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Aminoácidos e peptídeos • Essenciais para a vida por conterem nitrogênio; • Surgiram nos primórdios da história da vida e foram captados pela evolução para uma variedade de propósitos nos sistemas vivos; • Unidades estruturais (building blocks) que compõem as proteínas. Compostos que contêm um grupo carboxila e um grupo amino ligados no mesmo átomo de carbono (carbono α). Aminoácidos Os carbonos adicionais do grupo R, ligados ao carbono α, são designados β, γ, δ, ε, etc. Alternativamente, recebem a designação numérica onde o carbono da carboxila é o C-1. Os aminoácidos comuns são conhecidos como α-aminoácidos e diferem-se entre si por suas cadeias laterais ou grupos R. Lisina Nomenclatura Os grupos R variam em estrutura, tamanho e carga elétrica e influenciam a solubilidade do aminoácido em água. Classificação pelo grupo R = guanidina = imidazol = indol Aminoácidos Os aminoácidos-padrão são usados na síntese de proteínas, sendo que 08 deles não são sintetizados pelos animais superiores e precisam fazer parte da dieta (aminoácidos essenciais). Suplemento protéico disponível comercialmente Aminoácidos essenciais Aminoácidos aromáticos absorvem luz UV Absorptividade molar a 280nm: Triptofano ε (Trp, W) = 5690 M-1cm-1 Tirosina ε (Tyr, Y) = 1280 M-1cm-1 Io = Intensidade de luz incidente I = Intensidade de luz transmitida = Coef. de absorptividade molar c = concentração da amostra l = comprimento da cubeta Fenilalanina tem pico de absorção a 257 nm e é baixo. Absorbância Abs entre 0,3 e 0,7 para manter linearidade com concentração Os 20 aminoácidos padrão Somente os 20 aminoácidos possuem códons (trinca de nucleotídeos) correspondentes. Dogma central da Biologia Molecular O código genético é degenerado. Mais de um códon para cada aminoácido. Cisteína é oxidada sob condições brandas para a cistina, um dissulfeto. É uma reação reversível e a ligação formada é importante para manter a forma de uma proteína (p.e., ribonuclease bovina). Cisteína Cistina Cisteína Modificações pós-traducionais aumentam a diversidade de aminoácidos Pontes dissulfeto diminuem o ganho entrópico no processo de desenovelamento. Guiam o processo de enovelamento por diminuir a ordem de contato entre aminoácidos. Aumentam também a tolerância de proteínas a altas temperaturas. Modificações pós-traducionais aumentam a diversidade de aminoácidos A prolina é oxidada a 4-hidroxiprolina, que desempenha papel essencial no enovelamento e manutenção da estrutura do colágeno. Prolil-hidroxilase Modificações pós-traducionais aumentam a diversidade de aminoácidos Outras modificações pós-traducionais comuns: Os aminoácidos naturais, exceto a glicina, são quirais e têm a configuração L (relativa ao gliceraldeído) no carbono α. R OH NH2 O H S Estereoquímica D-aminoácidos via modificação pós-traducional H-Tyr-D-Ala-Phe-Gly-Tyr-Pro-Ser-CONH2. Phyllomedusa hypochondrialis Deltorfina L-Ala D-Ala D-aminoácidos são componentes de paredes celulares de bactérias A um pH intermediário denominado pI (ponto isoelétrico), a concentração do íon dipolar está no máximo e as concentrações das formas aniônica e catiônica são iguais. Forma catiônica Forma aniônica Iônica dipolar (zwitteriônica) O ponto isoelétrico representa o pH no qual a molécula tem carga global zero. Cada aminoácido tem um pI caraterístico. O pI é a média dos valores dos dois pKa. pI de aminoácidos Efeito similar pode ser causado por grupos químicos nas proximidades, p.e, sítio ativo de uma enzima. Efeito do ambiente químico no pKa O pKa2 para ionização de um próton do amino grupo protonado da alanina é 9,76. A pH baixo a alanina existe como cátion. O pKa1 da alanina para ionização do próton do ácido carboxílico é 2,34 (consideravelmente menor que o pKa de um ácido carboxílico normal). pI = (pKa1 + pKa2)/2 = (2,34 + 9,69)/2 = 6,02 Forma catiônica (pKa1 = 2,36) Iônica dipolar (pKa2 = 