Estrutura tridimensional das proteínas

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1 Estrutura tridimensional das proteínas Uma proteína contém centenas de ligações, as quais permitem rotação livre entre os seus átomos. Proteína poderá em princípio assumir um número elevado de conformações. Conformação arranjo espacial dos átomos numa proteína. PROTEÍNAS 1

2 Na realidade a maior parte das proteínas adopta apenas a conformação que é termodinâmicamente mais estável, denominada conformação nativa. Estabilização da conformação de uma proteína Estabilidade de uma proteína tendência para manter a conformação nativa. Estado Unfolded A entropia causada pelas inúmeras possíveis conformações assumidas pela cadeia polipéptidica e as interacções por pontes de H com o solvente (água) tendem a manter o estado unfolded ou desnaturado Kj/mol Estado Folded Agentes desnaturantes, Temperatura e Agentes Redutores As interacções que estabilizam o estado nativo incluem as pontes dissulfureto, as interacções fracas não covalentes, as pontes de hidrogénio e as interacções hidrofóbicas e iónicas. Apesar de não serem as mais fortes são as interacções fracas que predominam como força estabilizadora na estrutura de uma proteína, pois são de longe as mais numerosas. PROTEÍNAS 2

3 Nas proteínas: - Os resíduos hidrofóbicos estão na sua maioria no interior da proteína, longe da água, formando entre si interacções hidrofóbicas que estabilizam a proteína. A ligação peptídica Os Cα de amino ácidos adjacentes (i, i+1) estão separados por três ligações covalentes com a presença de um pequeno dipólo. i+1 i Ligação peptídica (Carácter de dupla ligação devido a híbrido de ressonância Não pode haver rotação em torno desta ligação) PROTEÍNAS 3

4 Por razões causadas por impedimento estéreoquímico entre cadeias laterais, os seis átomos do grupo peptídico encontram-se no mesmo plano com o átomo O do grupo carbonilo e o H ligado ao N na posição trans conformação do polipéptido completamente distendida. Nota: na figura abaixo os átomos de hidrogénio estão representados como esferas brancas; R - cadeias laterais O R C N C α C N C α C N C α O R O R Ligação peptídica Planos rígidos PROTEÍNAS 4

5 A forma trans da ligação peptídica corresponde á situação mais favorável (99.95%) e a forma cis (6%) conduz a impedimentos estereoquímicos excepto quando está envolvida uma prolina. Caso da prolina: Resíduos Pro permitem tanto as ligações peptidicas cis como trans a forma trans é apenas ligeiramente favorável PROTEÍNAS 5

6 Por convenção: Ângulo φ (phi) - resultante da rotação em C α para a ligação N-C α Ângulo ψ (psi) resultante da rotação em C α para a ligação C α -C Definidos como tendo 180º quando o polipéptido está na conformação completamente distendida, sendo o ângulo de 0º proibido por sobreposição estereoquímica entre O o Cα e o H do grupo amina: Ângulo de 0º proibido ψ Valores permitidos para φ e ψ são graficamente obtidos através do Diagrama de Ramachandran. PROTEÍNAS 6

7 Diagrama de Ramachandran - Regiões a azul correspondem aos ângulos (φ e ψ), no polipéptido, mais favoráveis (para todos os resíduos excepto Gly e Pro) e as regiões a verde aos menos favoráveis. As zonas laranja representam os ângulos conformacionais de alguns elementos de estrutura secundária. -Quanto maior a cadeia lateral de um amino ácido as restrições à flexibilidade aumentam e a área permitida no diagrama diminui. -O exame de um destes mapas para uma proteína, dá conta da existência ou não, de estruturas secundárias regulares, do PROTEÍNAS 7

8 A estrutura secundária das proteínas Estrutura secundária Refere-se a uma conformação local de uma parte do polipéptido Resulta de formação de ligações por pontes de hidrogénio que poderão ser entre átomos de duas ligações peptídicas, entre átomos de uma ligação peptídica e uma cadeia lateral de um a.a., ou entre duas cadeias laterais. Entre as possíveis estruturas que as cadeias polipeptídicas podem adoptar como estrutura regular, temos: -Hélice α -Folha β -Voltas e loops PROTEÍNAS 8

9 Hélice α direita (+ comum) e Hélice α esquerda Pontes de hidrogénio Eixo da hélice Modelo que mostra as ligações por pontes de hidrogénio intra-cadeia (a tracejado) - O plano da ligação peptídica é paralelo ao eixo da hélice resíduos por volta - Treze átomos no ciclo, formado por duas pontes de hidrogénio entre os C=O e os quartos grupos NH da sequência -Cadeias laterais dos a.a. estão viradas para o exterior PROTEÍNAS 9

