Biomolé Biomoléculas e Membranas Biomoléculas e Membranas Estrutura e funç funções das biomolé biomoléculas Prof. Alexandre Havt Carboidratos Lipí Lipídios Aminoá Aminoácidos e Proteí Proteínas Membranas celulares Estrutura molecular Funç Funções Carboidratos Carboidratos Compõem maior parte da maté matéria orgânica do planeta Fonte e armazenamento de energia Intermediá Intermediários metabó metabólicos Componentes estruturais de RNA e DNA Elementos estruturais das paredes celulares Interaç Interação com lipí lipídeos e proteí proteínas Interaç Interação cé célulalula-célula Interaç Interação cé célulalula-meio extracelular Carboidratos Carboidratos Classificaç Classificação Definiç Definição Compostos orgânicos que apresentam fó fórmula comum (CH2O)n • Hidratos de carbono / glicí glicídios / sacarí sacarídeos / açúcares çúcares ApresentamApresentam-se como aldeí aldeídos ou cetonas • Grupo carbonila H C R R C O O Aldeído Cetona Monossacarí Monossacarídeos – aldoses ou cetoses • • • • • Trioses Tetroses Pentoses Hexoses Heptoses Número de átomos de carbonos R’ D-gliceraldeído D-gliceraldeído L-gliceraldeído L-gliceraldeído Aldotrioses Aldotrioses Diidroxiacetona Diidroxiacetona Cetotriose Cetotriose 1 Ciclização de monossacarídeos com mais de 4 carbonos em meio fisiológico Oligossacarí Oligossacarídeos Alguns monossacarídeos nas suas formas cíclicas α α D-Glicose D-Glicose α α D-Frutose D-Frutose Carboidratos formados pela união de um pequeno nú número de monossacarí monossacarídeos por ligaç ligações glicosí glicosídicas Ligaç Ligação realizada entre duas hidroxilas com a liberaç liberação de H2O α α D-Ribose D-Ribose Reação esquemática Dissacarí Dissacarídeos Oligossacarí Oligossacarídeos mais comuns Polissacarí Polissacarídeos Polí Polímeros de monossacarí monossacarídeos (glicose) unidos por ligaç ligações glicosí glicosídicas Cadeias lineares – celulose (glicose em β - 1,4) Cadeias ramificadas – amido e glicogênio 2 Celulose Amido Glicogênio Polissacarí Polissacarídeo ramificado α-1,4 α-1,6 (ramifica ções) (ramificaç ões) Extremidades não redutoras Lipí ipídeos • Adiç Adição e quebra da molé moléculas de glicose • Carbono 1 comprometido Armazenagem Fígado Músculo esquelé esquelético Lipí Lipídeos Compostos orgânicos de estrutura variada Têm baixa solubilidade em água Componentes de membrana Isolantes té térmicos Proteç Proteção contra traumas mecânicos (subcutânea) Reservas de energia Vitaminas e hormônios Anfipá Anfipáticos • Porç Porção polar – hidrofí hidrofílica • Porç Porção apolar - hidrofó hidrofóbica Ácidos Graxos Ácidos carboxí carboxílicos Grupo carboxila (polar) Cadeia carbônica (apolar) • Saturada (ligaç (ligações simples) • Insaturada(ligaç Insaturada(ligações duplas) Sem ramificaç ramificações Número par de carbonos Ligados a um álcool • Glicerol • Esfingosina 3 Propriedades fí físicas Ácidos Graxos Dependente das insaturaç insaturações Dependente do tamanho da cadeia carbônica AG saturados AG insaturados Cadeias flexí flexíveis e distendidas Dupla ligaç ligação causa dobra rí rígida na cadeia Associaç Associação com outros AG Interaç Interações hidrofó hidrofóbicas Formaç Formação de agregados menos compactos Quanto maior a cadeia carbônica maior interaç interação entre os AG Intensidade de associaç associação relacionada com o ponto de fusão • Estado só sólido para lí líquido – ruptura das interaç interações intermoleculares • Menor temperatura de fusão quanto maior nú número de insaturaç insaturações • Maior temperatura de fusão quanto maior o comprimento da cadeia carbônica Propriedades fí físicas Ácido Graxo N0 carbonos N0 insaturações Triacilgliceró Triacilgliceróis Temperatura de fusão (°C) Ácido esteárico 18 0 69,6 Ácido oléico 18 1 13,4 Ácido Palmítico 16 0 63,1 Derivados dos ácidos graxos mais abundantes 3 molé moléculas de AG esterificados ao glicerol Monoacilgliceró Monoacilgliceróis e Diacilgliceró Diacilgliceróis Molé Moléculas apolares (hidrofó (hidrofóbicas) Armazenagem na forma anidra (sem água) Consistência em temperatura ambiente Intermediá Intermediários da sí síntese e degradaç degradação Saturados com mais de 14 carbonos – sólido Pelo menos uma ligaç ligação dupla – líquido Grau de fluidez das membranas depende do tipo de AG presente nos lipí lipídios estruturais Glicerofosfolipí Glicerofosfolipídeos Triacilgliceró Triacilgliceróis Gordura animal X gordura vegetal Diferem na composiç composição dos AG • Animal – AG saturados (só (sólidos à TA° TA°C) • Vegetal – AG insaturados (lí (líquidos à TA° TA°C) Hidró Hidrólise de triacilgliceró triacilgliceróis Glicerol + AG’ AG’s Hidró Hidrólise em meio alcalino (NaOH ou KOH) Diacilglicerol com fosfato (PO4-) no C3 Variam de acordo com a molé molécula esterificada ao fosfato Funç Função estrutural nas membranas Fonte p/ p/ sí síntese de triacilgliceró triacilgliceróis Porç Porção polar – grupo fosfato Porç Porção apolar – cadeias carbônicas do AG’ AG’s em C1 e C2. • Sais de ácidos graxos – sabões • Saponificaç Saponificação 4 Esfingolipí Esfingolipídeos Glicerofosfolipí Glicerofosfolipídeos Grupo apolar Não conté contém glicerol na esqueleto bá básico Aminoá Aminoálcool com cadeia hidrocarboneto • Esfingosina Grupo polar Ácido fosfatídico Etanolamina Amino + Ácido Graxo – ceramida (molé (molécula precursora) • Esfingomielinas – bainha de mielina (fosforilcolina (fosforilcolina)) • Cerebrosí Cerebrosídeos – ceramida + glicose ou galactose Glicolipídeos • Gangliosí Gangliosídicos – ceramida + oligossacarí oligossacarídeos Fosfatidiletanolamina Inositol Fosfatidilinositol Glicerol Fosfatidilglicerol Grupo apolar Grupo polar Esfingolipí Esfingolipídeos Esteró Esteróides Núcleo tetrací tetracíclico Colesterol Ceramida Fosforilcolina Glicose Esfingomielina (Fosfolipídeo) • Hormônios sexuais e do có córtex adrenal • Sais biliares • Vitamina D Cerebrosídeo Gangliosídeo Oligosacarídeo Funç Função estrutural nas membranas Precursor de outras molé moléculas Transportado por lipoproteí lipoproteínas esterificado à AG’ AG’s insaturados Colesterol Porção apolar Aminoá Aminoácidos e Proteí Proteínas Porção polar 5 Proteí Proteínas Proteí Proteínas Cadeia formada Constituintes celulares mais abundantes Grande diversidade estrutural e funcional Apenas 20 aminoá aminoácidos (2,4 x 1018 molé moléculas) Funç Funções Estruturais • Componentes do esqueleto celular e de estruturas de sustentaç sustentação (colá (colágeno e elastina) por aminoá aminoácidos Funç Funções Dinâmicas • Processos bioló biológicos (enzimas) • Transporte de molé moléculas (mioglobina (mioglobina,, hemoglobina) • Mecanismo de defesa (imunoglobulinas) Glicina – Gly (G) Alanina – Ala (A) Valina – Val (V) Leucina – Leu (L) Isoleucina – Ile (I) Metionina – Met (M) Prolina – Pro (P) Fenilalanina – Phe (F) Triptofano – Trp Lisina - Lys (K) Arginina – Arg (R) Histidina – His (H) Serina – Ser (S) Treonina – Thr (T) Cisteína – Cys (C) Asparagina –Asn (N) Glutamina – Gln (Q) Tirorisina – Tyr (Y) Aspartato – Asp (D) Glutamato – Glu (E) • Controle metabó metabólico (hormônios) • Mecanismos contrá contráteis (actina (actina e miosina) • Controle da expressão gênica Aminoá Aminoácidos Aminoá Aminoácidos H2N CARBOXILA CARBOXILA COOH COO- Cα H AMINO H3 N+ Cα H AMINO R R CADEIA LATERAL CADEIA LATERAL Classificados pela polaridade da Cadeia lateral Glicina – Gly (G) Alanina – Ala (A) Valina – Val (V) Leucina – Leu (L) Isoleucina – Ile (I) Metionina – Met (M) Prolina – Pro (P) Fenilalanina – Phe (F) Triptofano – Trp Lisina - Lys (K) Arginina – Arg (R) Histidina – His (H) Serina – Ser (S) Treonina – Thr (T) Cisteína – Cys (C) Asparagina –Asn (N) Glutamina – Gln (Q) Tirorisina – Tyr (Y) Sem cargas Hidrófobos (apolares) COOH3N+ Cα CH3 Aspartato – Asp (D) Glutamato – Glu (E) Hidrófilos (com carga -) Ácidos Hidrófilos (Polares) pH fisiológico Aminoá Aminoácidos D e L Hidrófilos (com carga +) Básicos Ionizaç Ionização dos Aminoá Aminoácidos COOH H Carbono assimétrico L-alanina Cα CH3 D-alanina • Seres vivos apresentam proteínas com L-aminoácidos H3N+ Soluções Ácidas Grupos Protonados Soluções Neutras Íon dipolar COO- COOH H3N+ C Soluções Básicas Grupos Desprotonados H H3N+ C COOH H2N C R R R (a) (b) (c) H • D- aminoácidos em antibióticos e peptídeos bacterianos •Produtos intermediários de síntese 6 Proteí Proteínas Curva de Titulaç Titulação Polí Polímero de aminoá aminoácidos Dipeptí Dipeptídeos – tripeptí tripeptídeos Oligopeptí Oligopeptídeos ou peptí peptídeos – até até 30 aminoá aminoácidos Polipeptí Polipeptídeos – mais que 30 aminoá aminoácidos Extremidade C-terminal Representação da síntese protéica H H3 N+ H O Cα C O- + H R1 H N+ Cα H R2 H2O O C O- H H3 N+ H O N Cα C H R2 O Cα C R1 O- Extremidade N-terminal Ligação Peptídica Peptí Peptídeos de Importância Bioló Biológica Peptí Peptídeos Número de aminoá aminoácidos Produç Produção Encefalinas 5 Hipó Hipófise anterior e medula adrenal Analgesia Oxitocina 9 Hipó Hipófise posterior Contraç Contração uterina e das mamas Vasopressina 9 Hipó Hipófise posterior Aumento pressão sanguí sanguínea e reabsorç reabsorção de água pelo rim Glucagon 29 Composiç Composição de Algumas Proteí Proteínas Efeitos Proteí Proteínas Células α pâncreas Produç Produção de glicose no figado no jejum Gramicidina 10 Bacillus brevis Glutationa 3 Maioria das cé células Dissipaç Dissipação de H 2 O2 Número de aminoá aminoácidos Número de cadeias Insulina (bovina) 51 2 Lisozima 129 1 Mioglobina (equina) equina) 153 1 Hemoglobina (humana) 574 4 Aspartato transcarbamoilase (E. coli) coli) 2700 12 RNA polimerase (E. coli) coli) 4100 5 Apolipoproteí Apolipoproteína B (humana) 4536 1 Antibió Antibiótico Estruturas proté protéicas Sequência de aminoá aminoácidos Disposiç Disposição dos aminoá aminoácidos entre si Cargas das cadeias Polaridade Presenç Presença ou não de cadeias interligadas Primá Primária Secundá Secundária Terciá Terciária Quaterná Quaternária Estrutura Primá Primária Dada pela sequência de aminoá aminoácidos N-terminal Gly – Ala – Val ou G – A – V CC-terminal 7 Estrutura Secundá Secundária Estrutura Secundá Secundária Descreve a estrutura bidimensional dos segmentos da cadeia polipeptí polipeptídica Organizaç Organizações está estáveis α-hélice Folha β pregueada • enrolamento da cadeia em um eixo • interaç interação lateral segmentar ou entre cadeias Pontes de hidrogênio Ligaç Ligação fraca Elevado nú número confere estabilidade Folha β pregueada α-hélice Estrutura Secundá Secundária Estrutura Secundá