9,69) Forma aniônica Forma catiônica pKa1 = 2,36 Ácido propanóico pKa = 4,89 Alanina em função do pH Quando a base é lentamente adicionada à alanina completamente protonada, um pH (pKa1 = 2,34) é obtido, no qual a metade dos grupos carboxílicos são desprotonados. Quando mais base é adicionada (1 equivalente), o pI (6,02) é alcançado e a molécula se torna eletricamente neutra. Quando mais base é adicionada, o pH 9,69 é obtido e metade dos grupos amônio será desprotonado. A adição de mais base produz somente o aminoácido aniônico. Curva de titulação da alanina Curva de titulação da glicina Lisina que contém uma cadeia básica e apresenta um equilíbrio complexo. O pI é mais alto por causa desses dois grupos básicos, sendo a média do monocátion (pKa2) e o íon dipolar (pKa3). Forma dicatiônica (Lys2+) Íon dipolar (Lys0)Forma monocatiônica (Lys+) Forma aniônica (Lys1-) Curva de titulação da lisina Tabela de aminoácidos Tabela de aminoácidos Escala de hidrofobicidade dos aminoácidos – um pouco de bioinformática Utilizando a hidrofobicidade de aminoácidos pode-se prever a existência de domínios transmembrana em proteínas de função desconhecida. Kyte-Dolittle – partição de aminoácidos em água/octanol Segmento hidrofóbico Segmento hidrofílico Peptídeos e proteínas resultam da polimerização de aminoácidos por meio de eliminação de água (reação de condensação), catalizada por enzimas. A ligação CONH formada entre aminoácidos se denomina ligação peptídica (ligação amida). Em geral, apresentam estrutura linear onde uma das extremidades da cadeia do polipeptídeo termina com um resíduo de aminoácido que tem um grupo -NH3 + livre (à esquerda); a outra extremidade termina com um resíduo de aminoácido que tem um grupo CO2 - livre (à direita): senso de direcionalidade. Ligação peptídica Pauling foi laureado com o Nobel de Química, em 1954, pelo seu trabalho relativo à natureza das ligações químicas e com o Nobel da Paz pela campanha contra os testes nucleares. Considerado o pai da Biologia Molecular No final da década de 1930, Linus Pauling e Robert Corey realizaram uma série de estudos de raios X de peptídeos cristalinos que levaram ao modelo da ligação peptídica que ainda hoje fundamenta a nossa compreensão quanto à estrutura das proteínas. Peptídeos! De acordo com o modelo de Linus Pauling e Robert Corey, a ligação peptídica é melhor descrita como um híbrido de ressonância de duas formas, onde o oxigênio do grupo carbonila apresenta uma carga parcial negativa e o nitrogênio da amida apresenta carga parcial positiva formando um pequeno dipolo elétrico. Características da ligação peptídica 3,5D P/ comparação: (H20) = 1,8D Os seis átomos em torno da ligação peptídica são coplanares e os grupos peptídicos do esqueleto da proteína, com poucas exceções, adotam a conformação trans (os grupo R nos átomos de Cα sucessivos encontram- se em lados opostos). Características: (1) rotação restrita em torno da ligação Co-N, grau de liberdade reduzido; (2) coplanaridade dos átomos em torno da ligação peptídica e (3) a ligação Co-N tem comprimento de 0,133 nm, menor que uma ligação Cα-N (0,145 nm) e maior que uma ligação típica C=N (0,125 nm ), ou seja, 40% de caráter de ligação dupla. Ligações peptídicas rígidas e planares Ângulos dihedrais O ângulo de rotação entre o N-C é denominado Phi () e e o ângulo entre C-C é denominado psi () Determinados ângulos de rotação resultam em impedimento estéricoe são ditos proibidos Plot de Ramachandran para proteínas em geral. Polipeptídeos possuem, em geral, peso molecular abaixo de 10.000 e proteínas têm peso superior e são compostas por uma ou mais cadeias de polipeptídeos Dipeptídeos Pentapeptídeo Oligopeptídeos e polipeptídeos (proteínas) Alguns peptídeos e proteínas representativos Alguns peptídeos e proteínas representativos 1. Remoção da célula, purificação e solubilização: rompimento mecânico da célula (esmagamento ou