Bioquímica - Metabolismos

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Bioquímica – P1
Aminoácidos
Proteínas são a segunda substancia mais abundante nas células (água 70%) controlam praticamente todos os processos que ocorrem em uma célula, exibindo uma quase infinita diversidade de funções. São os instrumentos moleculares pelos quais a informação genética é expressa. São constituídas polímeros de aminoácidos, com cada resíduo de aminoácido unido ao seu vizinho por um tipo específico de ligação covalente (o termo “resíduo” reflete a perda de elementos de água quando um aminoácido é unido a outro). As proteínas podem ser degradadas (hidrolisadas) em seus aminoácidos constituintes por vários métodos.
As proteínas são construídas a partir de conjuntos de moléculas denominadas aminoácidos. Todos os 20 tipos de aminoácidos comuns são a-aminoácidos. Eles têm um grupo carboxila e um grupo amino ligados ao mesmo átomo de carbono (o carbono-alfa). Diferem uns dos outros em suas cadeias laterais ou grupos R, que variam em estrutura, tamanho e carga elétrica, e que influenciam a solubilidade dos aminoácidos em água. Uma cadeia lateral com propriedades químicas características.
Para gerar uma determinada proteína, os aminoácidos se ligam de modo covalente em uma sequência linear característica. O mais marcante é que as células produzem proteínas com propriedades e atividades completamente diferentes ligando os mesmos 20 aminoácidos em combinações e sequências muito diferentes. A partir desses blocos de construção, diferentes organismos podem gerar produtos tão diversos como enzimas, hormônios, anticorpos, transportadores, fibras musculares, proteínas das lentes dos olhos, penas, teias de aranha, etc.
Os aminoácidos essenciais são aqueles que precisam ser consumidos, estarem presentes na dieta e são 10. Leucina, isoleucina, valina (BCCA’s) e metionina são alguns deles.
Para todos os aminoácidos comuns, exceto a glicina, o carbono a está ligado a quatro grupos diferentes: um grupo carboxila, um grupo amino, um grupo R e um átomo de hidrogênio.
Em decorrência do arranjo tetraédrico dos orbitais de ligação em volta do átomo de carbono a (centro quiral), os quatro grupos diferentes podem ocupar dois arranjos espaciais únicos e, portanto, os aminoácidos têm dois estereoisômeros possíveis. As configurações absolutas de açúcares simples e de aminoácidos são especificadas pelo sistema D, L. Para todos os compostos quirais, os estereoisômeros com configuração relacionada àquela do L-gliceraldeído são designados L, e os estereoisômeros relacionados ao D-gliceraldeído foram designados D. Portanto, o grupo carboxila de L-alanina ocupa a mesma posição ao redor do carbono quiral que o grupo aldeído de L-gliceraldeído. Os L-aminoácidos são aqueles com o grupo a-amino na esquerda e os D-aminoácidos com esse grupo na direita.
Os resíduos de aminoácidos em moléculas proteicas são exclusivamente estereoisômeros L. Os resíduos de D-aminoácidos foram encontrados apenas em alguns peptídeos, geralmente pequenos. As células são capazes de sintetizar especificamente os isômeros L de aminoácidos porque os sítios ativos de enzimas são assimétricos, tornando estereoespecíficas as reações por elas catalisadas. Deve-se a posição de encaixe nos ribossomos.
A polaridade dos grupos R varia amplamente, de apolar e hidrofóbico (não hidrossolúvel) ao altamente polar e hidrofílico (hidrossolúvel). Alguns aminoácidos são um pouco difíceis de caracterizar ou não se encaixam perfeitamente em qualquer grupo, particularmente glicina, histidina e cisteína.
Grupos de aminoácidos não polares não interagem com a água, não produzem ligação H, o que influencia na sua conformação. 
Grupos R apolares, alifáticos – Os grupos R nesta classe de aminoácidos são apolares e hidrofóbicos. As cadeias laterais de alanina, valina, leucina e isoleucina tendem a se agrupar no interior de proteínas, estabilizando a estrutura proteica por meio de interações hidrofóbicas. A glicina tem a estrutura mais simples, não contribui realmente para interações hidrofóbicas. A metionina, um dos dois aminoácidos que contém enxofre, tem um grupo tioéter ligeiramente apolar em sua cadeia lateral. A prolina tem cadeia lateral alifática com estrutura cíclica distinta, mantido em uma configuração rígida que reduz a flexibilidade estrutural de regiões polipeptídicas contendo prolina.
Grupos R aromáticos – Fenilalanina, tirosina e triptofano, com suas cadeias laterais aromáticas, são relativamente apolares (hidrofóbicos). Todos podem participar em interações hidrofóbicas. O grupo hidroxila da tirosina pode formar ligações de hidrogênio e é um importante grupo funcional em algumas enzimas.
Aminoácidos não-polares tendem a se agrupar, se juntar. Envolvidos na produção de neurotransimissores (precursores), por exemplo tirosina, envolvida na produção de dopamina, noradrenalina e adrenalina.
Grupos R polares, não carregados – Os grupos R desses aminoácidos são mais solúveis em água, ou mais hidrofílicos do que aqueles dos aminoácidos apolares, porque eles contêm grupos funcionais que formam ligações de hidrogênio com a água. Essa classe de aminoácidos inclui a serina, treonina, cisteína, asparagina e glutamina. Os grupos hidroxila da serina e treonina e os grupos amida da asparagina e glutamina contribuem para suas polaridades. A cisteína é um caso isolado aqui porque sua polaridade, devida ao seu grupo sulfidrila, é bastante modesta.
Os resíduos ligados a dissulfetos são fortemente hidrofóbicos (apolares). As ligações dissulfeto desempenham um papel especial nas estruturas de muitas proteínas pela formação de ligações covalentes entre partes de uma molécula polipeptídica ou entre duas cadeias polipeptídicas diferentes. A cisteína, por exemplo, por ter um grupo SH pode interagir com outra cisteína distante formando ligações covalente S-S e é chamada cistina a partir disso.
Grupos R carregados positivamente (básicos) – Os grupos R mais hidrofílicos são aqueles carregados positivamente ou negativamente. Os aminoácidos nos quais os grupos R têm uma carga positiva significativa em pH 7,0 são a lisina, com um segundo grupo amino primário em sua cadeia alifática; a arginina, com um grupo guanidínio positivamente carregado; e a histidina, com um grupo imidazol aromático.
Os grupos positivos podem interagir com o negativo de outros aminoácidos (grupo carboxílico) gerando conformações. A císteina é uma exceção pois possui valor positivo, porém devido ao grupo sulfeto (SH) pode ionizar e interagir com água.
Grupos R carregados negativamente (ácidos) – Os dois aminoácidos que apresentam grupos R com carga negativa final em pH 7,0 são o aspartato e o glutamato, cada um dos quais tem um segundo grupo carboxila.
Os grupos amino e carboxila de aminoácidos, em conjunto com os grupos ionizáveis R de alguns aminoácidos, funcionam como ácidos e bases fracos. A titulação ácido-base envolve a adição ou remoção gradual de prótons, produzindo efeito tampão em determinado pH. 
Por exemplo, os dois grupos ionizáveis de glicina, o grupo carboxila e o grupo amino, são titulados com uma base forte, como NaOH. O gráfico tem duas fases distintas, correspondendo à desprotonação de dois grupos diferentes na glicina. Em pH muito baixo, a espécie iônica predominante de glicina é a forma completamente protonada, +H3N¬CH2¬COOH. No primeiro estágio da titulação, o grupo ¬COOH de glicina perde seu próton. No ponto médio desse estágio, estão presentes concentrações equimolares de espécies doadoras (+H3N¬CH2¬COOH) e aceptoras (+H3N¬CH2¬COO–) de prótons. Como na titulação de qualquer ácido fraco, um ponto de inflexão é alcançado nesse ponto médio onde o pH é igual ao pKa do grupo protonado que está sendo titulado. Para a glicina, o pH no ponto médio é 2,34, portanto seu grupo ¬COOH tem um pKa (pk1) = 2,34. À medida que a titulação da glicina prossegue, outro ponto importante é alcançado no pH 5,97. Aqui há outro ponto de inflexão, no qual a remoção do primeiro próton está completa e a remoção do segundo apenas começou. Nesse pH, a glicina está presente em grande parte como o íon bipolar+H3N¬CH2¬COO-.
O segundo estágio da titulação corresponde à remoção de um próton do grupo ¬NH3+ da glicina. O pH no ponto médio dessa fase é 9,60, igual ao pKa (pk2) do grupo NH3+. A titulação está completa em um pH de cerca de 12, no ponto em que a forma predominante de glicina é H2N¬CH2¬COO–.
O pKa de qualquer grupo funcional é em grande parte afetado por seu ambiente químico, fenômeno algumas vezes explorado nos sítios ativos de enzimas para promover mecanismos de reação extraordinariamente adaptados que dependem dos valores de pKa perturbados de grupos doadores/aceptores de prótons de resíduos específicos.
O pH característico no qual a carga elétrica final é zero é chamado de ponto isoelétrico ou pH isoelétrico, designado por pI. Para a glicina, que não possui qualquer grupo ionizável em sua cadeia lateral, o ponto isoelétrico é simplesmente a média aritmética dos dois valores de pKa.
Modificações pós-proteicas
Oxidação da prolina – ocorre após a prolina ser inserida na cadeia proteica. Não adianta consumir a oxiprolina (a prolina em seu estado oxidado) pois não existe um códon correspondente a ela. Essa modificação ocorre após a prolina estar presente na cadeia. Outro exemplo: y-carboxiglutamato – importante na regulação da coagulação.
