hormônios…
Se desnaturam facilmente
Estrutura estendida (extended)
Insolúvel em água
Estrutura secundária simples (hélice α e folha β)
Estrutura quaternária se mantém em função de ligações covalentes
Função estrutural: tendões, ossos, músculos, ligamentos, cabelo, pele
Não se desnaturam facilmente
Determinação estrutural
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Como se pode determinar a estrutura terciária de uma proteína?
Cristalografia por difração de raios-X
Determinação estrutural
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Feixe de raios-X
Cristal
Detector
Imagem computadorizada
dos átomos no cristal
Cristalografia por difração de raios-X
Cristais perfeitos de algumas proteínas podem ser obtidos sob condições cuidadosamente controladas
- Alto grau de pureza
- Todas as moléculas tem a mesma orientação e a mesma conformação tridimensional
Padrão 
de difração
Determinação estrutural
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Cristalografia por difração de raios-X
Cristais perfeitos de algumas proteínas podem ser obtidos sob condições cuidadosamente controladas (controlled conditions)
Raios-X dispersados a partir de átomos individuais podem se reforçar ou cancelar uns aos outros (interferência construtiva ou destrutiva) 
Padrão característico para cada tipo de molécula
Cálculos matemáticos computacionais
Determinação da estrutura tridimensional proteica
Determinação estrutural
50
Wuhan Virus (Corona Virus)-COVID-19
51
Corona Virus has a non-fixed structural protein-a protease-which is able to separate the proteins.
	Estrutura SARS-Cov 2 Virus
52
“severe acute respiratory syndrome coronavirus 2
Lan et al. (2020) Nature 581, 215–220.
Determinação estrutural
53
Ressonância magnética nuclear bi-dimensional (2D-NMR)
Amostras de proteínas em solução aquosa
Ambiente mais parecido com o das proteínas nas células
Equipamentos modernos e de maior resolução: análise de proteínas gradativamente maiores
			Mioglobina
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Exemplo clássico de proteína globular
Grupo HEME
Anel porfirínico + Ferro
			Mioglobina
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Porfirina
Classe de moléculas orgânicas com uma estrutura geral de macrociclo tetrapirrólico, que possui no seu centro um espaço apropriado para acomodar um íon metálico 
pirrol
anel porfirínico (porphyrin ring)
Ferro: liga-se uma molécula de O2 possibilitando o seu transporte na corrente sanguínea para todo o organismo
55
			Mioglobina
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Estrutura determinada por difração de raios-X
UMA cadeia polipeptídica (153 resíduos de aminoácidos) 
Grupo prostético (grupo heme)
8 regiões de α hélice e nenhuma folha β
HEME
OXIHEME
GRUPO HEME:
PLANO
Posicionado em um “bolsão” hidrofóbico pela ação de interações hidrofóbicas com as cadeias laterais apolares da proteína
			Mioglobina
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Grupo heme possui afinidade com moléculas de O2 e CO
A afinidade do heme livre com CO é 25 mil vezes maior que com o oxigênio
Vantagem: eliminação de traços de CO produzidos durante o metabolismo
Desvantagem: maior afinidade do CO em relação ao O2 com o grupo heme faz com que o CO seja considerado venenoso (poisonous) em grandes concentrações.
Estrutura quaternária de proteínas
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Nível final da estrutura proteica
Presente em proteínas que contêm mais de uma cadeia polipeptídica
Cada cadeia é chamada de subunidade (2 a mais de 12)
Cadeias interagem entre si de forma não covalente via atrações eletrostáticas, ligações de hidrogênio e interações hidrofóbicas
Dímeros, trímeros, tetrâmeros e oligômeros
Em função do número de subunidades 
Estrutura quaternária de proteínas
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Exemplo clássico. Mioglobina e hemoglobina
Mioglobina
Hemoglobina
uma única cadeia polipeptídica
quatro cadeias polipeptídicas
			Hemoglobina
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Tetrâmero (duas cadeias α e duas cadeias β) – α2β2
α e β: nenhuma relação com α hélice e folha β 
cadeia α: 141 resíduos de aminoácidos; cadeia β: 146 resíduos de aminoácidos
1 molécula de mioglobina  1 moléculas de O2
1 molécula de hemoglobina  4 moléculas de O2
			Hemoglobina
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Proteína ALOSTÉRICA
(allos – outros; stereo – espaço) 
INTERAÇÕES ALOSTÉRICAS
A ligação de um ligante em um sítio específico da proteína é influenciada pela ligação de outro ligante (modulador) em um local diferente da molécula (The binding of a ligand to a specific site on the protein is influenced by the binding of another ligand (modulator) to a different site in the molecule)
ligante/modulador = O2
sítio específico = grupo heme
COOPERATIVIDADE POSITIVA
ligação do modulador à proteína resulta no aumento da afinidade da proteína pelo ligante
COOPERATIVIDADE NEGATIVA
ligação do modulador à proteína resulta na diminuição da afinidade da proteína pelo ligante
			Hemoglobina
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Ligação de oxigênio à hemoglobina: 
 Cooperatividade positiva ou ligação cooperativa
Grau de saturação
Pressão de O2 (em torr)
Quando uma molécula deoxigênio é ligada, fica mais fácil para a próxima molécula se ligar
MAS…
Satmiogl > Sathemogl
1 atm = 760 torr
			Hemoglobina
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Mioglobina: ARMAZENAMENTO (storage)
Hemoglobina: TRANSPORTE
O2
Liga-se fortemente ao O2 em pressões muito baixas
Deve ser capaz tanto de ligar o oxigênio fortemente como liberá-lo facilmente, dependendo das condições
Atividade da proteína se dá em função da 
pressão de O2
Protein activity is the function of oxygen pressure!!
		Hemoglobina
64
Mioglobina: ARMAZENAMENTO
Hemoglobina: TRANSPORTE
O2
Alvéolos pulmonares: hemoglobina deve liga-se ao O2 para transportá-lo aos tecidos.
pO2 = 100 torr e Sathemogl = 100%
Vasos capilares: fornecem O2 às células 
pO2 = 20 torr e Sathemogl < 50%
Liberação de O2
Observação: desnaturação proteica
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Arranjo tridimensional da cadeia polipeptídica é rompido (broken)
Perda da atividade biológica
Desnaturação da albumina
Rompimento de interações
não-covalentes das proteínas
ROMPIMENTO DA
ESTRUTURA 
TERCIÁRIA
Observação: desnaturação proteica
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Arranjo tridimensional da cadeia polipeptídica é rompido
CALOR
EXTREMOS DE PH
DETERGENTES
OUTROS REAGENTES
Aumento da energia de vibração das moléculas, suficiente para romper a estrutura terciária
Interações eletrostáticas são drasticamente reduzidas
P. ex. Dodecil sulfato de sódio (SDS)
Rompimento de interações hidrofóbicas
P. ex. Ureia e hidrocloreto de guanidina
Ligações de hidrogênio mais fortes que as da própria proteína
O comportamento das proteínas
67
ENZIMAS
Proteínas globulares com a função de catalisar reações químicas
Continua
Aula 3
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“Estrutura Tridimensional das Proteínas”
Níveis de estrutura das proteínas
Estrutura primária
Estrutura secundária (α-hélice, folha β)
Irregularidades estruturais
Conformações de proteínas: fibrosas e globulares
Estrutura terciária
Desnaturação e renaturação
Estrutura quaternária: hemoglobina
69
69