Estrutura e Função de Proteínas

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Estrutura e Função de Proteínas
Professora Melissa Kayser
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INTRODUÇÃO
As proteínas, além de constituírem o componente celular mais abundante, apresentam estruturas e funções tão variadas e são sintetizadas a partir de 20 aminoácidos diferentes.
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Aminoácido
Um aminoácido consiste em um carbono “central” com uma ligação a grupo amino (-NH2), outra a um grupo carboxila (-COOH), a terceira a um átomo de hidrogênio e a quarta a uma cadeia lateral variável.
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Polipeptídeos
As proteínas também são chamadas de polipeptídeos, porque os aminoácidos que as compõe são unidos por ligações peptídicas. 
Uma ligação peptídica é a união do grupo amino (-NH2) de um aminoácido com o grupo carboxila (-COOH) de outro aminoácido, através da formação de uma amida e liberação de uma molécula de água (H2O).
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Ligação peptídica
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Geometria de uma cadeia polipeptídica
A ligação peptídica tem características intermediárias entre uma ligação simples e uma dupla ligação, devido às interações entre formas de ressonância.
 Como conseqüência desse caráter não há possibilidade de rotação em torno da ligação peptídica, sendo assim, os átomos ficam dispostos em um plano rígido, constituindo o que se costuma chamar de grupo peptídico ou unidade peptídica.
Todavia, existem pontos de dobramento entre as unidades peptídicas rígidas, graças à possibilidade de rotação em torno das ligações com o carbono .
Ligação peptídica
Ligação peptídica
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Estrutura da Proteínas
A seqüência de aminoácidos determina a estrutura espacial das proteínas.
A estrutura das proteínas pode ser descrita em 4 níveis.
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Estrutura da Proteínas
A estrutura primária é somente a seqüência dos aminoácidos, sem se preocupar com a orientação espacial da molécula.
As interações intermoleculares entre os aminoácidos das proteínas fazem com que a cadeia protéica assuma uma estrutura secundária e uma estrutura terciária. 
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ESTRUTURA PRIMÁRIA
A estrutura primária é a seqüência de aminoácidos ao longo da 
cadeia polipeptídica, que é determinada geneticamente, sendo 
específica para cada proteína, determinando a sua forma e a 
sua função.
Por convenção, a estrutura primária é escrita na direção amino terminal → carboxila terminal.
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O Código Genético 
A determinação da seqüência de aminoácidos da insulina por Frederick Sanger, em 1953, foi um marco na bioquímica porque mostrou pela primeira vez que uma proteína tem uma seqüência de aminoácidos precisamente definida. Isto estimulou outros cientistas a fazerem estudos de seqüência de uma ampla variedade de proteínas. Hoje, mais de 2.000 de proteínas já foram seqüenciadas. 
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ESTRUTURA SECUNDÁRIA
Duas organizações são particularmente estáveis:
-Hélice;
Folha  pregueada.
São estabilizadas por pontes de hidrogênio entre o nitrogênio e o oxigênio dos grupos – NH e - CO, constituintes das unidades peptídicas.
Embora a ponte de hidrogênio seja uma ligação fraca, o elevado número destas ligações confere grande estabilidade a essas estruturas.
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 -Hélice
É a forma mais comum de estrutura secundária regular;
Caracteriza-se por uma hélice em espiral formada por 3,6 resíduos de aminoácidos por volta;
A principal força de estabilização da -hélice é a ponte de hidrogênio entre uma unidade peptídica e a quarta unidade peptídica subseqüente; 
Estas pontes de hidrogênio dispõem-se paralelamente ao eixo da hélice.
As cadeias laterais dos aminoácidos se distribuem para fora da hélice;
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-Hélice
o
H
Mioglobina apresenta cerca de 80% da cadeia polipeptídica organizada em -hélice
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Folha--Pregueada 
Envolve 2 ou mais segmentos polipeptídicos da mesma molécula ou de moléculas diferentes, arranjados em paralelo ou no sentido antiparalelo.
Essas cadeias, ou segmentos de cadeia, exibem uma conformação mais distendida que a -hélice e dispõem-se lado a lado, o que dá à estrutura formada o aspecto de uma folha de papel pregueada.
Concanavalina A é uma proteína vegetal que têm alto conteúdo de folha--pregueada
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Folha--Pregueada 
As pontes de hidrogênio mais uma vez são a força de estabilização principal desta estrutura.
As pontes de hidrogênio são perpendiculares ao eixo das cadeias e os grupos R dos aminoácidos projetam-se para cima e para baixo do plano da folha pregueada.
