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Fundamentos de Proteínas
Aula 3 – Estratégias de Purificação e Análises de Proteínas
BCM13042
Principais componentes moleculares da bactéria Principais componentes moleculares da bactéria E. coliE. coli
Componentes Nº de moléculas diferentes Componentes Nº de moléculas diferentes % peso total% peso total
H2O 1 70Proteínas 3.000 15Ac. Nucléico 1 - DNA e 1000-RNA 7Carbohidratos 50 3Lipídeos 40 2Outros Íons - 12 3 Mol. Monoméricas - 500
O isolamento ou purificação de uma proteína é uma etapa que precede os estudos de suas características físico-químicas, de sua estrutura 3D
e a compreensão de suas propriedades biológicas.
Inicialmente, a estratégia de purificação de uma proteína é empírica, ou seja, baseada em tentativa-erro, e deve ser desenhada para cada
proteína individualmente. Não há como prever quais métodos serão os mais eficientes para se purificar uma proteína pela primeira vez.
Métodos baseados em características físico-químicas das biomoléculas:
1. Tamanho – Massa – Densidade (ex: centrifuação, diálise, gel-filtração) 2. Carga elétrica (ex: cromatografia de troca iônica, eletroforese) 3. Solubilidade ou hidrofobicidade (ex: cromatografia em papel, fase reversa)
Métodos baseados em afinidade biológica, que exploram a interação entre duas moléculas: 4. Cromatografia de afinidade (pressupõe que uma das moléculas do par que interage é um “reagente” de fácil obtenção, disponível comercialmente)
Métodos de Isolamento de BiomoléculasMétodos de Isolamento de Biomoléculas
Existe uma grande variedade de métodos visando a separação de biomoléculas. Como na maioria das vezes o que se pretende purificar é uma proteína, o grupo de moléculas com maior diversidade, as metodologias de separação de proteínas tiveram um grande desenvolvimento, com muitas opções disponíveis.
Os métodos de separação de biomoléculas são agrupados em duas categorias:
ORGANELAS
LisossomosLisossomos
MitocôndriaMitocôndria
GolgiGolgi
NúcleoNúcleo
SOBRENADANTE
F 1 F 2 F 3 F 4
F 2 .1F 2 .2 F 2 .3
F 2 .3.1F 2 .3.2 . . . . . . F 2. 3.N
Precipitação com Sal/Solvente
Precipitação com Sal/Solvente
Cromatografia Troca Iônica
Cromatografia Troca Iônica(pH ou resina diferente)
F 2 .3.N.X
1 Proteína apenas (0.001g) - 0.1 a 0.5% total
Gel Filtração
MATERIAL BIOLÓGICO DE PARTIDA: (100g)
O fluxograma ao lado representa a “marcha” de purificação de uma proteína, mostrando as etapas sucessivas, cada
uma consistindo de método, que levam ao isolamento de uma proteína presente
numa mistura complexa.Observe a quantidade de proteínas (100g) presente no material inicial e
quanto da proteína purificada se obtém no final (0,001g). Esses números são típicos
para a purificação da maioria das proteínas, em especial enzimas.
Em cada etapa, a proteína de interesse é separada das demais com base em uma
propriedade diferente. Consequente-mente, as proteínas ainda misturadas com aquela que está sendo isolada são cada
vez mais semelhantes em suas características físico-químicas, exigindo métodos cada mais sensíveis, capazes de explorar pequenas diferenças, para se
chegar à proteína pura.
• Medida da atividade biológica - particular para cada proteína - deve ser quantitativa, para estimar quanto da proteína de interesse há em cada fração.
• Medidas do conteúdo proteico (diversos) - absorbância de luz UV de 280 nm - métodos colorimétricos (ex: Lowry, Bradford, BCA, etc)
Além dos métodos de purificação, análises complementares devem ser feitas ao longo da
purificação, para verificar se o processo de separação está sendo eficiente.
A medida da atividade biológica da proteína de interesse e do conteúdo de proteínas de
cada fração resultante do processo de separação devem ser feitas a cada passo.
Assim, apenas a fração que contém a proteína de interesse, marcada com um
círculo vermelho no fluxograma, é submetida à próxima etapa de purificação.
ORGANELAS
LisossomosLisossomos
MitocôndriaMitocôndria
GolgiGolgi
NúcleoNúcleo
SOBRENADANTE
F 1 F 2 F 3 F 4
F 2 .1F 2 .2 F 2 .3
F 2 .3.1F 2 .3.2 . . . . . . F 2. 3.N
Precipitação com Sal/Solvente
Precipitação com Sal/Solvente
Cromatografia Troca Iônica
Cromatografia Troca Iônica(pH ou resina diferente)
F 2 .3.N.X
1 Proteína apenas (0.001g) - 0.1 a 0.5% total
Gel Filtração
MATERIAL BIOLÓGICO DE PARTIDA: (100g)
Métodos para medida do conteúdo de proteína:
A absorbância de uma solução de proteínas a 280 nm é diretamente proporcional ao seu conteúdo proteico, desde que essas contenham esses aminoácidos aromáticos na sua composição, especialmente triptofano.
A vantagem desse método é que ele não é destrutivo para a proteína. Em geral, considera-se que uma leitura de 1,0 A280 equivale a uma concentração de 1 mg/mL.
Ácidos nucleicos também absorvem luz UV – máxomo 260 nm. Proteína: razão A280/A260 > 1
Comprimento de onda
Ab
so
rtiv
ida
de
mo
lar,
BCA = ácido 2,2'-Bicinchonínico ou 4,4'-Dicarboxy-2,2'-biquinoline
Reagente Bradford = Coomassie Brilliant Blue G-250
Método baseado em uma mudança espectral do reagente, em que dá absorção máxinma a 595 nm (cor azul), quando interage com proteínas.
Interação com proteínas se dá através de forças de Van der Waals e ligações iônicas, especialmente com arginina, mas também com resíduos de histidina, lisina, tirosina, triptofano e fenlialanina.
