Soluções de 7.012 Conjunto de Problemas 1 - mit

Soluções de 7.012 Conjunto de Problemas 1
Questão 1
a) Quais são os quatro tipos principais de moléculas biológicas discutidos na aula? Cite uma
função importante de cada tipo de molécula biológica na célula.
Fosfolipídeos: formam as camadas duplas que são as membranas da célula.
Carboidratos: açúcares simples que fornecem energia para os processos celulares; a celulose
polimerizada atua como um componente estrutural e o glicogênio polimerizado atua como
armazenador de energia.
Proteínas: São responsáveis por praticamente todas as funções celulares; enzimas para trajetos
metabólicos, proteínas estruturais para a estrutura das células, proteínas de membrana para a
regulagem das células, reconhecimentos de células e transporte de moléculas para dentro e fora da
célula.
Ácidos Nucléicos: armazenamento e transferência de material genético.
b) Responda brevemente as questões a seguir.
i) Quais são as duas principais diferenças entre as células procarióticas e eucarióticas?
As células procarióticas não têm um núcleo, ao passo que as eucarióticas têm.
Em termos de evolução, as células procarióticas são mais antigas que as eucarióticas.
As células eucarióticas têm organelas e membranas internas, as procarióticas não.
ii) Qual é a diferença entre organismos unicelulares e multicelulares?
Organismos unicelulares vivem e se reproduzem como células isoladas. Cada célula tem o
mesmo DNA e a mesma aparência. Organismos multicelulares são compostos por várias
células. Cada célula em um organismo multicelular tem o mesmo DNA, porém as células têm
aparências diferentes.
iii) Os procariotas são unicelulares ou multicelulares? E os eucariotas?
Procariotas são unicelulares. Eucariotas podem ser organismos multicelulares ou
unicelulares.
Questão 1, continuação
c) Para os pares de aminoácidos abaixo, faça um círculo em torno de cada cadeia lateral. Forneça o
tipo mais forte de interação que ocorre entre os grupos de cadeias laterais de cada par.
Aminoácidos
GLICINA
Interação
GLUTAMINA
TIROSINA
ÁCIDO GLUTÂMICO
ASPARAGINA
LISINA
van der Waals
hidrogênio
iônica
d) Desenhe a estrutura química do polipeptídeo a seguir em pH 7.
cisteína-alanina-tirosina-fenilalanina
e) Na estrutura desenhada acima, faça um círculo em torno de uma ligação peptídica.
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Questão 2
A droga Minoxidil é utilizada por via oral como um agente contra hipertensão e de forma tópica
como um estimulante para o crescimento capilar. A estrutura do Minoxidil é mostrada a seguir.
*O Minoxidil não apresenta carga em seu estado ativo
Minoxidil
a) Um esquema do local de ligação do Minoxidil em uma proteína hipotética é mostrado abaixo.
i) Desenhe as cadeias laterais nas posições dos aminoácidos 51, 129, 134 e 167.
ii) Desenhe o Minoxidil, como mostrado acima, ligando-se no local. Certifique-se de
considerar as interações entre o Minoxidil e as cadeias laterais, ao orientá-lo dentro do local
de ligação.
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Questão 2, continuação
b) Liste todas as interações que ocorreriam entre os aminoácidos especificados e o Minoxidil no
modelo que você propôs, preenchendo a tabela abaixo.
Aminoácido
Glu 51
Val 129
Leu 134
Asn 167
Interações com o Minoxidil
ligação de hidrogênio, van der Waals
van der Waals, hidrofóbica
van der Waals, hidrofóbica
ligação de hidrogênio, van der Waals
c) Para decidir se o seu modelo está correto, você constrói algumas versões alteradas dessa proteína
e testa se o Minoxidil ainda se liga. Suponha que todos os outros aminoácidos permanecem
inalterados. Os resultados são os seguintes:
Proteína
normal
variante 1
variante 2
variante 3
variante 4
variante 5
Posição 51
Glu 51
Asp 51
Gly 51
Gly 51
Glu 51
Glu 51
Posição 129
Val 129
Val 129
Val 129
Val 129
Lys 129
Phe 129
Posição 134
Leu 134
Leu 134
Leu 134
Leu 134
Leu 134
Leu 134
Posição 167
Asn 167
Asn 167
Asn 167
Ala 167
Ala 167
Asn 167
Liga?
sim
sim
sim
não
não
sim
Das possíveis orientações para o Minoxidil no local de ligação, somente uma orientação é
consistente com os resultados acima. Verifique o seu modelo cuidadosamente, revise-o se
necessário e responda as questões a seguir.
