Soluções de Conjunto de Problemas 1

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1 Soluções de Conjunto de Problemas 1 Questão 1 a) Quais são os quatro tipos principais de moléculas biológicas discutidos na aula? Cite uma função importante de cada tipo de molécula biológica na célula. Fosfolipídeos: formam as camadas duplas que são as membranas da célula. Carboidratos: açúcares simples que fornecem energia para os processos celulares; a celulose polimerizada atua como um componente estrutural e o glicogênio polimerizado atua como armazenador de energia. Proteínas: São responsáveis por praticamente todas as funções celulares; enzimas para trajetos metabólicos, proteínas estruturais para a estrutura das células, proteínas de membrana para a regulagem das células, reconhecimentos de células e transporte de moléculas para dentro e fora da célula. Ácidos Nucléicos: armazenamento e transferência de material genético. b) Responda brevemente as questões a seguir. i) Quais são as duas principais diferenças entre as células procarióticas e eucarióticas? As células procarióticas não têm um núcleo, ao passo que as eucarióticas têm. Em termos de evolução, as células procarióticas são mais antigas que as eucarióticas. As células eucarióticas têm organelas e membranas internas, as procarióticas não. ii) Qual é a diferença entre organismos unicelulares e multicelulares? Organismos unicelulares vivem e se reproduzem como células isoladas. Cada célula tem o mesmo DNA e a mesma aparência. Organismos multicelulares são compostos por várias células. Cada célula em um organismo multicelular tem o mesmo DNA, porém as células têm aparências diferentes. iii) Os procariotas são unicelulares ou multicelulares? E os eucariotas? Procariotas são unicelulares. Eucariotas podem ser organismos multicelulares ou unicelulares.

2 Questão 1, continuação c) Para os pares de aminoácidos abaixo, faça um círculo em torno de cada cadeia lateral. Forneça o tipo mais forte de interação que ocorre entre os grupos de cadeias laterais de cada par. Aminoácidos Interação GLICINA GLUTAMINA van der Waals TIROSINA ASPARAGINA hidrogênio ÁCIDO GLUTÂMICO LISINA iônica d) Desenhe a estrutura química do polipeptídeo a seguir em ph 7. cisteína-alanina-tirosina-fenilalanina e) Na estrutura desenhada acima, faça um círculo em torno de uma ligação peptídica. Soluções de Conjunto de Problemas 1 2

3 Questão 2 A droga Minoxidil é utilizada por via oral como um agente contra hipertensão e de forma tópica como um estimulante para o crescimento capilar. A estrutura do Minoxidil é mostrada a seguir. *O Minoxidil não apresenta carga em seu estado ativo Minoxidil a) Um esquema do local de ligação do Minoxidil em uma proteína hipotética é mostrado abaixo. i) Desenhe as cadeias laterais nas posições dos aminoácidos 51, 129, 134 e 167. ii) Desenhe o Minoxidil, como mostrado acima, ligando-se no local. Certifique-se de considerar as interações entre o Minoxidil e as cadeias laterais, ao orientá-lo dentro do local de ligação. Soluções de Conjunto de Problemas 1 3

4 Questão 2, continuação b) Liste todas as interações que ocorreriam entre os aminoácidos especificados e o Minoxidil no modelo que você propôs, preenchendo a tabela abaixo. Aminoácido Glu 51 Val 129 Leu 134 Asn 167 Interações com o Minoxidil ligação de hidrogênio, van der Waals van der Waals, hidrofóbica van der Waals, hidrofóbica ligação de hidrogênio, van der Waals c) Para decidir se o seu modelo está correto, você constrói algumas versões alteradas dessa proteína e testa se o Minoxidil ainda se liga. Suponha que todos os outros aminoácidos permanecem inalterados. Os resultados são os seguintes: Proteína Posição 51 Posição 129 Posição 134 Posição 167 Liga? normal Glu 51 Val 129 Leu 134 Asn 167 sim variante 1 Asp 51 Val 129 Leu 134 Asn 167 sim variante 2 Gly 51 Val 129 Leu 134 Asn 167 sim variante 3 Gly 51 Val 129 Leu 134 Ala 167 não variante 4 Glu 51 Lys 129 Leu 134 Ala 167 não variante 5 Glu 51 Phe 129 Leu 134 Asn 167 sim Das possíveis orientações para o Minoxidil no local de ligação, somente uma orientação é consistente com os resultados acima. Verifique o seu modelo cuidadosamente, revise-o se necessário e responda as questões a seguir. No modelo proposto aqui, as características importantes são a ligação de hidrogênio do Minoxidil com Glu51 e Asn167 e a posição do anel hidrofóbico de Minoxidil na bolsa hidrofóbica próxima a Val129 e Leu134. Se você orientou o Minoxidil de alguma outra forma na bolsa, somente as forças de van der Waals existem entre os resíduos do Minoxidil e as alterações acima ainda permitiriam essas forças. Explique em termos de seu modelo e das prováveis interações por que... i) a variante 2 ligará o Minoxidil, mas a variante 3 não. Na variante 2, uma das duas ligações de hidrogênio permanece, assim como a bolsa hidrofóbica, considerando a informação de que isso é suficiente para permitir a ligação. Na variante 3, as duas ligações de hidrogênio teriam sido perdidas e isso interrompe a ligação. ii) a variante 5 ligará o Minoxidil, mas a variante 4 não. Na variante 4, um aminoácido hidrofóbico é substituído por um aminoácido carregado que interrompe a bolsa hidrofóbica. As substituições na variante 5 não interrompem as interações hidrofóbicas. Soluções de Conjunto de Problemas 1 4