Ìons Cu2+ reduzidos a Cu+ em presença de proteínas reagem fortemente com o BCA formando um composto azul,
Reagente de Biureto: sulfato de Cu2+ em tartarato
Cu2+ reage com as ligações peptídicas e produz um complexo púrpura com absorção máxima em 540 nm 1. Cu2+ é chelado pela proteína [Cu2+-proteina]2. Reação redox Cu2+ + (ligações peptídicas) —> [Cu+ -proteína]
Ìons Cu2+ reduzidos a Cu+ em presença de proteínas e cadeias laterais de aminoácidos aromáticos, Tyr e Trp, e de Cys, reduzem o reagente de Folin-Ciocalteu (ácido fosfo- mobidênio-tungstênio), dando um composto de cor azul.
Método de Lowry
Métodos para medida do conteúdo de proteína:
Para iniciar a purificação, inicialmente é necessário extrair a proteína de interesse para um meio líquido, exceto se ela já estiver naturalmente presente em um meio líquido (sangue, suor, água do mar, meio de cultura, seiva de planta, etc).
tecidos
células
Homogeneização (para romper tecidos e células)
por pressão(prensa francesa)
liquefação(Potter)
Homogenadoou
Extrato bruto
Material de partida
Material na fonte
por ultra-som comdetergente
Vários métodos são possíveis para transformar células, órgãos, tecidos em um homogenado, ou extrato bruto, como mostra a figura.
Sendo a proteína de interesse uma proteína de membrana, é necessário solubilizá-la. Para
esse fim são utilizados detergentes, que dissolvem a
membrana plasmática e formando complexos solúveis
com as proteínas.Proteínas integrais da membrana
detergente micelas
Complexos não micelares
Dependendo da concentração
Detergentes podem ser iônicos e não iônicos
Detergentes não iônicos
Triton X-100(polyoxyethylene (9,5) p-t-octylphenol)
SDSDodecil sulfato de
sódio
CetabCetyltrimethylammonium
bromide
Deoxicolato de sódio
Detergentes iônicos
Octilglicosídeo(octyl-b-D-glucopyranoside)
sangue centrifugado: separação de plasma e células
A centrifugação frequentemente é uma das primeiras etapas de purificação aplicado a um extrato bruto. Através do movimento de rotação do rotor da centrífuga, uma força centrífuga é aplicada à amostra, separando seus compo-nentes através de suas massas e/ou densidade, conforme a técnica. Através de sucessivas etapas de centrifução com velocidades (rotações por minuto, rpm) crescentes, pode-se obter diferentes frações de um homogenado de células ou tecidos.
centrifugação diferencial
homogenado
células intactaspedaços de membrananúcleos
mitocôndriaslisossomosribossomos
fraçãocitoplasmática
A centrífuga
Câmara blindadaAmostra sedimentando
refrigeração vácuo
rotorângulo
fixo
R$ 3.000 US$ 70,000
CentrífugaClínica
Ultracentrífuga
Força centrífuga
1,200g por 15 minutos separa plasma de células sanguíneas
200,000 g por 24 horas para separar organelas menores
ou complexos proteicos
(necessitam vácuo para evitar atrito do ar, além de refrigeração)
Relação entre o raio do rotor, velocidade angular (rpm) e a força centrífuga (g)
Preço aproximado
Existem centrífugas para diferentes tipos de aplicações, dependendo da força centrífuga que são capazes de gerar.
Centrifugação em gradiente de densidade
Solucões de sacarose com densidades diferentss são colocadas no tubo, uma sobre a outra Amostra é colocada no
topo do gradiente
5% sacarose
20% sacarose
centrifugação
Baixa densidade
Média densidade
Alta densidade
A centrifugação em um meio com gradiente de
densidade melhora a eficiência da separação. As
partículas se deslocarão através do gradiente até encontrarem uma região
com densidade equivalente a sua, quando param de se mover, formando “bandas”.
Gradientes podem ser utilizados para separar
diferentes tipos de células, organelas, ácidos
nucléicos, complexos proteicos, etc.
Gradiente separação de:
Ficoll-Hypaque leucócitosSacarose mitocôndriasCloreto de césio ácidos nucléicos
As mais potentes ultracentrífugas atuais ainda não são capazes de sedimentar proteínas.
Processos que diminuem a solubilidade e provocam a precipitação fracionada de proteínas são utilizados como etapas preliminares de purificação. Uma das vantagens desses métodos é o baixo custo e capacidade de processar grandes volumes/massas.
A precipitação de proteínas pode ser induzida por:- adição de sais (Precipitação salina)- adição de solventes- variação de pH (Precipitação isoelétrica)
So
lub
ilid
ad
e d
a h
emo
glo
bin
a (S
/S’)
KCl
NaCl
MgSO4
(NH4)2SO4
K2SO4
Concentração do Sal,, Molar
Salting-in X Salting-out
O gráfico ao lado ilustra o efeito de diferentes sais sobre a solubilidade da hemoglobina.
Em baixa concentração salina, a solubilidade das proteínas aumenta, pois os íons do sal ajudam a reforçar a camada de solvatação.
Em alta concentração salina, a solubilidade das proteínas diminue pois os íons do sal competem pelas moléculas de água disponíveis para formar a sua própria camada de solvatação.
Sais com ânions divalentes são mais eficientes do que os monovalentes na precipitação de proteínas.
So
lub
ilid
ad
e,
log
FibrinogênioPseudoglobulina
MioglobinaAlbumina
Hemoglobina
Concentração do Sal (NH4)2SO4,, Molar
Sais se dissociam em solucão aquosa e competem com as proteínas pela água de solvatação.
Considere uma solução com fibrinogênio, albumina, hemoglobina, pseudoglobulina e mioglobina e observe o gráfico.
Usando o sal sulfato de amônio (NH4)2SO4, pode-se purificar completamente o fibrinogênio a partir de uma mistura das 5 proteínas, pois este precipita totalmente em uma saturação de 2,8 M do sal.
Neste ponto, centrifuga-se a solução e o fibrinogênio é coletado como um precipitado.
Numa próxima etapa, adicionando-se mais sal à solução até uma saturação de 7 M, pode-se obter um novo precipitado contendo albumina, hemoglobina e pseudoglobulina.
E teremos também purificada a mioglobina, ainda em solúvel na presença de 7M do sal, e que ficou sozinha no sobrenadante.
Proteínas apresentam diferente sensibilidade para a precipitação salina.
- precipitam primeiro: proteínas maiores proteínas mais hidrofóbicas
possuem camadas de solvatação maiores ou menos organizadas, mais fáceis de pertubar.
