Estrutura Proteica

Estrutura proteica ➔ O esqueleto covalente de uma proteína típica contém centenas de ligações individuais. ➔ Sendo possível a rotação livre em torno de muitas dessas ligações, a proteína pode assumir um número ilimitado de conformações. ➔ Estrutura tridimensional singular: 1. A estrutura tridimensional de uma proteína é determinada por sua sequência de aminoácidos. 2. A função de uma proteína depende de sua estrutura. 3. Uma proteína isolada tem uma estrutura singular ou quase singular. 4. As interações covalentes são as forças mais importantes que estabilizam a estrutura específica mantida por uma dada proteína. 5. Entre o número imenso de estruturas de proteínas singulares, podemos reconhecer alguns padrões estruturais comuns. Aspectos gerais da estrutura proteica ➔ Conformação é a denominação dada ao arranjo espacial dos átomos de uma proteína. ➔ As proteínas em qualquer de suas conformações enoveladas funcionais são denominadas proteínas nativas. A conformação de uma proteína é estabilizada por interações fracas ➔ Estabilidade pode ser definido como sendo a tendência à manutenção de uma conformação nativa. ➔ Uma dada cadeia polipeptídica pode assumir incontáveis conformações distintas, o estado desnoveisado de uma proteína é caracterizado por um elevado grau de entropia conformacional. ➔ Essa entropia e as interações por meio de ligações de hidrogênio tendem a manter o estado desnoveisado. ➔ As interações químicas que se contrapõem a esses efeitos e estabilizam a conformação nativa incluem ligações dissulfeto e as interações fracas: as ligações de hidrogênio, as interações hidrofóbicas e as iônicas. ➔ As interações fracas são a força predominante para a manutenção da estrutura proteica. ➔ A conformação proteica com a menor energia livre é a que possui o número máximo de interações fracas. ➔ Quando a água envolve uma molécula hidrofóbica, a disposição ótima das ligações de hidrogênio resulta em um envoltório altamente estruturado ou camada de solvatação da água na vizinhança imediata. ➔ A ordenação aumentada das moléculas de água na camada de solvatação correlaciona-se com uma redução desfavorável na entropia da água. ➔ O número de ligações de hidrogênio por unidade de massa é geralmente maior para a água pura do que para qualquer solução, e há limites à solubilidade até mesmo das moléculas mais polares, já que a sua presença causa uma diminuição no número de ligações de hidrogênio por unidade de massa. ➔ Embora a energia de formação de uma ligação de hidrogênio ou iônica seja contrabalançada pela eliminação das interações entre esses grupos e a água, a liberação das moléculas da água, quando a interação intramolecular é formada, fornece a força motora entrópica para o enovelamento. ➔ A alteração de energia livre ocorre quando interações fracas se formam no interior da proteína, derivada do aumento da entropia da solução aquosa circundante, resultado do encobrimento das superfícies hidrofóbicas. Isso contrabalança a grande perda de entropia conformacional quando um polipeptídio é submetido a uma única conformação enovelada. ➔ As interações hidrofóbicas são claramente importantes para a estabilização de uma conformação proteica. ➔ Quaisquer grupos polares ou carregados presente no interior da proteína que possuam pares adequados para estabelecer ligações de hidrogênio ou interações iônicas. ➔ Presença de grupos carregados ou capazes de efetivar ligações de hidrogênio, sem os respectivos pares no núcleo hidrofóbico de uma proteína, é desestabilizante. ➔ As ligações de hidrogênio que ocorrem entre os grupos, nas proteínas, se formam de modo