Um pouco de história... PRTEÍNAS Profa. M.Sc. Renata Fontes Medicina Veterinária 2º Período Entre os objetos de estudo dos cientistas no início do século XIX(...)Estava: Albúmen clarade ovo[albus=branco]; Tinhaátomos de C,H,N, es; Tinha estranha propriedade de coagular ao ser submetido a aquecimento; Verificaram que outras substâncias presentes no leite e no sangue também coagulavam quando aquecidas; Então decidiram chamar esses componentes de substâncias albuminoides [semelhantes ao albúmen]. Um pouco de história... Qual a importância das proteínas? Estudos mais tarde acabaram por concluir que essas substâncias estão presentes em todos os seres vivos. Em 1838, Gerardus Mulder chama essas substâncias de PRTEÍNAS [do grego Proteios = primeiro, primitivo]. São fundamentais para qualquer servivo[eatévírus]. Toda manifestação genética é dada por meio de proteínas. Grande parte dos processos orgânicos são mediados por proteínas[enzimas]. Sem proteínas, não existiríamos e nenhum outro ser vivo existiria. s são macromoléculas complexas, compostas de aminoácidos. São os constituintes básicos da vida e necessárias para os processos químicos que ocorrem nos organismos vivos. Nos animais, correspondem a cerca de 80% do peso dos músculos, cerca de 70% da pelee 90% do sangue seco. Mesmo nos vegetais as proteínas estão presentes. s s A importância das proteínas está relacionada com suas funções no organismo. Todas as enzimas conhecidas são proteínas. Muitas vezes, elas existem em pequenas quantidades. Estas substâncias catalisam todas as reações metabólicas e capacitam aos organismos a construção de outras moléculas -proteínas, ácidos nucléicos, carboidratos e lipídios. 1
Funções das proteínas Desempenham diversas funções nos mais variados ambientes vivos. Catalítica: acelera as reações. Ex.: amilase(hidrolisa o amido). Transportadora: transporta diversos componentes. Ex.: Lipoproteínas (transportam colesterol) e hemoglobina(transporta 2) pelo sangue. Funções das proteínas Reserva: guardam e contêm aminoácidos essenciais para o desenvolvimento dos animais. Ex.: caseína(leite de vaca) e albumina(ovos de aves). Contração: promovem os movimentos de estruturas celulares, músculos. Ex.: actina e miosina. Reguladora/ hormonal: atuam como mensageiras químicas. Ex.: insulina( guarda a glicose ), adrenalina. Funções das proteínas Estrutural: participam na composição de várias estruturas do organismo, sustentando e promovendo rigidez. Ex.: colágeno, elastina. Defesa e proteção: promovem a defesa do organismo contra microrganismos e substâncias estranhas. Ex.: imunoglobulinas(anticorpos). Genética: atuam se envolvendo com os ácidos nucleicos para dar conformação. Ex.: nucleoproteínas. Classificação das proteínas s simples Somente aminoácidos s conjugadas (proteínas ligadas a outras substâncias) Nucleoproteínas Glicoproteínas Metaloproteínas Lipoproteínas Classificação das proteínas Presença ou não de um grupo prostético s simples e s conjugadas holoproteína = apoproteína + grupo prostético (grupo prostético ex: FAD, Fe, Grupo heme, etc) As proteínas podem ser simples, constituídas somente por aminoácidos, ou conjugadas,que contém outros grupos como carboidratos, íons, etc. A hemoglobina é um exemplo de proteína conjugada. Contém 4 proteínas ligadas a uma porfirina e a um íon de ferro. Estrutura global s fibrosas e proteínas globulares As liproproteínas, tal como LDL e HDL, são também exemplos de proteínas conjugadas -neste caso, com lipídeos. 2
