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A estrutura tridimensional das proteínas O esqueleto covalente das proteínas possui um elevado número de ligações em torno das quais é possível rotação, resultando num enorme número de conformações moleculares. A maioria das proteínas biológicas possui uma estrutura tridimensional bem definida, chamda estrutura nativa, que corresponde a um pequeníssimo conjunto dentro de todas as possíveis conformações. A estrutura nativa é estabilizada por interacções fracas (não-covalentes), sendo apenas marginalmente estável (ΔG20-65 kJ/mol) Princípios fundamentais para a compreensão da estrutura nativa das proteínas: a) A ligação peptídica é rígida e planar b) Os resíduos hidrofóbicos preferem o interior não polar das proteínas c) O número de ligação de hidrogénio na proteína é maximizado ΔG folding -20-65 kJ/mol

A estruturatridimensional das proteínas - w3.ualg.ptw3.ualg.pt/~pmartel/cadeiras/bq-mieb/aula3.pdf · •O colagénioé, talcomoa α-queratina, umahélicede hélices: três hélices,

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  • A estrutura tridimensional das protenas

    O esqueleto covalente das protenas possui um elevadonmero de ligaes em torno das quais possvel rotao, resultando num enorme nmero de conformaesmoleculares.

    A maioria das protenas biolgicas possui uma estruturatridimensional bem definida, chamda estrutura nativa, quecorresponde a um pequenssimo conjunto dentro de todasas possveis conformaes.

    A estrutura nativa estabilizada por interaces fracas (no-covalentes), sendo apenas marginalmente estvel(G20-65 kJ/mol)

    Princpios fundamentais para a compreenso da estruturanativa das protenas:

    a) A ligao peptdica rgida e planarb) Os resduos hidrofbicos preferem o interior no polar das protenasc) O nmero de ligao de hidrognio na protena maximizado

    Gfolding -20-65 kJ/mol

  • Sequncia->Estrutura

    Muitas protinas adquirem a sua estruturatridimensional espontneamente (folding)

    Simulao do folding ubiquitina

  • Propriedades estruturais da ligaopeptdica

    Aligao peptdica apresenta interaces de ressonncia quelhe conferem um carcter de 40% ligao dupla:

    O efeito de ressonncia favorece a conformao planar daligao peptdica:

    A conformao cis da ligao peptdica estricamentemenos favoravel e muito mais raramente observada emprotenas:

  • A cadeia polipeptdica formada por umasucesso de planos peptdicos

    Os ngulos de torso (fi) e (psi) descrevem a orientao relativa das planospeptdicos.

    Certos valores de (fi) e (psi) no so possveis, porque provocaminterferncia estrica

  • O diagrama de Ramachandran

    A conformao do esqueleto da cadeia polipeptdica pode ser descrito atravs da enumerao dos pares de valores e para cada resduo. D a esta tipo de representao o nome de diagrama de Ramachandran, em homenagem ao seu inventor.

    No diagrama, cada pontorepresenta um aminocido. As regies a verde soaquelas que no provocamimpedimentosestereoqumicos

    A conformao ==0 no permitida!

    Diagrama de Ramachandran da lisozima

  • Tipe de contacto Limite Normal Limite Extremo

    H H 2,0 1,9H O 2,4 2,2H N 2,4 2,2H C 2,4 2,2O O 2,7 2,6O N 2,7 2,6O C 2,9 2,7N N 2,7 2,6N C 2,9 2,8C C 3,0 2,9

    Zonas permitidas e proibidas dodiagrama de Ramachandran

    As zonas a azul escuro so as possveis sem sobreposioatmica, azul mdio so as zonas permitidas indo ao limiteextremo de sobreposio atmica, e a regio a azul claro accessvel atravs da flexo dos ngulos e comprimentos de ligao

  • A glicina tem maior liberdadeconformacional

    As regies do diagrama de Ramachandran accessveis Glicina so maiores porque este resduo no tem cadeia lateral!

