8/30/2010. Aula 4 Interações fracas. Introdução a Bioquímica: Biomoléculas. Intermolecular Intramolecular

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1 Introdução a Bioquímica: Biomoléculas Intermolecular Intramolecular Aula 4 Interações fracas Forças Intermoleculares são forças de atração entre moléculas. 41 kj para vaporizar 1 mol of água (inter) Forças Intramoleculares (ligações) mantem os átomos juntos dentro da molécula e são muito mais fortes. Ignez Caracelli Julio Schpector 930 kj para quebrar todas as ligações - em 1 mol de água (intra) BioMat DF UFSCar LaCrEMM DQ UFSCar 1 São Carlos, 30 de agosto de Estrutura Primária das Proteínas Estrutura secundária das proteínas folding local enovelamento ao longo de pequenas seções da cadeia polipeptídica interação entre aminoácidos adjacentes ligações de hidrogênio entre grupos R -hélice folha (constituída de fitas ) ligações de hidrogênio 3 cadeia polipeptídica ligação covalente 4 -hélice folha pregueada Estrutura Terciária Folding global determinada por interações entre as cadeias laterais (grupos R) ligação de hidrogênio interações de van der Waals e hidrofóbicas 1959 Kauzmann; cadeias hidrofóbicas e enovelamento SCIENCE, 2008, VL 320, 1725 Metamorphic Proteins Proteins that can adopt more than one native folded conformation ligação dissulfeto ligação covalente 5 esqueleto polipeptídico ligação covalente ligação iônica 6 Limphotactin 1

2 Estrutura quaternária Interações Não-Covalentes Mais que uma cadeia polipeptídica juntas por interações fracas colágeno Mecanismos moleculares Predizer estruturas de proteínas Predizer mudanças funcionais Manipular propriedades de proteínas Modificar velocidade de reação ou atividade: QM 7 hemoglobina 8 causas da ligação droga receptor energias força das ligações químicas Complementaridade de forma Interações não-covalentes 9 idrofobicidade 10 interações dipolo induzido-dipolo induzido e Ne Ar U vdw U vdw 4 q (4 0) k r (4 0) r (17) (14) U vdw ouu d q (16) k 2

3 interações dipolo-dipolo interações dipolo-dipolo induzido 13 U d, d U vdw 1 6k T b (4 0) r r (17) d acetona Cd+ 3 C C3 d Cd+ C 3 C Representação simples De um dipolo } atração eletrostática 14 U d ind Água dipolar e uma molécula não-polar de oxigênio d+ se aproximam 2d = d+ d+ 2d d+ d 2 6 r = d+ Um dipolo fraco é induzido é gerado na molécula de oxigênio Interações Interações iônicas 15 Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006) Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006) Interação íon-dipolo permanente dipolo + - p p 0 17 Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006)

4 Forcas de van der Waals N 3 + dipolo permanente Interações de van der Waals Forças de Keeson C - 19 Exemplo: dipolo elétrico formado pelas hélices α em proteínas 20 Forças de London ou de dispersão Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006) Ligação de idrogênio Aparece um hidrogênio ligado covalentemente com um átomo retirador de elétrons e um aceptor com carga parcial negativa: D-... A Pergunta Teoria do rbital Molecular B 2 6 A molécula de B 3 existe na fase gasosa, mas dimeriza a B 2 6 ligação de hidrogênio = ponte de hidrogênio? 2 B 3 B 2 6 B B B B Duas interações 3c-2e 4

5 Teoria do rbital Molecular B 2 6 Teoria do rbital Molecular B 2 6 Uma forma de construir o diagrama de M para B 2 6 é primeiro quebrar a molécula em dois fragmentos B 2 4 e ---. s LG s (ligand group orbitals) para os dois fragmentos são determinados (D 2h grupo pontual) e então as interações entre estes dois grupos resultará nos M s do B A molécula de diborano B 2 6 contem átomos de em ponte, que unem dois átomos de B apesar de terem somente um elétron de valência. átomo de B, por sua vez, se une a 4, apesar de ter somente 3 elétrons. A molécula B 2 6 é conhecida como elétron deficiente. As distancias de ligação B- mostram que as ligações terminais e as da ponte são diferentes. 26 Teoria do rbital Molecular B 2 6 Teoria do rbital Molecular B 2 6 s 6 LG s, mais baixos do B 2 4 LG a g no --- corresponde com a simetria de dois LG s do B 2 4 s LG s para o fragmento Teoria do rbital Molecular B 2 6 Teoria do rbital Molecular B 2 6 LG b 3u do --- corresponde com a simetria de um LG do B 2 4 Representacao dos M s a g e b 3u que posuem B--B caracter ligante Dos dois a g LG s nos fragmentos B 2 4, somente um tem energia perto do correspondente LG do --- 5

6 Teoria do rbital Molecular B 2 6 Ponte de idrogênio ligação entre três centros e dois elétrons, onde o hidrogênio está ligado a outros dois núcleos menos eletronegativos Nesta parte do diagrama de M para B 2 6, os dois M s ligantes estarão preenchidos (a g e b 3u ) para dar duas ligações 3c-2e para as duas pontes B- -B estrutura onde três átomos estão unidos por apenas dois elétrons por meio do átomo de hidrogênio, como por exemplo, a diborana (B 2 6 ) Resposta Ligações de hidrogênio ligação de hidrogênio ponte de hidrogênio Clássicas ligação de hidrogênio e ponte de hidrogênio não são sinônimos Não Clássicas Ligações de hidrogênio Energia varia entre 3 a 7 kcal/mol. Ligação de idrogênio entre 2 moléculas de água Átomos Distância A , , N 2,88 N ,04 N ,93 N N 3,10 N S 2,

