Aula 10.Estrutura de Proteínas

Transcrição

Biologia Estrutural
Estrutura de Proteínas
Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr.
wfdaj.sites.uol.com.br
© 2006 Dr. Walter F. de Azevedo Jr.
Biologia Estrutural
Resumo
Por que estudar proteínas?
Dicionário molecular das proteínas
PDB
Estrutura secundária de proteínas
Estrutura 3D de proteínas
Referências
Por que Estudar Proteínas?
1) Identificar mecanismos de funcionamento de proteínas
2)Protein folding
3) Evolução molecular
4) Modelagem molecular
5) Engenharia de proteínas
6) Desenho de drogas
Dicionário Molecular das Proteínas
Aminoácidos
As letras do alfabeto protéico são os aminoácidos. A fórmula molecular do aminoácido
é mostrada abaixo. O aminoácido tem um terminal (amino) e outro terminal carboxílico.
No centro temos um carbono tetraédrico, chamado carbono alfa, ligado
covalentemente ao terminais amino (grupo amino NH2) e carboxílico (grupo carboxila,
COOH). O carbono alfa tem mais duas ligações covalentes, uma com hidrogênio e
outra com a cadeia lateral. A cadeia lateral é responsável pela identidade do
aminoácido. Há vinte tipos diferentes de aminoácidos, ou seja, temos vinte tipos
possíveis de cadeias laterais.
H
+
H 3N
C
R
O
C
O
-
Aminoácidos
Os aminoácidos são moléculas quirais, ou seja, admitem duas formas, sendo uma a
imagem espelhada da outra. Uma característica interessante sobre a quiralidade dos
aminoácidos, todos aminoácidos naturais são da forma L (levógiro), chamados
aminoácidos L. Uma consequência da quiralidade dos aminoácidos é o fato de todos
os cristais de proteínas não apresentarem simetria espelho ou centro de inversão, o
que reduz o número de grupos espaciais possíveis a 64.
A distribuição dos átomos em torno do carbono alfa nos aminoácidos L segue uma
regra mnemônica simples, chamada regra do “CORN”, olhe o diagrama esquemático
da representação do aminoácido L. Neste diagrama estamos olhando para o carbono
alfa ao longo da ligação covalente com o átomo de hidrogênio. Nesta situação temos
três ligações covalentes restantes seguindo a regra do CORN, o CO para a carboxila,
o R para a cadeia lateral e o N para o grupo amino.
Aminoácidos
A regra do “CORN” indica a distribuição das ligações covalentes ao redor do carbono
alfa. O estado de protonação tanto do grupo amino quanto do grupo carboxílico
dependem do pH do meio, e podem apresentar-se protonado como desprotonado. O
estado mostrado na fórmula molecular e na estrutura tridimensional é o predominante
nas condições fisiológicas.
COO
H
+
H 3N
C
R
R
O
C
O
-
NH3
Aminoácidos
Glicina
Gly
G
Tirosina*
Tyr
Y
Alanina
Ala
A
Metionina
Met
M
Serina*
Ser
S
Triptofano*
Trp
W
Treonina*
Thr
T
Asparagina* Asn
N
Cisteina
Cys
C
Glutamina*
Gln
Q
Valina
Val
V
Histidina*
His
H
Isoleucina
Ile
I
Aspartato*
Asp
D
Leucina
Leu
L
Glutamato*
Glu
E
Prolina
Pro
P
Fenilalanina
Phe
F
Lisina*
K
* podem formar ligações de H
Arginina*
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Lys
Arg
R
hidrofobicidade
Escala de hidrofobicidade de aa
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
W
I
F
L
C
M
V
Y
P
A
T
H
G
S
Q
N
E
D
K
R
aminoacidos
Diagrama de Venn p/ Aminoácidos
Com enxofre
Cys
Met
Val
Gly
Phe
Ala
Trp
Thr
Ser
Gln
Tyr
Asn
Ácidos
Aromáticos
Asp
Ile
Leu
Alifáticos
Pro
Glu
Polares
Lys
His
Básicos
Arg
Hidrofóbicos
PDB
Base de Dados PDB
A resolução da estrutura tridimensional de proteínas, por meio da técnica de
cristalografia por difração de raios X, gerou uma grande quantidade de informação
estrutural sobre as proteínas, na tentativa de armazenar a estrutura dessas proteínas
foi criado em 1977 uma base de dados. Essa base de dados chamada Protein Data
Bank(PDB), armazena as coordenadas atômicas de quase todas as proteínas e outras
macromoléculas biológicas determinadas até hoje. Tal base de dados é disponibilizada
no site www.rcsb.org/pdb . As coordenadas atômicas armazenadas nessa base de
dados apresentam um formato rígido, chamado formato PDB. Este formato permite o
armazenamento de informações sobre a técnica experimental usada para determinar a
estrutura, detalhes sobre a macromolécula, origem, fonte, forma de obtenção,
referências dos artigos relacionados à estrutura depositada e, obviamente, as
coordenadas atômicas. As informações sobre as coordenadas atômicas são dadas
para cada átomo, identificando o átomo e sua posição, bem como a qual resíduo o
átomo pertence e a numeração do resíduo de aminoácido, bem como a numeração do
átomo. Para ilustrar o formato PDB mostramos no próximo slide as coordenadas
atômicas do aminoácido alanina.