Aminoácidos: os monômeros proteicos Um aminoácido é uma molécula orgânica formada por átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Alguns aminoácidos também podem conter enxofre. s aminoácidos são divididos em quatro partes: o grupo amina (NH2), grupo ácido carboxílico (CH), hidrogênio, carbono alfa (todos os diferentes grupos se ligam a ele) e um substituinte característico de cada aminoácido(radical). Aminoácidos: os monômeros proteicos Embora sejam inúmeras, todas as proteínas são formadas por apenas 20 aminoácidos. Todos os aminoácidostem um carbono (chamado carbono-α) ligado a um grupo amino e a um grupo carboxila. Glicina Valina Histidina Novalina Alanina Tirosina Leucina Serina metionina Cisteína Lisina Esquema da estrutura química básica de um aminoácido Ac. Amino Triptofano Fenilalanina Butírico homocisteína Asparigina Glutamina Argenina Ac. Glutâmico Ac. Aspártico Existem 20 tipos de aminoácidos. Nome Glicina Alanina Leucina Valina Isoleucina Prolina Fenilalanina Serina Treonina Cisteina Tirosina Asparagina Glutamina Aspartato ou Ácido aspártico Glutamato ou Ácido glutâmico Arginina Lisina Histidina Triptofano Símbolo Gly, Gli Ala Leu Val Ile Pro Phe ou Fen Ser Thr, The Cys, Cis Tyr, Tir Asn Gln Asp Glu Arg Lys, Lis His Trp, Tri Aminoácidos: os monômeros proteicos Quanto à produção de aminoácidos no organismo, são classificados em: Não essenciais ou naturais: são os aminoácidos produzidos pelo organismo. Essenciais: são os aminoácidos que não são produzidos pelo organismo. Eles são obtidos unicamente pela dieta (alimentação). bs.: Precisamos de todos os aminoácidos para os processos de produção de proteínas. 3
Glicina Alanina Leucina Valina Isoleucina Prolina Fenilalanina Serina Treonina Cisteina Tirosina Asparagina Glutamina Gly, Gli Ala Leu Val Ile Pro Phe ou Fen Ser Thr, The Cys, Cis Tyr, Tir Asn Gln Aminoácidos essenciais Aminoácidos não essenciais ou naturais A sequência de aminoácidos é conhecida como estrutura primária. É esta estrutura que, de fato, determina a forma e a função da proteína. Aspartato ou Ácido aspártico Asp Glutamato ou Ácido glutâmico Glu Arginina Lisina Histidina Triptofano Metionina Arg Lys, Lis His Trp, Tri Met A estrutura primária é somente a sequência dos aminoácidos, sem se preocupar com a orientação espacialda molécula. A sequência dos aminoácidos na proteína é determinado geneticamente a partir da sequência dos nucleotídeos no DNA celular. Quando uma proteína em particular é necessária, o código do DNA para esta proteína é transcrito em uma seqüência complementar de nucleotídeos chamada de RNA mensageiro. Assim a sequência de aminoácidos é ditada pelo RNA mensageiro. Uma sequência de 3 nucleotídeos no RNA mensageiro especifica o aminoácido. Desta maneira, o organismo é capaz de sintetizar as várias proteínas com as funções mais diversas de que precisa. As proteínas também são chamadas de polipeptídeos, porque os aminoácidos são unidos por ligações peptídicas. Ligação peptídica é a união do grupo amino de um aminoácido com o grupo carboxila de outro aminoácido, através da formação de uma amida. R HC C N H H H C H R C NH 2 H R R C C NH 2 HC C N H H H Ligação Peptídica Através destas ligações, os aminoácidos formam cadeias longas. A maioria das proteínas tem mais de 200 aminoácidos. HH s As proteínas diferem uma das outras pela: rdem dos aminoácidos Tipo dos aminoácidos Número do aminoácidos 4
Ligação peptídica Ligação feita entre aminoácidos (aa) para formar peptídeos (2 a 5 aa), polipeptídeos (+5 aa) e proteínas (+50 aa). Aminoácido 1 Aminoácido 2 Estruturas das proteínas Estrutura Primária Dada pela sequência de aminoácidos e ligações peptídicas da molécula. Forma um arranjo linear, semelhante a um colar de contas. Ligação Péptica Duplo Peptídeo Água Estruturas das proteínas Estrutura Secundária É dada pelo arranjo espacial de aminoácidos próximos entre si na sequência primária da proteína. corre graças à possibilidade de rotação das ligações entre os carbonos alfa dos aminoácidos e os seus grupos amina e carboxila. s ângulos formados pelas ligações peptídicas fazem com que a cadeia proteica assuma uma conformação espacial chamada de estrutura secundária. Esta conformação espacial é reforçada pelas interações intermoleculares entre os aminoácidos. A principal é a ligação hidrogênio que acontece entre os