Biomoléculas e Membranas Biomoléculas e Membranas Prof. Alexandre avt Estrutura e funções das biomoléculas Carboidratos Lipídios Aminoácidos e Proteínas Membranas celulares Estrutura molecular Funções Carboidratos Compõem maior parte da maté orgânica do planeta Fonte e armazenamento de energia Carboidratos Intermediários rios metabólicos Componentes estruturais de NA e DNA Elementos estruturais das paredes celulares Interação com lipídeos e proteínas Interação célulac lula-célula Interação célulac lula-meio extracelular Definição Carboidratos Compostos orgânicos que apresentam fórmula f comum (C 2 O)n idratos de carbono / glicídios / sacarídeos / açúcares Apresentam-se como aldeídos dos ou cetonas Grupo carbonila Classificação Carboidratos Monossacarídeos aldoses ou cetoses Trioses Tetroses Número de Pentoses átomos de exoses carbonos eptoses C C O Aldeído O Cetona D-gliceraldeído L-gliceraldeído Diidroxiacetona Aldotrioses Cetotriose 1
Ciclização de monossacarídeos com mais de 4 carbonos em meio fisiológico Alguns monossacarídeos nas suas formas cíclicas Oligossacarídeos Carboidratos formados pela união de um pequeno número n de monossacarídeos por ligações glicosídicas Ligação realizada entre duas hidroxilas com a liberação de 2 O α D-Glicose α D-Frutose α D-ibose eação esquemática Dissacarídeos Oligossacarídeos mais comuns Polissacarídeos Polímeros de monossacarídeos (glicose) unidos por ligações glicosídicas Cadeias lineares celulose (glicose em β- 1,4) Cadeias ramificadas amido e glicogênio 2
Celulose Amido Glicogênio Polissacarídeo ramificado α-1,4 α-1,6 (ramifica( ramificações) Extremidades não redutoras Adição e quebra da moléculas de glicose Carbono 1 comprometido Lipídeos Armazenagem Fígado Músculo esquelético Lipídeos Compostos orgânicos de estrutura vada Têm baixa solubilidade em água Componentes de membrana Isolantes térmicost Proteção contra traumas mecânicos (subcutânea) eservas de energia Vitaminas e hormônios Anfipáticos Porção polar hidrofílica Porção apolar - hidrofóbica Ácidos carboxílicos Grupo carboxila (polar) Cadeia carbônica (apolar) Ácidos Graxos Saturada (ligações simples) Insaturada(ligações duplas) Sem ramificações Número par de carbonos Ligados a um álcool Glicerol Esfingosina 3
Ácidos Graxos Propriedades físicasf Dependente das insaturações Dependente do tamanho da cadeia carbônica AG saturados Cadeias flexíveis e distendidas Associação com outros AG Interações hidrofóbicas AG insaturados Dupla ligação causa dobra rígida r na cadeia Formação de agregados menos compactos Quanto maior a cadeia carbônica maior interação entre os AG Intensidade de associação relacionada com o ponto de fusão Estado sólido s para líquidol ruptura das interações intermoleculares Menor temperatura de fusão quanto maior número n de insaturações Maior temperatura de fusão quanto maior o comprimento da cadeia carbônica Ácido Graxo Ácido esteárico Ácido oléico Ácido Palmítico Propriedades físicasf N 0 carbonos 18 18 16 N 0 insaturações 0 1 0 Temperatura de fusão ( C) 69,6 13,4 63,1 Consistência em temperatura ambiente Saturados com mais de 14 carbonos sólido Pelo menos uma ligação dupla líquido Grau de fluidez das membranas depende do tipo de AG presente nos lipídios estruturais Tcilgliceróis is Derivados dos ácidos graxos mais abundantes 3 moléculas de AG esterificados ao glicerol Monoacilgliceróis is e Diacilgliceróis is Intermediários rios da síntese s e degradação Moléculas