Aminoácidos%2c peptídeos e proteínas

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19/08/2018
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Bioquímica
Aminoácidos, peptídeos e proteínas
Professor Me. Manoel Aguiar
Por que estudar aminoácidos e proteínas?
Professor Me. Manoel Aguiar Bioquímica
As proteínas constituem o componente celular mais abundante.
Possuem diversas funções, como por exemplo:
Hemoglobina – responsável pelo transporte de oxigênio no sangue.
Imunoglobinas – responsável pela defesa do organismo.
Insulina – regula o metabolismo da glicose.
Actina e miosina – atuam na contração muscular.
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Aminoácidos
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Os aminoácidos são compostos que apresentam em sua molécula um grupo amino (-NH2) e
um grupo carboxila (-COOH).
Todos os aminoácidos presentes nos seres vivos são L-aminoácidos.
O que difere um aminoácido de outro é sua cadeia lateral (R).
Aminoácidos
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A importância Biológica da Quiralidade
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Aminoácidos
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As propriedades das cadeias laterais dos aminoácidos são importantes para a conformação das
proteínas e, portanto, para sua função.
Existem 20 aminoácidos diferentes, sendo que 8 deles são considerados essenciais e 12 não
essenciais.
8 aminoácidos essenciais: VALINA, LEUCINA, ISOLEUCINA, LISINA, TREONINA,
METIONINA, FENILALANINA E TRIPTOFANO
*Histidina* considerada semi-essencial.
12 aminoácidos não essenciais (que podem ser sintetizados pelo organismo).
Aminoácidos apolares (hidrofóbicos)
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Aminoácidos polares (sem carga)
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Aminoácidos com carga negativa (ácidos)
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Aminoácidos com carga positiva (básicos)
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Ligação peptídica
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Quais grupos de aminoácidos reagem para formar uma ligação peptídica?
A ligação é formada entre o grupo carboxila de um aminoácido e o grupo amino do outro
aminoácido.
Água é eliminada no processo, e os resíduos do aminoácido ligado permanecem após esta
eliminação.
Uma ligação formada deste modo é chamada de ligação peptídica.
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Ligação peptídica
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Ligação peptídica
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Peptídeos são compostos formados pela união de dois ou mais aminoácidos por intermédio de
ligações peptídicas.
Os peptídeos diferem-se uns dos outros pelo número de aminoácidos e pela sequência dessas
moléculas.
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Ligação peptídica
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Oligopeptídeo
Tripeptídeo: 3 aminoácidos, 2 ligações peptídicas
Tetrapeptídeo: 4 aminoácidos, 3 ligações peptídicas.
Pentapeptídeo: 5 aminoácidos, 4 ligações peptídicas.
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Proteínas
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As proteínas são polímeros de aminoácidos.
As proteínas são compostas por centenas de aminoácidos, cada um deles podendo estar
presente mais de uma vez.
O carbono dos aminoácidos que compõe as proteínas é assimétrico (exceto na glicina); sendo
assim se apresentam na forma L e D.
Todas as proteínas encontradas nos seres vivos são formadas por L aminoácidos.
Proteínas
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As macromoléculas possuem pesos moleculares variados, desde alguns milhares, até vários
milhões.
A maior importância das proteínas está nas diversas funções que elas exercem no organismo.
Por exemplo:
Hormonal – Insulina Contrátil e motora – actina
Catalítica – Amilase Transporte - hemoglobina
Proteção – Imunoglobinas
Estrutural - Colágeno
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Estrutura das Proteínas
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Estrutura primária
É a sequência de aminoácidos de uma proteína.
Essa estrutura determinará sua estrutura
tridimensional, que por sua vez determina suas propriedades.
Em cada proteína, a estrutura tridimensional correta é necessária para seu funcionamento
perfeito.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura primária
AMOR ≠ ROMA
A ordem dos aminoácidos na estrutura primária influenciará no dobramento da proteína e
consequentemente em sua função.
