SLIDE 04 Proteinas e 3D

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Perhaps the more remarkable features of [myoglobin] are its complexity and 
its lack of symmetry. The arrangement seems to be almost totally lacking in 
the kind of regularities which one instinctively anticipates, and it is more 
complicated than has been predicted by any theory of protein structure.
—John Kendrew, article in Nature, 1958
Estrutura tridimensional de proteínas
Proteínas e Estrutura Tridimensional
Proteínas, do grego proteios (primários), são polímeros com uma ou mais
cadeias de polipeptídeos, podendo estar associadas a outras moléculas ou íons
metálicos, e que desempenham papéis essenciais à sobrevivência dos sistemas
vivos.
Para a compreensão do modo de funcionamento de uma proteína é necessário, 
além de conhecer sua estrutura primária, evocar três outros níveis de 
complexidade das cadeias peptídicas envolvidas: estrutura secundária, terciária 
e quaternária.
Supersecondary structures
Domínios protéicos
A essência está em construir um 
modelo de como a proteína se 
parece, seu mecanismo da ação 
que se traduz na função biológica, 
para usá-lo na otimização das 
interações com moléculas 
pequenas que se ligam a ela, com 
propriedades drug-like
apropriadas.
Mapa de 
densidade 
eletrônica
Detalhes da 
proteína e 
interações
Expressão da 
proteína e 
purificação
Metodologia em biologia 
estrutural para definição e 
validação do alvo (proteína)
Métodos térmicos 
(Itc, DSF
RMN 
Experimentos 
(proteína e 
proteína-
ligante)
A sequência de aminoácidos da cadeia polipeptídica descreve a 
estrutura primária de uma proteína, sendo esta quem, de fato, 
determina a forma e a função da proteína. 
Estrutura primária de uma proteína
A sequência dos aminoácidos na 
proteína é definida 
geneticamente, a partir da 
sequência dos nucleotídeos no 
DNA celular.
Quando uma proteína em 
particular é necessária, o código 
do DNA para esta proteína é 
transcrito em uma sequência 
complementar de nucleotídeos, 
chamada de RNA mensageiro. 
A sequência de aminoácidos de 
uma proteína é ditada pelo RNA 
mensageiro (tradução). 
O RNA transportador carreia o 
aminoácido específico para 
realizar a elongação da 
proteína.
. 
Transcrição
Replicação
Tradução
Proteína
Ribossomo
Aminoácidos 
ligados
Crescimento 
da cadeia 
peptídica
Uma sequência de 3 nucleotídeos no RNA mensageiro especifica o 
aminoácido. Desta maneira, o organismo é capaz de sintetizar as 
várias proteínas com as funções mais diversas de que precisa.
Estrutura secundária de uma proteína
A estrutura secundária de uma proteína é determinada pela conformação 
local de seu esqueleto polipeptídeo, que resulta das seguintes 
contribuições: sequência de aminoácidos que compõe a estrutura primária; 
características da ligação peptídica e natureza dos grupos R ligados C que 
podem assumir diferentes conformações.
Os ângulos de torção de um esqueleto polipeptídico apresentam uma
contenção espacial resultante das características da ligação 
peptídica. A conformação do esqueleto pode ser descrita pelos 
ângulos diedros (ângulos de torção) em torno da ligação C-N (Φ) e C-
C (Ψ) de cada um dos resíduos. 
Na conformação completamente 
distendida Φ e Ψ são definidos 
como 180°
As ligações amida ou peptídica 
planas são conectadas por 
ligações tetraédricas por meio 
do C. 
Os parâmetros de rotação 
entre as ligações C-N e C-C 
são Φ e Ψ. Os valores 
positivos de Φ e Ψ
correspondem a rotação no 
sentido horário a partir do C. 
A conformação ao lado 
representa Φ 180°e Ψ 180°, 
conformação completamente 
distendida. 
A rotação entre as ligações C-N e C-C podem causam a colisão 
do oxigênio carbonílico ou do hidrogênio do grupo amino de 
resíduos de aminoácidos adjacentes. 
Partindo de 0°, a rotação de 180° na direção horária é 
equivalente a (+180°) e a rotação no sentido antihorário é 
equivale a rotação (-180°). 
Determinadas 
conformações podem 
também causar colisões 
entre resíduos de 
aminoácidos que estão 
muito distantes da no 
peptídeo.
Muitas das possíveis combinações 
de ângulos Φ e Ψ entre dois 
peptídeos planos representam 
uma conformação proibida 
em torno do C devido ao 
impedimento estéreo. 