10 Importante: A prolina não pode formar estruturas hélice α ou folhas β normais limitação geométrica imposta á cadeia principal pelo anel de 5 membros. Não pode formar pontes de H devido á falta de um H no N da ligação peptídica PROTEÍNAS 10

11 A estrutura em hélice α forma-se mais facilmente do que as possíveis outras, dado basear-se nas ligações de hidrogénio internas. Hélice α esquerda Hélice α direita PROTEÍNAS 11

12 Folha β (paralela e antiparalela) È uma conformação mais estendida das cadeias polipeptídicas, com pontes de hidrogénio formadas establecidas entre grupos NH e CO mas pertencentes a dois fragmentos ou cadeias adjacentes (duas ou mais). Antiparalela Paralela PROTEÍNAS 12

13 Voltas e loops São os elementos de estrutura secundária que ligam consecutivamente as conformações hélice α e folha β. Muito abundantes em proteínas globulares Particularmente comuns são as voltas β (tipo I e II) que conectam os terminais de dois segmentos adjacentes de uma folha β antiparalela. Voltas β (Mais frequente) Constituídas por 4 resíduos Permite a mudança abrupta de direcção da cadeia principal Conformação energeticamente favorável com 1 ponte de H intra-catenária Os resíduos mais frequentemente encontrados em voltas são a glicina (pequena e flexível e a prolina (a ligação peptídica adopta facilmente a conformação cis que favorece a inversão da cadeia polipeptídica) PROTEÍNAS 13

14 Ligações entre folhas β adjacentes. (folhas β antiparalelas podem estar ligadas por um loop pequeno (b) folhas β paralelas requerem um loop mais extenso para assegurar a ligação - cross-over PROTEÍNAS 14

15 No entanto a presença deste tipo de estrutura secundária está condicionada pela sequência primária de amino ácidos. Probabilidade relativa de encontrar um determinado aminoácido nos três tipos de estrutura secundária seguintes: Alguns aminoácidos acomodam-se melhor do que outros numa determinada estrutura secundária: Pro e Gly mais comuns em voltas β e relativamente ausentes em hélices α As hélices α ocorrem nomeadamente nas proteínas globulares e fibrosas, incluindo nas zonas intramembranares. PROTEÍNAS 15

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17 Notas Rotações possíveis entre ligações num polipéptido (A) Perspectiva ao longo da ligação N-Cα: medição do ângulo phi (B) Perspectiva ao longo da ligação Cα-CO: medição do ângulo psi (C) Diagrama de Ramachadran valores de phi e psi possíveis (sem colisões entre átomos); regiões mais favoráveis verde escuro Cadeia lateral (R) esfera verde Oxigénio esfera vermelha Azoto esfera azul Hidrogénio esfera branca PROTEÍNAS 17

18 As estruturas secundárias têm ângulos de ligação e composição de amino ácidos características Hélice α direita ψ = -47º; φ = -57º p = 5.4 Å; n = 3.6/volta Hélice α esquerda ψ = 47º; φ = 57º p = 5.4 Å; n = 3.6/volta Raramente observada em proteínas PROTEÍNAS 18

19 Valores de φ e ψ (pontos pretos) para os resíduos de aminoácidos (excepto Gly) da enzima piruvato quinase PROTEÍNAS 19

20 A estrutura terciária e quaternária das proteínas A estrutura secundária refere-se ao arranjo espacial dos aminoácidos adjacentes na estrutura primária. Estrutura terciária fornece informação acerca do total arranjo espacial de todos os átomos numa proteína. A estrutura terciária é estabilizada por ligações iónicas, electrostáticas, pontes de H, hidrofóbicas ou covalentes (pontes S-S). Algumas proteínas contêm duas ou mais cadeias polipeptídicas ou sub-unidades separadas, que podem ser diferentes ou iguais. O arranjo destas sub-unidades proteicas em complexos tridimensionais constitui a estrutura quaternária. 2 grupos mais importantes de proteínas Proteínas fibrosas: -Cadeias polip. arranjadas em longas folhas. Forma cilíndrica alongada -Consistem normalmente de um único tipo de estrutura secundária -Funcionalmente presentes em estruturas de suporte, que dão forma e protecção externa aos vertebrados -Pouco solúveis (elevada % de a.a. hidrofóbicos) (ex: colagénio e elastina) Proteínas globulares: -Cadeias polip. enroladas em forma esférica ou globular -Contêm vários tipos de estrutura secundária -Funcionalmente presentes como enzimas e estruturas reguladoras -Solúveis em solventes aquosos PROTEÍNAS 20