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Estrutura das Proteínas
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Estrutura primária
Diferença na sequência de aminoácidos entre as insulinas humana, bovina, suína e ovina:
Apenas a mudança na sequência de aminoácidos podem fazer uma pequena ou nenhuma
diferença no funcionamento de peptídios e proteínas, mas, na maioria das vezes, a sequência é
extremamente importante.
Cadeia 𝜶
Posições 8-9-10
Cadeia 𝜷
Posição 30
Humana -Thr-Ser-Ile- -Thr
Bovina -Ala-Ser-Val- -Ala
Suína -Thr-Ser-Val- -Ala
Ovina -Ala-Gly-Val- -Ala
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Porque é importante conhecer a estrutura primária de uma proteína?
Anemia falciforme – É uma doença genética onde os glóbulos vermelhos não conseguem se
ligar ao oxigênio de forma eficiente, e assumem um formato característico de foice, vindo daí
o nome da doença.
Ás células falciformes tendem a se prender em pequenos
vasos sanguíneos, cortando a circulação, e , assim,
danificando órgãos.
Essas consequências drásticas derivam da troca de um resíduo
de aminoácido na sequência da estrutura primária.
Estrutura das Proteínas
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Porque é importante conhecer a estrutura primária de uma proteína?
Anemia falciforme
A hemoglobina humana adulta é formada por duas cadeias 𝛼 e duas cadeias 𝛽.
A anemia falciforme ocorre quando um resíduo de aminoácido é trocado nas cadeias beta.
Hb normal: - Thr – Pro – Glu – Glu – Lys – Ala –
Hb Falsiforme: - Thr – Pro – Val – Glu – Lys – Ala –
Estrutura das Proteínas
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Porque é importante conhecer a estrutura primária de uma proteína?
Anemia falciforme
Essa mudança afeta apenas duas posições em uma molécula que contém
574 aminoácidos, e mesmo assim é suficiente para produzir uma
doença muito séria.
Não existe absolutamente nenhuma cura para a anemia falciforme,
mas várias abordagens têm sido examinadas para melhorar as
chances de uma vida normal.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura secundária
Esta estrutura é obtida pelo arranjo das ligações de hidrogênio do esqueleto proteico da cadeia
polipeptídica.
Hélice-𝛼 folha 𝛽 pregueada
Estrutura das Proteínas
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Estrutura secundária – alfa-hélice
Nessa conformação uma cadeia única de proteína se torce de tal
maneira que sua forma se assemelha à de uma mola – ou seja, assuma
uma estrutura helicoidal.
Essas estruturas são estabilizadas através de ligações de hidrogênio
intramoleculares.
Ex: A queratina é uma proteína fibrosa constituída quase que
totalmente de alfa-hélices.
A hemoglobina é uma proteína globular flexível cuja estrutura é aprox.
80% de alfa hélices.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura secundária – beta-folhas
Ao contrário das alfa-hélices as folhas-beta
são compostas de duas ou mais cadeias
polipeptídicas ou segmentos de cadeias
polipeptídicas que estão quase totalmente
estendidas.
Note que nas folhas beta as ligações de hidrogênio ocorrem de forma
intra e intermolecular.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura terciária
A estrutura terciária de uma proteína é o arranjo tridimensional de todos os átomos na
molécula.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura terciária
A estrutura tridimensional única de cada polipeptídio é
determinada por sua sequência de aminoácidos
(estrutura primária).
Interações das cadeias laterais dos aminoácidos
orientam o dobramento da cadeia polipeptídica, para
formar uma estrutura compacta.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura terciária
Quatro tipos de interação cooperam para estabilizar a
estrutura terciária das proteínas:
1. Pontes dissulfeto
2. Interações hidrofóbicas
3. Ligações de hidrogênio
4. Interações iônicas
5. Coordenação a um íon metálico
Estrutura das Proteínas
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Estrutura terciária
1. Pontes dissulfeto
É uma ligação covalente formada pelo grupo
sulfidrila (-SH) de cada um de dois resíduos cisteína,
para produzir um resíduo cistina.
