Estrutura e Classificação das Proteínas

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PROTEÍNAS
As características dos AA que formam as proteínas darão as características químicas e de estabilidade
P.ex.: proteína insolúvel - AA apolares
CLASSIFICAÇÃO
1. De acordo com a composição
- Simples: após a hidrólise, libera AA
Ex1: Albumina sérica
Ex2: Globulinas
Ex3: Queratinas
Ex4: Histonas
- Conjugadas: após a hidrólise libera AA e os outros compostos (orgânico ou não)
Holoproteína: PORÇÃO PROTEICA + COMPOSTO NÃO PROTEICO
 		 (apoproteína)	 (grupo prostético)
Ex1: Glicoproteínas
Ex2: Lipoproteínas
Ex3: Metalo proteínas
Ex4: Heme proteínas
2. De acordo com a forma
- Fibrosas: proteínas de sustentação do tecido conjuntivo e muscular, da pele, do cabelo e das unhas. 
Ex: Colágeno, elastina, queratina
Cadeia polipeptídica fica estendida; Função estática; Menos solúveis.
- Globulares: se dobram devido a interações entre os AA.
Têm função dinâmica; Maior parte solúvel.
INTERAÇÕES QUÍMICAS ENVOLVIDAS NA ESTABILIZAÇÃO DA CONFORMAÇÃO PROTEICA
Forças que mantém estrutura tridimensional:
- Não covalentes
	Pontes de H
AA polares
Entre átomos de ligação peptídica
Entre cadeias laterais de AA polares (carregados ou não)
Ligações iônicas
Ocorre entre cadeias laterais de AA com cargas contrárias
Dependem do estado de ionização dos AA e do pH do meio
Menos frequentes que as pontes de H
Lado mais externo da proteína: interação com a água
	Interações hidrofóbicas
Ocorre entre cadeias laterais de AA apolares
Radicais apolares são repelidos pela água
Não é uma atração; resulta da repulsão pela água, com isso, o interior das partículas é hidrofóbico
	Forças de Van der Waals
Qualquer tipo de AA
- Covalentes
	Pontes de dissulfeto
Entre duas cisteínas de diferentes cadeias peptídicas ou na mesma cadeia peptídica
	Ligação peptídica
Entre o α-amino e o α-carboxil
Ligação mais curta que o normal
Átomos associados são planares, indicando a existência de ressonância (caráter de dupla ligação)
Ligação rígida, onde não há giro em C-N
ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL DAS PROTEÍNAS
Estrutura primária: Sequência de AA
Estrutura secundária: Dobramento para formas α hélice ou folha β
Estrutura terciária: Interação ou dobramento para formar uma proteína
Estrutura quaternária: Montagem de subunidades de diferentes peptídeos para formar uma estrutura funcional
ESTRUTURA PRIMÁRIA
Nível mais simples;
A ligação peptídica é 10% menor que a ligação C-N comum devido a ressonância;
A ligação peptídica é muito rígida - diminui liberdade da cadeia polipeptídica e coloca os átomos participantes no mesmo plano;
O único ponto possível de rotação é no Cα
ψ: Ângulo de rotação entre Cα e C
φ: Ângulo de rotação entre Cα e N 
ESTRUTURA SECUNDÁRIA
Descreve o arranjo espacial de seus átomos na cadeia principal, sem considerar a conformação de suas cadeias laterais.
α hélice
Arranjo mais simples que a cadeia possa permitir;
O esqueleto é enrolado em torno de um eixo imaginário;
Grupos R se projetam para fora;
Pontes de H intercadeias;
Nas proteínas a torção é para a direita;
A α hélice se forma mais facilmente pois as ligações de hidrogênio internas são otimizadas, a estrutura é estabilizada por uma ligação peptídica;
Nem todos os peptídeos podem formar uma α hélice estável, essa capacidade se dá através das propriedades do grupo R e na capacidade dos seus átomos em aceitar os ângulos φ e ψ característicos;
Se uma cadeia polipeptídica possuir uma longa sequência de GLU, este segmento não formará α hélice em pH=7; seus grupos carboxílicos repelem-se mutuamente de forma tão forte que impedem a formação da hélice;
Restrição para formação de hélice é a presença de prolina e glicina;
Prolina: átomo de N faz parte de um anel rígido e não há rotação sobre a ligação Cα - N, um resíduo de proteína gera uma torção que desestabiliza a hélice; além disso, o átomo de N na prolina não possui H para participar de ligações com outros resíduos
Glicina: apresenta maior flexibilidade conformacional, tende a formar estruturas espiraladas que diferem muito na α hélice.
