Aminoacidos e proteinas

Prévia do material em texto

1
Aminoácidos
e
Peptídeos
Profa. Dra. Daniela L. Ambrósio
- As proteínas são as moléculas mais abundantes nas células – diferentes
tipos, estruturas, tamanhos e funções
- Todas as proteínas são construídas a partir de um mesmo conjunto de 20
aminoácidos (aas) covalentemente ligados
- Diferentes combinações de sequências geram proteínas com diferentes
propriedades e atividades
- 1839: Mulder atribuiu o termo proteína (do grego, proteios, primário) para
essa classe de compostos
2
Aminoácidos
- A nomenclatura dos aas varia bastante, sendo alguns derivados dos
locais onde eles foram isolados primeiramente. Ex: asparagina (aspargo),
ác glutâmico (glúten de trigo), tirosina (queijo, tyros – grego) e glicina
(gosto doce, glycos – grego)
- Todos os 20 aas são -aminoácidos, ou seja, possuem o grupo carboxila e
o grupo amino ligados ao mesmo C ()
- Os aas diferem na composição da cadeia lateral ou grupos R, que variam
na estrutura, tamanho e carga elétrica
- Aas menos comuns: modificados e outros presentes nos organismos,
mas que não são constituintes das proteínas
- Em pH fisiológico (~7,4), os grupos amino são protonados e os grupos
carboxílicos assumem a forma de base conjugada
- O primeiro aa a ser descoberto foi a asparagina (1806) e o último dos 20
aa foi a treonina (1938)
- Abreviações de 3 letras ou 1 letra
3
- Os diferentes C no aa são designados por , , , etc, partindo do C
- Com exceção da glicina, todos os aas apresentam o C ligado à 4 grupos
substituintes diferentes (assimétrico) - C = centro quiral e são
opticamente ativos
4
- Devido à forma tetraédrica é possível 2 arranjos espaciais -
estereoisômeros
- A configuração absoluta é especificada pelo sistema D,L (destrorrotatório,
levorrotatório), baseada na configuração do gliceraldeído (Fisher 1891)
- Os aas ocorrem nas proteínas na forma de L-estereoisômeros
5
Classificação dos aminoácidos
- Podem ser classificados pelo grupo R ou cadeia lateral – polaridade em pH 7
1) Grupos R Apolares e alifáticos
- Alanina, Valina, Leucina e Isoleucina tendem a aparecer em grupos,
contribuindo para a estabilidade da estrutura proteica através das interações
hidrofóbicas
Alanina
(Ala, A)
Valina
(Val, V) Leucina
(Leu, L)
Isoleucina
(Ile, I)
- A glicina é a mais simples e por ter uma cadeia lateral
pequena não contribui muito para as interações
hidrofóbicas
Glicina
(Gly, G)
- A metionina é um dos 2 aas que apresenta S e o
grupo tioéter é apolar
Metionina
(Met, M)
- A prolina possui uma cadeia alifática que forma uma
estrutura cíclica – conformação mais rígida
Prolina
(Pro, P)
6
2) Grupos R aromáticos 
- São relativamente apolares – interações hidrofóbicas
- O OH da tirosina é capaz de formar ligação de H, importante para a
atividade de algumas enzimas
- O triptofano (N do anel indol) e a tirosina (OH) são mais polares que a
fenilalanina
Tirosina
(Tyr, Y)
Fenilalanina
(Phe, F) Triptofano
(Trp, W)
- São capazes de absorver luz UV (280nm), Phe com menor intensidade
7
3) Grupos R polares não-carregados
- Mais hidrofílicos que os aas apolares
- Treonina (OH), serina (OH), cisteína (grupo sulfidrila), asparagina (grupo
amida), glutamina (grupo amida)
- A asparagina e a glutamina são amidas do aspartato e glutamato,
respectivamente
Treonina
(Thr, T)
Cisteína
(Cys, C)
Serina
(Ser, S) Asparagina
(Asn, N) Glutamina
(Gln, Q)
- A cisteína é facilmente oxidada para formar um aa dimérico, a cistina,