C-N (Φ) = 0
C-C (Ψ) = 0
As várias forças não-covalentes (ligação hidrogênio, interações 
hidrofóbicas, interações eletrostáticas e forças de van der Waals) e ligação 
dissulfeto exercem extrema influência nas conformações das proteínas. 
De forma geral, a estabilização gerada por cada uma dessas interações 
pode ser altamente dependente da ambiente localizado da proteína.
Interações que estabilizam as estruturas secundárias e terciárias
Em 1951, Pauling e Corey com base nos estudos com aminoácidos e a 
ligação peptídica previram a existência das estruturas secundárias -
hélice e β-folha, vários anos antes da primeira estrutura completa de 
uma proteína ter sido elucidada.
-hélice
-folha
Estudos de raios X e de 
RMN revelam que a 
cadeia polipeptídica 
pode interagir consigo 
mesma de dois modos 
principais: pela 
formação de -hélice e 
de -folha (ou 
configuração ). Outros 
padrões de dobramento 
de peptídeos são as 
voltas (turns) e alças.
Estrutura secundária -hélice
Estrutura na qual o esqueleto 
polipeptídico está 
estreitamente enrolado ao 
longo do maior eixo da 
molécula e os grupos R dos 
resíduos de aminoácido 
projetam-se para fora da 
espiral.
A estabilização se dá por meio 
de interações tipo ligações 
de hidrogênio entre os 
grupamentos NH e CO da 
cadeia principal.
Colisões estéreas entre vários 
resíduos de aminoácidos com 
grandes cadeias laterais 
ramificadas podem 
desestabilizar -hélices.
A estrutura secundária -hélice das 
proteínas possui um comprimento 
médio de ~12 resíduos de 
aminoácidos com 3,6 resíduos por 
volta (~5,4 Å), ou seja, cada grupo 
amida faz uma ligação hidrogênio 
com outro grupo amida à distância 
de três resíduos de aminoácido, e 
os grupos R estão todos dirigidos para 
longe do eixo da hélice.
-Hélice (right-handed)
(colágeno)
-Hélice (left-handed)
O dipolo elétrico 
da ligação 
peptídica é 
transmitido ao 
longo do 
segmento da -
hélice por meio 
das ligações 
hidrogênio, 
resultando em 
hélice dipolar.
Hélices anfifílicas atuam como disruptores do equilíbrio osmótico
Representação do tipo Helix-wheel (considere como
uma alfa-hélice vista de cima) do peptídeo LL-37,
secretado por células imunes humanas. Percebe-se a
separação de uma face hidrofóbica e outra
hidrofílica.
Alfa-hélices anfifílicas
interagem primeiro
perpendicularmente com a
superfície das membranas
até uma concentração
crítica, quando passam a
criar defeitos que
permitem a passagem de
solvente e soluto,
ocasionando em morte
celular.
Estrutura secundária folha ß
Caracteriza-se por um 
padrão estrutural em que 
as cadeias peptídicas de 
regiões vizinhas 
associam-se também 
por meio de ligações 
hidrogênio, resultando 
em uma estrutura 
achatada e rígida. 
Uma pequena rotação 
das ligações pode 
transformar uma 
estrutura laminar na 
estrutura denominada 
folha-pregueada ou 
configuração , a qual 
apresenta quantidades 
ótimas de ligações 
hidrogênio. 
Nas proteínas, as folhas  contêm entre 2 e 12 cadeias 
polipetídicas, com uma média de 6 fitas. Cada fita pode conter 
até 15 resíduos, sendo a média de 6 resíduos. 
Cadeias laterais sucessivas de um polipeptídeo em folha 
estendem-se para lados opostos dessa folha, com repetições a 
cada dois resíduos de aminoácidos, em uma distância de 7Å.
A conformação 
folha -pregueada 
fornece espaço 
suficiente aos 
grupos R 
expandirem-se 
para fora da folha, 
evitandoassim as 
repulsões de van 
der Waals.
Arranjos entre as duas cadeias polipeptídicas adjacentes (cross 
linked): 
(a) paralelo no qual as ligações hidrogênio ocorrem entre cadeias 
que se estendem na mesma direção. 
(b) antiparalelo, onde as cadeias adjacentes que interagem seguem 
orientação inversa. 
