aula 7 - estrutura de proteinas
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ESTRUTURA DE PROTENASCaptulo 5 Bioinformtica Lesk,2008 Profa. Msc Isadora Louise
Objetivos da aula
Entender o conceito de enovelamento de protenas; Reconhecer as consideraes estricas que limitam as formaes das cadeias polipeptdicas; Conhecer as 20 cadeias laterais; Entender o efeito hidrofbico e suas implicaes na estrutura e energtica das protenas enoveladas;
Generalizar as idias de alinhamento de sequencias para o alinhamento de sequencias de protenas pela sobreposio de suas estruturas
Objetivos da aula
Conhecer a relao entre divergncia de sequencia e divergncia de estrutura de protenas na evoluo das mesmas; Familiarizar-se com a classificao enovelamento de protenas (SCOP); dos padres de
Conhecer algumas abordagens bsicas para a predio de estruturas de protenas a partir da sequencia de aminocidos; Entender os funcadmentos dos modelos ocultos de Markov;Conhecer os requisitos bsicos e um frmaco de sucesso, e entender algumas abordagens para o planejamento e descoberta dos mesmos.
Introduo
Bioinformtica: Importante no estudo da sequencia de cidos nuclicos e AMINOCIDOS
Protenas: Principais
molculas efetoras da clula; Funo associada estrutura tridimensional; Bioinformtica: busca pela comparao e predio de estruturas.
Introduo
Grande variedade de estruturas tridimensionais (3D) e funes de protenas => surgem a partir de molculas que compartilham caractersticas bsicas comuns; Cada protena consiste de uma cadeia principal polimrica linear (no ramificada) com diferentes cadeias laterais de aminocidos ligadas em intervalos regulares.
Introduo
Constituio qumica das protenas: os aminocidosGRUPO AMINA GRUPO CARBOXILA
H2O
LIGAO PEPTDICA
Diferentes radicais diferentes aminocidos
Classificao dos aminocidos09 - ESSENCIAS Obteno atravs dos alimentosENTRE OS 20 AMINOCIDOS CONHECIDOS 11- NO ESSENCIAIS As clulas produzem
Polipeptdeos2aa DIPEPTDEO 3aa TRIPEPTDEO 4aa,5aa..
1
2
3
4
5
nmero de ligaes peptdicas + 1 = nmero de aminocido no polipeptdio PROTENAS SO CADEIAS POLIPEPTDICAS COM 51 AMINOCIDOS OU MAIS
Estrutura de protenas
Primria: sequncia de aminocidos que forma uma determinada protena Secundria: forma como os aminocidos se interconectam formando alas, hlices ou folhasA
conformao espacial mantida graas as interaes intermoleculares (ligao hidrognio) entre os hidrognios dos grupos amino e os tomos de oxignio dos outros aminocidos.
Introduo
Sequencia de nucleotdeos => sequencia de aminocidos => estrutura da protena
Introduo
A estrutura 3D determinada pela sequencia de aminocidos: as protenas se enovelam espontaneamente em suas conformaes nativas As protenas evoluram de maneira que um determinado padro de enovelamento de sua cadeia principal seja termodinamicamente melhor que as outras conformaes => estado nativo
Estrutura de protenas
- hlicea
cadeia principal possui orientao helicoidal (espiral) em torno de um eixo, onde os grupamentos R projetam-se para fora.estrutura estabilizada por pontes de hidrognio entre resduos de mesma cadeia. Duas ou maisa-hlices podem se entrelaar formando fibras.
Esta
Estrutura de protenas
- hlice
Estrutura de protenas
- folha
Estrutura de protenasNa folha pregueada as cadeias polipeptdicas dispem-se lateralmente (em paralelo) e fazem pontes de H entre os tomos da ligao peptdica. As cadeias laterais R dos aminocidos voltam-se para cima ou para baixo do plano da folhaVista lateral Folha anti-paralela -C N Folha paralela
-C
N
-N
C
Pontes de H
-C
N
antiparalela
Paralela, toro direita
Paralela, toro esquerda
Folhas b paralelas e antiparalelas podem se formar em uma protena atravs de pequenas tores da cadeia polipeptdica.
Estrutura de protenas
Estrutura de protenas
Estrutura terciria especifica a forma na qual a -hlice, a folha pregueada e outras regies esto dobradas.
Estrutura quaternria associao entre protenas individuais para formar um arranjo especfico (subunidades da molcula).