As duas cisteínas podem ser separadas por muitos
aminoácidos na sequência primária, podem até
mesmo estar localizadas em duas cadeias diferentes;
o dobramento das cadeias podem aproximar os
resíduos e permitir a ligação covalente de suas
cadeias laterais.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura terciária
2. Interações hidrofóbicas
Aminoácidos com cadeias laterais apolares tendem
a se localizar no interior da molécula polipeptídica,
onde se associam a outros aminoácidos
hidrofóbicos.
Em contraste, aminoácidos com cadeias laterais
carregadas ou polares tendem a estar localizados na
superfície de moléculas em contato com solvente
polar.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura terciária
Observação:
Proteínas localizadas em ambientes apolares
(hidrofóbicos, como lipídicos) exibem um arranjo
inverso.
Isto é, cadeias laterais hidrofílicas estão localizadas
no interior do polipeptídio e cadeias laterais
hidrofóbicas estão localizadas na superfície da
molécula.
Exemplo: Proteínas de membrana.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura terciária
3. Ligações de hidrogênio
As cadeias laterais dos aminoácidos contendo
hidrogênio ligado ao oxigênio e ao nitrogênio,
podem formar pontes de hidrogênio com átomos
que possuem elétrons livres.
A formação de pontes de hidrogênio na superfície
da proteína aumenta sua solubilidade em água.
Serina
Treonina
Estrutura das Proteínas
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Estrutura terciária
4. Interações iônicas
Grupos carregados negativamente, como o grupo
carboxíla (-COO-) na cadeia lateral do aspartato ou
glutamato podem interagir com grupos carregados
positivamente, como grupo amino (-NH3
+) na
cadeia lateral da lisina.
Aspartato
Glutamato
Lisina
Estrutura das Proteínas
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Estrutura terciária
5. Coordenação a um íon metálico
Duas cadeias laterais com a mesma carga normalmente se repelem, mas elas podem também
estar ligadas através de um íon metálico.
Por exemplo, duas cadeias de ácido glutâmico poderiam estar unidas através de um íon
magnésio (Mg2+), formando uma ponte.
Essa é a razão pela qual o corpo humano precisa de certos minerais traços – eles são
componentes necessários das proteínas.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura quaternária
É o nível de organização mais alto da proteína.
Muitas proteínas consistem em uma única cadeia polipeptídica,
estas são proteínas monoméricas.
Muitas outras, porém, consistem em duas ou mais cadeias
polipeptídicas que podem ser estruturalmente idênticas ou
totalmente diferentes.
O arranjo destas subunidades polipeptídicas é denominado
estrutura quaternária da proteína.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura quaternária
Cada cadeia é chamada de subunidade.
As cadeias polipeptídicas interagem entre si de forma
não covalente: via atrações eletrostáticas, ligações de
hidrogênio e interações hidrofóbicas.
Estrutura das Proteínas
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Estrutura das Proteínas
Proteínas simples e conjugadas
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Proteínas simples: são aquelas que por hidrólise fornecem apenas aminoácidos.
Proteínas conjugadas: contém outras substâncias além de aminoácidos. A porção proteica
das proteínas conjugadas é chamada de apoproteína, enquanto a porção não proteica é
chamada de grupo prostético
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Proteínas conjugadas
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Lipoproteínas
São partículas grandes, em que o
grupo prostético é constituído de
lipídios. Sua estrutura é
complexa. Ela consiste em um
cerne de lipídios apolares
circundados de lipídios polares e
de apoproteínas. As
apoproteínas encontradas nas
lipoproteínas contêm sítios de
ligação para receptores de
lipoproteínas.
.
Proteínas conjugadas
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Lipoproteínas
Estas apoproteínas integram
com o meio aquoso na superfície
da lipoproteína e com o meio
hidrofóbico de seu interior.
Portanto, é de se esperar que ela
contenha aminoácidos
hidrofílicos na sua superfície
voltada para o meio aquoso e
aminoácidos apolares na região
voltada para o cerne hidrofóbico
da partícula
.