moagem), seguida por filtração ou centrifugação para remover as partículas insolúveis maiores. Se a proteína estiver fortemente associada à membrana lipídica, usar um detergente ou solvente orgânico para remoção dos lipídeos. Solubilização e precipitação por adição de íons (salting out) pode ser utilizada para remoção de proteína indesejáveis. Técnicas de purificação de peptídeos/proteínas 2. Estabilização das proteínas: quando removida do seu ambiente natural a proteína fica exposta a muitos agentes que podem danificá-la. Essas influências (pH, temperatura, presença de enzimas degradativas, adsorção à superfícies) precisam ser cuidadosamente controladas, em especial, quando armazenadas por longos períodos. 3. Ensaios de proteínas: deve-se procurar um ensaio específico para proteína de interesse, sensível e fácil de usar (p.e. reações enzimáticas conhecidas, imunoensaios com anticorpos). Em geral, produtos coloridos ou fluorescentes têm sido usados com esse propósito. 4. Técnicas de separação ou fracionamento: as várias propriedades físico-químicas da proteína são exploradas nessa etapa. 5. Identificação: espectroscopia de massa (EM), ressonância magnética nuclear (RMN) e Raios X são as técnicas mais empregadas. Métodos cromatográficos aplicados a proteínas Coluna cromatográfica: Leva em consideração as diferenças das proteínas em termos de: carga, tamanho, afinidade de interação e outras. A fase estacionária é constituída de uma material poroso e a eluição é realizada com um tampão (fase móvel). Baixa resolução. Cromatografia por exclusão de tamanho (filtração em gel). A matriz é um polímero “cross-linked” com poros de tamanhos selecionados. Proteínas maiores migram mais rapidamente, enquanto que proteínas menores entram nos poros e eluem mais lentamente. Cromatografia por afinidade. A matriz é um polímero “cross-linked” com um ligante capaz de interagir e reter especificamente determinada proteína. Após as demais proteínas serem removidas da coluna, a proteína de interesse é eluída da coluna por uma solução do ligante. Cromatografia de troca iônica: Leva em consideração carga elétrica das proteínas em um dado pH. A matriz é um polímero sintético carregado (trocador de cátion ou de ânion). Purificação de proteínas/peptídeos por CLAE Cromatografia Líquida de Alta Eficiência – fase reversa Usada como ferramenta de purificação e análise Desenho esquemático do fluxo de um HPLC Submissão de proteínas a alta pressão levará a desnaturação. A coluna correta Coluna Analítica 4,6 x 250 mm ~200 g de amostra Coluna preparativa 30-50 mm x 250mm ~50mg de amostra Coluna Semi-preparativa 10 x 250 mm ~5 mg de amostra Dimensões e capacidade de amostra Tamanho da partícula Quanto menor a partícula, maior a resolução e maior a pressão do sistema. Fase estacionária Octadecilsilano é a fase estacionária mais utilizada para separação de peptídeos O tamanho do hidrocarboneto modificará a afinidade pela fase estacionária. C18 – peptídeos C8 – proteínas de massa intermediária – 20 kDa C4 – proteínas grandes >20 kDa A detecção Monitora-se a absorção da ligação peptídica na faixa de 214-216 nm e também a presença de aminoácidos aromáticos na faixa de 280nm. Dado demonstrativo Separação do pico marcado por meio da aplicação do material em coluna analítica demonstrando existir duas moléculas com tempos de retenção distintos. Diferentes amostras são colocadas nas depressões do topo do gel (poliacrilonitrila). As proteínas movem-se através do gel quando um campo elétrico é aplicado. Após a eletroforese as proteínas podem ser visualizadas com azul de Coomassie que interage especificamente com proteínas. Cada banda representa uma proteína diferente (ou subunidade). azul de Coomassie gel de poliacrilonitrila Experimento ilustra a purificação da enzima RNA polimerase da E. coli. A faixa da esquerda representa o extrato bruto e as faixas da direita mostram as proteínas presentes