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Universidade Federal de PelotasInstituto de Química e Geociências

Departamento de Bioquímica04

BÁSICA EM IMAGENS- um guia para a sala de aula

Aminoácidos, peptídeos e proteínas

Hierarquia estrutural na organização molecular das células

Nível 4:Célula e

organelas

Nível 3:Complexos

Supramoleculares

Nível 2:Macromoléculas

Nível 1:Unidades

Monoméricas

Proteínas

Celulose

GlicídiosParede Celular

Cromossomos

Membrana Plasmática Aminoácidos

DNANucleotídeos

Lipídios

4. Proteínas

• Conceito

encefalinacanal de K

insulina

proteínas

• Importância e diversidade funcional

substâncias + abundantes nos seres vivossubstâncias + abundantes nos seres vivos

Expressão gênica (papel central): a informação contida no DNA éexpressa através das proteínas;

Estrutural (plástica): matéria-prima para a construção e reparo das

biológica”)

estruturas celulares;

Dinâmica (“atividade : catálise, transporte, regulação,

ncia as proteínas de outros componentes celulares (glicídios, lipídios) considerados substâncias inertes.

reserva, defesa, etc.

* difere

natureza protéicanatureza protéica≈70% da MS da célula≈70% da MS da célula

Proteína G

proteínas

Proteína

Síntese de mRNA no núcleo

Movimento do mRNA para o citoplasma

Síntese de proteínas

CITOPLASMA

Polipeptídeo Aminoácidos

Ribossomo

Dogma Central da Biologia Molecular

proteínas

• Importância e diversidade funcionalDogma central da Biologia Molecular

proteína

Transcrição

Tradução

Replicação

proteínas

• Importância e diversidade funcional

Transcrição

Tradução

Proteína

Fita molde

proteínas

• Exemplos e etimologia da palavra

Insulina

Glutamina sintetase

Hemoglobina

Citocromo c Ribonuclease Lisozima Mioglobina

Imunoglobulina

proteínasComposição em AA de três proteínas

Nº de AA por molécula de proteína

AA Quimotripsinogênio(bovino)

Lisozima(clara de ovo)

Citocromo c(humano)

Glicina 23 12 13

Alanina 22 12 6

Valina 23 6 3

Leucina 19 8 6

Isoleucina 10 6 8

Metionina 2 2 3

Prolina 9 2 4

Fenilalanina 6 3 3

Triptofano 8 6 1

Serina 28 10 2

Treonina 23 7 7

Asparagina 15 13 5

Glutamina 10 3 2

Tirosina 4 3 5

Cisteína 10 8 2

Lisina 14 6 18

Arginina 4 11 2

Histidina 2 1 3

Aspartato 8 8 3

Glutamato 5 2 8

siçã

proteínas

• Composição

Composição de algumas proteínas

ProteínasNúmeros de aminoácidos

Número de cadeiaspolipetídicas

Insulina (bovina) 51 2

Lisozima (clara do ovo) 129 1

Mioglobina (equina) 153 1

Hemoglobina (humana) 574 4

Aspartatotranscarbamoilase (E. coli) 2700 12

RNA polimerase (E. coli) 4100 5

Apoliproteína B (Humana) 4536 1

4.1. Classificação

proteínas

a) Quanto à forma

• Globulares• Fibrosas

• Monoméricas• Oligoméricas• Multiméricas

b) Quanto ao n° de cadeias polipeptídicasmioglobina

• Simples• Conjugadas

c) Quanto à composição química

proteínas

c) Quanto à composição química – proteínas conjugadas

ClasseClasse AA + ...AA + ... ExemploExemplo

Glicoproteínas Glicídeos proteínas da MP, proteínas secretadas

Lipoproteínas LipídeosÁcidos graxosColesterolTriacilgliceróisFosfolipídios

lipoproteínas de transporte de lipídeos no sangue

Nucleoproteínas Ácidos nucléicos ribossomos, nucleossomos,spliceossomos

Metaloproteínas Fe, Cu, Mn, Mo, Zn ceruloplasminas, prots FS e RSP

Fosfoproteínas Fósforo caseína

Hemeproteínas Heme hemoglobina, mioglobina

proteínas

• Nucleoproteínas

Nucleossomo

• DNA

• Histonas

proteínas

• Hemeproteínas

• Complexo orgânico

• Anel porfirina + Fe+2

proteínas

• Classificação - exemplos

Colágeno

Mioglobina

Glicoproteína

Insulina Actina

Hemoglobina

proteínas

• Classificação - exemplos

Caseína

ATP sintaseAlbumina

ImunoglobulinaLisozima

4.2. Conformação espacial

conformação espacial que permite a sua funcionalidade

Proteína seqüência de AAconformação espacial

função

descrita em níveis estruturais de complexidade crescente

didaticamente → 4 níveis estruturais

proteínas

Proteína nativa

proteínas

• Conformação espacial – Cristais de proteínas

d) Azidomete mio-hemeritatina (verme

marinho Siphonosoma funafuti)

e) Hemoglobina de lampréia

f) Bacterioclorofila uma proteína

(Prosthecochloris aestuarii)

a) Azurita (Pseudomonas aeruginosa)

b) Flavodoxina (Desulfovibrio vulgaris)

c) Rubredoxina (Clostridium pasterianum)

