Biologia Estrutural. Estrutura de Proteínas. wfdaj.sites.uol.com.br. Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr Dr. Walter F. de Azevedo Jr.

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1 Biologia Estrutural Estrutura de Proteínas Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr.

2 Biologia Estrutural Resumo Por que estudar proteínas? Dicionário molecular das proteínas PDB Estrutura secundária de proteínas Estrutura 3D de proteínas Referências

3 Por que Estudar Proteínas? 1) Identificar mecanismos de funcionamento de proteínas 2)Protein folding 3) Evolução molecular 4) Modelagem molecular 5) Engenharia de proteínas 6) Desenho de drogas

4 Dicionário Molecular das Proteínas

5 Aminoácidos As letras do alfabeto protéico são os aminoácidos. A fórmula molecular do aminoácido é mostrada abaixo. O aminoácido tem um terminal (amino) e outro terminal carboxílico. No centro temos um carbono tetraédrico, chamado carbono alfa, ligado covalentemente ao terminais amino (grupo amino NH2) e carboxílico (grupo carboxila, COOH). O carbono alfa tem mais duas ligações covalentes, uma com hidrogênio e outra com a cadeia lateral. A cadeia lateral é responsável pela identidade do aminoácido. Há vinte tipos diferentes de aminoácidos, ou seja, temos vinte tipos possíveis de cadeias laterais. H + H 3N C R O C O -

6 Aminoácidos Os aminoácidos são moléculas quirais, ou seja, admitem duas formas, sendo uma a imagem espelhada da outra. Uma característica interessante sobre a quiralidade dos aminoácidos, todos aminoácidos naturais são da forma L (levógiro), chamados aminoácidos L. Uma consequência da quiralidade dos aminoácidos é o fato de todos os cristais de proteínas não apresentarem simetria espelho ou centro de inversão, o que reduz o número de grupos espaciais possíveis a 64. A distribuição dos átomos em torno do carbono alfa nos aminoácidos L segue uma regra mnemônica simples, chamada regra do CORN, olhe o diagrama esquemático da representação do aminoácido L. Neste diagrama estamos olhando para o carbono alfa ao longo da ligação covalente com o átomo de hidrogênio. Nesta situação temos três ligações covalentes restantes seguindo a regra do CORN, o CO para a carboxila, o R para a cadeia lateral e o N para o grupo amino.

7 Aminoácidos A regra do CORN indica a distribuição das ligações covalentes ao redor do carbono alfa. O estado de protonação tanto do grupo amino quanto do grupo carboxílico dependem do ph do meio, e podem apresentar-se protonado como desprotonado. O estado mostrado na fórmula molecular e na estrutura tridimensional é o predominante nas condições fisiológicas. COO H + H 3N C R R O C O - NH3

8 Aminoácidos Glicina Gly G Tirosina* Tyr Y Alanina Ala A Metionina Met M Serina* Ser S Triptofano* Trp W Treonina* Thr T Asparagina* Asn N Cisteina Cys C Glutamina* Gln Q Valina Val V Histidina* His H Isoleucina Ile I Aspartato* Asp D Leucina Leu L Glutamato* Glu E Prolina Pro P Fenilalanina Phe F Lisina* K * podem formar ligações de H Arginina* Lys Arg R

9 hidrofobicidade Escala de hidrofobicidade de aa 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5 W I F L C M V Y P A T H G S Q N E D K R aminoacidos

10 Diagrama de Venn p/ Aminoácidos Com enxofre Cys Met Val Gly Phe Ala Trp Thr Ser Gln Tyr Asn Ácidos Aromáticos Asp Ile Leu Alifáticos Pro Glu Polares Lys His Básicos Arg Hidrofóbicos