Arranjos das folhas 
Arranjo paraleloArranjo antiparalelo
Ligação hidrogênio 
em folhas 
β-pregueadas 
(a) arranjo paralelo e 
(b) arranjo antiparalelo
Fibrilas formadas por folhas beta
Doença de Alzheimer causada pela formação 
de placas devido o acúmulo de fibrilas 
insolúveis de peptídeos -amiloides (A 1-40).
Moléculas interdigitadoras como potencial 
tratamento.
Depósitos de fibrilas insolúveis 
dificultam a transmissão do impulso 
nervoso e levam à degeneração 
neuronal.
Variações na estrutura secundária padrão
Segmentos de com estrutura regular como α-hélice ou folhas β são 
unidas por segmentos peptídicos que mudam abruptamente de 
direção. Ocorrem na superfície das proteínas e, em geral, estão 
envolvidos nos processos de reconhecimento biológico.
Voltas reversas (curvaturas β) - Conectam fitas sucessivas de 
folhas β antiparalelas e são estabilizadas por ligações hidrogênio. 
A maioria envolve 4 resíduos consecutivos de aminoácidos, mais ou 
menos organizados em modos do Tipo I e Tipo II.
Tipo IITipo I
Modelo de alça Ω, presente nos 
resíduos 40 a 54 do citocromo c.
Alças Ω - Quase todas as proteínas 
com mais de 60 resíduos contêm 
uma ou mais alças de 6 a 16 
resíduos, denominadas alças Ω, por 
apresentarem a forma de ferradura da 
letra grega. São entidades 
globulares compactas, pois as 
cadeias laterais tendem a 
preencher suas cavidades internas.
Mais de 90% da Pro encontra-
se na configuração trans, como 
nos demais resíduos. No 
entanto, ~6% da Pro está na 
configuração cis; em geral 
onde ocorrem as voltas.
Volta reversa do Tipo II contendo Pro
Ângulos não 
permitidos
Plot de Ramachandran demonstrando 
as estruturas secundárias e os ângulos 
 e  associados.
Resíduos de glicina podem ter os 
ângulos dihedrais em qualquer 
quadrante devido a ausência de 
repulsão estérica.
Ramachandran versus estrutura secundária
Probabilidade de ocorrência de determinados aminoácidos em estruturas secundárias.
Pode-se utilizar essa informação para a predição de estrutura secundária somente a partir
da primária mediante alguns algoritmos computacionais.
Desestabilizadores 
de α-hélices
Ligações iônicas entre 
resíduos estabilizam a 
hélice
Resíduos hidrofóbicos 
e volumosos em 
barris beta.
Maior flexibilidade da 
cadeia polipeptídica
Composição de aminoácidos característica de estruturas secundárias
p.A298P
Doença chamada argininemia devido
enzima arginase afuncional pela mutação
no resíduo 298 com a substituição de uma
Alanina por um resíduo de Prolina.
Como a Prolina não permite ponte de
hidrogênio pelo N ser terciário, quebra-se a
periodicidade.
Resíduos de prolina introduzem quebras em -hélices
Estruturas secundárias absorvem diferentemente a luz circularmente polarizada
Usa-se a absorbância diferencial da luz circularmente polarizada para a detecção de 
periodicidades na estrutura secundária de proteínas. É possível assim observar a reação de 
proteínas a temperatura, ligação com substratos e variação no pH, por exemplo.
Direção constante, magnitude do vetor elétrico variável. Magnitude constante, direção variável
Luz circularmente
polarizada é emitida na
rotação horária (RCP) e
na anti-horária (LCP) ao
mesmo tempo.
Estruturas secundárias absorvem diferentemente a luz circularmente polarizada
A absorção diferencial do componente RCP e LCP 
fará com que a luz circularmente polarizada se 
transforme em uma elipse. Usa-se a lei de 
Lambert-beer e calcula-se então a elipcidade
molar  de uma amostra.
Uma varredura na região do UV 
(ligação peptídica) permite a 
diferenciação de padrões associados a 
determinadas estruturas secundárias.
Estruturas secundárias
de proteínas são
opticamente ativas.
Combinações simples de alguns elementos de estrutura secundária com arranjos
geométricos específicos são chamados estruturas supersecundárias ou motivos.
