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Rafaella Andreão MEDUFF 119B BIOQUÍMICA P1 PROTEÍNAS As proteínas são biomoléculas formadas por aminoácidos e representam uma das estruturas mais importantes da nossa biologia. Os resíduos de aminoácidos são unidos através de uma ligação conhecida como peptídica, teoricamente obtida por exclusão de uma molécula de água. Uma das propriedades da ligação peptídica é impor restrições ao dobramento do polímero formado. Na verdade, essa ligação possui caráter parcial de dupla ligação o que impede a possibilidade de rotação em torno desta. Os quatro átomos dos grupamentos que participam da ligação peptídica ficam dispostos em um plano rígido constituindo o que chamamos de unidade peptídica. Todavia, existem pontos de dobramento entre essas unidades peptídicas, graças à possibilidade de rotação em torno das ligações com o carbono alfa. Dessa forma, as cadeias laterais dos aminoácidos podem estar posicionadas de diferentes maneiras no plano espacial. LIGAÇÃO PEPTÍDICA É a junção de um grupo alfa-carboxílico de um AA ligado covalentemente a um grupo alfa-amino de outro AA com eliminação de uma molécula de água. Obs: a configuração trans é a mais estável. As proteínas possuem níveis de organização espacial diferente. São elas: -Estrutura primária: é a sequência resíduos de aminoácidos da cadeia polipeptídica- resíduos, visto que a ligação peptídica gera saída de uma água na junção dos AAs-, determinada geneticamente e específica para cada proteína. Por uma questão convencional, a estrutura primária é escrita na direção amino terminal-carboxi terminal. -Estrutura secundária: Disposição espacial que adquire a espinha dorsal da cadeia polipeptídica. Descreve as estruturas tridimensionais regulares, formadas por segmentos da cadeia polipeptídica. Duas são particularmente estáveis: o enrolamento da cadeia ao redor de um eixo e a interação lateral de segmentos de uma cadeia polipeptídica ou de cadeias diferentes denominadas respectivamente alfa hélice e folha beta pregueada. Essas duas estruturas se estabilizam por ligações de hidrogênio. ALFA HÉLICE: as ligações de hidrogênio são formadas entre uma unidade peptídica e a quarta unidade peptídica subsequente. Ela apresenta 3,6 resíduos de aminoácidos por volta. As cadeias laterais desses aminoácidos estão projetadas para fora da hélice. Rafaella Andreão MEDUFF 119B FOLHAS BETA (β): as ligações são estabelecidas entre as cadeias polipeptídicas diferentes ou entre segmentos distantes de uma mesma cadeia. Nesse caso, as cadeias laterais dos aminoácidos são projetadas para cima e para baixo do plano da folha pregueada. Pontes de hidrogênio dispostas perpendicularmente. -Estrutura terciária: descreve o dobramento final da cadeia polipeptídica por interação de regiões com estrutura regular (alfa hélice ou folha beta pregueada) ou de regiões sem estruturas definidas. Nesse nível de organização, segmentos distantes da estrutura primária podem se aproximar e interagir por intermédio de ligações não covalentes como as ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas, ligações iônicas e forças de London. Além das ligações não covalentes, a estrutura proteica pode ser estabilizada por uma ligação covalente, a ponte dissulfeto formada entre dois resíduos de cisteína. A estrutura terciária pode apresentar padrões de elementos estruturais, que se repetem em proteínas diferentes chamados de domínios e motivos. Os DOMÍNIOS são regiões diferenciadas da molécula proteica, com organização espacial compacta. Cada domínio é um conjunto estrutural definido, formado por dobramentos da cadeia polipeptídica. Os domínios frequentemente apresentam ações específicas: em inúmeras reações do metabolismo o substrato liga-se a um dos domínios da enzima e a coenzima em outro. Proteínas diferentes podem apresentar domínios com a mesma função o que nos permite prever a atividade de uma proteína ainda desconhecida, por exemplo etc. Os