Fosforilação – ocorre na hidroxila (OH) de serina, tirosina e treonina presentes na proteína. Essa fosforilação é reversível e permite modificar a conformação proteica pois o fosfato (negativo) interage com pontos positivos na proteína. É usado na regulação de enzimas ativando-a e desativando-a. Exemplo: fosfotirosina.
Peptídeos e Proteínas
São polímeros de aminoácidos, consistindo em dois ou três a milhares de resíduos de aminoácidos ligados. Duas moléculas de aminoácidos podem ser ligadas de modo covalente por meio de uma ligação amida substituída, denominada ligação peptídica, a fim de produzir um dipeptídeo. Tal ligação é formada pela remoção de elementos de água (desidratação) do grupo a-carboxila de um aminoácido e do grupo a-amino do outro e dará origem a estrutura primária da proteína. Uma característica da ligação peptídica é a presença de uma ligação de ressonância com caráter simples-dupla, que adota uma posição planar. Isso limita as conformações que a proteina pode ter. As ligações peptídicas rígidas limitam a variação de conformações possíveis para uma cadeia polipeptídica.
Quando alguns aminoácidos se ligam desse modo, a estrutura é chamada de oligopeptídeo. Quando muitos aminoácidos se ligam, o produto é chamado de polipeptídeo. Em um peptídeo, o resíduo de aminoácido na extremidade com um grupo a-amino livre é chamado de resíduo aminoterminal (ou N-terminal); o resíduo na outra extremidade, que tem um grupo carboxila livre, é o resíduo carboxiterminal (C-terminal).
Os oxigênios e hidrogênios pendentes nas ligações peptídicas podem interagir através de ligações de hidrogênio, ou seja, o oxigênio de uma lig. Peptídica pode interagir com um hidrogênio de uma outra lig. Peptídica em outra posição.
Algumas proteínas consistem em apenas uma única cadeia polipeptídica, porém outras, chamadas de proteínas multissubunidade, têm dois ou mais polipeptídeos associados de modo não covalente. 
Se pelo menos duas cadeias são idênticas, a proteína é chamada de oligomérica, e as unidades idênticas (consistindo em uma ou mais cadeias polipeptídicas) são chamadas de protômeros. A hemoglobina, por exemplo, tem quatro subunidades polipeptídicas: duas cadeias a idênticas e duas cadeias b idênticas, todas as quatro mantidas unidas por interações não covalentes. Cada subunidade à é pareada de modo idêntico com uma subunidade b dentro da estrutura dessa proteína multissubunidade, de modo que a hemoglobina pode ser considerada tanto um tetrâmero de quatro subunidades de polipeptídeos quanto um dímero de protômeros ab.
Muitas proteínas, como, por exemplo, as enzimas ribonuclease A e a quimotripsina, contêm apenas resíduos de aminoácidos e nenhum outro constituinte químico; elas são consideradas proteínas simples. Entretanto, algumas proteínas contêm componentes químicos permanentemente associados além dos aminoácidos; elas são chamadas de proteínas conjugadas. A parte não aminoácido de uma proteína conjugada é normalmente chamada de grupo prostético. Por exemplo, lipoproteínas contêm lipídeos, glicoproteínas contêm grupos de açúcares e metaloproteínas contêm um metal específico. Algumas proteínas contêm mais de um grupo prostético.
Uma técnica importante para separação de proteínas se baseia na migração de proteínas carregadas em um campo elétrico, um processo chamado de eletroforese. Em geral, esses procedimentos não são utilizados para purificar proteínas. Entretanto, como um método analítico, a eletroforese é extremamente importante. Sua vantagem é que as proteínas podem ser visualizadas, bem como separadas, permitindo ao pesquisador estimar rapidamente o número de proteínas diferentes em uma mistura ou o grau de pureza de uma preparação proteica específica. A eletroforese também pode ser utilizada para determinar propriedades cruciais de uma proteína, tal como seu ponto isoelétrico, e estimar sua massa molecular. Em geral, a eletroforese de proteínas é realizada em géis compostos de polímeros reticulados de poliacrilamida que funcionam como uma peneira molecular. A migração de uma proteína em um gel durante a eletroforese é, portanto, em função do seu tamanho e formato. Um método eletroforético comumente empregado para estimar a pureza e a massa molecular utiliza o detergente dodecil sulfato de sódio (SDS).
A estrutura de grandes moléculas, tais como proteínas, pode ser descrita em vários níveis de complexidade, arranjada em um tipo de hierarquia conceitual. Quatro níveis de estrutura proteica são comumente definidos. A estrutura primária consiste em uma sequência de aminoácidos unidos por ligações peptídicas e inclui quaisquer pontes dissulfeto. A estrutura secundária se refere a arranjos particularmente estáveis de resíduos de aminoácidos dando origem a padrões estruturais recorrentes. A estrutura terciária descreve todos os aspectos do enovelamento tridimensional de um polipeptídeo. Quando uma proteína tem duas ou mais subunidades polipeptídicas, seus arranjos no espaço são chamados de estrutura quaternária. 
 
A estrutura primária de uma proteína determina como ela se dobra em sua estrutura tridimensional única, e isso, por sua vez, determina a função da proteína. O conhecimento da sequência de aminoácidos em uma proteína pode oferecer ideias sobre sua estrutura tridimensional e função, localização celular e evolução.
A maior parte das proteínas contém regiões cruciais que são essenciais para suas funções e cuja sequência é, portanto, conservada. A fração da sequência geral que é crítica varia de proteína para proteína. Certas sequências de aminoácidos funcionam como sinais que determinam a localização celular, a modificação química e a meia-vida de uma proteína. Sequências de sinalização específicas, frequentemente na porção aminoterminal, são utilizadas para direcionar certas proteínas para a exportação a partir da célula.
Muitos peptídeos são potencialmente úteis como agentes farmacológicos e sua produção é de considerável importância comercial. Há três modos de se obter um peptídeo: (1) purificação a partir de tecidos; (2) engenharia genética; ou (3) síntese química direta. Atualmente, técnicas poderosas tornam a síntese química direta uma opção atrativa em muitos casos. Métodos sofisticados estão sendo desenvolvidos para rastrear a evolução, analisando as lentas mudanças resultantes nas sequências de aminoácidos de proteínas homólogas.
Cada proteína tem uma função química e uma estrutura específica, sugerindo que cada uma delas tenha uma estrutura tridimensional única. O arranjo espacial dos átomos em uma proteína ou qualquer parte da proteína é chamado de conformação. As conformações possíveis de uma proteína ou de qualquer segmento proteico incluem qualquer estado estrutural que ela possa assumir sem a quebra de suas ligações covalentes.Uma mudança conformacional pode ocorrer, por exemplo, pela rotação sobre as ligações simples. As conformações que existem em determinadas condições são, normalmente, aquelas termodinamicamente mais estáveis – isto é, aquelas com energia livre de Gibbs (G) menores. Proteínas dobradas, em qualquer uma de suas conformações funcionais, são chamadas de proteínas nativas. 
No contexto da estrutura de proteínas, o termo estabilidade pode ser definido como a tendência em manter a conformação nativa. Proteínas nativas são apenas marginalmente estáveis: o deltaG que separa os estados dobrados e não dobrados em proteínas comuns, sob condições fisiológicas, está na faixa de apenas 20 a 65 kJ/mol. Uma dada cadeia polipeptídica pode, teoricamente, assumir inúmeras conformações e, como resultado, o estado não dobrado de uma proteína é caracterizado por um alto grau de entropia conformacional. Essa entropia, junto com as interações de ligações de hidrogênio dos diversos grupos da cadeia polipeptídica com o solvente (água), tende a manter o estado não dobrado. As interações químicas que contrabalançam esses efeitos e estabilizam a conformação nativa incluem ligações dissulfeto (covalentes) e interações fracas (não covalentes) como ligações de hidrogênio e interações hidrofóbicas e iônicas.
Para todas as proteínas de todos os organismos, as interações fracas são especialmente importantes para o enovelamento das cadeias polipeptídicas em suas estruturas secundárias e terciárias. A associação de múltiplos polipeptídeos para formar estruturas quaternárias também tem como base estas interações fracas. Para todas as proteínas de todos os organismos, as interações fracas são especialmente importantes para o enovelamento das cadeias polipeptídicas em suas estruturas secundárias e terciárias. Para cada ligação de hidrogênio formada em uma proteína durante seu enovelamento, uma ligação de hidrogênio (de força equivalente) entre o mesmo grupo e a água é quebrada.
As interações hidrofóbicas são importantes na estabilização da conformação: o interior de uma proteína geralmente é um núcleo altamente empacotado de cadeias laterais de aminoácidos hidrofóbicos. Também é importante que cada grupo polar ou carregado no interior da proteína tenha um par adequado para fazer ligação de hidrogênio ou interação iônica. A interação entre grupos carregados com cargas opostas, que formam um par iônico ou uma ponte salina, pode exercer tanto um efeito estabilizante quanto desestabilizante na estrutura da proteína.
O termo estrutura secundária se refere a qualquer segmento de uma cadeia polipeptídica e descreve o arranjo espacial de seus átomos na cadeia principal, sem considerar a posição de suas cadeias laterais ou sua relação com outros segmentos. Uma estrutura secundária comum ocorre quando cada ângulo diedro permanece igual, ou quase igual, ao longo do segmento. As mais conhecidas são as hélices a e as conformações b; outro tipo comum é a volta b. Quando um padrão regular não é observado, a estrutura secundária algumas vezes é chamada de indefinida ou espiral aleatória.
