ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL DAS PROTEÍNAS
Hélice tripla do colágeno: os
resíduos de Gly estão mostrados em
vermelho
Duas representações da estrutura terciária da mioglobina do cachalote: o grupo
heme está mostrado em vermelho
Curso de Ciências Biológicas – UNESP, Campus de Jaboticabal
Disciplina de Engenharia de Proteínas – 2015
Prof. Dr. Jesus Ap. Ferro
Bibliografia:
Princípios de Bioquímica de Lehninger - 5a.edição
NELSON, D.L., COX, M.M.
Artmed Editora, Porto Alegre, 2011. 1273p
Existem Diversos Níveis de Estrutura Protéica
Estrutura
Primária
Sequência de aa
unidos por ligação
peptídica
Estrutura
Secundária
Arranjos estáveis dos
resíduos de aminoácidos,
dando origem a padrões
estruturais recorrentes
Estrutura
Terciária
Dobramento
tridimensional da cadeia
de aminoácidos
Estrutura
Quaternária
Arranjo espacial de duas
ou mais cadeias (proteínas
oligoméricas)
Cada proteína possui uma estrutura tridimensional única
Molécula de Glicina
Estrutura da enzima Quimotripsina, uma proteína globular
ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL DAS PROTEÍNAS
Aspectos Importantes sobre a Estrutura Tridimensional das Proteínas:
1. A estrutura tridimensional de uma proteína é determinada por
sua sequência de aminoácidos.
2. O arranjo espacial dos átomos em uma proteína é chamado de
conformação.
3. A função de uma proteína depende de sua estrutura.
4. Uma proteína isolada tem estrutura única ou quase única.
5. As interações não-covalentes são as forças mais importantes que
estabilizam a estrutura específica mantida por uma dada proteína
(estrutura terciária e/ou quaternária).
6. Entre o grande número de estruturas de proteínas únicas, é possível
reconhecer alguns padrões estruturais comuns que nos ajudam a organizar
nossa compreensão da arquitetura protéica.
CONFORMAÇÃO DAS PROTEÍNAS
-Conformação é a denominação dada ao arranjo espacial dos átomos de uma
proteína.
-As possíveis conformações de uma proteína incluem qualquer estado estrutural que
possa ser atingido sem romper as ligações covalentes  rotação em torno de uma
ligação simples.
-Uma proteína que contenha centena de ligações simples pode, teoricamente,
apresentar centenas de conformações possíveis. Entretanto, em condições
biológicas predominam apenas uma ou algumas.
-A conformação existente sob um determinado conjunto de condições é a
termodinamicamente mais estável, tendo a menor energia livre de Gibbs (G).
-As proteínas, em qualquer de suas conformações enoveladas funcionais, são
denominadas de proteínas funcionais (estado nativo).
A conformação de uma proteína é estabilizada em
grande parte por interações fracas
-Estabilidade: Tendência à manutenção de uma conformação nativa.
-Proteínas nativas:  são apenas ligeiramente estáveis.
 a diferença de energia livre (G) entre os estados enovelado
funcional (proteína nativa) e desenovelado não-funcional
(proteína inativa) é pequena: 20 a 65 kJ/mol
-”Forças” que tendem a manter o estado desenovelado: Entropia conformacional (estado
desorganizado) e pontes de hidrogênio entre os grupo da cadeia polipetídica e o solvente
(água).
-”Forças” que estabilizam a conformação nativa:
Forças
Predominantes

 Ponte de dissulfeto (ligação covalente) . Energia necessária
para romper uma ligação covalente simples = 200 a 400 kJ/mol
 Interações fracas (ligação não-covalente): pontes de hidrogênio;
interações hidrofóbicas, interações iônicas (pontes salina) e forças de
Van der Waals.
Energia necessária para romper as interações fracas = 4 a 30 kJ/mol
Os padrões estruturais das proteínas
seguem duas regras simples:
1. Os resíduos hidrofóbicos estão, em sua maioria,
mantidos no interior da molécula protéica,
afastados da água.
2. O número de pontes de hidrogênio e de
interações iônicas dentro da proteína é
maximizado, reduzindo o número de
hidrogênios e de grupos iônicos que não estão
emparelhados.
As proteínas insolúveis e as de membranas
seguem regras diferentes.
A Ligação Peptídica é Rígida e Plana
Isso limita o número de conformações que a
cadeia polipetídica pode assumir, pois não há
livre rotação na ligação C-N
Cada ligação peptídica possui caráter de dupla ligação
Caráter parcial de dupla ligação
O oxigênio carbonílico possui uma carga parcial negativa e o nitrogênio amídico
uma carga parcial positiva, gerando um pequeno dipolo elétrico. Virtualmente,
todas as ligações peptídicas nas proteínas ocorrem nesta configuração trans.
