8/30/2010
Intermolecular  Intramolecular
1
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Aula 4
Interações fracas
Ignez Caracelli
Julio Zukerman Schpector
BioMat – DF – UFSCar
LaCrEMM – DQ – UFSCar
São Carlos, 30 de agosto de 2010.
Forças Intermoleculares são forças
de atração entre moléculas.
41 kJ para vaporizar 1 mol of água (inter)
Forças Intramoleculares (ligações)
mantem os átomos juntos dentro da
molécula e são muito mais fortes.
930 kJ para quebrar todas as ligações O-H em 1 mol de água (intra)
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Introdução a Bioquímica: Biomoléculas
2
Estrutura Primária das Proteínas
Estrutura secundária das proteínas
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
cadeia polipeptídica
ligação covalente
-hélice
folha  pregueada
Waals e hidrofóbicas
ligação de
hidrogênio
ligação
dissulfeto
ligação covalente
“esqueleto”
polipeptídico
ligação covalente
1959 Kauzmann; cadeias hidrofóbicas
e enovelamento
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
“Folding global”
determinada por interações entre as cadeias laterais
(grupos R)
interações de van der
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Estrutura Terciária
Caracelli &
Zukerman
ligações de
hidrogênio
4
3
5
enovelamento ao longo de
pequenas seções da cadeia
polipeptídica
•interação entre
aminoácidos adjacentes
•ligações de hidrogênio
entre grupos R
•-hélice
•folha 
(constituída de fitas )
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
“folding local”
ligação
iônica
SCIENCE, 2008, VOL 320, 1725
Metamorphic Proteins
Proteins that can adopt more than
one native folded conformation
Limphotactin
6
1
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Interações Não-Covalentes
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Mais que uma cadeia polipeptídica
juntas por
– interações fracas
hemoglobina
7
8
Interações não-covalentes
Hidrofobicidade
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Complementaridade de forma
energias “força” das ligações químicas
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
causas da ligação droga receptor
Caracelli &
Zukerman
Mecanismos moleculares
Predizer estruturas de proteínas
Predizer mudanças funcionais
Manipular propriedades de proteínas
Modificar velocidade de reação ou atividade: QM
Caracelli &
Zukerman
colágeno
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Estrutura quaternária
10
9
interações dipolo induzido-dipolo induzido
He Ne Ar

q4 1
U vdW  
2(4 0 ) 2 k 2 r 6

2
U vdW  
2(4 0 ) 2 r 6
U vdW ou U d
11
12

(14)
(17)
q2
(16)
k
2
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interações dipolo-dipolo
interações dipolo-dipolo induzido
13
-
C d+
CH3
+
d
H3 C
d
U d ,d  
1
1  2
2 2
6kbT  0 r 6
U vdW  


2(4 0 ) 2 r 6
O
H 3C
C d+
CH3
Representação
simples
De um
dipolo
-}
atração
eletrostática
+
Água dipolar e
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
O
2
(17)
O
se aproximam
2d
d+ H