11 PDB

12 Base de Dados PDB A resolução da estrutura tridimensional de proteínas, por meio da técnica de cristalografia por difração de raios X, gerou uma grande quantidade de informação estrutural sobre as proteínas, na tentativa de armazenar a estrutura dessas proteínas foi criado em 1977 uma base de dados. Essa base de dados chamada Protein Data Bank(PDB), armazena as coordenadas atômicas de quase todas as proteínas e outras macromoléculas biológicas determinadas até hoje. Tal base de dados é disponibilizada no site As coordenadas atômicas armazenadas nessa base de dados apresentam um formato rígido, chamado formato PDB. Este formato permite o armazenamento de informações sobre a técnica experimental usada para determinar a estrutura, detalhes sobre a macromolécula, origem, fonte, forma de obtenção, referências dos artigos relacionados à estrutura depositada e, obviamente, as coordenadas atômicas. As informações sobre as coordenadas atômicas são dadas para cada átomo, identificando o átomo e sua posição, bem como a qual resíduo o átomo pertence e a numeração do resíduo de aminoácido, bem como a numeração do átomo. Para ilustrar o formato PDB mostramos no próximo slide as coordenadas atômicas do aminoácido alanina.

13 Base de Dados PDB A figura da estrutura tridimensional do aminoácido alanina foi gerada a partir das coordenadas atômicas armazenadas no arquivo PDB. Para cada átomo mostrado na figura temos uma posição atômica no arquivo PDB. Arquivo PDB para o aminoácido alanina. HETATM HETATM HETATM HETATM HETATM HETATM HETATM HETATM HETATM HETATM HETATM HETATM HETATM END 1 N 2 CA 3 C 4 O 5 H 6 O 7 H 8 H 9 CB 10 H 11 H 12 H 13 H ALA ALA ALA ALA ALA ALA ALA ALA ALA ALA ALA ALA ALA

14 Base de Dados PDB Temos uma relação biunívoca, para cada átomo no arquivo PDB temos um átomo na estrutura. A figura abaixo mostra as coordenadas atômicas para os átomos da figura, exceto os hidrogênios. HETATM HETATM HETATM 4 O 3 C ALA 001 ALA HETATM ALA N ALA 001 HETATM ALA HETATM 6 O 2 CA 9 CB ALA

15 Distância Interatômica (PDB) As coordenadas atômicas, apresentadas nos arquivos PDB, permitem a determinação direta de diversos parâmetros estruturais, tais como, distâncias, ângulos e ângulos de torção. Para o cálculo da distância entre dois átomos (interatômica), i e j, de coordenadas (X, Y, Z) usamos a seguinte equação: D = [ (Xj Xi )2 + (Yj Yi )2 + (Zj Zi )2 ]1/2 Usando-se as coordenadas atômicas de um arquivo PDB para um par de átomos teremos a distância em Å (10-10 m).

16 Distância Interatômica (PDB) Como aplicação consideremos a distância entre o N e o CA da estrutura abaixo. D = [ (Xj Xi )2 + (Yj Yi )2 + (Zj Zi )2 ]1/2 HETATM 2 CA HETATM ALA N ALA

17 Distância Interatômica (PDB) Substituindo-se os valores temos: D = [ (-0,541 0,178 )2 + (1,336 0,132 )2 + (-2,425 (-2,236) )2 ]1/2 D = [ (-0,719 )2 + (1,204 )2 + (-0,189 )2 ]1/2 D = [ 0, , ,036 ]1/2 D = [ 2,003 ]1/2 = 1,42 Å HETATM 2 CA HETATM ALA N ALA

18 Ângulo Interatômico (PDB) O ângulo de ligação (θ), entre as ligações AB e AC, mostrado na figura abaixo, pode ser determinado a partir da seguinte equação: θ = arccos [ (AB) + (AC) - (BC) ] 2(AB)(AC) Onde AB, AC e BC são distâncias interatômicas, determinadas usando-se a equação da distância interatômica, descrita anteriormente. B BC θ A AC C

19 Ângulo Interatômico (PDB) Vamos usar a equação anterior para determinar o ângulo de ligação (θ), entre as ligações N(CA) e (CA)C, mostrada na figura abaixo. As distâncias interatômicas N(CA), (CA)C e NC, são determinadas como descrito anteriormente, omitiremos seu cálculo aqui e usaremos os seus resultados. N(CA) = 1,42 Å, (CA)C = 1,53 Å, e NC = 2,41 Å, aplicando-se esses valores na equação do ângulo temos: θ = arccos [ (1,42) + (1,53) - (2,41) ] 2(1,42)(1,53) C θ CA θ = 109,5o N

