Bioquímica – Prof. Dr. Marcelo Soares
Proteínas
São polímeros compostos por combinações entre os 20 aminoácidos-padrão
Apresentam tamanho que vai desde 50 até 4000 aminoácidos, variando também nas proporções entre os aminoácidos
Uma única célula pode apresentar mais de 10.000 diferentes proteínas. Essa diversidade é essencial para o funcionamento das células.
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Funções das Proteínas
Enzimas:
Proteínas Estruturais (Proteínas Fibrosas):
- Catalizam reações químicas (ação metabólica)
- Tecidos Conectivos em animais (Ex: Colágeno)
- Estruturas de Artrópodos (Ex: Casulos, Teias, etc)
- Cabelos, pelos, unhas, chifres, etc (Ex: Queratina)
- Coagulação Sanguínea (Ex: Fibrinas)
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Funções das Proteínas
Proteínas Especializadas em Armazenamento:
Proteínas de Transporte:
- Caseína do Leite, Ferritina, Calmodulina, Albumina, etc
- Proteínas da Membrana Plasmática (Ex: Importinas e Exportinas)
- Carreadoras de Oxigênio (Ex: Hemoglobinas)
- Carreadoras de Minerais como Ferro e Zinco
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Funções das Proteínas
Proteínas Especializadas Transferência de Energia:
Função Regulatória:
- Citocromo (Cadeia Transp. de Elétrons – Mitocôndria)
- Hormônios
- Reguladoras de Genes (TFs – Fatores de Transcrição)
- Regulação Osmótica
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Funções das Proteínas
Proteínas Contráteis e Motoras:
Receptores:
- Músculo (Ex: Actina e Miosina)
- Membrana Plasmática
- Transdução de Sinais (Ex: Hormônio – AMPc)
- Regulação Osmótica
- Cílios e Flagelos
- Citoesqueleto (Microtúbulos, Microfilamentos, etc)
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Funções das Proteínas
Proteínas de Reconhecimento:
Proteínas de Defesa:
- Glicoproteínas da Membrana Plasmática
- Anticorpos (IgE, IgM, IgA, etc)
- Toxinas Protéicas (Ex: Fungos)
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Estrutura das Proteínas
A estrutura de uma proteína é essencial e está diretamente ligada a função desempenhada por ela
Cada proteína tem uma forma ou conformação única, a qual depende do número, do tipo e da seqüência dos aminoácidos que a compõem
A determinação da seqüência de aminoácidos de uma proteína é de extrema importância para estudos genéticos, de doenças genéticas, de mutações e da regulação gênica
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Estrutura das Proteínas
Uma proteína é formada a partir da união de aminoácidos formando então um polipeptídeo
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Forma e Estrutura das Proteínas • A cadeia polipeptídica forma a Estrutura Primária de uma
proteína
Uma proteína funcional necessita passar por um processamento posterior à formação da cadeia polipeptídica
• Uma proteína adquire Estruturas Secundárias e Terciárias através de Dobraduras e Enrolamentos. Somente após adquirir estas conformações, as proteínas tornam-se funcionais
• Algumas proteínas adquirem ainda uma Estrutura Quaternária (compostas por mais de um polipeptídeo)
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Forma e Estrutura das Proteínas
O número, o tipo, a proporção e a seqüência de aminoácidos na cadeia polipeptídica vão determinar a forma e a estrutura das proteínas e, conseqüentemente, sua função
Uma única substituição de aminoácidos na cadeia polipeptídica pode alterar drasticamente a forma final da proteína. Ex.:
- Hemoglobina: o grupo R deve ser necessariamente polar para segurar o Grupo Heme, o qual tem a função de se ligar às moléculas de Oxigênio
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Forma e Estrutura das Proteínas
Virtualmente todas as proteínas apresentam seus aminoácidos não-polares orientados para o interior de sua estrutura
Os aminoácidos polares e/ou carregados estão voltados para a face da proteína que entra em contato com o meio aquoso
A função de muitas proteínas depende de regiões específicas as quais reagem e se ligam à outras moléculas
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Forma e Estrutura das Proteínas
Exemplos:
- Anticorpos: fundamentais para o Sistema Imune, essas moléculas se ligam através de regiões específicas aos antígenos para desativá-los