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Proteínas conjugadas
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Proteínas conjugadas
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Glicoproteínas
São proteínas que contêm açúcares como grupos prostéticos.
Proteínas glicosiladas são encontradas na face externa da membrana celular.
Ex: Imunoglobulinas, proteínas do sistema de coagulação.
.
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Grupo Heme: É um grupo prostético (não proteico).
Somente a hemoglobina com Fe2+
pode se ligar ao oxigênio.
Proteínas conjugadas
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Grupo Heme: É um grupo prostético (não proteico).
A oxidação do Fe2+ a Fe3+ produz a
metamioglobina e metemoglobina.
Nenhuma destas proteínas é capaz de se
ligar ao oxigênio.
A oxidação pode ocorrer pela ação de
uma série de radicais livres ou ainda por
um defeito hereditário.
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O papel da metemoglobina no envenenamento por cianeto
A metemoglobina, ao contrário da hemoglobina, pode ligar-se avidamente ao íon cianeto (CN-).
Esta propriedade é explorada no tratamento do envenenamento por cianeto, onde o ferro em 
uma fração da hemoglobina é deliberadamente oxidado pela administração de um agente como 
o nitrito de amila ou azul de metileno. 
A metemoglobina que é produzida pode sequestrar o cianeto circulante, impedindo assim que 
ele iniba o transporte deelétrons.
Proteínas conjugadas
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Mioglobina ≠ Hemoglobina
A mioglobina tem a função de armazenar e transportar oxigênio no músculo.
Ela se liga fortemente ao oxigênio.
A hemoglobina tem a função de transportar oxigênio dos pulmões aos capilares dos tecidos e
ela deve tanto ligar-se fortemente ao oxigênio quanto liberá-lo facilmente.
Proteínas conjugadas
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Porque o oxigênio tem ligação imperfeita com o grupo heme?
A função da mioglobina e da hemoglobina é se ligar ao oxigênio.
Porém, mais de uma molécula pode se ligar ao grupo heme.
Além do oxigênio, o monóxido de carbono (CO) também liga-se ao grupo heme.
O CO possui afinidade cerca de 25.000 vezes maior com o grupo heme que o oxigênio.
Proteínas conjugadas
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Porque o oxigênio tem ligação imperfeita com o grupo heme?
O CO é um veneno poderoso em grandes quantidades devido a essa afinidade em se ligar ao grupo
heme.
Embora nosso organismo exija que a hemoglobina e a mioglobina se liguem ao oxigênio, seria
igualmente desastroso se a afinidade do grupo heme com o oxigênio fosse tamanha que este grupo
nunca o soltasse.
Afinal, a função dessas proteínas é transportar o oxigênio.
Na ausência da proteína, o ferro II do grupo heme é oxidado a ferro III; o heme oxidado não se liga ao
oxigênio; sendo assim é fundamental a combinação heme + proteína para o transporte de oxigênio.
Proteínas conjugadas
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Tanto o H+ quanto o CO2 podem se ligar a hemoglobina, afetando sua afinidade pelo
oxigênio:
Tecido metabolicamente ativo (como músculo)
𝐻𝑏𝑂2 + 𝐻
+ + 𝐶𝑂2 𝑂2 +𝐻𝑏𝐶𝑂2𝐻
+
Alvéolos pulmonares
O aumento de H+ causa protonação dos principais aminoácidos, favorecendo a formação da
hemoglobina desoxigenada.
Proteínas conjugadas
Dinâmica do dobramento proteico
Professor Me. Manoel Aguiar Bioquímica
Alfisen escreveu em 1964:
“Me ocorreu recentemente que alguém deveria considerar a SEQUÊNCIA de uma molécula
PROTEICA, enovelada em uma forma GEOMÉTRICA precisa, como uma linha de uma
MELODIA escrita de uma forma CANÔNICA e então desenhada pela natureza para
enovelar SOZINHA, criando acordes HARMÔNICOS de interação consistente com a
FUNÇÃO BIOLÓGICA...”
