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