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Estrutura tridimensional de proteínas
Prof. Dr. Fernando Berton Zanchi
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 estrutura
3. 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
• 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
•
Ligações peptídicas teem geometria
rígida e planar
Trans:
ω = 180º
Ângulos torsionais, phi e psi
• Responsáveis pela
curvatura na estrutura da
proteína
• Entre o C-α
e 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 sem
sobreposição
• Assimetria do diagrama vem
do fato de que os resíduos das
proteínas são L-aminoácidos –
Gly tem menos impedimentos
estéricos
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)
Hélices-a
• 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 hélice alfa
• 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
1951
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 Gly
5. Interações entre resíduos
das extremidades com o
dipolo
Conformação β (beta)
• Esqueleto estendido em
forma de zigue-zague
• Folhas β paralelas e antiparalelas
– 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
Estruturas terciárias e quaternárias de
proteínas
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
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 estado
estável
• Algumas proteínas se dobram
de forma assistida pelas
proteínas chaperonas
Vaca louca
• A doença de CreutzfeldtJakob, 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