Fármacos 8/13/2010. Aula 2 Fundamentos da Estrutura de Proteínas Parte 1. vai onde? o que vai fazer? de onde veio? onde foi parar?

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1 Introdução a Bioquímica: Biomoléculas Fármacos 1 Aula 2 Fundamentos da Estrutura de Proteínas Parte 1 Ignez aracelli Julio Zukerman Schpector São arlos, 16 de agosto de vai onde? de onde veio? o que vai fazer? Funções biológicas das Proteínas 2 2 grupo de biomoléculas mais diversificado quanto à estrutura e função. Biocatalizadores (enzimas: anidrase carbônica, proteases, etc.) Receptores de sinais químicos Transportadores Estruturais (citoesqueleto, colágeno, queratina) Defesa (sistema imunológico, restrição bacteriana, etc.) Mobilidade (motores moleculares) Armazenamento Transdução Aderência celular e organização tissular Enovelamento correto de outras proteínas utras 5 onde foi parar? Por que estudar proteínas? 3 3 Permite entender, propor mecanismos, fazer previsões, propor alterações em: 1. mecanismos de funcionamento 2. enovelamento (folding) 3. evolução molecular 4. modelagem molecular 5. engenharia de proteínas 6. desenho de fármacos 6 1

2 Hemoglobina Proteína parte protéica átomos :,, H,, S aminoácidos Hemoglobina Aminoácidos Hemoglobina Pauling, aminoácidos e hélices 9 9 parte protéica parte não-protéica aminoácidos: building blocks ligação entre aminoácidos hélice alfa hélice DA 2

3 aminoácido aminoácido e sua forma 3D Estrutura: 13 carbono central um hidrogênio grupo amino grupo carboxílico (ácido) grupo R (cadeia lateral) grupo variável confere as propriedades químicas individuais do aminoácido H H H H R 16 Voet Biochemistry 3e 2004 John Wiley & Sons, Inc. aminoácido L-aminoácido e D-aminoácido L-Alanina D-Alanina 14 Voet Biochemistry 3e 2004 John Wiley & Sons, Inc. 17 L-aminoácido proteínas D-aminoácido aminoácido e sua forma ionizada adeias laterais não-polares observado em ph 7,0 Glicina Gly, G Alanina Ala, A Valina Val, V 15 Voet Biochemistry 3e 2004 John Wiley & Sons, Inc. 18 Leucina Leu, L Isoleucina Ile, I G, A, V, L, I, F, W, M, P 3

4 adeias laterais não-polares Qual o aminoácido? arquivo texto das coordenadas atômicas de um aminoácido Fenilalanina Phe, F Triptofano Trp, W Metionina Met, M Prolina Pro, P x y z ATM 1084 XXX A ATM 1085 A XXX A ATM 1086 XXX A ATM 1087 XXX A ATM 1088 B XXX A ATM 1089 G XXX A ATM 1090 D1 XXX A ATM 1091 D2 XXX A ATM 1092 E1 XXX A ATM 1093 E2 XXX A ATM 1094 Z XXX A G, A, V, L, I, F, W, M, P adeias laterais polares não-carregadas Qual o aminoácido? Serina Ser, S Treonina Thr, T S, T,, Q, Y, x y z ATM 1084 PHE A ATM 1085 A PHE A ATM 1086 PHE A ATM 1087 PHE A ATM 1088 B PHE A ATM 1089 G PHE A ATM 1090 D1 PHE A ATM 1091 D2 PHE A ATM 1092 E1 PHE A ATM 1093 E2 PHE A ATM 1094 Z PHE A Asparagina Asn, Glutamina Gln, Q isteína ys, Tirosina Tyr, Y 23 adeias laterais polares carregadas Aminoácidos Quantos são? até 1986 eram Arginina Arg, R R, K, D, E, H Lisina Lys, K Lisina Lys, K ÁcidoAspártico Asp, D Ácido Glutâmico Glu, E Histitina His, H 20 aminoácidos proteinogênicos (constituintes das proteínas), mas

5 Selênio em Moléculas Biológicas Selênio em Moléculas Biológicas ano: 1985 ano: 1985 PDB: 1a. Estrutura ristalográfica de uma enzima contendo um aminoácido com Se PDB: 1gp1 selênio selênio Selênio em Moléculas Biológicas Selênio em Moléculas Biológicas ano: 1985 ano: 1985 PDB: 1a. Estrutura ristalográfica de uma enzima contendo um aminoácido com Se PDB: 1gp1 selenocisteína cisteína Selênio em Moléculas Biológicas Selênio: em um aminoácido? ano: 1985 ano: 1985 PDB: 1a. Estrutura ristalográfica de uma enzima contendo um aminoácido com Se PDB: 1gp1 selenocisteína Eur. J. Biochem. 264, (1999) IUPA-IUBMB Joint ommission on Biochemical omenclature (JB) and omenclature ommittee of IUBMB (- IUBMB)