    Glicina

  • A estrutura secundria das protenas

    A estrutura secundria de um polmero definida como a conformao local da sua cadeia principal.

    No caso particular das protenas, este termo geralmenteusado para descrever os padres regulares da geometrialocal da cadeia polipeptdica, tais como hlices, folhas e voltas (turns).

    A estrutura da hlice e da folha foramcorrectamentededuzidas por Pauling e Corey em 1951, ainda antes de se ter conseguido determinar a estrutura de uma protena com detalhe atmico.

    Hlice Folha Volta (turn)

  • A hlice

    Proposta em 1951 por L.Pauling and R.Corey para explicar os dados de difraco de raios X de fibras de protena.

    A hlice possui um nmero no-inteiro de resduos por volta (3.6)

    A geometria ideal da hlice produz ngulos de torso = -57.8, = -47.0, passo = 5.4 e elevao por resduo = 1.5

    O grupo carbonilo do resduo na posio i forma uma ligao de hidrognio com o grupo amina do resduo na posio i+4

    As ligaes de hidrognio possuem uma geometria prxima da ideal.

    O raio da hlice suficientemente pequeno para permitr a ocorrnciade contactos de van der Waals no interior

    As cadeias laterais de cada volta da hlice esto desfasadas emrelao s das voltas contguas, evitando contactos desfavorveis

    A hlice alfa a estrutura helicoidal mais frequente observada nasprotenas globulares, correspondendo a cerca de 30% dos resduosnas protenas de estrutura conhecida. O comprimento mdio de umahlice aproximadamente 12 resduos, mas chega a atingir os 50 resduos.

  • A hlice uma hlice direita

    Hlice esquerda Hlice direita Hlice alfa

  • Exemplos de hlices

    Albumina do soro humano (representao esquemtica)

    Albumina do soro humano (representao atmica)

  • A folha

    A conformao estendida da cadeia polipeptdica foi primeiramentesugerida nos anos 30, mas s observada nos anos 70 quando daresoluo da estrutura da lisozima.

    A conformao em folha foi prevista correctamente por Pauling e Corey em 1951

    A unidade bsica da estrutura uma cadeia extendida(semelhante uma hlice de perodo 2) com ngulos e aproximadamente iguais a -120, +120. Ao contrario da hlice , as ligaoes de hidrognio no se formam localmente mas entre cadeias distintas, que podem ser paralelas ou antiparalelas.

    Folha antiparalela

    Folha paralela

  • A folha plissada

    Uma cadeia com ngulos fi e psi = 180 produz uma conformaocompletamente estendida, como uma fita plana:

    O desvio dos valore de fi e psi de 180 para cerca de 120 faz com que os planos peptdicos subam e descam alternadamente, num padro plissado (pleated)

  • Estruturas

    Folha anti-paralela

    Imunoglobulina humana

    Folha paralela

    Barril twist

    Cadeia

  • Voltas (turns)

    As protenas globulares tm estruturas compactas, obrigando a mltiplas voltas (turns) da cadeia polipeptdica e constituindo porisso cerca de 30% da estrutura destas protenas. Os t

    Voltas

    As voltas de tipo I e II so as mais comuns em protenas, aparecendo a tipo I quase o dobro das vezes que a II. A volta tipo II tem sempre uma glicina como segundo resduo.

    glicina

    volta ( turn)

  • Folha anti-paralela

    Folha paralela

    Poliglicina e poli L-prolina

    Colagnio

    Hlice

    Hlice invertida

    Hlice

    Hlice 310

    Fita 2.27

    Estruturas secundrias regulares

    As estrutura secundrias regulares caracterizam-se porvalores de ngulos e aproximadamente constantes.

