Estruturas primária e tridimensionais (secundária, terciária e quaternária) das proteínas

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Instrutoria de Bioquímica de Proteínas
Tema: Estruturas primária e tridimensionais (secundária, terciária e quaternária) das proteínas 
Instrutora: Jéssica Duarte
5º Período Bioquímica UFSJ
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Aminoácidos (aa.):
Oligopeptídeos: di, tri, tetra: até 30 aa.
Polipeptídeos: 30 a 50 aa.
Proteínas: 50 a 2000 aa.
aa. são as unidades fundamentais das proteínas, constituídos por: 
grupo carboxílico: COO- 
carbono α, hibridizado sp3 :4 grupos diferentes ligados a esse C central (estereocentro)
grupo amino: NH3+
H
cadeia lateral (R): o que muda de um aa. para outro, responsável pela caracterização do aa. dentro de uma proteína de estrutura tetraédrica 
Classificação dos aa. de acordo com o grupo radicalar (R) :
APOLARES: cadeia hidrofóbica
POLARES: cadeias não ionizáveis (carregadas parcialmente); cadeias ionizáveis negativamente e cadeias ionizáveis positivamente 
Exceção: glicina em que a cadeia lateral é o átomo de H
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Aminoácidos (aa.):
aa. são moléculas assimétricas, o par objeto-imagem de uma molécula assimétrica é denominado par de enantiômeros ou antípodas ópticas. Os enantiômeros possuem propriedades físicas e químicas idênticas, pois são o mesmo composto, com igual número e tipo de átomos e ligações. Registra-se apenas uma característica diferente: a rotação causada no plano da luz polarizada. Apenas o sentido da rotação é diferente. A magnitude da rotação é a mesma. Se, por exemplo, num dos isômeros, a rotação específica é de + 5,756o, no outro é de - 5,756o. O fenômeno que impede a sobreposição da imagem especular da molécula com seu objeto é denominado quiralidade molecular e as moléculas são ditas quirais. Um fator determinante da quiralidade molecular é a presença do carbono assimétrico. Carbono assimétrico é um átomo de carbono saturado (hibridação sp3), que apresenta quatro radicais diferentes ligados a ele. Com essa estrutura, a molécula não apresenta nenhum plano de simetria e sua imagem especular terá estrutura não coincidente (Obs: O carbono assimétrico é marcado com um asterisco: C
Exceção: glicina em que a cadeia lateral é o átomo de H
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Aminoácidos (aa.):
possuem a capacidade de produzir um desvio no plano da luz polarizada. São chamadas substâncias opticamente ativas. Quando esse desvio é para a direita (no sentido horário) dizemos que a substância é dextrógira (representada pela letra d ou pelo sinal +). Quando o desvio é para a esquerda (no sentido anti-horário) dizemos que a substância é levógira (representada pela letra l ou pelo sinal -).
o nosso organismo não consegue sintetizar D e L discriminadamente 
Somente a forma L dos aa. é usada na síntese de proteínas 
Isso ocorre porque o sítio ativo das proteínas é espacialmente específico para o aa. L
aa. D podem estar presentes em nosso organismo, mas não possuem utilidade
D aa. são encontrados em alguns antibióticos e peptídeos presentes em bactérias
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Aminoácidos (aa.):
existem cerca de 50 aa., mas apenas 20 são usados no código genético para a síntese protéica 
a combinação desses 20 aa. pode produzir cerca de 2,4.1028 moléculas distintas
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Ligação peptídica:
aa.1 + aa.2→ Resíduo de aa. (ligação peptídica) + Água (proveniente da hidroxila de um aa. e do H de outro aa.)
Resíduo de aa.: o que sobrou do aa. original 
Toda vez que se for escrever uma sequência de aa. , o primeiro aa. no lado esquerdo possui NH3+ livre (não participa da ligação peptídica). Já o último aa., no lado direito, tem COO- livre (também não participa da ligação peptídica)
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Ligação peptídica:
Aspectos estruturais : estrutura planar com aspecto de dupla ligação
Ligação simples: rotação livre
Ligação dupla: rotação restrita
É uma ligação simples com baixa liberdade de rotação, semelhante a uma dupla
Em certos momentos ela está simples, em outros, está dupla; isso ocorre através de ressonância
 Possui valores em seu tamanho intermediário entre o das ligações simples e dupla:
Simples: 1,51 Ǻ
Dupla: 1,24 Ǻ 
Peptídica: 1,32 Ǻ 
A ligação entre o C α e a carboxila é chamada PSI ψ, já a ligação entre o N e o C α se chama PHI φ
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Níveis organizacionais das proteínas:
Proteína é uma macromolécula formada por resíduos de aa. ligados através de ligações peptídicas covalentes. A ligação peptídica ocorre entre moléculas, o grupo carboxila reage com o grupo amina e libera uma molécula de água (seria uma síntese por desidratação). 
Proteínas não são polímeros. (Um polímero é uma macromolécula formada pela repetição de pequenas e simples unidades químicas (monômeros), ligados através de ligação covalente simples que ocorre entre os átomos, que compartilham elétrons.Se somente uma espécie de monômero está presente na estrutura do polímero, este é chamado de homopolímero. Se espécies diferentes de monômeros são empregadas, o polímero recebe a denominação de copolímero)
Apresentam 4 níveis organizacionais;
Cada nível tem suas características específicas e um nível leva a outro.
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Estrutura primária:
Estrutura primária: Sequência de aa. ligados através de ligações peptídicas, sem se preocupar com a orientação espacial da molécula. Essa sequência é determinada geneticamente (síntese de proteínas).
Importante: Determina a forma e a função da proteína .
 