Solventes miscíveis com a água diminuem a constante dielétrica do meio e desorganizam a camada de solvatação
das proteínas.
Os mais utilizados são etanol e acetona.
Proteínas também podem ser precipitadas com adição de solventes ao meio ou quando colocadas em meio com pH próximo ao seu ponto isoelétrico.
Água
DimetilformamidaMetanol
Etanol
Acetona
Clorofórmio
Benzeno
78.5 1.85
48.9 3.96
32.6 1.66
24.3 1.68
20.7 2.72
4.8 1.15
2.3 0.00
Solvente ConstanteDielétrica
MomentoDipolar
Proteína P.I.
Pepsina <1,0
Ovalbumina galinha 4,6
Albumina sérica humana 4,9
Tropomiosina 5,1
Insulina bovina 5,4
Fibrinogênio humano 5,8
Gama-globulina 6,6
Colágeno 6,6
Mioglobina equina 7,0
Hemoglobina humana 7,1
Ribonuclease A bovina 7,8
Citocromo C equino 10,6
Histona bovina 10,8
Lisozima, galinha 11,0
Salmina, salmão 12,1
Ponto Isoelétrico de algumas Proteínas
Proteínas colocadas em meio com pH igual ao seu PI tendem a precipitar, pois tendo carga neutra, apresentam a camada de solvatação menos organizada.
Para remover o excesso de sal ou do solvente no precipitado, utiliza-se a diálise.
-amostra é colocada dentro de um saco feito com uma membrana de celofane com poros tratados, que permite a passagem de moléculas até 10,000 d.- o saco contendo a amostra é imerso em um recipiente contendo o solvente que se deseja- excesso de sal ou de solvente se difunde para o solvente- após várias trocas de solvente, todo o excesso de sal/solvente terá sido retirado.
Para obter as proteínas precipitadas em solução novamente, é necessário reverter as condições que levaram à precipitação.
Membrana de celofane
solvente
solução a ser dialisada
Aos precipitados obtidos com sal ou solvente, adiciona-se água.
Ao precipitado obtido com variação de pH, retornar ao pH original.
início finalt
ORGANELAS
LisossomosLisossomos
MitocôndriaMitocôndria
GolgiGolgi
NúcleoNúcleo
SOBRENADANTE
F 1 F 2 F 3 F 4
F 2 .1F 2 .2 F 2 .3
F 2 .3.1F 2 .3.2 . . . . . . F 2. 3.N
Precipitação com Sal/Solvente
Precipitação com Sal/Solvente
Cromatografia Troca Iônica
Cromatografia Troca Iônica(pH ou resina diferente)
F 2 .3.N.X
1 Proteína apenas (0.001g) - 0.1 a 0.5% total
Gel Filtração
MATERIAL BIOLÓGICO DE PARTIDA: (100g) Até o momento, exploramos as etapas iniciais de purificação de proteínas, como a centrifugação diferencial e precipitação fracionada.
Esses métodos, apesar de terem baixo poder de resolução (exploram diferenças grosseiras entre as proteínas), permitem processar grandes volumes ou massas, típicos das etapas iniciais de isolamento.
Quando já houve redução significa-tiva dos montantes de proteínas a serem processados, iniciam-se as cromatografias, que irão explorar as diferenças mais sutis entre as moléculas.
Não esquecer que todas as frações obtidas devem ter o conteúdo de proteínas e de atividade biológica medidos, para se decidir qual/quais deverão passar para o passo seguinte da purificação.
Que características devem ter as resina cromatográficas para possibilitar separações de moléculas baseadas em diferentes propriedades ?
Cromatografia de permeação em gel ou gel-filtração: separação de moléculas pela massa moleculargéis são porosos, funcionando como peneiras ou filtros
Cromatografia de troca iônica:separação de moléculas pela carga elétricagéis apresentam grupos carregados positiva- ou negativamente
Cromatografia de partição (fase reversa ou hidrofóbica):separação de moléculas pela solubilidade relativa em meio aquosogéis possuem carácter hidrofóbico
Cromatografia de afinidade:separação de moléculas pela capacidade de interagir com um
ligante géis possuem ligante específico ligado covalente à resina
Como se avalia se o processo de purificação de uma proteína foi eficiente ?
Três parâmetros permitem avaliar a eficiência do processo de purificação de uma proteína:
- Atividade específica (AE): é a razão entre a quantidade da proteína de interesse, medida através de sua atividade biológica, e a quantidade total de proteínas presentes em cada etapa de purificação. Esse índice aumenta ao longo da purificação.
- Índice de purificação: indica quantas vezes em relação ao material de partida a proteína de interesse foi “concentrada”. Calcula-se como a razão entre as atividades específicas inicial (material de partida) e final (proteína pura).
- Rendimento: indica quanto (em %) da proteína de interesse ativa presente no material de partida foi recuperado ao final da purificação. Um certo grau de perda é
inerente do processo de purificação (em cada etapa só devem ser proces- sadas as frações mais ricas em atividade biológica, desprezando-se aquelas
que apresentam pouca atividade). Também podem ocorrer perdas por desnaturação das proteínas devido às
diferentes condições (pH, sais, etc) a que são submetidas nas diferentes etapas de purificação. Espera-se recuperar o máximo possível da proteína de interesse.
Purificação da Glicoquinase hepática de Rato
EtapaEtapa Atividade Atividade EspecíficaEspecíficabb( U ( U.mg-1) .. - a
Rendimentoc( % )( % )
100 12.0 85 1223 45 140
44 33 26080 15 480
Marcha A: somente cromatografias convencionais
1. Sobrenadantede pâncreas2. (NH4)2 SO4, precipitado 25-55%
3. troca iônica, coluna DEAE-Sephadex, pH 7.0, eluiçãoKCl4. troca iônica, coluna CM-cellulose, pH 5.5, eluiçãoNaCl6. interação hidrofóbica, coluna Butyl~Sepharose
7. gel-filtração, coluna SephacrylS-300 130
15 780Marcha B: com cromatografia de afinidade
1. Sobrenadantede pâncreas 100 12. troca iônica, coluna DEAE-Sephadex, pH 7.0, eluiçãoKCl 18 84 1953. Afinidade cromatográfica ( benzamidina~agarose ) 420 83 4.500
ÍndiceÍndicebb
PurificaçãoPurificação
aUnidade de enzima (1 unidade de atividade enzimática é definida como a quantidade de enzima que catalizaa transformação de 1 micromol de substrato em produto, em condições pre-estabelecidas
bAtividade específica: medida da atividade biológica (em U) expressa por miligramas de proteínac Rendimento: percentual da atividade biológica inicial (100%) recuperada em cada etapa de purificaçãod Índice de Purificação : razão entre a atividade específica inicial e aquela determinada em cada etapa.