Alfa-hélice – A formação de pontes de hidrogênio entre ligações peptídicas vai formar uma hélice, o arranjo mais simples que a cadeia polipeptídica pode assumir que maximiza o uso de ligações de hidrogênio internas. Exemplo na alfa-queratina, essa hélice pode ocorrer em determinadas porções da cadeia. Base da alfa-hélice são o H do alfa-amino e O do alfa-carboxila (cadeias laterais podem alterar essas ligações – podem ajudar ou atrapalhar). A prolina é um aminoácido cíclico e não possui disponibilidade para ligações de hidrogênio sendo um quebrador de hélices. A hélice forma uma tendência de face negativa no oxigênio e face positiva no lado do hidrogênio. A hélice a voltada para direita é a forma mais comum.
Cada volta sucessiva da alfa-hélice é mantida por voltas adjacentes por três ou quatro ligações de hidrogênio, conferindo uma significativa estabilidade à estrutura global. Nem todos os polipeptídeos podem formar uma hélice a estável. Cada resíduo de aminoácido em um polipeptídeo tem uma propensão intrínseca de formar uma alfa-hélice, consequência das propriedades de seu grupo R e como elas interferem na capacidade de seus átomos de conexão da cadeia principal em aceitar os ângulos. A alanina apresenta a melhor tendência a formar alfa-hélices na maioria dos sistemas-modelo experimentais.
Os grupos carboxílicos, carregados negativamente, dos resíduos Glu adjacentes repelem-se mutuamente de forma tão forte que impedem a formação da hélice a. Pela mesma razão, se existem muitos resíduos Lys e/ou Arg, com grupos R carregados positivamente em pH 7,0, eles também se repelem, impedindo a formação da hélice a. Uma restrição à formação da hélice a é a presença de resíduos de Pro e Gly, que apresentam a menor propensão em formar hélices a. Na prolina, o átomo de nitrogênio faz parte de um anel rígido, e a rotação sobre a ligação N¬Ca não é possível. Dessa forma, um resíduo Pro gera uma torção, que desestabiliza a hélice. Além disso, o átomo de nitrogênio do resíduo Pro em uma ligação peptídica não tem hidrogênio para participar em ligações com outros resíduos. Por essas razões, a prolina raramente é encontrada em uma hélice a.
Beta-estrutura (folha beta) – cadeia em zig zag que se alinha e forma pontes de hidrogênio com outra cadeia em zig zag (inter-cadeia, entre fitas paralelas). Forma uma estrutura que lembra uma folha com ondulações. Essa é uma conformação mais estendida das cadeias polipeptídicas. O arranjo de vários segmentos lado a lado, os quais estão na conformação b, é chamado de folha b. A estrutura em zigue-zague dos segmentos polipeptídicos individuais dá origem a uma aparência pregueada da folha em geral. As ligações de hidrogênio são formadas entre segmentos adjacentes da cadeia polipeptídica, dentro da folha. Os segmentos que formam a folha b normalmente estão próximos na cadeia polipeptídica, mas também podem estar bem distantes uns dos outros na sequência linear do peptídeo. As cadeias polipeptídicas adjacentes em uma folha b podem ser tanto paralelas quanto antiparalelas (apresentando uma orientação aminocarboxiterminal igual ou oposta, respectivamente).
Voltas beta (beta-turn) – forma uma curva; dobra. Em proteínas globulares, que apresentam estrutura dobrada compacta, alguns resíduos de aminoácidos estão em voltas ou alças onde a cadeia polipeptídica inverte sua direção. Esses são elementos conectores que ligam estruturas sucessivas de hélices a e conformações b. Os resíduos Gly e Pro frequentemente ocorrem em voltas b; o primeiro porque é pequeno e flexível, e o último porque as ligações peptídicas envolvendo o nitrogênio imino da prolina facilmente assumem configuração cis, forma particularmente acessível em uma volta fechada. As voltas normalmente são encontradas próximas à superfície das proteínas, onde os grupos peptídicos dos dois resíduos de aminoácidos centrais da alça podem fazer ligação de hidrogênio com a água.
A espectroscopia de dicroísmo circular é um método para a identificação das estruturas secundárias comuns e o monitoramento do enovelamento das proteínas.
O arranjo tridimensional total de todos os átomos de uma proteína é chamado de estrutura terciária. Refere-se ao dobramento da proteina no espaço; interação entre cadeias. Aminoácidos que estão bem distantes na sequência polipeptídica e em diferentes tipos de estruturas secundárias podem interagir na estrutura da proteína completamente dobrada. Segmentos da cadeia polipeptídica que interagem entre si são mantidos em suas posições terciárias características por diferentes tipos de interações fracas (e algumas vezes por ligações covalentes, como ligações dissulfeto) entre os segmentos.
Algumas proteínas contêm duas ou mais cadeias polipeptídicas distintas, ou subunidades, que podem ser idênticas ou diferentes. O arranjo destas subunidades proteicas em complexos tridimensionais constitui a estrutura quaternária.
É conveniente designar dois grandes grupos nos quais muitas proteínaspodem ser classificadas: proteínas fibrosas, com cadeias polipeptídicas arranjadas em longos filamentos ou folhas, e proteínas globulares, com cadeias polipeptídicas dobradas em forma esférica ou globular. Os dois grupos são estruturalmente distintos. As proteínas fibrosas em geral são formadas por um único tipo de estrutura secundária, e sua estrutura terciária é relativamente simples. As proteínas globulares normalmente contêm diversos tipos de estruturas secundárias. Os dois grupos também se diferenciam funcionalmente: as estruturas que garantem suporte, forma e proteção externa aos vertebrados são feitas de proteínas fibrosas, enquanto as enzimas e as proteínas reguladoras em sua maioria são proteínas globulares. 
Fibrosas – A a-queratina, o colágeno e o filamento de seda ilustram bem a relação entre a estrutura da proteína e sua função biológica. As proteínas fibrosas compartilham propriedades que dão força e/ou flexibilidade às estruturas nas quais ocorrem. Em cada caso, a unidade estrutural fundamental é um elemento simples de estrutura secundária que se repete. Todas as proteínas fibrosas são insolúveis em água, propriedade conferida pela alta concentração de resíduos de aminoácidos hidrofóbicos. 
A hélice da a-queratina é uma hélice a voltada para a direita, a mesma hélice encontrada em várias outras proteínas. As hélices a da queratina estavam arranjadas na forma de espiral enrolada. Duas fibras de a-queratina, orientadas em paralelo (com seus aminoterminais na mesma extremidade), são enroladas uma sobre a outra, formando uma espiral enrolada supertorcida. O entrelaçamento de dois peptídeos a-helicoidais é um exemplo de estrutura quaternária. Espirais enroladas desse tipo são elementos estruturais comuns em proteínas filamentosas e na proteína muscular miosina. A estrutura quaternária da a-queratina pode ser bem complexa. Várias espirais enroladas podem ser associadas em grandes complexos supramoleculares, como o arranjo da a-queratina para formar o filamento intermediário do cabelo. 
O colágeno também é uma espiral enrolada, mas com estruturas terciária e quaternária distintas: três polipeptídeos separados, chamados de cadeias a (não confundir com hélices a), são supertorcidos uns sobre os outros. Lembra uma alfa-hélice mas é algo bem diferente; possui prolina que lhe permite uma conformação curva. Tipicamente contém glicina, prolina e alanina. Possui função estrutural e extracelular.
A fibroína, a proteína da seda possui cadeias polipeptídicas que estão predominantemente na conformação b. A fibroína é rica em resíduos Ala e Gly, permitindo um grande empacotamento das folhas b e um arranjo entrelaçado dos grupos R. A estrutura é flexível, pois as cadeias estão unidas por inúmeras interações fracas, em vez de ligações covalentes como ligações dissulfeto nas a-queratinas.
Globulares – são as mais ricas em formas. Segmentos diferentes das cadeias polipeptídicas (ou de múltiplas cadeias polipeptídicas) se dobram uns sobre os outros, gerando uma forma mais compacta. Caracterizada por repetidas porções da cadeia de alfa-hélice. Possui muitas vezes um grupo prostético: um grupamento no interior da proteína ancorado; no exemplo da mioglobina, os 4 anéis com ferro no meio (HEME) – tetra pirrol.
Cada uma delas está dobrada de forma compacta e, em cada caso, as cadeias laterais hidrofóbicas dos aminoácidos estão orientadas na direção do centro da proteína (longe da água), e suas cadeias laterais hidrofílicas se encontram na superfície. As estruturas também são estabilizadas por inúmeras ligações de hidrogênio e algumas interações iônicas.
Mioglobina - funciona tanto para a estocagem de oxigênio quanto para facilitar a difusão do oxigênio nos tecidos musculares em contração. Contém uma única cadeia polipeptídica de 153 resíduos de aminoácidos de sequência conhecida e um único grupo ferro-protoporfirina, ou heme. O mesmo grupo heme encontrado na mioglobina é encontrado na hemoglobina, a proteína ligadora de oxigênio dos eritrócitos, sendo responsável pela coloração vermelha amarronzada tanto da mioglobina quanto da hemoglobina. O esqueleto da molécula de mioglobina consiste em oito segmentos de hélices a relativamente retas, interrompidas por dobras, algumas delas sendo voltas b.
