Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Bioinformática
Das propriedades físico-químicas de aminoácidos
a estrutura secundária de proteínas
Luís Fernando S.M. Timmers
Porto Alegre, 5 de Agosto de 2015
Biologia molecular básica
Dogma da Biologia Molecular
RNA pol.
denpendente
Processo de
replicação
Transcrição
DNA
Transcriptase
reversa
Tradução
RNA
Proteína
Biologia molecular básica
Código genético
https://en.wikipedia.org/wiki/Genetic_code
http://biobook.nerinxhs.org/bb/genetics/dna.htm
Aminoácidos - aspectos gerais
Propriedades físico-químicas
•
Aminoácidos são moléculas orgânicas que apresentam um radical carboxila e um
radical amina ligado a uma cadeia carbônica.
H
Cadeia
lateral
R
O-
ɑ
Radical
amino
+H
3N
Radical
carboxila
O
pH fisiológico (7,4) os aminoácidos estarão na sua forma ziteriônica.
Presença de um carbono quiral.
Aminoácidos - aspectos gerais
Propriedades físico-químicas
•
“A”, “C”, “U”, “G":
64 tripletos possíveis
20 aminoácidos naturais
ou
19 aminoácidos + 1 iminoácido
Bioinformática da Biologia à flexibilidade, molecular / organização de Hugo Verli. - 1. ed. - São Paulo : SBBq, 2014. 282 p
Aminoácidos - aspectos gerais
Forças intra-moleculares
Existem três tipos principais de interações não-covalentes em relação a proteínas.
Interações de
van der Waals
0
Energia (kJ/mol)
•
-5
-10
-20
-30
•
Interações de van
der Waals não são
direcionais
0
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Distância entre dois átomos (Å)
Aminoácidos - aspectos gerais
Forças intra-moleculares
•
Existem três tipos principais de interações não-covalentes em relação a proteínas.
Energia (kJ/mol)
0
-5
-10
-20
Interações
iônicas
-30
•
Ligações iônicas não são direcionais
0
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Distância entre dois átomos (Å)
Aminoácidos - aspectos gerais
Forças intra-moleculares
•
Existem três tipos principais de interações não-covalentes em relação a proteínas.
0
Energia (kJ/mol)
D
Ligações de
hidrogênio
-5
-10
-20
•
Ligações de hidrogênio são direcionais, devido a presença de
dipolos permanentes dos átomos envolvidos
-30
0
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Distância entre dois átomos (Å)
Aminoácidos - aspectos gerais
Aspectos gerais
Glutamato
ou
ácido glutâmico
•
•
Aspartato
ou
ácido aspártico
Permite um melhor posicionamento no para realizar interações no sítio de enzimas
Entretanto o Glu pode apresentar um custo entrópico
porém quando estiver interagindo com ligantes a entropia diminui
Aminoácidos - aspectos gerais
Aspectos gerais
+
H
+
+
H
Neutro
•
H+
H+
Protonado
Neutro
Histidinas são interessantes visto que podem apresentar dois estados para a sua forma neutra
o pKa deste resíduo é 6,4 indicando que dependendo do seu ambiente a His pode estar protonada ou desprotonada
Aminoácidos - aspectos gerais
Aspectos gerais
•
Cisteína
A maioria dos aminoácidos apresentam na sua composição
átomos de “C”, “N”, “O” e “H”. Entretanto, dois apresentam
átomos de “S”.
S
Oxidação
Redução
H
H
OO-
+H
+H
3N
O
3N
O
Metionina e a Leucina apresentam volumes similares
Figura adaptada de https://courses.edx.org/courses/course-v1:HarvardX
+MCB63X+3T2015/courseware/7de7bd520fbb45a0bb698a8bb0cd04e3/
b302fa451b5b46d9957b0a26ab08443b/
Aminoácidos - aspectos gerais
Aspectos gerais
Prolina: A cadeia lateral está
covalentemente ligada ao grupamento
amino da cadeia principal.
Esta característica implica em
restrições conformacionais
Glicina: Não apresenta um carbono alfa
quiral, visto que sua cadeia lateral é um
átomo de hidrogênio.
Este resíduo apresenta a maior
liberdade conformacional
Aminoácidos - aspectos gerais
Aspectos gerais
Lisina
???
Diagrama de Venn
Figura adaptada de https://courses.edx.org/courses/course-v1:HarvardX+MCB63X+3T2015/courseware/
7de7bd520fbb45a0bb698a8bb0cd04e3/b302fa451b5b46d9957b0a26ab08443b/
Aminoácidos - aspectos gerais
Aspectos gerais
•
Estados de protonação em pH fisiológico:
N-terminal
C-terminal
Preponderantemente desprotonados
em pH fisiológico
Preponderantemente protonados
em pH fisiológico
Figura adaptada de https://courses.edx.org/courses/course-v1:HarvardX+MCB63X+3T2015/courseware/7de7bd520fbb45a0bb698a8bb0cd04e3/b302fa451b5b46d9957b0a26ab08443b/
Estrutura de proteínas
Estrutura primária
•
Proteínas são polímeros de aminoácidos, mas como ocorre a formação dessas
macromoléculas?
R
H
H
R1
2
O-
Esse processo ocorre por meio de ligações peptídicas
+H
O-
+
3N
+H
3N
O
O
Reação de
condensação
H2O
H
C
O
N
H
O
R1
H
N
+H
O-
3N
O
R2
H
Estrutura de proteínas
Estrutura primária
•
Proteínas são polímeros de aminoácidos, mas como ocorre a formação dessas
macromoléculas?