Folha β
É uma conformação mais estendida das cadeias polipeptídicas; o esqueleto da cadeia está estendido em forma de zigue-zague, onde podem se arranjar lado a lado, formando uma estrutura que lembra um conjunto de pregas, os grupos R dos AA adjacentes se projetam da estrutura em direção oposta
ANTIPARALELAS: apresentam uma orientação amino para carboxiterminal
PARALELAS: mesmo lado
Volta-β 
Em proteínas globulares, quase 1/3 dos AA está em voltas ou alças onde a cadeia polipeptídica inverti a sua direção. São elementos conectores que ligam estruturas sucessivas de α hélices e conformação β;
Conectam as extremidades de dois segmentos adjacentes de uma folha β anti-paralela; ocorre frequentemente em resíduos de prolina e glicina. 
Na glicina é devido ao seu caráter flexível e na prolina pelas ligações peptídicas C-N imino facilmente assumem conformação cis, forma acessível em uma volta;
As voltas são encontradas próximas à superfície das proteínas, onde os grupos peptídicos dos dois AA centrais poder fazer ligações de hidrogênio com a água.
ESTRUTURA SECUNDÁRIA 
Para numa mesma proteína existirem β e α, precisa haver uma região sem nenhuma estrutura;
"Motivos": padrão de dobramento identificável envolvendo dois ou mais elementos da estrutura secundária e da conexão entre elas;
"Domínios": unidades de enovelamento estáveis, uma parte da cadeia polipeptídica que é independentemente estável ou pode se movimentar como uma entidade isolada em relação ao resto da proteína;
Regiões compactas com núcleo hidrofóbico e porção externa polar conectadas por segmentos de cadeia polipeptídica sem estrutura secundária regular;
Domínios com padrão de dobramentos semelhantes possuem o mesmo motivo.
ESTRUTURA TERCIÁRIA
Arranjo tridimensional total dos átomos de uma proteína;
Formação de uma estrutura compacta entre os radicais dos AA;
Segmentos da cadeia polipeptídica que interagem entre si são mantidos em suas posições terciárias por diferentes tipos de interações fracas ou ligações covalentes;
Ligações que mantém a estrutura terciária:
Iônicas, hidrofóbicas, pontes de hidrogênio, covalentes e Van der Waals.
ESTRUTURA QUATERNÁRIA
Algumas proteínas contém duas ou mais cadeias polipeptídicas distintas (iguais ou diferentes), o arranjo dessas subunidades constitui a estrutura quaternária;
É mantida principalmente por ligações iônicas, pontes de hidrogênio e interações hidrofóbicas;
Nem todas proteínas possuem mais de uma unidade (estrutura quaternária) e nem todas que possuem a estrutura quaternária se dobram, ou seja, nem todas formam estrutura terciária;
É a forma pela qual duas ou mais cadeias interagem;
Vantagens de múltiplas subunidades:
1- Cooperatividade. Ex: Hb liga O2 cooperativamente 
2- Função catalítica
3- Síntese: groEL chaperonina tem 14 subunidades (a proteína é muito grande para ser sintetizada de uma vez só)
CHAPERONAS:
Proteínas de choque térmico que interagem com polipeptídeos;
Aumentam a velocidade do enovelamento, pois bloqueiam vias não produtivas, deixando livres apenas as que interessam no processo. Porém, não alteram o processo final do enovelamento;
Impedem a agregação, pois ligam-se à cadeias polipeptídicas no momento da síntese nos ribossomos;
Protegem as proteínas da desnaturação pela temperatura.
PROPRIEDADE DAS PROTEÍNAS
Tamanho e massa molecular;
pI, propriedades ácido/base, poder tamponante;
Desnaturação e renaturação;
Propriedades das proteínas são o resultado de seus AA;
Propriedades anfotéricas: como os AA, as proteínas se comportam como íons dipolares (zwitterions)
Proteínas com:
pH < 7: mais AA ácidos
pH = 7: aproximadamente mesmo número de ácidos e básicos
pH > 7: mais AA básicos
Pelo efeito do íon dipolar podem atuar com tampões fisiológicos.
PONTO ISOELÉTRICO X SOLUBILIDADE
Quando as proteínas são colocadas em soluções com pHabaixo ou acima do seu pI, as moléculas se repelem (MAIOR SOLUBILIDADE).