Característico de interação com DNA Característico de interação com Cálcio
Parvalbumina
Troponina-C
Calmodulina
Motivo helix-turn-helix (hélice-volta-hélice)
Estruturas supersecundárias/motivos protéicos
A figura do meio demonstra como o átomo de Cálcio está ligado a um dos motivos da
proteína muscular Troponina-C por meio de seis átomos de oxigênio. Um O de cada cadeia
lateria de Asp (D) 9, Asn (N) 11, Asp (D) 13, um do esqueleto carbônico do resíduo de
aminoácido 15 e 2 da cadeia lateral de ácido Glutâmico. Adicionalmente, uma molécula de
água está ligada ao átomo de Ca2+
Estruturas supersecundárias/motivos protéicos
Motivo helix-turn-helix (hélice-volta-hélice)
β Hairpin (Grampo β) – folhas β anti-paralelas de 2 a 5 resíduos conectadas por um 
loop. Não existe uma função específica associada a esta estrutura
BPTI tem excepcional resistência à temperatura mantendo estrutura/função mesmo a 95°C.
Estruturas supersecundárias/motivos protéicos
Greek key (chave grega) – quatro folhas  antiparalelas adjacentes conectadas por uma 
pequena alça. Não está associado a uma função específica, mas é comum em proteínas.
Staphylococcus nuclease
Enzima que degrada DNA. 
Perceba a chave grega
Estruturas supersecundárias/motivos protéicos
A chave grega
Sequência de enovelamento predito para a chave grega. Primeiro forma-se um longo segmento de 
folhas  antiparalelas conectadas por um loop. Depois disso o segmento 2 dobra-se em direção ao 1.
 - Beta-alpha-beta – duas folhas beta conectadas por uma alfa-hélice que une a
porção C-terminal do segmento 1 ao N-terminal do segmento 2. As folhas beta são
paralelas. A maioria das proteínas que contém folhas  paralelas possuem este arranjo.
Estruturas supersecundárias/motivos protéicos
O eixo da hélice é paralelo as folhas 
Em proteínas , os aminoácidos da alça estão frequentemente 
envolvidos na ligação ao substrato. 
Estruturas supersecundárias/motivos protéicos
Motivo  da proteína Triosefosfato isomerase.
Domínios protéicos
Domínios são a unidade fundamental da estrutura terciária. Um domínio pode ser definido 
como uma cadeia polipeptídica ou parte de uma que pode enovelar independentemente 
em uma estrutura terciária estável. Os domínios são construídos de diferentes combinações 
de estruturas secundárias e motivos.
Domínios são também unidades funcionais. 
Proteínas podem ser vistas como mosaicos de domínios.
Domínios protéicos
Estruturas com base em alfa-hélices
Pacote de 4 hélices (4 Helix bundle)
Citocromo b562, ferritina
O pacote de -hélices está organizado de tal 
maneira que o interior das 4 hélices paralelas é 
hidrofóbico enquanto o exterior é hidrofílico. As 
hélices são sempre anti-paralelas.
Domínios protéicos
Estruturas alfa/beta
Tipo mais frequente de domínio. Consiste em um barril central com alfas-hélices 
periféricas. Todas as enzimas da via glicolítica são do tipo /. Sítios ativos formados 
pelas alças.
Porção hidrofóbica das -
hélices em contato com a 
porção hidrofóbica de folhas  Sítio ativo
O interior dos barris é dominado por resíduos 
hidrofóbicos conservados e o sítio ativo das 
enzimas está em uma das extremidades.
Domínios protéicos
Estruturas beta
Segundo maior grupo de proteínas. O cerne das proteínas é dado por 4 a 10 folhas 
antiparalelas.
Retinol binding protein (182 resíduos) 
é uma estrutura beta up-and-down.
Dois domínios idênticos do 
tipo chave grega
Estrutura terciária de uma proteína
É a forma tridimensional que resultado enovelamento da -hélice 
ou da folha β, sendo mantido pelas interações entre aminoácidos a 
longa distância, em geral ligações de hidrogênio e ponte dissulfeto. 
O enovelamento ocorre de modo a expor o máximo de grupos 
polares ao ambiente aquoso e acomodar o número máximo de 
grupos apolares em seu interior.
Estrutura 
tridimensional 
de algumas 
proteínas 
pequenas
heme
Pontes 
dissulfeto
aa sítio ativo
Estrutura quaternária de uma proteína
Certas proteínas, tal como a hemoglobina, são compostas por mais de 
uma unidade polipeptídica, guiadas e estabilizadas pelas mesmas 
interações da terciária, porém capazes de gerar uma estrutura 
tridimensional, importante na função.
Estrutura quaternária da hemoglobina. (PDB ID
2HHB) analises de difração de raio X da hemoglobina, mostrando as quatro 
subunidades polipeptídicas enpacotadas e o grupo heme (vermelho). 
