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UENF, CBB, LQFPP Prof. Gustavo Rezende Bioquímica Geral 4ª aula: Proteínas O que vimos na última aula: Constante de equilíbrio da água H2O H+ + OH- Keq = [H2O] [H+] [OH-] Sabe-se que a 25º C, muito pouco da água está ionizada, e a fórmula fica... Keq = 55,5 M [H+] [OH-] e podemos rearranjar a equação: (55,5 M)(Keq) = = Kw[H+] [OH-] Onde Kw é o produto iônico da água = 1 x 10-14 M2. Tabela: A escala de pH A escala de pH é logarítmica, a diferença em um unidade significa uma diferença de dez vezes na concentração de H+ ! Mais ácido Mais básico Medidas e valores de pH são essenciais na bioquímica! Exatamente no meio da curva, o pH equivale ao pKa do ácido em questão. Ácidos e bases fracas Aminoácidos (Aas): Estrutura geral dos aminoácidos: 20 Aas ao todo. Todos possuem essa estrutura geral (com exceção da prolina). O que difere em cada Aas é o grupo R. α Aas podem agir como ácidos e bases (são anfotéricos) Um zwitterion pode agir como um ácido (doador de próton) Um zwitterion pode agir como uma base (aceptor de próton) A carga líquida dos aas varia com o pH carga líquida: Aumento do pH Resumo sobre Aas e suas propriedades: * Aas com valor negativo tendem a ficar em ambiente aquoso; com valor positivo em ambiente hidrofóbico. Roteiro da aula de hoje: Sobre peptídeos e proteínas: 1) Composição 2) Estrutura 3) Função Composição: Aminoácidos unem-se covalentemente através de ligações peptídicas. O resultado são resíduos de aminoácidos. Ligação peptídica: Ocorre entre o grupo α-carboxila de um aminoácido com o grupo α-amino de outro aminoácido, com a liberação de uma molécula de água. É uma reação de condensação. Peptídeos e proteínas são polímeros de aminoácidos (aas) Esquema geral de um aminoácido: ou A ligação peptídica ligação peptídica Peptídeos e proteínas são polímeros de aminoácidos (aas) Tamanho de peptídeos e proteínas: Dipeptídeo – 2 resíduos de aminoácidos unidos por uma ligação peptídica Tripeptídeo – 3 resíduos de aminoácidos unidos por duas ligações peptídicas Oligopeptídeos (poucos aas juntos) Polipeptídeos (muitos aas juntos) Proteínas Peptídeos e proteínas são polímeros de aminoácidos (aas) Tamanho de peptídeos e proteínas: Polipeptídeos tendem a ser considerados como moléculas com peso molecular menor do que 10.000 Da (10 KDa). Proteínas tendem a ser consideradas moléculas com peso molecular maior que 10.000 Da (10 KDa). 10 KDa equivale a, aproximadamente, uma cadeia com 90 resíduos de aas. Dalton (Da) é a unidade de massa atômica. 1 átomo de Hidrogênio tem massa de 1 Da. 1 átomo de Carbono: 12 Da. Um pentapeptídeo: Ligações peptídicas em amarelo, grupos R em vermelho. Extremidade (resíduo) carboxi-terminal Um pentapeptídeo: Extremidade (resíduo) amino- terminal Por convenção as proteínas são lidas da esquerda para a direita, com o resíduo amino- terminal mais à esquerda. Esse peptídeo é: Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu ou SGYAL. Peptídeos e proteínas podem ser distinguidos entre sí por seu comportamento de ionização Tetrapeptídeo AEGK: Grupo R A carga (e o comportamento ácidobase) de proteínas é determinado pelos grupos terminais α-amino e α-carboxila e os grupos R ionizáveis (em vermelho). Peptídeos e proteínas podem ser distinguidos entre sí por seu comportamento de ionização Tetrapeptídeo AEGK: Assim como os aminoácidos livres, os peptídeos possuem curvas de titulação próprias e também pIs. Peptídeos e proteínas podem ser distinguidos entre sí por seu comportamento de ionização Tetrapeptídeo AEGK: Aspartame (adoçante): é um dipeptídeo: Peptídeos e proteínas biologicamente ativos ocorrem em uma vasta faixa de tamanhos Aspartame (adoçante): é um dipeptídeo: Hormônios TRF (3 resíduos de aas), ocitocina (9 resíduos) e bradicinina (9 resíduos), Hormonios insulina (2 cadeias de polipetídeos, uma com 30, outra com 21 resíduos), glucagon (29 resíduos) e corticotropina (39 resíduos). E vai aumentando... Peptídeos e proteínas biologicamente ativos ocorrem em uma vasta faixa de tamanhos Peptídeos e proteínas biologicamente ativos ocorrem em uma vasta faixa de tamanhos Peptídeos e proteínas biologicamente ativos ocorrem em uma vasta faixa de tamanhos Titina é a maior proteína que se conhece na natureza, com peso molecular de 2.993 KDa! Ela esta presente no tecido muscular esquelético e participa do processo de contração muscular. Peptídeos e proteínas biologicamente ativos ocorrem em uma vasta faixa de tamanhos Sendo assim, não