Os aa. de uma proteína quando unidos, as suas cadeias laterais são dispostas de forma a minimizar as interações repulsivas entre si: (impedimento estérico)
Ex: Insulina possui estrutura primária.
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Estrutura secundária:
Estrutura Secundária: É a estrutura espacial tridimensional adquirida pela cadeia polipeptídica através de interações entre aminoácidos vizinhos.
 
É o último nível de organização das proteínas fibrosas mais simples estruturalmente . Ex.:colágeno
 
É dada pelo arranjo espacial de aminoácidos próximos entre si, na sequência primária da proteína; depende da sequência primária.
 
Arranjos de estruturas secundárias:
α hélice (regular)
Folhas β (regular)
Voltas ou turners (não regular)
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Estrutura secundária:
 
α hélice: forma geométrica mais comum de estrutura secundária.
Caracteriza-se por uma hélice em espiral; as cadeias laterais dos aminoácidos se distribuem para fora da hélice. A principal forma de estabilização são as ligações de hidrogênio. A α hélice existe porque aumenta a entropia da água. Isso ocorre formando ligações de hidrogênio e minimizando repulsões.
Eixo da α hélice: Do ponto de vista geométrico, há dois tipos de hélices: a de mão direita (grande maioria das proteínas) e a de mão esquerda (Ex.: colágeno)
Dipolo da α hélice: Há uma polaridade dentro da proteína . A carboxila é negativa e o grupo amino é positivo (vetor momento dipolo)
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Estrutura secundária:
A ligação de hidrogênio ocorre entre o 1º e o 4º aminoácidos, e o 2º e o 5º aminoácidos, e assim por diante → 3,6 resíduos. 
Cada volta de uma hélice alfa apresenta 3,6 resíduos, assim, temos que uma volta completa na hélice α leva a um deslocamento de 5,4 Ǻ
 
Hélices virando para direita: 
Hélice π (mais curta que a α)
Hélice α (normal) → mais comum → usa 13 átomos
Hélice 310 (mais longa que a α)
 
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Estrutura secundária:
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Estrutura secundária:
Características:
Hélice π: apresenta 4,4 resíduos por volta e 16 átomos entre as ligações de H. Apresenta notação 4,4 16. A ligação de H ocorre entre o 1º e o 5º aa.
Hélice 310: mais tensionada → mais longa. A ligação de H envolve uma carbonila de um resíduo com o N do outro resíduo. Uma ligação de H a cada três resíduos.
Fita β: Apresenta uma cadeia principal distendida, não havendo hélices em sua tipologia. Estrutura tridimensional estendida. Essa distensão pode se movimentar como a α hélice, longitudinalmente.
Fitas β se arranjam para formar as folhas β. 
 