• Conformação espacial – Cristais de proteínas

proteínas

Representação de preenchimento estereoespacialde um segmento de alfa-hélice de mioglobina de esperma de baleia, determinado por cristalografiade raios-X.

Fotografia de difração de raio-X de um cristal de mioglobina de esperma de baleia.

proteínas

• Conformação espacial – estrutura 1ária

determinada geneticamente

determina a função da proteína

(níveis estruturais superiores)

Ligações: peptídicas *posição das cys

proteínasproteínas

ThrPro Glu

Thr LysPro

GluVal

A mudança em uma única base leva a uma doença chamada anemia falciforme

DNAmutado

Hemácia normalsubstituição

Hemácia alterada

determinada geneticamente

Ligações: peptídicas *posição das cys

proteínas

Transcrição

Tradução

Proteína

Fita molde

Cadeialateral

pontes de H entre átomos que participam das ligações peptídicas estabilizam a estrutura helicoidalparalelas ao eixo da cadeia

α - hélices: enrolamento da cadeia ao redor de um eixo

α - hélicesα - hélices

proteínas

cadeias laterais (R) projetadas para fora da hélice

proteínas

Estrutura de uma cadeia polipeptídica em α-hélice, estabilizada por pontes de H intra-cadeia

Representação de preenchimento estereoespacial de um segmento de alfa-hélice de mioglobina de esperma de baleia, determinado por cristalografia de raios-X.

proteínas

Proteina-Gα - hélicesα - hélices

proteínas

folhas β pregueadas: interação lateral de segmentos- da mesma cadeia - de cadeias diferentes

pontes de H entre átomos que participam das ligações peptídicasperpendiculares ao eixo da cadeia

Folhas β−pregueadasFolhas β−pregueadas

Organização de duas cadeias polipeptídicas em folha β-pregueada, estabilizadas por pontes de H inter-cadeias

proteínas

Disposição antiparalela das cadeias polipeptídicas

Vista superior

Vista lateral

Disposição paralela das cadeias polipeptídicas

Vista superior

Vista lateral

proteínas

Mioglobina

• pontes dissulfeto (S-S)• pontes de H• forças de Van der Waals• ligações iônicas• interações hidrofóbicas

proteínas

A maioria das proteínas estrutura 3ária globularResíduos hidrofóbicos: interior

hidrofílicos: exterior

A maioria das proteínas estrutura 3ária globularResíduos hidrofóbicos: interior

hidrofílicos: exterior

proteínas

Interações que mantêm a estrutura terciária de proteínas

(1) hidrofóbica(2) ponte de H (3) eletrostática

proteínas

Interações que mantêm a estrutura terciária de proteínas

proteínas

Ornitinadescarboxilase Ovoalbumina

proteínas

Estrutura de raio-X da enzima triose fosfato isomerase (TIM), com 247 resíduos de aminoácidos, isolada de músculo de frango

proteínas

• pontes de H• forças de Van der Waals• ligações iônicas• interações hidrofóbicas

Associação de 2 ou + cadeias polipeptídicasAssociação de 2 ou + cadeias polipeptídicas

Funcionalidade conjunto de todas as subunidadesFuncionalidade conjunto de todas as subunidades

• Conformação espacial – resumo

proteínas

Hemoglobina

estrutura 1ária estrutura 2ária

estrutura 3ária

estrutura 4ária

proteínas

estrutura 1ária estrutura 2ária estrutura 3ária estrutura 4ária

Folha β

AA (monômero)Cadeias laterais dos AA

são diferentes em cada um dos 20 AA

Cadeiapolipeptídica

Estrutura 1ária

Estrutura 4ária

Estrutura 3ária

Estrutura 2ária

α hélice

Ponte de H

Ligação S-S

proteínas

• Ligações iônicas ou eletrostáticas: são o resultado da força de atração entre grupos ionizados de carga contrária;

• Ligações ou pontes de hidrogênio: formadas quando um próton (H+) é compartilhado entre dois átomos eletronegativos muito próximos. O H+ pode ser partilhado entre átomos de hidrogênio ou de oxigênio próximos entre si. São essenciais para o pareamento específico entre as bases de ácidos nucléicos, proporcionando a força que mantém unidas as duas cadeias do DNA e permite a codificação específica do DNA em RNA.

