3. Estrutura de Proteínas

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Estrutura de Proteínas
Prof. Dr. Helotonio Carvalho
Diadema, 1º semestre de 2012
Unidade Curricular de Bioquímica Estrutural
UNIFESP – Campus Diadema
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Níveis de estrutura em proteínas 
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Estrutura primária: sequência de aminoácidos ligados por ligações peptídicas.
Estrutura secundária: Como a seqüência de aas se dobra para formar estruturas do tipo a-hélice e folha b; resulta de interações como pontes de hidrogênio.
Estrutura terciária: Interação ou dobramento entre as estruturas secundárias para formar uma proteína; pode ser estabilizada por pontes dissulfeto (ligação covalente).
Estrutura quaternária: Montagem de subunidades de diferentes polipeptídeos para forma uma estrutura funcional; agregação de cadeias de polipeptídeos separadas em uma proteína funcional.
Níveis de estrutura em proteínas 
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Estrutura Primária
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Estrutura primária: ligação peptídica
Cis
Trans
Características da ligação peptídica: 
Configuração trans.
Rígida e planar.
Característica de dupla ligação.
Polar.
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Ligação peptídica: caráter de dupla ligação
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Ligação peptídica: rígida e planar
Ângulos de rotação Ca-C (y) e N-Ca (f) têm valores restritos, devido à fatores estéricos, o que restringe o número de conformações espaciais que podem ser adotadas por uma cadeia polipeptídica.
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Estrutura Secundária
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É a disposição espacial que adquire a espinha dorsal da cadeia polipeptídica.
Estrutura secundária
a-Hélice
Folha b-pregueada
Voltas reversas (voltas b)
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Exemplos de estruturas helicoidais
Parâmetros de uma hélice: p=passo da hélice
			 n=número de aas por volta.
			 d=elevação da hélice por unidade peptídica de repetição 			(p/n).
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y (Ca-C) = -45 a -50o
f (N-Ca )= -60o
A a-hélice se forma mais facilmente que qualquer outra conformação, devido à otimização na formação de pontes de hidrogênio. Todas as ligações peptícas de uma a-hélice (exceto aquelas próximas às extremidades da estrutura) formam pontes de hidrogênio intracadeia. Cada volta da hélice é formada por 3,6 aas.
Pontes de H entre o grupo CO e o grupo NH 3 resíduos de aminoácidos à frente. 
a-hélice
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As cadeias laterais dos aminoácidos ficam para fora da a-hélice
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Sentido de rotação de uma a-hélice
Direita (anti-horária)
Esquerda (horária)
Aminoácidos L podem formar a-hélices voltadas à esquerda ou à direita, mas apenas a-hélices à direita são observadas em proteínas.
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A sequência de aminoácidos afeta a estabilidade da a-hélice
A interação entre as cadeias laterais de aminoácidos pode estabilizar ou desestabilizar a a-hélice. 
	Glu-Glu-Glu-Glu-Glu-Glu-Glu-Glu ou
	Glu-Ala-His-Glu-Ala-Met-Glu
	não formam a-hélice estável devido à repulsão dos grupos carboxil 	com carga negativa.
O mesmo se verifica para Asp, Lys, Arg. 
Aminoácidos volumosos como Asn, Ser, Thr e Cys também desestabilizam a a-hélice se estiverem muito próximos. 
Pro e 4H-Pro raramente são observados em a-hélice devido ao fato de o átomo de N ser parte do anel, o que impossibilita a rotação N-Ca.
Além disso, o N não possui H ligado para
formar ponte de H. Exceção: colágeno.
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A sequência de aminoácidos afeta a estabilidade da a-hélice
Gly também desestabiliza a a-hélice devido à flexibilidade conformacional excessiva.
Estabilização da a-hélice: 
Interações eletrostáticas entre resíduos de aas de cargas complementares: 
		Glu-Ala-Met-Arg.
Interações hidrofóbicas entre aminoácidos aromáticos: 
	Phe-Ala-Met-Phe
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A folha  pregueada é mantida por pontes de H intercadeias que se dispõem perpendicularmente ao eixo da proteína. 
Estrutura em zig-zag.
Folha b-pregueada
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Folha b-pregueada
6,5 Å
7,0 Å
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Folha b-pregueada
Os segmentos peptíticos que formam folhas b-pregueadas geralmente estão próximos na cadeia polipeptíca, mas em alguns casos podem estar distantes ou em diferentes cadeias polipeptídicas.
Os grupos R dos aminoácidos saem da estrutura em zig-zag alternadamente em direções opostas. 