Resumindo: A interação hidrofóbica é o primeiro movimento da proteína ao sair do ribossomo para o meio aquoso. Seguida da formação de ligações de H e pontes salinas (formação de alfa-hélices). No fim as interações das cadeias laterais, que permitem a conformação e a série de modificações seguintes.
Para entender uma estrutura tridimensional completa, é preciso analisar seu padrão de enovelamento. Primeiro, definem-se dois importantes termos que descrevem os padrões de estruturas de proteínas ou elementos de uma cadeia polipeptídica, seguindo então para as regras de enovelamento.
O primeiro termo é motivo, também chamado de estrutura supersecundária ou enovelamento. É um padrão de enovelamento identificável, envolvendo dois ou mais elementos da estrutura secundária e a conexão (ou conexões) entre eles. Um exemplo é uma alça b-a-b. Um motivo também pode ter uma estrutura bem elaborada, envolvendo um grande número de segmentos proteicos dobrados juntos, como o barril b.
O segundo termo que descreve padrões estruturais é o domínio. Um domínio é uma parte da cadeia polipeptídica que é independentemente estável ou pode se movimentar como uma entidade isolada em relação ao resto da proteína. Domínios diferentes em geral têm funções diferentes, como a ligação de pequenas moléculas ou interação com outras proteínas. Proteínas pequenas normalmente têm somente um domínio (o domínio é a proteína).
Estrutura quaternária – junção de diferentes cadeias. Muitas proteínas têm múltiplas subunidades polipeptídicas. A associação das cadeias polipeptídicas pode servir a uma variedade de funções. Muitas proteínas com múltiplas subunidades podem ter funções reguladoras. Uma proteína de múltiplas subunidades também é chamada de multímero que com apenas algumas subunidades é chamado de oligômero. A primeira proteína oligomérica que teve sua estrutura tridimensional determinada foi a hemoglobina. A porção proteica, a globina, consiste em duas cadeias a e duas cadeias b.
As proteínas inapropriadamente dobradas frequentemente expõem superfícies hidrofóbicas que as tornam “pegajosas”, conduzindo à formação de agregados inativos. Esses agregados podem perder suas funções normais, mas não são inertes; seu acúmulo nas células situa-se no centro de doenças que vão de diabetes a doenças de Parkinson e Alzheimer. Não surpreendentemente, todas as células elaboraram vias de reciclagem e/ou degradação de proteínas irreversivelmente deformadas.
Desnaturação de proteínas – perda da função da proteína pela perda da estrutura terciária. Não há quebra da cadeia e sim perda das interações. A perda de estrutura tridimensional suficiente para causar a perda de função. A desnaturação frequentemente leva à precipitação de proteínas, uma consequência da formação de agregados proteicos pela exposição de superfícies hidrofóbicas associadas. O precipitado proteico visto após ferver um ovo é um exemplo.
A maioria das proteínas pode ser desnaturada pelo calor, que tem efeitos complexos nas muitas interações fracas da proteína (principalmente sobre as ligações de hidrogênio). Se a temperatura é aumentada lentamente, a conformação da proteína em geral permanece intacta até que, em uma estreita faixa de temperatura, ocorre uma perda abrupta da estrutura (e da função). As proteínas também podem ser desnaturadas por pHs extremos, por certos solventes orgânicos miscíveis, como álcool ou acetona, por certos solutos como ureia e hidrocloreto de guanidina, ou por detergentes. Solventes orgânicos, ureia e detergentes atuam, principalmente, rompendo as interações hidrofóbicas que mantêm o núcleo estável das proteínas globulares; a ureia também rompe as ligações de hidrogênio; extremos de pH alteram a carga líquida da proteína, causando repulsão eletrostática e o rompimentode algumas ligações de hidrogênio.
A desnaturação de algumas proteínas é reversível. Certas proteínas globulares desnaturadas por temperatura, extremos de pH ou agentes desnaturantes reassumem suas estruturas nativas e suas atividades biológicas se retornarem às condições nas quais a conformação nativa é estável. Esse processo é chamado de renaturação.
O arranjo de estruturas locais é seguido por interações de longo alcance entre, por exemplo, elementos da estrutura secundária que se aproximam para formar estruturas enoveladas estáveis. O processo continua até a formação de domínios completos e até que todo o polipeptídeo esteja dobrado. estabilidade termodinâmica não é igualmente distribuída na estrutura da proteína – a molécula tem regiões de relativamente alta estabilidade e outras de estabilidade baixa ou desprezível.
Muitas condições, incluindo diabetes do tipo 2, doença de Alzheimer, doença de Huntington e doença de Parkinson, estão associadas com um mecanismo de enovelamento errôneo: uma proteína solúvel normalmente secretada pela célula é secretada em um estado de enovelamento errado, sendo convertida em uma fibra amiloide extracelular insolúvel. 
A doença de Alzheimer está associada com deposição amiloide extracelular pelos neurônios, envolvendo o peptídeo amiloide b, derivado de uma grande proteína transmembrana encontrada na maioria dos tecidos humanos. Quando ele faz parte de uma proteína maior, o peptídeo é composto por dois segmentos a-helicoidais que atravessam a membrana. Quando os domínios externos e internos são clivados por proteases específicas, o peptídeo b-amiloide relativamente instável deixa a membrana e perde sua estrutura a-helicoidal. Ele pode então tomar a forma de duas camadas de folhas b paralelas estendidas, que lentamente podem se reunir em fibrilas amiloides. O depósito dessas fibras amiloides parece ser a causa primária da doença de Alzheimer.
As moléculas de heme livres (não ligadas a uma proteína) deixam o Fe2+ com duas ligações de coordenação “abertas”. A reação simultânea de uma molécula de O2 com duas moléculas de heme livres (ou dois Fe2+ livres) pode resultar em uma conversão irreversível de Fe2+ em Fe3+. Nas proteínas que contêm heme, essa reação é impedida pelo sequestro do heme no interior da estrutura da proteína. Assim, o acesso às duas ligações de coordenação abertas fica restrito. Algumas moléculas pequenas, como o monóxido de carbono (CO) coordenam com o ferro do heme com maior afinidade do que o O2. Quando uma molécula de CO está ligada ao heme, o O2 é excluído; por isso o CO é altamente tóxico para os organismos aeróbios.
A plasticidade da proteína lhe permite o cumprimento de diversas funções. Mioglobina – reserva de O2; Hemoglobina – transporte de O2. 
A função da mioglobina depende da capacidade da proteína de não somente ligar oxigênio, mas também de liberá-lo quando e onde ele for necessário. Como a função em bioquímica frequentemente gira em torno de uma interação proteína-ligante reversível desse tipo, uma descrição quantitativa dessa interação constitui a parte central de muitas investigações bioquímicas. É comum (e intuitivamente mais simples) considerar a constante de dissociação, Kd, que é a recíproca de Ka (Kd = 1/ Ka), sendo dada em unidades de concentração molar (M). Kd é a constante de equilíbrio para a liberação do ligante, equivalente ao momento em que 50% dos ligantes estão ligados.
A interação entre ligante e proteína não é tão simples como sugerem as equações apresentadas. A interação é muito afetada pela estrutura da proteína e com frequência é acompanhada por mudanças conformacionais.
A hemoglobina está cerca de 96% saturada com oxigênio no sangue arterial que passa dos pulmões, pelo coração até os tecidos periféricos. No sangue venoso que retorna ao coração, ela está somente cerca de 64% saturada. As interações entre as subunidades da hemoglobina causam mudanças conformacionais que alteram a afinidade da proteína pelo oxigênio. A modulação da ligação do oxigênio permite que a proteína de transporte de O2 responda a alterações na demanda de oxigênio pelos tecidos.
A estrutura quaternária da hemoglobina caracteriza interações fortes entre as subunidades diferentes. A interface a1b1 (e seu complemento a2b2) possui interação suficientemente forte para que esses dímeros ab permaneçam intactos mesmo que o tratamento suave da hemoglobina com ureia separe o tetrâmero nos dímeros. Possui duas conformações principais: o estado R e o estado T. Embora o oxigênio se ligue à hemoglobina nos dois estados, ele tem muito mais afinidade pela proteína no estado R. A ligação do oxigênio estabiliza o estado R. Experimentalmente, quando o oxigênio não está presente, o estado T é mais estável, e é, assim, a conformação predominante da desoxiemoglobina. A hemoglobina no estado T desencadeia uma mudança na conformação para o estado R. A hemoglobina resolve o problema passando por uma transição de um estado de baixa afinidade (o estado T) para um de alta afinidade (o estado R) à medida que mais moléculas de O2 vão sendo ligadas. Como resultado, a hemoglobina tem uma curva de ligação ao oxigênio híbrida em forma de S, ou sigmoide.
A ligação do O2 às subunidades individuais da hemoglobina pode alterar a afinidade nas subunidades adjacentes. A primeira molécula de O2 interage com a desoxiemoglobina fracamente, pois se liga a uma subunidade no estado T. Sua ligação, contudo, leva a mudanças conformacionais transferidas às subunidades adjacentes, facilitando a ligação de moléculas adicionais de O2. De fato, a transição T - R ocorre mais facilmente na segunda subunidade depois da ligação do O2 à primeira subunidade. A última (quarta) molécula de O2 se liga ao heme de uma subunidade que já está no estado R, e por isso se liga com muito mais afinidade do que a primeira.