MOTIVOS são diferentes formas de organização de elementos da estrutura secundária. Em outras palavras são certas combinações de elementos de estrutura secundária que se repetem com grande frequência nas proteínas. Também são conhecidas como estruturas supra secundárias. Esses motivos podem ser constituídos de arranjos de alfa-hélice, folhas betas ou combinações das duas. Por exemplo: Vários receptores de membrana são compostos por sete alfa hélices que atravessam a membrana plasmática como, por exemplo, o receptor do hormônio glucagon. Outro motivo complexo, chamado de beta barril, que é resultado da associação de numerosos segmentos e folha beta pregueada. Esse modelo é encontrado frequentemente na família de porinas que forma canais na membrana externa de bactérias gram negativas e de mitocôndrias destinados ao transporte de íons e moléculas pequenas. BARRIL-BETA -Estrutura quaternária: descreve a associação de duas ou mais cadeias polipeptídicas para compor uma proteína funcional. Essa estrutura é estabilizada pelas mesmas ligações não covalentes observadas na estrutura terciária. Um exemplo é a molécula de hemoglobina. HEMOGLOBINA (em vermelho tem-se o grupo prostético heme) ENOVELAMENTO O enovelamento de proteínas é um processo químico em que a estrutura de uma proteína assume a sua configuração funcional. Ao dobrar e enrolar-se para tomar uma forma tridimensional específica (ESTRUTURA TERCIÁRIA), as proteínas são capazes de realizar a sua função biológica. ROTAS DE ENOVELAMENTO O enovelamento parece ser um processo cooperativo, com elementos pequenos da estrutura acelerando a formação de estruturas adicionais. A proteína que está se dobrando progride de um estado de alta energia e entropia para um estado de baixa energia e entropia. Rafaella Andreão MEDUFF 119B Os estados desenovelados são caracterizados por uma alta entropia e energia livre. De acordo com o avanço do enovelamento há um afunilamento, diminuindo o número de espécies conformacionais presentes. As pequenas depressões caracterizam os estados intermediários de enovelamento. CHAPERONES As proteínas chaperones foram descobertas como proteínas de choque térmico (hsps), uma família de proteínas cuja síntese aumenta em temperaturas elevadas. As chaperones não alteram o resultado final do processo de dobramento, mas impedem a agregação de proteínas antes que o dobramento se complete e impedem a formação de produtos finais metastáveis ou de intermediários não produtivos. As chaperones da família de hsp70-kDa ligam-se a polipeptídios à medida que são sintetizadas nos ribossomos, bloqueando as superfícies hidrofóbicas que que estariam normalmente expostas ao solvente. Isso protege a proteína de agregação ate que a cadeia inteira tenha sido sintetizada e o dobramento possa ocorrer. Algumas proteínas, no entanto, não podem completar seu processo de dobramento enquanto estão em presença de chaperones hsp70 e são entregues à família hsp60 de proteínas chaperones, também chamadas chaperoninas. As chaperoninas são estruturas longas, cilíndricas, com múltiplas subunidades, que ligam polipeptídios não dobrados em seu estado de glóbulo fundido dentro de sua cavidade central hidrofóbica. As chaperoninas têm atividade de ATPase e hidrolisam ATP enquanto facilitam o dobramento. As proteínas chaperones são também necessárias para o redobramento de proteínas após atravessarem membranas celulares. Um sistema de chaperones facilita o transporte de proteínaspara dentro das mitocôndrias, bem como para dentro e através do reticulo endoplasmático. Proteinas atravessam a bicamada lipídica das membranas mitocondriais e do reticulo em uma conformação não dobrada, e chaperones locais são geralmente necessárias para facilitar seu dobramento dentro da organela intracelular. ENOVELAMENTO INCORRETO: causa doenças degenerativas e amiloides. Existem diversas doenças humanas relacionadas a alterações proteicas e estas doenças podem ser divididas em duas classes: 1) As