Proteínas

Prof Karine P. Naidek

Agosto/2016

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA – DQMC BIOQUÍMICA – BIO0001

Proteínas

Entre os objetos de estudo dos cientistas no início do século XIX (...) Estava:

Albúmen – clara de ovo [albus = branco];

Tinha átomos de C, H, N, O e S;

Tinha estranha propriedade de coagular ao ser submetido a aquecimento;

Verificaram que outras substâncias presentes no leite e no sangue também coagulavam quando aquecidas;

Então decidiram chamar esses componentes de substâncias albuminoides [semelhantes ao albúmen].

Estudos mais tarde acabaram por concluir que essas substâncias estão presentes em todos os seres vivos.

Proteínas

Origem grego (protos) primeira, mais importante

“A palavra proteína que eu proponho vem derivada de proteos, porque ela parece ser a substância primitiva ou principal da nutrição animal, as plantas preparam para os herbívoros que posteriormente a passam para os carnívoros” (Berzelius, 1838)

Em 1838, Gerardus Mulder chama essas substâncias de PROTEÍNAS [do grego Proteios = primeiro, primitivo].

Proteínas

Grande variedade (tamanho e função)

• Pequenos peptídeos a grandes cadeias com MM alto

• Diversidade funcional (enzimas, estruturais, defesa, sinais, transportadores, hormônios, etc)

Macromolécula mais abundante nas células

• Produto final da informação genética

• Constituída por aminoácidos (dipeptídeo, tripeptídeo... oligopeptídeo, polipeptídeo)

Qual a importância das proteínas?

• São fundamentais para qualquer ser vivo [e até vírus].

• Toda manifestação genética é dada por meio de proteínas.

• Grande parte dos processos orgânicos são mediados por proteínas [enzimas].

• Sem proteínas, não existiríamos e nenhum outro ser vivo existiria.

• *Coacervatos (primeiros compostos proteicos).

Aminoácidos

Esquema da estrutura química básica de um aminoácido

Ligação peptídica

Ligação feita entre aminoácidos (aa) para formar peptídeos (2 a 5 aa), polipeptídeos (+5 aa) e proteínas (+50 aa).

Ligação Péptica

Aminoácido 2 Aminoácido 1

Duplo Peptídeo

Água

Ligação peptídica

Essa sequência de aminoácidos ligados através de ligações peptídicas constituem a estrutura primária das proteínas

Ligação peptídica

Ligações simples com caráter de dupla ligação

O oxigênio da carbonila possui uma carga parcial negativa e o nitrogênio uma positiva, isso faz com que seja formado um pequeno dipolo elétrico que diminui a distância entre o átomo de C e N

Todos esses átomos estão em um mesmo plano, dando à ligação peptídica um caráter de dupla ligação

As estruturas primárias das proteínas são conhecidas

• Para todos os genomas sequenciados, conhece-se a estrutura primária de todas as proteínas para este organismo

• As pontes dissulfeto podem se formar entre diferentes cadeias protéicas – E principalmente dentro da

mesma

Sequenciamento de peptídeos

• Degradação de Edman – Marca e remove apenas o

resíduo N-terminal

• Método ineficiente, permite sequenciamento de pequenas porções das moléculas

• Sequenciamento do RNAm é muito mais simples e preciso; permite sequenciar proteínas enormes – como a titina

Produção de peptídeos

• Purificação a partir de tecidos

• Engenharia genética

• Síntese química direta

Alinhamento de sequências

• Os organismos possuem, em grande medida, as mesmas proteínas (ortólogas) – Derivam do ancestral

comum entre os organismos

• O alinhamento permite que identifiquemos as porções mais importantes (conservadas) da proteína

Evolução molecular

• Quanto mais similares as sequências das proteínas dos organismos, mais próximos eles são evolutivamente

Árvore molecular da vida

Conclusões

• Diferentes características químicas das cadeias laterais dos aminoácidos definem características de peptídeos e proteínas

• Os resíduos de aminoácidos são ligados às centenas ou milhares para formar peptídeos e proteínas

• As proteínas podem ser modificadas pós-traducionalmente

• As proteínas podem ser separadas por carga, tamanho e afinidade e assim estudadas isoladamente – cromatografia e eletroforese

• As proteínas podem ser sequenciadas e sua estrutura primária (seq. de aminoácidos é conhecida)

• As sequências das proteínas são excelentes marcadores da evolução da vida na terra