sendo as 2 moléculas de cisteína unidas por ponte dissulfeto
8
4) Grupos R carregados positivamente (básicos)
- Possuem os grupos R mais hidrofílicos
- A His é o único aa com pKa próximo a neutralidade (tampões)
Lisina
(Lys, K) Arginina
(Arg, R)
Histidina
(His, H)
5) Grupos R negativemente carregados (ácidos)
- São originados da asparagina e glutamina
Glutamato
(Glu, E)
Aspartato
(Asp, D)
9
Aminoácidos incomuns
- Derivam de modificações dos 20 aas padrão
Parede celular vegetais e colágeno
Colágeno
Miosina Protrombina e proteínas que ligam Ca2+
Glutationa-peroxidase
Elastina (4 Lys)
Intermediários da biossíntese da arginina e no ciclo da uréia
10
- Os aas dissolvidos em água (pH neutro) se ionizam formando zwitterions 
(do alemão = íons híbridos) 
- Podem agir tanto como ácidos (doador de prótons) ou como bases
(receptor de prótons)
- Substâncias que possuem essa dupla natureza são chamadas de
anfotéricas (anfólitos)
Alanina
11
Titulação de aminoácidos
- Ponto ou pH isoelétrico (pI): 
molécula ionizada com carga neutra
- Os aas com grupos R não ionizáveis 
têm curvas de titulação similares
- Titulação de aas com grupos R ionizáveis
12
Cálculo do pI
Ác monoaminomonocarboxílico Ác monoaminodicarboxílico
Ác diaminomonocarboxílico
13
Peptídeos
- Polímeros de aas que variam em tamanho, estrutura e propriedades
químicas
Ligação peptídica
-oligopeptídeos: possui alguns aas
-polipeptídeos: possui vários aas
(acima de 40) e PM abaixo de 10kDa
- proteínas: possui vários aas e PM
mais altos
- Os aas em peptídeos são chamados de resíduos de aas
- Por convenção, peptídeos são apresentados da esquerda com a
extremidade N-terminal dirigindo-se para a direita, no C-terminal
- A hidrólise de um peptídeo ocorre lentamente devido a alta energia de
ativação, com uma meia-vida de ~ 7 anos na maioria das condições
intracelulares
Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu ou SGTAL
14
- O grupo -amino livre, -carboxila e
grupos R contribuem para o
comportamento ácido-base global do
peptídeo
- Da mesma forma que os aas livres,
os peptídeos possuem curvas de
titulação características e pI
- Os valores de pKa são
modificados devido à ausência dos
grupos amino e carboxila na
ligação peptídica - aas mais abundantes: Leu, Ala, 
Gly, Ser, Val, Glu
- aas mais raros: Cys, Met, His- Para uma proteína de n resíduos
de aas existem 20n possibilidades
Aminoácidos e peptídeos com atividades biológicas
- Hormônios como ocitocina (9 aas), bradicinina (9 aas), fator liberador de 
tireotrofina (3 aas)
- Venenos de fungos, ATBs, etc
- Insulina (2 cadeias de 30 e 21 aas), glucagon (29 aas), corticotropina (39 aas)
- A histamina (descarboxilação da His) – mediador de reações alérgicas
- Tiroxina (derivado da tirosina) – hormônio da tireóide
15
Proteínas conjugadas
- Além dos aas, estão associadas a outros grupos químicos
- A parte não-aa é chamada de grupo prostético
Níveis estruturais das proteínas
16
Estrutura Tridimensional
das Proteínas
- Por muitos anos acreditava-se que as proteínas possuíam uma estrutura aleatória
- 1934: Bernal e Hodgkin – cristal de pepsina possuía uma estrutura ordenada
- Conformação de uma proteína: arranjo espacial dos átomos (diferentes
conformações possíveis)
- em condições biológicas geralmente uma ou poucas conformações predominam
(ligação à moléculas ou reação catalizada)
- Proteínas nativas: proteína na sua conformação funcional (termodinamicamente 
estáveis)
17
O que determina uma conformação estável de uma proteína?