Beta-alfa-beta
S beta
S alfa
Barril beta
Barril alfa-beta
A estrutura terciria descreve a forma tridimensional final de uma cadeia polipeptdica, resultando da associao de partes organizadas da molcula, chamadas de domnios ou motivos proteicos.Alguns modelos de organizao estrutural, como os barris b e ab, aparecem em vrios tipos de protenas, s vezes no relacionadas.
Subunidade (uma cadeia polipeptdica)
Protena (biolgicamente ativa; dmero no covalente )
Protenas com estrutura quartenria so composta de mais de uma cadeia polipeptdica, que podem estar associadas covalentemente (pontes dissulfeto) ou no.
Formas estruturais das protenasESTRUTURA TERCIRIA
ESTRUTURA PRIMRIA
ESTRUTURA SECUNDRIA ESTRUTURA QUATERNRIA
Formas estruturais das protenas
Estrutura das protenas
As cadeias laterais oferecem a versatilidade fsico-qumica necessria para gerar todos os padres de enovelamento diferentes. Estas cadeias variam em: Tamanho Carga
eltrica Polaridade (polares, neutras, ou hidrofbicas) Forma e rigidez (depende da estrutura qumica e de seus graus de liberdade conformacionais internos)
Funes das protenasPROTENAS PROTENAS
ANTICORPOS - DEFESAESTRUTURAL
ESTRUTURAL MOVIMENTO
RESERVA
ACTINA
MIOSINA
Algumas definies importantes:- Por serem conceitos didticos, frequentemente difcil distinguir em uma protena os nveis secundrio e tercirio de organizao estrutural. - Para evitar tais ambiguidades utiliza-se o termo conformao proteica, que se refere aos aspectos da estrutura tridimensional de uma protena acima de sua sequncia de aminocidos. - Os termos conformao e configurao no so sinnimos. Configurao refere-se estrutura tridimensional de uma molcula determinada por ligaes covalentes, como por exemplo, as formas L- e D- de um aminocido. Conformao refere-se estrutura tridimensional de uma molcula decorrente da somatria de ligaes fracas, no covalentes. Conformao nativa de uma protena refere-se estrutura tridimensional em que a molcula apresenta suas propriedades biolgicas naturais. Desnaturao refere-se a alteraes da conformao nativa de uma protena, podendo resultar em perda parcial ou total, reversvel ou irreversvel, de sua atividade biolgica.
Por que as protenas so apenas levemente estveis?
No muito claro; Acredita-se que facilita a reciclagem (degradao e ressntese de protenas) Estado nativo o de maior estabilidade: complexo: otimizao das interaes disponveis e seleo das sequencias nas quais a conformao tima nica e de energia significativamente menor que as outras. Pode facilitar o enovelamento das protenas
Quais so os tipos de foras que mantm a estrutura tridimensional de umaprotena ?
Protena
Protena
NH2 CH2 OH
... O C CH2 CH2
FORAS NO COVALENTES
Pontes de H -Aminocidos polares Quais so os tipos de foras CH2mantm a estrutura tridimensional de uma que CH2 CCH2CH2NH+ O 3Ligao Inica
Ponte de Hidrognio
CH2CH3
O
protena ?
CH CH3 CH3
Ligaes inicas - Aminocidos carregados
CH3 CH CH2 CH CH3 H3C CH CH3 CH3
Interaes hidrofbicas -Aminocidos apolares Foras de Van der Waals -Qualquer aminocido
Interaes hidrofbicas e Foras de van der Waals
Quais so os tipos de foras que mantm a estrutura tridimensional de uma protena ?Protena Protena
NH2 CH2 OH
Pontes de H ocorrem: - entre os tomos da ligao peptdica (por exemplo, a a-hlice e a folha b); - entre cadeias laterais de aminocidos polares, carregados ou no; - para os grupos NH3+ e COO- dos aminocidos N- e C-terminal, respectivamente.
... O C CH2 CH2
Ponte de Hidrognio
CH2CH2NH+ O 3Ligao Inica
C CH2CH2
CH2CH3
O
CH CH3 CH3
CH3 CH CH2 CH CH3 H3C CH CH3 CH3
Interaes hidrofbicas e Foras de van der Waals
Quais so os tipos de foras que mantm a estrutura tridimensional de uma protena ?Protena Protena
NH2 CH2 OH
... O C CH2 CH2
Ligaes inicas: - ocorrem entre as cadeias laterais de aminocidos com cargas contrrias; - dependem do estado de ionizao dos aminocidos e do pH do meio;
Ponte de Hidrognio
CH2CH2NH+ O 3Ligao Inica
C CH2CH2
CH2CH3
O
CH CH3 CH3
CH3 CH CH2 CH CH3 H3C CH CH3 CH3
- so menos frequentes do que as pontes de H.