Con
cen
traç
ãoTempo ou volume
Coletor de frações
Funcionamento Básico de uma Coluna Cromatográfica
Uma coluna é um tubo cilindríco aberto nas duas extremidades e preenchido com a resina ou matriz ou gel cromatográfico. A coluna é constantemente alimentada com líquido (tampão), banhando a resina e forçando o contacto desta e as moléculas que estão sendo analisadas.
Abaixo está representado o esquema geral de uma cromatografia:
Tempo 1
Mais tampão é colocado na
coluna, forçando os
componentes da amostra a
interagirem com a resina
Componentes da amostra se
separam e saem da coluna com
diferentes volumes de
tampão
Tempo 2 Tempo n
Líquido que sae
da coluna é
recolhido em tubos
de um coletor de
frações
Os componentes da mistura são separados por interação diferenciada
com a resina, com base em propriedades moleculares como:
• massa molecular• carga elétrica• solubilidade• afinidade
Amostra com diferentes
componentes
Resina embebida
em tampão
Tempo zero
Um cromatograma, como o gráfico ao lado, é a maneira
usual de se representar o resultado de uma
cromatografia.
Cromatografia de gel filtração ou peneira molecularCromatografia de gel filtração ou peneira molecular
grãos (beads) da resina com poros
grão da resina poroso
proteína grande
proteína pequena
Tampão “empurra” moléculas através da resina
tubos
Na gel-filtração, as proteínas que penetram nos poros da resina precisam diferentes volumes de tampão para saírem da coluna, conforme suas massas moleculares, percorrendo os canais internos dos grãos. Quanto maior o número de grãos que cada molécula entrar durante o percurso através da coluna, maior o volume necessário para sua saída. Proteínas maiores que o diâmetro dos poros não são separadas e saem da coluna com pouco tampão, correspondente apenas ao volume da coluna externo aos grãos, também chamado de volume morto (Vo). Proteínas menoresProteínas menores que o diâmetro dos poros não são separadasnão são separadas e saem da coluna com um volume de tampão correspondente ao volume interno (Vi, volume total menos o volume do próprio gel).
Moléculas com massas diferentes
Fluxo do tampão
Ab
sorb
ânci
a a
280
nm
volume
Med
ida
da
ativ
. bio
lógi
ca
Moléculas maiores
Moléculas menores
Kav
Mas
sa m
olec
ular
(kD
)
20 40 60 80 100 120 mL
25 50 75 100 125 mL volume de eluição
A cromatografia de gel-filtração possibilita estimar a massa molecular de uma proteína em seu estado nativo
Além de purificar, por ser realizada em condições de pH, força iônica e temperatura que preservam a atividade biológica da proteína, a
gel-filtração fornece a Mr do seu estado nativo.
Para isso, é necessário “calibrar” a coluna com proteínas de massa molecular conhecida, construindo-se uma curva de calibração.
O volume de saída (eluição) de uma proteína numa coluna de gel-filtração é proporcional ao logaritmo de sua massa molecular.
Curva de calibração
traçado da medida de atividade biológica nas frações
Medir o volume de eluição da fração mais ativa. Transportar para a curva de calibraçao.
Ler a massa correspondente
Observar a
escala log
Resinas para Gel-Filtração
Sephadex G-10 Dextrana 0.05 - 0.70Sephadex G-25 Dextrana 1 - 5Sephadex G-50 Dextrana 1 - 30Sephadex G-100 Dextrana 4 - 150Sephadex G-200 Dextrana 5 - 600
Bio-Gel P- 2 Policrilamida 0.1 - 1.8Bio-Gel P- 6 Policrilamida 1 - 6Bio-Gel P- 10 Policrilamida 1.5 - 20Bio-Gel P- 30 Policrilamida 2.4 - 40Bio-Gel P-100 Policrilamida 5 - 100Bio-Gel P-300 Policrilamida 60 - 400
Sepharose 6B Agarose 10 - 4.000Sepharose 4B Agarose 60 - 20.000Sepharose 2B Agarose 70 - 40.000
NOME TIPO FAIXA DE RESOLUÇÃO(kD)
*Sephadex e Sepharose: Amersham Pharmacia Biotech; Bio -Gel: Bio -Rad Laboratories
Moléculas pequenas
Moléculas pequenas
Proteínas
Proteínas
Células, partículas sub-celulares
Existem diferentes tipos de resinas para gel-filtração, conforme o tipo de moléculas ou partículas a serem separadas
indica quais os tamanhos das partículas que podem entrar nos poros da resina e serem fracionados. Acima ou abaixo da faixa, não há separação.
Para comparar calibrações com a mesma resina cromatográfica em colunas de dimensões diferentes utiliza-se o Kav, que é proporcional ao log de Mr.
Kav = Ve-Vo Vt-Vo
Ve – volume de eluição de uma certa proteínaVt – volume total da colunaVo – volume morto da coluna, em que saem moléculas com massa acima da resolução da resina
onde:
O gel nessa coluna é o Sephadex G-200, cuja faixa de resolução de proteínas é de 5.000 a 600.000 d.Observe como proteínas nos extremos da faixa de resolução tendem a “sair” da parte linear da curva.
Esta é uma outra forma de representar a calibração de uma coluna de gel-filtração.
Cromatografia de troca iônicaCromatografia de troca iônica
A resina para cromatografia de troca iônica apresenta carga elétrica, positiva ou negativa, em uma ampla faixa de pH.
Trocadora de ânions Trocadora de cátions
DEAE CM
Existem dois tipos básicos: resinas trocadoras de ânions (possuem carga positiva), como o dietilaminoetil (DEAE)-celulose e resinas trocadoras de cátions (possuem carga negativa), como o carboxi-metil (CM)-celulose
--
-
----
DEAE-celulose - pH < 10CM-celulose - pH > 4
Cromatografia de troca iônicaCromatografia de troca iônica
Proteína P.I.