Configuração cis é instável
razão cis/trans = 1:1000
Excessão é a Prolina
O Grupo Peptídeo Planar
-180o a +180o
O
R
Carboxiterminal
C
N
C
Aminoterminal
O
Cα
Cα
N
R
N
C
O
Cα
R
Cada ligação peptídica possui algum caráter de dupla ligação devido à
ressonância e não consegue girar
-Três ligações separam os carbonos α sequenciais em uma cadeia
polipetídica: Cα C, C N e N Cα
-As ligações Cα C e N Cα e podem sofrer rotações em ângulos
denominados  (fi)  (psi), respectivamente.
-A ligação peptídica C N não é livre para girar.
As conformações dos peptídeos são definidas pelos valores de  (fi)  (psi)
Os valores permitidos para  (fi)  (psi) são graficamente revelados quando  é
representado contra  em um diagrama de Ramachandran
Raios de van der
Waals e ângulos de
ligações conhecidos
Conformações que não envolvem
sobreposições estéricas, sendo totalmente
permitidas
Conformações que são permitidas se houver uma
pequena flexibilidade nos ângulos de ligação
Conformações permitidas nos limites extremos para os contatos
atômicos desfavoráveis
ESTRUTURA SECUNDÁRIA DAS PROTEÍNAS
Estrutura secundária: refere-se à conformação local de
alguma porção de um polipeptídio.
Principais tipos de estrutura secundária:
 α-hélice
 conformação β (Folha β pregueada)
α-Hélice : Modelos mostram aspectos diferentes de sua estrutura
Eixo da hélice
Hélice orientada
para a direita
Hélice orientada
para a direita
Pontes de hidrogênio
intracadeia mantem a
estrutura
Os planos da ligações peptídicas rígidas são
paralelos ao eixo da hélice
Modelo bola-e-bastão mostrando as
pontes de hidrogênio intracadeia
α-Hélice vista a partir da extremidade superior (de cima)
Grupos R ficam
perpendiculares ao
eixo da hélice e
voltados para fora
Falsa impressão de espaços vazios no
interior da hélice, pois aqui não está
representado os raios de van der
Waals dos átomos individuais.
Os átomos no centro da α-hélice estão bem próximos entre si, em
contato muito estreito.
Modelo espaço-cheio
Método para identificar hélices orientadas à direita ou à esquerda
Mão esquerda
Sentido horário = hélice
orientada à esquerda
Mão direita
Sentido anti-horário =
hélice orientada à direita
Nos dois casos, a hélice faz uma espiral para cima no polegar na direção dos dedos curvados
A sequência de aminoácidos afeta a estabilidade da α-hélice
Interações entre os grupos R de aminoácidos separados por três resíduos em uma α-hélice
Arg103
Interação iônica entre Asp100 e Arg103
em uma região α-helicoidal da
proteína troponina C (ligante de cálcio
no músculo esquelético)
Asp100
Segmento helicoidal de
13 resíduos
Restrições para a formação de uma α-hélice estável
-Presença de uma sequência de aminoácidos com mesma carga impede a formação
de α-hélice: grupos carregados com a mesma carga se repelem
-sequências contendo Glu e Asp adjacentes (carga – em pH 7,0)
-Seqüências contendo Lys e Arg adjacentes (carga + em pH 7,0)
-Presença de uma sequência de aminoácidos com grupos laterais (Grupos R)
volumosos impede a formação de α-hélice: impedimento estérico.
-sequências contendo Asn, Ser, Thr e Cys adjacentes (grupos R com grande
volume que tentam ocupar o mesmo espaço)
-Presença de resíduos de Pro e ou Gly
-A presença de Pro introduz uma torção na α-hélice, pois neste aminoácido o
átomo de N é parte de um anel rígido e a rotação sobre a ligação N C não é
possível. Além disso, o átomo de N de um resíduo de Pro não possui o H para
formar pontes de H com outros resíduos. Raramente Pro é encontrada em uma
α-hélice.
-A Gly possui maior flexibilidade de conformação do que os demais
aminoácidos. Polímeros de Gly tendem a formar estruturas espiraladas bem
diferentes de uma α-hélice.