Uma proteína alostérica é aquela em que a interação com um ligante em um sítio afeta as propriedades de ligação de outro sítio na mesma proteína. Induzidas pela interação com ligantes denominados moduladores. Os moduladores das proteínas alostéricas podem ser inibidores ou ativadores. Quando o ligante normal e o modulador são idênticos, a interação é chamada de homotrópica. Quando o modulador é uma molécula diferente do ligante normal, a interação é heterotrópica. A interação cooperativa de um ligante com uma proteína multimérica, como observado com a ligação do O2 à hemoglobina, é uma forma de ligação alostérica. A interação de um ligante afeta a afinidade de qualquer sítio de ligação ainda não ocupado, e o O2 pode ser considerado como ligante e modulador homotrópico ativador.
No pH relativamente baixo e na alta concentração de CO2 dos tecidos periféricos, a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio diminui quando o H+ e o CO2 se ligam e o O2 é liberado para os tecidos. Nos capilares do pulmão, ao contrário, quando o CO2 é excretado e o pH do sangue consequentemente aumenta, a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio aumenta, e a proteína se liga a mais O2 para transportar para os tecidos periféricos. Esse efeito do pH e da concentração de CO2 sobre a ligação e a liberação do oxigênio pela hemoglobina é chamado de efeito Bohr.
Quando a concentração do dióxido de carbono é alta, como nos tecidos periféricos, algum CO2 se liga à hemoglobina e reduz a afinidade pelo O2, causando sua liberação. Quando, ao contrário, a hemoglobina chega aos pulmões, a alta concentração do oxigênio promove a ligação do O2 e a liberação do CO2. É a capacidade de transmitir informação da interação com o ligante de uma subunidade polipeptídica para as outras que faz a molécula de hemoglobina ser tão maravilhosamente adaptada na integração do transporte de O2, CO2 e H1 pelos eritrócitos
A interação do 2,3-bifosfoglicerato (BPG) com as moléculas de hemoglobina aprimora a função desta, sendo um exemplo de modulação alostérica heterotípica. Sabe-se que o BPG reduz muito a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio – existe uma relação inversa entre a ligação do O2 e do BPG.
O BPG liga-se a um sítio distante dosítio de ligação do oxigênio e regula a afinidade do O2 pela hemoglobina em relação à pO2 nos pulmões. O BPG é importante na adaptação fisiológica à pO2 mais baixa nas grandes altitudes. Em um ser humano saudável ao nível do mar, a ligação do O2 à hemoglobina é regulada de modo que a quantidade de O2 liberada nos tecidos se aproxime de 40% da quantidade máxima que o sangue é capaz de transportar. Imagine que essa pessoa seja transportada repentinamente do nível do mar para uma altitude de 4.500 metros, onde a pO2 é muito mais baixa. A liberação de O2 para os tecidos é reduzida. No entanto, a concentração de BPG no sangue começa a aumentar, levando a uma redução na afinidade da hemoglobina pelo O2. Esse ajuste no nível de BPG tem somente um pequeno efeito na ligação do O2 nos pulmões, mas seu efeito é considerável na liberação do O2 nos tecidos. Como resultado, a liberação do oxigênio para os tecidos é restaurada para cerca de 40% do O2 que pode ser transportado pelo sangue.
A anemia falciforme, doença humana hereditária, demonstra de forma impressionante a importância da sequência de aminoácidos na determinação das estruturas secundária, terciária e quaternária das proteínas globulares e, portanto, suas funções biológicas. O sangue contém muitos eritrócitos longos e finos em forma de foice, além de um grande número de células imaturas. As propriedades alteradas da hemoglobina S (alterada) resultam da substituição de um único aminoácido, Val em vez de Glu na posição 6 das duas cadeias b. O grupo R da valina não tem carga, ao passo que o glutamato tem carga negativa em pH 7,4. Por isso, a hemoglobina S tem duas cargas negativas a menos do que a hemoglobina A (normal) (uma a menos em cada cadeia b). A substituição do resíduo Glu pelo Val cria um ponto de contato hidrofóbico “adesivo”, que está na superfície externa da molécula. Devido a esses pontos, as moléculas de desoxiemoglobina S se associam anormalmente entre si, formando os agregados longos e fibrosos característicos dessa enfermidade.
Enzimas
Enzimas são proteínas (em sua maioria, com exceção de RNA’s) com a capacidade de acelerar a velocidade de reações químicas até alcançarem seu equilíbrio. Sem catálise, as reações químicas como a oxidação da sacarose poderão não ocorrer na escala de tempo adequada e então não podem sustentar a vida. Elas têm um alto grau de especificidade para os seus respectivos substratos, aceleram as reações químicas e atuam em soluções aquosas sob condições suaves de temperatura e pH. Se uma enzima for desnaturada ou dissociada degradada até os aminoácidos nas suas subunidades, geralmente a atividade catalítica é perdida. Então, as estruturas proteicas primária, secundária, terciária e quaternária das enzimas são essenciais para a atividade catalítica.
Algumas enzimas não necessitam de outros grupos químicos além dos seus próprios resíduos de aminoácidos. Outras necessitam de um componente químico adicional denominado cofator, que pode ser um ou mais íons inorgânicos como Fe2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+ ou uma molécula orgânica ou metalorgânica complexa, denominada coenzima. As coenzimas agem como carreadores transitórios de grupos funcionais específicos. A maioria deles é derivada das vitaminas, nutrientes orgânicos cuja presença na dieta é necessária em pequenas quantidades. Uma enzima completa, cataliticamente ativa junto com a sua coenzima e/ou íons metálicos, é denominada holoenzima. Algumas enzimas são modificadas covalentemente por fosforilação, glicosilação e outros processos. Muitas dessas modificações estão envolvidas na regulação da atividade enzimática.
Exemplo: A citocromoxidase depende do Cu2+ como cofator para ter elétrons e formar agua na mitocôndria
A atividade enzimática está ligada principalmente há proteínas com estrutura globular (contendo alfa-hélices, beta-estruturas). A propriedade característica das reações catalisadas por enzimas é que a reação ocorre confinada em um bolsão da enzima denominado sítio ativo (reentrâncias onde vão estar grupamentos funcionais da cadeia lateral, que permitem o ajuste do substrato – componente do metabolismo).
O contorno da superfície do sítio ativo é delimitado por resíduos de aminoácidos com grupos nas cadeias laterais que ligam o substrato e que catalisam a sua transformação química. Frequentemente, o sítio ativo engloba o substrato, sequestrando-o completamente da solução. O complexo enzima-substrato é fundamental para a ação enzimática. Também é o ponto de partida para o tratamento matemático que define o comportamento cinético das reações catalisadas por enzimas e para a descrição teórica dos mecanismos das enzimas. 
As enzimas alteram a velocidade da reação, não o equilíbrio. Isto porque diminuem a energia de ativação das reações. Um equilíbrio favorável não significa que a conversão S-P ocorra em uma velocidade detectável. A velocidade da reação depende de um parâmetro totalmente diferente. Há uma barreira energética entre S e P: A energia de ativação, energia necessária para alinhar os grupos reagentes, para a formação de cargas instáveis transitórias, rearranjos de ligações e ainda outras transformações. A velocidade na qual uma molécula sofre uma determinada reação diminui à medida que a barreira da reação aumenta.
Plasticidade e especificidade – Disposição dos grupos funcionais, reações ácido-base, rearranjo de ligações covalentes, interações fracas entre proteína-substrato = essas pequenas alterações permitem um ajuste para formação de complexo substrato-enzima. Além disso, por possuir sítio ativo, possui especificidades: ocorrem em locais específicos, com encaixe correto. Deriva da formação de muitas interações fracas entre a enzima e a molécula específica do substrato.
A mesma energia de ligação que fornece energia para a catálise também dá às enzimas sua especificidade, isto é, a capacidade de distinguir entre substratos e moléculas competidoras. Se o sítio ativo de uma enzima tiver grupos funcionais organizados otimamente de modo que se forme uma grande variedade de interações fracas com determinado substrato no correspondente estado de transição, a enzima não será capaz de interagir com a mesma intensidade com alguma outra molécula. Além disso, serve para provocar uma mudança conformacional na enzima (ajuste induzido).
Exemplo: O substrato deve se encaixar adequadamente para realizar as ligações necessárias, como no caso da enzima glicocinase que consegue catalisar a glicose mas não a galactose devido a posição da hidroxila (OH) no carbono4 (uma para cima e outra para baixo).
Tipos de reações – oxidoredutases (principais reações do organismo, enzimas desidrogenases); transferases (sinases); hydrolases; lyases (adicionar ou remover grupos); isomerases (formas isoméricas); ligases (formação de ligações C-C, C-S, C-O, C-N; junto com a clivagem de ATP, favorecem o alcance do equilíbrio de forma favorável).
Complexo enzimático: enzimas com diversas subunidades trabalhando com cooperatividade. Um fator-chave que afeta a velocidade das reações catalisadas por enzimas é a concentração do substrato, [S]. Em concentrações relativamente baixas de substrato, V0 aumenta quase linearmente com o aumento de [S]. Em altas concentrações de substrato, V0 aumenta em pequenas quantidades em resposta ao aumento da [S]. Enfim, é atingido um ponto além do qual o aumento de [S] leva a um aumento insignificantemente pequeno em V0. Essa região de V0 tipo platô está próxima à velocidade máxima, Vmáx. 