apolares (hidrofóbicas) Armazenagem na forma anidra (sem água) Tcilgliceróis is Gordura animal X gordura vegetal Diferem na composição dos AG Animal AG saturados (sólidos à TA C) Vegetal AG insaturados (líquidos à TA C) idrólise de tcilgliceróis is Glicerol + AG s idrólise em meio alcalino (NaO ou KO) Sais de ácidos graxos sabões Saponificação Glicerofosfolipídeos Diacilglicerol com fosfato (PO 4- ) no C3 Vam de acordo com a molécula esterificada ao fosfato Função estrutural nas membranas Fonte p/ sínteses de tcilgliceróis is Porção polar grupo fosfato Porção apolar cadeias carbônicas do AG s em C1 e C2. 4
Glicerofosfolipídeos Grupo polar Grupo apolar Ácido fosfatídico Esfingolipídeos Não contém m glicerol na esqueleto básicob Aminoálcool com cadeia hidrocarboneto Esfingosina Amino + Ácido Graxo ceramida (molécula precursora) Esfingomielinas bainha de mielina (fosforilcolina( fosforilcolina) Cerebrosídeos ceramida + glicose ou galactose Glicolipídeos Gangliosídicos ceramida + oligossacarídeos Etanolamina Fosfatidiletanolamina Inositol Fosfatidilinositol Grupo apolar Glicerol Fosfatidilglicerol Grupo polar Esfingolipídeos Esteróides Fosforilcolina Glicose Oligosacarídeo Ceramida Esfingomielina (Fosfolipídeo) Cerebrosídeo Gangliosídeo Núcleo tetracíclico clico Colesterol Função estrutural nas membranas Precursor de outras moléculas ormônios sexuais e do córtex c adrenal Sais biliares Vitamina D Transportado por lipoproteínas esterificado à AG s insaturados Colesterol Porção apolar Aminoácidos e Proteínas Porção polar 5
Proteínas Constituintes celulares mais abundantes Grande diversidade estrutural e funcional Funções Estruturais Componentes do esqueleto celular e de estruturas de sustentação (colágeno e elastina) Funções Dinâmicas Processos biológicos (enzimas) Transporte de moléculas (mioglobina( mioglobina,, hemoglobina) Mecanismo de defesa (imunoglobulinas) Controle metabólico (hormônios) Mecanismos contráteis teis (actina( e miosina) Controle da expressão gênica Proteínas Cadeia formada por aminoácidos Apenas 20 aminoácidos (2,4 x 10 18 moléculas) Glicina Gly (G) Alanina Ala (A) Valina Val (V) Leucina Leu (L) Isoleucina Ile (I) Metionina Met (M) Prolina Pro (P) Fenilalanina Phe (F) Triptofano Trp Serina Ser (S) Treonina Thr (T) Cisteína Cys (C) Asparagina Asn (N) Glutamina Gln (Q) Tirorisina Tyr (Y) Lisina - Lys (K) Arginina Arg () istidina is () Aspartato Asp (D) Glutamato Glu (E) Aminoácidos Aminoácidos 2 N AMINO CABOXILA COO Cα 3 N + AMINO CABOXILA COO - Cα Classificados pela polaridade da Cadeia lateral Glicina Gly (G) Alanina Ala (A) Valina Val (V) Leucina Leu (L) Isoleucina Ile (I) Metionina Met (M) Prolina Pro (P) Fenilalanina Phe (F) Triptofano Trp Serina Ser (S) Treonina Thr (T) Cisteína Cys (C) Asparagina Asn (N) Glutamina Gln (Q) Tirorisina Tyr (Y) Sem cargas Lisina - Lys (K) Arginina Arg () istidina is () idrófilos (com carga +) Básicos Aspartato Asp (D) Glutamato Glu (E) idrófilos (com carga -) Ácidos CADEIA LATEAL CADEIA LATEAL p fisiológico idrófobos (apolares) idrófilos (Polares) Aminoácidos D e L Ionização dos Aminoácidos COO - COO - 3 N + Cα Cα 3 N + Soluções Ácidas Grupos Protonados Soluções Neutras Íon dipolar Soluções Básicas Grupos Desprotonados Carbono assimétrico COO COO - COO - C 3 L-alanina C 3 D-alanina 3 N + C 3 N + C 2 N C Seres vivos apresentam proteínas com L-aminoácidos (a) (b) (c) D- aminoácidos em antibióticos e peptídeos bactenos Produtos intermediários de síntese 6