5 Questão 3 Os receptores do fator de crescimento (mostrados abaixo) são proteínas de transmembrana encontradas na superfície celular. extracelular Membrana intracelular receptores do fator de crescimento a) A maior parte das moléculas que constituem a membrana acima pertence a qual classe de macromoléculas? fosfolipídeos Explique as qualidades/propriedades importantes dessas moléculas, as quais permitem que elas formem membranas. Os fosfolipídeos possuem cabeças hidrofílicas e caudas hidrofóbicas que permitem sua montagem em duas camadas contendo um núcleo hidrofóbico quando em meio aquoso. Soluções de Conjunto de Problemas 1 5

6 Questão 3, continuação Um pequeno diagrama esquemático do receptor do fator de crescimento é mostrado abaixo. região transmembrana A seqüência dessa região é mostrada abaixo b) Qual trecho dos aminoácidos na seqüência acima é parte da região transmembrana do receptor? Faça um círculo nesses aminoácidos e explique brevemente o seu raciocínio. Esse trecho contém aminoácidos que são não-polares ou hidrofóbicos, os quais prontamente residiriam no ambiente hidrofóbico da membrana. Quando o fator do crescimento se liga ao domínio extracelular do receptor, uma mudança de conformação ocorre no receptor. A ligação do fator do crescimento causa a dimerização de dois receptores adjacentes na membrana da célula. Após a dimerização, os domínios intracelulares dos receptores se tornam ativos. Veja esquema abaixo. domínio ligandoligação extracelular membrana plasmática domínio intracelular ligando ligando Receptor 1 Receptor 2 domínios inativos domínios ativos Soluções de Conjunto de Problemas 1 6

7 Questão 3, continuação As regiões dos dois receptores que interagem na dimerização estão desenhadas abaixo. Nas partes (i iv) abaixo, nomeie o tipo mais forte de interação (escolha entre: ligação de hidrogênio, iônica, covalente e van der Waals) ocorrendo entre as cadeias laterais dos aminoácidos indicados. Receptor 1 Receptor 2 Cadeias laterais interagindo Tipo de Interação i) Phe50 : Val98 van der Waals ii) Asp68 : Lys65 iônica iii) Cys75 : Cys82 covalente iv) Ser53 : Gln12 hidrogênio d) Explique como o Gln12 e o Val98, tão distantes na seqüência primária da proteína, podem estar próximos entre si na região da proteína diagramada acima. Quando a proteína se incorpora em sua forma final, os resíduos de aminoácidos longe da estrutura primária podem ser alinhados próximos uns aos outros. Soluções de Conjunto de Problemas 1 7