Resumindo: Quanto maior [S], maior quantidade de proteína em ação e maior velocidade da reação. Chega um ponto em que há tanto substrato que a enzima se satura e não adianta mais adicionar substrato pois a velocidade atinge seu máximo (Vmáx).
A constante de Michaelis, Km, pode ser medida experimentalmente e equivale a [S] quando a velocidade é igual a 50% (metade) da Vmax. Quanto menor o Km, melhor a atividade enzimática pois significa que com pouca quantidade de substrato a enzima já atinge metade da sua velocidade total.
Isoenzimas: realizam a mesma reação, porémuma com alto Km e outra com baixo Km. Exemplo: a glicocinase no fígado é responsável pelo armazenamento da glicose no fígado, e esse armazenamento deve-se ao alto Km, que impede que a glicose seja toda converteida, ficando armazenada; já a hexokinase I possui baixo Km e está presente no resto do corpo, fazendo a reação da glicose com velocidade muito maior.
Curva sigmoide: cooperatividade; possui mais de uma subunidade e a interação de uma acarreta em alterações na outra. É modulada por cooperatividade.
As enzimas são passíveis a inibições. Inibidores de enzimas são moléculas que interferem com a catálise, diminuindo ou interrompendo as reações enzimáticas. Podem ser reversíveis ou irreversíveis. Um tipo muito comum de inibição reversível é denominado competitivo. Um inibidor competitivo compete com o substrato pelo sítio ativo da enzima. À medida que o inibidor (I) ocupa o sítio ativo, ele impede que o substrato se ligue à enzima. Muitos inibidores competitivos têm estrutura similar à estrutura do substrato e se combinam com a enzima formando um complexo EI, mas que não leva à catálise. Se a [S] aumenta, ele desloca o inibidor e realiza sua ligação a enzima; para chegar ao Vmax vai ser necessária maior [S] para competir com o inibidor. Se o inibidor for um fármaco com mais afinidade que o [S], é necessária quantidade muito pequena dele para haver inibição.
Um tratamento terapêutico com base na competição pelo sítio ativo é utilizado para tratar pacientes que ingeriram metanol, um solvente utilizado em dutos de gás anticongelante. A álcool-desidrogenase hepática converte metanol em formaldeído, prejudicial para muitos tecidos. O etanol compete de maneira eficiente com o metanol como substrato alternativo da álcool-desidrogenase. O efeito do etanol é como o de um inibidor competitivo, com a diferença de que o etanol também é substrato para a álcool-desidrogenase, e a sua concentração diminui à medida que a enzima o converte em acetaldeído. O tratamento do envenenamento por metanol é feito pela administração intravenosa lenta de etanol, a uma velocidade que mantenha uma concentração controlada de etanol no sangue por várias horas. A velocidade de formação de formaldeído diminui.
Um inibidor incompetitivo liga-se em um sítio distinto do sítio ativo do substrato e, ao contrário do inibidor competitivo, liga-se apenas ao complexo ES, não havendo competição. Nesse caso a enzima costuma possuir mais de um substrato.
Os inibidores irreversíveis ligam-se covalentemente com ou destroem um grupo funcional da enzima essencial à atividade da enzima ou então formam uma associação não covalente estável.
A estrutura da enzima depende do ambiente físico (ph, temperatura, força iônica [+sais]). PH altera a atividade enzimática, isso porque as enzimas têm um pH (ou uma faixa de pH) ótimo no qual a atividade catalítica é máxima; a atividade decresce em pH maior ou menor. Cadeias laterais dos aminoácidos do sítio ativo podem funcionar como ácidos ou bases fracas em funções críticas que dependem da manutenção de certo estado de ionização, e em outras partes da proteína as cadeias laterais ionizáveis podem ter uma participação essencial nas interações que mantêm a estrutura proteica.
Modulação alostérica - As atividades das enzimas regulatórias são moduladas de várias maneiras. Enzimas alostéricas agem por meio de ligações reversíveis e não covalentes com compostos regulatórios denominados moduladores alostéricos ou efetores alostéricos, que geralmente são metabólitos pequenos ou cofatores. Eles se ligam a um sítio da enzima, mas alteram outro. Tendem a repercussão em sítios distantes. Mudanças conformacionais induzidas por um ou mais moduladores interconvertem formas mais ativas e formas menos ativas da enzima. Moduladores de enzimas alostéricas podem ser inibitórios ou estimulatórios.
Enzimas regulatórias em que o substrato e o modulador são idênticos são denominadas homotrópicas. O efeito é similar ao da ligação de O2 à hemoglobina. No caso das enzimas, a ligação do ligante, ou do substrato, provoca mudanças na conformação que afetam a atividade subsequente de outros sítios da proteína. Quando o modulador é uma molécula diferente do substrato, diz-se que a enzima é heterotrópica. Embora os últimos se liguem a um segundo sítio da enzima, necessariamente não são mediadores de mudanças conformacionais entre formas ativas e inativas, de modo que os efeitos cinéticos são distintos. Causa alterações catalíticas nos sítios. 
As enzimas alostéricas apresentam saturação pelo substrato quando [S] é suficientemente alta, mas algumas das enzimas alostéricas apresentam um gráfico de V0 versus [S] que produz uma curva de saturação sigmoide em vez da curva de saturação hiperbólica típica das enzimas não regulatórias. O comportamento da cinética sigmoide em geral reflete interações cooperativas entre as subunidades proteicas. Em outras palavras, mudanças na estrutura de uma subunidade são convertidas em mudanças estruturais nas subunidades adjacentes, efeito mediado por interações não covalentes na interface das subunidades.
A regulação heterotrópica da ATCase é devido à interação com ATP e CTP. No caso de enzimas alostéricas heterotrópicas, um ativador pode fazer a curva se tornar mais próxima de uma hipérbole com diminuição no K0,5, mas sem mudança na Vmáx, resultando em aumento na velocidade de reação em uma concentração de substrato fixa. No caso da ATCase, a interação com ATP provoca isso e a enzima mostra uma curva V0 versus [S] característica do estado ativo R, em concentrações suficientemente altas de ATP (V0 é maior para qualquer valor de [S]). Um modulador negativo (inibidor) produz uma curva de saturação pelo substrato muito mais sigmoidal, com um aumento de K0,5, como é ilustrado pelos efeitos do CTP sobre a cinética da ATCase.
Resumindo: Com um modulador positivo, Km diminui, aumentando a atividade enzimática (ativador) e com um modulador negativo, Km aumenta, diminuindo atividade enzimática (inibidor).
Modulação covalente por fosforilação – Algumas enzimas regulatórias são moduladas por modificações covalentes de grupos funcionais específicos que são necessários para a atividade. A fosforilação de resíduos de determinados aminoácidos é uma maneira muito comum de regular a atividade de enzimas. A fosforilação pode ativar ou inibir a enzima; produz cascatas de uma enzima agindo sobre a outra enzima; modulam enzimas, fatores de transcrição e receptores. 
As células contêm uma família de fosfoproteína-fosfatases que hidrolisam ésteres de P-Ser, P-Thr e P-Tyr, liberando Pi. As fosfoproteína-fosfatases vistas até agora agem apenas sobre um grupo de fosfoproteínas e apresentam menor especificidade pelo substrato que as proteínas-cinases. Essas enzimas fosfotransferases transferem o fosfato do ATP para a oxidrila do aminoácido.
Muitas enzimas proteolíticas são sintetizadas como precursores inativos denominados zimogênios, que são ativados. O zimogênio é hidrolisado formando a enzima ativa. Clivagens específicas provocam mudanças conformacionais que expõem o sítio ativo da enzima. Como esse tipo de ativação é irreversível, são necessários outros mecanismos para inativar essas enzimas.
A cascata regulatória é um mecanismo que proporciona respostas muito sensíveis a – e amplificação de – um sinal molecular. Nas cascatas regulatórias, um sinal leva à ativação de uma proteína X. A proteína X catalisa a ativação da proteína Y. A proteína Y catalisa a ativação da proteína Z e assim por diante. Uma vez que as proteínas X, Y e Z são catalisadores e ativam muitas cópias da proteína seguinte na cascata, o sinal é amplificado em cada etapa. 
Lipídios e membranas biológicas
Característica em comum que os define é a insolubilidade em água e alta solubilidade em solventes orgânicos. Estão mais agrupados em propriedades físicas do que químicas.
Gorduras e óleos são as principais formas de estoque energético em muitos organismos. Os fosfolipídeos e os esteróis são os principais elementos estruturais das membranas biológicas.Outros lipídeos, embora presentes em quantidades relativamente pequenas, desempenham papéis cruciais como cofatores enzimáticos, transportadores de elétrons, vitaminas, agentes emulsificantes no trato digestivo, hormônios e mensageiros intra/extracelulares (2º mensageiro).
As gorduras e os óleos utilizados de modo quase universal como formas de armazenamento de energia nos organismos vivos são derivados de ácidos graxos. Os ácidos graxos por sua vez são derivados de hidrocarbonetos. São cadeias longas, podendo essa cadeia ser totalmente saturada (não contém ligações duplas) e não ramificada; ou conter uma ou mais ligações duplas e ser classificada como insaturada. As cadeias insaturadas possuem alta solubilidade, baixa estabilidade e configuração cis/trans (cis é a mais comum, em que o hidrogênio está no mesmo plano e trans em planos opostos). Por fim, alguns poucos lipídios contêm anéis de três carbonos, grupos hidroxila ou ramificações de grupos metila. Os ácidos graxos de ocorrência mais comum apresentam um número par de átomos de carbono em uma cadeia não ramificada. 