Base de Dados PDB
A figura da estrutura tridimensional do aminoácido alanina foi gerada a partir das
coordenadas atômicas armazenadas no arquivo PDB. Para cada átomo mostrado na
figura temos uma posição atômica no arquivo PDB.
Arquivo PDB para o aminoácido alanina.
HETATM
HETATM
HETATM
HETATM
HETATM
HETATM
HETATM
HETATM
HETATM
HETATM
HETATM
HETATM
HETATM
END
1 N
2 CA
3 C
4 O
5 H
6 O
7 H
8 H
9 CB
10 H
11 H
12 H
13 H
ALA
ALA
ALA
ALA
ALA
ALA
ALA
ALA
ALA
ALA
ALA
ALA
ALA
001
001
001
001
001
001
001
001
001
001
001
001
001
-0.541
0.178
1.399
2.606
-0.396
1.116
-1.557
0.597
-0.751
-1.525
-0.255
-1.166
-0.173
1.336
0.132
0.101
-0.060
1.923
0.235
1.207
0.213
-1.285
-1.287
-2.141
-1.414
1.800
-2.425
-2.236
-3.155
-2.668
-1.614
-4.429
-2.555
-1.219
-2.203
-1.557
-2.003
-3.112
-3.246
Base de Dados PDB
Temos uma relação biunívoca, para cada átomo no arquivo PDB temos um átomo na
estrutura. A figura abaixo mostra as coordenadas atômicas para os átomos da figura,
exceto os hidrogênios.
HETATM
HETATM
HETATM
4 O
3 C
ALA 001
ALA 001
1.116 0.235 -4.429
HETATM
ALA 001
0.178 0.132 -2.236
1 N
-0.751 -1.285 -2.203
1.399 0.101 -3.155
ALA 001
HETATM
ALA 001
2.606 -0.060 -2.668
HETATM 6 O
2 CA
9 CB
ALA 001
-0.541 1.336 -2.425
Distância Interatômica (PDB)
As coordenadas atômicas, apresentadas nos arquivos PDB, permitem a determinação
direta de diversos parâmetros estruturais, tais como, distâncias, ângulos e ângulos de
torção. Para o cálculo da distância entre dois átomos (interatômica), i e j, de
coordenadas (X, Y, Z) usamos a seguinte equação:
D = [ (Xj – Xi )2 + (Yj – Yi )2 + (Zj – Zi )2 ]1/2
Usando-se as coordenadas atômicas de um arquivo PDB para um par de átomos
teremos a distância em Å (10-10 m).
Como aplicação consideremos a distância entre o N e o CA da estrutura abaixo.