Pepsina <1,0
Ovalbumina galinha 4,6
Albumina sérica humana 4,9
Tropomiosina 5,1
Insulina bovina 5,4
Fibrinogênio humano 5,8
Gama-globulina 6,6
Colágeno 6,6
Mioglobina equina 7,0
Hemoglobina humana 7,1
Ribonuclease A bovina 7,8
Citocromo C equino 10,6
Histona bovina 10,8
Lisozima, galinha 11,0
Salmina, salmão 12,1
PIácido
+
básico
-neutro
Ponto Isoelétrico de algumas Proteínas
Como funciona a Cromatografia de Troca IônicaComo funciona a Cromatografia de Troca Iônica
Adsorção
Eluição
+++
+
++
+
+
Moléculas com a mesma carga, ou sem carga, não interagem com a resina, sendo as primeiras a sair da coluna
Adição de sal ao tampão resulta em competição entre os íons em solução e as moléculas adsorvidas na resina.
Na+Cl- +
A cromatografia de troca iônica compreende duas etapas:
1) adsorção das proteínas com carga contrária à resina, e saída da coluna das proteínas com a mesma carga;
2) eluição das proteínas adsorvidas.
+++
+
++
+
+
+
+ +
No exemplo ao lado, como funciona uma resina catiônica ou trocadora de ânions, como o DEAE-celulose):
Para a eluição, as condições de adsorção da coluna (pH ou força iônica) são alteradas para neutralizar a interação entre as proteínas e a resina.
Mais frequentemente utiliza-se um aumento da concentração do sal no tampão, pois alterações de pH podem desnaturar proteínas, levando-as a precipitar dentro da coluna.
Carboximetil~celulose(trocadora de cátions)
Dietilaminoetil~celulose(trocadora de ânions)
Duas Modalidades de Cromatografia de Troca IônicaDuas Modalidades de Cromatografia de Troca Iônica
Gradientes de sal podem fracionar as proteínas adsorvidas na resina de acordo com a intensidade de suas cargas, que é dada pela diferença entre seus PIs e o pH do tampão de eluição. As proteínas não retidas (com a mesma carga da resina) não são separadas, sendo simplesmente “arrastadas” pelo tampão (ou seja, não são repelidas pela resina).
_
=
=_
+++
++
(+)
(+)
(+)
(+)
0. 10 M
0. 15 M
0. 20 M
Eluição NaCl
Não retidas
DEAEDEAE++
0. 10 M
0. 15 M
0. 20 M
Eluição NaCl
+
(-)
(-)
(-)+
++
_ =
=_(-)
Não retidas
CMCM
Tipos de Resina de troca Iônica
Tipos de Resina de troca iônica
NOME TIPO GRUPO IONIZÁVEL OBSERVAÇÕES
Dowex 1 Fortemente básica Ø - CH2N+(CH3)3 Troca aniônica
resina de polistirenoDowex 50 Fortemente básica Ø - SO3
-H Troca Catiônicaresina de polistireno
DEAE-celulose Básica Dietilaminoetil Fracionamento de proteínas - CH2CH2N+(C2H5)2 ácidas e neutras
CM-celulose Ácida Carboximetil Fracionamento de proteínas - CH2COOH básicas e neutras
Q-Sepharose Gel de dextrano Combinação de gel filtração
básico e troca iônica de proteínas ácidas e neutras
SP -Sepharose Gel de dextrano Combinação de gel filtraçãoácido e troca iônica de proteínas
básicas e neutras
* Dowex: Dow Chemical Co.; Sepharose e Source: GE LifeSciences Bio- Gel: Bio Rad Laboratories
Existem vários tipos de resinas de troca iônica disponíveis no mercado.
−Ο−CH2CHOHCH2OCH2CHOHCH2N+(CH3)3
—CH2-SO3-
Cromatografia de afinidade:
Eluição: condições que interferem na ligação da proteína ao ligante, como mudanças no pH e/ou força iônica, ou por competição com o ligante livre
Desprezar proteínas não
retidas
Lavagem
Eluição
pH 2,0 ou sal
Antígeno A puro
Anti-A interage apenas com a
proteína A
-
Mistura de proteínas
Coluna empacotada com ess gel
Partículas de gel recobertas de anticorpos anti-A
Adsorção
Complexo Ag-AC é desfeito
Um dos métodos mais eficientes para a
purificação de proteínas, possibilitando um alto
rendimento com número reduzido de etapas.
A separação de moléculas tem como
base a interação específica do analito
(molécula-alvo) com um ligante imobilizado na
matriz. Forças envolvidas nessa
interação podem ser não covalentes
(eletrostáticas, hidrofóbica, pontes de H)
ou covalentes (p.e., ponte dissulfeto).
Ex: cromatografia de imunoafinidade
Ligante
grupo-específico
Especificidade
Proteína A Região Fc de IgG
Proteína G Região Fc de IgG
Concanavalina A Grupos glicosil- ou manosil-
Cibacron Blue Várias enzimas, albumina
lisina Plasminogênio, RNA ribossomal
arginina proteinases tipo tripsina
benzamidina proteinases tipo tripsina
calmodulina Proteínas reguladas por calmodulina
heparina Fatores de coagulação, lipases, hormônios, receptores estoróides, etc
Metais de transição Proteínas e peptídeos com resíduos de His expostos
1. Mono-específicos - ligação específica da molécula-alvo- análogos de substratos ou inibidores de enzimas- agonistas ou antagonistas de receptores- haptenos ou determinantes antigênicos de anticorpos- ligantes com “tag” ou “marcação”
- glutationa-S-transferase- poli-Histidina
2. Grupo-específico: ligantes para separação de grupos:
Tipo de ligantes em cromatografia de afinidade
8-AEA-cAMP
8-(2-aminoethyl)aminoadenosine-3',5'-cyclic monophosphate
(ligante para proteínas com afinidade por cAMP ou cGMP)
Sítios de ligação das proteínas A, G e L à
imunoglobulina, que permitem a purificação de anticorpos por
cromatografia de afinidade
Para ligantes pequenos (Mr < 1.000) há o risco de impedimento estérico entre a matriz e a molécula-alvo, que causa dificuldade ou impede sua ligação à resina.