cooperativo. ➔ A formação de uma ligação de hidrogênio facilita a formação de ligações de hidrogênio adicionais; assim as pontes de hidrogênio têm papel importante na condução do processo de enovelamento. ➔ As interações entre grupos carregados com cargas opostas podem ser tanto estabilizadoras ou desestabilizadoras na estrutura da proteína. ➔ Pontes salinas, parcial ou totalmente internas na proteína, podem proporcionar uma estabilidade para a estrutura. ➔ As interações de van der Waals são interações dipolo-dipolo; à medida que os átomos interagem um com o outro, essas interações fornecem uma força intramolecular atrativa; favorecendo a estrutura proteica. ➔ Padrões estruturais refletem 2 regras simples: 1. Os resíduos hidrofóbicos estão, em sua maioria, mantidos no interior da proteína, afastados da água; 2. O número de ligações hidrogênio dentro da proteína é maximizado. A ligação peptídica é rígida e plana ➔ Os seis átomos do grupo peptídico (Cα-C-N-Cα) estão em linha reta, com o átomo de oxigênio do grupo carbonílico trans ao átomo de hidrogênio do nitrogênio da amida. ➔ As ligações peptídicas ao redor das ligações C—N não podem girar livremente devido à dupla ligação. ➔ As ligações peptídicas rígidas limitam a variação de conformações possíveis para uma cadeia polipeptídica. ➔ A conformação da ligação peptídica é definida por três ângulos diedros, chamados de φ (phi), ψ (psi), ω (ômega), que refletem a rotação sobre cada uma das três ligações que se repetem no esqueleto peptídico. ➔ Um ângulo diedro é o ângulo da interseção de dois planos; no caso dos peptídeos, os planos são definidos pelos vetores das ligações do esqueleto peptídico. ➔ Dois vetores de ligações sucessivas descrevem um plano, três, dois planos; e o ângulo entre esses dois planos é medido para descrever a conformação da proteína. A estrutura secundária das proteínas ➔ Estrutura secundária refere-se à conformação local de alguma porção de um polipeptídio. ➔ Alguns tipos de estrutura secundária são particularmente estáveis e frequentemente encontrados nas proteínas. A α-hélice é uma estrutura secundária comum ➔ O arranjo mais simples que uma cadeia polipeptídica pode assumir com suas ligações peptídicas rígidas é uma estrutura helicoidal - α-hélice. ➔ A cadeia polipeptídica é fortemente retorcida em torno de um eixo imaginário longitudinal que passa pelo centro da hélice, com os grupos R dos ESTRUTURAS TERCIÁRIA E QUATERNÁRIA ➔ Arranjo tridimensional global – estrutura terciária: inclui aspectos envolvendo distâncias mais longas dentro da sequência de aminoácidos. ➔ Estrutura quaternária: é a combinação entre várias estruturas terciárias, formando estruturas diméricas, triméricas e tetraméricas, etc. ➔ Proteínas globulares: cadeias polipeptídicas enoveladas em formas esféricas ou globulares; normalmente têm diversos tipos de estruturas secundárias. ➔ Proteínas fibrosas: possuem cadeias polipeptídicas em arranjos de folhas ou feixe β. Tem propriedades que conferem resistência ou flexibilidade à estrutura; são insolúveis em água por possuírem aminoácidos hidrofóbicos. ➔ α-queratina: fazem parte de uma família de proteínas de filamento intermediário (FI). A hélice da queratina é voltada para a direita, arranjadas na forma espiral enroscada. Duas fibras de queratina, orientadas em paralelo, são enroscadas uma sobre a outra, formando uma espiral enroalada supertorcida, que possui rotação no sentido anti-horário. As superfícies onde as duas hélices se tocam são formadas por resíduos de aminoácidos hidrofóbicos, e seus grupos R se entrelaçam em um padrão regular interconectado. São ricas em Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe.. ➔ As estruturas quaternárias podem ser bem complexas. A resistência das proteínas fibrosas pode ser aumentada pelas ligações covalentes entre as cadeias polipeptídicas. As ligações que estabilizam a estrutura quaternária são ligações dissulfeto. • Colágeno: a hélice do colágeno é uma estrutura secundária única, bem diferente da hélice α. Ela gira para a esquerda e tem três resíduos de aminoácidos por volta. Possui estruturas terciárias e quaternárias distintas: três polipeptídeos separados, chamados de cadeias α, são supertorcidos uns sobre os outros; a torção tem sentido horário. ➔ 35% Gly, 21% Pro, 11% Ala , E 4-Hyp; o conteúdo incomum de aminoácidos está relacionado com as restrições estruturais únicas de sua hélice. Somente a Gly pode ser acomodada em suas junções apertadas entre as cadeias individuais; os resíduos Pro e 4Hyp permitem a torção acentuada da hélice. ➔ As fibrilas de colágeno são conjuntos de estruturas supramoleculares formados por triplas hélices de moléculas de colágeno associadas em uma grande variedade de formas para garantir diferentes graus de resistência elástica. ➔ O caráter cada vez mais rígido e quebradiço do tecido conectivo envelhecido resulta do acúmulo de ligações covalentes transversais nas ligações de colágeno. ➔ Fibróina da seda: é produzida por insetos e aranhas, e suas cadeias polipeptídicas estão predominantemente na conformação β. Rica em Ala e Gly, o que permite que seus grupos R estejam em contato. resíduos de aminoácidos projetando-se para a face externa da hélice. ➔ A hélice é sempre orientada para a direita. A SEQUÊNCIA DE AMINOÁCIDOS AFETA A ESTABILIDADE DA α-HÉLICE ➔ Muitas moléculas iguais próximas irão se repelir. ➔ Um impedimento para a formação de uma α-hélice é a presença de prolina ou glicina. ➔ Prolina: o átomo de nitrogênio faz parte um anel rígido, e a rotação em torno da ligação N Cα não é possivel. O resíduo introduz uma dobra desestabilizadora em uma α-hélice, além disso, o átomo de nitrogênio da prolina não faz nenhuma ligação de hidrogênio. ➔ Glicina: possui uma flexibilidade conformacional maior que o das demais resíduos de aminoácidos. ➔ A identidade dos resíduos de aminoácidos próximos das extremidades. ➔ Os aminoácidos negativamente carregados encontram-se próximos das extremidades aminoterminais. ➔ Cinco tipos distintos de restrições afetam a estabilidade de uma α-hélice. 1. Repulsão eletrostática (ou atração) entre resíduos de aminoácidos sucessivos com grupos R carregados; 2. O volume dos grupos R adjacentes; 3. As interações entre as cadeias laterais de aminoácidos espaçadas entre si por 3 ou 4 resíduos; 4. A ocorrência dos resíduos de prolina e glicina. 5. A interação entre os resíduos de aminoácidos nas extremidades de do segmento helicoidal L e o dipolo elétrico inerente de uma α-hélice. A CONFORMAÇÃO β ORGANIZA AS CADEIAS POLIPEPTÍDICAS EM FOLHAS ➔ As cadeias polipeptídicas adjacentes em uma folha β podem ser paralelas ou anti-paralelas. anti-paralelas paralelas ➔ Quando 2 ou mais folhas β são mantidas juntas em uma proteína, os grupos R dos resíduos de aminoácidos das superfícies em contato devem ser relativamente pequenos. ➔ As dobras β são comuns nas proteínas ➔ A estrutura é uma dobra de 180° que envolve quatro resíduos de aminoácidos, com o grupo oxigênio carbonílico do primeiro resíduo de aminoácido formando uma ligação de hidrogênio com o hidrogênio do grupo amino do quarto aminoácido. ➔ Os grupos peptídicos dos dois resíduos centrais não participam de qualquer ligação inter-residual. ➔ Glicina e prolina aparecem frequentemente nas dobras