4/14/2015. Proteínas. Fundamentos da Estrutura de Proteínas Parte 1. Funções biológicas das Proteínas - PDF
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Augusto Farias de Figueiredo
1 1 Todo o material disponibilizado é preparado para as disciplinas que ministramos e colocado para ser acessado livremente pelos alunos ou interessados. Solicitamos que não seja colocado em sites nãolivres. Solicitamos também que se for usado seja devidamente citado. Fundamentos da Estrutura de Proteínas Parte 1 Ignez Caracelli São Carlos, 13 abril de Julio Zukerman Schpector Proteínas Funções biológicas das Proteínas O grupo de biomoléculas mais diversificado quanto à estrutura e função. Biocatalizadores (enzimas: anidrase carbônica, proteases, etc.) Receptores de sinais químicos Transportadores Estruturais (citoesqueleto, colágeno, queratina) Defesa (sistema imunológico, restrição bacteriana, etc.) Mobilidade (motores moleculares) Armazenamento Transdução Aderência celular e organização tissular Enovelamento correto de outras proteínas Outras 3 4 1
2 Por que estudar proteínas? Fármacos Permite entender, propor mecanismos, fazer previsões, propor alterações em: 1. mecanismos de funcionamento 2. enovelamento (folding) 3. evolução molecular 4. modelagem molecular 5. engenharia de proteínas 6. desenho de fármacos vai onde? de onde veio? o que vai fazer? 5 6 onde foi parar? 7 8 2
3 Hemoglobina Hemoglobina Hemoglobina Proteína parte protéica parte protéica átomos : C, N, H, O, S aminoácidos parte não-protéica
4 Aminoácidos Pauling, aminoácidos e hélices aminoácidos: building blocks ligação entre aminoácidos hélice alfa hélice DNA O aminoácido Estrutura: 15 Aminoácidos 16 carbono central C um hidrogênio grupo amino grupo carboxílico (ácido) grupo R (cadeia lateral) grupo variável confere as propriedades químicas individuais do aminoácido H N H H O C C OH R 4
5 O aminoácido O aminoácido e sua forma ionizada observado em ph 7,0 17 Voet Biochemistry 3e 2004 John Wiley & Sons, Inc. 18 Voet Biochemistry 3e 2004 John Wiley & Sons, Inc. Zwitterion, do alemão "zwitter" (híbrido), um composto químico eletricamente neutro, mas que possui cargas opostas em diferentes átomos. O aminoácido e sua forma 3D Estereoisomeria C L-aminoácido D-aminoácido 19 Voet Biochemistry 3e 2004 John Wiley & Sons, Inc. 5
6 Isômeros Ópticos Uma molécula quiral, é aquela que não é idêntica à sua imagem especular. Uma molécula quiral e sua imagem especular formam um par de enantiômeros, ou isômeros especulares. Isomeria Óptica; Enântiomeros Luz natural e luz polarizada Isomeria Óptica Polarização da Luz Isomeria Óptica A luz polarizada é obtida fazendo-se passar um feixe de luz natural por dispositivos chamados de polarizadores. Um dos mais comuns é o prisma de Nicol. Luz não polarizada Luz polarizada A luz natural (não-polarizada) apresenta vários planos de vibração. A luz polarizada apresenta um único plano de vibração. Luz Natural Polarizador Luz Polarizada 6
7 Atividade óptica Atividade Ótica: Polarímetro Substância opticamente inativa: não desvia o plano de vibração da luz polarizada. lâmpada de sódio polarizador substância a ser analisada desvio da luz Substância opticamente ativa: desvia o plano de vibração da luz polarizada. (monocromática amarela) luz polarizada Atividade óptica Substância opticamente ativa Glossário: Atividade óptica Substância opticamente ativa Dextrógiro, (d) ou (+) - desvia o plano de luz para a direita. Levógiro, (l) ou (- ): desvia o plano de luz para a esquerda. 7
8 Enantiômeros Isomeria Óptica Enantiômeros Luz polarizada H CH 3 C COOH OH ácido (+) D-Láctico Luz polarizada H HOOC C CH 3 OH ácido (-) L-Láctico Enantiômeros, enantiomorfos ou antípodas Imagem especular (imagem invertida) Mistura racêmica Mistura racêmica Atividade Óptica Assimetria molecular Uma mistura formada por partes iguais dos antípodas D e L (mistura equimolar) não desvia o plano da luz polarizada e é chamada de mistura racêmica. Está ligada à assimetria molecular. Toda substância que apresenta carbono quiral ou assimétrico é opticamente ativa. 8