20 Ligação Peptídica A estrutura ao lado indica a ligação entre dois resíduos de aminoácido consecutivos, onde somente os átomos da cadeia principal são mostrados (omitindo os hidrogênios). Esses quatro átomos estão num plano, e a ligação covalente entre o carbono da carbonila (C) e o nitrogênio (N) é uma ligação parcialmente dupla, o que deixa esta ligação sem liberdade de torção. Este ângulo de torção é chamado ângulo ômega, e apresenta valor de 180o, na configuração trans mostrada na figura. O ângulo ômega também pode apresentarse na configuração cis, com ângulo ômega de 0o. CA 1,51 Å 1,24 Å O 1,32 Å C N 1,46 Å CA

21 Cadeia Peptídica Abaixo temos uma cadeia peptídica de 6 resíduos de aminoácido, onde lemos a sequência do N para o C terminal, essa convenção é usada para numerar os resíduos na sequência. Tal procedimento facilita a análise de diversas características das sequências de aminoácidos, tais como, conservação de resíduos de aminoácido em determinada posição, identidade sequencial entre diversas proteínas, identificação de sítios ativos, no caso de enzimas, entre outros aspectos. No próximo slide temos o alinhamento sequencial de 6 CDKs, onde as sequências começam no N-terminal e finalizam no C-terminal. R2 R4 R6 C-terminal N-terminal R1 R3 R4

