8/30/2010 - laboratório de cristalografia ... · forças intermoleculares são forças de...
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1 São Carlos, 30 de agosto de 2010.
Aula 4Interações fracas
Introdução a Bioquímica: Biomoléculas
Julio Zukerman Schpector
LaCrEMM – DQ – UFSCar
Ignez Caracelli
BioMat – DF – UFSCar
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Intermolecular Intramolecular
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Forças Intermoleculares são forças
de atração entre moléculas.
930 kJ para quebrar todas as ligações O-H em 1 mol de água (intra)
Forças Intramoleculares (ligações)
mantem os átomos juntos dentro da
molécula e são muito mais fortes.
41 kJ para vaporizar 1 mol of água (inter)
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Estrutura Primária das Proteínas
cadeia polipeptídica ligação covalente
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Estrutura secundária das proteínas
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-hélice folha pregueada
ligações de
hidrogênio
“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 )
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Estrutura Terciária
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“Folding global”
determinada por interações entre as cadeias laterais (grupos R)
ligação dissulfeto
ligação iônica
ligação de hidrogênio
“esqueleto” polipeptídico
interações de van der Waals e hidrofóbicas
ligação covalente
ligação covalente
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1959 Kauzmann; cadeias hidrofóbicas
e enovelamento
Metamorphic ProteinsProteins that can adopt more than
one native folded conformation
SCIENCE, 2008, VOL 320, 1725
Limphotactin
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Estrutura quaternária
Mais que uma cadeia polipeptídica juntas por
– interações fracas
hemoglobina
colágeno
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Interações Não-Covalentes
Mecanismos moleculares
Predizer estruturas de proteínas
Predizer mudanças funcionais
Manipular propriedades de proteínas
Modificar velocidade de reação ou atividade: QM
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causas da ligação droga receptor
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Interações não-covalentes
Complementaridade de forma
Hidrofobicidade
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energias “força” das ligações químicas
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He Ne Ar
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)14(1
)4(2 62
4
2
0 rk
qUvdW
)17()4(2 6
2
2
0 rUvdW
dvdW UouU)16(
2
k
q
interações dipolo induzido-dipolo induzido
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interações dipolo-dipolo
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0
2,6
1
rTkU
b
dd
)17()4(2 6
2
2
0 rUvdW
O
C
CHH C3 3
d+
d
acetona
O
C
CHH C
33
d+
d
+
-
+
-
Representação
simples
De um
dipolo
}atração
eletrostática
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interações dipolo-dipolo induzido
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2
0
216
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rU indd
2dO
H
H
d+
d+
O=O
2d
O
H
H
d+
d+
O=O
d+ d
Água dipolar e
se aproximam
Um dipolo fraco é induzido
é gerado na molécula de oxigênio
uma molécula não-polar de oxigênio
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Interações
15Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006) 1633-1645
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Interações iônicas
16Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006) 1633-1645
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Interação íon-dipolo permanente
17Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006) 1633-1645
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dipolo
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dipolo permanente
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NH3+
COO-
Exemplo:
O dipolo elétrico formado pelas hélices α em proteínas
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Interações de van der Waals
20Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006) 1633-1645
Forças de Keeson
Forças de London ou de dispersão
Forc
asd
e va
n d
erW
aals
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Ligação de Hidrogênio
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Aparece um hidrogênio ligado covalentemente com um átomo retirador de elétrons e um aceptor com carga parcial negativa: D-H...A
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Pergunta
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ligação de hidrogênio = ponte de hidrogênio?
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Teoria do Orbital Molecular – B2H6
A molécula de BH3 existe na fase gasosa, mas dimeriza a B2H6
2 BH3 B2H6
BH
HB
H
HB HH
H
BHH
HH
H
Duas interações 3c-2e
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A molécula de diborano B2H6 contem átomos de H em ponte, que
unem dois átomos de B apesar de terem somente um elétron de
valência. O átomo de B, por sua vez, se une a 4 H, apesar de ter
somente 3 elétrons. A molécula B2H6 é conhecida como elétron
deficiente. As distancias de ligação B-H mostram que as ligações
terminais e as da ponte são diferentes.