Estrutura primária, secundária, terciária e quaternária da insulina
(21 aa)
(30 aa) 
(51 resíduos aa) 
Ligação 
dissulfeto
Espectrometria de massa em condições nativas
Uso de tampões voláteis para a ionização de proteínas (NH4HCO3 ou NH4CH3CO2) 
permite a caracterização de complexos protéicos não-covalentes.
Variação nas condições de ionização podem favorecer monômeros em detrimento de 
multímeros.
Native-state mass spectrometry
A estrutura terciária de uma proteína 
globular é mantida por um balanço 
delicado de atrações 
intramoleculares fracas e pontes 
dissulfeto.
A desnaturação ocorre sob condições 
tão suaves que a estrutura primária 
do polipeptídeo permanece intacta, 
as ligações peptídicas não são afetadas, 
mas a estrutura terciária se desfaz.
A desnaturação provoca mudanças de 
propriedades físicas e biológicas. A 
solubilidade diminui drasticamente (clara 
do ovo cozida).
A desnaturação em geral é irreversível. 
Em alguns casos ocorre a renaturação
(a proteína retorna a sua estrutura 
terciária estável), como no exemplo da 
ribonuclease bovina (ao lado).
Desnaturação das proteínas
Dobramento
Ponte de 
sulfeto
Região polar
Região apolar
Ligação hidrogênio
Complexo 
metálico
Classificação das proteínas pela forma tridimensional
De acordo com a forma tridimensional, as proteínas podem ser 
classificadas como fibrosas e globulares. 
Proteínas globulares são enroladas e formam um conjunto 
compacto quase esférico. São solúveis em água e podem se 
deslocar dentro das células, exemplos:
Exemplos e 
ocorrência
Estrutura Funções
Hemoglobina Quatro cadeias 
polipeptídicas (2 e 2β)
Transporte de 
oxigênio
Imunoglobinas Quatro cadeias 
polipeptídicas na forma 
de Y
Resposta 
imunológica
Ribonuclease bovina Cadeia polipeptídica 
interligada por pontes 
cruzadas de dissulfeto
Enzima que 
controla a síntese 
de RNA
A estrutura -helicoidal é encontrada em muitas proteínas 
fibrosas: miosina (proteína dos músculos), colágeno e -queratina 
(cabelos e unhas). 
Na fibroína da seda e teias de insetos a estrutura folha β é 
predominante.
Exemplos e 
ocorrência
Estrutura Características e 
funções
-Queratina -Helicoidal 
(ligadas por pontes 
dissulfeto)
Estruturas protetoras 
insolúveis e fortes, 
variando de flexível a 
rígida
Fibroína da seda Folhas β Macia, filamentos 
flexíveis
Colágeno Cadeias 
superenoveladas
(tripla hélice )
Alta tensão com 
estiramento
Proteínas fibrosas são formadas por cadeias de polipeptídeos 
arrumadas lado a lado em longos filamentos. Em geral são 
rígidas e insolúveis em água, exemplos:
Proteínas com papel estrutural 
nas células são insolúveis em 
água, a exemplo das fibrosas 
(colágeno), onde a parte hidrofóbica 
de uma hélice associa-se com a 
porção hidrofóbica da outra.
Proteínas que atuam em funções 
metabólicas em geral apresentam-se 
na forma globular compacta, como as 
globinas, onde as cadeias laterais dos 
aminoácidos hidrofílicos encontram-se 
externamente e as dos hidrofóbicos no 
interior, fazendo destas proteínas 
altamente solúveis em água.
Mioglobina 
Proteína 
globular
Cadeias laterais dos 
resíduos hidrofóbicos 
Leu, Ile, Val,
e Phe
Colágeno 
Proteína fibrosa
Gly
Proteínas de membrana se enovelam 
de tal maneira que as cadeias laterais 
dos aminoácidos hidrofóbicos são 
expostas nas regiões de associação 
com a membrana. As porções da 
proteína de membrana que se estendem 
do meio aquoso externo ou interno 
(citosol) têm características hidrofílicas, do 
tipo proteínas solúveis.
Glicoforina – sialilglicoproteína 
da membrana do eritrócito
Resíduos 
hidrofóbicos
Estruturas das proteínas e suas funções biológicas
Proteínas
Miosina
Movimento
Catálise
Estrutura
Transporte
Regulação e 
Sinalização
Hemoglobina
Imunoglobulina Quimoptripsina
Colágeno
Topoisomerase
Histonas
Insulina
Canais iônicos