mutacionais, onde há alteração no código genético que codifica a proteína envolvida na patologia em questão; 2) As conformacionais, em que proteínas presentes normalmente no nosso organismo apresentam alterações na sua conformação nativa. Dentro do grupo das doenças conformacionais, podemos encontrar um grupo particular de doenças conhecidas como doenças amiloidogênicas ou amiloidoses. Estas patologias, embora apresentem características diversas, estão todas associadas ao depósito extra e intracelular de agregados altamente organizados, conhecidos como fibras amiloides (Sipe, 1992; Sipe e Choen 2000; Sipe e Choen 2000; Aguzzi & Hass 2003). DESNATURAÇÃO O processo contrário ao enovelamento chama-se desnaturação, em que uma proteína original é forçada a perder a sua configuração funcional, tornando-se uma cadeia amorfa e não funcional de aminoácidos. As proteínas desnaturadas podem perder a sua solubilidade e precipitar em sólidos insolúveis. Em alguns casos, a desnaturação é reversível e as proteínas podem voltar a enovelar-se. No Rafaella Andreão MEDUFF 119B entanto, a desnaturação é, na maioria dos casos, um processo irreversível. Uma proteína completamente desnaturada não possui estruturas quaternárias, terciárias e secundárias, mas sua estrutura primária se mantém intacta. A desnaturação pode ser desencadeada por diversos fatores. Os detergentes, por exemplo, são considerados agentes desnaturantes por provocarem o rompimento das interações hidrofóbicas que estabilizam as proteínas. A afirmativa de que a quebra de uma única ligação não- covalente pode causar desnaturação aparentemente conflita com a observação de que uma sequência de AAs pode frequentemente ser bastante variada sem perda da estrutura da proteína. A chave para a resolução desse conflito esta na palavra “essencial”. Muitas interações não covalentes não são essenciais para a estabilidade estrutural da conformação nativa de uma proteína. Entretanto, substituição ou modificação de um aminoácido essencial que estabelece uma interação não covalente critica sem uma interação compensatória estabilizadora afeta dramaticamente a estabilização da conformação nativa da proteína. Agentes desnaturantes FÍSICOS: alterações de temperatura, Raio X, ultrassom QUÍMICOS: ácidos e bases fortes, detergentes, ureia, mercaptoetanol Alterações das propriedades Redução da solubilidade, aumento da digestabilidade(clivagem)-carne mal passada= ruim de digerir-, perda da atividade biológica (enzimas, hormônios, anticorpos etc) CLASSIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS PROTEÍNAS FIBROSAS As proteínas fibrosas têm forma alongada e diferentemente das globulares, como a hemoglobina, são formadas pela associação de módulos repetitivos, possibilitando a construção de grandes estruturas. O componente fundamental das proteínas fibrosas são as cadeias polipeptídicas muito longas com estruturas secundárias regulares: alfa-hélice nas alfas queratinas, folha beta pregueada nas betas queratinas e uma hélice característica no colágeno. As alfas queratinas: duas ou três cadeias em alfa hélice associam-se lateralmente formando longos cabos helicoidais, que reunidos, formam fibras. As alfas queratinas são o componente principal da pele dos vertebrados e de estruturas correlatas como: cabelo, unha, lã, chifre, cascos, bico e penas. alfa queratina Nessas proteínas são frequentes as pontes dissulfeto (entre resíduos de cisteína de cadeias polipeptídicas ou fibrilas adjacentes). São essas ligações que conferem grande resistência às fibras formadas. As betas queratinas as fibras são formadas por folhas beta pregueadas. Rafaella Andreão MEDUFF 119B No caso do colágeno, as cadeias polipeptídicas apresentam uma conformação helicoidal típica, derivada da sua composição peculiar em aminoácidos: alto conteúdo de glicina, prolina e de hidroxiprolina (um aminoácido derivado de prolina) e da grande regularidade na estrutura primária, sendo muito frequente a sequência