D = [ (Xj – Xi )2 + (Yj – Yi )2 + (Zj – Zi )2 ]1/2
HETATM
2 CA
HETATM
ALA 001
1 N
0.178 0.132 -2.236
ALA 001
-0.541 1.336 -2.425
Substituindo-se os valores temos:
D = [ (-0,541 – 0,178 )2 + (1,336 – 0,132 )2 + (-2,425 – (-2,236) )2 ]1/2
D = [ (-0,719 )2 + (1,204 )2 + (-0,189 )2 ]1/2
D = [ 0,517 + 1,450 + 0,036 ]1/2
D = [ 2,003 ]1/2 = 1,42 Å
HETATM
2 CA
HETATM
ALA 001
1 N
0.178 0.132 -2.236
ALA 001
-0.541 1.336 -2.425
Ângulo Interatômico (PDB)
O ângulo de ligação (θ), entre as ligações AB e AC, mostrado na figura abaixo, pode
ser determinado a partir da seguinte equação:
2
2
2
θ = arccos [ (AB) + (AC) - (BC) ]
2(AB)(AC)
Onde AB, AC e BC são distâncias interatômicas, determinadas usando-se a equação
da distância interatômica, descrita anteriormente.
B
BC
θ
A
AC
C
Ângulo Interatômico (PDB)
Vamos usar a equação anterior para determinar o ângulo de ligação (θ), entre as
ligações N(CA) e (CA)C, mostrada na figura abaixo. As distâncias interatômicas
N(CA), (CA)C e NC, são determinadas como descrito anteriormente, omitiremos seu
cálculo aqui e usaremos os seus resultados. N(CA) = 1,42 Å, (CA)C = 1,53 Å, e NC =
2,41 Å, aplicando-se esses valores na equação do ângulo temos:
2
2
2
θ = arccos [ (1,42) + (1,53) - (2,41) ]
2(1,42)(1,53)
C
θ
CA
θ = 109,5o
N
Ligação Peptídica
A estrutura ao lado indica a ligação entre
dois
resíduos
de
aminoácido
consecutivos, onde somente os átomos
da cadeia principal são mostrados
(omitindo os hidrogênios). Esses quatro
átomos estão num plano, e a ligação
covalente entre o carbono da carbonila
(C) e o nitrogênio (N) é uma ligação
parcialmente dupla, o que deixa esta
ligação sem liberdade de torção. Este
ângulo de torção é chamado ângulo
ômega, e apresenta valor de 180o, na
configuração trans mostrada na figura. O
ângulo ômega também pode apresentarse na configuração cis, com ângulo
ômega de 0o.
CA
1,51 Å
1,24 Å
O
1,32 Å
C
N
1,46 Å
CA
Cadeia Peptídica
Abaixo temos uma cadeia peptídica de 6 resíduos de aminoácido, onde lemos a
sequência do N para o C terminal, essa convenção é usada para numerar os resíduos
na sequência. Tal procedimento facilita a análise de diversas características das
sequências de aminoácidos, tais como, conservação de resíduos de aminoácido em
determinada posição, identidade sequencial entre diversas proteínas, identificação de
sítios ativos, no caso de enzimas, entre outros aspectos. No próximo slide temos o
alinhamento sequencial de 6 CDKs, onde as sequências começam no N-terminal e
finalizam no C-terminal.
R2
R4
R6
C-terminal
N-terminal
R1
R3
R4
Alinhamento de Seqüências
CDK2
CDK3
CDK1
CDK5
CDK4
CDK6
1
1
1
1
1
1
---------MENFQKVEKIGEGTYGVVYKARNKLTG-EVVALKKIRLDTET---EGVPST
---------MDMFQKVEKIGEGTYGVVYKAKNRETG-QLVALKKIRLDLEM---EGVPST