22 Alinhamento de Seqüências CDK2 CDK3 CDK1 CDK5 CDK4 CDK MENFQKVEKIGEGTYGVVYKARNKLTG-EVVALKKIRLDTET---EGVPST MDMFQKVEKIGEGTYGVVYKAKNRETG-QLVALKKIRLDLEM---EGVPST MEDYTKIEKIGEGTYGVVYKGRHKTTG-QVVAMKKIRLESEE---EGVPST MQKYEKLEKIGEGTYGTVFKAKNRETH-EIVALKRVRLDDDD---EGVPSS MATSRYEPVAEIGVGAYGTVYKARDPHSG-HFVALKSVRVPNGGGGGGGLPIS MEKDGLCRADQQYECVAEIGEGAYGKVFKARDLKNGGRFVALKRVRVQTGE---EGMPLS CDK2 CDK3 CDK1 CDK5 CDK4 CDK CDK2 CDK3 CDK1 CDK5 CDK4 CDK LLINTEGAIKLADFGLARAFGVPVRT 158YTHEVVTLWYRAPEILLGCKYYSTAVDIWSLGCIFAEMVTR-RALFPGDS LLINELGAIKLADFGLARAFGVPLRT 158YTHEVVTLWYRAPEILLGSKFYTTAVDIWSIGCIFAEMVTR-KALFPGDS LLIDDKGTIKLADFGLARAFGIPIRV 159YTHEVVTLWYRSPEVLLGSARYSTPVDIWSIGTIFAELATK-KPLFHGDS LLINRNGELKLADFGLARAFGIPVRC 157YSAEVVTLWYRPPDVLFGAKLYSTSIDMWSAGCIFAELANAGRPLFPGND NILVTSGGTVKLADFGLARIYSYQM-A 170LTPVVVTLWYRAPEVLLQST-YATPVDMWSVGCIFAEMFRR-KPLFCGN NILVTSSGQIKLADFGLARIYSFQM-A 175LTSVVVTLWYRAPEVLLQSS-YATPVDLWSVGCIFAEMFRR-KPLFRGS CDK2 CDK3 CDK1 CDK5 CDK4 CDK EIDQLFRIFR 217TLGTPDEVVWPGVTSMPDYKPSFPKWARQ-DFSKVVPPLDEDGRSLLSQMLHYDPNKRIS 276AK EIDQLFRIFR 217MLGTPSEDTWPGVTQLPDYKGSFPKWTRK-GLEEIVPNLEPEGRDLLMQLLQYDPSQRIT 276AK EIDQLFRIFR 218ALGTPNNEVWPEVESLQDYKNTFPKWKPG-SLASHVKNLDENGLDLLSKMLIYDPAKRIS 277GK VDDQLKRIFR 217LLGTPTEEQWPSMTKLPDYKP-YPMYPATTSLVNVVPKLNATGRDLLQNLLKCNPVQRIS 276AE SEADQLGKIFD 228LIGLPPEDDWPRDVSLP--RGAFPPRGPR-PVQSVVPEMEESGAQLLLEMLTFNPHKRIS 285A SDVDQLGKILD 233VIGLPGEEDWPRDVALP--RQAFHSKSAQ-PIEKFVTDIDELGKDLLLKCLTFNPAKRIS 290A NIVKLLDVIHT-----ENKLYLVFEFLHQDLKKFMDASA-LTG NIVRLLDVVHN-----ERKLYLVFEFLSQDLKKYMDSTP-GSE NIVSLQDVLMQ-----DSRLYLIFEFLSMDLKKYLDSIPPGQY NIVRLHDVLHS-----DKKLTLVFEFCDQDLKKYFDSCN--GD NVVRLMDVCATSRTDREIKVTLVFEHVDQDLRTYLDKAP-PPG NVVRLFDVCTVSRTDRETKLTLVFEHVDQDLTTYLDKVP-EPG CDK2 CDK3 CDK1 CDK5 CDK4 CDK AIREISLLKELN---HP 47AIREISLLKELK---HP 47AIREISLLKELR---HP 47ALREICLLKELK---HK 52TVREVALLRRLEAFEHP 57TIREVAVLRHLETFEHP 98IPLPLIKSYLFQLLQGLAFCHSHRVLHRDLKPQN 98LPLHLIKSYLFQLLQGVSFCHSHRVIHRDLKPQN 99MDSSLVKSYLYQILQGIVFCHSRRVLHRDLKPQN 97LDPEIVKSFLFQLLKGLGFCHSRNVLHRDLKPQN 111LPAETIKDLMRQFLRGLDFLHANCIVHRDLKPE 116VPTETIKDMMFQLLRGLDFLHSHRVVHRDLKPQ AALAHPFFQDVTKPVPHLRL TALAHPYFSSP-EPSPAARQYVLQRFRH MALNHPYFNDLDNQIKKM EALQHPYFSDFCPP FRALQHSYLHKDEGNPE YSALSHPYFQDLERCKENLDSHLPPSQNTSELNTA 326

23 Ângulos de Torção Na cadeia polipetídica a definição do enovelamento da proteína depende dos ângulos de torção anterior ao carbono alfa, chamado de ângulo fi (phi em inglês) (φ), e do ângulo de torção após o carbono alfa, chamado ângulo psi (ψ). A análise da rotação desses ângulos levou à identificação de regiões permitidas, onde não há choques entre os átomos, e regiões não-permitidas, onde há choque entre os átomos. Graficando-se para cada resíduo de aminoácido o ângulo fi e psi temos um diagrama bidimensional, onde as regiões permitidas e proibidas são identificáveis, tal diagrama é chamado de diagrama de Ramachandran.

24 Diagrama de Ramachandran ψ(o) Os eixos, fi (φ) e psi (ψ), no diagrama de Ramachandran, variam de -180o a +180o, as regiões no interior das áreas demarcadas no gráfico são regiões permitidas. Fica claro, a partir da análise do gráfico, que a área não permitida é maior do que a permitida. As regiões, não permitidas são possíveis de ocupação para a glicina, pois sua cadeia lateral restringe-se a um átomo de hidrogênio, permitindo mais liberdade para os ângulos fi e psi. φ(o)

25 Diagrama de Ramachandran Em 1993 Laskowski e colaboradores elaboraram um programa chamado PROCHECK que define 4 regiões no diagrama de Ramachandran, são elas: região permitida (indicada em vermelho), região adicionalmente permitida (indicada em amarelo), região generosamente permitida (indicada em amarelo claro) e região proibida (indicada em branco). O programa PROCHECK usa dados da estrutura cristalográfica de 118 proteínas resolvidas a uma resolução melhor que 2,0 Å, para definir as regiões permitidas e proibidas do diagrama.