- estabilidade: manter uma conformação nativa
- Pontes dissulfeto (ligação covalente) e interações fracas (não-covalentes)
- Predominância das ligações fracas – estabilidade (menor energia livre)
- No interior da proteína geralmente observa-se um núcleo de aas hidrofóbicos 
que contribuem para a conformação protéica
A ligação peptídica
- Rígida e planar
- As ligações peptídicas são incapazes de rodar livremente, mas a rotação é
permitida nas ligações N – Cα e Cα – C
Diagrama de Ramachandran
- Maioria em conformação trans
18
Estrutura Secundária das proteínas
- Conformação local em alguma parte do polipeptídeo
- α-hélice e conformação 
α-hélice
- 1930:Astbury – proteína do cabelo e do espinho do ouriço tinham uma estrutura
regular e repetida
- 1951: Pauling e Corey estudavam a influência de ligações de H na orientação dos 
grupos C – O e N – H da ligação peptídica - α-hélice e conformação 
- α-hélice: o esqueleto polipeptídico está enovelado 
ao redor de um eixo imaginário
- Grupos R projetados para fora da hélice
- Torção helicoidal da mão direita
- De modo geral ¼ dos resíduos de aas nas 
proteínas estão na forma de α-hélice
19
Restrições à α-hélice
- Ex: bloco de Glu, Lys e/ou Arg não forma α-hélice em pH 7
1) Atração ou repulsão entre grupos R carregados
2) Volume dos grupos R
- Asn, Ser, Thr e Cys podem desestabilizar a estrutura pela forma e volume
3) Interação entre os grupos R espaçando 3-4 resíduos
Asp
Arg
Interação iônica de aas carregados
Interação hidrofóbica entre 2 aas aromáticos
20
- Presença de aas negativamente carregados na
extremidade N-terminal e carregados positivamente na
extremidade C-terminal
5) Interação nas extremidades e dipolo elétrico
- Pro e Gly dificilmente aparecem dentro de uma α-hélice
4) Ocorrência de Pro e Gly 
Conformação 
- Conformação estendida em ziguezague, arranjadas em uma série de folhas
chamadas de folhas  (ligações de H entre segmentos adjacentes da proteína)
Antiparalelas
21
Paralelas
- Quando 2 ou mais folhas  estão próximas, somente aas com grupos R pequenos
são possíveis (Ex: Gly e Ala)
22
Dobras 
- Conectam as extremidades de 2 segmentos adjacentes de uma folha  antiparalela
- Envolve 4 resíduos de aas e ligação de H entre O da carbonila do 1º aa com o H
do amino do 4º aa
dobra 
- Aparecem geralmente na superfície da proteína
- Gly e Pro ocorrem frequentemente
23
Estruturas Terciária e Quaternária
- Proteínas fibrosas e globulares
1) Proteínas fibrosas
- Cadeias polipeptídicas arranjadas em longas fitas ou folhas
- Usualmente consistem de um único tipo de estrutura secundária
- Proteínas que fornecem apoio, forma e proteção externa aos vertebrados
- Todas as proteínas são insolúveis em água
- α-queratina, colágeno e fibroína da seda
α-queratina
- Constituinte de cabelo, lã, unhas, pena, espinhos, chifres, casco e a maior parte
da camada externa da pele
- Pertence à família das proteínas do filamento intermediário 
- α-queratinas (mamíferos) e -queratinas (répteis e pássaros)
- α-hélice no sentido da mão direita
24
- Espiral supertorcida (mão esquerda) de 2 fitas de α-queratina – maior resistência
- Rica em resíduos Ala, Val, Leu, Ile, Met e Phe - hidrofóbicos
- Ligações cruzadas (pontes S-S) estabilizam a estrutura
25
Curiosidade
- O cabelo na presença de calor úmido pode ser esticado até que as α-hélices da
