Estrutura Tridimensional Das Proteinas (2)

Estrutura tridimensional das

proteinas

Talvez as caractersticas mais notveis (mioglobina) sejam

a sua complexidade e ausncia de simetria, Nature,1958

John Kendrew

Kendrew & Perutz

PN 1962 pelos estudos de estruturas de

protenas globulares

Protein Data Bank (PDB)

(www.rcsb.org./pdb)

PDB ID coordenadas

+

programas

desenho molecular (p.e. RasMol

e Chime)

Estrutura tridimensional da

protena

1920s vrias protenas cristalizadas p.e.

urease (MM 483 000)

hemoglobina (MM 64 500)

Estrutura tridimensional determinada pela sequncia de res. de aa?

A estrutura determina a funo ?

Uma protena tem uma ou poucas formas estveis

Importantes p. a estr. trid. so apenas as ligaes

no covalentes

Existem padres estruturais comuns

Conformao: arranjo espacial dos tomos

numa protena (nativa)

Flexibilidade estrutural (lig. no covalentes)

Mltiplos estados conformacionais (necessrios p.

funo, ligao)

Estabilidade = tendncia para manter conf. nativa

G entre estados fold e unfold (cond. fisiol.) 20-65 kJ/mol i.e.

um polipptido pode terica/assumir um n de conformaes elevada entropia conformacional

elevada entropia conformacional + lig. H com gua unfold mantido

Ento porque acontece o fold?

S-S e interaces no cov. entre cadeias (H, inicas

e hidrfobas)

Estabilizao da conform. nativa

Pauling PN 1954 (Q)

PN 1962 (Paz)

Stop the war!

Pauling props em 1950 o primeiro modelo

aceitvel para a molcula de protena!

A ligao peptdica (nvel primrio de estrutura)

1930

Terminal N

Terminal

C

Lig simples-1.47

Lig dupla-1,20

Os tomos e os planos definem

o ngulo

Os ngulos so 0 para que as lig.

peptdicas no

sejam coplanares

(graus)

(graus) Grfico de Ramachandran

para L-Ala

Nvel secundrio de

estrutura (geometria local)

hlice e conformaes (previstas por Pauling e Corey, 1951)

hlice a mais comum

Hlice esquerda

Hlice direita

Glu , Ala, Leu, Met H

Ile, Lys, Gln, Trp, Val, Phe h Pro, Gly B

N

C

- hlice clssica de Pauling-Corey-

Branson

Tipos de constrangimentos que afectam

estabilidade da -hlice:

Repulso (ou atraco)de cargas entre R sucessivos

A dimenso de R adjacentes

Interaces entre R distanciados 3-4 res.

Pro ou Gly

Interaces do res. terminal com o dipolo da hlice

Mioglobina

(153res.)

79% - hlice

Insulina

(51res.)

52% - hlice

Citocromo c

(104res.)

39% - hlice

Algumas protenas

globulares

Conformao (folhas pregueadas ) tambem previstas por Pauling e Corey;

confirmadas por difraco raios X

Vista lateral

Vista de cima

antiparalela

paralela

Tyr, Val, Ileu H

Cys, Met, Phe, Gln, Leu, Thr, Trp h

Pro, Glu, Asp B

Dobras ou turns (elementos de ligao)

Tipo I Tipo II

Gly

Prol

Estruturas random ?

turns.

Pro

6% cis

(graus)

(graus)

Grfico de Ramachandran

folhas

pregueadas antiparalelas

folhas

pregueadas

paralelas

tripla

hlice de

colagneo

-hlice esquerda ??

-hlice direita

folhas pregueadas enroladas direira

(graus)

(graus)

Ramachandran para piruvatocinase de msculo coelho

Estr.sec.

hl.

%

n

segm

folha

%

folha

n

segm.

dobras

n

anidrase

carbnico

20 7 37 13 4

carboxipeptidase 38 9 17 8 13

cit C 39 5 0 0 6

insulina 52 3 6 1 0

mioglobina 79 8 0 0 6

A ferredoxina Pseudomonas Aeroginosa

no tem nenhuma estrutura sec. caracterizada!

NVEL SECUNDRIO E PROPRIEDADES DE PROTEINAS FIBROSAS

Estrutura caractersticas exemplo

- hlice dureza e flexibilidade -queratina do cabelo

l.cruz e S-S variavel penas, unhas..

conformaes filamentos flexveis fibrona da seda

tripla hlice rgida e no flexvel colagneo dos tendes

de colagneo e matriz ssea

-queratina (cabelo)

-hlice

2 cadeias enroladas

para a

esquerda

protofilamentos

protofibrila

-queratina - estrutura complexa (IF-filamentos intermedirios) e mal estudada!