Obs: Quando alimentos ricos em lipídeos são expostos por muito tempo ao oxigênio do ar, eles podem estragar e tornarem-se rançosos. Para a indústria, um produto fluido não é vantagem então é feito hidrogenação para tornar o produto insaturado saturado. Entretanto, essa conversão gera um produto trans. Ácidos graxos trans na dieta são um importante fator de risco para doenças cardíacas coronarianas.
Uma nomenclatura simplificada para ácidos graxos não ramificados especifica o comprimento da cadeia e o número de ligações duplas, separados por dois pontos. Por exemplo 18:1 (Δ⁹) em que o 18 representa o número de carbonos presente na cadeia; o 1 é o número de insaturações; o 9 é a localização da saturação). A posição de qualquer ligação dupla é especificada em relação ao carbono carboxílico, o qual recebe o número 1, pelos números sobrescritos ao Δ. Se começa a se contar do último carbono, representa-se com um ω (ômega), como exemplo ômega 3.
Como é necessário menos energia térmica para desordenar esses arranjos fracamente ordenados dos ácidos graxos insaturados, eles têm pontos de fusão consideravelmente mais baixos que os ácidos graxos saturados de mesmo comprimento de cadeia. 
Triacilglicerídeos – “gordura neutra” (não possui carga) – Os triacilgliceróis são compostos por glicerol mais três ácidos graxos, cada um em ligação éster. Como as hidroxilas polares do glicerol e os carboxilatos polares dos ácidos graxos estão em ligações éster, os triacilgliceróis são moléculas apolares, hidrofóbicas, essencialmente insolúveis em água. Os triacilgliceróis formam uma fase separada de gotículas microscópicas de óleo no citosol aquoso, servindo como depósitos de combustível metabólico. Em vertebrados, os adipócitos (células especializadas) armazenam grandes quantidades de triacilgliceróis em gotículas de gordura que quase preenchem a célula toda.
Glicerofosfolipídios – Lipídios de membrana – Os lipídeos de membrana são anfipáticos: uma extremidade da molécula é hidrofóbica e a outra é hidrofílica. Suas interações hidrofóbicas entre si e suas interações hidrofílicas com a água direcionam o seu empacotamento em camadas, chamadas de bicamadas de membrana. Os glicerofosfolipídeos possuem as regiões hidrofóbicas compostas por dois ácidos graxos ligados ao glicerol. Eles possuem extremidades polares, podendo se organizar em: micelas, bicamadas ou vesículas (possuem no interior uma parte aquosa). 
Os glicerofosfolipídeos, também chamados de fosfoglicerídeos, são lipídeos de membrana nos quais dois ácidos graxos estão unidos por ligação éster ao primeiro e ao segundo carbono do glicerol e um grupo fortemente polar ou carregado está unido por ligação fosfodiéster ao terceiro carbono. De acordo com o álcool polar no grupo cabeça. A fosfatidilcolina e a fosfatidiletanolamina têm colina e etanolamina como grupos cabeça polares, por exemplo. Em todos esses compostos, o grupo cabeça está unido ao glicerol por uma ligação fosfodiéster, na qual o grupo fosfato tem carga negativa em pH neutro.
Alguns tecidos animais e organismos unicelulares são ricos em lipídeos éter, nos quais uma das duas cadeias de acila está unida ao glicerol em ligação éter em vez de éster. Por exemplo o fator ativador de plaquetas, um potente sinalizador molecular.
Cabeça hidrofílica e cauda hidrofóbica – essa estrutura permite o ancoramento de outras moléculas.
Esteróides - Os esteróis são lipídeos estruturais presentes nas membranas da maioria das células eucarióticas. A estrutura característica desse quinto grupo de lipídeos de membrana é o núcleo esteroide, que consiste em quatro anéis fusionados, três com seis carbonos e um com cinco. O colesterol, o principal esterol nos tecidos animais, é anfipático, com um grupo cabeça polar (o grupo hidroxila) + grupo esterol e um “corpo” hidrocarbonado apolar. Os esteróis são sintetizados a partir de subunidades de isopreno simples de cinco carbonos, assim como as vitaminas lipossolúveis, as quinonas e os dolicóis. Os hormônios esteroides, por exemplo, são sinalizadores biológicos potentes que regulam a expressão gênica. Os ácidos biliares são derivados polares do colesterol que atuam como detergentes no intestino, emulsificando as gorduras da dieta para torná-las mais acessíveis às lipases digestivas.
Vitaminas – lipossolúveis (em vitaminas).
Sinalização celular – modificação no comportamento celular que causa uma série de eventos biológicos. O fosfatidilinositol e seus derivados fosforilados atuam em vários níveis para regular a estrutura celular e o metabolismo. O fosfatidilinositol-4,5-bifosfato na face citoplasmática (interna) da membrana plasmática serve como um reservatório de moléculas mensageiras que são liberadas dentro da célula em resposta a sinais extracelulares interagindo com receptores de superfície específicos. 
Funcionamento: A proteína G converte GDP em GTP; se ligam e ativam uma fosfolipase C específica na membrana, a qual hidrolisa o fosfatidilinositol-4,5-bifosfato, liberando dois produtos que atuam como mensageiros intracelulares: o inositol-1,4,5-trifosfato (IP3), que é solúvel em água, e o diacilglicerol, que permanece associado à membrana plasmática. O IP3 vai para os canais iônicos e provoca a liberação de Ca2+ do retículo endoplasmático; vai para o citosol e se liga à proteína actina junto com o diacilglicerol e da elevada concentração de Ca2+ citosólica ativa a enzima proteína-cinase C. Pela fosforilação de proteínas específicas, essa enzima ativa a resposta celular ao sinal extracelular.
Eicosanóides - são hormônios parácrinos, substâncias que atuam somente em células próximas ao ponto de síntese dos hormônios, em vez de serem transportadas no sangue para atuar em células de outros tecidos ou órgãos. São derivados do ácido araquidônico. Há três classes de eicosanoides: prostaglandinas, tromboxanos e leucotrienos.
As prostaglandinas (PG) contêm um anel de cinco carbonos que se origina da cadeia do ácido araquidônico. As prostaglandinas apresentam diversas funções, algumas estimulam a contração da musculatura lisa do útero durante a menstruação e o trabalho de parto; outras afetam o fluxo sanguíneo a órgãos específicos, o ciclo sono-vigília e a sensibilidade de certos tecidos a hormônios como a epinefrina e o glucagon. Os tromboxanos têm um anel de seis membros que contém éter. São produzidos pelas plaquetas (também chamadas de trombócitos) e atuam na formação dos coágulos e na redução do fluxo sanguíneo no local do coágulo. Os anti-inflamatórios não esteroides (AINEs), como a aspirina e o ibuprofeno, bloqueiam a formação de prostaglandinas e tromboxanos.
Os leucotrienos, encontrados pela primeira vez em leucócitos, contêm três ligações duplas conjugadas e são poderosos sinalizadores biológicos. Induz a contração da musculatura lisa que envolve as vias aéreas até o pulmão. A produção excessiva de leucotrienos causa a crise de asma, e a síntese de leucotrienos é um dos alvos dos fármacos antiasmáticos,como a prednisona.
Lipoproteínas – Principais carreadores da maioria dos lipídios. Durante a adição de unidades de polissacarídeo a certas proteínas (glicoproteínas) e lipídeos (glicolipídeos) em eucariotos, as unidades de açúcar a serem adicionadas são quimicamente ativadas pela ligação a alcoóis isoprenoides chamados de dolicóis. Esses compostos têm fortes interações hidrofóbicas com lipídeos de membrana, ancorando na membrana os açúcares ligados, onde participam de reações de transferência de açúcares. São aglomerados de lipídios com monocamadas de membrana. 
HDL: 55% de proteína e 4% de triacilgliceróis; LDL: 37% de ésteres de colesterina e 10% de triacilgliceróis; quilomícrons: 85% de triacilgliceróis. Todos são produção intestinal
IMPORTANTE: Colesterol esterificado - o colesterol na forma livre tem caráter anfipático. O colesterol esterificado vai ser uma interação de um ácido graxo com uma hidroxila (cabeça polar) esterificando a molécula (pois forma um grupo éster).
Carboidratos
Carboidratos são cadeias carbonadas não ramificadas com grupos aldeído ou cetona e um grupo alcoólico. Serve para armazenamento energético ou estrutural. São poli-hidroxialdeídos ou poli-hidroxicetonas, ou substâncias que geram esses compostos quando hidrolisadas. Polímeros de carboidratos (também chamados de glicanos) agem como elementos estruturais e protetores nas paredes celulares bacterianas e vegetais e também nos tecidos conectivos animais. Outros polímeros de carboidratos lubrificam as articulações e auxiliam o reconhecimento e a adesão intercelular.
Existem três classes principais de carboidratos: monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos. Os monossacarídeos, ou açúcares simples, são constituídos por uma única unidade poli-hidroxicetona ou poli-hidroxialdeído. O monossacarídeo mais abundante na natureza é o açúcar de 6 carbonos D-glicose, algumas vezes chamado de dextrose. São aldeídos ou cetonas com dois ou mais grupos hidroxila; os monossacarídeos de seis carbonos, glicose e frutose, têm cinco grupos hidroxila.