α-queratina cheguem à conformação , mas ao esfriar revertem
espontaneamente
Colágeno
- Encontrado nos tendões, cartilagens, matriz dos ossos e córnea do olho
- Hélice no sentido da mão esquerda com 3 
resíduos por volta (Pro)
- 3 cadeias entrelaçadas no sentido de mão 
direita (tropocolágeno)
- Os mamíferos possuem 30 cadeias 
geneticamente diferentes – 19 variedades de 
colágeno
26
- A gelatina é um derivado do colágeno
- Tipicamente composto por Gly (35%), Ala (11%), Pro e 4-Hyp (4-hidroxiprolina) 
(21%)
- Gly – X – Y (frequentemente X=Pro e Y=4-Hyp)
Fibrilas de colágeno: ligações 
cruzadas entre Lys, HyLys (5-
hidroxilisina) ou His de 
moléculas de tropocolágeno
Envelhecimento – aumento de 
ligações cruzadas
27
Doenças relacionadas à estrutura do colágeno: osteogênese imperfeita
(formação anormal de ossos) e síndrome de Ehlers-Danlos (juntas frouxas)
- Substituição de um aa com grupo grande (Cys ou Ser) por uma Gly – ruptura
da repetição Gly – X – Y e efeito deletério na estrutura do colágeno
Escorbuto – deficiência de vit. C leva à diminuição na produção de 4-Hyp –
lesões na pele, fragilidade dos vasos sanguíneos, cicatrização dificultada e
morte
Fibroína da seda
- Cadeias em conformação  antiparalela,
rica em Ala e Gly
- Não se estica, mas é flexível (ligações de H)
28
2) Proteínas globulares
- Cadeias polipeptídicas enoveladas em uma forma esférica ou globular
- Contém vários tipos de estruturas secundária
- Enzimas, proteínas reguladoras, de transporte, motoras, imunoglobulinas e 
outras funções
- Estrutura X Função
Mioglobulina
- 1950 (Kendrew et al.): difração de raios-X mioglobulina
- Proteína de ligação ao oxigênio presente nas céls musculares, para difusão e
armazenamento no tecido
- Uma cadeia polipeptídica de 153 resíduos (16,7 kDa) e um grupo
protoporfirina férrica (heme)
- Em mamíferos mergulhadores (baleia, foca e boto), a mioglobulina permite a
submersão por longo tempo
29
- Dessa estrutura foram analisados a posição dos grupos R hidrofóbicos (interior
da molécula), grupos R polares encontram-se na superfície externa
- Primeira evidência direta da presença de α-hélices, presença de Pro nas
curvaturas
- O grupo heme se apoia em um bolsão ou fissura 
Métodos de determinação da estrutura tridimensional
Difração de raios-X
- espaçamento dos átomos em uma estrutura cristalina pela
medida das localizações e intensidades das manchas
produzidas em filme por um feixe de raios-X (difração)
- Imagem da densidade eletrônica
- requer um cristal ordenado de proteína (proteínas fibrosas
não cristalizam)
30
Ressonância Nuclear Magnética (RNM)
- determinação de estruturas maiores, incluindo CH, ác nucléicos e proteínas de 
tamanho pequeno a médio
- macromoléculas em solução que permite obter informações de conformação, 
enovelamento protéico e interações com outras moléculas
- A amostra é colocada em um campo magnético de
forma que os spins dos prótons sejam alinhados. Ao
aplicar pulsos de radiofrequência, os prótons são
excitados e emitem sinais cuja frequência depende
do ambiente molecular dos prótons
31
- As estruturas estão depositadas no Protein Data Bank (PDB) –
http://www.pdb.bnl.gov
- arranjos particularmente estáveis de vários elementos da estrutura secundária e 
suas conexões
Motivos
1) α: uma α-hélice conecta 2 fitas paralelas de uma folha 
32
2) Grampo : fitas antiparalelas conectadas por voltas reversas relativamente 
