Aula 3 Estrutura das proteínas

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Relembrando...
Purificação de proteínas
Esmagamento
ou moagem
(Rompimento das 
células)
Membrana 
de celofane
solvente
solução a 
ser dialisada
Diálise
Centrífuga
Câmara blindada
Amostra 
sedimentando
refrigeração vácuo
rotor
ângulo
fixo
Cromatografia em coluna
(Faz uso de diferenças em cargas, tamanho,
afinidade de ligação e etc...)
Fase estacionária (círculos negativos),
como ela é negativa ela vai reter as
proteínas positivas (negativo atrai
positivo) e vai repelir as proteínas
negativas, ou seja, estas proteínas
com a carga negativa vão ser
liberadas e passar com o eluente até
serem completamente coletadas.
Cromatografia de troca iônica
Troca catiônica- Vai atrair proteínas de carga positivas
Troca aniônica- Vai atrair proteínas de carga negativas
Separação das proteínas baseadas nas suas cargas líquidas em
um determinado pH
Cromatografia de troca iônica Cromatografia de exclusão (gel filtração)
Separa componentes as proteínas com base em
seus tamanhos.
Proteínas grandes não entram nos poros e são
eluídas primeiro.
Separa as proteínas por suas
especificidadesde ligação
Cromatografia de afinidade
Eletroforese
• É baseada na migração de proteínas carregadas em um campo elétrico.
As proteínas podem ser visualizadas e separadas (permitindo estimar o número de proteínas
distintas em um mistura ou o grau de pureza de uma preparação proteica particular) e permite a
determinação do ponto isoelétrico e peso molecular de uma proteína.
Eletroforese de ácidos 
nucleicos/gel agarose
Eletroforese de proteínas/gel 
poliacrilamida
Estrutura das proteínas
Professora Karine Padilha
E-mail: karine.padilha@bioqmed.ufrj.br
 O arranjo espacial de átomos em uma proteína é denominado sua conformação.
 Uma proteína pode possuir diversas conformações. As possíveis conformações de uma mesma
proteína incluem qualquer estado estrutural que pode ser alcançado sem a quebra de ligações
covalentes.
 Dentre as numerosas conformações teoricamente possíveis, apenas uma ou poucas
predominam em condições biológicas.
 Múltiplas conformações refletem alterações que podem ou devem ocorrer para que a proteína
exerça sua(s) função(ões).
Antes de falar sobre estrutura proteica, vamos voltar ao 
conceito de conformação... 
Sobre conformação e proteína nativa:
 Proteínas tendem a se manter em conformações em que seu estado termodinâmico seja mais
estável (com menor energia livre de Gibbs).
- Por exemplo: com resíduos de aminoácidos hidrofóbicos na parte de dentro da proteína e com
aminoácidos de cargas opostas próximos entre sí.
 Uma proteína que esteja em qualquer uma de suas conformações funcionais e devidamente
enovelada (estrutura tri-dimensional) é chamada de proteína nativa.
 A conformação estável de uma proteína é estabilizada, principalmente, pelas interações fracas
(pontes de hidrogênio, interações hidrofóbicas, iônicas e de van der Walls).
A mesma molécula em duas conformações diferentes
Níveis estruturais das proteínas
Forma mais
simples
Forma mais
complexa
Níveis estruturais das proteínas
 Estrutura primária:
 É a ordem (sequência) dos aminoácidos na cadeia
polipeptídica.
 Consiste em uma sequencia de aminoácidos unidos por
ligações peptídicas e inclui algumas ligações dissulfeto.
 É temporário e transitório.
Níveis estruturais das proteínas
 Estrutura secundária:
 Polipeptídeo resultante arranjados em forma bastante
comum, como α-hélices e folhas-β.
 Os radicais do aminoácido vão estar interagindo entre
eles e vai formar a forma helicoidal.
Níveis estruturais das proteínas
 Estrutura terciária:
 Descreve todos os aspectos do dobramento tridimensional
de um polipeptídeo.
Níveis estruturais das proteínas
 Estrutura quaternária:
 Organização espacial de duas ou mais cadeias
polipeptídicas.
 Ela é específica a alguns grupos de proteínas, por ex:
Hemoglobina.