Os oligossacarídeos consistem em cadeias curtas de unidades de monossacarídeos, ou resíduos, unidas por ligações características chamadas de ligações glicosídicas. Os mais abundantes são os dissacarídeos, com duas unidades de monossacarídeos. Um dissacarídeo típico é a sacarose (açúcar de cana), constituído pelos açúcares de seis carbonos D-glicose e D-frutose. Os polissacarídeos são polímeros de açúcar que contêm mais de 20 unidades de monossacarídeo; alguns têm centenas ou milhares de unidades. 
Na forma de cadeia aberta, um dos átomos de carbono está ligado duplamente a um átomo de oxigênio, formando um grupo carbonil; os outros átomos de carbono estão ligados, cada um, a um grupo hidroxila. Quando o grupo carbonil está na extremidade da cadeia de carbonos (isto é, em um grupo aldeído), o monossacarídeo é uma aldose; quando o grupo carbonil está em qualquer outra posição (em um grupo cetona), o monossacarídeo é uma cetose.
Todos os monossacarídeos, com exceção da di-hidroxiacetona, contêm um ou mais átomos de carbono assimétricos (quirais) e, portanto, ocorrem em formas isoméricas opticamente ativas. A aldose mais simples, o gliceraldeído, contém um centro quiral (o átomo de carbono central) e assim tem dois isômeros óp¹ticos diferentes, ou enantiômeros. D/L de acordo com a hidroxila no carbono quiral mais distante. Geralmente, uma molécula com n centros quirais pode ter 2n estereoisômeros. O gliceraldeído tem 2¹= 2; as aldo-hexoses, com quatro centros quirais, têm 2⁴ = 16.
Para açúcares, são séries D pelo encaixe nas proteínas a série de isômeros mais comum. Ex: Hexocetoses.
Dois açúcares que diferem apenas na configuração de um carbono são chamados de epímeros; D-glicose e D-manose, que diferem apenas na estequiometria do C-2, são epímeros, assim como D-glicose e D-galactose (que diferem em C-4).
Formação de hemicetais e hemiacetais - em solução aquosa, as aldotetroses e todos os monossacarídeos com cinco ou mais átomos de carbono no esqueleto ocorrem predominantemente como estruturas cíclicas (em anel), nas quais o grupo carbonil está formando uma ligação covalente com o oxigênio de um grupo hidroxila presente na cadeia. A formação dessas estruturas em anel é o resultado de uma reação geral entre álcoois e aldeídos ou cetonas para formar derivados chamados de hemiacetais ou hemicetais.
A reação com a primeira molécula de álcool cria um centro quiral adicional (o carbono do carbonil). Como o álcool pode ser adicionado de duas maneiras diferentes, atacando a “frente” ou as “costas” do carbono do carbonil, a reação pode produzir qualquer uma de duas configurações estereoisoméricas, denominadas alfa (hidroxila embaixo) e beta (hidroxila em cima). Beta é a mais comum.
As formas isoméricas de monossacarídeos que diferem apenas na configuração do átomo de carbono hemiacetal ou hemicetal são chamadas de anômeros, e o átomo de carbono da carbonila é chamado de carbono anomérico.
Os monossacarídeos podem ser oxidados por agentes oxidantes relativamente suaves, como o íon cúprico (Cu21). O carbono do carbonil é oxidado a um grupo carboxil. A glicose e outros açúcares capazes de reduzir o íon cúprico são chamados de açúcares redutores. Se o carbono1 é livre, sem radicais, tem ação redutora.
Os dissacarídeos (como maltose, lactose e sacarose) consistem em dois monossacarídeos unidos covalentemente por uma ligação O-glicosídica, a qual é formada quando um grupo hidroxila de uma molécula de açúcar, normalmente cíclica, reage com o carbono anomérico de outro. Ligações N-glicosídicas unem o carbono anomérico de um açúcar a um átomo de nitrogênio em glicoproteínas.
Se a ligação é alfa ou beta depende da posição da hidroxila do açúcar esquerdo.
Chama-se ligação [alfa 1-4] glicosídica porque contém dois resíduos unidos por uma ligação glicosídica entre o C-1 (o carbono anomérico) de um resíduo de glicose e o C-4 do outro. A ligação glicosídica protege o carbono anomérico de oxidação, tornando-o um açúcar não redutor.
Lactose – O carbono anomérico do resíduo de glicose está disponível para oxidação e, portanto, a lactose é um dissacarídeo redutor. 
Maltose - Contém dois resíduos de D-glicose unidos por uma ligação glicosídica entre o C-1 (o carbono anomérico) de um resíduo de glicose e o C-4 do outro. Como o dissacarídeo conserva um carbono anomérico livre (o C-1 do resíduo de glicose à direita) a maltose é um açúcar redutor.
Sacarose – Não contém um átomo de carbono anomérico livre; os carbonos anoméricos de ambas as unidades monossacarídicas estão envolvidos na ligação glicosídica. A sacarose é, assim, um açúcar não redutor, e sua estabilidade frente à oxidação a torna uma molécula adequada para o armazenamento e o transporte de energia em plantas.
Trealose - como a sacarose, é um açúcar não redutor, é um constituinte importante do fluido circulante (hemolinfa) de insetos, servindo como composto de armazenamento de energia.
Os polissacarídeos, também chamados de glicanos, podem ser homopolissacarídeos, que contêm somente uma única espécie monomérica; ou heteropolissacarídeos que contêm dois ou mais tipos diferentes de unidades monossacarídicas.
A trealose e a maltose são constituídas por 2 moléculas de glicose mas se diferenciam pelo tipo de ligação entre essas duas moléculas. 
A amilose consiste em cadeias longas, não ramificadas, de resíduos de D-glicose conectados por ligações (a 1-4) (como na maltose). A alfa-amilase é a responsável por quebrar essas ligações. Os resíduos de glicose na celulose estão ligados por ligações glicosídicas (b1S4), ao contrário das ligações (a1S4) da amilose. Devido à essa diferença, as moléculas individuais de celulose e amilose dobram-se espacialmente de maneiras diferentes, dando a essas moléculas estruturas macroscópicas e propriedades físicas muito diferentes.
O glicogênio é o principal polissacarídeo de armazenamento das células animais. É um polímero de subunidades de glicose ligadas por ligações (a1S4), com ligações (a1S6) nas ramificações;o glicogênio, porém, é mais ramificado e mais compacto do que o amido.
O glicogênio e o amido ingeridos na dieta são hidrolisados pôr a-amilases e glicosidases, enzimas presentes na saliva e no intestino que rompem ligações glicosídicas (a1S4) entre as unidades de glicose. A maioria dos animais vertebrados não consegue utilizar a celulose como uma fonte combustível, pois eles carecem de uma enzima que hidrolise ligações (b1S4). Os cupins digerem a celulose (e, portanto, a madeira) prontamente, mas somente porque carregam no trato intestinal um microrganismo simbiótico, Trichonympha, que secreta celulase, enzima que hidrolisa as ligações.
O componente rígido das paredes celulares bacterianas (o peptidoglicano) é um heteropolímero de resíduos alternados de N-acetilglicosamina e ácido N-acetilmurâmico unidos por ligações (b1S4), ou seja, um heteropolissacaridio associado a proteínas.
O espaço extracelular dos tecidos dos animais multicelulares é preenchido com a matriz extracelular (MEC), também chamada de substância fundamental, que mantém as células unidas e provê um meio poroso para a difusão de nutrientes e oxigênio para cada célula. Funciona como uma rede e é constituída por colágenos especializados, lamininas e heteropolissacarídeos, os glicosaminoglicanos (ex. ácido hialurônico). Contribuem para elasticidade e resistência a tensão.
Os proteoglicanos são macromoléculas da superfície celular ou da matriz extracelular nas quais uma ou mais cadeias de glicosaminoglicanos sulfatados estão covalentemente unidas a uma proteína de membrana ou a uma proteína secretada. A cadeia de glicosaminoglicano pode ligar-se a proteínas extracelulares por meio de interações eletrostáticas entre a proteína e os açúcares negativamente carregados do proteoglicano. Os proteoglicanos são os principais componentes de todas as matrizes extracelulares.
As glicoproteínas têm um ou alguns oligossacarídeos de complexidades variadas, unidos covalentemente a uma proteína. Costumam ser encontradas na superfície externa da membrana plasmática (como parte do glicocálice), na matriz extracelular e no sangue. Nas células, são encontradas em organelas específicas, como aparelho de Golgi.
As lectinas são proteínas que leem o código dos açúcares e controlam muitos processos biológicos. São proteínas com sítio de interação com carboidratos. Não é uma enzima; não é imune; apenas possui interação e alta afinidade com açúcares. Participam de vários processos de reconhecimento celular, sinalização e adesão e na destinação intracelular de proteínas recentemente sintetizadas. Princípio de ação depende da interação com carboidratos para acontecer.
Ex: 1- As selectinas compõem uma família de lectinas da membrana plasmática que controlam o reconhecimento e a adesão célula-célula em diversos processos celulares. Um desses processos é o movimento das células do sistema imune (leucócitos) através da parede dos capilares, do sangue para os tecidos, em sítios de infecção ou inflamação.
 2- Interação patógeno-célula: Alguns patógenos microbianos têm lectinas que controlam a adesão bacteriana às células hospedeiras ou a entrada de toxinas para dentro das células. Por exemplo, a bactéria Helicobacter pylori tem uma lectina em sua superfície que adere a oligossacarídeos da superfície das células do epitélio que revestem a superfície interna do estômago. 
 3- A ricina da mamona, altamente tóxica, interage com açúcares da superfície celular em um dos seus sítios e empurram para dentro da célula.