- Enzimas: se ligam aos substratos através de regiões específicas da molécula polipeptídica (Sítios Ativos)
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Estrutura Secundária
• A Estrutura Primária de uma proteína é resultado da seqüência de aminoácidos que formam o polipeptídeo
Antes de uma proteína adquirir funcionalidade, ela precisa sofrer algumas modificações estruturais
• A Estrutura Secundária de uma proteína é resultado da interação entre os aminoácidos da seqüência
• Os átomos de Hidrogênio dos grupos amino são atraídos pelo Oxigênio das Ligações Peptídicas, formando Ligações de Hidrogênio
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As ligações de Hidrogênio entre os aminoácidos vão promover um enrolamento na molécula polipeptídica
• Este enrolamento estabiliza-se e origina a Estrutura Secundária ou a α-hélice
O “enrolamento” da molécula ocorre a cada 4 aminoácidos, entretanto aminoácidos muito grandes podem impedir a formação de ligações de Hidrogênio
Estrutura Secundária
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Algumas regiões de moléculas polipeptídicas permanecem extendidas
Esta conformação também é devida à formação de Ligações de Hidrogênio, mas entre cadeias adjacentes, formando uma estrutura denominada de Folha-β
Proteínas Fibrosas têm a maior parte de sua estrutura baseada na configuração em Folhas-β
• Folhas-β podem se formar tanto entre regiões de um polipeptídeo quanto entre 2 ou + polipeptídeos
Estrutura Secundária
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A estrutura secundária das proteínas pode ainda apresentar alguns padrões de repetição, envolvendo tanto a estrutura de α-hélice quanto de Folhas-β
Estrutura Secundária
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A estrutura secundária das proteínas pode ainda apresentar alguns padrões de repetição, envolvendo tanto a estrutura de α-hélice quanto de Folhas-β
Esses padrões estão geralmente relacionados com a ligação à outras moléculas para a regulação da atividade destas moléculas. Ex. Regulação da Transcrição do DNA
Estrutura Secundária
DNA
Proteína Reguladora
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A Estrutura Secundária é decorrente da interação entre os grupos amino e carboxílico de diferentes aminoácidos dentro das cadeias polipeptídicas
A Estrutura Terciária é decorrente da interação entre as cadeias laterais (grupos R) dos aminoácidos das cadeias polipeptídicas
Estrutura Terciária
Esta interação da origem a modificações estruturais adicionais, como novos enrolamentos e dobraduras
A conformação final de muitas proteínas é uma forma Globular, resultante destas modificações adicionais
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Regiões Hidrofóbicas são tipicamente formadas a partir da interação entre aminoácidos com cadeias laterais apolares
Esta conformação “força” estes aminoácidos a se posicionarem em regiões situadas no interior das proteínas
Estrutura Terciária – Regiões Hidrofóbicas
Este posicionamento é extremamente preciso pois é necessário para evitar o contato destas cadeias laterais com o meio aquoso
• Estes aminoácidos são estabilizados nesta conformação por Forças de Dispersão ou Interações de Wan Der Walls
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Qualquer alteração nestes aminoácidos não-polares vai afetar o posicionamento preciso e pode causar a ruptura da conformação final da proteína
Estrutura Terciária – Regiões Hidrofóbicas
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São ligações covalentes fortes
São originadas entre Resíduos de Cisteína localizadas próximas na cadeia polipeptídica
Estrutura Terciária – Ligações Disulfídricas
Também são importantes para manter a estrutura terciária das proteínas
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Podem ocorrer entre cadeias laterais carregadas no interior da molécula de proteína, formando “Pontes Salinas”
Estrutura Terciária – Ligações Iônicas
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As instruções para formar as estruturas das proteínas estão codificadas na molécula de DNA
• Dentro de um gene, a região que contém as instruções para a síntese de uma determinada proteína é denominada de Éxon
Domínios nas Proteínas (Regiões Específicas)
Será que Será que
precisamos de precisamos de
“Revisãozinha “Revisãozinha
Amiga”Amiga”??