Secundária C C-Terminal D H F E G B N-Terminal A Mioglobina Concanavalina A Lisozima Estrutura Terciá Terciária Dobramento final da cadeia Estruturas regulares – Estruturas não regulares Segmentos distantes podem interagir Estrutura Terciá Terciária Tipos de interaç interação não covalente entre os grupos R Pontes de hidrogênio Interaç Interações Hidrofó Hidrofóbicas • Entre os grupos R de aminoá aminoácidos polares • Entre cadeias laterais apolares • Ligaç Ligações não covalentes entre grupos R dos aa • Ligaç Ligações covalentes entre grupos R dos aa • Grande nú número destas manté mantém a estrutura 3á 3ária • Mais importantes para manutenç manutenção da conformaç conformação proté protéica Interaç Interações eletrostá eletrostáticas • Interaç Interações entre grupos R de cargas opostas • Importantes para o dobramento da cadeia quando ocorrem na região apolar (menor frequência) frequência) • Maior frequência na superfí superfície proté protéica interagindo com a água 8 Estrutura Terciá Terciária Tipos de interaç interação covalente Estrutura Quaterná Quaternária Pontes dissulfeto (– S – S – ) Duas cisteí cisteínas por reaç reação de Composiç Composição de uma proteí proteína oligomé oligomérica oxidaç oxidação Interaç Interação entre 2 ou mais subunidades entre os grupos R Ligaç Ligações não covalentes como na estrutura 3ªria Comum entre proteí proteínas da superfí superfície celular e solú solúveis • Insulina – 3 pontes dissulfeto Subunidades semelhantes ou não Hemoglobina (4 subunidades iguais 2 a 2) • 2 subunidades α e 2 subunidades β • Associadas principalmente por interaç interações hidrofó hidrofóbicas Classificaç Classificação Quanto a Forma Proteí Proteínas Fibrosas Forma alongada Insolú Insolúveis Funç Funções estruturais Único tipo de estrutura 2aria repetitiva Proteí Proteínas Globulares Forma final esfé esférica Solú Solúveis Funç Funções dinâmicas • Albuminas • Globulinas • α-queratina Epiderme Cabelo, unha, lã • β-queratina Fibroí Fibroína da seda Teias de aranha • Colá Colágeno Proteí Proteínas Conjugadas Aminoá Aminoácidos modificados Modificaç Modificação enzimá enzimática pós-traducão Colá Colágeno 1/4 a 1/3 das proteí proteínas do corpo 6% do peso do corpo Estrutura em alfaalfa-hélice tripla Sustentaç Sustentação do tecido conjuntivo Matriz dos tecidos calcificados Forte, flexí flexível, não elá elástico Grande nú número de glicinas, prolinas, prolinas, hidroxiprolina e hidroxilisina ≈ 15 tipos de colá colágeno Cartilagens, tendões Proteí Proteínas Conjugadas Grupos prosté prostéticos • Colá Colágeno Quando aquecida desnatura e forma a gelatina Molé Moléculas orgânicas não proté protéicas Hidroxilaç Hidroxilação de prolina e lisina Necessidade da vitamina C para a reaç reação Ligaç Ligação covalente ou não covalente Grupo heme na mioglobina Carboidrato – glicoproteí glicoproteína Lipí Lipídeo – lipoproteí lipoproteína Mucina, imunoglobulinas • Estruturais da membrana • Proteí Proteínas de transporte 9 Ponto isoelé isoelétrico e composiç composição de aminoá aminoácidos Carga elé elétrica das proteí proteínas Carga elé elétrica total Aminoá Aminoácidos (%) Somató Somatório das cargas das cadeias laterais Ácidos • Dependem do pKa e do pH da soluç solução Ponto isoelé isoelétrico (p (pI) • pH onde o nú número de cargas (+ / –) equivalemequivalem-se • Molé Molécula eletricamente neutra • Determinaç Determinação experimental Valor de pH onde a proteí proteína não migra frente a um campo elé elétrico • Reflete a proporç proporção dos aminoá aminoácidos bá básicos e ácidos pI Asp Glu Arg His pepsina 1,0 16,6 11,3 1,0 0,5 0,4 15 albumina 4,8 10,4 17,4 6,2 3,5 12,3 1,3 Mioglobina 7.0 4,7 8,3 1,9 7,5 12,8 0,6 10,6 3,6 5,9 2,2 2,5 15,2 0,5 Citocromo C Número iguais Determinada pela estrutura primá primária • Grupos ácidos desprotonados • Grupos bá básicos protonados A queda do ph causa: aumento da carga positiva H3 N+ C H3 H C COOH H2N C Aumento da [sais] aumenta solubilidade “Salting in” in” “Salting out” out” • Solventes orgânicos – etanol, acetona H R R R (a) (b) (c) [NaCl] Log da Solubilidade Solubilidade (mg de proteína/m)L Log da Solubilidade Solubilidade proté protéica [NaCl] As proteí proteínas precipitam no pI - queda da solubilidade • Concentraç Concentração de sais COON+ Define a relaç relação entre os aa na estrutura tridimensional Interaç Interação com a água Fatores do meio que interferem • pH • pH menor que pI – carga lílíquida positiva • pH maior que pI – carga lílíquida negativa COOH Lys Solubilidade das proteí proteínas pH onde: onde: Ácidos Básicos proteí proteínas Ponto isoelé isoelétrico das proteí proteínas Básicos Baixa constante dielé dielética do solvente A grandeza que mede a capacidade de interaç interação do solvente com o soluto Desnaturaç Desnaturação das proteí proteínas Quebra das ligaç ligações não covalentes Manutenç Manutenção da ligaç ligação peptí peptídica Maneiras de provocar desnaturaç desnaturação Aumentar temperatura – abaixo de 100° 100°C Forç Força iônica – aumentar ou diminuir pH Solventes orgânicos – diminui [K] dielé dielétrica Uré Uréia – formaç formação de pontes de hidrogênio Detergentes e sabões • Cadeia hidrofó hidrofóbica (apolar) ligada a grupo carregado • Ligaç Ligação com radicais apolares da proteí proteína • Rompimento interaç interações hidrofó hidrofóbicas • Dodecil sulfato de só sódio (SDS) 10 Membranas celulares Membranas celulares Estruturas que delimitam as cé células e suas organelas internas Medeiam a comunicaç comunicação entre a cé célula e o meio externo Barreira seletiva que compartimentaliza elementos quí químicos e isolamento de vias metabó metabólicas Capta sinais externos que geram efeitos internos Possibilita mudanç mudança na forma e locomoç locomoção Estrutura das membranas Lipí Lipídeos anfipá anfipáticos se agregam no meio Estrutura das membranas Fosfo e glicolipí glicolipídeos aquoso Maximizar interaç interações hidrofó hidrofóbicas entre as cadeias carbônicas isolandoisolando-as da água Grupos polares em contato com o solvente Formaç Formação de duas regiões com ≠ solubilidades Caracterí Característica das membranas Livre difusão de molé moléculas apolares Impermeá Impermeável a compostos iônicos ou polares Caracterí Característica das membranas Insolú Insolúveis no meio interno hidrofó hidrofóbico Mudanç Mudança do estado fí físico em uma t°C Temperatura de transiç transição Mudanç Mudança no grau de interaç interação das cadeias t°C abaixo – maior consistência / t°C acima – menor compactaç compactação Influenciada pela natureza dos lipí lipídeos que a compõem Bicamada lipí lipídica Agregaç Agregação mais está estável das molé moléculas Domí Domínio hidrofó hidrofóbico Grupos hidrofí hidrofílicos externos Associaç Associação com proteí proteínas e carboidratos Transporte especí específico de solutos Glicoproteí Glicoproteínas e glicolipí glicolipídeos Composiç Composição lipí lipídica dependente do estado nutricional e da idade Componentes mais