26 Diagrama de Ramachandran O programa PROCHECK indica as glicinas como triângulos, e estas podem ocupar qualquer região do diagrama de Ramachandran, visto que sua cadeia lateral restringe-se a um hidrogênio, que permite maior flexibilidade da cadeia principal. Os resíduos localizados nas regiões generosamente permitida e proibida são indicados em vermelho. Na figura ao lado o resíduo Val116 está na região generosamente perimitida do gráfico. Referência:Laskowski, R.A.; MacArthur, M.W., Moss, D.S., Thornton, J.M. PROCHECK: a program to check the stereochemical quality of protein structures. J. of Appl. Cryst. 26(2), , (1993).

27 Diagrama de Ramachandran Além do diagrama de Ramachandran o programa PROCHECK oferece diversas outras informações, em outros gráficos, ou mesmo no gráfico principal. Uma delas é a estatística geral dos ângulos fi e psi, indicando a porcentagem de resíduos de aminoácido em cada região, na estrutura 1WE2 (Pereira et al., 2004) temos 92,7 % dos resíduos da região permitida, 6,6 % na região adicionalmente permitida, e 0,7 % na região adicionalmente permitida. Não há resíduos na região proibida. Para estruturas resolvidas a resolução acima de 2,0 Å espera-se acima de 90 % dos resíduos nas regiões permitidas.

28 Diagrama de Ramachandran A análise da qualidade estereoquímica de modelos de proteínas é uma ferramenta poderosa na análise estrutural, sejam obtidos experimentalmente ou obtidos por modelagem molecular. O Programa PROCHECK facilita a análise dos modelos estruturais. Há versões do PROCHECK para windows e linux, bem como, sites dedicados a análise on-line de proteínas, como o PARMODEL (Uchoa et al., 2004) Referências: Pereira, J.H., Oliveira, J. S., Canduri, F., Dias, M.V.B., Palma, M. S., Basso, L. A., Santos, D. S., & De Azevedo, W.F. Structure of shikimate kinase from Mycobacterium tuberculosis reveals the binding of shikimic acid. Acta Crystallogr. Sect. D.-Biol. Crystallogr. 60, , Uchoa, H. B., Jorge, G. E., Freitas da Silveira, N. J., Camera, J. C. Jr., Canduri, F., De Azevedo, W. F.Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004;325(4):

29 Diagrama de Ramachandran Como exemplo do uso do programa PROCHECK na análise da qualidade estereoquímica de modelos estruturais de proteínas, considere a proteína humana Purina Nucleosídeo Fosforilase (PNP, EC ). A PNP foi resolvida inicialmente em 1990 por Ealick et al (código de acesso no PDB: 1ULA), a 2,75 Å de resolução. Uma nova estrutura foi refinada a 2,3 Å (Azevedo et al., 2003) (Código de acesso PDB: 1M73). Usaremos uma versão on-line do PROCHECK, chamada PARMODEL para analisar ambas estruturas. Referências: De Azevedo, W. F., Canduri, F., Santos, D. M., Silva, R. G., Oliveira, J. S., Carvalho, L. P. S., Basso, L. A., Mendes, M. A., Palma, M. S., and Santos, D. S. Crystal structure of human purine nucleoside phosphorylase at 2.3 A resolution. Biochem. Biophys. Res. Commun., 308(3), , Ealick, S. E., Rule, S. A., Carter, D. C., Greenhough, T. J., Babu, Y. S., Cook, W. J., Habash, J., Helliwell, J. R., Stoeckler, J. D., Parks, R. E., Jr., Chen, S, -F., and Bugg, C. E. (1990). Three-dimensional structure of human erythrocytic purine nucleoside phosphorylase at 3.2Å resolution. J. Biol. Chem. 265(3),