Seco de cabelo

clulas

filamento

intermedirio

protofibrila

protofilamento

2 cadeias

coiled coil

-hlice

Um cabelo um conjunto de

mltiplos filamentos de -queratina

Nas regies de proximidade das 2 hlices

Ala, Leu, Ileu, Phe, Met, Val - i. hidrfobas (packing)

superhlice esquerda

Nvel quaternrio da -queratina?

red. oxid.

Ex2: colagneo PDB ID 1CGD

Hlice esquerda de prolinas(3res/volta)

3

Gly

GlyXPro

GlyX4-Hyp

seco da

molcula de

colagneo

cabeas da

molcula de

colagneo

Estrutura das fibrilas

de colagneo

zonas

cruzadas(64nm)

Mr 300 000

3 000 /15

seco da

molcula de

colagneo

cabeas da

molcula de

colagneo

Estrutura das fibrilas de

colagneo

Tendo-100% colag.

Cartilagem-colag.

embebido em matriz

poliosdica

Osso-matriz colag.

cimentada por

depsitos de

Ca10(PO4)6(OH)2

zonas

cruzadas(64nm)

seco da

molcula de

colagneo

cabeas da

molcula de

colagneo


colagneo

Tendo-100% colag.

Cartilagem-colag.

embebido em matriz

poliosdica

Osso-matriz colag.

cimentada por

depsitos de

Ca10(PO4)6(OH)2

zonas

cruzadas(64nm)

Nos vertebrados

h muitos tipos

de colagneo

seco da

molcula de

colagneo

cabeas da

molcula de

colagneo


colagneo

Tendo-100% colag.

Cartilagem-colag.

embebido em matriz

poliosdica

Osso-matriz colag.

cimentada por

depsitos de

Ca10(PO4)6(OH)2

zonas

cruzadas(64nm)

Colag tpico:

35% Gly

11%Ala

21% Pro(Hyp)

seco da

molcula de

colagneo

cabeas da

molcula de

colagneo


colagneo

Tendo-100% colag.

Cartilagem-colag.

embebido em matriz

poliosdica

Osso-matriz colag.

cimentada por

depsitos de

Ca10(PO4)6(OH)2

zonas

cruzadas(64nm)

Cross-links

invulgares entre

Lys, 5-HyL ou

His (X)

O tecido conjuntivo envelhecido

(rgido e quebradio) resulta de

desses cross-links nas fibrilas de colagneo.

Vitaminas grupo de pequenas molculas nutrientes essenciais para muitos organismos

multicelulares (humanos em particular).

vitamin = vital amine

Vitaminas grupo de pequenas molculas nutrientes essenciais para muitos organismos

multicelulares (humanos em particular).

vitamin = vital amine

Walter Norman

Haworth

PN 1937(Q)

Paul Karrer

PN 1937(Q)

for his work in determining

the structure

of ascorbic

acid

for his work on Vitamins

Albert Szent-Gyrgyi

PN 1937(M)

for his studies of the biological functions of L-ascorbic acid

desidroascorbato

cido

ascrbico

monodesidroascorbato

Tartarato

+ oxalato

Superxido, H2O2 ,radical

tocoferol Monodesidro

ascorbato

redutase

Desidroascorbato

redutase

Em plantas:

Ascorbato existe no cloroplasto (20-

40%), citosol, vacuolo e em

compartimentos extracelulares.

Vitamina C

Tratado sobre escorbuto

20% dos mamferos no sintetisam Vit C

A China fornece 80% da Vit C mundial

Dose discutvel:

prolil 4-hidroxilase

resduo Pro -oxoglutarato succinato resduo 4-Hyp

-oxoglutarato ascorbato succinato ascorbato oxidado

prolil 4-hidroxilase

Importncia do ascorbato:

1. Reaco dependente do ascorbato (formao do colagneo)

-cofactor

2. Antioxidante (ROS)/envelhecimento e cancro

3. Nas plantas substrato do ascorbato peroxidase

Outras conformaes ricas em Pro ?

