Aula 06. Proteínas Estrutura e Função [2012]

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Rafael Felippe Valverde 
valverde@biof.ufrj.br 
Lab. de Físico-Química Biológica G-37 
 
 
Biologia Celular para Nanociências e Nanotecnologia 
IBCCFº UFRJ 
 
Março 2012 
 
Figure 6-82 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Passos na Criação de 
uma Proteína Funcional 
informação para enovelamento correto está 
contida na sequência polipeptídica 
 
grande quantidade de interações não-
covalentes (estruturas secundárias e 
terciárias) 
 
enovelamento seguindo o “Paradoxo de 
Levinthal” (menor energia) 
ligação de cofatores 
 
modificação pós traducional (fosforilação, 
glicosilação) 
 
ligação de subunidades (estrutura quaternária) 
Cadastro de Novas Estruturas no PDB 
aumento no registro de 
novas proteínas!! 
 
estagnação nas novas 
estruturas cristalográficas 
catalogadas!! 
Protein Data Bank (PDB) 
molécula do mês!! 
proteína não visita cada uma 
das conformações possíveis 
 
a conformação de uma 
proteína corresponde a de 
menor energia livre 
 
enovelamento mais rápido 
possível e conformação mais 
estável possível 
O Paradoxo de 
Levinthal e a “Escolha” 
da Conformação 
Nativa 
O Folding do Inibidor de Quimotripsina 
Daggett & Fersht, Nature Rev. Mol. Cell Biol. 4, 2003 
folding (enovelamento) do inibidor de 
quimotripsina requer nanosegundos! 
Desnaturado 
Incompleto 
Estrutura Terciária (TS) 
Nativa 
Figure 6-83 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Algumas Proteínas Iniciam o Enovelamento Enquanto 
Ainda estão Sendo Sintetizadas 
selecão evolutiva pela 
capacidade de enovelamento 
eficiente 
 
maior parte da estrutura 
secundária ( hélices e folhas β) 
se forma em poucos segundos 
após deixar o ribossomo 
estado ainda instável e 
dinâmico (molten globule): 
precede outras etapas do 
enovelamento 
Figure 6-84 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Enovelamento Co-Traducional 
estado molten globule é o ponto 
de partida para etapas mais 
elaboradas de enovelamento 
algumas proteínas estão completamente 
enoveladas ao final da tradução, outras 
requerem mais tempo 
Aminoácidos como Unidades Fundamentais 
das Proteínas 
radicais determinam as 
propriedades químicas dos 
aminoácidos 
 
diferentes grupos de aa 
Os 20 Aminoácidos e a Pleiotropia Protéica 
A Hierarquia Estrutural Protéica 
cadeia polipeptídica como estrutura 
fundamental proteica 
 
estrutura primária é determinante 
na conformação 3D 
Estrutura Secundária: -Hélices e Folhas -
Pregueadas 
-hélices: formação de pontes de 
hidrogênio entre aa distanciados 4 
residuos um do outro 
folhas  pregueadas: 
pontes de hidrogênio são 
feitas entre aa distantes na 
estrutura primária 
(abundantes em canais) 
Estrutura Terciária 
estrutura terciária depende 
diretamente da composição de aa 
(estrutura primária) 
pontes dissulfeto, pontes de hidrogênio, 
forças de van der walls 
Estrutura Quaternária 
Janowski et al., Nature Structural Biology 8, 2001 
estrutura quaternária é formada por 
complexos supramoleculares (interação 
entre subunidades diferentes) 
 
glicolipideos, glicoproteínas 
Figure 6-85 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Visão Atual do 
Enovelamento 
Proteico 
maioria das proteinas é 
recepcionada por chaperonas 
moleculares ao deixar o ribossomo 
 
diferentes caminhos moleculares 
para o enovelamento (alguns sem 
saída!!) 
 
chaperonas moleculares guiam o 
enovelamento 
heat-shock proteins (Hsp) ajudam as 
proteinas no enovelamento 
 
Hsp60 e Hsp70 (BIP no retículo) 
Figure 6-86 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Visão Atual do Enovelamento Proteico 
Hsp60 e Hsp70 trabalham com proteinas 
associadas 
 
afinidade por domínios hidrofóbicos (7 aa) e 
quebram ATP (ciclos de hidrólise regulam 
associação e dissociação) 
 
Hsp70 age mais cedo na vida da proteína 
(antes que esta deixe o ribossomo) (BIP no 
retículo) 
Figure 6-87 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Estrutura e Função da Família de Chaperonas Hsp60 
Hsp60 forma estrutura em barril (isola a proteína mal enovelada 
após sintese!) (chaperonina) 
 
ligação do ATP e de outras proteínas aumentam a largura do barril 
(15 segundos para re-enovelamento) 
 
metade do barril opera em cada proteína por vez 
Figure 6-88 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Regiões Hidrofóbicas Expostas: Sinais para Controle 
de Qualidade Proteico 
experimentos com aa radioativos mostram 
que Hsp70 atua primeiro, durante a 
tradução e Hsp60–like atuam depois 
proteínas com bolsos hidrofóbicos 
expostos são anormais (perigo!) 
 