em cada estágio de purificação. A proteína purificada contém quatro subunidades (última faixa). Determinação de massa molecular por eletroforese A mobilidade eletroforética de uma proteína em gel SDS poliacrilamida (sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis) depende do seu peso molecular (Mr). Quando proteínas padrões de peso molecular conhecidos são sujeitas a uma eletroforese contra uma proteína desconhecida, pode-se estimar o peso da proteína desconhecida por meio de um gráfico linear de log Mr das proteínas marcadas versus a migração relativa durante a eletroforese. Gel SDS poliacrilamida Determinação de massa molecular por eletroforese Géis bi-dimensionais Focalização isoelétrica de proteínas Géis bi-dimensionais Cada ponto corresponde a uma proteína. Excisão, tripsinização e identificação por MS Estratégia Proteômica Top-Down. Lidar com géis é terrível! Reprodutibilidade baixa 2-D DIGE 2-D Fluorescence Difference Gel Electrophoresis (DIGE) Moléculas fluorescentes marcadoras do N-terminal de proteínas. Correção do problema de variabilidade MUITO CARO Ainda é necessário trabalhar com gel Determinação da massa de proteínas íntegras por MS Ionização por elétrons (EI) Electrospray (EsI) Ionização Química a Pressão Atmosférica (APCI) Dessorção/Ionização assistida por matriz (MALDI) Tempo de vôo (ToF) Quadrupolo linear Armadilha de íons linear Armadilha de íons 3D Íon cíclotron Orbitrap 1. Emissor de electrospray Produção de gotículas carregadas na ponta do emissor 2. Região de pressão atmosférica (o gap) 3. Interface entre API e vácuo Diminuição/subdivisão das gotículas Produção de íons em fase gasosa Reações em fase gasosa Dessolvatação final de íons Fragmentação (caso desejado) Componentes e processos principais de uma fonte EsI MALDI – Matrix assisted laser desorption Ionization Dessorção/Ionização a laser assistida por matriz Mistura da amostra com compostos capazes de absorver luz. Laser incide em um diâmetro de 50 a 200 um. Usa-se um atenuador para ajustar a irradiância Laser vaporiza a amostra Pulso curto para gerar ablação da camada de matriz sem fornecer energia suficiente para degradação. Modelo simplificado de funcionamento de uma fonte MALDI Processos principais de uma fonte de MALDI Qualidade do spot indica se a razão analito:matriz está correta. Placa de MALDI Matrizes de ionização Pacote de íons. Múltiplas cargas. Espécies: [M+10H]+ até [M+21H]+ Preferencialmente espécies [M+H]+ EsI versus MALDI para analitos de alta massa MALDI é mais adequado para misturas Quadrupolo linear Vantagens: I) Alta transmissão II) Leves, compactos e de baixo preço III) Possui baixa velocidade de aceleração IV) Opera em vácuo pobre V) Permite altas taxas de varredura Analisador quadrupolar Uma varredura no quadrupolo significa um scan em U e V em uma razão sempre constante. Se quiser maior resolução, a varredura resultará em uma linha mais íngrime e se perderá intensidade com ganho de resolução Diagrama de estabilidade de íons em um quadrupolo Analisador quadrupolarPrincípio simples e intuitivo: Íons de diferentes relações m/z são separados em relação ao tempo em uma trajetória livre de campo e de tamanho conhecido. Se os íons começarem sua jornada ao mesmo tempo (ou em uma diferença de tempo suficientemente pequena), os mais leves chegarão ao detector antes dos mais pesados. Tempo de voo Eel = energia fornecida pelo campo elétrico q = carga U = diferença de potencial (campo) e = carga de um elétron Z = número de cargas Mi = massa da partícula V = velocidade Energia fornecida pelo campo elétrico é convertida em energia cinética Analisador de Tempo de voo Rearranjando: Como: , logo: O que é mensurado efetivamente é o tempo de voo de um íon entre o evento de extração (pulso de aplicação do campo) e a chegada no detector. Por exemplo, um íon C60+• ion, m/z 720 demorará 27.665 µs para atravessar um campo de 2.0m. Discriminação entre