• Interações hidrofóbicas: correspondem à associação de grupos não polares, que a fazem de modo a excluir o contato com a água. Nas proteínas globulares, as cadeias laterais dos aminoácidos mais hidrofóbicos tendem a agregar-se no interior da molécula, e os grupos hidrofílicos sobressaem na superfície das mesmas. Os resíduos hidrofóbicos repelem as moléculas de água que envolve a proteína e determinam que a estrutura globular torne-se mais compacta.

• Interações de Van der Waals: só se produzem quando os átomos estão mais próximos. Esta proximidade de duas moléculas pode induzir flutuações de carga, produzindo atrações mútuas à curta distância.

A diferença fundamental entre ligações covalentes e não-covalentes está na quantidade de energia necessária para romper esta ligação. Em geral as ligações são rompidas pela intervenção de enzimas, enquanto as não-covalentes se dissociam com facilidade através de forças físico-químicas.

• Ligações não covalentes de ocorrência em proteínas

Fonte: www.ciagri.usp

4.3. Funções e exemplos Estrutural Queratina Colágeno (tec. conjuntivo fibroso)

Fibroína Elastina (tec. conjuntivo elástico)

Reguladora Insulina Hormônio de crescimentoRepressores

Defesa AnticorposFibrinogênio , TrombinaToxina botulínicaVeneno de serpentes, apitoxinaRicina (mamona)

Transporte HemoglobinaAlbumina do soroMioglobinaβ1-lipoproteína

Contrátil (movimento) ActinaMiosinaTubulinaDineína

Reserva (nutritivas) Gliadina (trigo)Ovoalbumina (ovo)Caseína (leite)Ferritina

enzimática (catálise) Ribonuclease, Tripsina

proteínas

• Função estrutural

A tripla hélice de colágeno(tropocolágeno)

Micrografia eletrônica de fibrilas de colágeno dapele

Seqüência de aminoácidos da porção C-terminal da região tríplicehélice da cadeia de colágeno bovino α1(I).

proteínas

Colágeno

• Cadeia simples • Tropocolágeno• Glicinas centrais

• Função estruturalproteínas

proteínas

• Função estrutural - colágeno

Cadeia simples Tropocolágeno Glicinas centrais

proteínas

• Função estrutural -

α-Queratina

A organização microscópica do fio de cabelo

cabelos, lã, chiffres, unhas, cascos, epiderme

α-Queratina

α hélice

Enrolamento de 2 α hélices

Protofilamento

Filamento (4 protofibrilas)

Secção transversal de um fio de cabelo

α hélice

protofilamento

filamento intermediário

filamento

enrolamento de2 α hélices

Mamíferos: cabelos, lã, chiffres, unhas, cascos, epiderme

* β-queratina: aves e répteis → penas, escamas

proteínas

• Função estrutural - queratina

α-hélices adjacentes

interligações de cistina (dois resíduos de cisteína ligados pelos grupos sulfidrílicos) entre α-hélices adjacentes daα-queratina. Nas queratinas “duras” como aquelas do casco da tartaruga, as interligações por resíduos de cistina são muito numerosas.

proteínas

α-Queratina

Pontes dissulfeto entre α-hélices

proteínas

• Função estrutural α-Queratina

Cadeia lateralde Ala

Cadeia lateralde Gly

proteínas

Fibroína

Ala (-CH3)

Gly (-H)

Cadeia lateral

Ala ou Ser

Cadeia lateral

proteínas

Fibroína

• Função estruturalproteínas

Glicoproteína

Calcitonina (metabolismo do Ca++)Hormônio do crescimento

Glucagon

Insulina

• Função reguladoraproteínas

Hormônios

• Função de defesaproteínas

Imunoglobulinas(anticorpos)

proteínas

• Função de defesa

Trombina

Mamona

Peptídeos e proteínas da Apitoxina

Ricina

Hemoglobina

Hemácia

As hemácias contêm centenas de moléculas de hemoglobina que transportam O2

O O2 se fixa ao heme na hemoglobina

Mioglobina

• Função de transporteproteínas

Complexos da Cadeia Transportadora de Elétrons

• Função de transporteproteínas

proteínas

• Função de transporte

Apolipoproteínas

Colesterol Fosfolipídios

TAGs e ésteres do colesterol

Miosina

TubulinaDineína

Filamento de Actina

• Função contrátilproteínas

Caseína

Ovoalbumina

GliadinaGlutenina

• Função de reservaproteínas

proteínas

• Função enzimática - catálise

Complexo Enzima-

Substrato

Substrato éconvertido nos

produtos

Enzima(sacarase)