A conformação β organiza as cadeias polipetídicas em folhas
Folha β formada por cadeias polipeptídicas adjacentes antiparalelas
Vista superior
Vista lateral
Grupos R projetam-se para
fora da folha β (para baixo e
para cima)
Pontes de hidrogênio
intercadeias mantém a
estrutura
Folha β formada por cadeias polipeptídicas adjacentes paralelas
Vista superior
Vista lateral
Grupos R projetam-se para
fora da folha β (para baixo e
para cima)
Pontes de hidrogênio
intercadeias mantém a
estrutura
Estruturas Terciária e Quaternária das Proteínas
-Estrutura terciária:
É o arranjo tridimensional geral de todos os átomos em uma proteína.
-Estrutura quaternária:
Algumas proteínas contêm duas ou mais cadeias polipeptídicas separadas, ou
subunidades, que podem ser idênticas ou diferentes. O arranjo dessas
subunidades protéicas em complexos tridimensionais constitui a estrutura
quaternária.
“FORÇAS” QUE MANTÉM OS NÍVEIS ESTRUTURAIS
NÍVEIS ESTRUTURAIS
“FORÇAS” QUE OS MANTÉM
Estrutura Primária
Ligação peptídica
Estrutura Secundária
-hélice: pontes de hidrogênio intracadeia
Conformação β: pontes de hidrogênio intercadeias
Hélice tripla do colágeno: ligações cruzadas
covalentes não usuais envolvendo Lys, HyLys (5hidroxilisina) ou resíduos de His
Estrutura Terciária
Interações iônica; Pontes de hidrogênio; Interações
hidrofóbicas; Forças de van der Waals, Pontes de
dissulfeto
Estrutura Quaternária
Interações iônica; Pontes de hidrogênio; Interações
hidrofóbicas; Forças de van der Waals, Pontes de
dissulfeto
Com base na estrutura, as proteínas podem ser classificadas em
dois grupos:
-Proteínas fibrosas:
Possuem cadeias polipeptídicas arranjadas em longas fitas ou folhas.
-Proteínas globulares:
Possuem cadeias polipeptídicas enoveladas em uma forma esférica ou globular.
Estes dois grupos, fibrosas e globulares, diferem funcionalmente:
Proteínas fibrosas: formam as estruturas que fornecem apoio, forma e proteção
externa aos vertebrados.
Proteínas globulares: formam a maior parte das enzimas e proteínas reguladoras.
As proteínas fibrosas estão adaptadas para a função estrutural
-Queratina, Colágeno e Fibroína da seda ilustram adequadamente a relação entre a estrutura
da proteína e a função biológica.
Estruturas secundárias e propriedades de proteínas fibrosas
Estrutura
α-hélice, unidas por pontes de
dissulfeto cruzadas
Características
Exemplos de ocorrência
Estruturas protetoras insolúveis,
resistentes, com dureza e
flexibilidade variáveis
Conformação β
Filamentos flexíveis, moles
Hélice tripla do colágeno
Alta força de tensão, sem estiramento
α-queratina do cabelo, penas
e unhas
Fibroína da seda
Colágeno de tendões,
da matriz dos ossos
- As proteínas fibrosas compartilham propriedades que dão forma e/ou flexibilidade às estruturas
onde elas ocorrem.
- Em cada caso, a unidade estrutural fundamental é um elemento de repetição simples da estrutura
secundária.
- Todas as proteínas fibrosas são insolúveis em água, devido à alta concentração de resíduos de
aminoácidos hidrofóbicos tanto no interior como na superfície da proteínas. Essas superfícies
hidrofóbicas são largamente encobertas por muitas cadeias polipeptídicas semelhantes que,
empacotadas juntas, formam complexos supramoleculares elaborados
As estruturas das proteínas globulares são compactas
Soroalbumina humana: 585 resíduos e Massa molecular de 64.500 Daltons
A forma globular é a mais compacta e a que confere menor tamanho à molécula
A diversidade estrutural reflete a diversidade funcional das proteínas
Estrutura terciária da mioglobina do cachalote
Grupo Heme
Representação em fita
Representação em fita incluindo as
cadeias laterais (azul) dos aa
hidrofóficos (Leu, Ile, Val e Phe)
Imagem em retículas enfatiza a
superfície da proteína
Modelo espaço cheio com todas as
cadeias laterais dos aminoácidos
Imagem da superfície de contorno
mostra cavidades onde outras
moléculas podem se ligar
A mioglobina contém uma única cadeia
polipeptídica contendo 153 resíduos de
aminoácidos e um único grupo heme onde
se liga o O2. O grupo heme é o responsável
pela cor vermelha escura da mioglobina e
da hemoglobina.
A mioglobina é muito abundante nos
músculos dos mamíferos que mergulham
(baleia, foca, boto). Nestes animais os
músculos são tão ricos nessa proteína que
eles tem a cor marron.
