Aminoácidos, peptídeos e proteínas

Prof. Dr. Francisco Prosdocimi

Características químicas dos aminoácidos

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Os aminoácidos

• Os aminoácidos presentes nas proteínas são isômeros L– A biologia é canhota

• Glicina nãotem isomeriaóptica

Carbono alfa

Grupo R apolar e alifáticos

• Aminoácidos apolares e hidrofóbicos• Ligações de Van der Waals• Ala, Val, Leu, Iso– Interações hidrofóbicas

• Gly; menor aminoácido• Met– Possui átomo de enxofre

• Pro– Iminoácido, menor flexibilidade estrutural

Grupo R aromáticos

• Aminoácidos hidrofóbicos• Tirosina pode formar pontes de hidrogênio

com a água• Modificações pós-

traducionais– Fosforilação do OH

da tirosina• Fenilalanina– Mais apolar

Grupos R polares, não carregados

• Solubilidade intermediária em água• Serina e treonina– Grupos hidroxil

• Asparagina e glutamina– Grupo amida

• Cisteína– Grupo sulfidril– Ligações dissulfeto

Grupos R carregados

• Aminoácidos básicos– Carga positiva– Lisina, segundo grupo amino– Arginina, grupo guanidina– Histidina, grupo aromático

imidazol

• Aminoácidos ácidos– Carga negativa– Possuem segundo grupo

ácido carboxílico

Aminoácidos incomuns

• Modificações pós-traducionais– 4-hidroxiprolina– 5-hidroxilisina– 6-N-metil-lisina– Gama-carboxiglutamato– Fosforilação de resíduos

• Selenocisteína– Selênio ao invés de enxofre na Cys– É adicionado durante a tradução por

mecanismo específico e regulado

pH e pKa

• Constantes de dissociação dependem do pH do meio e são diferentes para diferentes moléculas

• Ionização

• < pH; > [H]+

estado não-ionizado

Aminoácidos são ionizáveis

• Substâncias anfóteras: possuem natureza dual

• Podem funcionar assim como ácidos ou bases– Doam ou recebem

prótons

Titulação de um aminoácidos• pKa: tendência de um

grupo fornecer um próton ao meio

• Aminoácidos podem perder até 2 prótons para o meio

• Conclusão: a função das proteínas depende do pH ao qual estão submetidas

Curvas de titulação predizem a carga elétrica dos aminoácidos

• Alguns aminoácidos podem ter átomos ionizáveis também em sua cadeia lateral

Peptídeos e proteínas

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Polipeptídeo

>Insulina [Homo sapiens] MALWMRLLPLLALLALWGPDPAAAFVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKTRREAEDLQVGQVELGGGPGAGSLQPLALEGSLQKRGIVEQCCTSICSLYQLENYCN

Peptídeos tbm são ionizáveis

• Ou seja, possuem curva de titulação característica

• Funcionam em faixas de pH ótimas

Número de resíduos por proteína

Uso de aminoácidos

• Varia bastante entre as proteínas

• Não permite predizer com precisão o comportamento molecular da molécula

Proteínas com outros grupos químicos

• Adicionados pós-traducionalmente

Trabalhando com proteínas

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Proteínas podem ser separadas e purificadas

• Sabendo que a célula possui milhares de proteínas, como purificar uma única delas?– Basta selecionar por propriedade

• Tamanho, carga e propriedades de ligação

• Obter o extrato bruto– “correr” em cromatografia de coluna

• Fase estável (matriz)• Fase móvel (solução com tampão)

– Coluna maior permite maior resolução na separação

Cromatografia por troca iônica

• Polímero carregado negativamente– Proteínas positivas ligam ao

polímero e demoram mais a ser eluídas da coluna

• Afinidade da proteína é definido também pelo pH

Cromatografia por exclusão de tamanho

• Grânulos porosos na matriz seguram as moléculas menores

• Moléculas grandes não entram nos poros e são eluídas primeiro

Cromatografia de afinidade• Adiciona-se à matriz da

coluna algum tipo de molécula ligante da molécula de interesse

• Molécula ligadora de ATP; adiciona-se ATP à matriz

• Elui-se com solução de ATP

Eletroforese -- Histórico• 1952, Markham and Smith

– Ao estudarem hidrólise de RNA percebem que moléculas de diferentes estruturas têm sua mobilidade diferenciada quando aplicadas num papel e submetidas a um campo elétrico

• 1955, Smithies– Géis de amido funcionam bem para separar

proteínas do soro humano

• 1967, Loening – Géis de acrilamida com maior resolução e permitem

separar ainda moléculas grandes de DNA

• 1980, Schwartz and Cantor – Eletroforese em campo pulsado separa fragmentos

enormes• É hoje impossível imaginar um laboratório de

biomol sem eletroforese acontecendo a todo instante...