dois íons se dá pelo t (diferença de chegada dos íons no detector). Quanto menor a razão m/z, mais difícil discriminar, pois t será menor. Perda de resolução na faixa inferior de massa (abaixo de 50 Da). Analisador de Tempo de voo Modo linear versus refletor Dispersão inicial dos íons (Delayed Extraction) Efeito principal: Correção da dispersão de energia cinética inicial dos íons e aumento do tamanho efetivo do tubo Analisador de Tempo de voo Mass Spec versus eletroforese pra determinação da massa de proteínas X Acurácia está no numeral. Proteína de ~33kDa é a informação obtida. Massa média permite a detecção de eventos regulatórios ou de outras formas protéicas devido a acurácia de massa. Mass Spec Eletroforese Albumina serosa humana Estratégias de sequenciamento de proteínas Análise de aminoácidos (perde informação de sequencia). Edman CPY + MS Sequenciamento por MS! Método 1) Hidrólise total de proteínas 2) Sequenciamento N-terminal e C-terminal 3) Digestão enzimática e sequenciamento por MS Uma proteína pode ser hidrolisada após refluxo de 24h em HCl 6M e os seus aminoácidos individualizados podem ser separados e identificados. Método 1) Hidrólise total de proteínas Analisador de Aminoácidos ou Espectrometria de Massa É uma técnica pouco informativa, pois não permite a identificação da proteína Método 2) Sequenciamento N e C-terminal Antes de executar qualquer forma de sequenciamento, as proteínas devem ser reduzidas e alquiladas. A insulina humana apresenta 3 pontes dissulfeto e duas cadeias polipeptídicas. Possui duas regiões N-terminais e duas regiões C-terminais A redução de cistinas/pontes dissulfetos é feita com Di-thiotreitol. Método 2) Sequenciamento N e C-terminal Como as pontes dissulfeto podem ser re-oxidadas espontaneamente, deriva-se as cisteínas com um agente alquilante. A iodoacetamida é um agente alquilante propular. SN2 Após redução/alquilação procede-se a purificação das cadeias polipeptídicas por HPLC. Análise dos resíduos N-terminais pelo método de degradação de Edman - É uma técnica automatizada aplicável para polipeptídeos com até 60 resíduos de aminoácidos, onde cada aminoácido é detectado no sequenciador à medida que for removido. Isotiocianato de fenila Apresenta vantagem sobre o método de Sanger, por remover o resíduo N- terminal e deixar a cadeia peptídica intacta. O resíduo N-terminal reage com isotiocianato de fenila gerando um polipeptídeo marcado que sofre tratamento ácido subsequente. Polipetídeo marcado Sequenciamento N-terminal N H N S O R Intermediário instável Rearranjo N NH S O R Feniltiohidantoína + H2NCHCO R' + Polipeptídeo com um resíduo de aminoácido a menos Quando o polipeptídeo marcado é tratado com ácido, separa-se um intermediário instável (tiazolinona) que se rearranja para formar uma feniltiohidantoína (PTH-derivado). Após purificada por CLAE, os PTH- derivados podem ser comparados com os padrões correspondentes ao aminoácido removido. Tiazolinona HA Sequenciamento N-terminal Os derivados fenilisocianatos (PTH) são comparados com os padrões correspondentes ao aminoácido removido. Análise do resíduo N-terminal pelo método de Edman Sequenciamento automatizado de aminoácidos usando a degradação de Edman acoplada à técnica CLAE Um ciclo de degradação de Edman que se inicia com uma quantidade picomolar do polipeptídeo pode ser completada em aproximadamente 30 minutos. Cada novo ciclo resulta na identificação do resíduo do próximo aminoácido presente no peptídeo. Embora ainda seja uma técnica de grande valor, o sequenciamento N- terminal requer a purificação total de proteínas, o que é laborioso. Enzimas denominadas proteases catalisam a clivagem hidrolítica de ligações peptídicas. Algumas proteases clivam apenas a ligação peptídica adjacente a resíduos particulares de aminoácidos, podendo assim clivar o peptídeo de forma previsível e reprodutível. Entre as proteases, a tripsina catalisa