LIGAÇÕES QUÍMICAS REVIS I ÃO

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1 LIGAÇÕES QUÍMICAS REVISÃO

2 Ligações químicas e forças atrativas 1-Ligações covalentes Ligação química entre dois átomos na qual elétrons são compartilhados Ligação Forte Energia de ligação é a energia necessária para romper a ligação (expressa em kcal/mol ou KJ/mol) kcal/mol

3 2- Ligações não covalentes (ligações fracas): Tipos: 2.1. Ligações iônicas 2.2. Ligações ou Pontes de Hidrogênio 2.3. Forças de Van Der Waals 2.4. Atrações hidrofóbicas Muito importantes na manutenção de estruturas biológicas

4 2.1. Ligações iônicas formam-se quando há uma transferência completa de elétrons de um átomo para outro, formando-se dois íons, um com carga positiva e o outro com carga negativa. Ocorre atração eletrostática entre os íons. Ex: Na + Cl - ; Nas proteínas: grupos carboxila (COO - ) e grupos amino (NH 3+ ) do grupo R dos aminoácidos. Energia de ligação 4-7 kcal/mol

5 2.2. Ligações ou Pontes de Hidrogênio - atração eletrostática entre um átomo eletronegativo (O ou N) e um átomo de hidrogênio que está ligado covalentemente a um outro átomo eletronegativo. H 2 O Aminoácidos na proteína Energia de ligação 1-7 kcal/mol

6 2.3. Forças de van der Waals atração eletrostática entre átomos ou moléculas neutras. Surgem por flutuações na distribuição de cargas. Um lado tem carga mais negativa e o outro lado mais positivo Energia de ligação kcal/mol

7 2.4. Atrações Hidrofóbicas Associação entre grupos apolares em meio aquoso. Surgem quando dois grupos não polares se aproximam, reduzindo a superfície exposta à água. Aminoácidos na proteína Energia de ligação variável

8 Ligações químicas (Resumo) Energia de ligação (expressa em kcal/mol ou KJ/mol*) é a energia necessária para romper a ligação. Esta energia é igual à energia liberada quando a ligação se forma. Ligação Energia de Ligação (Kcal/mol) Covalente Iônica 4-7 de Hidrogênio 1-7 Van der Waals Atrações hidrofóbicas variável * 1 Caloria = 4,184 Joules

9 PROTEÍNAS

10 Definição Proteínas são polímeros de aminoácidos Os aminoácidos estão unidos entre si por ligações peptídicas Proteínas naturais são polímeros de L-aminoácidos

11 Nomenclatura Peptídio poucos aminoácidos (2 a 30) (resíduos) Polipeptídio - de 30 a 50 aminoácidos Proteínas - > 50 aminoácidos

12 Ligação peptídica É uma ligação carbono-nitrogênio que se forma pela reação entre o grupo carboxila (COO -- ) de um aminoácido e o grupo amino (NH 3 + ) do aminoácido seguinte. Nota: grupos carboxila e amino ligados ao Carbono alfa. O comprimento de uma ligação peptídica é 1,33 Å

13 Formação da ligação peptídica A reação acima JAMAIS ocorre espontaneamente num ser vivo. A ligação peptídica é feita no aparato de síntese proteica e ocorre nos ribossomos. Nesta reação os aminoácidos sempre estão ligados a um trna. A energia para a formação da ligação peptídica provem da hidrólise do ATP e GTP. (ver nas aulas do módulo de Biologia Molecular). Quebra da ligação peptídica Hidrólise química: Aquecimento prolongado em presença de ácido forte. Ex. 6M HCl a 110 o C, por 18 a 24 hs, no vácuo. Hidrólise enzimática: Incubação com enzimas proteolíticas. Ex: pepsina, tripsina, quimotripsina. Neste caso pode ser a 37 o C por tempo curto.

14 Características da ligação peptídica (ligação amida, covalente) AA1 O AA2 C N Os 4 átomos ficam no mesmo plano H CARBOXILA AMINA

15 Cadeia polipeptídica a1 a2 a3 ax ay az Amino terminal Carboxi terminal 1. Sentido da Cadeia Polipeptídica: grupo amino-terminal livre do aminoácido 1 e grupo carboxi-terminal livre do aminoácido z. 2. Grupos R dos aminoácidos estão livres.