As forças repulsivas são menores quando a solução estiver com pH correspondente ao pI da proteína, pois a carga líquida se aproxima de zero e as moléculas tendem a se agrupar (MENOR SOLUBILIDADE - PRECIPITAÇÃO).
Portanto, a solubilidade da proteína é mínima do seu pI.
SAIS X SOLUBILIDADE
A proteína tem múltiplos grupos ionizáveis, como consequência a solubilidade irá depender da força iônica, polaridade do solvente, pH e temperatura.
Salting In: ao adicionar um sal em BAIXAS concentrações a uma solução contendo proteínas, as cargas do sal interagem com as moléculas proteicas, diminuindo a interação entre si e aumentando a solubilidade das mesmas.
Salting Out: ao adicionar um sal em ALTAS concentrações a uma solução contendo proteínas, a água (que tem grande poder de solvatação) passa a interagir tanto com os íons do sal quanto com as moléculas proteicas. E como a água tem maior tendência de solvatação de partículas pequenas, ela abandona as estruturas proteicas e com isso a interação proteína-proteína aumenta, ocorrendo a diminuição da solubilidade e precipitação das proteínas.
É um bom método de separação de proteínas complexas, pois a concentração do sal necessário para a precipitação é diferente para cada proteína.
DESNATURAÇÃO PROTEICA
Alteração da estrutura proteica sem ruptura das ligações peptídicas;
Agentes desnaturantes: físicos ou químicos
Temperatura
Maior agitação - maior energia cinética - rompe interações de ponte de hidrogênio
pH
Altera interação eletrostática entre os AA carregados
Solvente orgânicos
Rompem interações hidrofóbicas (ureia e detergente)
Agentes redutores
Rompem pontes de dissulfeto;
Interações com solvente podem ser reversíveis (solventes polares se ligam na parte polar dos AA e os apolares nas apolares)
Ex: desnaturação da caseína
Diminui a solubilidade e aumenta digestibilidade, com isso não absorvemos proteínas com suas funções biológicas de origem;
Perda da atividade biológica.
MODIFICAÇÕES PÓS-TRADUCIONAIS
Alteração molecular na estrutura das proteínas após síntese da cadeia polipeptídica;
Modificação covalente, fosforilação, hidroxilação;
Modula atividade biológica;
Reduz o tamanho da proteína;
Ex: uma proteína grande como a pró-insulina tem que ser clivada para ser ativada;
Hidrólise da cadeia polipeptídica
Ex: zimogênios - enzima ativa
 (pró-enzima)
 pepsinogênio - pepsina
 tripsinogênio - tripsina
 quimiotripsinogênio - quimiotripsina 
Acontece com enzimas que não podem estar ativar todo o tempo.
Modificações covalentes
Fosforilação / desfosforilação
Grupamento fosfato se liga a serina, treonina e tirosina;
A fosforilação de uma enzima pode aumentar ou diminuir sua atividade
Hidroxilação 
Grupamento hidroxil ligado a prolina e lisina;
Ex: hidroxil da prolina no colágeno
Glicosilação - NÃO É MODIFICAÇÃO PÓS TRADUCIONAL
Colocação de um AA em um glicosídeo;
Ex: glicosil da Hb no monitoramento da diabetes;
 N-glicosídica quando ligado ao N da asparagina;
 O-glicosídica quando ligado ao O da serina.
Acetilação
Geralmente no grupo amino-terminal
Torna proteína mais resistente (função) - proteína de t1/2 longo geralmente tem seu grupo amino acetilado
PROTEÍNAS FIBROSAS
Cadeias distendidas que não se dobram, logo os AA hidrofóbicos ficam expostos (baixa solubilidade em água);
Funções estruturais;
Cadeias polipeptídicas arranjadas em filamentos ou folhas;
Em geral formadas por único tipo de estrutura secundária e terciária simples.
α- queratinas
Cabelo, lã, penas, escamas, externa da pele;
Apenas em mamíferos;
Cadeias em α hélice paralelas, enroladas umas nas outras. Este suporte amplifica a força;
O sentido é anti-horário (oposto ao da α hélice);
A superfície onde as duas hélices se tocam é formada por resíduos de AA hidrofóbicos;
Grupos R se entrelaçam em um padrão regular interconectado;
Estrutura secundária de α helicoidal;
Entrelaçamento de α helicoidais = estrutura quaternária;
Resistência é acentuada pelas ligações covalentes entre cadeias polipeptídicas;
Na α-queratina, as ligações estabilizadoras são ligações dissulfeto (rica em cisteína);
No calor úmido dobram de comprimento;
α hélice - 2 cadeias enroladas - protofilamento - protofibril;
Não tem formação quaternária.