Sequências dos aminoácidos
A sequência de aminoácidos em uma proteína pode oferecer informações sobre sua
estrutura tridimensional, função, localização celular e evolução.
Famílias de proteínas que possuem algumas características estruturais ou funcionais
compartilhadas podem ser prontamente identificadas com base nas similaridades nas suas
sequências de aminoácidos.
Certas sequências de aminoácidos atuam como sinais que determinam sua localização
celular, a modificação química e meia-vida de uma proteína. Elas em geral estão
localizadas na porção amino terminal (N-terminal).
As sequências das proteínas podem elucidar a vida na Terra
 A evolução conservou aminoácidos importantes para a estrutura e função de proteínas entre
espécies.
 A comparação de sequências de uma determinada proteína nos diferentes organismos revela
importantes regiões conservadas e relações evolutivas entre diferentes organismos.
Comparação de sequencias de uma mesma proteína entre espécies
Resíduos sombreados de amarelos são idênticos entre as espécies
 Proteínas homólogas: se relacionam evolutivamente/ realizam a mesma função em espécies
diferentes). (Ex: asa de diversos animais tem a função de voar)
 Ortólogas: são sequências homólogas presentes em organismos distintos. (Ex, o gene para o
colágeno I em humano e o gene para o colágeno I em um coelho são ortólogos.
 Parálogas: sequências distintas, num mesmo organismo, oriundas de uma mesma sequência
ancestral. (Ex: Genes podem se duplicar e uma das cópias surgidas passe a produzir uma proteína
sensivelmente distinta. O gene para a cadeia alfa da hemoglobina e o gene para a cadeia beta da
hemoglobina originaram-se de um gene ancestral. Logo, os genes da beta globina e da alfa globina
são parálogos.
O alinhamento permite que identifiquemos as porções mais importantes (conservadas) da proteína.
As sequências das proteínas podem elucidar a vida na Terra
 Por ex: Existem 48 diferenças de sequência
primária entre o citocromo c de cavalo e o de
fungos, duas espécies que estão completamente
separadas na árvore evolutiva. Entretanto, apenas
duas diferenças de sequência primária foram
encontradas entre o citocromo c de pato e de
galinha, o que é óbvio, pois são espécies bem
próximas filogeneticamente.
As sequências das proteínas podem elucidar a vida na Terra
 Quanto mais similares as sequências das proteínas dos organismos, mais próximos eles são
evolutivamente.
Evolução Molecular
Estrutura tridimensional
Professora Karine Padilha
E-mail: karine.padilha@bioqmed.ufrj.br
A conformação espacial das proteínas
 Cada proteína tem uma estrutura específica que depende de:
 Sua estrutura primária
 Interações químicas resultantes entre as cadeias laterais dos
aminoácidos
 Modificações pós-traducionais
 Condições do meio em que elas estão inseridas
As proteínas não são traços rígidos porque suas ligações químicas podem realizar rotação,
podendo assumir um número ilimitado de conformações.
 A maioria das ligações químicas não são planares
Temas importantes
 A conformação tridimensional (3D) depende da sequência
de aminoácidos.
 A função depende da estrutura.
 Cada proteína existe em um ou em pequeno número de
formas estruturalmente estáveis.
 As principais forças para a estabilização de estruturas são
forças não-covalentes.
apolipoprotein A-I (PDB code 1AV1)
Estrutura formada apenas por alfas-hélices
Estrutura de uma treptavidina, proteína
modificada a partir da estreptavidina
humana que funciona
biotecnologicamente para ligar outras
moléculas, como a biotina. Formada
apenas por folhas beta e loops (2Y3E)
 Dobramento espacial se dá principalmente por interações fracas –
principalmente hidrofóbicas
• Ligações deH e iônicas são otimizadas em estruturas
termodinamente mais favoráveis
 Estabilidade estrutural (Tendência a manter a conformação nativa)
• Ligações dissulfeto são incomuns, mas estabilizam proteínas de
organismos termófilos
 Camada de solvatação: formada pela água envolvendo uma molécula
hidrofóbica – a ordenação aumentada das moléculas de água na
camada de solvatação correlaciona-se com uma redução desfavorável
na entropia da água (grau de desordem).