Interaes hidrofbicas e Foras de van der Waals
Quais so os tipos de foras que mantm a estrutura tridimensional de uma protena ?Protena Protena
-Interaes hidrofbicas: - ocorrem entre as cadeias laterais de aminocidos apolares; - radicais apolares so repelidos pela gua, aproximando-se uns dos outros;
NH2 CH2 OH
... O C CH2 CH2
Ponte de Hidrognio
CH2CH2NH+ O 3Ligao Inica
C CH2CH2
CH2CH3
O
CH CH3 CH3
CH3 CH CH2 CH CH3 H3C CH CH3 CH3
- no uma fora de atrao real, resultando da repulso pela gua;- como consequncia, em meio aquoso o interior de protenas globulares hidrofbico.
Interaes hidrofbicas e Foras de van der Waals
Quais so os tipos de foras que mantm a estrutura tridimensional de uma protena ?Protena Protena
Foras de Van der Waals - uma fora eletrosttica que ocorre entre dipolos temporrios; - dipolos temporrios (durao de nanosegundos) so criados devido rbita errtica dos eltrons; - pode envolver qualquer tipo de aminocido; - geralmente coincidem com as regies da protena onde ocorrem as interaes hidrofbicas, pois a aproximao dos radicais apolares facilita a interao entre os dipolos.
NH2 CH2 OH
... O C CH2 CH2
Ponte de Hidrognio
CH2CH2NH+ O 3Ligao Inica
C CH2CH2
CH2CH3
O
CH CH3 CH3
CH3 CH CH2 CH CH3 H3C CH CH3 CH3
Interaes hidrofbicas e Foras de van der Waals
Quais so os tipos de foras que mantm a estrutura tridimensional de umaprotena ?
Alm dos laos no covelentes, uma protena pode ter pontes dissulfeto formada a partir de dois resduos do aminocido Cys (cistena).
Pontes dissulfeto so covalentes e s podem ser rompidas por agentes redutores, como 2-mercapto-etanol.
B
AO hormnio insulina composto por duas subunidades, A e B, unidas por duas pontes dissulfeto intercadeia. Alm disso, a cadeia B possui uma ponte dissulfeto intracadeia
Como possvel termodinamicamente que as protenas tenham estruturas to altamente organizadas ? De onde vem a energia que estabiliza a estrutura 3D das protenas ?entropia
A conformao nativa de uma protena representa o estado de menor energia do sistema.
energia
A energia que estabiliza a estrutura 3D de uma protena vem do aumento da entropia da gua, representando desorganizao da gua medida que interagem com a protena.
Estrutura nativa
In vivo conformaes intermedirias das protenas so estabilizadas por chaperonas durante o processo de sntese proteica.
Por que precisamos entender a estrutura das protenas em bioinformtica??? Ferramentas de modelagem molecular
Modelagem comparativa A predio da estrutura 3D de uma protena e seu padro de enovelamento fornecem informaes relevantes sobre sua provvel funo biolgica.
A evoluo tende a conservar funes que dependem mais diretamente das estruturas 3D que das similaridades entre as seqncias de aminocidos das protenas. O enovelamento protico permite que aminocidos seqencialmente distantes interajam em uma mesma regio espacial da protena, formando distintos padres conformacionais, dependendo das condies fsico-qumicas do ambiente. O alinhamento estrutural entre protenas consideradas de uma mesma famlia, mesmo que seja apenas na regio do stio ativo, pode ser um importante mtodo para se inferir a funo da seqncia em estudo.
Modelagem comparativa Predio de estrutura 3D a partir da seqncia de aminocidos da protena de interesse: So usadas como molde, protenas evolutivamente relacionadas cujas estruturas 3D tenham coordenadas definidas experimentalmente (por Raio-x ou RMN) e depositadas no banco de dados PDB (Protein Data Bank). A metodologia se baseia no fato de que duas protenas com funo similar possuem similaridade estrutural. Por isso possvel usar estruturas resolvidas experimentalmente como moldes para construo de um modelo estrutural da seqncia da protena de interesse.
Obrigada!!!!
Referencias
Capitulo 5 Intorduo Bioinformtica de Lesk, 2008 Slide da aula: Protenas: estrutura tridimensional e foras envolvidas . Profa. Clia R. Carlini