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Dinâmica do dobramento proteico
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A estrutura primária transporta todas as informações necessárias para a produção da estrutura
terciária correta.
Porém o dobramento in vivo é um pouco mais complicado.
As proteínas podem começar a se dobrar incorretamente ou associar-se a outras proteínas
antes de iniciar seu dobramento.
Quando as proteínas não se dobram corretamente, podem interagir com outras proteínas e
formar agregados.
Dinâmica do dobramento proteico
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Isso ocorre porque regiões hidrofóbicas que deveriam estar mergulhadas dentro da proteína
permanecem expostas e interagem com outras regiões hidrofóbicas em outras moléculas.
Várias doenças neurodegenerativas são provocadas pelo acúmulo de depósitos de proteínas de
tais agregados.
Ex:
Mal de Alzheimer
Mal de Parkinson
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Algumas Funções das Proteínas
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Proteínas estruturais - são as que contribuem para a formação do organismo; são as
principais constituintes da pele, dos osos, do cabelo e das unhas. Ex: o colágeno,
abundante nos ossos, tendões e cartilagens e a queratina, formadora das unhas e cabelos.
Proteínas de transporte – São proteínas que transportam substâncias pelo organismo.
hemoglobina que transporta o oxigênio no sangue; LDL (low density lipoprotein) e HDL
(high density lipoprotein) que transportam o colesterol.
Proteínas reguladoras – enzimas, como as proteases que controlam o metabolismo;
insulina que regula a atividade das células e o glucagon.
Algumas Funções das Proteínas
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Proteínas protetoras – quando uma proteína de uma fonte externa ou alguma outra
substância estranha (chamada antígeno) entra em nosso corpo, o organismo produz sua
própria proteína (denominada anticorpo) para combater a proteína estranha. Essa produção
de anticorpos é um dos maiores mecanismos que o corpo utiliza para combater as doenças.
A coagulação do sangue é outra forma de proteção realizada por uma proteína, chamada
fibrogênio. Sem a coagulação do sangue, sangraríamos até a morte mesmo a partir de um
pequeno ferimento.
Proteínas de movimento – Toda vez que estalamos os dedos, subimos escadas ou
piscamos um olho, usamos nossos músculos. A expansão e contração musculares estão
envolvidas em cada movimento nosso. Os músculos são feitos de proteínas chamadas
miosina e actina.
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Algumas Funções das Proteínas
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Proteínas de armazenamento – algumas proteínas armazenam materiais. Por exemplo, a
caseína do leite e a ovoalbumina nos ovos armazenam nutrientes para os mamíferos
recém-nascidos e para os pássaros. A ferritina, uma proteína encontrada no fígado,
armazena ferro.
Proteínas catalíticas – todas as reações que ocorrem nos organismos vivos são catalisadas
por proteínas chamadas enzimas. Sem as enzimas, as reações ocorreriam tão
vagarosamente que seriam inúteis.
Proteínas Hormonais – Vários hormônios são proteínas. Insulina (regula a entrada de
glicose na célula); eritropoietina – EPO (regula a produção de células vermelhas) e
horônio do crescimento humano – GH.
Classificação quanto a forma
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Proteínas fibrosas
São formadas geralmente por longas moléculas mais ou menos retilíneas e paralelas ao eixo da
fibra. Geralmente insolúveis.
- Cadeias longas e folhas beta.
- Tipos simples de estrutura secundária.
- Proporcional resistência e/ou flexibilidade às
estruturas onde ocorrem.
- São insolúveis em água.
Exemplo:
Colágeno e elastina que são encontradas na pele.
Queratina que é encontrada na pele e cabelos.
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Classificação quanto a forma
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Proteínas globulares
- Cadeias esféricas ou globulares.
- Diversos tipos de estruturas secundárias.
- A cadeia polipeptídica se dobra formando uma estrutura compacta.