A introdução de um braço espaçador diminue esse risco.
Estratégias para acoplamento de ligantes à resina Reagente Alvo no ligante
Braço espaçador covalente entre a resina e o ligante
Ligação reversível não covalente
ligante
Molécula-alvo (analito)
Preparo da resina de afinidade:
Passo 1. Ativação da resina
Passo 2. Acoplar o ligante
Papelou placa de sílica
Amostra na origem
tempo 0 t 1 t2 tn
direção do fluxo do solvente
Compostos separados
Cuba com solvente (fluxo por capilaridade)
Cromatografia de Partição
Princípio: Explora diferenças de solubilidade dos compostos em solventes com grau de hidrofobicidade diferentes, um polar e outro apolar.
Aplicável especialmente á moléculas pequenas, como compostos orgânicos, aminoácidos, peptídeos, açúcares, lipídeos, etc.
Apresenta limitações para uso com proteínas acima de 20-30kda, que são desnaturadas em presença de solvente orgânico.
Fase estacionária (suporte sólido) X
Fase móvel(líquido ou gás)
Consiste de 2 sistemas:
CROMATOGRAFIA DE FASE REVERSA
Fase Estacionária: sílica (mineral apolar)
Fase Móvel: Solvente aquoso ou água
Suporte: SÍLICA (camada delgada ou TLC)
Suporte: PAPEL
Fase Estacionária: Aquosa (H20 na celulose)
Fase Móvel: Solvente orgânico (hidrofóbico)
CROMATOGRAFIA EM PAPEL
distância de migração da substância
distância de migração do solventeRf =
HPLC: high performance (pressure) liquid chromatography
Inicialmente desenvolvida para cromatografia de fase reversa em coluna, hoje em dia abrange aplicações para todos os tipos de cromatografias.
Característica diferencial da cromatografia convencional: • partículas de resina com diâmetro muito pequeno (poucos microns) • aumento da eficiência da separação em função do número maior de partículas
de resina em um mesmo volume da coluna • fase móvel - necessita bomba de alta pressão para ter fluxo através da coluna
Desenho básico de um HPLC
bombas Injetor de amostra
Coluna e forno
Coletor de frações
Detector
Controle e análise dos dados
Duas bombas permitem eluição em gradiente
Detector: índice de refração, absorbância UV ou Vis, fluorescência, etc.
Coluna pode ser aquecida para melhorar a eluição diferencial na fase reversa
CN Fenil NH2 C4 C8 C18
Retenção na coluna: aumenta com o tamanho da cadeia
Condição de equilíbrio: em meio ácido (0.1% de ácido trifluoroacético) para aumentar hidrofobicidade (protonar as carboxilas)
Eluição com gradiente crescente de solvente orgânico miscível com água
- acetonitrila, metanol, propanol
Fase reversa: resinas de sílica derivatizadas com hidrocarbonetos de 2 C a 18 C
Fase estacionária Função
C18 –Si (CH3)2 C18 H37 C8 –Si (CH3)2 C8 H17 tC2 –Si C2 H5
Aminopropyl –Si (CH2)3 NH2 Cyanopropyl –Si (CH3)2 (CH2)3CN Diol –Si (CH2)3 OCH2CH(OH)CH2OH
Abs
orbâ
ncia
a 2
14 n
m
Tempo ou volume de retenção
% d
e ac
eton
itri
la
100Moléculas não retidas
Moléculas retidas
Cromatograma de uma coluna de fase reversa, com eluição por um gradiente de acetonitrila
aminoácido
Para determinar a estrutura primária de uma proteína, é necessário primeiro conhecer a composição (número e tipos) de seus aminoácidos.
A posição do pico no cromatograma identifica o aminoácido. A área do pico quantifica o aminoácido.
A proteína pura é tratada com HCl 6N fervente para quebrar
(hidrólise) as ligações peptídicas.
A mistura resultante é submetida a métodos cromatográficos (fase reversa, troca iônica) para separar os diferentes aminoácidos. Tempo de retenção (min)
fluor
escê
ncia
Existem vários métodos para se determinar a sequência de aminoácidos de uma proteína. Aqui veremos como funcionam os dois métodos atualmente mais utilizados:
a) Método de Edman: reação do aminoácido N-terminal da proteína com
fenil-isotiocianato . A proteína modificada é submetida a
hidrólise ácida liberando o aminoácido N-terminal modificado, e este é
identificado por cromatografia. Segue-se novo ciclo de reação com o
próximo aminoácido na proteína, que se tornou o novo N-terminal.
b) Espectrometria de massa: determinação das massas de fragmentos
correspondendo a aminoácidos, retirados sequencialmente da proteína.
Veremos mais sobre esse método na aula sobre eletroforese e
proteômica.
Método de Edman - sequenciamento de proteínas com
PITCPITC (fenil-isotiocianato)
ciclo 1
ciclo 2
hidrólise com ácido trifluoroacético
hidrólise ácida
vai para novo ciclo
análise cromatográfica (troca iônica ou fase reversa)
(1)
(2)
(3)
acoplamento
acoplamento
Cada ciclo de reação compreende 3 etapas:
1. Reação da proteína com PITC, que se acopla ao grupo amino NH2- livre do aminoácido 1 (no exemplo, uma lisina, K);
2. Hidrólise ácida da proteína conjugada com PITC libera a feniltiohidantoína (PTH) do aminoácido 1 e o restante da proteína, tornando o aminoácido 2 o novo resíduo N-terminal (no exemplo uma serina, S);
3. Análise cromatrográfica do PTH-aminoácido e novo ciclo de reação com o novo N-terminal da proteína.
Sequenciadores automatizados fazem todas as etapas, com capacidade
para realizar 30 ciclos por dia, a partir de 100-200 picomoles de proteína.
Quando uma proteína possui mais de 20-30 resíduos de aminoácidos, não é possível sequenciá-la diretamente pelo método de Edman.
Para obter a sequência completa de uma proteína, é necessário sequenciar vários peptídeos da mesma proteína, obtidos por diferentes tipos de quebra da cadeia, até haver sobreposição de suas sequências.