30 Diagrama de Ramachandran

31 Diagrama de Ramachandran A análise dos dois diagramas de Ramachandran indica claramente que a estrutura de coordenadas atômica 1M73 apresenta melhor estatística estereoquímica. Na realidade uma análise detalhada da estrutura, resolvida de 2,3 Å, indicou que a estrutura 1ULA apresentava diversos erros, inclusive no sítio ativo. A estrutura 1ULA previa a participação de Lys244 no sítio ativo da enzima, a estrutura a mais alta resolução revelou que esta lisina estava a mais de 9 Å da posição inicialmente prevista. A análise do gráfico de Ramachandran, por si só, não valida a estrutura de uma proteína, mas é uma ferramenta valiosa na análise da estrutura 3D.

32 Ângulos da Cadeia Lateral Além dos ângulos de torção da cadeia principal, temos, para a maioria do aminoácidos a possibilidade de ângulos de torção para a cadeia lateral. Obviamente tais ângulos só existem para os aminoácidos de cadeia lateral média e longa. No exemplo abaixo temos uma lisina, com 5 ângulos de torção possíveis. χ5 χ4 χ3 χ2 χ1

33 Estrutura Secundária de Proteínas

34 Hélice Alfa A estrutura da hélice alfa foi prevista teoricamente por Linus Pauling em Vale a pena lembrar, que naquela data, não havia informação estrutural sobre proteínas, e sua previsão foi baseada na estrutura cristalográfica de aminoácidos, dipeptídeos e tripeptídeos, determinados a partir de cristalografia por difração de raios X. A estrutura de hélice alfa foi posteriormente confirmada, quando a estrutura cristalográfica da mioglobina foi determinada em 1959.

35 Hélice Alfa O enovelamento da hélice alfa leva a uma estrutura onde as cadeias laterais ficam voltadas para fora da estrutura, criando uma estrutura cilíndrica compacta. Uma análise das preferências dos resíduos de aminoácido indicou que Leu, Glu, Met e Ala, são encontrados preferencialmente em hélices alfa, e os resíduos Pro, Ile, Gly e Ser, dificilmente são encontrados em hélices alfa. A figura da direita ilustra uma visão de hélice alfa ao longo do seu eixo, indicando as cadeias laterais voltadas para o lado de fora da hélice, tal estrutura tem um diâmetro aproximado de 5 Å.

36 Hélice Alfa A estrutura tridimensional das hélices alfa são estabilizadas por um padrão de ligações de hidrogênio, envolvendo o oxigênio da carbonila do resíduo i com o nitrogênio do resíduo i+4, como ilustrado na figura ao lado com linhas tracejadas. Ligação de hidrogênio

37 Hélice Alfa Eixo da hélice alfa A distância, ao longo do eixo da hélice alfa, entre dois carbonos alfa de resíduos de aminoácidos consecutivos é de 1,5 Å. Cada volta de uma hélice alfa apresenta 3,6 resíduos, assim temos que uma volta completa na hélice alfa leva a um deslocamento de 5,4 Å, ao longo do eixo da hélice alfa. 1,5 Å 5,4 Å

38 Hélice Alfa (3,613) Ligação de hidrogênio A hélice alfa envolve ligações de hidrogênio entre o resíduo i e o resíduo i + 4, a análise do padrão de ligação de hidrogênio indica que o mesmo envolve um número fixo de átomos da cadeia principal, ou seja, numerando-se a partir do oxigênio da carbonila até o hidrogênio da amida da cadeia principal temos 13 átomos, como mostrado na figura acima. Tal característica fixa da hélice alfa cria uma notação alternativa para representá-la, a hélice alfa é uma hélice 3,613, tal notação indica que temos 3,6 resíduos por volta e 13 átomos entre as ligações de hidrogênio.

39 Hélice 310 Ligação de hidrogênio Além da hélice alfa temos duas outras hélices possíveis, uma com três voltas, e 10 átomos da cadeia principal entre as ligações de hidrogênio. Essa hélice é chamada de hélice 310, sendo bem menos comum que as hélices alfa. A ligação de hidrogênio envolve uma carbonila do resíduo i com o nitrogênio do resíduo i+3.