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
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Uma forma de construir o diagrama de MO para B2H6 é primeiro
quebrar a molécula em dois fragmentos B2H4 e H---H. Os LGO’s
(ligand group orbitals) para os dois fragmentos são determinados
(D2h grupo pontual) e então as interações entre estes dois grupos
resultará nos MO’s do B2H6
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
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Os 6 LGO’s , mais
baixos do B2H4
Os LGO’s para o
fragmento H---H
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O LGO ag no H---H
corresponde com a
simetria de dois LGO’s do
B2H4
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
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O LGO b3u do H---H
corresponde com a
simetria de um LGO
do B2H4
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Teoria do Orbital Molecular – B2H6
Dos dois ag LGO’s nos
fragmentos B2H4, somente um
tem energia perto do
correspondente LGO do H---H
Representacao dos MO’s ag e b3u que
posuem B-H-B caracter ligante
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Nesta parte do
diagrama de MO
para B2H6, os
dois MO’s
ligantes estarão
preenchidos (ag
e b3u) para dar
duas ligações
3c-2e para as
duas pontes B-
H-B
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
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Ponte de Hidrogênio
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estrutura onde três átomos estão unidos porapenas dois elétrons por meio do átomo dehidrogênio, como por exemplo, a diborana (B2H6)
ligação entre três centros e dois elétrons, onde o hidrogênio está ligado a outros dois núcleos menos eletronegativos
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Resposta
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ligação de hidrogênio ponte de hidrogênio
ligação de hidrogênio e ponte de hidrogênio
não são sinônimos
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Ligações de hidrogênio
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•Clássicas
•Não Clássicas
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ligações de hidrogênio clássicas
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Ligações de hidrogênio
Energia varia entre 3 a 7 kcal/mol.
Átomos Distância A
O – H--------O 2,70
O – H--------O- 2,63
O – H--------N 2,88
N – H--------O 3,04
N+ - H--------O 2,93
N - H---------N 3,10
N - H---------S 2,30
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ligações de hidrogênio clássicas
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Ligação de Hidrogênio entre 2 moléculas de água
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ligações de hidrogênio clássicas
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ligações de hidrogênio clássicas
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C = O
H
CR
C = O
H
H N
C
R
Entre grupos
peptídicos
C = O H O
H
H
C
H
Entre
grupos OH
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ligações de hidrogênio clássicas
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H O-O C = O
H O-N+
H
C = O
H
Entre COO- e
OH da Tyr
Entre NH3+
e COO-
H O = CO
N
C C
H H
R
H
Entre OH da
Serina e
um grupo
peptídico
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ligações de hidrogênio clássicasTimina
Adenina
Citosina
Guanina
DNA
Parte de uma hélice
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ligações de hidrogênio
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ligações de hidrogênio não clássicas
F – H---O F – H---F
O – H---X (halogênios) O – H---Se
S – H---N S – H---O
C – H---O C – H---N
O – H---π C – H---π
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ligações de hidrogênio clássicas
H OOH
Mitos e Realidades
O
HH
O
mais forte ? mais fraca ?
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Não há evidência experimental de que a
uma certa distância crítica a natureza de
uma interação X-H...A passe de uma
ligação de hidrogênio para uma interação
de van der Waals.
ligações de hidrogênio
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ligações de hidrogênio
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rmanligações de hidrogênio não-clássicas
C-H...π
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ligações de hidrogênio não-clássicas
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interações π-π
empilhamento -– Podem aparecer entre sistemas que possuem densidade eletrônica delocalizada (sistemas aromáticos).– Interações atrativas incluem ‘face-a-face’ ou ‘vértice-a-face’.– Ainda que estas interações são fracas elas são responsáveis pelo enovelamento do DNA
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interações π-π
figura do Sergio
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interação cátion-π
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interaçoes cátion-π relativamente fortes
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nova interação cátion-π de interesse biológico
CrystEngComm, 2009, 11, 1176–1186COVER ARTICLE
Gold … aryl interactions as
supramolecular synthons
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interações cátion-π são comuns em biomoléculas
A maioria das análises estatísticas de estruturas de proteínas usam critérios geométricos. O que é um problema para estas interações devido à diversidade de geometrias
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interações cátion-π
Uma interação cation- cada 77 aminoácidos
Arginina é preferida frente a lisina
Mais de 25% de todos os triptofanos estão envolvidos em interações cátion-
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enzima
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interação cátion-π quádrupla
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Glicoamilase: 1gai
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interações ânion-π
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Ânions em sistemas biológicos?