21 Proteínas fibrosas α-keratina Encontradas em mamíferos estas proteínas constituem quase a totalidade do peso seco do cabelo, lã, unhas, garras, chifres e grande parte da camada exterior da pele. As α-keratinas fazem parte de uma família de proteínas mais vasta, denominadas proteínas de filamento intermediário (FI). Todas as proteínas FI têm uma função estrutural. PROTEÍNAS 21

22 Um fio de cabelo Engenharia bioquímica na base do encaracolamento do cabelo Permanentes Agente redutor (-SH) + calor Adição de agente oxidante + arrefecimento Liso Encaracolado PROTEÍNAS 22

23 Colagénio Como as α-keratinas, o colagénio está relacionado com a força. È encontrado nos tendões, cartilagens, matriz orgânica do osso e cartilagem e ainda na córnea do olho. Têm uma estrutura (ao contrário das α-keratinas) distinta da hélice α: cadeia α. Repetição ao nível da estrutura primária das sequencias características: Gly-X-Pro Gly-X-HyPro em que X- aminoácido qualquer 1/3 da composição do colagénio em aminoácidos é Glicina (Gly); 15-30% dos resíduos são Pro e 4-hidroxiprolinas (Hyp); 3-hidroxiprolina e 5-hidroxilisina (Hyl) também ocorrem no colagénio mas em pequena quantidade. Estes aminoácidos não-standard são formados depois dos polipéptidos de colagénio serem sintetizados. Os resíduos Pro são convertidos em Hyp numa reacção catalizada pela enzima prolil hidroxilase. Esta enzima requer ácido ascórbico (Vit C) como cofactor. PROTEÍNAS 23

24 Colagénio Hélice tripla Cadeias α com uma estrutura secundária repetida (a) Três cadeias α idênticas ou parecidas enroladas entre si formando uma super-hélice (hélice tripla) com enrolamento para a direita (c); 10 tripletos por cadeia em cada volta ligadas entre si por forças de van der Waals e 1 ponte de H por tripleto PROTEÍNAS 24

25 Fibroína da seda Esta é a proteína da seda, produzida por insectos e aranhas. As suas cadeias polipeptídicas são predominantemente em conformação β. È rica em resíduos Ala e Gly, permitindo o empacotamento das folhas-β e o arranjo dos grupos R. Fibroina (azul)-teia de aranha A estrutura é estabilizada por pontes de hidrogénio e forças de Van der Walls. A seda não estica pois a conformação β já é altamente distendida. No entanto a estrutura é flexível pois as folhas β estão coordenadas por numerosas interacções fracas em vez de ligações covalentes como por exemplo as pontes dissulfureto nas α-keratinas. PROTEÍNAS 25

26 Proteínas globulares Neste tipo de proteínas segmentos diferentes de uma cadeia polipeptídica ou múltiplas cadeias polipeptídicas enrolam-se umas nas outras gerando formas compactas e uma diversidade estrutural necessária para proteínas com uma diversidade de funções biológicas ( enzimas, proteínas de transporte, motoras, reguladoras, imunoglobulinas, etc.) Mioglobina Primeira proteína globular cuja estrutura foi elucidada por raio-x em cerca de Cadeia polipeptidica com 153 aminoácidos e um grupo hémico (protoporfirina-fe2+). È uma proteína cuja função é o armazenamento e difusão rápida do oxigénio nas células musculares em contracção. Particularmente abundante em mamíferos que vivem na água e que lhes permite permanecer submersos durante largos períodos de tempo. PROTEÍNAS 26

27 Mioglobina da baleia Grupo hémico ou hemo Resíduos hidrofóbicos Coordenação do oxigénio PROTEÍNAS 27

28 Pela primeira vez se teve a noção de como a estrutura primária de uma proteína determina a sua estrutura terciária e como a sua estrutura terciária determina a sua função. A variedade estrutural das proteínas globulares Componente da cadeia respiratória da mitocôndria Enzima presente na clara do ovo e na lágrima humana que catalisa a clivagem dos polisacáridos na parede celular protectora de algumas famílias de bactérias, podendo actuar como bactéricida Enzima segregada no pâncreas para o intestino pequeno, onde catalisa a hidrólise de certas ligações dos ácidos ribonucleicos presentes na comida ingerida PROTEÍNAS 28