β-queratinas
Produzida principalmente pela aranha; fibroína da seda
Cadeias polipeptídicas na posição β e em zigue-zague com orientação anti-paralela;
Permite arranjo entrelaçado dos grupos R - rica em alanina e glicina;
Sequência de AA não permite conformação helicoidal;
Estrutura é estabilizada pelas pontes de hidrogênio intercadeia;
São mais distendidas que as α.
ELASTINA
Principalmente na parede arterial;
Regiões com sequência repetida: glicina...alanina-lisina;
Forma uma hélice que sob pressão se distende para todos os lados - DESMOSINA (interações entre 4 resíduos de lisina);
	
	COLÁGENO
Tendões, cartilagens, matriz orgânica dos ossos;
1/3 da massa proteica do corpo;
Hélice é no sentido anti-horário com 3 resíduos de AA por volta (3 cadeias polipeptídicas enroladas como uma corda);
Colágeno forma uma hélice, mas não α hélice (por ter prolina e glicina);
Tropocolágeno: subunidades polipeptídicas repetitivas;
Precisa de vitamina C para funcionar (mais estável);
Particularidade: com o envelhecimento, aumenta o número de ligações Lys-Lys, que aumenta a rigidez e a fragilidade;
Não tem conformação terciária.
Doenças:
Escorbuto: falta de vitamina C, hidroxilação deficiente da prolina (colágeno instável), lesões de pele, fragilidade vascular, morte.
Latirismo: inibição da lisil oxidase, reduzindo ligações cruzadas que estabilizam o colágeno.
PROTEÍNAS FIBROSAS
Estrutura compacta (proteína se dobra e permite que seja mais solúvel por deixar moléculas polares para fora;
AA hidrofóbicos para dentro
Mioglobina
Proteína ligante de oxigênio das células musculares;
Função: estocar O2 e facilitar sua difusão nos tecidos musculares em contração;
Um único grupo heme (ferro-protoporfirina): grupo prostético;
Estabilidade pela interações hidrofóbicas;
Quase todos grupos R-hidrofóbicos estão no interior da molécula e todos polares (excessão de 2) estão na superfície e hidratados;
78% de resíduos em α hélice;
Grupo heme encontra-se em uma fenda no interior da cadeia polipeptídica, ligado fortemente (mas não covalentemente - o Fe do grupo vai ligar histidina e o oxigênio);
Fe - duas valências: uma com histidina e uma com o oxigênio;
LIGAÇÃO DE O2 AO GRUPO HEME
Átomos de N previnem a conversão do Fe2+ para Fe3+;
Moléculas hemelivres deixam o Fe2+ com duas ligações "abertas";
Quando o oxigênio se liga, as propriedades do ferro são alteradas, ocasionando a mudança de coloração no sangue do púrpura escuro (sangue venoso; menos oxigênio) para o vermelho brilhante (sangue arterial);
Algumas moléculas menores coordenam melhor com o ferro, como o NO e o CO; quando heme está ligado ao CO, o O2 é "excluído", por isso que o CO é altamente tóxico;
A mioglobina é relativamente insensível a alterações na concentração de oxigênio, por isso funciona melhor como proteína de armazenamento;
	Hemoglobina
Proteína oligomérica: tem 4 cadeias polipeptídicas, cada uma associada a um grupo heme - uma molécula de Hb carrega 4 oxigênios;
Duas α e duas β;
A estrutura quaternária se caracteriza por interações fortes entre subunidades diferentes; são estabilizadas por atrações não covalentes (hidrofóbicas; pontes de hidrogênio; pontes salinas);
Apresenta duas conformações principais: R (relaxada) e T (tensa);
Oxigênio se liga nas duas conformações, mas muito mais facilmente no R;
Hb ligada ao oxigênio - Hb saturada
Quando não há oxigênio, o estado T é mais estável, predomina a conformação da desoxihemoglobina;
Estado T é estabilizado por número maior de pares iônicos que predominam na interface α1β2 e α2β1;
A ligação deoxigênio a uma subunidade da Hb no estado T desencadeia mudança para o R;
Mudança de estado diminui o espaço entre subunidades β;
Essa ligação cooperativa do oxigênio, torna a Hb mais eficiente para o transporte. A quarta ligação do oxigênio tem 300x mais afinidade que a primeira, o que capacita a molécula de Hb para liberar 1,83x mais oxigênio em condições fisiológicas que a mioglobina que não tem centros independentes;
Ligação do oxigênio à Hb estimula a ligação de outros oxigênios a mesma molécula - ligação cooperativa e "efeito cascata".