hidrogênios dos grupos aminoe os átomos de oxigênio dos outros aminoácidos. A α-hélice e a folha β são os tipos de estrutura secundária mais comum entre as proteínas, por que não dependem da composição e sequência de aminoácidos, sendo estabilizadas apenas por pontes de H dos átomos da ligação peptídica. Existem outros tipos de estruturas secundárias conhecidas, como a dobra β ou alças (domínios)deligaçãoaíons,comoca 2+ ouzn 2+. antiparalela Paralela, torção à direita tipo 1 tipo 2 Paralela, torção à esquerda Dobra β hélice-dobra-hélice Zinc-finger Folhas βparalelas e antiparalelas podem se formar em uma proteína através de pequenas torções da cadeia polipeptídica. 5
α-hélice utras estruturas são: As b- sheets, onde uma cadeia interage paralelamentecom outra. E as "Turns que são responsáveis pela reversãoda direção da cadeia. s sítios de reconhecimento dos anticorpos são, frequentemente, encontrados nos turnsou próximos deles. Em geral, estas ligações forçam a proteínaa assumir uma forma helicoidal. A forma mais comum, é chamado de a-hélice. β-sheets Turns Estruturas das proteínas Estrutura Terciária Resulta do enrolamento da hélice, sendo estabilizada por pontes de hidrogênio e pontes dissulfeto. É literalmente um dobramento da proteína, adquirindo uma estrutura tridimensional. A estrutura terciáriaé a conformação espacialda proteína, como um todo, e não de determinados segmentos da cadeia. Esta estrutura é quem determina a forma das proteínas. As proteínas globulares, por exemplo,tem forma esférica. que determina a estrutura terciáriasão as cadeias lateraisdos aminoácidos. Algumas cadeias são tão longas e hidrofóbicasque agrupam-se no interior da proteína provocando uma dobra ou looping, deixando as partes hidrofílicas expostas na superfície da proteína. ligação de hidrogênio esqueleto polipeptídico ligação iônica interações de van der Waals e hidrofóbicas ligação dissulfeto Beta-alfa-beta Só beta Só alfa Barril beta Barril alfa-beta Estruturas das proteínas Estrutura Quartenária Algumas proteínas podem ter duas ou mais cadeias polipeptídicas em estrutura tridimensional. A estrutura terciária descreve a forma tridimensional final de uma cadeia polipeptídica, resultando da associação de partes organizadas da molécula, chamadas de domínios proteicos. 6
Estrutura quaternária Esta estrutura é mantida pelas mesmas forças que determinam as estruturas secundárias e terciárias. Certas proteínas são compostas por mais de uma unidade polipeptídica. A imunoglobulina, por exemplo, é constituída por 4 cadeias proteicas. A conformação espacial destas cadeias, juntas, é que determina a estrutura quaternária. Subunidade(uma cadeia polipeptídica) (biológicamenteativa; dímero não covalente ) s com estrutura quartenária são composta de mais de uma cadeia polipeptídica, que podem estar associadas covalentemente (pontes dissulfeto) ou não. Níveis organizacionais da estrutura de uma proteína Heme (grupo prostético) Subunidades beta Subunidades alfa A Hemoglobina é um heterotetrâmero formada por 2 tipos de cadeias polipeptídicas. Para entender a estrutura 3D das proteínas, vamos dissecá-la em níveis organizacionais: Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína? aminoácido Estrutura primária: é a sequência dos aminoácidos na cadeia polipeptídica; mantida por ligações peptídicas x 4 É o esqueleto covalente (fio do colar), formado pela seqüência dos átomos (- N-C-Cα-)n na proteína. NH2 CH 2 H... C CH 2 CH 2 Ponte de Hidrogênio CH + 2 CH 2 NH 3 Ligação Iônica C CH 2 CH 2 CH2 CH CH 3 FRÇAS NÃ CVALENTES Pontes de H -Aminoácidos polares Ligações iônicas - Aminoácidos carregados Estrutura secundária: Enovelamento de partes da cadeia polipeptídica Formada somente pelos átomos da ligação peptídica, através de pontes de H. Ex: alfa-hélices e folhas beta. Estrutura terciária: Enovelamento de uma cadeia polipeptídica como um todo. correm ligações entre os átomos dos radicais R de todos os aminoácidos da molécula Estrutura quaternária: Associação de mais de uma cadeia polipeptídica No modelo, um tetrâmero composto de 4 cadeias polipeptídicas CH 3 CH CH 2 CH CH 3 H 3C CH Interações hidrofóbicas e Forças de van der Waals Interações hidrofóbicas -Aminoácidos apolares Forçasde Van derwaals -Qualquer aminoácido 7
Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína? NH2 CH 2 H... C CH 2 CH 2 Ponte de Hidrogênio CH + 2 CH 2 NH 3 Ligação Iônica C CH 2 CH 2 CH2 CH CH 3 CH 3 CH CH 2 CH CH 3 H 3C CH Interações hidrofóbicas e Forças de van der Waals Pontes de H ocorrem: -entre osátomosda ligação peptídica(porexemplo, a α-hélicee a folha β); -entre cadeiaslateraisde aminoácidospolares, carregados ou não; -paraosgrupos NH 3+ e C - dos aminoácidosn-e C-terminal, respectivamente. Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína? NH2 CH 2 H... C CH 2 CH 2 Ponte de Hidrogênio CH + 2 CH 2 NH 3 Ligação Iônica C CH 2 CH 2 CH2 CH CH 3 CH 3 CH CH 2 CH CH 3 H 3C CH Interações hidrofóbicas e Forças de van der Waals Ligações iônicas: - ocorrem entre as cadeias lateraisde aminoácidoscom cargas contrárias; -dependemdo estadode ionizaçãodos aminoácidose do ph do meio; -sãomenos frequentes do queas pontes de H. Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína? Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína? NH2 CH 2 H... C CH 2 CH 2 Ponte de Hidrogênio CH + 2 CH 2 NH 3 Ligação Iônica C CH 2 CH 2 CH2 CH CH 3 CH 3 CH CH 2 CH CH 3 H 3 C CH Interações hidrofóbicas e Forças de van der Waals -Interações hidrofóbicas: - ocorrem entre as cadeias laterais de aminoácidos apolares; - radicais apolares são repelidos pela água, aproximando-se uns dos outros; -não é uma força de atração real, resultando da repulsão pela água; - como consequência, em meio aquoso o interior de proteínas globulares é hidrofóbico. NH2 CH 2 H... C CH 2 CH 2 Ponte de Hidrogênio CH + 2 CH 2 NH 3 Ligação Iônica C CH 2 CH 2 CH2 CH CH 3 CH 3 CH CH 2 CH CH 3 H 3 C CH Interações hidrofóbicas e Forças de van der Waals Forçasde Van derwaals - é uma força eletrostática que ocorreentre dipolos temporários; -dipolos temporários(duraçãode nanosegundos) sãocriadosdevidoà órbita errática dos elétrons; -pode envolver qualquertipode aminoácido; -geralmente coincidemcom as regiões da proteína onde ocorrem as interaçõeshidrofóbicas, pois a aproximação dos radicais apolares facilita a interação entre os dipolos. Além dos laços não covelentes, uma proteína pode ter pontes dissulfeto formada a partir de dois resíduos do aminoácido Cys(cisteína). Pontes dissulfeto são ligações covalentes. As interações que as proteínas estabelecem com o meio são importantes na determinação de sua conformação. B A bacteriorhodopsinaé formada por 7 segmentos de α-hélicesapolares, que delimitam um canal interno de natureza polar. A hormônio insulina é composto por duas subunidades, A e B, unidas por duas pontes dissulfeto intercadeia. Além disso, a cadeia B possui uma ponte dissulfeto intracadeia 8
utra forma de classificar as proteínas é baseado na sua função. Podem ser divididas em proteínas estruturais e biologicamente ativas. A maioria das proteínas estruturais são fibrosas. São compostas por cadeias alongadas. Dois exemplos são o colágeno (ossos, tendões, pele e ligamentos) e a queratina (unhas, cabelos, penas e bicos). Muitas proteínas biologicamente ativasficam na membrana celular, e atuam de diversas maneiras. A porina é uma proteína trans-membrana, que atua como um canal iônico em bactérias. Existe um "buraco" na estrutura protéica, de cerca de 11 angstronsde diâmetro, onde os íons passam, seletivamente. Algumas definições importantes: - Por serem conceitos didáticos, frequentemente é difícil distinguir em uma proteína os níveis secundário e terciário de organização estrutural. Conformação nativa de uma proteína refere-se à estrutura tridimensional em que a molécula apresenta