Estrutura tridimensional de proteínas
Prof. Dr. Francisco Prosdocimi
Níveis de Estruturas Protéicas
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
Temas importantes
1. A conformação tridimensional (3D) depende da seqüência de aminoácidos
2. A função depende da estrutura3. Cada proteína existe em um ou
em pequeno número de formas estruturalmente estáveis
4. As principais forças para a estabilização de estruturas são forças não-covalentes
5. Existem padrões estruturais comuns que ajudam a organizar o entendimento apolipoprotein A-I (PDB code 1AV1)
Estrutura formada apenas por alfas-hélices
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)
Ligações peptídicas e o ângulo omega
Trans: ω = 180º
• Ligações peptídicas teem geometria rígida e planar
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)
Omega, phi e psi
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
Estrutura secundária de proteínas
Prof. Dr. Francisco Prosdocimi
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)
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
All-alpha proteins
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)
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
Restrições para a formação de hélice-α
1. Tendência do resíduo em formar hélice
2. Interações entre os grupos R espaçados 3-4 aa
3. Volumes dos grupos R adjacentes
4. Ocorrência de Pro e Gly5. Interações entre resíduos
das extremidades com o dipolo
1951
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
Estruturas em folhas Beta
• Beta-propeller Beta-barril
Voltas-β• A presença de resíduos em voltas ou alças
invertem a direção da cadeia
Ramachandran para estruturas 2D
• Valores de phi e psi bem definidos
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
Estruturas terciárias e quaternárias de proteínas
Prof. Dr. Francisco Prosdocimi
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
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
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
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
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 2D
e conexões entre eles
Classificação estrutural das proteínas
Classificação estrutural das proteínas
SCOP – Famílias de proteínas
Estrutura quaternária
• Dímeros, homodímeros, heterodímeros
• Trímero, tetrâmero• Oligômero, multímero
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
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
Enovelamento protéico
• Lento e gradual• Diminuição da entropia
até alcançar um estadoestável
• Algumas proteínas se dobramde forma assistida pelasproteínas chaperonas
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
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