ProteínaTotal 150 a.a
sequência obtida a partir da proteína intacta
30 aa
Diferentes métodos são utilizados para obter-se diferentes peptídeos da proteína: A) enzimas proteolíticas, como tripsina (quebra em resíduos de Lys ou Arg) e quimotripsina (quebra em resíduos de Phe); B) tratamento com brometo de cianogênio (quebra em Met); e outros.
proteína inteira
peptídeos método A
peptídeos método B
Sequenciamento de novo de proteínas por espectrometria de massas
Para sequenciar proteínas é preciso obter o espectro MS/MS de seus peptídeos.
Isso significa 2 etapas de MS acopladas. Depois de fazer o MS da molécula inteira, esta é fragmentada dentro do aparelho por colisão com gases.Os fragmentos são então separados e analisados por MS.
hélio ou argônio
A ligação peptídica se quebra formando fragmentos típicos, como os íons b e y mostrados na figura acima, que terão massas diferentes de acordo com o radical R de cada aminoácido.
Espectro MS/MS do peptídeo tríptico
GLSDGEWQQVLNVWGK.
AA Codes Mono. AA Codes Mono.
Gly G 57.021464 Asp D 115.02694
Ala A 71.037114 Gln Q 128.05858
Ser S 87.032029 Lys K 128.09496
Pro P 97.052764 Glu E 129.04259
Val V 99.068414 Met M 131.04048
Thr T 101.04768 His H 137.05891
Cys C 103.00919 Phe F 147.06841
Leu L 113.08406 Arg R 156.10111
Ile I 113.08406 CMC 161.01467
Asn N 114.04293 Tyr Y 163.06333
- - - Trp W 186.07931
Analiza-se o espectro buscando diferenças de m/z equivalentes a um resíduo de aminoácido, que permitem conhecer
a seqüência do peptídeos
Síntese de peptídeos Quim. Nova, Vol. 27, No. 5, 781-789, 2004
COOHbloq
H2Nbloq
1. DNA recombinante
1. Química: uso de reagente químico para ativar o ácido carboxílico de um Nα-acil-aminoácido, o qual sofre o ataque nucleofílico do grupo α- amino de outro aminoácido
- indicado para sequências de até 20 aa. - estereo-isômeros, purificação dos produtos
3. Biocatálise: reversão da proteólise - diminuição da atividade da água no meio
reacional reverte a ação de enzimas proteolíticas
- termolisina, pepsina, subtilisina, tripsina, etc - vantagens:, não forma misturas racêmicas e
sub-produtos, condições brandas
Síntese de peptídeos
Fmoc (9-fluorenilmetoxicarbonila) - protetor do grupo α- amino dos doadores de acila, estável ao ácido trifluoroacético (TFA) e lábil a bases orgânicas – todas as outras carboxilas são protegidas por reagentes lábeis ao TFA e estáveis a bases orgânicas
Boc (t-butiloxicarbonila) - protetor do grupo α- amino dos doadores de acila lábil ao (TFA) – todas as outras carboxilas são protegidas por reagentes estáveis a este ácido e lábeis a ácidos inorgânicos fortes ou hidrogenólise.
Síntese de peptídeos
Robert B. Merrifield – Prêmio Nobel em Química em 1984
Síntese de peptídeos
ELETROFORESE ELETROFORESE
1. pH / tampão
2. Suporte- papel : corrente alta (calor)
uso para peptídeos e aminoácidos
- agarose: ácidos nucléicos ImunoeletroforeseProteínas nativas
- poliacrilamida: proteínasac. nucleicos
não desnaturante ou nativadesnaturante e redutor
peso molecularcomposição de subunidades
focalização isoelétrica: PIbidimensional
CONDIÇÕES QUE DETERMINAM A SEPARAÇÃO
SUPORTE X pH MEIO
++++
++++
+
_
Reação de eletrólise da água
• Uso de tampão concentrado
• Uso de indicador de pH como marcador de corrida: azul de bromofenol
Eletroforese em Gel de Poliacrilamida (PAGE)
polyacrylamide
persulfate
+
• 7 a 15% [acrilamida] – maioria das proteínas• [ ] mais baixas – gel muito mole –
suporte com agarose• Gradiente de acrilamida – aumenta poder de
resolução
cuba vertical para mini-gel (10 X 8 cm)
ProteínaProteína Ponto Isoelétrico
Pepsina < 1.0
Ovalbumina(galinha) 4.6
Albumina Sérica(humana) 4.9
Tropomiosina 5.1
Insulina (bovina) 5.4
Fibrinogênio (humano) 5.8
Globulina 6.6
Colágeno 6.6
Mioglobina(cavalo) 7.0
Hemoglobina (humana) 7.1
Ribonuclease A (bovina) 7.8
Citocromoc (cavalo) 10.6
Histona (bovina) 10.8
Lisozima (galinha) 11.0
Salmina(salmon) 12.1
155.000
330.000
18.000
64.000
Separação na eletroforese nativa é influenciada pela carga, massa e forma da molécula
A B
C
C
C
A
A
B
B
SDS (dodecil sulfato de sódio
+
2-mercaptoetanol
Efeitos do SDS
• desnaturação uniformiza a forma das proteínas;
• mascara a carga natural das proteínas no pH da corrida, fazendo com que todas moléculas migrem para o anôdo;
• facilita o efeito de redutores
SDS-PAGE Salmonella tiphymurium
Determinação da massa molecular de proteínasCurva de calibração de SDS-PAGE a 15%
Mobilidade relativa (Rf)
Mas
sa m
olec
ular
(kD
)
Mobilidade relativa =
distância percorrida pela banda Xdistância percorrida pelo marcador da corrida
97.4
87.0
45.0
29.0
21.012.5 6.5
(-)
(+)
•migração através de um gradiente de pH
•proteínas “focalizam” nos seus P.I.
Anfólitos: Misturas de compostos poliaminados/policarboxilados (patenteados)
Gel não tamponado polimerizado com anfólitos
1ª corrida: anfólitos criam gradiente
2ª corrida: amostras são aplicadas
Após a corrida: pedaços do gel são analisados quanto ao seu pH.
3.0
4.0
5.0
6.0 pH
pH
+Marcadores de P.I. conhecidos
_
Aplicações:
-Determinação do PI
-Isoformas da mesma proteína:- glicosilação- fosforilação- mutações pontuais
Eletroforese – focalização isoelétrica
1a.dimensão: focalização isoelétrica
2a.dimensão: SDS-PAGE (perpendicular a 1a.)
