Estrutura tridimensional de proteínas Prof. Dr. Fernando Berton Zanchi

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 estrutura 3. 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

• 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-α e 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 sem sobreposição

• Assimetria do diagrama vem do fato de que os resíduos das proteínas são L-aminoácidos – Gly tem menos impedimentos estéricos

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)

Hélices-a

• 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 hélice alfa

• 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 Gly 5. 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

Estruturas terciárias e quaternárias de proteínas

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

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 estado estável

• Algumas proteínas se dobram de forma assistida pelas proteínas 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