Estruturas tridimensionais de algumas proteínas pequenas
Citocromo C
Lisozima
Ribonuclease
Quantidades aproximadas de -hélice e conformação β em algumas
proteínas de cadeia única.
Padrões de enovelamento estáveis nas proteínas
Alça β--β
Conexão típica em
um motivo todo β
Conexão orientada à
direita entre fitas β
Centro-- 
Conexão cruzada
(não observada)
Conexão orientada à
esquerda entre fitas β
(muito raras)
Folha β torcida
Barril β
Estrutura quaternária da hemoglobina
Representação em fita
Modelo espaço cheio
A hemoglobina é constituída de 4 cadeias polipeptídicas (subunidades), sendo duas
cadeias  (iguais entre si e com 141 aa ) e duas cadeias β (iguais entre si e com 146 aa),
cada uma delas possuindo um grupo heme (em vermelho) onde se liga o oxigênio.
Nestas figuras está representada a estrutura da desoxihemoglobina (hemoglobina sem
moléculas de oxigênio ligadas aos grupos heme), onde é possível ver como as quatro
subunidades polipeptídicas estão empacotadas juntas.
A perda da estrutura de uma proteína resulta na perda da função
-A evolução das estruturas das proteínas para que desempenhassem uma função ocorreu em ambientes
celulares específicos (pH, temperatura, força iônica, etc).
-Condições diferentes daquelas presentes na célula podem resultar em grandes ou pequenas alterações
estruturais da proteína. A perda da estrutura tridimensional suficiente para causar a perda da função é
chamada de desnaturação.
- O estado desnaturado não é necessariamente igual ao completo desenovelamento da proteína. Em
muitas condições a desnaturação das proteínas existe em um conjunto de estados parcialmente enovelados
que são pouco entendidos.
-A maioria das proteínas pode ser desnaturada pelo calor, que afeta as interações fracas em uma
proteína, principalmente as pontes de hidrogênio. Entretanto, os efeitos do calor nas proteínas não são
facilmente previsíveis. Quando se compara a estrutura de proteínas homólogas de E. coli e de bactérias
termofílicas que vivem em fontes de água quente de aproximadamente 100 oC, a diferença observada na
estrutura é muito pequena.
-Além da temperatura, outros agentes também causam a desnaturação de proteínas: extremos de pH;
alguns solventes orgânicos miscíveis como o álcool ou a acetona; certos compostos como a uréia e o cloreto
de guanidina; detergentes como dodecilsulfato de sódio (SDS). Cada um destes agentes desnaturantes
representa um tratamento relativamente moderado para que nenhuma ligação covalente seja quebrada.
Se o tratamento leva à quebra de ligação peptídica, temos então uma hidrólise da proteína, que pode ser
parcial ou total.
A sequência de aminoácidos determina a estrutura terciária
-A estrutura terciária de uma proteína globular é determinada pela sua
sequência de aminoácidos. Uma prova disso foi obtida em experimentos
que demonstraram que a desnaturação de algumas proteínas era
reversível.
-Algumas proteínas globulares desnaturadas pelo calor, extremos de pH
ou reagentes desnaturantes recuperavam suas propriedades biológicas
se retornassem às condições onde a conformação nativa é estável. Esse
processo é chamado de renaturação.
26
Estado nativo;
catalicamente ativo
Adição de uréia e de
mercaptoetanol
-O exemplo clássico é a desnaturação e renaturação da ribonuclease,
realizado por Christian Anfinsen na década de 50.
-A ribonuclease purificada pode ser completamente desnaturada pela
exposição a uma concentração de uréia na presença de um agente
redutor.
-O agente redutor cliva as 4 pontes de dissulfeto para produzir 8
resíduos de Cys e a uréia rompe as interações hidrofóbicas, levando
assim à completa perda da conformação enovelada.
-A desnaturação da ribonuclease é acompanhada por perda completa
da atividade catalítica.
-Quando a uréia e o agente redutor são removidos (por diálise), as
espirais da ribonuclease, que estavam desnaturadas e numa
conformação ao acaso, se reenovelam espontaneamente na sua
estrutura tridimensional correta, com restauração completa da sua
atividade catalítica. Assim, como nada é adicionado no meio, a única
informação utilizada para aquisição da estrutura tridimensional
correta é a da sequência de aminoácidos.
Estado desenovelado;
inativo. Ligações cruzadas
de dissulfeto reduzidas
produzindo resíduos de Cys
Remoção da uréia e de
mercaptoetanol
Estado nativo;
catalicamente ativo.
Ligações cruzadas de
dissulfeto corretamente
refeitas