suas propriedades biológicas naturais. - Para evitar tais ambiguidades utiliza-se o termo conformação proteica, que se refere aos aspectos da estrutura tridimensional de uma proteína acima de sua sequência de aminoácidos. - s termos conformação e configuração não são sinônimos. Configuração refere-se à estrutura tridimensional de uma molécula determinada por ligações covalentes, como por exemplo,asformas L- e D-deumaminoácido. Conformação refere-se à estrutura tridimensional de uma molécula decorrente da somatória de ligações fracas, não covalentes. Desnaturação refere-se a alterações da conformação nativa de uma proteína, podendo resultar em perda parcial ou total, reversível ou irreversível, de sua atividade biológica. Desnaturação proteica A forma espacial das proteínas pode ser afetada pela temperatura, ph, polaridade, salinidade, solventes, radiações, etc. As proteínas perdem o arranjo [desenrolam-se, perdem as ligações]. vo; Leite, coalhada, queijos; Sangue. Enzimas São proteínas catalisadoras, ou seja, proteínas que aumentam a velocidade das reações, sem sofrerem alterações no processo global. Função: Viabilizar a atividade das células, quebrando moléculas ou juntando-as para formar novos compostos. bs.: Nem todas as enzimas têm natureza proteica. Existe um grupo de enzimas formado por RNA, chamadas de ribozimas. 9
As enzimas fazem a catálise de diversas reações em nosso organismo. Sem elas essas reações não aconteceriam ou gerariam produtos indesejados. Aligação entre o sítio ativo e o substrato é extremamente específica. substrato precisa ter características que permitam o "encaixe" com a enzima. Essa relação é chamada de chave-fechadura. Componentes da reação enzimática Enzima: proteína catalisadora; Substrato: objeto que irá ser modificado; Produto E + S [ES] E + P "sítio ativo" diminui a energia do estado de transição que leva ao produto desejado. Enzimas As enzimas possuem um sítio ativo que corresponde, geralmente, a uma cavidade na molécula de enzima, com um ambiente químico muito próprio. substrato entra no sítio ativo e liga-se à enzima. No exemplo da figura ao lado, uma determinada região da proteína -o módulo SH2 -ligase à tirosina fosfatada, que se adapta ao sítio ativo da enzima tal como uma chave faz a sua fechadura. s Enzimas Co-fatores e co-enzimas são moléculas não proteicas, respectivamente, inorgânicas [íons metálicos] e orgânicas [vitaminas], que são indispensáveis para o funcionamento de várias enzimas. Ex.: Mg, Vitamina B6 Enzimas Para operar, as enzimas necessitam de um ambiente favorável [ph, temperatura, quantidade de substrato], considerado ótimo. Caso contrário, ela é inibida. Inibidor é qualquer fator que possa reduzir ou cessar (pela desnaturação) a reação enzimática. A inibição pode ser: Reversível (presença de substâncias); Irreversível (aquecimento excessivo). 10
A atividade da enzima pode serbloqueada pela ação de um inibidor. Quando este interage com o sítio regulatório da enzima, provoca uma alteração na sua conformação e uma desativação do sítio catalítico. A atividade enzimática, portanto, pode ser controlada, pelo organismo, através da liberação ou captação de inibidores. atividade % temperatura C Gráfico da atividade enzimática. Neste caso, a inibição é causada pelo aumento da temperatura. Por que diferentes moléculas de uma proteína apresentam sempre a mesma estrutura 3D? De onde vem a informação para a estrutura tridimensional de uma proteína? A sequência dos aminoácidos (nãoalteradanadesnaturação) é o quedeterminaa estrutura 3D das proteínas. QUIMTRIPSINA SERIN-PRTEASE 1.A estrutura 3-D de uma proteína é determinada por sua seqüência de aminoácidos. 2. A função de uma proteína depende de sua estrutura. 3. Cada proteína tem uma estrutura única. 11
QUIMTRIPSINA SERIN-PRTEASE catalisa hidrólise de ligações peptídicas tríade catalítica 12
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