PM x 103
Eletroforese Bidimensional
-
P IP I
+
3
3.5
4
4.5
5
5.5
Origem
5 4 3 2678910
PROTEOMA:• análise simultânea de até 5.000 proteínas
• permite comparação de todas as proteínas expressas por uma célula em dois momentos diferentes:
• análise do efeito de hormônios, • análise do efeito de drogas; • estados fisiológicos (desenvolvimento);• condições patológicas diversas (vírus, bactérias,etc.)
Eletroforese 2D de proteínas totais (proteoma) de Escherichia coli
Proteínas com mesmo pI
Proteínas com a mesma massa
sem fervura das amostraspode ter SDS no gel de separação
•Conformação nativa, oligomerização
•Zimogramas: estudos de enzimas, afinidade
• Gel copolimerizado (gelatina, amido, etc)• Gel overlay (gel de agarose)• Proteínas nativas ou renaturadas no gel por
remoção lenta do SDS por troca com detergente não iônico
Gel nativo:
Antígeno B do Echinococcus granulosus
Multímeros de subunidades de 8 kDa
15% SDS-PAGE
Monteiro et al., 2011PLoS Neglected Tropical Diseases
Urease de Canavalia ensiformis (hexâmero de 90 kDa)
3% PAGE
Efeito de Cu2+ - precipitação
Follmer & Carlini, 2005Arch. Biochem. Biophys.
Ni2+ Cu2+ Zn2+ Hg2+
Rhipicephalus microplus Cys-endopeptidase
12% SDS-PAGE- copolimerizado com 0.1 % hemoglobina - após corrida, retirada do SDS troca por Triton X-100 (3h) - incubação a pH 4,0, 18h/37oC.
Estrela et al, 2010 Comp. Biochem. Physiol
Tolfo Bittencourt et al., 2004 Res. Microbiol
8.5% non-denaturing gels- atividade das SODs revelada Inibição da redução do NBT em presença de TEMED e riboflavina
Superoxide dismutases from Metarhizium. anisopliae
Métodos imunoquímicos aplicados a proteínas
estrutura e propriedades de imunoglobulinas
anticorpos policlonais e monoclonais: produção e purificação imunodiagnóstico: aglutinação X lise
imunoprecipitação: difusão em gel, imunoeletroforese
ELISA, Western blot
imunohistoquímica e imunofluorescência
Anticorpos são imunoglobulinas.
Cadeia H (pesada) – 50.000 dCadeia L (leve) – 25.000 d
Porção N-terminal das cadeias L e H ~ 120 aminoácidos variáveis restante da cadeia é constante
Cadeia H Cadeia LImunoglobulina
classe Sub-classe
ou IgG IgG1
ou IgG2
ou IgG3
ou IgG4
ou IgA IgA1
ou IgA2
ou IgM
ou IgD
ou IgE
Função Estrutura
anticorpo
antígeno
Complexo antígeno-anticorpo
Mecanismos através dos quais
os anticorpos executam as
funções de defesa:
- Neutralização (Ag solúveis)
- Opsonização (Ag particulados)
- Imunecomplexo (todos Ags)
Produção de Anticorpos: imunização ativa
Propagação clonal de linfócitos B ou plasmócitos
Um linfócito B sempre produzirá imunoglobulinas para o mesmo antígeno, mas poderá variar a classe de anticorpos produzidos
Anticorpos policlonais versus Anticorpos monoclonais
Há vários determinante antigênico ou epitopo em uma proteína - tamanho: 5 a 6 aminoácidos - podem ser sequenciais ou conformacionais
Reconhecimento de apenas um determinante antigênico
tipo único de imunoglobulina Vantagens e desvantagens
Produção de Anticorpos
Monoclonais
Imunoprecipitação
Complexos Ag-Ac insolúveis
- Precipitado é máximo na Zona de equivalência
- Excesso de Ag ou de AcFazem complexos solúveis
Imunoprecipitação em gel de agarose
Imunodifusão dupla
Permite comparar antígenos e detectar determinantes antigênicos em comum
Identidadetotal
Identidade parcial
Ausência deidentidade
Recombinant Protein L
Native Protein A
Recombinant Protein A
Recombinant Protein G
Protein A/G
Source Peptostreptococci Staphylococcus aureus
Bacillus Streptococci Bacillus
Molecular Weight 35,800 42,000 44,600 22,000 50,449
Number of Binding Sites for IgG
4 4 5 2 4
Albumin Binding Site no no no no no
Optimal Binding pH 7.5 8.2 8.2 5 5-8.2
Binds to VLκ Fc Fc Fc Fc
Proteínas bacterianas com afinidade por Imunoglobulinas
- Servem como ligantes em matrix de afinidade- Servem como 2º.ligantes em testes imunoenzimáticos
bead
Imunobeads: adsorção complexo Ag:Ac
Ensaios Imunoenzimáticos ou ELISA
+ 1º.Ac + Ag
placaAg
Ac 1º.
Ac 2º.
ES
cor
ELISAsandwich + 2º.Ac + S cor
Padronização do ELISA
Concentração do Ag ou Ac
Ab
s (i
nte
nsi
dad
e d
a co
r)
ELISA Competitivo é adequado para identificação e quantificação tanto do antígeno como do anticorpo.
Para a determinação de Ag, o Ag presente na amostra compete com Ag marcado com uma enzima, para se ligar ao Ac imobilizado. A cor desenvolvida na revelação é indiretamente proporcional à concentração de Ag na amostra.
O Radioimunoensaio (RIA) baseia-se no mesmo princípio, utilizando Ag marcado com um radioisótopo para competir com o Ag frio presente na amostra.
(1)
(2)
- Quanto maior a concentração do antígeno a ser medido, maior será o deslocamento do antígeno marcado, permitindo a quantificação.
Variante para pesquisa do Ac
Western blot
Anticorpo secundário marcado com: - enzima - radioativo - fluorescente
MAP2-(neurons) and GFAP-(astrocytes) positive cells in hippocampal cell culture
GluR1 clusters in hippocampal cultured neurons
Presynaptic terminals showned by immunostainig of specifically presynaptic protein Synapsin in cultured hippocampal neuron
Imunofluorescência:
-anticorpos marcados com diferentes fluoróforos vermelho (rodamina), verde (fluoresceína)
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