Curva de Titulação Proteínas Polímero de aminoácidos Dipeptídeos tripeptídeos Oligopeptídeos ou peptídeos até 30 aminoácidos Polipeptídeos mais que 30 aminoácidos epresentação da síntese protéica Extremidade C-terminal 3 N + C α O C O - + N + C α O C O - 2 O 3 N + C α O C N C α O C O - 1 2 Extremidade N-terminal 1 2 Ligação Peptídica Peptídeos de Importância Biológica Composição de Algumas Proteínas Peptídeos Encefalinas Oxitocina Número de aminoácidos 5 9 Produção ipófise anterior e medula adrenal ipófise posterior Efeitos Analgesia Contração uterina e das mamas Insulina (bovina) Lisozima Proteínas Número de aminoácidos 51 129 Número de cadeias 2 1 Vasopressina Glucagon Gramicidina 9 29 10 ipófise posterior Células α pâncreas Bacillus brevis Aumento pressão sanguínea nea e reabsorção de água pelo rim Produção de glicose no figado no jejum Antibiótico tico Mioglobina (equina) emoglobina (humana) Aspartato transcarbamoilase (E. coli) NA polimerase (E. coli) Apolipoproteína B (humana) 153 574 2700 4100 4536 1 4 12 5 1 Glutationa 3 Maio das célulasc Dissipação de 2 O 2 Estruturas protéicas Sequência de aminoácidos Disposição dos aminoácidos entre si Cargas das cadeias Polaridade Presença a ou não de cadeias interligadas Primá Secundá Terciá Quaterná Estrutura Primá Dada pela sequência de aminoácidos N-terminal C-terminalC Gly Ala Val ou G A V 7
Estrutura Secundá Descreve a estrutura bidimensional dos segmentos da cadeia polipeptídica Organizações estáveis α-hélice enrolamento da cadeia em um eixo Folha β pregueada interação lateral segmentar ou entre cadeias Pontes de hidrogênio Ligação fraca Elevado número n confere estabilidade Estrutura Secundá α-hélice Folha β pregueada Estrutura Secundá Estrutura Secundá C-Terminal C D F G E B N-Terminal A Mioglobina Concanavalina A Lisozima Estrutura Terciá Dobramento final da cadeia Estruturas regulares Estruturas não regulares Segmentos distantes podem interagir Ligações não covalentes entre grupos dos aa Ligações covalentes entre grupos dos aa Grande número n destas mantém m a estrutura 3á3 Estrutura Terciá Tipos de interação não covalente entre os grupos Pontes de hidrogênio Entre os grupos de aminoácidos polares Interações idrofóbicas Entre cadeias laterais apolares Mais importantes para manutenção da conformação protéica Interações eletrostáticas ticas Interações entre grupos de cargas opostas Importantes para o dobramento da cadeia quando ocorrem na região apolar (menor frequência) Maior frequência na superfície protéica interagindo com a água 8
Estrutura Terciá Estrutura Quaterná Tipos de interação covalente entre os grupos Pontes dissulfeto ( S S ) Duas cisteínas por reação de oxidação Comum entre proteínas da superfície celular e solúveis Insulina 3 pontes dissulfeto Interação entre 2 ou mais subunidades Composição de uma proteína oligomérica Ligações não covalentes como na estrutura 3ª Subunidades semelhantes ou não emoglobina (4 subunidades iguais 2 a 2) 2 subunidades α e 2 subunidades β Associadas principalmente por interações hidrofóbicas Classificação Quanto a Forma Colágeno Proteínas Fibrosas Forma alongada Insolúveis Funções estruturais Único tipo de estrutura 2 a repetitiva α-queratina Epiderme Cabelo, unha, lã β-queratina Fibroína da seda Teias de aranha Colágeno Proteínas Globulares Forma final esférica Solúveis Funções dinâmicas Albuminas Globulinas 1/4 a 1/3 das proteínas do corpo 6% do peso do