7 R C C = C = N C Entre grupos peptídicos R C = C Entre grupos C = Entre C - e da Tyr Timina Citosina N + - C = Entre N 3 + e C - Adenina Guanina 39 C N = C C R Entre da Serina e um grupo peptídico 40 Parte de uma hélice DNA ligações de hidrogênio ligações de hidrogênio não clássicas F X (halogênios) S ---N C π F ---F ---Se S --- C ---N C ---π 41 7

8 ligações de hidrogênio Mitos e Realidades Não há evidência experimental de que a uma certa distância crítica a natureza de uma interação X-... A passe de uma mais forte? mais fraca? ligação de hidrogênio para uma interação de van der Waals ligações de hidrogênio ligações de hidrogênio não-clássicas C-...π ligações de hidrogênio não-clássicas interações π-π empilhamento - Podem aparecer entre sistemas que possuem densidade eletrônica delocalizada (sistemas aromáticos). Interações atrativas incluem face-a-face ou vértice-aface. Ainda que estas interações são fracas elas são responsáveis pelo enovelamento do DNA

9 interações π-π interação cátion-π figura do Sergio interaçoes cátion-π relativamente fortes nova interação cátion-π de interesse biológico Gold aryl interactions as supramolecular synthons 51 CrystEngComm, 2009, 11, CVER ARTICLE interações cátion-π são comuns em biomoléculas A maioria das análises estatísticas de estruturas de proteínas usam critérios geométricos. que é um problema para estas interações devido à diversidade de geometrias interações cátion-π Uma interação cation- cada 77 aminoácidos Arginina é preferida frente a lisina Mais de 25% de todos os triptofanos estão envolvidos em interações cátion

10 enzima interação cátion-π quádrupla Glicoamilase: 1gai interações ânion-π interações ânion-π Ânions em sistemas biológicos? 70 a 75% dos substratos e cofatores são ânions: Fosfatos (ATP e ADP) Sulfatos Carboxilatos Anions cloreto (ânion extracelular mais abundante) F F -q -q F F -q -q X = halogênio X -q -q d r vdw d r vdw -q -q

11 par-isolado de elétrons 3.65 Å importância das ligações químicas fracas Efeitos idrofóbicos Ligações fracas têm energias que variam de 1 a 7 kcal/mol e são constantemente feitas e quebradas. máximo de ligações covalentes está limitada pela valência: (oxigênio tem 2 valências) No caso de ligações fracas, o fator limitante é puramente espacial ângulo entre duas ligações covalentes é sempre o mesmo. Por exemplo, no metano: C 4 todos são de 109 o Nas ligações fracas o ângulo é variável s ácidos graxos de cadeia longa possuem cadeias alquílicas hidrofóbicas, que ao serem introduzidas na água, se rodeiam de moléculas de água altamente ordenadas Efeitos idrofóbicos Quando as moléculas de ácidos graxos se agrupam lateralmente diminui o número de moléculas de água ordenadas Similarmente ao se agrupar em micelas, os ácidos graxos expõem uma superfície hidrofílica e minimizam o ordenamento das moléculas de água. A micela se estabiliza pelo efeito entrópico de aumentar a água desordenada 66 Efeitos idrofóbicos Visão superior da geração de uma união hidrofóbica Cada cadeia hidrocarbonada (de 9 C) está rodeada por 4 colunas de 6 moléculas de água cada uma. A associação de duas moléculas de ácido cáprico (10 C) elimina 2 colunas de moléculas água da cela do solvente G = T S = 2 1 y S = S 2 S 1 Cálculo de (para o complexo molecular descrito): Quebra de 12 ligações 2 /C 2 = kj Formação de 9 ligações = 2 C/ 2 C= - 36 kj Formação de 6 ligações 2 / kj = - 36 kj 11

12 67 Cálculo de S: Por analogia à mudança água (s) => água (l) com S = 22 J/K. mol de água e 12 mols de água (22 J/K x 12 x 300 K) = 79.2 kj T S = - 79 kj G = T S G = - 36 kj 79 kj G = kj Processo espontâneo Aos domínios (espaços) hidrofóbicos compartilhados entre moléculas, que excluem às moléculas de água, se denominam união hidrofóbica. Na realidade, não há uma união hidrofóbica, senão uma serie de atrações tipo van der Waals e tipo London somadas as ligações de hidrogênio do solvente (água). As uniões hidrofóbicas são responsáveis pela formação de micelas, monocamadas e bicamadas lipídicas, membranas biológicas e dobra de proteínas. 68 Efeitos idrofóbicos A temperatura ambiente o efeito hidrofóbico é entrópico as moléculas de água formam estruturas ordenadas ao redor de compostos não polares. s resíduos hidrofóbicos colapsam para o interior para excluir a água. Forças adicionais podem então atuar estabilizando (vdw, ligações de ). Exercício 1. Buscar no PDB ou PDBSum a estrutura 1am6 2. Analisar as interações intermoleculares entre a proteína e o ligante AE - Acetohydroxamic acid 3. Fazer uma ou mais figuras (formato jpg em fundo branco) mostrando interações e distâncias