a hidrólise apenas das ligações peptídicas onde o carboxila pertence a um resíduo de Lys ou Arg, produzindo peptídeos menores. Análise de resíduos de aminoácidos em porções mais internas da cadeia Enzimas possuem diferentes especificidades Clivagens com diversas enzimas permitem a sobreposição de peptídeos e o sequenciamento protéico. Sequenciamento do peptídeo DS 01 por MALDI-MS após sua digestão com a enzima carboxypeptidase Y permitiram a determinação do últimos 7 aminoácidos a partir do C- terminal. Sequenciamento C-terminal por MS Enzima Carboxypeptidase Y remove resíduos de aminoácidos um a um a partir do carboxy- terminal. Fragmentação de peptídeos por MS Sequenciamento de peptídeos/proteínas realizado por degradação de EDMAN. Requer amostras “puras” e em alta concentração. Fragmentação de peptídeos por espectrometria de massa em experimentos de MS/MS utilizando colisão de baixa energia (< 100eV) é uma das alternativas. É a base da proteômica. Requer instrumentos de alta resolução e acurácia. CID Seleção de íons Fragmentação Análise de massa dos fragmentos Experimentos de MS e MSMS Célula de colisão desligada Em um experimento de MS, os picos do espectro representam as diferentes moléculas na amostra. Não há fragmentação na fonte quando analisadas por EsI e MALDI Seleção para fragmentação! Experimentos de MS e MSMS Célula de colisão ligada Fragmentação de peptídeos Aumento da energia interna dos íons gera fragmentação primariamente na ligação peptídica, produzindo duas séries de íons principais: a série y e a série b. acílio Séries acessórias Séries acessórias As séries são complementares e podem ser utilizadas para sequenciamento tanto N C terminal ou C N terminal. Y = 163 Da G = 57 Da G = 57 Da L = 113 Da F = 147 Da +H2O + H + Exemplo de sequenciamento O NH2 OH O NH O NH O NH O NH OH +H YGGLF + 556.25 Exemplo de sequenciamento C + O NH2 OH Massa do resíduo de Y = 163.05 + 1 O NH2 O NH O NH O NH OH +H GGLF Y Y y5y4b1 O NH2 OH C + O NH O NH2 O NH O NH OH +H + Exemplo de sequenciamento Y = 163.05 + G = 57.05 + 1 YG GLF Y G YG y5 y4 y3 b1 b2 Exemplo de sequenciamento O NH2 O NH OH +H + LF O NH2 OH +H + F y2 y1 O NH2 OH O NH C + O NH b3 O NH2 OH O NH O NH C + O NH YGG YGGL O NH2 OH O NH O NH O NH C + O NH YGGLF b4 b5 Fragmentação de peptídeos N- para C-terminal y b y b C- para N-terminal Íons imônio NH2H O + R 2 - CO NH2 + H R 2 Íons marcadores de baixa massa molecular. Servem como uma espécie de “analisador de aminoácidos”. Indicam sua presença na sequência, porém intensidade não é proporcional à quantidade de cada aminoácido e não há indicação de sua posição na cadeia polipeptídica. imônio 2ª fragmentação Tabela com massa de resíduo de aminoácido e íons imônios Homologia de proteínas entre as espécies: Filogenia Comparação entre sequência de aminoácidos do citrocromo c Sequência de aminoácidos nas proteínas das família EF-1α/EF-Tu (fator de elongamento de proteínas), mediadoras da entrada do tRNA aminoacila no sítio livre do ribossomo. Resíduos invariantes Substituições conservadoras (aa estruturalmente similares) Humano Outras espécies O que fazer com a informação da estrutura protéica? Ramificações principais da árvore evolucionária dos eucariotos, construída a partir do número de aminoácidos existentes entre as moléculas do citocromo c de diversas espécies. Síntese de peptídeos em fase sólida (SPPS) Estratégia geral de SPPS Resina de poliestireno sólida serve de suporte para um linker onde cada aminoácido será adicionado na orientação C N sempre utilizando grupos protetores X, Y´ e Y´´ para impedir reações indesejadas. Fmoc como grupo protetor N-terminal Síntese de peptídeos em fase sólida (SPPS) pela química Fmoc/tBu Maximizar o rendimento de cada acoplamento é necessário para obter o produto em grande quantidade. Acoplamento mediante carbodiimidas Gera um derivado de uréia.
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