    Resduos por volta Translaco por resduo

    Folha antiparalela -139 +125 -178 2,00 3,40Folha paralela -119 +113 180 2,00 3,20Hlice direita -57 -47 180 3,60 1,50

    Hlice 310 -49 -26 180 3,00 2,00

    Hlice -57 -70 180 4,40 1,15Poliprolina I -83 -158 0 3,33 1,90Poliprolina II -78 +149 180 3,00 3,12Polyglicina II -80 +150 180 3,00 3,10

  • A estrutura terciria das protenas

    A estrutura terciria das protenas descreve o arranjo dos seustmos no espao tridimensional.

    Enquanto a estrutura secundria descreve a conformao local das protenas, a estrutura terciria descreve a estrutura global, em queas interaces entre pontos muito afastados da cadeia so cruciais.

    Geralmente separam-se as protenas em dois grupos, as protenasfibrosas e as protenas globulares:

    Protenas globulares:

    so geralmente solveis, possuem uma forma compacta (glbulo), contendo diferentes combinaes de elementos de estruturasecundria, e desempenham funes variadas tais como catliseenzimtica, reconhecimento molecular, transmisso de sinais, etc

    Protenas fibrosas:

    so geralmente insolveis, possuem cadeias muito longas com repetio de um nico motivo de estrutura secundria, desempenham papis estruturais ou de motilidade...

    Protena globular (mioglobina) Protena fibrosa (colagnio)

  • A fibrona da seda

    A fibrona, produzida por aranhas e insectos, uma protenafibrosa constituda por cadeias extendidas, e rica em Alanina e Glicina (estudos da sequncia indicam a presena da unidade(-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-)n )

    As folha ficam sobrepostas em camadas com um empacotamento de Alaninas numa face e Glicinas na outra

    A as propriedades mecnicas da seda podem ser explicadas se considerarmos a sua estrutura:pequena extensibilidade: porque a cadeia j uma estruturaquase totalmente extendidaflexibilidade: porque as foras entre camadas sucessivas so de natureza no-covalente (relativamente fracas)

    Bicho da seda

    Padro de difraco de uma fibra seda

  • A -queratina

    A -queratina o principal componente da camada externa dapele, bem com dos pelos, da l, chifres e cabelo (cerca de 85% do contedo celular de protena).

    As fibras de queratina apresentam uma hierarquia de organizaoestrutural, desde os filamentos intermedirios do citoesqueleto ats molculas individuais.

    A unidade molecular da queratina um dmero, constitudo porduas hlices que se enrolam em torno uma da outra numa hliceesquerda (hlice de hlices ou coiled coil)

    As hlices do dmero de queratina mantem-se unidas atravs de um padro repetido de resduos hidrofbicos na face interior da cadahlice (a-b-c-d-e-f-g em que a e g so hidrofbicos)

    Dmero de -hlices da queratina (coiled coil)

  • Estrutura do cabelo

  • Propriedades mecnicasdas -queratinas

    A -queratina rica em pontes de dissulfureto que ligam cadeiasadjacentes atravs de resduos de cistena. O nmero de ligaescruzadas entre cadeias (cross links) determina a rigidez das queratinas: -queratinas duras contm um elevado nmero de pontes de dissulfureto, -queratinas moles um nmero maisreduzido.

    A elasticidade das fibras de l e cabelo resulta da distenso daestrutura helicoidal das molculas de -queratina. O grau de distenso limitado pelo nmero de pontes de dissulfureto entre cadeias.

    Agentes redutores como o mercaptoetanol podem ser usados pararemover as pontes dissulfureto da -queratina, tornando maisflexvel. O processo pode depois ser invertido com a adio de um oxixdante.

    reduzir frisar oxidar

    Mecanismo da frisagem do cabelo

  • O colagnio

    O colagnio existe em todos os animais multicelulares e a protena mais abundante dos vertebrados. uma protenaextracelular, presente em vrios tecidos conectivos: tendo, cartilagem, ligamentoes, matrix orgnica do osso, matriz fibrosa dapele e vasos sanguneos, crnea do olho.