SIMSIM
NÃONÃO
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Cromatina e Expressão da Informação Gênica
O “Produto Funcional” da informação contida no gene tanto pode ser um RNA como uma cadeia polipeptídica (proteína);
Entretanto o genoma eucarionte apresenta uma grande quantidade de seqüências de DNA que não são convertidas em Produtos Funcionais – Seqüências Não-Codificadoras;
Em termos moleculares um gene pode ser definido como uma seqüência de nucleotídeos (do DNA) que é expressa em um produto funcional;
“Revisãozinha Amiga” : Éxons e Íntrons
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Seqüências não-codificadoras podem estar localizadas entre um gene e outro, separando-os ou dentro dos próprios genes;
- Os genes então apresentam regiões codificadoras (originam produto funcional) denominadas de Éxons, e regiões não-codificadoras (sem produtos funcionais) denominadas Íntrons;
“Revisãozinha Amiga” : Éxons e Íntrons
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ATTCGCGGATCTTGAATGGCGCGCGTATAACCGCCTGAATCGCCGATTAGCCGGGAATATTCGCGGATCTTGAATGGCGCGCGTATAACCGCCTGAATCGCCGATTAGCCGGGAAT
ATTCGCATTCGCGGATCTTGAATGGGGATCTTGAATGGCGCGCGTCGCGCGTATAACCATAACCGCCTGAATCGCCGCCTGAATCGCCGATTAGCCGGATTAGCCGGGAATGGAAT
Seqüência do Gene
Seqüência do Gene com íntrons e éxons
Gene Possui 4 íntrons (I a IV) e 3 éxons (1 a 3)
I II III IVI II III IV11 22 33
“Revisãozinha Amiga” : Éxons e Íntrons
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• O processamento das moléculas de RNA ocorre no núcleo pelo processo denominado de Splicing;
• O Splicing consiste na remoção e digestão das regiões não-codificadoras (íntrons) e posterior união das regiões codificadoras (éxons);
- Todo gene é Transcrito em uma longa molécula de RNA, a qual após sua síntese, é reduzida em tamanho, tornando-se funcional somente após esse processamento;
“Revisãozinha Amiga” : Éxons e Íntrons
Apenas os éxons são mantidos no RNA maduro;
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- O Splicing é um processo muito complexo e preciso. Os processos de retirada e de junção de seqüências precisam ser extremamente exatos;
Nos organismos eucariontes a grande maioria dos genes apresentam íntrons, com apenas poucas exceções. Ex.: genes que codificam as histonas
“Revisãozinha Amiga” : Éxons e Íntrons
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Representação Gráfica do processo de Splicing sofrido pelo mRNA do Gene da β - Globina
Remoção dos Íntrons
RNA “Maduro”
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Representação Gráfica evidenciando a participação das snRNPs durante o processo de Splicing (simplificado)
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Representação Gráfica evidenciando a participação das snRNPs durante o processo de Splicing (detalhado)
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Representação Gráfica resumindo o processo de Splicing a partir de uma molécula de DNA
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Representação gráfica evidenciando o processo de Splicing Alternativo a partir de um mesmo Gene
Produtos ≠s a partir de um único gene
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As instruções para formar as estruturas das proteínas estão codificadas na molécula de DNA
• Dentro de um gene, a região que contém as instruções para a síntese de uma determinada proteína é denominada de Éxon
Domínios nas Proteínas (Regiões Específicas)
• Cada seção da proteína codificada em um Éxon se estrutura independentemente em uma região da proteína denominada de Domínio
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Uma mesma proteína pode então ser constituída ou apresentar diversos Domínios
Cada Domínio pode executar diferentes funções específicas, aumentando assim a funcionalidade da proteína como um todo. Ex:
Domínios nas Proteínas (Regiões Específicas)