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Fibroína da seda: 80% composta por
Glicina, Alanina e Serina
Folha b-pregueada
Quando duas folhas b formam camadas próximas na estrutura de uma proteína, os grupos R dos aminoácidos devem ser pequenos .
b-queratinas como fibroína e teias de aranha possuem alto conteúdo de Gly e Ala. 
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Estrutura Secundária
Forma básica de organização de uma cadeia polipeptídica
a-Hélice
Folha b-pregueada
 A cadeia peptídica enrola-se sobre si própria;
 A cadeia principal fica no eixo da estrutura;
 As cadeias laterais ficam projectadas para fora.
Estrutura planar em que a cadeia peptídica se dobra sobre si própria em camadas sucessivas.
As cadeias laterais ficam projetadas para fora.
Estabilizada por pontes de hidrogênio
entre os grupos NH e CO de diferentes
fitas.
Estabilizada por pontes de hidrogênio
entre os grupos NH e CO da cadeia principal. 
O grupo CO interage com o NH 3 resíduos a frente
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Conexões entre a-hélices e folhas b: voltas reversas (curvaturas b) 
Voltas reversas constituem um dos tipos de ligação entre outras estruturas secundárias como a-hélices e folhas b-pregueadas.
Ligam estruturas secundárias em que a cadeias polipetídicas apresentam mudança de direção.
Gly é comum devido ao seu tamanho reduzido e flexibilidade. Pro é comum devido à sua ligação peptídica ser cis ao invés de trans, o que favorece a curvatura de uma volta reversa.
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Normalmente encontradas na superfície de proteínas.
Podem ser de vários tipos sendo a tipo I a mais comum.
Conexões entre a-hélices e folhas b: voltas reversas (curvaturas b) 
Gly posição 3
Pro na posição 2 e Gly posição 3
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Probabilidades relativas de um amioácido estar presente nos três tipos de estruturas secundárias mais comuns 
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Estrutura Terciária
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Organização tridimensional da cadeia polipeptídica com os vários elementos estruturais secundários que a constituem.
Folha b-pregueada
a-Hélice
Estrutura Terciária
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Resulta de dobras na estrutura da proteína estabilizadas por interações entre os radicais dos aminoácidos.
Estrutura Terciária
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Dobramento de uma proteína
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Estruturas super-secundárias
bab
aa (hélice-volta-hélice)
Meandro b
Chave grega
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Motivos protéicos
Motivos são estruturas super-secundárias de repetição.
Referem-se ao dobramento protéico apenas, não sendo possível prever a função da proteína, pois proteínas com diferentes funções podem ter alguns motivos iguais. 
IgG
Fibronectina
GF
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Estruturas super-secundárias do tipo meandro b podem formar proteínas com estrutura terciária na forma de barril chamadas barril b.
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Domínios protéicos
Unidades de uma cadeia polipepitídica que se dobram de maneira independente um do outro. 
Muitas vezes, sua estrutura é mantida mesmo após retirada do outro domínio. 
Diferentes domínios normalmente têm diferentes funções como ligação de pequenas moléculas ou interação com outras proteínas.
Domínios com conformações similares geralmente estão associados à mesma função, como é o caso de domínios de ligação ao DNA, presentes em fatores de transcrição.
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Refere-se ao modo pelo qual duas ou mais cadeias polipeptídicas interagem.
Cada uma das cadeias apresenta os três níveis estruturais citados.
É mantida principalmente por ligações iônicas, pontes de hidrogênio e interações hidrofóbicas. Pontes S-S também podem estar presentes.
Estrutura Quaternária
Proteína dimérica
subunidades
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Classificação de proteínas
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Apresentam, em muitos casos repetições de elementos de estruturas secundárias.
Insolúveis em água devido ao alto conteúdo de aas hidrofóbicos. 
Papel estrutural (suporte, força e forma).
Ex: colágeno; a-queratina; elastina, fibroína.
Proteínas Fibrosas
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a-Queratina
Cabelo, penas e unhas.
a-hélice direita.
Duas a-hélices se enrolam uma sobre a outra formando um “coiled coil” o que aumenta a
resistência da estrutura. Esta se organiza posteriomente em protofilamentos, protofibrilas e filamentos intermediários.
Os pontos de contato entre as duas a-hélices de um “coiled coil” são formados por aas hidrofóbicos. a-queratinas são ricas em Ala, Val, Leu, Ile, Met, and Phe.
Rigidez é aumentada por pontes S-S intercadeias.
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Elastina
Colágeno
Elastina: Fibra elástica com propriedades semelhantes à borracha.
Proteína própria de tecidos conectivos.
Rico em Pro (facilita a torção da cadeia polipeptídica) e Gly (pequeno, adapta-se ao espaço restrito onde as 3 hélices se aproximam.
Alta resistência à tensão.