 Proteína dobrada (enovelada) em conformação funcional
 É a forma que a proteína assume para exercer a sua função
Conformação nativa
Rigidez das ligações peptídicas
 Ligações peptídicas têm geometria rígida e planar. Elas não podem girar livremente por conta do seu
caráter parcial de ligação dupla.
 Os carbonos α de dois resíduos de aas adjacentes se associam da
seguinte forma: Cα-C-N-Cα.
Esse 4 átomos mais o H e o O formam os 6 átomos de um grupo
peptídico.
Dentro do grupo peptídico, entre o O e o N ocorre a formação de
pequeno dipolo elétrico e o compartilhamento parcial de dois pares de
elétrons (ressonância).
 Isso gera um caráter parcial de ligação dupla entre os átomos C e N.
Ângulos Phi e Psi
 Mas no esqueleto principal da proteína as ligações N-Cα e Cα -C têm rotação.
 Os ângulos de ligação resultantes da rotação em Cα são denominadas: phi (Φ) entre N- Cα e psi (ψ)
entre Cα-C.
 e y = qualquer valor entre -180º e + 180º
180º = Peptídeo em sua conformação totalmente estendida e todos os grupos peptídeos estão no mesmo plano.
Os valores possíveis para Φ e ψ podem ser revelados graficamente em um Diagrama de Ramachandran quando ψ é marcado em um
gráfico contra Φ.
Estrutura secundária das 
proteínas
Professora Karine Padilha
E-mail: karine.padilha@bioqmed.ufrj.br
α-Hélices
 O arranjo mais simples que as proteínas podem assumir é um arranjo helicoidal.
Eixo central
α-Hélices
 O esqueleto polipeptídico fica enrolado em torno de um eixo imaginário.
α-Hélices
 As cadeias laterais dos aminoácidos (marcado em laranja) ficam para a parte externa da estrutura
helicoidal.
α-Hélices
 Grupos R se voltam para fora do eixo (roxo).
 AAs hidrofóbicos estão em amarelo, positivo em azul
e negativo em vermelho.
Vista lateral
Vista frontal
(Vista de cima para baixo)
Estabilidade das α-Hélices
 Essa estrutura se mantém pelas ligações pontes de hidrogênio.
Acontecem entre as cadeias laterais adjacentes dos
aminoácidos.
Cada ligação peptídica participa de ligação de hidrogênio,
conferindo estabilidade
 Em média, 25% dos aminoácidos de qualquer proteína estão
em hélices α.
Tendência dos aminoácidos em formar a-hélices
 O grupo lateral interfere na capacidade do 
aminoácido em formar hélices
 Se aminoácidos com grupamentos R
volumosos, como a asparagina, serina e
treonina aparecem lado a lado na sequência
primária de uma determinada proteína,
dificultam a organização em hélice.
Tendência dos aminoácidos em formar α-hélices
Podemos dizer que são quatro os fatores que facilitam ou dificultam a formação de uma α-hélice:
1. a repulsão ou a atração eletrônica entre resíduos carregados positiva e/ou negativamente;
2. o tamanho das cadeias laterais de resíduos vizinhos;
3. as interações entre resíduos hidrofóbicos separados entre si três ou quatro aminoácidos de
distância na sequência primária (interações hidrofóbicas);
4. a presença de prolinas e glicinas.
Tendência dos aminoácidos em formar α-hélices
 Podemos dizer que são quatro os fatores que facilitam ou dificultam a formação de uma α-hélice:
1. a repulsão ou a atração eletrônica entre resíduos carregados positiva e/ou negativamente;
O encontro do ácido aspártico (negativo) com um resíduo de lisina (positivo) fortalece a α-hélice, já que forma
um par iônico.
2. o tamanho das cadeias laterais de resíduos vizinhos;
Aminoácidos com grupamentos R volumosos.
3. as interações entre resíduos hidrofóbicos separados entre si três ou quatro aminoácidos de
distância na sequência primária (interações hidrofóbicas);
Aminoácidos aromáticos e apolares, como o triptofano, a tirosina e a fenilalanina. Se eles se encontram
separados na sequência por um intervalo de três aminoácidos (ou seja, quatro posições à frente), podem formar
contatos chamados de interação hidrofóbica, já que vão tender a ficarem juntos e longe da água. A interação
hidrofóbica entre esses aminoácidos fortalece a α-hélice.
