Estrutura e Funções das Proteínas

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Métodos de estudo de proteínas
Níveis de organização – enovelamento
Funções desempenhadas por proteínas
Doenças causadas por proteínas
PeptídeosPeptídeos
XXXX
ProteínasProteínas
Proteínas são polímeros de aminoácidos
• Cada unidade é chamada de resíduo
• 2 residuos - dipeptideo
• 3 residuos - tripeptideo
• 12-20 residuos - oligopeptideo
• muitos - polipeptideo
Peptídeos são polímeros curtos de 
aminoácidos
P
e
p
t
í
d
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o
s
x
• Uma cadeia polipeptídica - proteína monomérica
• Mais que uma – proteína multimérica
• Homomultímero – um tipo de cadeia
• Heteromultímero – 2 ou mais diferentes cadeias
• Hemoglobina, por exemplo, é um heterotetrâmero:
• duas cadeias alfa e duas cadeias beta
Proteínas são longos polímeros de aminoácidos e podem Proteínas são longos polímeros de aminoácidos e podem 
ser formadas por um ou mais polipeptídeosser formadas por um ou mais polipeptídeos
x
P
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a
s
A arquitetura das proteínas 
• Os níveis de estrutura protéica
- Primária – sequência de aminoácidos
- Secundária – estruturas locais – pontes de H
- Terciária – conformação tridimensional
- Quaternária – organização das subunidades
• Forma - globular ou fibrosa
• Hélices e folhas são frequentemente empacotadas juntas
• As ligações entre elementos da estrutura secundária são
usualmente curtos e diretos
• Proteinas enovelam (fold) para produzir estruturas mais estáveis
(fazendo pontes de H e minimizando o contato com o solvente)
•Alguns princípios importantes:
ESTRUTURA ESTRUTURA 
PRIMÁRIAPRIMÁRIA
Diagrama de Ramachandran
Toda proteína tem uma sequência de aminoácidos e uma 
conformação tridimensional
Estrutura primária
Sequência da catrocollastatin-C, uma proteína de 23.6 kDa do 
veneno de Crotalus atrox
� Homologia
� Resíduo invariante
� Substituições conservativas
� Posições Hipervariáveis
O número de aminoácidos diferentes entre duas sequências de 
citocromos c é proporcional à diferença ou distância filogenética 
entre as espécies das quais estes citocromos foram obtidos;
A Filogenia do Citocromo c
A Filogenia dos Fatores de Elongação
Esta observação em escala maior pode ser usada 
para construir árvores filogenéticas baseada na 
homologia entre proteínas;
Esta abordagem é a base para os estudos de Evolução MolecularEvolução Molecular.
ESTRUTURA ESTRUTURA 
SECUNDÁRIASECUNDÁRIA
Desnaturação 
Renaturação
Dobramento
Misfolding
PROTEÍNA NATIVA - CONFORMAÇÃO 
TERMODINAMICAMENTE FAVORÁVEL
Estrutura secundária
Estruturas secundárias regulares
Alfa HéliceAlfa Hélice
Folha Beta
Estruturas estabilizadas por pontes de hidrogênio
Alfa hélice 
Outras hélices 
Folha Beta 
Voltas ou alças (voltas beta ou curvaturas beta ou 
alças Ω) 
Saliência Beta
ALFA-HÉLICE
• Primeiro proposto por Linus Pauling e Robert 
Corey em 1951 
•Identificada na queratina por Max Perutz 
•Um componente comum de proteínas 
•Estabilizadas por pontes H
•3,6 resíduos por volta em uma alfa hélice 
padrâo
Estrutura do Cabelo –
Proteína Fibrosa
- Queratinas duras e moles
- Sequência alternada: Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser.... - fibroína -folha beta 
Principal componente do tecido conjuntivo 
(tendões, cartilagens, ossos, dentes)
Unidade básica é o tropocolageno: Unidade básica é o tropocolageno: 
♣ Três cadeias polipeptidicas (1000 
residuos cada) 
♣ MM = 285,000 
♣ 300 nm de comprimento, 1.4 nm 
diâmetro 
♣ Composição única de aminoácidos 
Estrutura secundária
ALFA-HÉLICE
FOLHAS BETA OU 
CONFORMAÇÃO BETA
CONFORMAÇÃO BETA
•Também postuladas por Pauling and Corey, 1951 
• Cadeias podem ser paralelas ou antiparalelas 
• 3.47 Angstroms para antiparalelas
• 3.25 Angstroms para paralelas
• Cada cadeia de uma folha beta pode ser desenhada 
como uma alfa hélice com 2 residuos por volta
(volta beta, tight turn)
• Direciona a cadeia polipeptidica para a direção inversa
A volta Beta
• Direciona a cadeia polipeptidica para a direção inversa
• O oxigênio de um resíduo da carbonila é ligado por pontes de hidrogênio a
um hidrogênio do grupo amida de um resíduo distante 3 resíduos do
primeiro
• Prolina e glicina são prevalentes em beta turns