existe correlação entre o tamanho de peptídeos e proteínas e suas funções moleculares. Diferentes peptídeos e proteínas possuem composições de aas próprias: A função das proteínas está diretamente relacionada com sua sequencia de resíduos de aas (e consequente composição de aas). Algumas proteínas contém outros grupos químicos além de aas Proteínas conjugadas são aquelas que possuem permanentemente outro componentes químicos além dos aas; esses componentes são chamados de grupos prostéticos. Estrutura: Antes de falar sobre estrutura protéica, vamos explicar o conceito de conformação: O arranjo espacial de átomos em uma proteína é denominado sua conformação. Uma proteína pode possuir diversas conformações. As possíveis conformações de uma mesma proteína incluem qualquer estado estrutural que pode ser alcançado sem a quebra de ligações covalentes. Dentre as numerosas conformações teoricamente possíveis, apenas uma ou poucas predominam em condições biológicas. Múltiplas conformações refletem alterações que podem ou devem ocorrer para que a proteína exerça sua(s) função(ões). Proteínas tendem a se manter em conformações em que seu estado termodinâmico seja mais estável (com menor energia livre de Gibbs). Por exemplo: com resíduos de aminoácidos na parte de dentro da proteína e com aminoácidos de cargas opostas próximos entre sí. Uma proteína que esteja em qualquer uma de suas conformações funcionais e devidamente enovelada (estrutura tri-dimensional) é chamada de proteína nativa. A conformação estável de uma proteína é estabilizada, principalmente, pelas interações fracas (pontes de hidrogênio, interações hidrofóbicas, iônicas e de van der Walls). Sobre conformação e proteína nativa: Sobre a rigidez das ligações peptídicas: Dentro do grupo peptídico, entre o O e o N ocorre a formação de pequeno dipolo elétrico e o compartilhamento parcial de dois pares de elétrons (ressonância). Isso gera um caráter parcial de ligação dupla entre os átomos C e N. Os carbonos α de dois resíduos de aas adjacentes se associam da seguinte forma: Cα-C-N-Cα. Esse 4 átomos mais o H e o O formam os 6 átomos de um grupo peptídico. As ligações peptídicas são rígidas e planares Assim, há restrição de rotação da ligação peptídica. As ligações peptídicas são rígidas e planares Assim, há restrição de rotação da ligação peptídica. Mas no esqueleto principal da proteína as ligações N-C α e C α -C têm rotação (mas não a ligação C-N). Os quatro níveis hierárquicos de organização de estruturas protéicas: ESTRUTURA PRIMÁRIA É a ordem (sequencia) dos aminoácidos na cadeia polipeptídica. É a descrição de todas as ligações covalentes (ligações peptídicas e pontes dissulfeto) entre os aminoácidos da cadeia polipeptídica. Insulina: 2 cadeias de polipetídeos, uma com 21, outra com 30 resíduos, ligadas por pontes dissulfeto. A estrutura primária das proteínas pode dar pistas importantes a respeito da evolução e função da proteína • A evolução conservou aminoácidos importantes para aestrutura e função de proteínas entre espécies. A comparação de seqüências de uma determinada proteína nos diferentes organismos revela importantes regiões conservadas e relações evolutivas entre diferentes organismos. Comparação de sequencias de uma mesma proteína entre espécies. Resíduos sombreados de amarelos são identicos entre as espécies. ESTRUTURA SECUNDÁRIA É a conformação local de resíduos em padrões de enovelamento regulares. Três tipos de estrutura secundária ocorrem predominantemente nas proteínas: α hélices, folhas β e voltas β. α hélice folhas β volta β As α Hélices • Na a-helice, o oxigênio do carbonil de um resíduo forma ligação de hidrogênio com hidrogênio do grupamento amida do terceiro resíduo posterior. • Os grupamentos R projetam-se para fora do esqueleto helicoidal. • Embora cada ligação de hidrogênio seja relativamente fraca, a soma das ligações de hidrogênio na hélice a estabilizam. • A propensão de um peptídeo de formar hélice depende dos aminoácidos de sua seqüência. As α Hélices Visão de cima (c) e modelo de espaço cheio (d). Estabilização da estrutura nas α Hélices – todas as ligações peptídicas participam deste tipo de ponte – ponte de hidrogênio entre ligações peptídicas do 1o CO HN do 4o resíduo – cada volta sucessiva da hélice é segura por 4 pontes de Hidrogênio de voltas adjacentes. Restrições que afetam a estabilidade da α Hélices 1. Repulsão ou atração eletrostática entre resíduos sucessivos de aminoácidos com grupamento R carregados. 