abundantes – fosfolipí fosfolipídeos • Glicerofosfolipí Glicerofosfolipídeos - fosfatidilcolina • Maior com a presenç presença de Ag de cadeias longas e saturadas • Esfingomielina • Menor com a presenç presença de Ag de cadeias curtas e insaturadas • Colesterol – maior concentraç concentração nas membrana plasmá plasmática 11 Consistência das membranas T°C corpó corpórea é maior que a T°C transiç transição Membrana celulares são fluidas – parafina lí líquida • Modelo mosaico fluido (Singer e Nicholson) Colesterol controla a fluidez por interaç interação dupla Proteí Proteínas nas Bicamada Lipí Lipídica Proteí Proteínas de membrana têm funç funções associadas a cada tipo de membrana Proporç Proporção maior em membranas com maior atividade – membrana mitocondrial • Hidroxila - grupos polares • Ané Anéis esteroí esteroídicos - cadeias carbônicas • Não alcanç alcança o centro da bicamada Maior rigidez na porç porção mais externa Quando em alta concentraç concentração não permite contato maior das cadeias Interaç Interação por ligaç ligações não covalentes e difundemdifundem-se lateralmente – maior fluidez Proteí Proteínas Integradas Proteí Proteínas imersas Associaç Associação com cadeias apolares por Interaç Interações hidrofó hidrofóbicas Só podem ser extraí extraídas apó após ruptura da membrana Apó Após extraç extração são insolú insolúveis EstendemEstendem-se transversalmente atravé através da membrana Domí Domínio apolar entre dois domí domínios polares (ou 1 só só) Domí Domínio apolar geralmente com estrutura de α-hélice O citoesqueleto citoplasmá citoplasmático dificulta mobilidade das proteí proteínas integradas Proteí Proteínas Perifé Periféricas Pontes de hidrogênio Interaç Interações iônicas Grupos polares Isolamento proté protéico sem ruptura Proteí Proteínas perifé periféricas Ligaç Ligação com a superfí superfície Proteí Proteínas integradas Uré Uréia / soluç solução salina concentrada Solú Solúveis apó após extraç extração Citocromo c Ligaç Ligações com proteí proteínas integradas ou molé moléculas lipí lipídicas como âncoras Porç Porção externa relacionada com a funç função Receptores 12 Carboidratos da membrana Transporte nas membranas Cadeias oligossacarí oligossacarídeas – ligaç ligação covalente Glicoproteí Glicoproteínas e glicolipí glicolipídeos Hidrofí Hidrofílicas com projeç projeção externa ou interior das organelas Composiç Composição variada - complexa e ramificada Marcadores moleculares Mediadores da comunicaç comunicação celular • Reconhecimento proté protéico especí específico Óvulos e espermatozó espermatozóides Reconhecimento antigênico – Sistema ABO Reconhecimento proté protéico de agentes infecciosos Proteí Proteínas plasmá plasmáticas velhas são degradadas Tipo de carboidrato ligado na sí síntese proté protéica define destino desta Transporte nas Membranas Transporte passivo Sem gasto energé energético Substâncias apolares são permeá permeáveis • Ácidos graxos, esteró esteróides, Transporte nas Membranas Transporte ativo Contra gradiente • Gasto energé energético • Gradiente eletroquí eletroquímico gases • Difusão simples Difusão facilitada • Substâncias polares Transporte nas Membranas Endocitose e Exocitose Transporte ativo Uniporte Simporte Antiporte 13 Transporte de Macromolé Macromoléculas Endocitose Pinocitose Fagocitose Mediada por receptor Transporte de Macromolé Macromoléculas Transporte de Macromolé Macromoléculas Exocitose Transporte de Macromolé Macromoléculas Transcitose 14