4. a presença de prolinas e glicinas.
O N da prolina envolvido no anel não dispõe de hidrogênios para formar as pontes de hidrogênio necessárias à
formação de uma hélice.
A glicina possui grande flexibilidade, o que desestabiliza α-hélices.
Folhas-b
 Esqueleto estendido em forma de zigue-zague.
 Estrutura em forma de lâminas pregueadas (semelhantes
às pregas de uma saia de colegial ou a um leque.
 As fitas β, assim como a folha β, são estabilizadas por
pontes de H (caixa verde) , que proporcionam a esta
estrutura bastante estabilidade e um certo grau de rigidez.
 As pontes de hidrogênio fazem com que duas fitas β
formem uma folha β.
 Os grupamentos R dos aas nas folhas β ficam voltados
para cima ou para baixo do plano em que corre a folha β.
N C
C N
Folhas-b
 Existem dois tipos de fitas β: as paralelas e as antiparalelas.
 Toda vez que uma proteína se dobrar de forma que a
extremidade carboxila esteja orientada no mesmo sentido da
extremidade amino, teremos uma fita β paralela (N-->C);
quando amino-terminal e carboxi-terminal estiverem em
sentidos opostos teremos uma fita β antiparalela (N-->C) (C--
>N).
N C
N C
N C
C N
 As voltas conectam diferentes segmentos das proteínas, podendo mudar a direção da cadeia. Podem
estar presentes (1) entre duas α-hélices, (2) conectando uma α-hélice a uma fita β ou vice-versa, ou,
ainda, (3) conectando duas fitas β para a formação de uma folha β antiparalela, e assim chamadas
de voltas β.
 As voltas β são formadas por quatro aminoácidos que se mantêm formando uma espécie de
estrutura em semicírculo, em que o primeiro resíduo da volta faz uma ponte de hidrogênio com o
quarto resíduo da volta. Os dois resíduos centrais não mantêm nenhum contato específico.
Voltas-b
 As voltas β ocorrem com frequência próximas a superfície da proteína, onde os grupamentos
peptídicos do resíduos do meio podem fazer ligações de hidrogênio com a água.
Voltas-b
Voltas do tipo I e II. No tipo II, Glicina é sempre o 3º resíduo.
Estrutura terciária e quartenária
das proteínas
Professora Karine Padilha
E-mail: karine.padilha@bioqmed.ufrj.br
 O arranjo tridimensional das α-hélices, folhas β e voltas no espaço é
conhecido como estrutura terciária da proteína.
 Os elementos de estrutura secundária (hélices, fitas e voltas) vão se
dobrando e se organizando no espaço até que a proteína atinge sua
conformação final. É então que ela assume sua função, a qual pode
ser, por exemplo:
– a defesa do organismo, como é o caso dos anticorpos;
– a regulação da expressão gênica, ativando ou reprimindo genes de
determinadas proteínas; etc...
 A estrutura terciária das proteínas é mantida por pontes de
hidrogênio, interações apolares, interações iônicas, e as forças de
van der Walls todas entre as cadeias laterais dos resíduos de
aminoácidos. Além de pontes de enxofre que se formam quando
duas cisteínasse aproximam no espaço
Estrutura terciária (3D)
Na estrutura terciária os elementos de estrutura secundária são combinados em arranjos variados e
em diferentes proporções...
Motivos estruturais: como se fossem peças de lego...
Estrutura quaternária
 A estrutura quaternária descreve o arranjo espacial das sub-
unidades de uma proteína multimérica. Ou seja, é a junção de
pelo menos dois peptídeos independentes que possuem estrutura
terciária.
 Em um complexo proteico, o tipo e número de subunidades
junto com a posição relativa constituem a estrutura quaternária.
 Interações fracas mantêm as subunidades juntas.
 Complementaridade favorece estas interações.
 Interação é alta e específica.