---------MEDYTKIEKIGEGTYGVVYKGRHKTTG-QVVAMKKIRLESEE---EGVPST
---------MQKYEKLEKIGEGTYGTVFKAKNRETH-EIVALKRVRLDDDD---EGVPSS
-------MATSRYEPVAEIGVGAYGTVYKARDPHSG-HFVALKSVRVPNGGGGGGGLPIS
MEKDGLCRADQQYECVAEIGEGAYGKVFKARDLKNGGRFVALKRVRVQTGE---EGMPLS
CDK2
CDK3
CDK1
CDK5
CDK4
CDK6
62
62
62
62
70
75
CDK2
CDK3
CDK1
CDK5
CDK4
CDK6
133
133
134
132
145
150
LLINTEGAIKLADFGLARAFGVPVRT 158YTHEVVTLWYRAPEILLGCKYYSTAVDIWSLGCIFAEMVTR-RALFPGDS
LLINELGAIKLADFGLARAFGVPLRT 158YTHEVVTLWYRAPEILLGSKFYTTAVDIWSIGCIFAEMVTR-KALFPGDS
LLIDDKGTIKLADFGLARAFGIPIRV 159YTHEVVTLWYRSPEVLLGSARYSTPVDIWSIGTIFAELATK-KPLFHGDS
LLINRNGELKLADFGLARAFGIPVRC 157YSAEVVTLWYRPPDVLFGAKLYSTSIDMWSAGCIFAELANAGRPLFPGND
NILVTSGGTVKLADFGLARIYSYQM-A 170LTPVVVTLWYRAPEVLLQST-YATPVDMWSVGCIFAEMFRR-KPLFCGN
NILVTSSGQIKLADFGLARIYSFQM-A 175LTSVVVTLWYRAPEVLLQSS-YATPVDLWSVGCIFAEMFRR-KPLFRGS
CDK2
CDK3
CDK1
CDK5
CDK4
CDK6
208
208
209
208
218
223
EIDQLFRIFR 217TLGTPDEVVWPGVTSMPDYKPSFPKWARQ-DFSKVVPPLDEDGRSLLSQMLHYDPNKRIS 276AK
EIDQLFRIFR 217MLGTPSEDTWPGVTQLPDYKGSFPKWTRK-GLEEIVPNLEPEGRDLLMQLLQYDPSQRIT 276AK
EIDQLFRIFR 218ALGTPNNEVWPEVESLQDYKNTFPKWKPG-SLASHVKNLDENGLDLLSKMLIYDPAKRIS 277GK
VDDQLKRIFR 217LLGTPTEEQWPSMTKLPDYKP-YPMYPATTSLVNVVPKLNATGRDLLQNLLKCNPVQRIS 276AE
SEADQLGKIFD 228LIGLPPEDDWPRDVSLP--RGAFPPRGPR-PVQSVVPEMEESGAQLLLEMLTFNPHKRIS 285A
SDVDQLGKILD 233VIGLPGEEDWPRDVALP--RQAFHSKSAQ-PIEKFVTDIDELGKDLLLKCLTFNPAKRIS 290A
NIVKLLDVIHT-----ENKLYLVFEFLHQDLKKFMDASA-LTG
NIVRLLDVVHN-----ERKLYLVFEFLSQDLKKYMDSTP-GSE
NIVSLQDVLMQ-----DSRLYLIFEFLSMDLKKYLDSIPPGQY
NIVRLHDVLHS-----DKKLTLVFEFCDQDLKKYFDSCN--GD
NVVRLMDVCATSRTDREIKVTLVFEHVDQDLRTYLDKAP-PPG
NVVRLFDVCTVSRTDRETKLTLVFEHVDQDLTTYLDKVP-EPG
CDK2
CDK3
CDK1
CDK5
CDK4
CDK6
279
279
280
279
287
292
47AIREISLLKELN---HP
47AIREISLLKELK---HP
47AIREISLLKELR---HP
47ALREICLLKELK---HK
52TVREVALLRRLEAFEHP
57TIREVAVLRHLETFEHP
98IPLPLIKSYLFQLLQGLAFCHSHRVLHRDLKPQN
98LPLHLIKSYLFQLLQGVSFCHSHRVIHRDLKPQN
99MDSSLVKSYLYQILQGIVFCHSRRVLHRDLKPQN
97LDPEIVKSFLFQLLKGLGFCHSRNVLHRDLKPQN
111LPAETIKDLMRQFLRGLDFLHANCIVHRDLKPE
116VPTETIKDMMFQLLRGLDFLHSHRVVHRDLKPQ
AALAHPFFQDVTKPVPHLRL-------------- 298
TALAHPYFSSP-EPSPAARQYVLQRFRH------ 305
MALNHPYFNDLDNQIKKM---------------- 297
EALQHPYFSDFCPP-------------------- 292
FRALQHSYLHKDEGNPE------------------ 303
YSALSHPYFQDLERCKENLDSHLPPSQNTSELNTA 326
Ângulos de Torção
Na cadeia polipetídica a definição do
enovelamento da proteína depende dos
ângulos de torção anterior ao carbono alfa,
chamado de ângulo fi (phi em inglês) (φ), e
do ângulo de torção após o carbono alfa,
chamado ângulo psi (ψ). A análise da
rotação desses ângulos levou à identificação
de regiões permitidas, onde não há choques
entre os átomos, e regiões não-permitidas,
onde há choque entre os átomos.