2. O volume de aminoácidos adjacentes. 3. Interações entre grupamentos espaçados a 3 ou 4 resíduos de distância. 4. Ocorrência de resíduos de prolina e glicina. 5. Interação entre resíduos de aminoácidos nos finais da hélice e o dipolo elétrico inerente à hélice (região amino- terminal: presença de aas carregados negativamente, na região carboxi-terminal: presença de aas carregados positivamente. Conformações β • Conformação mais estendida nas cadeias polipeptídicas • Esqueleto da cadeia polipeptídica é estendida na forma de zigzag, ao invés de formar hélices, forma folhas. Folhas β ou folhas β pregueadas • Cadeias polipeptídicas em zigzag arranjadas lado a lado, as ligações de hidrogênio são formadas entre os segmentos adjacentes. •Os segmentos que formam a folha β são geralmente cadeias próximas, mas podem estar distantes um do outro na cadeia linear do polipeptídio. Podem inclusive estar em diferentes cadeias polipeptídicas. •Os grupamentos laterais (R) de aminoácidos adjacentes se projetam da estrutura zigzag em direções opostas. • Podem ser paralelas ou antiparalela (tendo orientação amino-carboxi igual ou oposta, respectivamente). Paralela Vista superior Vista lateral Antiparalela Vista superior Vista lateral Voltas β (β turn) • Em proteínas globulares, cerca de 1/3 dos AAs estão em voltas e loops (alças), onde a cadeia polipeptídicas reverte as direções. Volta Loop (ou alça) Voltas β (β turn) • Em proteínas globulares, cerca de 1/3 dos AAs estão em voltas e loops (alças), onde a cadeia polipeptídicas reverte as direções. • Loops e voltas conectam hélices sucessivas ou conformacões beta. • Volta de 180o envolvendo 4 AAs. Oxigênio do carbonil do 1o AA forma ligação de hidrogênio com H do NH do 4o resíduo. • Os grupamentos laterais dos resíduos do meio (resíduos 2 e 3) não participam de nenhuma ligação de hidrogênio entre resíduos. • Glicina e Prolina ocorrem com freqüência nestas estruturas. Voltas β (β turn) • Em proteínas globulares, cerca de 1/3 dos AAs estão em voltas e loops (alças), onde a cadeia polipeptídicas reverte as direções. • Loops e voltas conectam hélices sucessivas ou conformacões beta. • Volta de 180o envolvendo 4 AAs. Oxigênio do carbonil do 1o AA forma ligação de hidrogênio com H do NH do 4o resíduo. • Os grupamentos laterais dos resíduos do meio (resíduos 2 e 3) não participam de nenhuma ligação de hidrogênio entre resíduos. • Glicina e Prolina ocorrem com freqüência nestas estruturas. • As voltas β ocorrem com freqüência próximas a superfície da proteína, onde os grupamentos peptídicos do resíduos do meio podem fazer ligações de hidrogênio com a água. Voltas β do tipo I e II. No tipo II, Gly é sempre o 3º resíduo. Voltas β (β turn) Tipo I Tipo II Voltas ββββ Cada estrutura secundária possui aminoácidos característicos α Hélice Conformação β Voltas β % relativo de cada aminoácido em: Proporção aproximada de α hélices e conformações β em algumas proteínas de cadeia peptídica única % resíduos de AAs Proteína (total de resíduos) Preferência conformacional dos aminoácidos Predição de estrutura secundária Um valor maior que 1 indica a preferência por uma tipo de estrutura secundária em particular AAs α Hélice Conformação β Voltas β Os elementos de estrutura secundária são combinados em arranjos variados e em diferentes proporções Convenção: região mais amino-terminal de vermelho, região mais carboxi-terminal de azul. Mioglobina Zíper de leucina ESTRUTURA TERCIÁRIA = enovelamento global da proteína. Arranjo 3D da proteína. Resíduos de aminoácidos que estão distantes na seqüência primária e na estrutura secundária podem interagir na estrutura enovelada da proteína. A conformação enovelada de uma proteína é formada pela condensação de vários elementos de estrutura secundária e estabilizada por interações fracas Triosefosfato isomerase e dihidrofolato reductase: elementos de estrutura secundária semelhantes, mas estrutura terciária diferente. Dobras e alças conectam os segmentos de hélices e folhas beta. Domínio V de uma cadeia leve de imunoglobulina. As alças formam sítios de ligação de antígenos Moléculas de água na superfície de uma proteína enovelada são partes importantes da estrutura. Elastase pancreática e a primeira camada de hidratação. Resumo das ligações que mantêm o enovelamento das proteínas Estrutura helicoidal Coordenação metal-ion Estrutura em folha Ligação dissulfeto Interação hidrofóbica Atração eletrostática Ponte de hidrogênio em cadeias laterais Interações que estabilizam