Estabilizada por pontes de hidrogênio
entre os grupos NH e CO de diferentes fitas
Anti-Paralelas
Paralelas
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ESTRUTURAS SECUNDÁRIAS 
-Hélice
Folha--Pregueada
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Esta estrutura descreve o dobramento final da cadeia polipeptídica por interação de regiões com estrutura regular (-hélice ou folha  pregueada) ou de regiões sem estrutura definida. 
Neste nível de organização, segmentos distantes da estrutura primária podem aproximar-se e interagir, por intermédio de ligações não covalentes entre cadeias laterais dos resíduos dos aminoácidos.
Estas ligações são consideradas fracas, quando comparadas as ligações covalentes.
ESTRUTURA TERCIÁRIA 	
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Ligações não-covalentes:
Pontes de hidrogênio;
Interações hidrofóbicas; (cadeias laterais hidrofóbicas)
Ligações iônicas Lisina, Arginina e Histidina (+) e Aspartato, Glutamato(-)
Ligações covalentes:
Pontes de dissulfeto.
É formada, entre dois resíduos de cisteína, por uma 
reação de oxidação catalisada por enzimas específicas.
ESTRUTURA TERCIÁRIA 	
Interações entre cadeia 
principal e cadeia lateral
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Estrutura Terciária 
A estrutura terciária relaciona-se com os loopings e dobraduras da cadeia protéica sobre ela mesma.
É a conformação espacial da proteína, como um todo, e não de determinados segmentos particulares da cadeia protéica. 
8 segmentos em -hélice, separados por trechos
sem estrutura regular
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Estrutura Terciária 
O que determina a estrutura terciária são as cadeias laterais dos aminoácidos
Algumas cadeias são tão longas e hidrofóbicas que perturbam a estrutura secundária helicoidal, provocando a dobra ou looping da proteína. 
Muitas vezes, as partes hidrofóbicas da proteína agrupam-se no interior da proteína dobrada.
Longe da água e dos íons do ambiente onde a proteína se encontra, deixando as partes hidrofílicas expostas na superfície da estrutura da proteína. 
A insulina é uma proteína terciária (possui 3 pontes de dissulfeto)
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ESTRUTURA QUATERNÁRIA
Descreve a associação de duas ou mais cadeias polipeptídicas (subunidades) para compor uma proteína funcional.
A conformação espacial destas cadeias, juntas, é que determina a estrutura quaternária. Esta estrutura é mantida pelas mesmas forças que determinam as estruturas secundárias e terciárias. 
A estrutura quaternária é mantida por ligações não-covalentes entre as subunidades.
As subunidades que constituem uma proteína podem ser iguais ou diferentes.
Interações Hidrofóbicas , polares, covalentes,...
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A molécula de hemoglobina, por exemplo é formada por quatro cadeias
polipeptídicas, iguais duas a duas, chamadas  e , associadas sobretudo
por interações hidrofóbicas, com contribuição menor de pontes de 
hidrogênio e interações eletrostáticas.
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Estrutura Quaternária
Esta figura mostra uma imunoglobulina que é, na verdade, um tetrâmero, isto é, constituída por 4 cadeias protéicas (polipeptídeos).
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Quatro níveis de organização:
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ESTRUTURAS PRIMÁRIAS E SECUNDÁDIAS
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ESTRUTURAS TERCIÁRIAS E QUATERNÁRIAS
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PROTEÍNAS GLOBULARES E FIBROSAS
As proteínas são chamadas globulares ou fibrosas, segunda a sua forma.
As proteínas globulares apresentam uma ou mais cadeias polipeptídicas organizadas em uma forma final aproximadamente esférica. São geralmente solúveis e desempenham várias funções dinâmicas.
As proteínas fibrosas têm forma alongada, são geralmente insolúveis e desempenham um papel basicamente estrutural nos sistemas biológicos.
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PROTEÍNAS FIBROSAS
O componente fundamental das proteínas fibrosas são cadeias polipeptídicas muitolongas com estrutura secundária regular:
-hélice nas -queratinas (pele, unhas, penas, cifres, cabelos);
Folha--pregueada nas -queratinas (fibroína da seda e das teias de aranha);
Uma hélice característica no colágeno.
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Proteínas Conjugadas
As proteínas podem ser simples 
Constituídas somente por aminoácidos 
ou conjugadas 
Contêm grupos prostéticos, isto é, grupos não aminoácidos, tais como carboidratos, íons, pigmentos, etc.
 A hemoglobina é um exemplo de proteína conjugada: contém 4 grupos prostéticos, cada um consistindo de um íon de ferro e a porfirina. São justamente estes grupos que habilitam a hemoglobina a carregar o oxigênio através da corrente sanguínea. 
As lipoproteínas, tal como LDL e HDL, são também exemplos de proteínas conjugadas - neste caso, com lipídeos.