firmes, os segmentos não se cruzam e nem formam nós
3) αα: 2 α-hélices antiparalelas consecutivas arranjadas uma contra a outra em 
eixos enclinados
4) Barril : folhas  se enrolam para formar um barril
Barril α/ é encontrado em muitas enzimas 
para a ligação de um co-fator ou substrato
- Os motivos podem ter um significado tanto funcional como estrutural. Ex: 
Rossmann mostrou que o motivo αα frequentemente atua como local de 
ligação de nucleotídeos
33
Domínios
- Proteínas com mais de 200 resíduos de aas se dobram em 2 ou mais
aglomerados globulares chamados de domínios
Troponina C (ligação ao Ca no músculo)
- Os domínios frequentemente apresentam uma função específica
Classificação estrutural das proteínas
- Base de dados de Classificação estrutural de proteínas (SCOP) –
http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop
- 4 classes: toda α, toda , α/ (α e  intercaladas) e α+ (α e  separadas)
34
Citocromo C
- A estrutura terciária das proteínas é mais conservada que a estrutura primária –
informações sobre evolução
- família: semelhante estrutura primária e/ou estrutura terciária e função
semelhantes
- superfamília: 2 ou mais famílias com pouca semelhança na sequência primária, 
mas que possuem semelhanças funcionais e fazem uso do mesmo motivo 
Estrutura quaternária
- Proteínas >100 kDa geralmente são constituídas por mais de uma cadeia 
polipeptídica (subunidades) idênticas ou diferentes
Hemoglobina: α22 com 4 grupos heme
- O contato entre as subunidades se dá 
porligações de H e interações 
hidrofóbicas e em alguns casos por 
pontes S-S
- Geralmente proteínas de função reguladora
35
Limitação de tamanho para as proteínas
- 2 fatores estão relacionados, a capacidade genética dos ác nucléicos e a 
precisão na biossíntese protéica (1 erro a cada 10.000 aas adicionados)
- Proteína Titin possui mais de 30.000 resíduos de aas
- vírus: muitas cópias de genes pequenos (maior eficiência)
Dobramento e estabilidade das proteínas
1) Forças que estabilizam a estrutura
- Interações hidrofóbicas – cadeias laterais apolares no interior da molécula
- Interações eletrostáticas (forças de van der Waals e entre grupos iônicos)
- Ligações químicas cruzadas: pontes S-S, íons metálicos (Ex: dedos de zinco 
(zinc finger)
36
2) Desnaturação e Renaturação das proteínas
Desnaturação: perda da estrutura tridimensional que leva à perda de função, que 
não precisa ser um estado de desenovelamento completo
- Agentes desnaturantes: temperatura, extremos de pH, certos solventes 
orgânicos, uréia, cloreto de guanidina e detergentes
Renaturação: reversão de proteínas 
desnaturadas (podem retornar à 
estrutura nativa e função biológica) 
Ex: ribonuclease
- A sequência de aas contém a 
informação para o enovelamento na 
estrutura tridimensional nativa
37
3) Enovelamento das proteínas
- E. coli – proteína de 100 resíduos de aas em 5 seg (37oC) – 10100
possibilidades de conformação
1º modelo
2º modelo
- Colapso hidrofóbico que leva a um estado compacto
38
Enovelamento assistido
- Algumas proteínas não se enovelam espontaneamente e necessitam da ajuda 
de outras proteínas
- Chaperonas moleculares: interagem com polipeptídeos parcial ou impropriamente 
enovelados, facilitando o enovelamento correto. 
- 2 classes de chaperonas foram bem estudadas: HSP70 e chaperoninas