Níveis estruturais das proteínas

A conformação de uma proteína é fundamental para a função que ela exerce

A conformação espacial das proteínas

• As proteínas não são traços rígidos porque suas ligações químicas podem realizar rotação

– A maioria das ligações químicas não são planares

• 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

Pontos Importantes

1. A conformação tridimensional (3D) depende da seqüência de aminoácidos

2. A função depende da estrutura

3. Cada proteína existe em um ou em pequeno número de formas estruturalmente estáveis

4. As principais forças para a estabilização de estruturas são forças não-covalentes

5. Existem padrões estruturais comuns que ajudam a organizar o entendimento

Interações importantes para a manutenção da estrutura das proteínas

Conformação nativa

• Proteína dobrada em conformação funcional

• Dobramento espacial se dá principalmente por interações fracas – principalmente hidrofóbicas – Ligações de H 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

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)

Ligações de Hidrogênio

Aminoácidos que podem formar ligações de hidrogênio

AA polares com OH ou NH2 na sua cadeia lateral

Interações Iônicas

AA encontrados geralmente na superfície das proteínas junto com aminoácidos polares

Cadeias longas e flexíveis Importantes para a solubilidade das proteínas

Ligações (Pontes) dissulfeto

Dois resíduos de cisteína na mesma cadeia ou cadeias separadas

Ligações peptídicas e o ângulo ômega

Trans: ω = 180º

• Ligações peptídicas tem geometria rígida e planar

Ângulos torcionais, phi (ɸ) e psi(ψ)

• Responsáveis pela curvatura na estrutura da proteína

• Entre o C-α e o N (do NH2) e o C (do COOH)

Estruturas secundárias

• Descreve o arranjo espacial dos átomos na cadeia principal

• Ocorre quando os ângulos diedros (phi e psi) permanecem quase iguais durante todo um segmento da proteína

• Tipos – Hélices α – Conformações β – Voltas β – Indefinida (loops, coils, turns)

Alfa-hélices

• O arranjo mais simples que as proteínas podem assumir é um arranjo helicoidal

• Esqueleto polipeptídico fica enrolado em torno de um eixo imaginário

– Cada volta contém 3,6 resíduos

– Φ = -57º; ψ = -47º

• Grupos R se voltam para fora do eixo

• Em média, 25% dos aminoácidos de qualquer proteína estão em hélices α

All-alpha proteins

Estabilidade da alfa hélice

• A hélice é comum porque nesse modelo as posições das ligações de hidrogênio estão otimizadas – Entre um H ligado ao NH2 e um

O do COOH – Cada ligação peptídica participa

de ligação de hidrogênio, conferindo estabilidade

• Para isso, todos os aminoácidos precisam ter o mesmo tipo de isomeria óptica (L ou D)

Tendência dos aa’s em formar hélices

• O grupo lateral interfere na capacidade do aminoácido em formar hélices – Volume e forma de Asp, Ser, Thr e Cys

desestabilizam se estiverem muito próximos

– Pro e Gly dificultam a formação de hélices

• Relações com o vizinho também são importantes

• Componentes amino a carbonil formam dipolo elétrico

Restrições para a formação de hélice-α

1. Tendência do resíduo em formar hélice

2. Interações entre os grupos R espaçados 3-4 aa

3. Volumes dos grupos R adjacentes

4. Ocorrência de Pro e Gly 5. Interações entre resíduos

das extremidades com o dipolo

Conformação β (beta)

• Esqueleto estendido em forma de zigue-zague

• Folhas β paralelas e anti-paralelas – Paralela: Φ = -119º; ψ = 113º – Anti-par: Φ = -139º; ψ = 135º

• Quanto as folhas são próximas, os grupos R devem ser pequenos – Teias e queratinas... Gly e Ala

Conformação β-pregueada

Cadeia polipeptídica estende-se em zigzag e podem estar arrumadas lado a lado formando um estrutura

chamada folhas β pregueada

Folhas β pregueada

Ligações de H são formadas entre as cadeias adjacentes (C=O e o N-H da ligação peptídica)

Existem dois tipos de folhas β pregueada

Folhas β pregueada

Paralelas – mesma orientação das cadeias (terminal amino e carboxílico)

Folhas β pregueada

Anti-Paralelas –orientação oposta das cadeias (terminal amino e carboxílico)