primeiro recurso: chaperonas ajudam a 
re-enovelar e evitam agregação 
 
último recurso: digestão no proteossoma 
(marcação da proteína defeituosa) 
como a célula distingue proteinas 
completas daquelas que precisam de mais 
rounds de enovelamento? 
perigo! 
Figure 6-89 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Proteassoma: Protease 
Compartimentalizada com 
Sítios Ativos Ocluídos 
proteases e chaperonas competem na 
organização estrutural de proteínas 
 
devido a erros e mutações, algumas 
proteínas nunca se enovelam 
corretamente 
 
proteassoma: proteases ATP-
dependentes que constituem 1% do 
conteúdo proteico celular 
cada proteassoma possui um cilindro central 
com multiplas subunidades proteícas 
(quatro anéis heptaméricos) 
 
em vermelho: sítios ativos das proteases 
Figure 6-90 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
O Processo de Digestão da Proteína pelo Proteassoma 
subunidades com atividade proteolítica 
distinta com sítios ativos voltados para o 
centro do cilindro (arquitetura ultramolecular 
segura) 
cap reconhece 
ubiquitinas na 
proteina, que é 
translocada ao 
interior do 
proteassoma 
translocação ao centro do proteassoma é 
mediada por um anel proteico dependente de 
ATP que desenovela a proteina alvo (cap 19S) 
Figure 6-91a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A “unfoldase” (proteínas da família AAA) 
unfoldases formam o anel do cap se 
organizando em um hexâmero 
 
semelhança com DNA helicases!! 
Figure 6-91b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Modelo de 
Funcionamento da 
Unfoldase 
Proteassoma retém e degrada proteínas 
totalmente! 
 
1. subunidade de unfoldase ligada a 
ATP reconhece tag na proteína alvo 
(ubiquitina ou outro) 
 
2. mudança conformacional na 
unfoldase (ATP dependente) puxa o 
substrato ao core do proteossoma 
 
3. proteína alvo se desenovela 
parcialmente e adentra o anel 
(proteínas mais estáveis: diversos 
ciclos de hidrólise de ATP) 
 
4. desenovelada a proteína alvo 
adentra o proteassoma 
Figure 6-92a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Ubiquitina 
ubiquitina existe de forma livre ou 
covalentemente ligada a proteínas na célula 
 
ubiquitinação marca para destruição no 
proteassoma (mas possui outros significados 
também!) 
 
número de ubiquitinas e forma de adição 
tem diferentes significados 
ubiquitina tem 
apenas 76 aa 
A Marcação de Proteínas com Cadeias de Poli-
ubiquitina 
ubiquitina é transferida a enzima conjugadora da 
ubiquitina (E2) que atua em conjunto com E3 (complexo 
E2-E3: ubiquitina ligase) 
 
E3 reconhece sinais de degradação nas proteínas alvo 
c-terminal da ubiquitina é ativado 
pela ligação a uma cisteína da 
proteína E1 (enzima de ativação 
da ubiquitina) 
Figure 6-92c Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Ubiquitina e a marcação de proteínas com 
cadeias de poli-ubiquitina 
E3 reconhece sinais de degradação nas proteínas 
alvo ajudando E2 a formar uma cadeia de poli-
ubiquitina em lisinas desta 
 
ubiquitinas são ligadas a lisinas de outras unidades 
de ubiquitina formando uma cadeia! 
Figure 6-93 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
A Marcação de Proteínas com Ubiquitina 
número de moléculas de ubiquitinae 
forma como são ligadas: significados 
diferentes! 
dois tipos de poliubiquitinação diferindo pela 
lisina utilizada na formação da cadeia 
 
ligação por Lys48: degradação 
ligação por Lys63: outros sigificados 
Figure 6-94a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Várias Proteínas são Controladas por Destruição 
Regulada outra função da via 
proteolítica: encurtar a vida 
de proteínas normais 
específicas 
 
situação circunstancial (ex: 
ciclinas) 
diversos mecanismos 
 
ubiquitina ligase acionada 
por fosforilação de E3 
 
ativação pela ligação de 
fator alostérico a E3 
 
Ex: fator de promoção da 
anáfase (APC) é uma E3 
que ubiquitina ciclinas 
como esta destruição 
regulada é controlada? 
Figure 6-94b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Criação de um Sinal de Degradação Exposto 
sinal de degradação pode ser 
criado em uma proteína alvo por 
diversos processos: 
 
fosforilação pode expor sequencia 
de degradação ocluida! 
dissociação de uma 
subunidade proteica 
 
clivagem do N-terminal com 
criação de um sítio 
reconhecido por E3 
“Regra do N-term”: uma 
ubiquitina ligase 
específica reconhece 12 
aa como “resíduos 
desestabilizantes” 
Ex: coesina, mantém 
cromatides irmãs unidas 
 
é clivada em uma das etapas 
do ciclo celular (aa 
desestabilizante no N-
term!!) 
Figure 6-95d Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Agregados Proteicos Levam a Doenças 
Humanas 
agregados proteicos são 
resistentes a proteólise 
 
agregados formam fibras com 
empilhamento de cadeias 
polipeptídicas na conformação 
de folhas !! 
fibra contendo diversas 
folhas ! 
 
interações por pontes de 
hidrogênio entre as 
cadeias polipeptídicas 
erro raríssimo no 
enovelamento! 
 
de α-hélices para 
folhas !! 
Figure 6-95a,b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
proteínas com enovelamento incorreto que 
fogem ao controle de qualidade podem formar 
agregados 
 
dano/morte celular, doenças 
 
doenças de Huntington e Alzheimer 
Agregados Proteicos Levam a Doenças Humanas 
degradação dos mecanismos de controle do 
enovelamento podem levar a acúmulo de 
proteínas sem qualquer alteração genética 
 
acúmulo na célula e meio extracelular (dano 
ao tecido)