Proteínas Globulares
Mioglobina
ESTRUTURA ESTRUTURA 
TERCIÁRIATERCIÁRIA
Estrutura Terciária
Proteínas globulares: 
• A maioria dos resíduos polares estão voltados para fora da proteína e interage com o
solvente
• A maioria dos resíduos hidrofóbicos estão voltados para o interior da proteína e
interagem uns com os outros
• Os resíduos são firmemente empacotados
• Entretanto, espaços vazios existem
• Os espaços vazios formam pequenas cavidades
• Estruturas não são estáticas
• Vários elementos e domínios de proteínas movimentam-se em diferentes graus
• Alguns segmentos de proteínas são muito flexíveis e desordenados• Alguns segmentos de proteínas são muito flexíveis e desordenados
Motivo helix-loop-helix (alpha-loop-
alpha) 
Motivo beta-volta-beta 
Hélices, Folhas e Voltas podem ser combinadas de diversas formas
Estruturas supersecundárias 
ou Motivos
Motivo helix-volta-helix
4 helices arranjadas em uma topologia do tipo sobe e desce
alpha) 
Motivo beta-alpha-beta 
Motivos grandes a partir de menoresMotivos grandes a partir de menores
DOMÍNIOS
• Polipeptídeos 
grandes normalmente 
se dobram em um ou 
mais agregados 
globulares 
denominados 
domínios que domínios que 
conferem a essas 
proteínas a aparência 
bi ou multilobular.
• Muitas proteínas são construídas como uma composição de dois ou mais destes
“módulos” ou domínios
• Cada um desses domínios pode ser encontrado e reconhecido em outras proteínas
• As vezes módulos são usados de forma repetitiva na mesma proteína
ESTRUTURA ESTRUTURA 
QUATERNÁRIAQUATERNÁRIA
Quais são as vantagens estruturais e 
funcionais da associação quaternária de 
proteínas?
• Estabilidade: redução da razão superfície-
volumevolume
• Economia e eficiência genética
• Manter os sítios catalíticos juntos
• Cooperatividade
Estrutura Quaternária
Perder a estrutura implica em perda de função
Como a sequência de aminoácidos determina a estrutura 
terciária de uma proteína?
Diferentes Proteínas têm Características diferentes
Estruturas distintas, funções distintas
Possibilidade de 
enovelamento
DETERMINANTES DO DETERMINANTES DO 
ENOVELAMENTOENOVELAMENTOENOVELAMENTOENOVELAMENTO
Cpn10Proteínas hsp previnem que as proteínas recém 
sintetizadas enovelem incorretamente e/ ou 
agregem
Chaperonas e Chaperoninas 
sintetizadas enovelem incorretamente e/ ou 
agregem
• Por que as chaperonas são necessárias se a informação para o folding está
contida na sequência?
– Para proteger as proteínas nascentes de uma matriz concentrada de
proteínas na célula e talvez para acelerar alguns passos mais lentos do
enovelamento
• Chaperonas foram primeiro identificadas como "heat-shock proteins" (hsp60 e
hsp70)
Tipos:
�Família hsp70 – 70 kDa ATPases citóplasmáticas; liga em regiões hidrofóbicas das cadeias
polipeptídicas
�Chaperonina da família hsp60; GroEL – mitocôndria e cloroplastos; previne a agregação
de proteínas parcialmente enoveladas
• Insulina – Uma cadeia com 21 residuos, cadeia B com 30 
residuos - total massa molecular. de 5,733
• Glutamine sintetase - 12 subunidades de 468 residuos cada -
total massa mol. de 600,000
• Conectina - alpha - MW 2.8 milhões!
• beta conectina - MW 2.1 milhões, com um comprimento de 
1000 nm.
Proteínas grandes e pequenas 
Proteínas são os agentes da função biológica
• Enzimas - Ribonuclease
• Proteínas regulatórias – Insulina• Proteínas de estoque – Vitelogenina
• Proteínas de defesa – Imunoglubulinas 
• Proteínas de transporte – Hemoglobina 
• Proteínas estruturais – Colágeno 
• Proteínas contráteis – Actina, Miosina
• Proteínas “exóticas”- anticongelantes em peixes e anfíbios
Proteínas são os agentes da função biológica
FUNÇÕES DAS FUNÇÕES DAS 
PROTEÍNASPROTEÍNAS
Funções desempenhadas por proteínas
Transporte:
Hemoglobina
Estoque
Mioglobina
Hemoglobina
Contração Muscular:
Mecanismos de defesa: Mecanismos de defesa: 
ANTICORPOS
AnomaliasAnomaliasAnomaliasAnomalias
g I. Ossos frágeis, perda de audição, com ou sem dentes anormais
g II. Perinatal letal com fraturas extensivas, esqueleto não mineralizado
g III. Deformidade progressiva com dentiogenese imperfeita e nanismo 
g IV. Deformidade suave com dentição anormal 
Causada por anormalidades do colágeno do tipo I. Mais de 200 mutações 
identificadas. 