- Grupos hidrofóbicos no interior.
- Grupos hidrofílicos no exterior.
- Utilizadas principalmente para funções não estruturais.
Ex: hemoglobina, enzimas geralmente
são proteínas globulares.
Desnaturação de Proteínas
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As interações não covalentes que mantêm a estrutura tridimensional de uma proteína são
fracas; portanto podem ser rompidas facilmente.
A desnaturação proteica resulta no desdobramento e desorganização da estrutura da
proteína, que não é acompanhada de hidrólise das ligações peptídicas.
A desnaturação ocasiona a perca da
função biológica da proteína.
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Desnaturação de Proteínas
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As proteínas podem ser desnaturadas de diversas formas:
Calor – um aumento na temperatura favorece vibrações no interior da molécula, e a
energia das vibrações podem se tornar grandes o suficiente para desfazer a estrutura
terciária.
O aumento das vibrações rompe as ligações não covalentes, desestabilizando sua
conformação e causando também o desenrolamento da cadeia.
Temperaturas entre 50 e 100 ºC costumam provocar desnaturação irreversível na estruturada proteína.
Desnaturação de Proteínas
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As proteínas podem ser desnaturadas de diversas formas:
A água facilita a desnaturação térmica das proteínas.
Quando secas as proteínas apresentam estruturas estáticas, isto é, os seguimentos
polipeptídicos possuem movimento restrito.
A medida que o conteúdo de água aumenta, a penetração parcial da água nas cavidades e
superfície da proteína causam a expansão da proteína, aumentando a sua mobilidade e
flexibilidade.
A água consegue maior acesso as ligações de hidrogênio e as interações entre as cadeiras.
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Desnaturação de Proteínas
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pH – em extremos de pH, tanto altos como baixos, pelo menos algumas cargas da proteína
ficam faltando, e, assim, as interações eletrostáticas que normalmente estabilizariam a
forma funcional nativa da proteína são drasticamente reduzidas.
Detergentes como o dodecil sulfato de sódio (SDS) também desnaturam a proteína. Eles
tendem a desfazer as interações hidrofóbicas.
Desnaturação de Proteínas
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Agitação mecânica
Provoca formação de bolhas de ar no interior da molécula, causando a desestabilização da
estrutura da proteína.
Solventes orgânicos apolares
Penetram nas regiões hidrofóbicas das proteínas, rompendo suas interações e desnaturando
as mesmas.
Ácidos e bases fortes
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Desnaturação de Proteínas
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Efeitos da desnaturação
Redução da solubilidade da proteína pela exposição dos resíduos hidrofóbicos.
Mudança na capacidade de se ligar com a água.
Perda da atividade biológica.
Facilita o ataque de proteases (aumenta a exposição das ligações peptídicas).
Desnaturação de Proteínas
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As ligações peptídicas não são rompidas pelos fatores que desnaturam as proteínas.
É necessário uma exposição prolongada a um ácido ou base fortes em temperaturas
elevadas para hidrolisar estas ligações de modo não-enzimático.
No nosso organismo as ligações peptídicas são rompidas com o auxílio de enzimas.
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Renaturação de Proteínas
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Sob condições adequadas a estrutura desfeita pode ser completamente recuperada.
Esse processo de recuperação é chamado de renaturação e é uma demonstração drástica
da relação entre a estrutura primária da proteína e as forças que determinam a estrutura
terciária.
Renaturação de Proteínas
Professor Me. Manoel Aguiar Bioquímica
Porém, a maioria das proteínas, quando desnaturadas, não retorna a sua configuração
nativa. Uma resposta a este problema é que as proteínas iniciam a se enovelar durante a
síntese proteica.
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Isso limita a competição entre configurações de dobramento.
Um grupo especializado de proteínas, denominado “chaperonas”,
é requerido para o enovelamento adequado de muitas espécies de
proteínas.
Aparentemente muitas proteínas incluem em suas sequências de
aminoácidos um conjunto de sinais de enovelamento que são
interpretados pelas chaperonas.