β. ➔ Gly – pequeno e flexível ➔ Pro – as ligações peptídicas que envolvem o nitrogênio imino da prolina facilmente assumem a configuração cis. ➔ Estruturas secundárias comuns têm ângulos diedros característicos ➔ A α-hélice e a conformação β são as estruturas secundárias repetitivas principais em uma ampla variedade de proteínas. ➔ Cada tipo de estrutura secundária pode ser descrito pelos ângulos diedros ϕ ou ψ, associados a cada resíduo. ➔ A estrutura dos aminoácidos define se ele participa ou não das conformações. estrutura global é estabilizada por extensivas ligações de hidrogênio, e também possui interações de van der Waals. A DIVERSIDADE ESTRUTURAL REFLETE A DIVERSIDADE FUNCIONAL NAS PROTEÍNAS GLOBULARES ➔ Em uma proteína globular, segmentos diferentes das cadeias polipeptídicas se dobram uns sobre os outros, gerando uma forma mais compacta do que a observada para as proteínas fibrosas. ➔ O enovelamento garante variedade estrutural para diferentes funções biológicas. ➔ Mioglobina – é uma proteína ligadora de oxigênio, que serve tanto para transportar quanto para estocagem. É uma proteína com uma única cadeia polipeptídica de 153 resíduos de aminoácidos, e um único grupo ferro-protoporfirina (heme). O esqueleto dessa molécula consiste em oito segmentos de hélices a relativamente retas, interrompidas por dobras, algumas delas sendo voltas ß. ➔ A partir do estudo dessa molécula, várias conclusões podem ser tiradas: as posições laterais dos aminoácidos refletem uma estrutura cuja estabilidade é resultante de suas interações hidrofóbicas; a maioria dos grupos R hidrofóbicos está no interior da molécula, escondidos da água; todos os grupos R polares estão na superfície externa da molécula e estão hidratados; um denso núcleo hidrofóbico é típico de proteínas globulares. ➔ O grupo heme reside no interior da molécula, restringindo o acesso, pois o ferro livre em uma solução aquosa rapidamente oxidaria de sua forma ferrosa (Fe2+) para sua forma férrica (Fe3+), que não liga O2. AS PROTEÍNAS GLOBULARES TÊM UMA DIVERSIDADE DE ESTRUTURAS TERCIÁRIAS ➔ Cada proteína dobra-se de forma compacta, com as cadeias laterais hidrofóbicas dos aminoácidos orientadas na direção do centro da proteína, e suas cadeias laterais hidrofílicas se encontram na superfície. ➔ São estabilizadas por inúmeras ligações de hidrogênio e algumas ligações iônicas. ➔ A estrutura tridimensional típica de uma proteína globular pode ser considerada um conjunto de segmentos polipeptídicos em hélices a e conformações ß, ligados por segmentos conectores. ➔ A estrutura pode ser definida pela forma como os segmentos estão empilhados uns sobre os outros, e como estão arranjados os segmentos que os conectam. • Motivo, estrutura supersecundária ou enovelamento: Um motivo ou enovelamento é um padrão de enovelamento identificável, envolvendo dois ou mais elementos da estrutura secundária e a conexão (ou conexões) entre eles. L Simples ou complexas; unidades repetitivas ou combinações. • Domínio: é uma parte da cadeia polipeptídica que é independentemente estável ou pode se movimentar como Estrutura primária Estrutura secundária Estrutura terciária Estrutura quaternária uma entidade isoladas em relação ao resto da proteína. ➔ Quando separado de uma proteína, um domínio se mantém intacto. ➔ Diferentes domínios apresentam funções distintas. → "", "cap ➔ Proteínas pequenas geralmente é o domínio. Classificação estrutural: ↪ Toda α ↪ Toda ß ↪ α/ß (são intercalados) ↪ α + ß (segregados) O enovelamento está sujeito a regras: 1. As interações hidrofóbicas ajudam na estabilidade da proteína. Para ocultar os aminoácidos hidrofóbicos, é preciso de pelo menos duas camadas secundárias (ß-α-ß), quilha α-α. 2. As conformações a-hélice e folhas ß estão em camadas diferentes. 