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Estrutura tridimensional de proteínas
Prof. Dr. Francisco Prosdocimi
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Níveis de Estruturas Protéicas
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A conformação espacial das proteínas
• As proteínas não são traços rígidos porque suas ligações químicas podem realizar rotação– A maioria das ligações químicas
não são planares
• Cada proteína tem uma estrutura específica que depende de– sua estrutura primária– interações químicas resultantes
entre as cadeias laterais dos aminoácidos
– modificações pós-traducionais – condições do meio em que elas
estão inseridas
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Temas importantes
• A conformação tridimensional (3D) depende da seqüência de aminoácidos
• A função depende da estrutura• Cada proteína existe em um ou
em pequeno número de formas estruturalmente estáveis
• As principais forças para a estabilização de estruturas são forças não-covalentes
• Existem padrões estruturais comuns que ajudam a organizar o entendimento apolipoprotein A-I (PDB code 1AV1)
Estrutura formada apenas por alfas-hélices
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Conformação nativa
• Proteína dobrada em conformação funcional
• Dobramento espacial se dá principalmente por interações fracas – principalmente hidrofóbicas– Ligações de H e iônicas são otimizadas em
estruturas termodinamente mais favoráveis
• Estabilidade estrutural– Tendência a manter a conformação nativa– Ligações dissulfeto são incomuns, mas
estabilizam proteínas de organismos termófilos
• Camada de solvatação: formada pela água envolvendo uma molécula hidrofóbica
Estrutura de uma treptavidina, proteína modificada a partir da estreptavidina humana que funciona biotecnologicamente para ligar outras moléculas, como a biotina. Formada apenas por folhas beta e loops (2Y3E)
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Ligações peptídicas e o ângulo omega
Trans: ω = 180º
• Ligações peptídicas teem geometria rígida e planar
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Ângulos torsionais, phi e psi
• Responsáveis pela curvatura na estrutura da proteína
• Entre o C-αe o N (do NH2)e o C (do COOH)
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Omega, phi e psi
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Diagrama de Ramachandran
• Devido a restrições espaciais, nem todos os ângulos são possíveis
• Impedimento estérico: dois átomos não podem ocupar o mesmo lugar
• Azul escuro: áreas semsobreposição
• Assimetria do diagrama vem do fato de que os resíduos das proteínas são L-aminoácidos – Gly tem menos impedimentos estéricos
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Estrutura secundária de proteínas
Prof. Dr. Francisco Prosdocimi
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Estruturas secundárias
• Descreve o arranjo espacial dos átomos na cadeia principal
• Ocorre quando os ângulos diedros (phi e psi) permanecem quase iguais durante todo um segmento da proteína
• Tipos– Hélices α– Conformações β– Voltas β– Indefinida (loops, coils, turns)
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Alfa-hélices
• O arranjo mais simples que as proteínas podem assumir é um arranjo helicoidal
• Esqueleto polipeptídico fica enrolado em torno de um eixo imaginário– Cada volta contém 3,6 resíduos
– Φ = -57º; ψ = -47º
• Grupos R se voltam para fora do eixo
• Em média, 25% dos aminoácidos de qualquer proteína estão em hélices α
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All-alpha proteins
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Estabilidade da alfa hélice
• A hélice é comum porque nesse modelo as posições das ligações de hidrogênio estão otimizadas– Entre um H ligado ao NH2 e um
O do COOH– Cada ligação peptídica participa
de ligação de hidrogênio, conferindo estabilidade
• Para isso, todos os aminoácidos precisam ter o mesmo tipo de isomeria óptica (L ou D)
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Tendência dos aa’s em formar hélices
• O grupo lateral interfere na capacidade do aminoácido em formar hélices– Volume e forma de Asp, Ser, Thr e Cys
desestabilizam se estiverem muito próximos
– Pro e Gly dificultam a formação de hélices
• Relações com o vizinho também são importantes
• Componentes amino a carbonil formam dipolo elétrico
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Restrições para a formação de hélice-α
• Tendência do resíduo em formar hélice
• Interações entre os grupos R espaçados 3-4 aa
• Volumes dos grupos R adjacentes
• Ocorrência de Pro e Gly• Interações entre resíduos
das extremidades com o dipolo
1951