d+ H
2d
d+
U d ind  
 2
d+ H
d
O=O
O
1
O=O
Um dipolo fraco é induzido
é gerado na molécula de oxigênio
16 2 02 r 6
14
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Interações iônicas
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Interações
15
uma molécula não-polar de oxigênio
d+ H
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
acetona
Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006) 1633-1645
16
Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006) 1633-1645
dipolo
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Interação íon-dipolo permanente
17
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
+
Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006) 1633-1645
p
p  0
18
3
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dipolo permanente
Interações de van der Waals
19
Exemplo:
O dipolo elétrico formado pelas hélices α em proteínas
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Forças de Keeson
Forcas de van der Waals
COO-
Forças de London ou
de dispersão
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
NH3+
20
Ermondi & Caron, Biochemical Pharmacology, 72 (2006) 1633-1645
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Aparece um hidrogênio ligado covalentemente com um
átomo retirador de elétrons e um aceptor com carga parcial
negativa: D-H...A
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Ligação de Hidrogênio
21
22
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
Pergunta
ligação de hidrogênio = ponte de hidrogênio?
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
A molécula de BH3 existe na fase gasosa, mas dimeriza a B2H6
2 BH3
H
H
H
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
H
24
B
H
H
H
H
B
23
B2H6
B
H
H
B
H
H
Duas interações 3c-2e
4
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25
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
A molécula de diborano B2H6 contem átomos de H em ponte, que
unem dois átomos de B apesar de terem somente um elétron de
valência. O átomo de B, por sua vez, se une a 4 H, apesar de ter
somente 3 elétrons. A molécula B2H6 é conhecida como elétron
deficiente. As distancias de ligação B-H mostram que as ligações
terminais e as da ponte são diferentes.
26
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Caracelli &
Zukerman
Os LGO’s para o
fragmento H---H
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
Os 6 LGO’s , mais
baixos do B2H4
27
28
O LGO ag no H---H
corresponde com a
simetria de dois LGO’s do
B2H4
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
O LGO b3u do H---H
corresponde com a
simetria de um LGO
do B2H4
Uma forma de construir o diagrama de MO para B2H6 é primeiro
quebrar a molécula em dois fragmentos B2H4 e H---H. Os LGO’s
(ligand group orbitals) para os dois fragmentos são determinados
(D2h grupo pontual) e então as interações entre estes dois grupos
resultará nos MO’s do B2H6
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
29
30
Representacao dos MO’s ag e b3u que
posuem B-H-B caracter ligante
Dos dois ag LGO’s nos
fragmentos B2H4, somente um
tem energia perto do
correspondente LGO do H---H
5
8/30/2010
Teoria do Orbital Molecular – B2H6
Ponte de Hidrogênio
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Nesta parte do
diagrama de MO
para B2H6, os
dois MO’s
ligantes estarão
preenchidos (ag
e b3u) para dar
duas ligações
3c-2e para as
duas pontes BH-B
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
ligação entre três centros e dois elétrons, onde o hidrogênio está ligado
a outros dois núcleos menos eletronegativos
32
31
ligação de hidrogênio  ponte de hidrogênio
ligação de hidrogênio e ponte de hidrogênio
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
não são sinônimos
Ligações de hidrogênio
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Resposta
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
estrutura onde três átomos estão unidos por
apenas dois elétrons por meio do átomo de
hidrogênio, como por exemplo, a diborana (B2H6)
33
34
ligações de hidrogênio clássicas
•Clássicas
•Não Clássicas
ligações de hidrogênio clássicas
35
Átomos
O – H--------O
O – H--------OO – H--------N
N – H--------O
N+ - H--------O
N - H---------N
N - H---------S
Distância A
2,70
2,63
2,88
3,04
2,93
3,10
2,30
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Energia varia entre 3 a 7 kcal/mol.
Ligação de Hidrogênio entre
2 moléculas de água
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Ligações de hidrogênio
36
6
8/30/2010
ligações de hidrogênio clássicas
ligações de hidrogênio clássicas
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
H
R
C
C=O
C=O
H
C
Caracelli &
Zukerman
H
Entre grupos
peptídicos
R
H
C=O
Caracelli &
Zukerman
N
H
O
H
C
H
38
37
ligações de hidrogênio clássicas
ligações de hidrogênio clássicas
H
C=O
H
O-
Entre NH3+
C = O e COO-
H
N
H
O=C
C
H
N+
H
C
O
H
R
H
Entre OH da
Serina e
um grupo
peptídico
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
O
Entre COO- e
OH da Tyr
O-
Adenina
Citosina
Guanina
Parte de uma hélice
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Timina
39
Entre
grupos OH
DNA
40
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Caracelli &
Zukerman
ligações de hidrogênio não clássicas
Caracelli &
Zukerman
ligações de hidrogênio
F – H---O
O – H---X (halogênios)
S – H---N
C – H---O
F – H---F
O – H---Se
S – H---O
C – H---N
O – H---π
C – H---π
41
7
8/30/2010
Mitos e Realidades
H
O
H
mais forte ?
O
O
O
H
H
mais fraca ?
ligações de hidrogênio
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
ligações de hidrogênio clássicas
Não há evidência experimental de que a
uma certa distância crítica a natureza de
uma interação X-H...A passe de uma
ligação de hidrogênio para uma interação
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