glicina-prolina- hidroxiprolina. São essas características que permitem a associação íntima de três cadeias formando uma hélice tripla denominada tropocolágeno. São essas estruturas que formam os módulos básicos, formando as fibrilas de colágeno. Essa estrutura é estabilizada por ligações covalentes entre as cadeias componentes do tropocolágeno e adjacentes. O colágeno é a proteína mais abundante dos vertebrados. Possuem funções como sustentação do tecido conjuntivo que se distribui por cartilagens, tendões, matriz óssea. PROTEÍNAS GLOBULARES Apesar de proteínas fibrosas terem só um tipo de estrutura secundária, as proteínas globulares podem ter diversos tipos de estrutura secundária em uma mesma molécula. As proteínas globulares incluem: enzimas, proteínas de transporte, alguns hormônios peptídicos e imunoglobulinas. São estruturas muito mais compactas que as conformações alfa e beta. A CARGA ELÉTRICA E SUA SOLUBILIDADE Os aminoácidos possuem grupos ionizáveis que contribuem para a carga final do aminoácido dependendo do pH onde estes estão presentes. Quando esses compõem as proteínas, basicamente essa propriedade está relacionada com sua cadeia lateral. Lembrando que nem todo aminoácido possui cadeia lateral com grupos ionizáveis. Essa característica elétrica nos proporciona que tipo de interação aquele aminoácido pode fazer com outras moléculas, inclusive com outros aminoácidos. Dessa forma, se uma proteína possui vários resíduos de aminoácidos em sua estrutura, sua carga elétrica final será o somatório de todas as cargas elétricas dos aminoácidos que a compõe. pI ou ponto isoelétrico: será o pH onde o somatório das cargas de todos os aminoácidos presentes na biomolécula será zero. A solubilidade das proteínas também está ligada aos aminoácidos que as compõe. Na verdade, a solubilidade de uma proteína está diretamente relacionada com o tipo de aminoácido e o meio onde a mesma está inserida. Assim, pH, sais e a constante dielétrica influenciam na sua solubilidade. -Etanol e a acetona, ambos solventes orgânicos, diminuem a solubilidade da proteína pois apresentam valores baixos da constante dielétrica. A solubilidade também está relacionada com a presença de sais na solução: SALTING IN: Alguns sais se dissociam em íons na solução, que interagem com as regiões carregadas da proteína, estabilizando as interações entre esses grupos. AUMENTA SOLUBILIDADE Rafaella Andreão MEDUFF 119B SALTING OUT: A presença de sais pode aumentar também a camada de solvatação das proteínas, que corresponde a organização de moléculas de água em torno dos grupos ionizáveis da superfície. Por outro lado, quando os sais atingem concentrações muito elevadas, os íons originados destes podem competir pela água e alterar a solvatação das proteínas, que precipitam. Esse é o fenômeno do salting out. DIMINUI SOLUBILIDADE Um ponto importante, é que cada proteínaprecipita em uma concentração salina característica. Assim alguns métodos químicos com o objetivo de identificar e separar proteínas pode utilizar essas soluções para obter essas biomoléculas. Um exemplo de método químico muito utilizado para identificação de proteínas é a eletroforese. A eletroforese é uma técnica simples e rápida usada para a separação, visualização e para a purificação de fragmentos de DNA de diferentes tamanhos ou para análise de RNA. As amostras de DNA ou RNA são aplicadas em um gel de agarose ou de poliacrilamida e submetidas a um campo elétrico. Devido a seus grupamentos fosfatos ionizados, o DNA em solução aquosa é uma molécula com carga elétrica negativa e na presença de um campo elétrico migra em direção ao ânodo. A visualização dos fragmentos de DNA ou RNA é feita de forma indireta com compostos que se intercalam na dupla fita de DNA ou na estrutura de RNA, que emitem fluorescência quando submetido à luz ultravioleta. Referências do resumo: Biologia Total- Prof Jubilut, Devlin, Lehninger.
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