corpo Estrutura em alfa-hélice lice tripla Quando aquecida desnatura e forma a gelatina Sustentação do tecido conjuntivo Matriz dos tecidos calcificados Cartilagens, tendões Forte, flexível, não elástico Grande número n de glicinas, prolinas, hidroxiprolina e hidroxilisina 15 tipos de colágeno Proteínas Conjugadas Aminoácidos modificados Modificação enzimática pós-traducão Colágeno idroxilação de prolina e lisina Necessidade da vitamina C para a reação Proteínas Conjugadas Grupos prostéticos ticos Moléculas orgânicas não protéicas Ligação covalente ou não covalente Grupo heme na mioglobina Carboidrato glicoproteína Mucina, imunoglobulinas Lipídeo lipoproteína Estruturais da membrana Proteínas de transporte 9
Carga elétrica das proteínas Ponto isoelétrico e composição de aminoácidos Carga elétrica total Somatório das cargas das cadeias laterais Dependem do pk a e do p da solução Ponto isoelétrico (pi)( p onde o número n de cargas (+ / )) equivalem-se Molécula eletricamente neutra Determinação experimental Valor de p onde a proteína não migra frente a um campo elétrico eflete a proporção dos aminoácidos básicos b e ácidos proteínas pepsina albumina Mioglobina Citocromo C pi 1,0 4,8 7.0 10,6 Asp 16,6 10,4 4,7 3,6 Ácidos Aminoácidos (%) Glu 11,3 17,4 8,3 5,9 Arg 1,0 6,2 1,9 2,2 Básicos is 0,5 3,5 7,5 2,5 Lys 0,4 12,3 12,8 15,2 Ácidos Básicos 15 1,3 0,6 0,5 Ponto isoelétrico das proteínas p onde: Número iguais Grupos ácidos desprotonados Grupos básicos b protonados A queda do ph causa: aumento da carga positiva p menor que pi carga líquida l positiva p maior que pi carga líquida l negativa COO 3 N + C 3 N + C 2 N C COO - COO - (a) (b) (c) Solubilidade das proteínas Determinada pela estrutura primá Define a relação entre os aa na estrutura tridimensional Interação com a água Fatores do meio que interferem p As proteínas precipitam no pi - queda da solubilidade Concentração de sais Aumento da [sais] aumenta solubilidade Salting in Salting out Solventes orgânicos etanol, acetona Baixa constante dielética do solvente A grandeza que mede a capacidade de interação do solvente com o soluto Solubilidade protéica Desnaturação das proteínas Log da Solubilidade Quebra das ligações não covalentes Manutenção da ligação peptídica Maneiras de provocar desnaturação Aumentar temperatura abaixo de 100 C Solubilidade (mg de proteína/m)l [NaCl] [NaCl] Log da Solubilidade Força a iônica aumentar ou diminuir p Solventes orgânicos diminui [K] dielétrica Uréia formação de pontes de hidrogênio Detergentes e sabões Cadeia hidrofóbica (apolar) ligada a grupo carregado Ligação com radicais apolares da proteína ompimento interações hidrofóbicas Dodecil sulfato de sódio s (SDS) 10
Membranas celulares Estruturas que delimitam as células c e suas organelas internas Medeiam a comunicação entre a célula c e o meio externo Membranas celulares Barreira seletiva que compartimentaliza elementos químicos e isolamento de vias metabólicas Capta sinais externos que geram efeitos internos Possibilita mudança a na forma e locomoção Estrutura das membranas Lipídeos anfipáticos se agregam no meio aquoso Maximizar interações hidrofóbicas entre as cadeias carbônicas isolando-as as da água Grupos polares em contato com o solvente Formação de duas regiões com solubilidades Estrutura das membranas Fosfo e glicolipídeos Bicamada lipídica Agregação mais estável das moléculas Domínio hidrofóbico Grupos hidrofílicos externos Característica