de van der Waals.
43
44
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
ligações de hidrogênio não-clássicas
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
ligações de hidrogênio
45
46
C-H...π
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
interações π-π
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
ligações de hidrogênio não-clássicas
47
48
empilhamento -
– Podem aparecer entre sistemas que possuem densidade
eletrônica delocalizada (sistemas aromáticos).
– Interações atrativas incluem ‘face-a-face’ ou ‘vértice-aface’.
– Ainda que estas interações são fracas elas são
responsáveis pelo enovelamento do DNA
8
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interação cátion-π
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
interações π-π
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
figura do Sergio
49
50
interaçoes cátion-π relativamente fortes
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
nova interação cátion-π de interesse biológico
51
CrystEngComm, 2009, 11, 1176–1186
COVER ARTICLE
interações cátion-π são comuns em biomoléculas
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Caracelli &
Zukerman
A maioria das análises estatísticas de estruturas de
proteínas usam critérios geométricos. O que é um
problema para estas interações devido à diversidade
de geometrias
interações cátion-π
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Gold … aryl interactions as
supramolecular synthons
53
54
Uma interação cation- cada 77 aminoácidos
Arginina é preferida frente a lisina
Mais de 25% de todos os triptofanos estão
envolvidos em interações cátion-
9
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Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
interação cátion-π quádrupla
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
enzima
55
56
Ânions em sistemas biológicos?
70 a 75% dos substratos e cofatores são ânions:
Fosfatos (ATP e ADP)
Sulfatos
Carboxilatos
interações ânion-π
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
interações ânion-π
Glicoamilase: 1gai
Anions cloreto (ânion extracelular mais abundante)
F
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
-q
57
58
F
-q
59
X
d   r vdW
F
-q
-q
-q
-q
-q
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
X = halogênio
d   r vdW
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
-q
F
60
10
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Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
61
62
Efeitos Hidrofóbicos
Ligações fracas têm energias que variam de 1 a 7 kcal/mol
e são constantemente feitas e quebradas.
O máximo de ligações covalentes está limitada pela valência:
(oxigênio tem 2 valências)
No caso de ligações fracas, o fator limitante é puramente
espacial
O ângulo entre duas ligações covalentes é sempre o mesmo.
Por exemplo, no metano: CH4 todos são de 109o
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
importância das ligações químicas fracas
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
3.65 Å
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
par-isolado de elétrons
Os ácidos graxos de cadeia
longa possuem cadeias
alquílicas hidrofóbicas, que
ao serem introduzidas na
água, se rodeiam de
moléculas de água
altamente ordenadas
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Nas ligações fracas o ângulo é variável
63
64
Visão superior da geração de uma união hidrofóbica Cada
cadeia hidrocarbonada (de 9 C) está rodeada por 4 colunas de 6
moléculas de água cada uma. A associação de duas moléculas
de ácido cáprico (10 C) elimina 2 colunas de moléculas água da
“cela do solvente”
G = H – T S
H = H2 –H1 y S = S2 – S1
Cálculo de H (para o complexo molecular descrito):
Caracelli &
Zukerman
 Similarmente ao se agrupar em
micelas, os ácidos graxos expõem
uma superfície hidrofílica e
minimizam o ordenamento das
moléculas de água. A micela se
estabiliza pelo efeito entrópico de
aumentar a água desordenada
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
 Quando as moléculas de ácidos
graxos se agrupam lateralmente
diminui o número de moléculas de
água “ordenadas”
Efeitos Hidrofóbicos
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Efeitos Hidrofóbicos
65
66
Quebra de 12 ligações H2O/CH2=
+ 120 kJ
Formação de 9 ligações =H2C/H2C=
- 36 kJ
Formação de 6 ligações H2O/H2O
- 120 kJ
H = - 36 kJ
11
G = H – T S
G = - 36 kJ – 79 kJ
G = - 115 kJ
Processo espontâneo
Aos domínios (espaços) hidrofóbicos compartilhados entre
moléculas, que excluem às moléculas de água, se denominam “união
hidrofóbica”. Na realidade, não há uma união hidrofóbica, senão uma
serie de atrações tipo van der Waals e tipo London somadas as
ligações de hidrogênio do solvente (água). As uniões hidrofóbicas são
responsáveis pela formação de micelas, monocamadas e bicamadas
lipídicas, membranas biológicas e dobra de proteínas.
Efeitos Hidrofóbicos
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Cálculo de S:
Por analogia à mudança água(s) => água (l)
com S = 22 J/K . mol de água e 12 mols de água
(22 J/K x 12 x 300 K) = 79.2 kJ
TS = - 79 kJ
A temperatura ambiente o “efeito hidrofóbico” é
entrópico as moléculas de água formam estruturas
ordenadas ao redor de compostos não polares.
Os resíduos hidrofóbicos colapsam para o interior
para excluir a água.
Forças adicionais podem então atuar estabilizando
(vdW, ligações de H).
Caracelli &
Zukerman
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
8/30/2010
68
67
1. Buscar no PDB ou PDBSum a estrutura 1am6
2. Analisar as interações intermoleculares entre a
proteína e o ligante HAE - Acetohydroxamic acid
3. Fazer uma ou mais figuras (formato jpg em
fundo branco) mostrando interações e distâncias.
Caracelli &
Zukerman
Bioquímica: BIT-603 & BIT-903
Exercício
69
12