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Proteínas Conjugadas
Proteíca
Grupo
 prostético
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FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS
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Funções das proteínas
As proteínas exercem papéis cruciais em todos os processos biológicos.
As funções que desempenham são estruturais e dinâmicas. 
Sua importância é notável e são exemplificadas nas seguintes funções: 
Catálise enzimática
Transporte e armazenamento
Movimento coordenado
Sustentação mecânica
Proteção imunitária
Controle do metabolismo, do crescimento e da diferenciação
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Enzimas – Catálise enzimática
As enzimas são uma classe muito importante de proteínas biologicamente ativas.
Elas são responsáveis pela catálise de diversas reações em nosso organismo. Reações que, sem o auxílio das enzimas, jamais aconteceriam ou, ainda, gerariam indesejados produtos colaterais. 
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Transporte e Armazenamento
 Muitas moléculas e iontes pequenos são transportados por proteínas específicas. 
Por exemplo, a hemoglobina dos eritrócitos liga-se ao oxigênio à medida que o sangue atravessa os pulmões, transporta-o até os tecidos periféricos e libera-o para que possa participar da oxidação dos nutrientes.
A mioglobina, uma proteína desta mesma família, transporta oxigênio no músculo. 
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Hemoglobina
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O plasma sangüíneo também contém lipoproteínas que transportam lipídios do fígado para outros órgãos. 
O ferro é transportado no plasma sangüíneo pela transferrina, e armazenado no fígado complexado com a ferritina, uma outra proteína. 
Outros tipos de proteínas de transporte estão presentes nas membranas plasmáticas e nas membranas intracelulares de todos os organismos; elas estão aptas a ligaram-se, por exemplo, à glicose, aos aminoácidos ou às outras substâncias e a transportá-las através dessas membranas.
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Proteínas presentes nas membranas
Muitas proteínas biologicamente ativas ficam na região da membrana celular, e atuam de diversas maneiras.
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Proteínas presentes nas membranas
Proteínas integrinas e periféricas
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Muitas proteínas servem como filamentos de suporte para fornecer proteção ou resistência a estruturas biológicas. 
A alta força de tensão da pele o do osso é devida à presença do colágeno, uma proteína fibrosa. 
O couro é quase que colágeno puro. 
Os ligamentos contêm elastina, uma proteína estrutural capaz de distender-se em duas dimensões. 
Sustentação Mecânica
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Sustentação Mecânica
                                                                                                                            
O cabelo, as unhas e as penas consistem principalmente da proteína resistente e insolúvel denominada queratina. A forma de um fio de cabelo é determinada em parte pelo padrão de pontes dissulfeto na queratina. 
O maior componente das fibras da seda e da teia das aranhas é a fibroína. 
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As imunoglobulinas, são proteínas altamente específicas sintetizadas pelos linfócitos dos vertebrados, que podem reconhecer e precipitar, ou neutralizar, invasores como vírus, bactérias, células de outros organismos e proteínas "estranhas", levando à ativação do sistema do complemento e/ou de células do sistema imunológico.
Proteção Imunitária
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Algumas proteínas habilitam células e organismos com a capacidade de contrairem-se, de mudarem de forma, ou de se deslocarem no meio ambiente. 
A actina e a miosina funcionam no sistema contrátil do músculo esquelético e a contração muscular é conseguida pelo movimento de deslizamento dos dois tipos de filamentos protéicos constituídos por estas proteínas. 
Movimento Coordenado
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Algumas proteínas ajudam a regular a atividade celular ou fisiológica. Entre elas estão muitos hormônios. Um exemplo é a insulina, a qual regula o metabolismo dos açúcares e o hormônio de crescimento da hipófise. 
Em organismos superiores, o crescimento e a diferenciação são controlados pelos fatores protéicos de crescimento. Por exemplo, o fator de crescimento de nervos guia a formação de redes neurais. 
De fato, as proteínas servem em todas as células como sensores que controlam o fluxo de energia e de matéria.
Controle do Metabolismo, do Crescimento e da Diferenciação celular
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
MARZZOCO, A & TORRES, B.B. Bioquímica Básica 2 edição. Guanabara-Koogan. Rio de Janeiro. 1999
CHAMPE, P. C.; HARVEY, R.A.; FERRIER, D.R. Bioquímica ilustrada. 3° ed. Porto Alegre: ARTMED, 2006.
LUBERT STRYER, J.; TYMOCZKO, J.B. Bioquímica. 5° ed. Rio de Janeiro. GUANABARA-KOOGAN, 2004.
ROST WWW, B. (2000). Better secondary structure prediction through more data. Columbia University, WWW document (http://cubic.bioc.columbia.edu/predictprotein) 
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MUITO OBRIGADA PELA ATENÇÃO!