das membranas Livre difusão de moléculas apolares Impermeável a compostos iônicos ou polares Insolúveis no meio interno hidrofóbico Mudança a do estado físico f em uma t C Temperatura de transição Mudança a no grau de interação das cadeias t C abaixo maior consistência / t C acima menor compactação Influenciada pela natureza dos lipídeos que a compõem Maior com a presença a de Ag de cadeias longas e saturadas Menor com a presença a de Ag de cadeias curtas e insaturadas Característica das membranas Associação com proteínas e carboidratos Transporte específico de solutos Glicoproteínas e glicolipídeos Composição lipídica dependente do estado nutricional e da idade Componentes mais abundantes fosfolipídeos Glicerofosfolipídeos - fosfatidilcolina Esfingomielina Colesterol maior concentração nas membrana plasmática 11
Consistência das membranas T C corpórea rea é maior que a T C transição Membrana celulares são fluidas parafina líquidal Modelo mosaico fluido (Singer e Nicholson) Colesterol controla a fluidez por interação dupla idroxila - grupos polares Anéis esteroídicos - cadeias carbônicas Não alcança a o centro da bicamada Maior rigidez na porção mais externa Quando em alta concentração não permite contato maior das cadeias maior fluidez Proteínas nas Bicamada Lipídica Proteínas de membrana têm funções associadas a cada tipo de membrana Proporção maior em membranas com maior atividade membrana mitocondl Interação por ligações não covalentes e difundem-se lateralmente Proteínas imersas Proteínas Integradas Associação com cadeias apolares por Interações hidrofóbicas Só podem ser extraídas após s ruptura da membrana Após s extração são insolúveis Estendem-se se transversalmente através s da membrana Domínio apolar entre dois domínios polares (ou 1 só) s Domínio apolar geralmente com estrutura de α-hélice O citoesqueleto citoplasmático tico dificulta mobilidade das proteínas integradas Proteínas integradas Proteínas Periféricas ricas Ligação com a superfície Pontes de hidrogênio Grupos polares Interações iônicas Isolamento protéico sem ruptura Uréia / solução salina concentrada Solúveis após s extração Citocromo c Ligações com proteínas integradas ou moléculas lipídicas como âncoras Porção externa relacionada com a função eceptores Proteínas periféricas ricas 12
Carboidratos da membrana Cadeias oligossacarídeas ligação covalente Glicoproteínas e glicolipídeos idrofílicas com projeção externa ou interior das organelas Composição vada - complexa e ramificada Marcadores moleculares Mediadores da comunicação celular econhecimento protéico específico Óvulos e espermatozóides econhecimento antigênico Sistema ABO econhecimento protéico de agentes infecciosos Proteínas plasmáticas velhas são degradadas Tipo de carboidrato ligado na síntese s protéica define destino desta Transporte nas membranas Transporte nas Membranas Transporte nas Membranas Transporte passivo Sem gasto energético Substâncias apolares são permeáveis Ácidos graxos, esteróides, gases Difusão simples Difusão facilitada Substâncias polares Transporte ativo Contra gradiente Gasto energético Gradiente eletroquímico Transporte nas Membranas Endocitose e Exocitose Transporte ativo Uniporte Simporte Antiporte 13
Transporte de Macromoléculas culas Endocitose Pinocitose Fagocitose Mediada por receptor Transporte de Macromoléculas culas Exocitose Transporte de Macromoléculas culas Transporte de Macromoléculas culas Transcitose 14