16 Estrutura Primária (Estrutura linear) Estrutura Primária = sequência de aminoácidos da proteína. Esta estrutura é mantida pela ligação peptídica (covalente) entre os resíduos de aminoácidos. A estrutura é determinada pelo código genético no DNA. Ala Val Lys diferente de Lys Val Ala NOTA: A estrutura primária da proteína determina sua estrutura tridimensional. A estrutura tridimensional determina sua FUNÇÃO

17 As proteínas podem ser classificadas quanto à sua forma em: proteínas globulares: a cadeia polipeptídica enrola-se sobre si mesma criando uma estrutura compacta mais ou menos esférica proteínas fibrosas: as cadeias se enrolam entre si criando uma estrutura tipo fibra. proteínas globulares proteínas fibrosas

18 Representação da estrutura de algumas Proteínas Globulares

19 Níveis de organização estrutural de uma proteína Toda a proteína possui uma: Estrutura primária Regiões de estrutura secundária Estrutura Terciária Algumas proteínas possuem estrutura quaternária

20 Níveis de organização estrutural de uma proteína Nota: nem todas as proteínas

21 Estrutura Secundária Mantida por ligações fracas (Pontes de hidrogênio) entre átomos da cadeia principal (C e N da ligação peptídica) Dois tipos principais: - alfa-hélice - folha beta pregueada Presente em segmentos da proteína Folha beta pregueada Alfa-hélice

22 Estrutura Secundária Pontes de hidrogênio entre átomos da cadeia principal

23 O R O C N C C N H H H O R O C N C C N H H H Pontes de H = 1 a 7 kcal/mol

24 Estrutura Secundária

25 Proteína com elevado conteúdo de folhas beta pregueadas Regiões sem estrutura definida

26 Estrutura terciária Conformação tridimensional final da proteína Dobramento final da cadeia polipeptídica por interações com regiões com estrutura definida ( alfa-hélice e folha beta pregueada) e regiões sem estrutura definida. Estrutura terciária mantida por: Interações fracas e fortes (pontes S-S) entre átomos da cadeia lateral (grupo R)

27 Estrutura terciária Interações fracas (não covalentes) entre átomos da cadeia lateral (grupo R) de um aminoácido com átomos da cadeia lateral de outro aminoácido. Grupos R Lembrar

28 Interações na estrutura terciária Pontes de H entre AA polares com e sem carga Interações hidrofóbicas entre AA apolares Interações iônicas (eletrostáticas) entre AA polares Ponte dissulfeto (entre cisteínas) Ligação covalente

29 Ligações covalentes Pontes dissulfeto (S-S) formam-se entre os grupos SH de duas cisteínas O O Cisteína O O + H 3 N C C H C CH 2 + H 3 N CCH2 H S Cistina SH O H O S 2 C H C C N 3 + H

30 Estrutura Quaternária Muitas proteínas são constituídas por mais de uma cadeia polipeptídica. A estrutura quaternária descreve a forma com que as diferentes subunidades se agrupam e se ajustam para formar a estrutura total da proteína. Forças que mantém a estrutura quaternária: Interações fracas e pontes S-S Subunidade B Subunidade A Estrutura quaternária da Proteína

31 Exemplo: HEMOGLOBINA é composta por quatro subunidades 2 subunidades alfa e 2 subunidades beta Grupo Heme

32 Ligação do Oxigênio ao grupo Heme da Hemoglobina

33 Níveis de organização estrutural das proteínas e tipo de ligações Estrutura primária RESUMO Ligações covalentes (= ligação peptídica) entre os resíduos de aminoácidos da proteína Estrutura secundária Ligações fracas (Pontes de hidrogênio) entre átomos da cadeia principal, C=O e H-N Estrutura terciária Interações fracas (ligações iônicas, pontes de Hidrogênio, ligações de van der Waals, atrações hidrofóbicas) entre átomos da cadeia lateral (grupo R) e interações fortes (covalentes) entre os grupos SH de cisteínas (pontes dissulfeto)