29 Padrões estruturais comuns Estruturas supersecundárias, Motivos ou simplesmente Enrolamentos, são arranjos particularmente estáveis de vários elementos de estrutura secundária e as ligações entre elas. Domínios são unidades globulares estáveis, resultantes do enrolamento de polipéptidos com mais de algumas centenas de amino ácidos Exemplo: Domínios estruturais no polipéptido troponina C. Proteína que liga o cálcio associada ao músculo contém dois domínios de ligação ao cálcio separados PROTEÍNAS 29

30 O enrolamento dos polipéptidos está sujeito a uma série de restrições físicas e químicas que resultam na construção de motivos simples que por sua vez e tendo em conta estas regras, permitem o aparecimento de motivos complexos a partir dos simples. Motivos simples PROTEÍNAS 30

31 Motivos complexos PROTEÍNAS 31

32 Classificação estrutural das proteínas Esta classificação em quatro classes é baseada nos motivos proteicos e encontra-se presente numa base de dados (SCOP). I. II. PROTEÍNAS 32

33 III. IV. PROTEÍNAS 33

34 Os primeiros dois níveis da chave, são somente estruturais. Proteínas com uma semelhança significativa na sequência primária e/ou similar estrutura e função, dizem-se pertencer à mesma família, para a qual existe uma forte relação evolucionária. Duas ou mais famílias com uma semelhança de estrutura primária pequena, muitas vezes faz uso do motivo estrutural maioritário e possuem semelhanças na sua função. Estas famílias são agrupadas nas denominadas superfamílias. Estrutura quaternária Muitas proteínas têm múltiplas sub-unidades polipeptídicas, muitas das quais têm funções reguladoras. Multímero é uma proteína com múltiplas sub-unidades não idênticas, ou na grande maioria das vezes idênticas, ou ainda grupos repetidos de unidades não idênticas, normalmente em arranjos simétricos. A repetida unidade estrutural é denominada protómero. Olígomero é uma proteína com um pequeno número de subunidades. PROTEÍNAS 34

35 A hemoglobina foi a primeira proteína oligomérica para a qual a estrutura tridimensional foi determinada. Estrutura quaternária da deoxihemoglobina 4 sub-unidades 2 cadeias α e 2 cadeias β (Não são est. secundárias) As sub-unidades estão arranjadas em pares simétricos, cada par contendo uma sub-unidade α e uma β. Tetrâmero ou dímero de protómeros αβ. Quatro grupos hémicos Subunidades α - cinza e azul claro Subunidades β - rosa e azul escuro PROTEÍNAS 35

36 Sub-unidades idênticas de proteínas multiméricas estão geralmente estruturadas em um ou num número limitado de padrões de simetria para os quais existem convenções. Oligomeros podem ter simetria rotacional ou simetria helical, o que significa que as sub-unidades individuais se podem sobrepor noutras por rotação à volta de um ou mais eixos rotacionais, ou por uma rotação helica. Tipos de simetria rotacional Cíclica, definida como Cn, em que C é cíclica e n o n.º de subunidades relacionadas com o eixo. Ex. os protómeros αβ na hemoglobina estão relacionados por uma simetria C2. Diédrica, definida como Dn. Uma proteína com simetria diédrica têm 2n protómeros. Existem ainda outros tipos de simetria rotacional mais complexos como por exemplo a icosédrica encontrada nas cápsulas virais, ou capsídios. PROTEÍNAS 36

37 Tipos de simetria helical Poliovirus Vírus mosaico do tabaco Limites ao tamanho das proteínas 1) Capacidade genética de codificação dos ácidos núcleicos (é mais eficiente fazer várias cópias de um polipéptido pequeno do que uma cópia de uma proteína grande) 2) Precisão do processo biossintético proteico (o potencial de incorporar um a.a. errado numa proteína grande é maior do que numa pequena) PROTEÍNAS 37

38 Cristais de proteína PROTEÍNAS 38

39 Desnaturação proteica e enrolamento Todas as proteínas começam a sua existência no ribossoma como uma sequência linear de a.a. que deverá enrolar durante e após a síntese para tomar a conformação nativa que é estável relativamente ao meio que a rodeia. Desnaturação: Perda de estrutura tridimensional suficiente para causar perda de função. Causas: Temperatura (Quebra das int. Fracas; pontes de H), phs extremos (repulsão electrónica e quebra de algumas pontes de H), alguns solventes orgânicos como o álcool ou acetona, alguns solutos como a ureia, guanidina-hcl, ou detergentes (ambos actuam por ruptura das interacções hidrofóbicas). Desenrolamento é um processo cooperativo PROTEÍNAS 39

40 O processo de desnaturação em certas proteínas é reversível. Desnaturação PROTEÍNAS 40