- Uma enzima pode se ligar a seu co-fator através de um determinado Domínio enquanto uma outra região desta enzima (um segundo Domínio) atua como local de ligação enzima-substrato
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Duas ou mais cadeias polipeptídicas diferentes podem se agregar resultando na formação de uma molécula complexa
• A estrutura formada pela interação de duas ou mais cadeias polipeptídicas é denominada de Estrutura Quaternária
• Proteínas com estruturas quaternárias freqüentemente se apresentam complexadas também com outros tipos de moléculas, geralmente um mineral. Ex Hemoglobina
Estrutura Quaternária
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Estrutura da Hemoglobina
Estrutura Quaternária
Grupo Heme (Contém Ferro)
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O Colágeno, proteína encontrada em Tecidos Conjuntivos, apresenta um tripla hélice
Esta estrutura é formada pela interação de 3 cadeias polipeptídicas que se “enrolam” entre si
Esta estrutura proporciona uma grande resistência, característica das proteínas da família dos colágenos e das fibras formadas por estas proteínas
Estrutura Quaternária
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Estrutura Estrutura PrimáriaPrimária
Níveis Estruturais das Proteínas
Estrutura Estrutura SecundáriaSecundária
Estrutura Estrutura TerciáriaTerciária
Estrutura Estrutura QuaternáriaQuaternária
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A estrutura física ou conformação de uma proteína é inicialmente determinado por ligações entre os aminoácidos da seqüência dos polipeptídeos
Qualquer mudança nesta seqüência pode alterar a forma e, em conseqüência, a função de uma proteína
Um exemplo deste tipo de alteração é a perda de funcionalidade da molécula de Hemoglobina em decorrência de uma mutação em sua seqüência de aminoácidos
Alteração na Forma das Proteínas
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Esta mutação altera apenas 1 aminoácido, mas esta mudança altera totalmente a forma das hemácias que contém esta hemoglobina
Ocorre a troca da Glutamina por Valina na posição seis das cadeias β que compõem esta proteína
Devido a esta troca, as hemácias apresentam forma de foice, o que dificulta a passagem destas células pelos vasos podendo ocorrer o interrompimento do fluxo sanguíneo
Alteração na Forma das Proteínas
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Alteração na Forma das Proteínas
Hemácias Normais Hemácias em Forma de Foice
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• A maioria das ligações que mantém as estruturas terciárias das proteínas são fracas Ligações de Hidrogênio
• Estas Ligações de Hidrogênio são formada a partir da polaridade dos aminoácidos e de seus Grupos R
Estas ligações dependem de condições físicas e químicas do ambiente onde se encontra a proteína
Estabilidade das Proteínas
Se este ambiente sofrer qualquer modificação em suas condições, estas ligações podem ser desfeitas
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Quando as ligações de Hidrogênio são desfeitas, a estrutura da proteína é alterada e esta perde sua função
• Este processo é denominado de Desnaturação ou Denaturação
Estabilidade das Proteínas
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Condições que podem causar Denaturação Protéica:
Estabilidade das Proteínas
- Temperatura: ≤ a 0 oC ou ≥ 100 oC **
- Metais Pesados como Mercúrio e Prata
- Valores extremos de pH
- Altas concentrações de substâncias polares. Ex: Uréia, Sais, Álcool, etc
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Principalmente as Enzimas podem sofrer Denaturação, mas todos as outras proteínas celulares também podem ser afetadas
Na maioria dos casos a denaturação e a perda de função é permanente
Estabilidade das Proteínas
• Entretanto, em alguns casos, pode ocorrer a Renaturação se o agente denaturante for removido