Sequncias de poliprolinas (trans) formam

hlices esquerdas com 3res/volta- docking sites

em locais de reconhecimento

p.e. em vias de transduo de sinal

Ex3: Fibrona da seda (artrpodes como alguns insectos e

aranhas)

c. lat. Ala c. lat. Gly

Gly

Ala

folhas antiparalelas

No extensvel

Flexvel

Protenas globulares-diversidades

estrutural vs diversidade funcional

Conformao

Hlice

Forma globular

nativa

albumina srica humana (MM 64 500) / 585 res./1 cadeia

Compacta e variada

Nveis de estrutura tercirio e quaternrio

Nvel tercirio: arranjo tridimensional global

Globulares e fibrosas

Vrios segmentos de estr.sec.

um tipo de estr.sec.

protenas fibrosas: relao estrutura-funo -queratina (cabelo, penas, unhas, cornos, l, pele, carapaa tartaruga)- Flexibilidade e rudeza variveis-funo estrutural

PDB ID 1MBO

Ex1: mioglobina MM 16 7000

(baleia)

Cadeia nica com 156

resduos + heme

Msculo

Funes:

Transporte e armazenamento de O2 Difuso facilitada de O2 (contraco

muscular)

Nvel tercirio de algumas

protenasglobulares

res. hidrfobos Leu, Ile, Val, Phe

A maior parte dos res.

hidrfobos no interior Compacta

Interior hidrfobo

4 H2O no interior

70% hlice

Hemoglobina

Mioglobina

Citocromos

Outras protenas hemticas

O grupo heme

Outras protenas globulares

(nvel tercirio)

Citocromo c

Heme

ligado covalente/

40% hlice sem folhas

PDB ID 1CCR

Componente da

c.t.e mitocondrial;

MM 12 400

~100res.; 1 cadeia

Lisozima PDB ID 3LYM

Cadeias laterais

do c.a.

4 S-S

40% hlice algumas folhas

MM 14 600;129 res.;

clara de ovo;

lgrima humana;

catalisa a hidrlise

de polisidos de

algumas paredes

bacterianas(agente

bactericida)

Ribonuclease PDB ID 3RN3

hlice muitas folhas 4 S-S

MM 13 700;

124res.; produzido

no pncreas e

activo no int. delg.

Mioglobina + cit c + ribonuclease + lisozima=

pequenas protenas (nvel tercirio)

volume

vol./rea

i.hidrfobas i.inicas

Pequenas protenas necessitam de ligaes

covalentes para estabilizar conformao

% aproximada de hlices e estruturas nalgumas protenas globulares de cadeia nica

resduos

hlice conformao Protena (n resduos)

quimotripsina

ribonuclease

carboxipeptidase

citocromo c

lisozima

mioglobina

Comum

i.hidrfobas no interior grupos hidrfilos no exterior muitas lig H algumas i. Inicas

Interaco inica

Ligao persulfureto

Ligao de H

Interaces hidrfobas e

de van der Waals

Cadeia

polipeptdica

Protenas globulares grandes

Estruturas supersecundrias (motivos ou folds ?)-

arranjos estveis de elementos de estruturas sec.

Motivos com ligaes tpicas (chave grega)

Motivos com ligaes crossover (no observado)

Proteina toxina Antrax

Factores de transcrio (zink finger)

Domnio-unidade estrutural estvel (~100res.) -estvel mesmo separado do resto da protena

(p.e.clivagem hidroltica)

Domnio-unidade estrutural estvel

(25-500 res.)

-estvel mesmo separado do resto da protena

(p.e.clivagem hidroltica)

ou

regio compacta da estrutura

que mtas vezes constituda por

segmento contnuo

da sequncia

Piruvato cinase

Protenas

quimricas

Troponina C (PDB ID 4TCN)

Alguns domnios so suficiente/ estveis para

existirem autnomos em meio aquoso

(prova-clonagem e expresso do domnio)

Domnio de hemolisina de Staphilococcus aureus (toxina

que forma poros na membrana

da clula-alvo)

Rossman fold

Classificao de protenas com base na estrutura (Structural classification of proteins SCOP -base de dados)

Classes:

s estruturas (ex: citrato sintase)

s estruturas (ex: quimotripsina)

/ (interseptam-se ou ) (ex: cinases e desidrogenases; fosfato de triose isomerase e fosfogliceromutase)

+ (separadas) (ex: termolisina, lisozima, ribonuclease)

(Alguns autores consideram este grupo como subgrupo do ant.)

Discovery consists of seeing what everybody has seen

and thinking what nobody has thought

Albert Szent-Gyorgi (1893-1986)

Protenas multidomnio tero evoludo provavel/ a

partir de fuso de genes

O n de domnios no ser ilimitado (alguns milhares)=

domain folds

A protena seria descrita pelos

domnios que a constituem e pelo

modo como eles se ligam

(interactuam)

Arranjo topogrfico

de elementos de

estruturas sec.que

caracterizam um

domnio

a protena seria formada de mdulos :

idntica combinao

idntica conformao?

idntica funo?