Dobras

Proteínas globulares podem apresentar essas duas estruturas, entretanto para ficar compacta a cadeia deve apresentar dobras

α-hélice

Conformação β α-hélice + Conformação β

Dobras β

Elemento de conexão entre as regiões com estrutura secundária diferentes ou não

Dobras β

Compreende uma estrutura que causa uma volta de 180º

• envolvendo 4 aminoácidos

• forma ligação de Hidrogênio entre oxigênio da carboxila do primeiro resíduo com o H do grupo amina do quarto resíduo

Resíduos 2 e 3 não participam de nenhuma

interação

Estrutura terciária e quaternária das proteínas

Estrutura terciária - arranjo tridimensional da cadeia peptídica estabilizado por interações entre grupos de aminoácidos distantes

Estrutura quaternária - arranjo entre cadeias polipeptídicas (subunidades) que constituem um proteína ativa

Mantida por interações fracas

(ligações de H, ligações iônicas e

interações hidrofóbicas) e /ou ligações dissulfeto

entre resíduos distantes na

própria molécula

Estrutura terciária (3D)

• Arranjo tridimensional total de todos os átomos de uma proteína

• Alcance mais longo e dimensão total, quando comparado com 2D

• Segmentos distantes na estrutura 1D podem ser atraídos por interações fracas

• Algumas proteínas são formadas por mais de um complexo polipeptídico (quaternária)

• Proteínas fibrosas e globulares

Proteínas fibrosas

• Queratina, colágeno, fibroína – Proteínas estruturais: força e

elasticidade

• Insolúveis em água: aa’s hidrofóbicos (Ala, Val, Leu, Ile, Met e Phe)

• Alfa queratina: cabelo, pelo, unhas, garras, penas, chifres, cascos e parte externa da pele

• Pontes dissulfeto estabilizam e dão mais resistências às cadeias

Colágeno

• Tecidos conectivos: tendões, cartilagens – Garante resistência

• Hélice específica (phi = -51º; psi = 153º)

• Existem mais de 30 variantes do colágeno dependendo do tecido e da função

Fibroínas de seda

• Folhas beta

• Rica em A e G

– Alto empacotamento

• Ligações de H entre as cadeias B

• Não é elástica, mas é flexível

Proteínas globulares

• Diversidade estrutural reflete diversidade funcional

– Dobramento gera estrutura compacta

• Tem partes em hélices-α e partes em folhas-β

• Motivos estruturais – Padrão identificável

– Envolve elementos 2D e conexões entre eles

Proteínas fibrosas e globulares

Fibrosas

• Cadeias longas e folhas

• Tipo simples de estrutura secundária

• Função – estrutural, suporte e proteção

• Caracterizadas por proporcionar resistência e flexibilidades às estruturas onde ocorrem

• São insolúveis em água

Globulares

• Cadeias esféricas ou globulares

• Diversos tipos de estrutura secundária

• Função – enzimas, reguladoras e de defesa

• Cadeia polipeptídica se dobra formando uma estrutura compacta - diversas estruturas e funções

• Grupos hidrofóbicos interior e hidrofílicos exterior – pontes H com a água - solúveis

Estrutura Quaternária

Tanto as proteínas fibrosas como as globulares podem se associar para desempenhar uma função biológica (estrutura

quaternária)

Multímero - proteína formada por várias subunidades proteicas

Oligômeros – poucas subunidades

Unidades de repetição - protômeros

Quanto ao número de subunidades as proteínas podem ser:

Dímeros, trímeros, tetrâmeros ...

Estrutura Quaternária

Hemoglobina – tetrâmero (duas cadeias α e duas

cadeias β

Pode ser considerada um dímero de dois

protômeros αβ (unidade repetitiva)

Desnaturação de proteínas

• Condições diferentes das celulares levam as proteínas à desnaturação

• Perda da estrutura leva também à perda da função

• Calor, pHs extremos, temperatura (?), solventes orgânicos, detergentes

Renaturação de proteínas

• A sequência terciária é determinada pela sequência primária, certo?

• As proteínas desnaturadas, portanto, podem voltar aos estados nativos através de renaturação, quando o estímulo é retirado

Enovelamento protéico

• Lento e gradual

• Diminuição da entropia até alcançar um estado estável

• Algumas proteínas se dobram de forma assistida pelas proteínas chaperonas

Vaca louca

• A doença de 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

Conclusões

• 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