40 Hélice Pi (4,416) Ligação de hidrogênio A terceira hélice possível apresenta 4,4 resíduos por volta e 16 átomos entre as ligações de hidrogênio. Essa hélice chamada de hélice Pi, apresenta notação 4,416. A ligação de hidrogênio envolve uma carbonila do resíduo i com o nitrogênio do resíduo i+5.

41 Hélices Podemos pensar a hélice alfa como uma mola em equilíbrio, onde não aplicam-se forças. Se comprimirmos a mola que representa a hélice alfa teremos um encolhimento da mola, resultando na hélice Pi (representado em vermelho). O estiramento da hélice alfa resulta na hélice 310, (representado em rosa). A representação ao lado usa a representação CPK para os átomos e desenha uma hélice imaginária passando pelo átomos da cadeia principal. Tal representação gráfica auxilia da abstração do conceito de hélice e é comumente usada em programas gráficos para visualização de proteínas. Hélice Pi Hélice Alfa Hélice 310

42 Hélices Estrutura φ( ) ψ( ) n d(å) p(å) Hélice α ,6 1,5 5,4 Hélice ,0 2,0 6,0 Hélice π ,4 1,1 5,0 n: número de resíduos de aminoácido por volta da hélice d(å) = delocamento ao longo do eixo da hélice p(å) = passo da hélice (delocamento total de uma volta da hélice)

43 Fita Beta N As fitas beta apresentam uma cadeia principal distendida, não havendo hélices em sua topologia. Uma cadeia peptídica distendida, como mostrada na figura ao lado, não possibilita a existência de ligações de hidrogênio, como observadas nas hélices, contudo, tal arranjo, libera o oxigênio da carbonila e o nitrogênio da cadeia principal para fazerem ligações de hidrogênio, com partes distantes da cadeia peptídica, ou mesmo, com outras cadeias peptídicas. A condição necessária é a proximidade do par doador-aceitador. C

44 Folha Beta Paralela N A disposição próxima da fitas beta possibilita ligações de hidrogênio que fortalecem a estrutura tridimensional da proteína. O arranjo mostrado ao lado é base para a montagem de uma folha beta, com várias fitas beta. Quando as fitas que formam a folha apontam todas na mesma direção temos um folha beta paralela. Se chamarmos a fica da esquerda de i e a da direita de j, teremos um padrão da ligações de hidrogênio i/j+1, j+1/i+2, i+2/j+3, j+3/i+4, i+4/j+5, e assim sucessivamente. N i i+1 j+1 i+2 i+3 j+2 j+3 i+4 i+5 j+4 j+5 C j C

45 Folha Beta Paralela N Se chamarmos a fica da esquerda de i e a da direita de j, teremos um padrão da ligações de hidrogênio i/j+1, j+1/i+2, i+2/j+3, j+3/i+4, i+4/j+5, e assim sucessivamente. Este é o padrão característico das ligações de hidrogênio presentes nas folhas beta. N i i+1 j j+1 i+2 i+3 j+2 j+3 i+4 i+5 j+4 j+5 C C Ligação de hidrogênio

46 Folha Beta Paralela N Colocando-se uma terceira fita beta (fita k) temos a repetição do padrão de ligação de hidrogênio. Considerando-se a ligação da fita j com a fita k temos, j/k+1, k+1/j+2, j+2/k+3, k+3/j+4, j+4/k+5, e assim sucessivamente. N i i+1 N j k j+1 i+2 i+3 k+1 j+2 j+3 i+4 i+5 k+3 j+4 j+5 C k+2 k+4 k+5 C C Ligação de hidrogênio

47 Folha Beta Paralela Para simplificar a representação gráfica, normalmente usamos vetores, como os indicados ao lado, para representar a fitas que formam a folha. A cabeça do vetor indica o C-terminal e o início do vetor o Nterminal. N N C N C C

48 Folha Beta Anti-Paralela Outra possibilidade de formarmos folhas beta e com fitas betas alternadas, como mostrado na figura ao lado. Na folha ao lado temos 3 fitas beta, onde a primeira segue com o N-terminal na parte superior, a segunda com o C-terminal na parte superior, e assim vão alternando-se, num padrão anti-paralelo de fitas.