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Estrutura secundária:
Folhasβ ou folha pregueada : uma folha pregueada se alinhado lado de outra folha pregueada . Desse modo, várias folhas pregueadas elementares dispostas paralelamente, formam folha β, propriamente dita. As ligações de H são a principal força de estabilização. Tanto a α hélice, quanto a folha β são estabilizadas pelo mesmo motivo.
Folhas β paralelas e anti - paralelas: o paralelismo é dado em função da distância entre os átomos de O e N.
Ligações de H paralela → folha anti-paralela → átomos desalinhados
Ligações de H não paralela → folha paralela → átomos alinhados
As duas folhas paralela e anti-paralela ocorrem com a mesma intensidade .
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Estrutura secundária:
Ligações de H paralela → folha anti-paralela → átomos desalinhados
Ligações de H não paralela → folha paralela → átomos alinhados
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Estrutura secundária:
 Dobras, Alças, Voltas ou Turners : Estruturas aleatórias, não regulares. Mais comuns são as β dobras. 1/3 resíduos nas proteínas globulares são alças e voltas. 
Pontes de H são a principal força de estabilização.
Há dois aa. que são os principais formadores das alças: prolina e glicina . Estão presentes por motivos antagônicos: a prolina é rígida e a glicina é flexível. Rigidez e flexibilidade são importantes no estabelecimento de uma posição estável; fazem com que se dobrem.
Há dois tipos de alças:
I→ folhas não paralelas ( mais comum que a do tipo II)
II→ folhas paralelas (possui glicina como terceiro resíduo)
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Estrutura secundária:
GLICINA
PROLINA
GLICINA
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Estrutura secundária:
Superestruturas (não são estruturas terciárias, são apenas pedaços destas) combinações de elementos de estrutura secundária.
Grampo β: é uma folha β anti-paralela, que por aparecer com freqüência na estrutura das proteínas recebeu uma denominação específica. Caracteriza-se pela presença de duas fitas β próximas. 
Grampo α: apresenta duas hélices α contínuas. As duas hélices estão ligadas por um trecho de cadeia peptídica.
Motivos são estruturas sepersecundárias (combinações, conjuntos de estruturas que se repetem numa estrutura primária.)
Motivo β-α-β (são muito comuns) apresentam em sequência uma fita β, uma hélice α e por último uma fita β
Barris β: são várias combinações de motivos estruturais. Pode ser formado por folhas β ou α hélices
Motivos estruturais: são organizações de estruturas secundárias mais complexas
Os barris podem ser perfeitamente geométricos ou não
Proteínas com diferentes arranjos de elementos estruturais secundários
Barril é um principal elemento de motivo
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Estrutura secundária:
Estruturas supersecundárias ou motivos estruturais utilizados na expressão gênica:
Dedos de zinco: Os dedos de zinco são domínios proteicos que têm a propriedade de se ligarem ao DNA. Um dedo de zinco é composto por duas folha beta antiparalelas e uma alfa- hélice. O íon de zinco é fundamental para garantir a estabilidade deste tipo de domínio. Na ausência do íon, o domínio desdobra-se e torna-se demasiado pequeno para albergar um núcleo hidrofóbico.
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Estrutura secundária:
Zíper de leucina: Motivos ligantes de DNA formados por duas alfas-hélices que se entrelaçam por cerca de oito voltas em um enovelado helicoidal e então se bifurcam formando estruturas em forma de Y. As leucinas que ocorrem em repetições de héptades terminam nos mesmos lados das hélices, e são adjacentes entre si na haste do Y (a região do "zíper"). Os resíduos ligantes de DNA estão localizados na região bifurcada do Y.
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Classificação estrutural das proteínas:
SCOP(Structural Classification of Proteins) banco de dados que classifica as proteínas
Hierarquia: 
Classes (7)
Folds (cada fold corresponde a um tipo particular de arranjo de elementos de estrutura secundária)
Superfamílias (proteínas com características estruturais semelhantes, mas geralmente com diversidade 
funcional)
Famílias (conjuntos de proteínas de estrutura muito semelhante e geralmente com uma função biológica 
Idêntica ou próxima)
	As proteínas podem ser classificadas de acordo com o conteúdo em estruturas secundárias, definindo-se as seguintes classes estruturais (4 mais importantes dentre as 7 existentes):
Classe : Características: 
α estrutura secundária contendo apenas α hélice 
 