8 Soluções de Conjunto de Problemas 1 8

9 Questão 3, continuação e) As interações moleculares entre os dois receptores são importantes para a dimerização. Dessa forma, a substituição de certos aminoácidos na proteína pode afetar a dimerização do receptor. Estime se os receptores serão capazes ou não de dimerizar considerando as substituições (i iv) abaixo. EXPLIQUE seu raciocínio. i) Asp68 Arg: Os receptores não serão capazes de dimerizar porque isso significa a substituição de um aminoácido com carga negativa por um de carga positiva. A ligação iônica entre o Asp68 e o Lys65 é interrompida, ocorrendo uma repulsão. ii) Ser53 Thr: Os receptores serão capazes de dimerizar porque isso significa a substituição de um aminoácido polar que pode participar nas ligações de hidrogênio com outro aminoácido do mesmo tipo. iii) Phe50 Asn: Os receptores serão capazes de dimerizar mesmo que isso signifique a substituição de um ácido hidrofóbico por um aminoácido polar, pois as forças de van der Waals permanecem. (Dentro da região diagramada, a proximidade das espécies carregadas torna improvável a atuação das interações hidrofóbicas como uma força importante na interação entre dois receptores.) iv) Val98 Ile: Os receptores serão capazes de dimerizar porque isso significa a substituição de um ácido hidrofóbico por outro aminoácido do mesmo tipo. As forças de van der Waals permanecem. e) A substituição de um aminoácido, Cys75 Gly, leva à dimerização dos receptores com ou sem o fator do crescimento. Forneça uma breve explicação para essa observação. Essa substituição posiciona dois resíduos de cisteína em oposição entre si. Esses dois resíduos podem formar uma ligação de dissulfeto e, portanto, ligar os dois receptores entre si. Soluções de Conjunto de Problemas 1 9

10 Questão 4 A reação a seguir é o décimo e último passo na glicólise: piruvato cinase Fosfoenolpiruvato + ADP < > piruvato + ATP DG = -7,5 kcal/mol a) Calcule Keq para essa reação sob as condições padrão a 25ºC e faça um círculo na afirmação correta a seguir. G = G 0 + RT ln ([produtos]/[reagentes]) no equilíbrio, G = 0 e Keq = ([produtos]/[reagentes]) portanto G 0 = -RT ln (Keq) Dessa forma: -7,5 kcal / mol = -0,59 kcal / mol ln (Keq) 12,7 = ln (Keq) Keq = e 12,7 Keq = 3,3 x 10 5 No equilíbrio, [fosfoenolpiruvato] > [piruvato] No equilíbrio, [fosfoenolpiruvato] < [piruvato] b) As concentrações a seguir são encontradas nos glóbulos vermelhos do sangue. Calcule G para a reação a 37ºC. Em qual direção essa reação prosseguirá de forma espontânea? [ADP] = 10 mm [ATP] = 81 mm [fosfoenolpiruvato] = 10 mm [piruvato] = 500 nm G = G 0 + RT ln ([produtos]/[reagentes]) G = -7,5 kcal / mol +0,61 kcal / mol x ln (500 x 81)/ (10 x10) G = -3,84 kcal / mol A reação é espontânea da esquerda para a direita: Fosfoenolpiruvato + ADP > piruvato + ATP Soluções de Conjunto de Problemas 1 10

11 Questão 4, continuação c) Desenhe o perfil de energia para essa reação sob condições fisiológicas. No diagrama, certifiquese de: 1) mostrar os níveis relativos de energia dos reagentes e produtos. 2) rotule os eixos 3) rotule reagentes e produtos 4) indique a energia de ativação 5) indique G Energia Livre (G) kcal / mol fosfoenolpiruvato +ATP Energia de ativação piruvato +ADP Andamento da Reação d) Como o piruvato cinase ( a enzima que catalisa essa reação) altera o perfil de energia? A enzima somente reduz a energia de ativação. Ela não altera a energia livre dos reagentes, produtos ou da reação geral. Soluções de Conjunto de Problemas 1 11

12 ESTRUTURAS DOS AMINOÁCIDOS em ph 7,0 ALANINA ARGININA ASPARAGINA ÁCIDO ASPÁRTICO (ala) (arg) (asn) (asp) CISTEÍNA ÁCIDO GLUTÂMICO GLUTAMINA GLICINA (cys) (glu) (gln) (gly) HISTIDINA ISOLEUCINA LEUCINA LISINA (his) (ile) (leu) (lys) METIONINA FENILALANINA PROLINA SERINA (met) (phe) (pro) (ser) TREONINA TRIPTOFAN TIROSINA VALINA (thr) (trp) (tyr) (val) Soluções de Conjunto de Problemas 1 12

13 Para a reação: com G 0 como sua energia livre padrão no equilíbrio: ou onde: se T = 25ºC então se T = 37ºC então sob quaisquer condições: Cinética Enzimática: Para a reação catalisada por enzima: na qual: S = Substrato E = enzima P = produto a velocidade da reação é fornecida por na qual: e Soluções de Conjunto de Problemas 1 13

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