No modelo proposto aqui, as características importantes são a ligação de hidrogênio do Minoxidil
com Glu51 e Asn167 e a posição do anel hidrofóbico de Minoxidil na bolsa hidrofóbica próxima a
Val129 e Leu134. Se você orientou o Minoxidil de alguma outra forma na bolsa, somente as forças
de van der Waals existem entre os resíduos do Minoxidil e as alterações acima ainda permitiriam
essas forças.
Explique em termos de seu modelo e das prováveis interações por que...
i) a variante 2 ligará o Minoxidil, mas a variante 3 não.
Na variante 2, uma das duas ligações de hidrogênio permanece, assim como a bolsa
hidrofóbica, considerando a informação de que isso é suficiente para permitir a ligação. Na
variante 3, as duas ligações de hidrogênio teriam sido perdidas e isso interrompe a ligação.
ii) a variante 5 ligará o Minoxidil, mas a variante 4 não.
Na variante 4, um aminoácido hidrofóbico é substituído por um aminoácido carregado que
interrompe a bolsa hidrofóbica. As substituições na variante 5 não interrompem as interações
hidrofóbicas.
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Questão 3
Os receptores do fator de crescimento (mostrados abaixo) são proteínas de transmembrana
encontradas na superfície celular.
Membrana
extracelular
intracelular
receptores do fator de crescimento
a) A maior parte das moléculas que constituem a membrana acima pertence a qual classe de
macromoléculas?
fosfolipídeos
Explique as qualidades/propriedades importantes dessas moléculas, as quais permitem que elas
formem membranas.
Os fosfolipídeos possuem “cabeças” hidrofílicas e “caudas” hidrofóbicas que permitem sua
montagem em duas camadas contendo um núcleo hidrofóbico quando em meio aquoso.
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Questão 3, continuação
Um pequeno diagrama esquemático do receptor do fator de crescimento é mostrado abaixo.
região transmembrana
A seqüência dessa região é mostrada abaixo
b) Qual trecho dos aminoácidos na seqüência acima é parte da região transmembrana do receptor?
Faça um círculo nesses aminoácidos e explique brevemente o seu raciocínio.
Esse trecho contém aminoácidos que são não-polares ou hidrofóbicos, os quais prontamente
residiriam no ambiente hidrofóbico da membrana.
Quando o fator do crescimento se liga ao domínio extracelular do receptor, uma mudança de
conformação ocorre no receptor. A ligação do fator do crescimento causa a dimerização de dois
receptores adjacentes na membrana da célula. Após a dimerização, os domínios intracelulares dos
receptores se tornam ativos. Veja esquema abaixo.
ligando
ligando
domínio ligandoligação
extracelular
Receptor 1
Receptor 2
membrana
plasmática
domínio
intracelular
domínios inativos
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domínios ativos
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Questão 3, continuação
As regiões dos dois receptores que interagem na dimerização estão desenhadas abaixo. Nas partes (i
– iv) abaixo, nomeie o tipo mais forte de interação (escolha entre: ligação de hidrogênio, iônica,
covalente e van der Waals) ocorrendo entre as cadeias laterais dos aminoácidos indicados.
Receptor 2
Receptor 1
Cadeias laterais interagindo
Tipo de Interação
i)
Phe50 : Val98
van der Waals
ii)
Asp68 : Lys65
iônica
iii)
Cys75 : Cys82
covalente
iv)
Ser53 : Gln12
hidrogênio
d) Explique como o Gln12 e o Val98, tão distantes na seqüência primária da proteína, podem estar
próximos entre si na região da proteína diagramada acima.
Quando a proteína se incorpora em sua forma final, os resíduos de aminoácidos longe da estrutura
primária podem ser alinhados próximos uns aos outros.
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Questão 3, continuação
e) As interações moleculares entre os dois receptores são importantes para a dimerização. Dessa
forma, a substituição de certos aminoácidos na proteína pode afetar a dimerização do receptor.
Estime se os receptores serão capazes ou não de dimerizar considerando as substituições (i – iv)
abaixo. EXPLIQUE seu raciocínio.
i) Asp68 à Arg:
Os receptores não serão capazes de dimerizar porque isso significa a substituição de um
aminoácido com carga negativa por um de carga positiva. A ligação iônica entre o Asp68 e o
Lys65 é interrompida, ocorrendo uma repulsão.
ii) Ser53 à Thr:
Os receptores serão capazes de dimerizar porque isso significa a substituição de um
aminoácido polar que pode participar nas ligações de hidrogênio com outro aminoácido do
mesmo tipo.
iii) Phe50 à Asn:
Os receptores serão capazes de dimerizar mesmo que isso signifique a substituição de um
ácido hidrofóbico por um aminoácido polar, pois as forças de van der Waals permanecem.