Propriedade alostérica
Proteínas alostéricas possuem diferentes conformações, que são induzidas pela interação com ligantes (moduladores). A ligação com os moduladores interconverte formas mais e menos ativas da proteína.
Modulador = ligante : interação heterotrópica
Modulador ≠ligante : interação heterotrópica
A interação do modulador com a proteína, afeta a afinidade de outros sítios que ainda não são ocupados;
Os sítios de ligação de uma proteína são segmentos estáveis próximos a segmentos instáveis. Os instável são capazes de mudanças frequentes na conformação;
NA HEMOGLOBINA (O2 é um modulador homotrópico ativador)
A Hb apresenta mudanças na sua afinidade pela ação de fosfatos orgânicos, como o 2,3-BPG (efetor alostérico);
Quando o 2,3-BPG se liga a Hb, ele diminui a afinidade pelo oxigênio, o que é essencial para que a Hb largue o oxigênio nos tecidos;
Interação do 2,3-BPG com Hb: modulação alostérica heretotípica;
A ligação do 2,3-BPG estabiliza o estado T da Hb;
A ligação não é covalente;
A cavidade entre as subunidades do estado T é o sítio de ligação do BPG a Hb, essa cavidade é revestida de AA positivos, que interagem com as cargas negativas do 2,3-BPG;
Quando Hb passa para R, o espaço de ligação do 2,3-BPG diminui, impedindo a sua ligação;
A falta do BPG na Hb, esta é convertida mais facilmente para o estado R;
Temos que as concentrações de Hb e 2,3-BPG são equivalentes nas hemácias;
As conformações apresentadas pela Hb, são estabilizadas por pontes salinas e pontes de hidrogênio, que estabilizam o estado T e são quebradas quando a proteína é oxigenada.
Curva de dissociação do oxigênio
A saturação da Hb (fração de ocupação dos centros de ligação a O2) 
Ex: 1 sítio ligado: 25%
A saturação muda com a pressão parcial do oxigênio;
A curva é diferente para a mioglobina e hemoglobina;
Para qualquer pO2, Y é maior para mioglobina;
Efeito Bohr
O que faz com que a HbA largue o oxigênio nos tecidos - diminui afinidade;
Afinidade da HbA pelo oxigênio é dependente do pH e da concentração de CO2;
Além de carregar oxigênio, a Hb transporta dois produtos finais da respiração celular: H+ e CO2;
CO2 não é muito solúvel em solução aquosa, por isso sua conversão em HCO3-;
Hidratação do CO2, aumenta [H+] e diminui o pH;
Conversão de CO2 e HCO3- tem ligação com a liberação/retenção de oxigênio;
Diminuição do pH : diminuição da afinidade - libera oxigênio nos tecidos;
Nos capilares dos alvéolos, quando o CO2 é excretado, o pH aumenta : aumenta afinidade
O2 e H+ não se ligam no mesmo sítio; O2 se liga ao Fe do HEME e H+ nos resíduos de AA;
Quando a histidina da subunidade β é protonada, ela forma um par iônico com a asparagina (que contribui para a estabilização do estado T);
O CO2 se liga como grupo carbonato ao α amino terminal de cada cadeia de globina, formando carbaminoemoglobina, que produz H+, e estabiliza o estado T e libera oxigênio;
Quando a Hb chega nos pulmões, ela libera CO2, aumentando o pH e a afinidade pelo oxigênio;
HbA não se liga a H+. Estes íons apenas facilitam a dissociação Hb-O2;
Anemia falciforme
Glutamato (carga -) é trocado por uma Valina (apolar), que fica exposta no meio aquoso;
Se posto do método eletroforético, HbS fica mais perto do polo negativo;
HbS têm duas cargas negativas a menos (uma a menos e cada cadeia β)
Quando HbS é desoxigenada, se torna insolúvel e forma polímeros que se agregam em fibras tubulares;
Com esta alteração a morfologia dos eritrócitos se afeta, ficando "afoiçada".