Aula 04 Bioq I 2013-02 - Proteínas

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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