9 Carbono quiral Isomeria Óptica Carbono quiral e polarização H CH - * 3 C - COOH OH Carbono Quiral (C*) ou assimétrico: está ligado a quatro radicais diferentes. Isômeros ópticos são aqueles que conseguem desviar o plano de oscilação da luz polarizada, já que apresentam quiralidade. H CH - * 3 C - COOH OH Isômeros opticamente ativos Isômeros opticamente ativos Exemplo Isômeros opticamente ativos O número de isômeros opticamente ativos que uma substância pode apresentar é dado pela relação: H CH 3 - C - COOH + H HOOC - C - CH 3 2 n = n de isômeros ativos OH OH onde n é o número de carbonos assimétricos diferentes. Ác. D-L Láctico Isômeros ativos 2 n 2 1 = 2 9
10 Exemplo 2 Isômeros opticamente ativos Quiralidade no mundo biológico OH * CH 3 C C C CH 3 H H * * Cl CHO OH a enzima é capaz de ligar-se ao (R)-gliceraldeído mas não ao (S)- gliceraldeído Isômeros Ativos 2 n substrato substrato 2 3 = 8 enzima enzima Isomeria Ótica: Polarímetro Isomeria Ótica: Polarímetro lâmpada de sódio polarizador substância a ser analisada desvio da luz luz polarizada não muda a rotação do disco substância analisada inativa (monocromática amarela) gira o disco para a direita oticamente ativa: dextrógira D girar o disco para a esquerda oticamente ativa: levógira L luz polarizada 10
11 Talidomida 1953 empresa suíça Ciba 1954 empresa alemã Chemie Gruenenthal (testes mal conduzidos) Talidomida novos ensaios clínicos prescrito para convulsões epilépticas prescrito como antihistamínico para alergias inefetivo inefetivo Talidomida novos ensaios clínicos Talidomida o destino definitivo do fármaco foi para tratar náuseas, ansiedade, insônia e vômitos matutinos das grávidas. prescrito como sedante prescrito como sedante efetivo efetivo 11
12 Talidomida Três anos más tarde, em 1957, a talidomida se converteu no medicamento para ajudar as grávidas. Seu uso se estendeu rapidamente e em 1958 foi introduzido em vários países da Europa, África, América e também na Austrália. Talidomida 1956 Talidomida obstetra australiano, William McBride focomielia uma rara enfermidade congênita em que há desenvolvimento incompleto (total ou parcial) de pernas e braços. Talidomida enantiômero R enantiômero S também apareciam outras anomalias menos raras em outros recém nascidos: surdez, cegueira, má formação de órgãos,... centro quiral centro quiral 12
13 Talidomida S efeito sedativo Talidomida R efeito teratogênico agente teratogênico tudo aquilo capaz de produzir dano ao embrião ou feto durante a gravidez. HOJE existem provas da sua eficácia em doenças como a lepra (apoiados pela OMS). Pode ser encontrado à venda na Internet, mas este tipo de venda é totalmente fraudulenta. Talidomida R efeito teratogênico agente teratogênico tudo aquilo capaz de produzir dano ao embrião ou feto durante a gravidez. HOJE Ensaios estão também em curso com talidomida e de alguns dos seus derivados em certos tipos de pacientes com câncer. Ficou provado ser eficaz em casos de mieloma múltiplo, especialmente aplicada nos casos em que os tratamentos convencionais (quimioterapia e radioterapia) falharam ou não são viáveis. Em alguns casos, a talidomida tem eficácia terapêutica convencional. Talidomida R efeito teratogênico agente teratogênico tudo aquilo capaz de produzir dano ao embrião ou feto durante a gravidez. O 'ibuprofeno' é um fármaco do grupo dos anti-inflamatórios não esteróides(aines), utilizado freqüentemente para o alívio sintomático da dor de cabeça (cefaleia), dor dentária, dor muscular (mialgia), moléstias da menstruação (dismenorreia), febre e dor pós-cirúrgica. Também é usado para tratar quadros inflamatórios, como os que apresentam-se em artrites, artrite reumatóide (AR) e artrite gotosa. R S Ibuprofeno (S)-(+)-ibuprofen (dexibuprofen) : a forma ativa in vitro e in vivo. 13
14 L-aminoácido e D-aminoácido O 'ibuprofeno' é um fármaco do grupo dos anti-inflamatórios não esteróides(aines), utilizado freqüentemente para o alívio sintomático da dor de cabeça (cefaleia), dor dentária, dor muscular (mialgia), moléstias da menstruação (dismenorreia), febre e dor pós-cirúrgica. Também é usado para tratar quadros inflamatórios, como os que apresentam-se em artrites, artrite reumatóide (AR) e artrite gotosa. Ibuprofeno L-Alanina D-Alanina S (S)-(+)-ibuprofen (dexibuprofen) : a forma ativa in vitro e in vivo. 54 L-aminoácido proteínas D-aminoácido Cadeias laterais não-polares Os aminoácidos Glicina Gly, G Alanina Ala, A Valina Val, V 56 Leucina Leu, L Isoleucina Ile, I G, A, V, L, I, F, W, M, P 14