Outra característica importante sobre a ligação peptídica é que ela permite que os
aminoácidos possuam duas conformações: CIS e TRANS
R1
R1
R2
N
N
Cα
Cα
Cα
C
Cα
Conformação
não favorável!!!
*Com exceção as ligações
peptídicas que precedem
prolinas.
CIS
TRANS
R2
C
Figura adaptada de https://courses.edx.org/courses/course-v1:HarvardX+MCB63X+3T2015/courseware/7de7bd520fbb45a0bb698a8bb0cd04e3/b302fa451b5b46d9957b0a26ab08443b/
Estrutura de proteínas
Estrutura primária
•
Apesar da ligação peptídica ser fixa, as outras duas ligações da cadeia principal
podem apresentar rotações.
Os nomes desses ângulos são phi e psi.
(phi)
N
*A região destacada em verde é
onde está localizada a ligação
peptídica e corresponde ao
ângulo omega
(psi)
Cα
C
Estrutura de proteínas
Estrutura secundária
•
A partir dos ângulos phi e psi,
Ramachandran, Ramakrishnan e
S a s i s e k h a r a n p ro p u s e r a m u m
gráfico que determinava as rotações
possíveis para estes ângulos, de
acordo com cada cadeia lateral dos
aminoácidos.
Por meio deste gráfico é possível
i d e n t i fi c a r o s d o i s t i p o s d e
estruturas secundarias regulares:
Hélice-alfa e Fita-beta
http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/moac/people/students/peter_cock/python/ramachandran/other/
Estrutura de proteínas
Estrutura secundária
•
Hélice-alfa: Para a formação de
helices-alfa é preciso que no mínimo
8-10 resíduos de aminoácidos sejam
encontrados na região destacada em
azul.
L-aminoácidos formaram
hélices-alfa de mão direita
(sentido da rotação)
Hélice-alfa
Apresenta ~3,6 resíduos
de aminoácidos por
volta de hélice
http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/moac/people/students/peter_cock/python/ramachandran/other/
Estrutura de proteínas
Estrutura secundária
•
Fita-beta: Este tipo de estrutura
s e c u n d á r i a re g u l a r n ã o o c o r re
sozinho, é necessário que outra fitabeta esteja próxima para a formação
desta estrutura.
Fita-beta
O conjunto de fitas-beta é denominado de
folha-beta, a qual pode ser encontrada
de três formas.
paralela
anti-paralela
mista
http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/moac/people/students/peter_cock/python/ramachandran/other/
Estrutura de proteínas
Estrutura secundária
•
Fita-beta: Este tipo de estrutura
s e c u n d á r i a re g u l a r n ã o o c o r re
sozinho, é necessário que outra fitabeta esteja próxima para a formação
desta estrutura.
Fita-beta
folha-beta paralela
folha-beta anti-paralela
http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/moac/people/students/peter_cock/python/ramachandran/other/
Estrutura de proteínas
Estrutura secundária
•
Voltas e Alças: Estes tipos de
estrutura secundária são classificados
como não regulares, visto que não
apresentam um padrão de ligações de
hidrogênio.
Estas estruturas podem ser encontradas
em qualquer região do gráfico de
Ramachandram.
Vo l t a : 2 - 4
resíduos de
aminoácidos
Alça: mais de
4 resíduos de
aminoácidos
http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/moac/people/students/peter_cock/python/ramachandran/other/
Revisão - Perguntas
•
Tendo em vista que as hélices-alfa necessitam de ligações de hidrogênio para serem
estáveis, porque o resíduo de prolina frequentemente quebra esta estrutura secundária?
R: A prolina tende a quebrar a linearidade das hélices-alfa, visto que este resíduo
apresenta a característica de iminoácido devido a sua cadeia lateral realizar uma ligação
covalente com o grupamento amino da cadeia principal. Logo, a presença do anel imino
da prolina não apresenta um átomo de hidrogênio para realizar uma ligação com o
grupamento carbonila.
Não apresenta um átomo de
hidrogênio, o qual é a responsável por
interagir com a carbonila e estabilizar a
estrutura da hlice-alfa
Revisão - Perguntas
•
Em relação aos ângulos da cadeia principal, qual deles não é capaz de sofrer torções?
R: Não ocorrem rotações entre os átomos envolvidos com a ligação peptídica. O ângulo
é denominado de ômega.
H
C
N
O
Os átomos “O”, “C”, “N” e “H" encontram-se no mesmo
plano. Isto ocorre devido a ligação peptídica
apresentar características distintas em relação as
outras ligações da cadeia principal dos resíduos de
aminoácidos.
Revisão - Perguntas
•
De acordo com o Diagrama de Venn, porque o aminoácido Lisina também pode ser
considerado apolar?
R: Esta característica atribuída ao resíduo de Lisina ocorre devido a sua cadeia lateral
ser majoritariamente composta por átomos de carbono.
A cadeia lateral da Lisina é composta
por quatro grupamentos metileno, o
que confere a sua característica apolar.
Revisão - Perguntas
Em relação as forças que estabilizam as estruturas de proteínas, qual a ordem decrescente
de interação (forte > média > fraca) ?
R: Observando o gráfico ao lado e sabendo
que quanto mais negativa mais forte a
interação, as interações em ordem decrescente
são Interações iônica > Ligações de
hidrogênio > Interação de van der Waals.
Interações de
van der Waals
0
Energia (kJ/mol)
•
Ligações de
hidrogênio
-5
-10
-20
Interações
iônica
-30
0
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Distância entre dois átomos (Å)