Nvel

quaternrio

Hemoglobina (Mr 64 500; 2 cadeias - 2x141 res.+ 2 cadeias - 2x146 res.) Tetrmero 22 ou dmero ()2

Perutz e Kendrew-estr.

tridimensional da hemoglobina,

1959

PN 1962-estrutura das

protenas globulares

Homodmero a2

Heterodmero ab

Heterotetrmero a2b2

Heteropentmero a2bcd

Multmeros(subunidades=

protmeros)

Regulao

Funes mas

relacionadas (catlise e

regulao)

Simetria rotacional ou helicoidal

Simetria icosadrica Poliovirus:dimetro 300

Simetria helicoidal

Subunidade

proteica

Virus do mosaico do tabaco:

diam. 180 ; comp. 3 000

mais fcil fazer muitas cpias de um

pequeno polipptido do que uma cpia

de uma grande estrutura!

H limite dimenso da protena?

Maior dimenso Maior complexidade funcional

2 factores limitantes:

1. Capacidade codificadora do DNA

Ex: capside do vrus,

citoesqueleto, enzimas (Mr 100 000 mltiplas subunidades)

2. Preciso do processo de traduo

Baixa(??) frequncia do erro:

1 /10 000 res.

DESNATURAO e FOLDING Desnaturao - perda da estrutura tridimensional perda de funo

1-Calor: agente desnaturante comum maior parte

das protenas (quebra das lig. H ??)

%

sinal

Temperatura C

Ribonuclease A

Apomioglobina

(Por fluorescncia)

mantem S-S

(Por dicrosmo

circular) Curvas deste tipo sugerem cooperatividade!

Protenas de bactrias termfilas no

desnaturam a 100C e so homlogas de

protenas de E.coli. Porqu?

Os estados de desnaturao com os diferentes agentes no so idnticos!

A desnaturao pode ser reversvel- certas protenas globulares desnaturadas podem

renaturar i.e. ao regressar s condies iniciais, voltam a

ter actividade.

2- pH (extremos)

3- solventes orgnicos (lcool, acetona)

4- solues (ureia, guanidina HCL)

5- detergentes

Ex: Ribonuclease purificado Estado nativo;

catalticamente activo

adio de ureia e -mercaptoetanol

remoo de ureia e -mercaptoetanol

Estado desnaturado;

inactivo

Quebra das ligaes S-S

Estado nativo;

catalticamente activo

S-S recuperadas

experincia de

Anfinsen (1950s) confirmada com

ribonuclease

sinttico

PN1972

Mesmo que cada resduo tenha apenas 2 estados - R e - um pptido com 100 resduos teria 2100 ~ 1030 conformaes possveis. Admitindo que a velocidade de

interconverso entre conformaes ~ 10 -13 seg, o

polipptido de 100 resduos levaria 1030 x 10 -13 ~1017

seg ~ 109 anos. As protenas no podem enrolar ao

acaso e s escuras.

A sntese de uma cadeia polipeptdica um

processo rpido Ex: E.coli faz uma cadeia de 100 resduos em 5 segundos

a 37C

O paradoxo de Levinthal (1968):

BSE (encefalopatia espongiforme de bovino)

Kuru e Creutzfeldt-Jakob em humano

scrapie em ovinos

Ex: encefalopatias espongiformes

Cortex cerebral

de doente com

Creutzfeldt-Jakob

Folding incorrecto=

patologia

1960 Tikvah Alper - ausncia de material gentico no agente infeccioso!?

1990 Stanley Prusiner PN 1997 Encefalopatias so doenas diferentes Protena o agente infeccioso PrP MM 28 000

Crebro de mamfero; funo?

PrPc conformao normal

PrPSc conformao modificada

PrPSc

PrPc PrPSc

mecanismo???

mutaes???

efeito domin

Folding facilitado (para muitas protenas)

Chaperes moleculares-protenas que

interactuam com as cadeias polipeptdicas

permitindo (ou corrigindo) o folding

HSP 70 (heat schock MM 70 000) chaperoninas-complexos proteicos

(na E.coli 20% das protenas precisam de

chaperoninas)

e ainda PDI (protena persulfureto isomerase)

PPI (peptidoprolil cis-trans isomerase)

+enzimas

+ protenas

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