polipeptídios Interação Distância (Å) Energia livrekJ/mol covalente 1,5 356- 610 para ligação C=C Ligação dissulfeto 2,2 167 Interação iônica 2,8 12,5 - 17 Ponte de hidrogênio 3,0 2 - 6 em água 12,5 – 21 se o doador ou receptor tem carga Eletrostática de longo alcance variável Depende da distância e do meio van der Waals 3,5 4 (4-17 no interior da proteína) alfaalfa betabeta Alfa/betaAlfa/beta Alfa + betaAlfa + beta CrossCross-- linklink Exemplos de enovelamentos de domínios O quanto uma proteína pode ser compactada: ESTRUTURA QUATERNÁRIA É quando uma proteína possui duas ou mais subunidades de polipeptídeos. A estrutura quaternária descreve o arranjo tridimensional das sub-unidades de uma proteína multimérica. Estrutura quaternária • Em um complexo protéico, o tipo e no de subunidades junto com a posição relativa constituem a estrutura quaternária • Interações fracas mantêm as subunidades juntas • Complementaridade favorece estas interações • Interação é alta e específica Classificação das proteínas com estrutura quaternária 1. Fibrosas – cadeias polipeptídicas arranjadas em longas fitas ou folhas 2. Globulares – cadeias polipeptídicas enoveladas em forma esférica ou globular – consistem principalmente de um único tipo de estrutura secundária – vários tipos de estrutura secundária – proteínas estruturais (forma e suporte) e proteção externa – proteínas regulatórias e enzimasProteínas Fibrosas • têm a propriedade de dar força e/ou flexibilidade às estruturas a que pertencem • unidade estrutural fundamental – simples elemento de estrutura secundária • insolúveis em água devido ao alto teor de resíduos hidrofóbicos no interior e na superfície da proteína • superfícies escondidas por empacotamento de várias cadeias similares formando estruturas supramoleculares complexas Exemplos: α-queratina do cabelo, fios de seda e colágeno A estrutura do cabelo A estrutura do cabelo Colágeno Aproximadamente 25% do total das proteínas do nosso corpo é colágeno. Sua hélice é bem diferente de α hélice. Cada volta tem 3 resíduos de aas. Três cadeias de polipeptídios formam a estrutura quaternária do colágeno. Não são αααα hélices! Proteínas Globulares • segmentos diferentes de uma cadeia polipeptídica dobram uma sobre a outra e enovelam-se em uma forma mais compacta. • o enovelamento provê diversidade estrutural necessária para as proteínas terem variadas funções biológicas. Exemplos de proteínas globulares: enzimas, proteínas transportadoras, proteínas motoras, proteínas reguladoras, imunoglobulinas, entre outras... Hemoglobina dímero trímero tetrâmero planar tetrâmero pentâmero hexâmero planar hexâmero (trímeros de dímeros) heptâmero octâmero Estrutura em barril: Função: O dogma central da Biologia Molecular Uma vez que a informação chega à proteína, não flui de volta para o DNA. Replicação Transcrição Tradução proteína Importância das proteínas: - As proteínas são as macromoléculas mais abundantes nas células; - Grande variedade de tamanhos e tipos; - Grande variedade de funções biológicas - São a maior parte dos produtos da informação gênica! - Compõem quase todos os instrumentos pelos quais a informação gênica é expressa! - Quase todo o trabalho celular é feito pelas proteínas. As proteínas têm funções muito variadas Classe funcional Enzimas Exemplos Proteínas regulatórias Proteínas transportadoras Proteínas de estoque Proteínas contráteis e de motilidade Contração muscular: miosinas actina Classe funcional Exemplos Proteínas contráteis e de motilidade Proteínas estruturais Proteínas “scaffold” (arcabouço) Proteínas exóticas Proteínas protetoras e exploradoras As proteínas têm funções muito variadas Estrutura de uma IgG: A imunoglobulina G (IgG) é um tipo principal de anticorpo que temos. Ajuda no reconhecimento de antígenos (partes de moléculas que sejam estranhas ao nosso corpo), o que leva a resposta do sistema imune. Como que as proteínas exercem estas funções? Explorando algumas propriedades simples, como por exemplo: � Ligação – uma a outra, a outra macromolécula, a íons etc. � Catálise – conformação apropriada da proteína vai posicionar algumas cadeias laterais de aminoácidos de forma a permitir que reações aconteçam. � Dobramento, conformação – exemplo formação de canal ou poro pela membrana permitindo transporte e passagem de solutos. FUNÇÃO É DETERMINADA PELA ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL DA PROTEÍNA! Proteínas têm estruturas muito variadas
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