49 Folha Beta Anti-Paralela Na figura ao lado temos 3 fitas, chamadas i, j e k. As ligações de hidrogênio entre as fitas beta i e j seguem o padrão i/j, i+2/j+2, i+4/j+4, e assim sucessivamente. Entre as fitas j e k, o padrão é j+1/k+1, j+3/k+3,... i j+1 k+1 i+1 i+2 j+3 k+3 i+4 k+2 j+2 i+3 i+5 k j k+4 j+4 k+5

50 Folha Beta Anti-Paralela Na representação com vetores fica claro a alternância do sentido das fitas beta. C N

51 Estrutura 3D de Proteínas

52 Superestruturas -Combinações de elementos de estrutura secundária -Podem envolver hélices e fitas-β -Caracterizam classes de proteínas

53 Grampo Beta (Beta-Hairpin) O grampo beta é uma folha beta antiparalela, que por aparecer com frequência na estrutura de proteínas recebeu um denominação específica. O grampo beta caracteriza-se pela presença de duas fitas beta próximas, formando um pequeno trecho de folha, como mostrado na figura ao lado. C N

54 Grampo Alfa (Alpha-Hairpin) O grampo alfa apresenta duas hélices alfa contínuas, como descrito na figura ao lado. As duas hélices estão ligadas por um trecho da cadeia peptídica que não segue nem uma estrutura em fita nem em hélice, mostrada em amarelo. C C N N

55 Motivo Beta-Alfa-Beta N O motivo beta-alfa-beta apresenta em sequência uma fita beta, uma hélice alfa e por último uma fita beta. C

56 Níveis de Estrutura Protéica Primária Secundária Terciária Quaternária

57 Classes Estruturais Classe Características Examples α Estrutura secundária de hélice alfa Mioglobina β Estrutura secundária de folha beta Quimotripsina α/β Presença de β-α-β PNP α+β Ausência de β-α-β Papaína estrutura (irregulares) Ferrodoxina

58 SCOP SCOP (Structural Classification Of Proteins) Hierarquia do SCOP Nível Número de casos Classes 7 Folds 686 Superfamílias 1073 Famílias 1827 Domínios 39893

59 SCOP Família: Estruturas de proteínas que exibem clara relação evolucionária. Superfamília: Estruturas de proteínas que exibem provável origem evolucionária comum. Fold: Grande similaridade estrutural.

60 SCOP Classe # folds # superfamílias # famílias α β α/β α+β Multi-dom Membrana Irregulares Total

61 SCOP Exemplo:5nul

62 SCOP Protein: Flavodoxin from Clostridium beijerinckii 1. Root : scop 2. Class: Alpha and beta proteins (α/β) 3. Fold : Flavodoxin-like 3 layers, a/b/a, parallel beta-sheet of 5 strand, order Superfamily : Flavoproteins 5. Family : Flavodoxin-related binds FMN 6. Protein : Flavodoxin 7. Species : Clostridium beijerinckii

63 Trabalho 1) A poli-l-leucina em um solvente orgânico como o dioxano fica em hélice α, mas não a poli-l-isoleucina. Por que esses aminoácidos com os mesmos números e tipos de átomos têm diferentes tendências de formação de hélice? 2) A tropomiosina, uma proteína muscular de 70 kd, é uma superfície bifilamentar de hélices α. Qual é o comprimento dessa molécula? Considere que a translação por aminoácido em uma hélice α é de 1,5 Å.

64 Referências ALBERTS, B. et al. Biologia Molecular da Célula. 4a edição. Artmed editora, Porto Alegre, 2004 (Capítulo 3). LESK, A. M. Introduction to Protein Architecture. Oxford University Press, New York, 2001.