15 Cadeias laterais não-polares Cadeias laterais polares não-carregadas S, T, N, Q, Y, C Serina Ser, S Treonina Thr, T Fenilalanina Phe, F Triptofano Trp, W Metionina Met, M Prolina Pro, P G, A, V, L, I, F, W, M, P Asparagina Asn, N Glutamina Gln, Q Cisteína Cys, C Tirosina Tyr, Y Cadeias laterais polares carregadas Aminoácidos Quantos são? Arginina Arg, R R, K, D, E, H Lisina Lys, K Lisina Lys, K ÁcidoAspártico Asp, D Ácido Glutâmico Glu, E Histidina His, H até 1986 eram 20 aminoácidos proteinogênicos (constituintes das proteínas), mas
16 Selênio em Moléculas Biológicas Selênio em Moléculas Biológicas ano: 1985 PDB: 1a. Estrutura Cristalográfica de uma enzima contendo um aminoácido com Se Selênio em Moléculas Biológicas Selênio: em um aminoácido? ano: 1985 ano: 1985 PDB: 1gp1 PDB: 1gp1 selênio selênio selenocisteína Eur. J. Biochem. 264, (1999) IUPAC-IUBMB Joint Commission on Biochemical Nomenclature (JCBN) and Nomenclature Committee of IUBMB (NC- IUBMB)
17 ano: 1985 Selênio em Moléculas Biológicas ano: 1985 Selênio em Moléculas Biológicas PDB: 1gp1 PDB: 1gp1 Pergunta: ocorreu um erro? uma mutação? ou é um novo aminoácido? selenocisteína cisteína selenocisteína Códons para aminoácidos Códons para aminoácidos Códon: Sequência de três nucleotídeos de RNA mensageiro (mrna) que codificam um determinado aminoácido ou que indicam o ponto de início ou fim de tradução da cadeia de mrna. Exemplo: UUU fenilalanina
18 Códons para aminoácidos A tabela mostra os códons e os aminoácidos. A direção do mrna é de 5' 3'. Códons para aminoácidos A tabela mostra os códons e os aminoácidos. A direção do mrna é de 5' 3'. Stop Stop Stop Stop códon: UAA, UAG, UGA Stop Stop Stop exemplos: Start códon: AUG Met códon: AUG UUU fenilalanina UUC fenilalanina ACA lisina 69 Longtin, R. J. Natl. Cancer Inst : ; doi: /jnci/ Stop códon: UAA, UAG, UGA Longtin, R. J. Natl. Cancer Inst : ; doi: /jnci/ AUG start Selênio: em um aminoácido? Códons A tabela mostra os códons e os aminoácidos. A direção do mrna é de 5' 3'. Pyl, O Sec, U UGA códon Stop codon: UAA, UAG, UGA 71 Longtin, R. J. Natl. Cancer Inst : ; doi: /jnci/ Met, M 18
19 Códons Aminoácidos até aminoácidos C H O N S Aminoácidos Aminoácidos ano: 1986 ano: º aminoácido SELENOCISTEÍNA SEC, U UAG códon também é código de STOP 22º aminoácido PIRROLISINA PYL, O UAG códon também é código de STOP Molecular Microbiology (1991), 5(3), Pyrrolysine 75 Eur. J. Biochem. 264, (1999) 76 The Journal of Biological Chemistry, 280, ,
20 Estrutura Primária Ordem dos aminoácidos na cadeia a sequência de aminoácidos é determinada pelo gene (DNA). Estrutura Primária das Proteínas cadeia polipeptídica 78 O aminoácido em sua forma ionizada forma zwitteriônica cadeia lateral Ligação peptídica C C N C amino-terminal N-terminal carbóxi-terminal C-terminal reação de condensação aminoácido 1 aminoácido 2 + C C N - C 79 Voet Biochemistry 3e 2004 John Wiley & Sons, Inc. hidrogênio 80 Voet Biochemistry 3e 2004 John Wiley & Sons, Inc. ligação peptídica 20
21 A ligação peptídica A ligação peptídica aminoácido 1 aminoácido 2 R 1 R 2 ligação peptídica + N-terminal R 1 R dipolo - C-terminal C N C N 1,49 Å 1,27 Å ligação peptídica ligação peptídica C N 1,32 Å 81 2 resíduos de aminoácido 82 ligação peptídica ligação dissulfeto Estrutura covalente ligação peptídica estrutura primária A ligação peptídica C O C N ângulos de conformação e C 84 C N 1,32 Å 21
22 A ligação peptídica estrutura primária sequência de aminoácidos C-terminal R O R C N C C C C C N N-terminal O R N C C O R Estrutura Primária Os ângulos (phi) e (psi) têm livre rotação Ligação dupla parcial Plana, curta C trans >> cis A ligação peptídica Ligação dupla parcial Plana, curta C trans >> cis A ligação peptídica ligação peptídica ligação peptídica 87 conformação trans 88 conformação cis 22
23 Algumas combinações dos ângulos (phi) e (psi) não são permitidas. Estrutura Primária O grupo peptídico Ligação peptídica Plano da amida 89 Colisões estéricas não-favoráveis 90 23