6 ódons para aminoácidos Aminoácidos A tabela mostra os códons e os aminoácidos. A direção do mra é de 5' 3'. até 1986 Stop Stop Stop exemplos: 20 aminoácidos UUU fenilalanina UU fenilalanina AA lisina H S 31 Stop códon: UAA, UAG, UGA Longtin, R. J. atl. ancer Inst : ; doi: /jnci/ ódons para aminoácidos Aminoácidos ano: º aminoácido SELEISTEÍA SE, U UAG códon também é código de STP Molecular Microbiology (1991), 5(3), Eur. J. Biochem. 264, (1999) Selênio: em um aminoácido? Aminoácidos A tabela mostra os códons e os aminoácidos. A direção do mra é de 5' 3'. ano: 2002 UAG codon 22º aminoácido PIRRLISIA PYL, Stop codon: UAA, UAG, UGA UAG códon também é código de STP Pyrrolysine 33 Longtin, R. J. atl. ancer Inst : ; doi: /jnci/ The Journal of Biological hemistry, 280, ,

7 Estrutura Primária Doença Molecular rdem dos aminoácidos na cadeia a sequência de aminoácidos é determinada pelo gene (DA). pequenas mudanças na sequência podem afetar a estrutura e função da proteína. apenas um aminoácido pode fazer a diferença! 1949 Linus Pauling mostrou que a anemia falciforme é uma doença molecular, resultante de uma mutação na molécula protéica Hemoglobina sickle-cell hemoglobin carried more positive electric charges on its surface A slight change in the electrical charge of a single type of molecule in the body could spell the difference between life and death. ever before had the cause of a disease been traced to a molecule. This discovery--to which Pauling attached the memorable title "molecular disease"--received widespread attention. Itano and Singer's subsequent work demonstrated a pattern of inheritance for the disease, firmly wedding molecular medicine to genetics. cadeia polipeptídica Eritrócitos Hemoglobina & Anemia Falciforme normais anemia falciforme eritrócitos com hemoglobina normal eritrócitos com hemoglobina S Doença Molecular Polimerização da Hemoglobina HbA 1949 Linus Pauling mostrou que a anemia falciforme é uma doença molecular, resultante de uma mutação na molécula protéica Hemoglobina oxigênio HbS oxigênio normal mutante

8 Distorção das células sanguíneas vermelhas Bloqueio apilar o aminoácido valina substitui o ácido glutâmico Valina Val, V aminoácido não-polar Ácido Glutâmico Glu, E aminoácido polar carregado negativamente Distorção das células sanguíneas vermelhas As moléculas de hemoglobina repelem a água e são atraídas uma pela outra. Formação de filamentos. s filamentos distorcem a forma das células sanguíneas. As células com HbS são rígidas e isso não facilita o transporte de 2. /molecule_of_the_month/pdb41_2.html /molecule_of_the_month/pdb41_3.html Hemoglobina & Anemia Falciforme Protein: The Machinery of Life ácido glutâmico códon: GAG HbA valina códon: GTG HbS - 2 H 2-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu- Lys-Ser-Ala-Val-Thr-Ala-Leu-Trp- Gly-Lys-Val-Asn-Val-Asp-Glu-Val- Gly-Gly-Glu-.. oxigenação tetrâmeros de HbS solúveis + 2 desoxigenação polímeros de HbS dispostos em fibras Life is the mode of existence of proteins, and this mode of existence essentially consists in the constant selfrenewal of the chemical constituents of these substances. Friedrich Engles,

9 aminoácido em sua forma ionizada A ligação peptídica cadeia lateral aminoácido 1 aminoácido 2 R 1 R 2 49 amino-terminal -terminal Voet Biochemistry 3e 2004 John Wiley & Sons, Inc. hidrogênio carbóxi-terminal -terminal 52 ligação peptídica + -terminal R 1 R dipolo - -terminal 2 resíduos de aminoácido aminoácido e sua forma 3D A ligação peptídica ligação peptídica 1,49 Å 1,27 Å ligação peptídica 1,32 Å 50 Voet Biochemistry 3e 2004 John Wiley & Sons, Inc Ligação peptídica A ligação peptídica ligações peptídica estrutura primária reação de condensação aminoácido 1 aminoácido 2 ângulos de conformação e Voet Biochemistry 3e 2004 John Wiley & Sons, Inc. ligação peptídica

10 A ligação peptídica A ligação peptídica estrutura primária sequência de aminoácidos R R -terminal -terminal R R ligação peptídica ligação peptídica conformação trans Qual o aminoácido? A ligação peptídica x y z ATM 1084 PHE A ATM 1085 A PHE A ATM 1086 PHE A ATM 1087 PHE A ATM 1088 B PHE A ATM 1089 G PHE A ATM 1090 D1 PHE A ATM 1091 D2 PHE A ATM 1092 E1 PHE A ATM 1093 E2 PHE A ATM 1094 Z PHE A ligação peptídica conformação cis Estrutura Primária s ângulos (phi) e (psi) têm livre rotação Algumas combinações dos ângulos (phi) e (psi) não são permitidas. Estrutura Primária olisões estéricas não-favoráveis 10