70 a 75% dos substratos e cofatores são ânions:
Fosfatos (ATP e ADP)
Sulfatos
Carboxilatos
Anions cloreto (ânion extracelular mais abundante)
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interações ânion-π
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F F-q -q
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vdWrd-q
-qXX = halogênio
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vdWrd-q
-q
F F-q -q
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par-isolado de elétrons
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3.65 Å
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importância das ligações químicas fracas
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Ligações fracas têm energias que variam de 1 a 7 kcal/mol e são constantemente feitas e quebradas.
O máximo de ligações covalentes está limitada pela valência:(oxigênio tem 2 valências)
No caso de ligações fracas, o fator limitante é puramente espacial
O ângulo entre duas ligações covalentes é sempre o mesmo. Por exemplo, no metano: CH4 todos são de 109o
Nas ligações fracas o ângulo é variável
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Os ácidos graxos de cadeia
longa possuem cadeias
alquílicas hidrofóbicas, que
ao serem introduzidas na
água, se rodeiam de
moléculas de água
altamente ordenadas
Efeitos Hidrofóbicos
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Quando as moléculas de ácidos
graxos se agrupam lateralmente
diminui o número de moléculas de
água “ordenadas”
Similarmente ao se agrupar em
micelas, os ácidos graxos expõem
uma superfície hidrofílica e
minimizam o ordenamento das
moléculas de água. A micela se
estabiliza pelo efeito entrópico de
aumentar a água desordenada
Efeitos Hidrofóbicos
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Visão superior da geração de uma união hidrofóbica Cada
cadeia hidrocarbonada (de 9 C) está rodeada por 4 colunas de 6
moléculas de água cada uma. A associação de duas moléculas
de ácido cáprico (10 C) elimina 2 colunas de moléculas água da
“cela do solvente”
G = H – T S H = H2 –H1 y S = S2 – S1
Cálculo deH (para o complexo molecular descrito):
Quebra de 12 ligações H2O/CH2= + 120 kJ
Formação de 9 ligações =H2C/H2C= - 36 kJ
Formação de 6 ligações H2O/H2O - 120 kJ
H = - 36 kJ
Efeitos Hidrofóbicos
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Cálculo deS:
Por analogia à mudança água(s) => água (l) com S = 22 J/K . mol de água e 12 mols de água
(22 J/K x 12 x 300 K) = 79.2 kJ TS = - 79 kJ
Aos domínios (espaços) hidrofóbicos compartilhados entre
moléculas, que excluem às moléculas de água, se denominam “união
hidrofóbica”. Na realidade, não há uma união hidrofóbica, senão uma
serie de atrações tipo van der Waals e tipo London somadas as
ligações de hidrogênio do solvente (água). As uniões hidrofóbicas são
responsáveis pela formação de micelas, monocamadas e bicamadas
lipídicas, membranas biológicas e dobra de proteínas.
G = H – T S
G = - 36 kJ – 79 kJ
G = - 115 kJ
Processo espontâneo
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Efeitos Hidrofóbicos
A temperatura ambiente o “efeito hidrofóbico” é entrópico as moléculas de água formam estruturas ordenadas ao redor de compostos não polares.
Os resíduos hidrofóbicos colapsam para o interior para excluir a água.
Forças adicionais podem então atuar estabilizando (vdW, ligações de H).
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Exercício
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1. Buscar no PDB ou PDBSum a estrutura 1am6
2. Analisar as interações intermoleculares entre a proteína e o ligante HAE - Acetohydroxamic acid
3. Fazer uma ou mais figuras (formato jpg em fundo branco) mostrando interações e distâncias.