β estrutura secundária contendo apenas folha β 
 
α/β presença de β-α-β ( basta ter uma - elementos α e β ocorrendo de forma alternada)
 
α+β ausência de β-α-β (elementos α e β ocorrendo em regiões separadas)
 
 
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Estrutura terciária:
Estrutura terciária: confere atividade biológica às proteínas: estrutura nativa funcionalmente ativa. Não confundir: quem determina a função da proteína é a estrutura primária.
Toda proteína tem estrutura secundária, mas nem todas possuem estrutura acima da secundária. Ex: colágeno.
Enquanto a estrutura secundária é determinada pelo relacionamento estrutural de curta distância, a terciária é caracterizada pelas interações de longa distância entre aa.
Essa estrutura resulta de dobras na estrutura da proteína, estabilizadas por interações entre os radicais dos aa.
Ligações fortes:
Ligação iônica ou salina (aa. carregados)
Ligação covalente (ex: pontes dissulfeto)
Ligações fracas:
Interações hidrofóbicas (aa. apolares)
Ligação de hidrogênio (aa. polares)
Ligações de Van der Walls (dipolo-induzido, dipolo instantâneo e forças de London) - são as mais importantes, aparecem com maior freqüência, principais formas de estabilização da proteína (qualquer aa.)
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Estrutura terciária:
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Estrutura quaternária:
Estrutura quaternária: É a união de estruturas terciárias independentes entre si. Proteínas oligoméricas: associação de várias subunidades polipeptídicas iguais (homo) ou diferentes (hétero), através de ligações não covalentes; apenas interações fracas. Nível superior de complexidades que se pode encontrar na estrutura proteica tanto em proteínas globulares e fibrosas.
São guiadas e estabilizadas pelas mesmas interações da terciária. O tamanho da proteína reflete sua função. A função da enzima (aumentar a especificidade da reação, aumentando sua velocidade), requer uma estrutura muito grande para realizar sua função de forma adequada e inequívoca
Vantagens das proteínas com multisubunidades:
Nos grandes arranjos de proteínas, corrigir defeitos por simples reposição da subunidade defeituosa;
Nas enzimas: o aumento do seu tamanho pelo aumento das subunidades é mais eficiente que o aumento da cadeia polipeptídica, pois cada subunidade possui um sítio ativo;
Um dos principais exemplos de estrutura quaternária é a hemoglobina;
Homo = associação de cadeias idênticas
Hetero = associação de diferentes cadeias
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Estrutura quaternária:
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Classificação de proteínas:
Proteínas simples: Compostas apenas por aminoácidos naturais
Proteínas conjugadas: Contêm aminoácidos modificados ou outros grupos ligados
Grupo prostético (ex: grupo heme)
Holoproteinas proteína + grupo prostético (ex: holomioglobina)
Apoproteínas proteína sem o grupo prostético (ex: apomioglobina)
Proteínas monoméricas: Formada por apenas uma cadeia polipeptídica. Desprovidas de estrutura quaternária.
Proteinas oligomericas: Formadas por associações de subunidades polipeptídicas
Homo = associação de cadeias idênticas
Hetero = associação de diferentes cadeias
Proteinas estruturais: Dão forma e sustentação ao organismo 
Ex: colágeno
Proteínas funcionais: Desempenham funções diversas
Ex: Catalise enzimática; transporte, defesa, etc.
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Níveis organizacionais das proteínas
Ordem dos níveis estruturais da proteína:
Primário: sequência de aa.
Secundário: padrões estruturais definidos φ (phi) e ψ (psi)
Terciário: proteínas dobradas
Quaternário: associaçãode subunidades ou cadeias
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Diagrama de Ramachandran:
Mostra as regiões de maior freqüência natural de ângulos φ (phi) e ψ (psi)
Indica quais os anglos φ (phi) e ψ (psi)são permitidos para uma cadeia polipeptídica. Isso ocorre por causa das cadeias laterais e está relacionado à repulsão entre elas.
φ (phi) - Permitidos: ∆G < 0 (sistema estável) 
Exemplo: α hélice, folha ß e loop.
ψ (psi) - Não permitidos: ∆G > 0 (sistema instável) 
 Exemplo: Impedimento estérico.
 