11 grupo peptídico Estrutura Secundária Ligação peptídica hélice alfa fita beta folha beta Plano da amida turns Qual o aminoácido? Estrutura Secundária: hélice α x y z ATM 1084 PHE A ATM 1085 A PHE A ATM 1086 PHE A ATM 1087 PHE A ATM 1088 B PHE A ATM 1089 G PHE A ATM 1090 D1 PHE A ATM 1091 D2 PHE A ATM 1092 E1 PHE A ATM 1093 E2 PHE A hélice 3,6 aminoácidos por volta passo = 5.4 Å 1 Å = m grupos-r para fora ATM 1094 Z PHE A ligações de H entre (1) ====H- (4) 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 ) Estrutura secundária das proteínas -hélice ligações de hidrogênio folha pregueada Estrutura Secundária: hélice α

12 Estrutura Secundária: hélice α Estrutura Secundária: hélice α amino-terminal carboxi-terminal Estrutura Secundária: hélice α Estrutura Secundária: hélices hélice alfa de mão direita a ligação de hidrogênio está representada por linhas pontilhadas as ligações de hidrogênio ocorrem dentro de uma sequência de resíduos de aminoácidos resíduo i + 8 ligação de hidrogênio resíduo i + 4 Hélice 3 10 Hélice α Hélice π resíduo i ,0 aa/volta passo = 4,8Å 3,6 aa/volta passo = 5,4 Å 4,0 aa/volta passo = 6,0 Å Estrutura Secundária: hélice α Estrutura Secundária: hélices - - Hélice 3 10 Hélice α Hélice π hélices na proteínas são hélices de mão direita H mão esquerda mão direita 72 12

13 Estrutura Secundária: hélices Estruturas Secundárias: folhas Hélice 3 10 Hélice α Hélice π ligação de hidrogênio (entre fitas folha ) fitas paralelas = Estruturas Secundárias: hélice Estruturas Secundárias: folhas pregueadas ligação de hidrogênio dentro da mesma hélice ligação de hidrogênio (entre fitas folha ) fitas anti-paralelas Estruturas Secundárias: folhas Folha : paralelas e antiparalelas ligação de hidrogênio (entre fitas folha ) antiparalelas paralelas 75 fitas anti-paralelas =

14 Estruturas Beta Anti-paralelas Estruturas turns vista de cima vista lateral Estruturas Beta Paralelas Principais Elementos de Estrutura Secundária vista de cima Folha beta anti-paralela Folha beta paralela vista lateral Folha beta anti-paralela Folha beta paralela Estruturas turns Estrutura Terciária glicina Folding global determinada por interações entre as cadeias laterais (grupos R) ligação de hidrogênio interações de van der Waals e hidrofóbicas ligação dissulfeto tipo I tipo II esqueleto polipeptídico 81 Lehninger Principios de Bioquímica David L. elson y Michael M. ox 84 ligação iônica 14

15 A ligação dissulfeto Estrutura de Proteínas (review) cisteína cisteína oxidação redução 85 ligação dissulfeto cistina 88 1 seqüência de aa ligações peptidicas determinada pelo DA A ligação dissulfeto Estrutura de Proteínas (review) S 86 S 89 1 seqüência de aa ligações peptidicas determinada pelo DA 2 grupos R ligações de hidrogênio Estrutura quaternária Estrutura de Proteínas (review) Mais que uma cadeia polipeptídica juntas por interações fracas colágeno 1 87 hemoglobina 90 seqüência de aa ligações peptidicas determinada pelo DA 2 grupos R ligações de hidrogênio 3 grupos R interações fracas, ligações dissulfeto 15

16 ψ (grau) Estrutura de Proteínas (review) Solid ribbon hélice α várias cadeias interações fracas loop seqüência de aa ligações peptidicas determinada pelo DA 2 grupos R ligações de hidrogênio 3 grupos R interações fracas, ligações dissulfeto 94 turn fitas β folhas β estrutura primária: estrutura secundária: Schematic hélice α íveis estruturais nas proteínas loop estrutura terciária: estrutura quaternária: turn fitas β folhas β Gráfico de Ramanchandran Gráfico de Ramachandran folhas antiparalelas hélice tripla do colágeno folhas folhas paralelas hélice de mão esquerda hélice 3 10 hélice de mão direita hélice 93 Φ (grau) 96 16

17 -terminal Estrutura Secundária 1hbs Topologia Gráfico de Ramachandran Topologia -terminal 99 1hbs 3,00 Å baixa resolução

18 mesma proteína Gráfico de Ramachandran 103 1hbs 3,00 Å baixa resolução 2hbs - 2,05Å alta resolução Principais formas tridimensionais fibrosas exemplo: colágeno 104 Principais formas tridimensionais globulares exemplo: mioglobina