Vou ali correr um gelzinho e

já volto

Tenho que ir senão vou perder meu gel

Eletroforese• Movimento de partículas dispersas

num fluído sob influência de um campo elétrico uniforme

• DNA, carga negativa– Tem tendência a se dirigir ao polo

positivo quando sujeito a um campo elétrico

• Serve para separar moléculas por tamanho/carga elétrica – Proteína deve ser desnaturada com

detergente (SDS)

• Técnica utilizada à exaustão em trabalhos de biologia molecular

Eletroforese, etapas

1.Preparação do gel

2.Aplicação das amostras

3.Eletroforese

4.Coloração

5. Análise dos resultados

Preparação do gel

Horizontal X Vertical

Agarose X Poliacrilamida

Aplicação das amostras

Definição do mapa das amostras por canaleta

Corrida do gel• Aplicação do campo elétrico

• Fonte elétrica gera fluxo de íons através da solução tampão

• Terminais positivo e negativo

• Tempo adequado, senão o DNA sai do gel

Coloração das moléculas

• Prata– Gel SDS-PAGE

• PoliAcrilamide Gel Electrophoresis

– Melhor resolução

• Coomassie blue, etc• Brometo de etídio– Agente intercalante do DNA

• Cancerígeno!

– Composto fluorescente à luz UV– Gel de agarose

Eletroforese de um resultado de cromatografia

O marcador de peso molecular• Comprado de uma empresa

– Possui proteínas de peso molecular bem conhecido

• Permite saber o peso molecular da(s) proteína(s) presente(s) numa amostra

Geis bidimensionais

• Corre-se o gel normalmente em uma dimensão... E depois vira-se-o e corre-se em outra dimensão

• Cada ponto representa aproximadamente uma proteína original presente na amostra– Maiores géis dão maiores

resolução

Proteínas não separadas podem ser quantificadas

• Deve-se saber qual o substrato que a enzima usa

• Deve-se poder medir o produto da ação enzimática

• Uma unidade de enzima digere 1μmol de substrato por minuto a 25ºC

Estrutura primária das proteínas

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Níveis estruturais das proteínas

As estruturas primárias das proteínas são conhecidas

• Para todos os genomas sequenciados, conhece-se a estrutura primária de todas as proteínas para este organismo

• As pontes dissulfeto podem se formar entre diferentes cadeias protéicas– E principalmente dentro da

mesma

Sequenciamento de peptídeos• Degradação de Edman– Marca e remove apenas o

resíduo N-terminal

• Método ineficiente, permite sequenciamento de pequenas porções das moléculas

• Sequenciamento do RNAm é muito mais simples e preciso; permite sequenciar proteínas enormes – como a titina

Produção de peptídeos

• Purificação a partir de tecidos

• Engenharia genética

• Síntese química direta

Alinhamento de sequências

• Os organismos possuem, em grande medida, as mesmas proteínas (ortólogas)– Derivam do ancestral

comum entre os organismos

• O alinhamento permite que identifiquemos as porções mais importantes (conservadas) da proteína

Evolução molecular

• Quanto mais similares as sequências das proteínas dos organismos, mais próximos eles são evolutivamente

Árvore molecular da vida

Conclusões

• Diferentes características químicas das cadeias laterais dos aminoácidos definem características de peptídeos e proteínas

• Os resíduos de aminoácidos são ligados às centenasou milhares para formar peptídeos e proteínas

• As proteínas podem ser modificadas pós-traducionalmente• As proteínas podem ser separadas por carga, tamanho e

afinidade e assim estudadas isoladamente – cromatografia e eletroforese

• As proteínas podem ser sequenciadas e sua estrutura primária (seq. de aminoácidos é conhecida)

• As sequências das proteínas são excelentes marcadores da evolução da vida na terra