(Dentro da região diagramada, a proximidade das espécies carregadas torna improvável a
atuação das interações hidrofóbicas como uma força importante na interação entre dois
receptores.)
iv) Val98 à Ile:
Os receptores serão capazes de dimerizar porque isso significa a substituição de um ácido
hidrofóbico por outro aminoácido do mesmo tipo. As forças de van der Waals permanecem.
e) A substituição de um aminoácido, Cys75 à Gly, leva à dimerização dos receptores com ou sem
o fator do crescimento. Forneça uma breve explicação para essa observação.
Essa substituição posiciona dois resíduos de cisteína em oposição entre si. Esses dois resíduos
podem formar uma ligação de dissulfeto e, portanto, ligar os dois receptores entre si.
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Questão 4
A reação a seguir é o décimo e último passo na glicólise:
piruvato cinase
Fosfoenolpiruvato + ADP <--------------------------> piruvato + ATP
∆G° ’ = -7,5 kcal/mol
a) Calcule Keq para essa reação sob as condições padrão a 25ºC e faça um círculo na afirmação
correta a seguir.
∆G = ∆G0 + RT ln ([produtos]/[reagentes])
no equilíbrio, ∆G = 0 e Keq = ([produtos]/[reagentes])
portanto ∆G0 = -RT ln (Keq)
Dessa forma:
-7,5 kcal / mol = -0,59 kcal / mol ln (Keq)
12,7 = ln (Keq)
Keq = e12,7
Keq = 3,3 x 105
No equilíbrio, [fosfoenolpiruvato] > [piruvato]
No equilíbrio, [fosfoenolpiruvato] < [piruvato]
b) As concentrações a seguir são encontradas nos glóbulos vermelhos do sangue. Calcule ∆G para a
reação a 37ºC. Em qual direção essa reação prosseguirá de forma espontânea?
[ADP] = 10 mM
[ATP] = 81 mM
[fosfoenolpiruvato] = 10 mM
[piruvato] = 500 nM
∆G = ∆G0 + RT ln ([produtos]/[reagentes])
∆G = -7,5 kcal / mol +0,61 kcal / mol x ln (500 x 81)/ (10 x10)
∆G = -3,84 kcal / mol
A reação é espontânea da esquerda para a direita:
Fosfoenolpiruvato + ADP --------------------------> piruvato + ATP
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Questão 4, continuação
Energia Livre (G) kcal / mol
c) Desenhe o perfil de energia para essa reação sob condições fisiológicas. No diagrama, certifiquese de:
1) mostrar os níveis relativos de energia dos reagentes e produtos.
2) rotule os eixos
3) rotule reagentes e produtos
4) indique a energia de ativação
5) indique ∆G
Energia de
ativação
fosfoenolpiruvato +ATP
piruvato +ADP
Andamento da Reação
d) Como o piruvato cinase ( a enzima que catalisa essa reação) altera o perfil de energia?
A enzima somente reduz a energia de ativação. Ela não altera a energia livre dos reagentes,
produtos ou da reação geral.
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ESTRUTURAS DOS AMINOÁCIDOS em pH 7,0
ALANINA
(ala)
CISTEÍNA
(cys)
HISTIDINA
(his)
METIONINA
(met)
TREONINA
(thr)
ARGININA
(arg)
ÁCIDO GLUTÂMICO
(glu)
ISOLEUCINA
(ile)
FENILALANINA
(phe)
TRIPTOFAN
(trp)
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ASPARAGINA
(asn)
GLUTAMINA
(gln)
LEUCINA
(leu)
PROLINA
(pro)
TIROSINA
(tyr)
ÁCIDO ASPÁRTICO
(asp)
GLICINA
(gly)
LISINA
(lys)
SERINA
(ser)
VALINA
(val)
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Para a reação:
com ∆G0 como sua energia livre padrão
no equilíbrio:
onde:
ou
se T = 25ºC
então
se T = 37ºC
então
sob quaisquer condições:
Cinética Enzimática:
Para a reação catalisada por enzima:
na qual:
S = Substrato
E = enzima
P = produto
a velocidade da reação é fornecida por
na qual:
e
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