34 Estrutura quaternária Apenas em proteínas que contém mais de uma subunidade. Nota: Cada subunidade (ou monômero) é uma proteína. As subunidades interagem por ligações fracas (ligações iônicas, pontes de Hidrogênio, ligações de van der Waals, atrações hidrofóbicas) ) entre átomos da cadeia lateral (grupo R) de cada subunidade e interações fortes (covalentes) entre os grupos SH de cisteínas (pontes dissulfeto) das subunidades. Executar o software de estrutura de proteinas

35 Resumo dos níveis de organização estrutural de uma proteína Nota: nem todas as proteínas

36 OBSERVAÇÃO Pontes de Hidrogênio entre átomos da cadeia principal na ESTRUTURA SECUNDÁRIA pontes de Hidrogênio entre átomos da cadeia lateral R na ESTRUTURA TERCIÁRIA

37 Exemplo: Proteína Actina do músculo Proteína globular 374 aminoácidos AA N-terminal Ac. Aspártico (D) AA C- terminal Fenilalanina (F) Estrutura Primária - sequência linear dos aminoácidos DDDIAALVVDNGSGMCKAGFAGDDAPRAVFPSIVGRPRHQGVMVGMGQKD SYVGDEAQSKRGILTLKYPIEHGIVTNWDDMEKIWHHTFYNELRVAPEEHP VLLTEAPLNPKANREKMTQIMFETFNTPAMYVAIQAVLSLYASGRTTGIVM DSGDGVTHTVPIYEGYALPHAILRLDLAGRDLTDYLMKILTERGYSFTTTA EREIVRDIKEKLCYVALDFEQEMATAASSSSLEKSYELPDGQVITIGNERF RCPEALFQPSFLGMESCGIHETTFNSIMKCDVDIRKDLYANTVLSGGTTMY PGIADRMQKEITALAPSTMKIKIIAPPERKYSVWIGGSILASLSTFQQMWI SKQEYDESGPSIVHRKCF

38 Estrutura Tridimensional da Actina ATP ATP

39 As moléculas de Actina se polimerizam em forma helicoidal formando um filamento chamado de Actina F Ao filamento de Actina associam-se outras proteínas: Tropomiosina e Troponina

40 Mutações no gene da actina Patologias: nemaline myopathy, myotubular myopathy, central core myopathy, congenital fiber type disproportion, and multicore myopathy

41 DESNATURAÇÃO DE PROTEÍNAS Desnaturação é a perda da estrutura tridimensional (secundária, terciária e quaternária) das proteínas. Com a desnaturação as proteínas perdem sua função. Não há perda da estrutura primária

42 DESNATURAÇÃO DE PROTEÍNAS AGENTES Ocorre em presença de temperaturas elevadas, uréia, ácidos fracos, álcalis, sais concentrados e álcool Esses agentes rompem as ligações fracas que mantém a estrutura tridimensional (secundária, terciária e quaternária).

43 DESNATURAÇÃO DE PROTEÍNAS (cont.) A estrutura primária da proteína não é rompida com estes agentes pois é mantida por ligações covalentes que são ligações fortes. A estrutura primária da proteína é rompida por situações drásticas (HCl 6N, 100 o C) ou pela ação de proteases.

44 Christian ANFINSEN Prêmio Nobel em 1972 A sequência dos aminoácidos de uma proteína determina a conformação da mesma. EXPERIMENTO: A Ribonuclease (RNase) é uma proteína que tem 124 aminoácidos. Apresenta quatro pontes S-S entre 8 Cisteínas

45 Denaturação da RNase 1. Redução das pontes S-S com beta mercaptoetanol 2. Desnaturação da proteína com 8 M Uréia Enzima inativa

46 ANFINSEN - Remoção da uréia e Oxidação das cisteínas para formar pontes S-S A Enzima readquiriu sua conformação nativa e recuperou mais de 90% de sua atividade Nota: Se as 8 cisteínas se combinassem aleatoriamente 2 a 2, haveria 2 8 = 256 possibilidades de formar diferentes pontes dissulfeto, mas apenas o arranjo original de pontes S-S se forma. Conclusão: A sequência dos aminoácidos de uma proteína (sequência primária) determina a conformação da mesma.