Esse diagrama faz uma correlação de energia entre todas as combinações possíveis de ângulos φ (phi) e ψ (psi)
Identifica as regiões permitidas energeticamente (∆G < 0) e as regiões não permitidas (∆G > 0)
Mostra as regiões de maior frequência natural de ângulos φ (phi) e ψ (psi)
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Diagrama de Ramachandran:
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Estabilidade das proteínas:
Adição de co-solutos às soluções contendo proteínas e água:
Interação preferencial: co-solutos modificam a solubilidade de uma proteína em solução em relação a um solvente.
EFEITO HOFMEISTER: Efeito dos íons sobre a precipitção de proteínas.
ITO HOFMEISTEREFEITO HOFMEISTER
Salting in: quantidade máxima de sal adicionada a uma solução de proteína para que ela não precipite.
Salting out: quantidade mínima de sal adicionada a uma solução de proteína para que ela precipite.
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Estabilidade das proteínas:
Servem para fazer “limpezas” de soluções contaminadas. O melhor sal utilizado para se purificar (precipitar) uma proteína é o sulfato de amônio. Os efeitos salting in e salting out são uma maneira sutil de se desnaturar uma proteína. Desnaturar uma proteína é perder a forma 3D (forma nativa, funcionalmente ativa) da proteína. Desse modo, ela perde sua função. 	
Temperatura crítica é a temperatura em que ocorre o completo desnaturamento das proteínas. Por desnaturação, quebram-se as estruturas quaternárias, terciária e secundária, mas não a primária. A estrutura primária não determina por si só a função da proteína.
Algumas proteínas desnaturadas pelo calor , extremos de pH ou reagentes desnaturantes, recuperam sua estrutura nativa e atividade biológica se as condições onde a conformação nativa é estável for retornada : renaturação.
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Estruturas organizacionais:
Estrutura Primária: o DNA é que determina como os aa estão ligados : DNA → RNA m → Proteína. Um aa está do lado do outro, mas há uma interferência entre eles . Essas interferências levam a estrutura Secundária. A forma da estrutura Terciária é consequência da Primária, desse modo quando se perde a estrutura 3D, perde-se a função da proteína. A desnaturação, no entanto, não rompe as ligações peptídicas.
A grande maioria das proteínas não voltam a estrutura original (nativa) quando renaturadas. Outras proteínas possuem essa capacidade, como a ribonuclease A.
Diagrama de Ramachandran : São determinadas condições de ângulos PHI e PSI que permitem que as cadeias laterais não colidam.
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Notas:
A estrutura 3D das proteínas é determinada pela sequência de aa.;
 
A função da proteína depende de sua estrutura;
Uma proteína isolada tem uma estrutura singular ou quase singular;
Entre o número imenso de estruturas de proteínas singulares, podemos reconhecer alguns padrões estruturais comuns que vão ajudar a organizar a arquitetura protéica;
A conformação existente sob um determinado conjunto de condições é a termodinamicamente mais estável;
 
As proteínas em qualquer de suas conformações enoveladas funcionais, são denominadas nativas.
Proteína desnaturada: perde sua função.
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Fim!!!