    O colagnio , tal como a -queratina, uma hlice de hlices: trshlices, as cadeias (no confundir com -hlices!) enrolam-se numa superhlice direita, enquanto cada uma das cadeias a forma uma hlice esquerda

    Existem muitos tipos de colagnio nos vertebrados, mas a quasetodos contm cerca de 35% Gly, 11% Ala, 21% Pro + Hyp(hidroxiprolina).

    O colagnio contem percentagens varives dos resduosmodificados 3-hidroxiprolina, 4-hidroxiprolina e 5-hidroxilisina.

  • Estrutura do colagnio

    Cada uma das hlices do colagnio uma hlice esquerda com umaconformao semelhante dapoliprolina.

    As sequncias de colagnioapresentam uma frmula geral Gly-X-Y, em que X frequentemente Prolina e Y Hidroxiprolina

    As hlices tm 3.1 resduos por volta e uma elevao de 10

    O grupo -NH de cada Glicina forma uma ligao de hidrognio com o grupoX de uma das cadeias adjacentes

    Sequncia da regio terminal do colagniobovino 1(I)

    Super hlice tripla do colagnio

    Interace entre resduos das 3 cadeias

  • Fibras de colagnio

    Cross links covalente entre cadeias de colagnio, por meio das hidroxilisinas

  • Protenas globulares

    As protenas globulares compreendem um grupo altamentediversificado de protenas que existem, no seu estado nativo, naforma de um glbulo compacto, de dimenses mais ou menosesferoidais.

    As protenas globulares desempenham uma diversidade de funes, tais como enzimas, receptores, hormonas, anticorpos e transportadores.

    As protenas globulares apresentam, geralmente uma variedade de elementos de estrutura secundria combinados de diversos modos.

    Dimenses da albumina do soro humanocomparadas com uma cadeia extendida

  • Exemplo de protena globular:a mioglobina

    Formas de representao da estruturaterciria da mioglobina

    A mioglobina foi a primeira protena a ser conhecida com detalheatmico - a sua estrutura foi determinada por difraco de raios X nos anos 50 por John Kendrew e colaboradores.

    A anlise da estrutura da mioglobina deu a conhecer os princpiosgerais de organizao das protenas globulares.

    A mioglobina tem 153 aminocidos de comprimento e possui um grupo prosttico, o grupo hmico.

  • Princpios da estrutura de protenasglobulares

    A localizao das cadeias laterais varia de acordo com a suapolaridade: os resduos hidrofbicos tm preferncia pelo interior, enquanto os carregados se encontram quase sempre superfcie e os resduos polares podem aparecer, ocasionalmente, no interior.

    O interior das protenas est densamente empacotado,

    As protenas globulares podem conter hlices e folhas

    Os elementos de estrutura secundria organizam-se em estruturassupersecundrias

    As protenas de maiores dimenses (>200) esto geralmenteorganizadas em domnios, unidades estruturais mais ou menosautnomas cuja dimenso no ultrapassa os 100-200 aa.

    Domnio A

    Domnio B

    Elements de estrutura supersecundria

  • Diversidade de estruturas dasprotenas globulares

  • A estrutura das protenas globulares construida a partir de elementos simples

  • Classificao estrutural das protenas

    As protenas podem ser classificadas de acordo com o contedo emestruturas secundrias, defindo-se as seguintes classes:

    : contendo apenas hlices alfa

    : contendo apenas estruturas beta

    / : elementos beta e alfa, ocorrendo de forma alternada

    +: elementos alfa e beta ocorrendo em regies separadas

    Dentro de cada classe definem-se folds, em que cada fold corresponde a um tipo particular de arranjo de elementos de estrutura secundria (por.exemplo o barril beta).

    Dentro de cada fold definem-se superfamlias, protenas com caracteristcas estruturais mais semelhantes, mas geralmente com diversidade funcional. Finalmente, dentro de cada superfamliadefinimos famlias, conjuntos de protenas de estrutura muitosemelhante e geralmente com uma funo biolgica idntica ouprxima.

    classe

    fold

    superfamlia

    famlia