47 PROTEÍNAS FIBROSAS Possuem forma alongada. A maioria das proteínas fibrosas têm um papel estrutural em células animais e nos tecidos. Tropomiosina Presente na célula muscular Colágeno Proteína mais abundante em vertebrados (matriz do osso; material dos tendões) Queratina Cabelo, unhas e pele Elastina Fibra elástica em ligamentos e vasos sanguíneos arteriais Fibroína Feita pelo bicho da seda e aranhas

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49 ESTRUTURA DO COLÁGENO O colágeno é um material extracelular fabricado pelos fibroblastos. É uma proteína fibrosa que resulta relativamente insolúvel em água. O colágeno é formado por três cadeias polipeptídicas entrelaçadas, formando uma tripla hélice.

50 ESTRUTURA DA QUERATINA ursos/10263/alfa_queratina.swf

51 Pontes dissulfeto na queratina Cabelo liso poucas pontes S-S entre as cadeias laterais da cisteína de fibrilas adjacentes. Cabelo ondulado - muitas pontes S-S entre as cadeias laterais da cisteína de fibrilas adjacentes.

52 Processos para alisamento e relaxamento São três os métodos mais utilizados para alisar os cabelos: o alisamento tradicional, o relaxamento o recondicionamento térmico (ou chapinha japonesa). Produtos usados: Hidróxido de Sódio Tioglicolato de Amônia Hidróxido de Guanidina Transformam as ligações S-S em ligações de lantionina. C&sig=sa7uQxq6s6MWntDiMvjyIeJMdeQ&hl=en&sa=X&ei=KJ5OT- BCzsKxAq2ezRo&redir_esc=y#v=onepage&q=lanthionine%20AND%20hair&f=false

53 Lantionina

54 Eletroforese Processo segundo o qual moléculas podem ser separadas de acordo com sua carga elétrica (e tamanho) ao se aplicar um campo elétrico. Cada molécula move-se em direção ao eletrodo de polaridade elétrica oposta. Para uma dada mistura, a velocidade com a qual a molécula se move (mobilidade eletroforética) é diretamente proporcional à magnitude da carga da molécula e inversamente proporcional ao seu tamanho.

55 Eletroforese em papel Cuba Amostra (dois aminoácidos em tampão ph 7,0): ácido glutâmico (pk 1 = 2,09; pk 2 = 9,82; pk R = 4,25) Lisina (pk 1 = 2,18; pk 2 = 8,95; pk R = 10,53) qual carga líquida de cada aminoácido em ph 7,0???

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67 Onde migrou o ácido aspártico? Onde migrou a lisina?

68 Carga elétrica de uma proteina A carga elétrica total de uma proteina é dada pela somatória das cargas das cadeias laterais (grupos R) dos aminoácidos que a compõem. Estas cargas, por sua vez, dependem dos pkas dos grupos R e do ph do meio. Ponto isoelétrico de uma proteina (pi) Corresponde ao ph onde a carga total líquida da proteína é igual a ZERO. O pi é determinado experimentalmente por eletroforese. Proteínas Básicas possuem pi > 7 Proteínas Ácidas possuem pi < 7

69 Eletroforese das proteínas do soro O soro contém dois grupos de proteínas: a albumina e as globulinas. As globulinas se dividem em α1, α2, β e γ Pesquisar qual a função de cada classe de proteínas Concentração das proteínas no soro Proteína total 6,0-7,8 g/dl (60-78 g/l) Albumina 3,5-5,5 g/dl (35-55 g/l) Globulinas 2,3-3,5 g/dl (23-35 g/l) Nota: Na fração de γ-globulinas estão os anticorpos

70 Separação das proteínas do soro por eletroforese em papel (ph 8,6) Albumina pi 4,8 Gama globulina pi 7,2 Polo (+) Após o término da corrida, cora-se o papel com corante apropriado Polo (-)

71 Densitometria das bandas coradas (a altura da banda define a concentração da proteína) Indivíduo normal O que está alterado??? Paciente Macroglobulinemia de Waldenstrom (>IgM)

72 Understanding and Interpreting Serum Protein Electrophoresis