3. Os segmentos adjacentes em uma sequência primária tendem a se arranjar entre si na estrutura enovelada. 4. As conexões das estruturas secundárias não podem se cruzar. 5. Na conformação ß, as ligações orientadas para a direita tendem a ser mais estáveis. ➔ Barril α/ß – cada segmento ß é unido ao seu vizinho por um segmento a-helicoidal orientado para a direita. ➔ Classe e enovelamento Relações evolutivas. ➔ Proteínas com estruturas semelhantes e funções semelhantes fazem parte de uma família; o agrupamento de famílias semelhantes formam superfamílias. A ESTRUTURA QUATERNÁRIA VARIA DE DÍMEROS SIMPLES A GRANDES COMPLEXOS ➔ Muitas proteínas têm múltiplas subunidades polipeptídicas; a associação das cadeias polipeptídicas pode servir a uma variedade de funções. ➔ Subunidades distintas possuem diferentes funções, mas relacionadas, como catálise e regulação. ➔ Algumas associações proteicas muito grandes firmam sítios de reações complexas envolvendo múltiplas etapas. ➔ Multímero: proteína com múltiplas subunidades. ➔ Oligômero algumas subunidades. ➔ Protômero estruturas repetitivas. ALGUMAS PROTEÍNAS OU SEGMENTOS PROTEICOS SÃO INTRINSECAMENTE DESORDENADOS ➔ As proteínas intrinsecamente desordenadas têm propriedades distintas das proteínas estruturadas clássicas; são caracterizadas por alta densidade de aminoácidos carregados. ➔ A desordem estrutural e a alta densidade de cargas podem facilitar a atividade de algumas proteínas, como espaçadores, isoladores ou elementos de ligação em estruturas maiores. ➔ A falta de uma estrutura ordenadas pode facilitar um tipo de promiscuidade funcional, permitindo a interação de uma proteína com múltiplos parceiros. DESNATURAÇÃO E ENOVELAMENTO DAS PROTEÍNAS ➔ A conformação da proteína é apenas marginalmente estável. ➔ A manutenção contínua do grupo ativo de proteínas celulares, necessárias em um dado conjunto de condições, é chamada proteostase. ➔ Requer a atividade coordenada de vias para síntese e enovelamento de proteínas, o redobramento de proteínas parcialmente desdobradas e o sequestro e degradação de proteínas irreversivelmente dobradas. ➔ A medida que as proteínas são sintetizadas nos ribossomos, elas dobram-se na sua conformação nativa; isso pode ocorrer espontaneamente, ou com auxílio de enzimas especializadas, como chaperonas. ➔ A perda de estrutura da proteína resulta na perda de função. ➔ A perda de estrutura tridimensional suficiente para causar a perda de função é chamada de desnaturação. ➔ O estado desnaturado não necessariamente corresponde ao desdobramento completo da proteína. ➔ A sequência de aminoácidos determina a estrutura terciária. ➔ Certas proteínas globulares retomam suas estruturas nativas e suas atividades biológicas, esse processo é chamado de renaturação. ➔ O enovelamento das proteínas nem sempre ocorre de forma espontânea, muitas vezes ocorre a necessidade de assistentes moleculares. ➔ As duas principais famílias de chaperonas são a Hsp70 e as chaperoninas. ➔ Hsp70 – protege a proteína desnaturada pelo calor; os peptídeos que estão sendo sintetizados; impedem o enovelamento de proteínas até serem transportadas pela membrana. • Proteína dissulfeto-isomerase – catalisa a troca ou o embaralhamento das ligações dissulfeto que as ligações nativas sejam formadas. Catalisa a eliminação de intermediários de enovelamento com ligação não apropriada. • Peptídeo-prolil-cis-trans-isomerase – catalisa a interconversão de isômeros cis e trans das ligações peptídicas de Pro.