Classificação das proteínas na estrutura quaternária
1. Fibrosas:
– cadeias polipeptídicas arranjadas em longas fitas ou folhas
– consistem principalmente de um único tipo de estrutura secundária
– proteínas estruturais (forma e suporte) e proteção externa
2. Globulares
– cadeias polipeptídicas enoveladas em forma esférica ou globular
– vários tipos de estrutura secundária
– proteínas regulatórias e enzimas
Proteínas fibrosas
 Têm a propriedade de dar força e/ou flexibilidade às
estruturas a que pertencem.
 É uma proteína em forma de filamento, mais comprida do
que larga. Uma proteína fibrosa se associa a outras unidades
idênticas a ela e forma um feixe.
 Insolúveis em água devido ao alto teor de resíduos
hidrofóbicos no interior e na superfície da proteína
 Exemplos: α-queratina do cabelo, fios de seda e colágeno.
α-queratina: Sua estrutura é rica em α-hélices com aminoácidos mais próximos
uns dos outros do que nas demais proteínas.
Estas α-hélices se entrelaçam com as α-hélices de outro filamento, formando
uma super-hélice. É a super-hélice que constitui nossos fios de cabelo, nossas
unhas, os chifres de alguns animais, a lã de outros.
 As α-queratinas podem apresentar uma grande quantidade de
cisteínas e, por isso, serem capazes de formar pontes de
enxofre ou pontes dissulfeto.
super-hélice
Colágeno
 Aproximadamente 25% do total das proteínas do
nosso corpo é colágeno.
 É encontrado em tecidos conjuntivos como os
tendões, cartilagem, matriz orgânica dos ossos e na
córnea dos olhos.
 O colágeno é composto de três cadeias super
enoveladas. Cada cadeia tem formato de hélice, mas
não são a hélices! Elas são chamadas cadeias α.
 Três cadeias de polipeptídios formam a estrutura
quaternária do colágeno.
Proteínas Globulares
 Segmentos diferentes de uma cadeia polipeptídica dobram uma sobre a outra e enovelam-
se em uma forma mais compacta.
 O enovelamento provê diversidade estrutural necessária para as proteínas terem variadas
funções biológicas.
 Exemplos de proteínas globulares: enzimas, proteínas transportadoras, proteínas motoras,
proteínas reguladoras, imunoglobulinas, entre outras...
Hemoglobina
Desnaturação de proteínas
 Condições diferentes das celulares levam as proteínas
à desnaturação.
 Perda da estrutura leva também à perda da função.
 Desnaturação proteica:
É a alteração da estrutura da proteína sem ruptura das
ligações peptídicas.
Quebra das ligações de estabilização (aspecto
químico), perda da função nativa da proteína (aspecto
biológico).
 Calor, pHs extremos, temperatura, solventes
orgânicos, detergentes.
Renaturação de proteínas
 As proteínas desnaturadas, portanto, podem voltar aos
estados nativos através de renaturação, quando o
estímulo é retirado.
Enovelamento proteico
 Algumas proteínas não são capazes de se enovelar sozinhas e precisam de uma “mãozinha”,
como o cadarço que precisa de uma mão para amarrá-lo.
 Em nossas células, existem algumas proteínas denominadas chaperonas moleculares. A
função das chaperonas é interagir com as proteínas que necessitam enovelar-se, auxiliando-as
a assumir a conformação nativa.
Vaca louca
 A doença da vaca louca (Creutzfeldt-Jakob), é causada
por uma falha no enovelamento de proteínas.
 Mecanismo não muito entendido, mas parece que as
proteínas em forma priônica transformam as outras
também em proteínas com esse formato.
O príon é um agente patogênico, resultante da transformação anormal de uma
proteína que está presente normalmente no cérebro humano (proteína priônica
celular). Na maioria dos casos, não sabemos porque essa transformação acontece.
Resumo
 Estrutura da proteína é estabilizada principalmente por interações fracas
 Estrutura secundária consiste no arranjo espacial de átomos de trechos de proteínas, definidas
por ângulos phi e psi específicos
 A estrutura 3D das proteínas tem dois tipos básicos: proteínas fibrosas e globulares
 A estrutura quaternária vem da junção de várias subunidades terciárias oriundas de genes
 A estrutura das proteínas pode ser destruída pela desnaturação, o que mostra que a função
depende da estrutura
 Enovelamento de proteínas envolve múltiplos mecanismos.