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Conformação β (beta)
• Esqueleto estendido em forma de zigue-zague
• Folhas β paralelas e anti-paralelas– Paralela: Φ = -119º; ψ = 113º– Anti-par: Φ = -139º; ψ = 135º
• Quanto as folhas são próximas, os grupos R devem ser pequenos– Teias e queratinas... Gly e Ala
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Estruturas em folhas Beta
• Beta-propeller Beta-barril
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Voltas-β
• A presença de resíduos em voltas ou alças invertem a direção da cadeia
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Ramachandran para estruturas 2D
• Valores de phi e psi bem definidos
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Dicroismo circular (CD)
• Uma assimetria estrutural em uma molécula leva a diferenças de absorção de luz polarizada
• A medida dessa diferença permite-nos ter uma ideia da estrutura secundária de uma proteína
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Estruturas terciárias e quaternárias de proteínas
Prof. Dr. Francisco Prosdocimi
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Estrutura terciária (3D)
• Arranjo tridimensional total de todos os átomos de uma proteína
• Alcance mais longo e dimensão total, quando comparado com 2D
• Segmentos distantes na estrutura 1D podem ser atraídos por interações fracas
• Algumas proteínas são formadas por mais de um complexo polipeptídico (quaternária)
• Proteínas fibrosas e globulares
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Proteínas fibrosas
• Queratina, colágeno, fibroína– Proteínas estruturais: força e
elasticidade
• Insolúveis em água: aa’s hidrofóbicos (Ala, Val, Leu, Ile, Met e Phe)
• Alfa queratina: cabelo, pelo, unhas, garras, penas, chifres, cascos e parte externa da pele
• Pontes dissulfeto estabilizam e dão mais resistências às cadeias
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Colágeno
• Tecidos conectivos: tendões, cartilagens– Garante resistência
• Hélice específica (phi = -51º; psi = 153º)
• Existem mais de 30 variantes do colágeno dependendo do tecido e da função
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Fibroínas de seda
• Folhas beta
• Rica em A e G– Alto
empacotamento
• Ligações de H entre as cadeias B
• Não é elástica, mas é flexível
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Proteínas globulares
• Diversidade estrutural reflete diversidade funcional– Dobramento gera estrutura compacta
• Teem partes em hélices-a e partes em folhas-B
• Motivos estruturais– Padrão identificável
– Envolve elementos 2De conexões entre eles
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Classificação estrutural das proteínas
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Classificação estrutural das proteínas
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SCOP – Famílias de proteínas
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Estrutura quaternária
• Dímeros, homodímeros, heterodímeros
• Trímero, tetrâmero
• Oligômero, multímero
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Desnaturação de proteínas
• Condições diferentes das celulares levam as proteínas à desnaturação
• Perda da estrutura leva também à perda da função
• Calor, pHs extremos, temperatura (?), solventes orgânicos, detergentes
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Renaturação de proteínas
• A sequência terciária é determinada pela sequência primária, certo?
• As proteínas desnaturadas, portanto, podem voltar aos estados nativos através de renaturação, quando o estímulo é retirado
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Enovelamento protéico
• Lento e gradual
• Diminuição da entropiaaté alcançar um estadoestável
• Algumas proteínas se dobramde forma assistida pelasproteínas chaperonas
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Vaca louca
• A doença de Creutzfeldt-Jakob, é causada por uma falha no enovelamento de proteínas
• Mecanismo não muito entendido, mas parece que as proteínas em forma priônica transformam as outras tbm em proteínas com esse formato
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Conclusões
• Estrutura da proteína é estabilizada principalmente por interações fracas
• Estrutura secundária consiste no arranjo espacial de átomos de trechos de proteínas, definidas por ângulos phi e psi específicos
• A estrutura 3D das proteínas tem dois tipos básicos: proteínas fibrosas e globulares
• A estrutura quaternária vem da junção de várias subunidades terciárias oriundas de genes
• A estrutura das proteínas pode ser destruída pela desnaturação, o que mostra que a função depende da estrutura
• Enovelamento de proteínas envolve múltiplos mecanismos