Ossos do braço de um paciente com OI
Radiografia do ossos da tíbia de um 
paciente com OI
Hemoglobinopatias: anemia falciforme
Hemoglobina difere da hemoglobina normal por um único aminoácido: glutamato na 
posição 6 é substituído por valina na superfície da cadeia beta. Isto cria um novo 
ponto hidrofóbico.
CJD encefalopatia espongiforme fragmentos de prion
APP Alzheimer fragm. de beta protein 1-40/43 
HRA hemodialysis-related amyloidosis microglobina beta-2 * 
PSA primary systmatic amyloidosis cadeia leve de frag. Immunoglob.
SAA 1 secondary systmatic amyloidosis fragm. serum amyloid A 78 resid.
FAP I familial amyloid polyneuropathy I transthyretin fragm 50+ alleles
FAP III familial amyloid polyneuropathy III apolipoproteinA-1 fragments
CAA cerebral amyloid angiopathy cistatinaA menos 10 residuos
FHSA Finnish hereditary systemic amyloidosis gelsolin 71 aa fragment
IAPP type II diabetes islet amyloid polypeptide fragm
ILA injection-localized amyloidosis insulin
CAL medullary thyroid carcinoma calcitonin fragments
ANF atrial amyloidosis atrial natriuretic factor
NNSA non-neuropathic systemic amylodosis lysozyme and fragments
HRA hereditary renal amyloidosis fibrinogen fragments
The 15 congophiliccongophilic diseasesdiseases are reviewed by J.W. Kelly in Curr. Opin. Struct. Biol. 6, 11-17. 1996)
•• O que são?O que são?
Inclusões proteicas, altamente insolúveis.
•• O que já foi encontrado?O que já foi encontrado?
As doenças amilóides são um conjunto de patologias cuja 
origem parece estar relacionada com a presença de placas 
amilóides no tecido neural.
•• O que já foi encontrado?O que já foi encontrado?
Peptídeos pequenos chamados amilóides (beta-amilóide A4 em Alzenheimer)
Forma alterada de Proteínas de 
neurofilamentos (MAP –
microtubules associated proteins –
especialmente TAU)
Ubiquitina
Prion – PrPSc (PrPC – PrPSc)
Inherited Prion Diseases
Creutzfeldt-Jakob Disease (CJD)
Gerstmann-Sträussler-Scheinker disease (GSS)
Fatal Familial Insomnia (FFI)
Infectious Prion Diseases
Kuru
Scrapie
Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE) Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE) 
Ou "Mad Cow Disease"
Creutzfeldt-Jakob Disease (CJD)
Variant Creutzfeldt-Jakob Disease (vCJD)
Estruturas de parte de PrPSc de hamster e 
camundongo superpostas
PrPC - A proteína normal
� é chamada PrPC
�é uma glicoproteína normalmente encontrada na superfície celular inserida na membrana 
plasmática 
� tem sua estrutura secundária dominada por alfa hélices (provavelmente 3 delas) 
� é facilmente solúvel 
� é facilmente digerida por proteases 
� é codificada por um gene designado em humanos de PRNP localizado 
no nosso cromossomo 20. 
PrPSc – A proteína anormal
� É chamada PrPSc (Sc de scrapie) 
� tem a mesma seqüência de aminoácidos da proteína normal, ou seja, sua 
estrutura primária é idêntica. 
� sua estrutura secundária é dominada pela conformação beta
� é insolúvel 
� é altamente resistente a digestão por proteases 
� quando PrPSc entra em contato com PrPC, ela converte PrPC em PrPSc� quando PrPSc entra em contato com PrPC, ela converte PrPC em PrPSc
(mesmo in vitro). 
� Estas moléculas ligam umas às outras formando agregados 
� Ainda não é claro se estes agregados são por si só a causa dos danos 
celulares ou simplesmente são um efeito colateral do processo que leva à 
doença.
• Embora somente uma pequena porção do prion seja responsável pela sua especificidade, outras partes da 
molécula são necessárias para fazer a transição de alfa-hélice para a conformação beta. Todos os prions 
contém um domínio com repetições Gln-Asn que parecem ser essenciais para o processo de conversão. 
FIM!FIM!