Componentes de pele, tecido conectivo: parede de vasos sanguíneos, córnea, tendões, cartilagem e osso.
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Colágeno
a-hélices à esquerda formam uma tripla hélice à direita.
Dentre os mais de 30 tipos diferentes de colágenos, a composição média em aas é de 35% Gly, 11% Ala e 21% Pro e 4-Hyp.
Unidades repetitivas de Gly-X-Y, sendo X geralmente Pro e Y geralmente 4-Hyp. 
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Fibroína
Protéina da seda, produzida por insetos e aranhas. 
Folha b, rica em Ala e Gly. 
Não extensível, devido à estrutura já extendida da conformação b, mas flexível devido às interações fracas que unem as cadeias polipeptícicas .
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 Diferentes segmentos da cadeia polipeptídica (ou diferentes cadeias) dobram-se uma sobre a outra.
Solúveis em água.
Funções de transporte, regulação, proteínas motoras, imunoglobulinas e catálise enzimática.
Resíduos de aas hidrofóbicos ficam, em geral, no interior da proteína, protegidos da água, enquanto os hidrofílicos ficam na superfície.
Proteínas Globulares 
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Função: armazenamento e difusão facilitada de O2.
Cadeia única de 153 aas e um grupo heme.
Especialmente abundante em músculos de mamíferos que mergulham em grandes profundidades. 
Formada por 8 segmentos de a-hélice separada por voltas b. As hélices são denominadas A a H e as conexões entre elas AB, BC, etc.
Fração de espaço ocupado por átomos é próxima a de cristais (0,75).
O alto grau de empacotamento torna interações de Van der Waals mais importantes na estabilização da proteína.
Mioglobina 
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Grupo heme
Em azul: aas hidrofóbicos
Mioglobina 
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Grupo Heme 
Presente em mioglobina, hemoglobina e citocromos.
O átomo de ferro se encontra coordenado a 4 átomos de nitrogênio do anel porfirínico. Das duas posições de coordenação livres, uma é ocupada pelo N de uma histidina e outra pelo O2.
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Outras proteínas globulares
Em proteínas globulares pequenas é mais difícil esconder os aas hidrofóbicos no interior. Neste caso pontes S-S passam a ter um papel importante na estabilização da proteína. 
Em amarelo: pontes S-S
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Hemoglobina
Tetrâmero de duas cadeias a e duas cadeias b e 4 grupos hemes.
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Têm pelo menos uma porção insolúvel em água (a que se encontra inserida na membrana celular);
São muito importantes na comunicação entre as células; 
Constituem canais que permitem a passagem de átomos ou pequenas moléculas para o interior da célula. 
Porina
Proteínas membranares 
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Proteína
nativa
É a alteração da estrutura
da proteína sem ruptura das
ligações peptídicas
Desnaturação das proteínas 
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Físicos
Químicos
Alterações de temperatura
Raio X
Ultra-som
Ácidos e bases fortes
Detergentes
Uréia
Mercaptoetanol HS-CH2-CH2-OH
Agentes desnaturantes
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Redução da solubilidade (precipitação em solução)
Aumento da digestibilidade por proteases ou agentes químicos (ácidos ou bases, por exemplo).
Perda da atividade biológica (enzimas, hormônios, anticorpos, etc...).
Alterações das propriedades de uma proteína desnaturada
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Desnaturação e renaturação 
A maior parte das proteínas pode ser renaturada quando o agente desnaturante é retirado.
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Folding (dobramento) de proteínas recém-sintetizadas 
Em E coli, uma proteína ativa com 100 aas leva apenas 5 segundos para ser sintetizada (37 oC).
Se o processo de “folding” fosse por tentativa e erro, esta proteína levaria aproximadamente 1077 anos (!!!) para ser sintetizada (considerando 10100 diferentes possibilidades de conformação). 
Assim, o processo de “folding” não ocorre ao acaso por tentativa e erro. 
Supõe-se que estruturas secundárias locais se formam primeiro guiadas pelas preferências devidas à sequência de aas. Após isto são estabelecidas interações de curta distância para estabelecer estruturas super-secundárias. O processo continua até a formação de domínios completos e do “folding” da proteína inteira.
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Folding assistido: chaperonas
Dois tipos de chaperonas: Hsp 70 (análogo de DnaK em bactérias) e chaperoninas.
O dobramento de algumas proteínas necessita de chaperonas.
Chaperonas DnaJ e Dna K
Não promovem ativamente o dobramento, mas previnem a agregação de proteínas às quais estão ligadas. 
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Folding assistido: chaperoninas
Exercem papel ativo no dobramento de proteínas.
Em E. coli, 10-15% das proteínas dependem de chaperoninas para seu dobramento (30% em condições de estresse térmico)
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