Substrato(sacarose)

Substrato se liga à enzima

Enzima disponível

para a molécula de

substrato

Produtos são liberados

Glicose

Frutose

Enzimas

proteínas

• Função enzimática - catálise

Glutamina sintetase de Salmonella typhimurium

4.4. Propriedades proteínas

• especificidade

• solubilidade

• desnaturação

• ponto isoelétrico

• tamponamento Proteína G

Estrutura da Insulina – Cadeias aminoacídicas

Idêntico para vertebradosIdêntico – bov., suínos e hum.Mutações hum.A3B10 B24B25

Diferente p/ bov. A8 A10; bov e suíno B30

proteínas

• especificidade

proteínas• especificidade

Seqüências de aminoácidos dos citocromos c de 38 espécies

proteínas• especificidade

Árvore filogenética do citocromo c

proteínas

• especificidade

proteínas

• solubilidade

proteínas

• solubilidade

• Cadeia simples • Tropocolágeno • Glicinas centrais

proteínas

• desnaturação

lisozima

• Proteína nativa

Estado nativo,cataliticamente ativo

Adição de uréia e

mercaptoetanol

Remoção de uréia e

mercaptoetanol

Estado nativo,cataliticamente ativo.

Pontes dissulfetocorretamente refeitas

Estado desenovelado, inativo. Pontes dissulfeto reduzidas formando resíduos de Cys

proteínas

• desnaturação

proteínas

• desnaturação

Estado nativo,cataliticamente ativo

Adição de uréia e

mercaptoetanol

Remoção de uréia e

mercaptoetanol

Estado nativo,cataliticamente ativo.

Pontes dissulfetocorretamente refeitas

Estado desenovelado, inativo. Pontes dissulfeto reduzidas formando resíduos de Cys

proteínas

• desnaturação

proteínas

• ponto isoelétricoCarga elétrica total Σ cargas dos R dos AAΣ cargas dos R dos AA

PKaPH do meio

pI n° cargas + = n° cargas –

molécula e- neutra

n° cargas + = n° cargas –

molécula e- neutra

Proteínasnão pode ser calculado pelos pKas dos AA

↑ n° AAlocalização

não pode ser calculado pelos pKas dos AA↑ n° AAlocalização

determinado experimentalmente

pH no qual a molécula não migra

qdo. Submetida a um campo e-pH no qual a molécula não migra

qdo. Submetida a um campo e-

pI's característicospI's característicos refletem proporção AA ác. / AA bas.refletem proporção AA ác. / AA bas.

a) amostras diferentes são colocadas nos poços ou depressões no topo do gel de poliacrilamida. As proteínas movem-se para o interior do gel quando um campo elétrico éaplicado.

b) as proteínas podem ser visualizadas depois da eletroforese pelo tratamento do gel com um corante. Cada banda no gel representa uma proteína diferente (ou uma subunidade protéica).

Sentido da migração

AmostraEletroforese

• ponto isoelétricoproteínas

proteínas

• ponto isoelétrico

Ponto isoelétrico (pI) de algumas proteínas e sua composição

em AA ácidos e básicos

AA (%)

Ácidos Básicos

Proteinas pI Asp Glu Arg His Lys

Pepsina 1,0 16,6 11,3 1,0 0,5 0,4 15

Albumina 4,8 10,4 17,4 6,2 3,5 12,3 1,3

Mioglobina 7,0 4,7 8,3 1,9 7,5 12,8 0,6

Citocromo c 10,6 3,6 5,9 2,2 2,5 15,2 0,5

Ác / Bas

pI = 1,0

R ács. >ria dos protonados COOHpoucos desproton. COO-

R básicos (poucos) NH3+

pI = 1,0

R ács. >ria dos protonados COOHpoucos desproton. COO-

R básicos (poucos) NH3+

+ AA ácidos (28%)

- AA básicos (2%)

+ AA ácidos (28%)

- AA básicos (2%)

PepsinaPepsina

pI = 10,6

R bás. ½ desprotonados NH2½ protonados NH3

R ácidos COO-

pI = 10,6

R bás. ½ desprotonados NH2½ protonados NH3

R ácidos COO-

AA básicos (20%)AA ácidos (10%)

Cit cCit c

pH < pI carga líquida + (COOH e NH3+)

pH > pI carga líquida - (COO- e NH2)

Proteínas1 pI 14

ácidas básicas

Proteínas1 pI 14

ácidas básicas

pI das proteínasn° R ács. desprotonados COO- = n° R bás. protonados NH3

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