Graficando-se para cada resíduo de
aminoácido o ângulo fi e psi temos um
diagrama bidimensional, onde as regiões
permitidas e proibidas são identificáveis, tal
diagrama é chamado de diagrama de
Ramachandran.
Diagrama de Ramachandran
ψ(o)
Os eixos, fi (φ) e psi (ψ), no diagrama de
Ramachandran, variam de -180o a
+180o, as regiões no interior das áreas
demarcadas no gráfico são regiões
permitidas. Fica claro, a partir da análise
do gráfico, que a área não permitida é
maior do que a permitida. As regiões,
não permitidas são possíveis de
ocupação para a glicina, pois sua cadeia
lateral restringe-se a um átomo de
hidrogênio, permitindo mais liberdade
para os ângulos fi e psi.
φ(o)
Em 1993 Laskowski e colaboradores
elaboraram um programa chamado
PROCHECK que define 4 regiões no
diagrama de Ramachandran, são elas:
região
permitida
(indicada
em
vermelho),
região
adicionalmente
permitida (indicada em amarelo), região
generosamente permitida (indicada em
amarelo claro) e região proibida
(indicada em branco). O programa
PROCHECK usa dados da estrutura
cristalográfica
de
118
proteínas
resolvidas a uma resolução melhor que
2,0 Å, para definir as regiões permitidas
e proibidas do diagrama.
O programa PROCHECK indica as
glicinas como triângulos, e estas podem
ocupar qualquer região do diagrama de
Ramachandran, visto que sua cadeia
lateral restringe-se a um hidrogênio, que
permite maior flexibilidade da cadeia
principal. Os resíduos localizados nas
regiões generosamente permitida e
proibida são indicados em vermelho. Na
figura ao lado o resíduo Val116 está na
região generosamente perimitida do
gráfico.
Referência:Laskowski, R.A.; MacArthur, M.W., Moss, D.S.,
Thornton, J.M. PROCHECK: a program to check the
stereochemical quality of protein structures. J. of Appl. Cryst.
26(2), 283-291, (1993).
Além do diagrama de Ramachandran o
programa PROCHECK oferece diversas
outras informações, em outros gráficos, ou
mesmo no gráfico principal. Uma delas é a
estatística geral dos ângulos fi e psi,
indicando a porcentagem de resíduos de
aminoácido em cada região, na estrutura
1WE2 (Pereira et al., 2004) temos 92,7 %
dos resíduos da região permitida, 6,6 % na
região adicionalmente permitida, e 0,7 % na
região adicionalmente permitida. Não há
resíduos na região proibida. Para estruturas
resolvidas a resolução acima de 2,0 Å
espera-se acima de 90 % dos resíduos nas
regiões permitidas.
A análise da qualidade estereoquímica de
modelos de proteínas é uma ferramenta
poderosa na análise estrutural, sejam
obtidos experimentalmente ou obtidos por
modelagem
molecular.
O
Programa
PROCHECK facilita a análise dos modelos
estruturais. Há versões do PROCHECK
para windows e linux, bem como, sites
dedicados a análise on-line de proteínas,
como o PARMODEL (Uchoa et al., 2004)
Referências: Pereira, J.H., Oliveira, J. S., Canduri, F., Dias, M.V.B.,
Palma, M. S., Basso, L. A., Santos, D. S., & De Azevedo, W.F.
Structure of shikimate kinase from Mycobacterium tuberculosis
reveals the binding of shikimic acid. Acta Crystallogr. Sect. D.-Biol.
Crystallogr. 60 , 2310-2319, 2004.
Uchoa, H. B., Jorge, G. E., Freitas da Silveira, N. J., Camera, J. C.
Jr., Canduri, F., De Azevedo, W. F.Biochem. Biophys. Res.
Commun. 2004;325(4):1481-1486.
Como exemplo do uso do programa PROCHECK na análise da qualidade
estereoquímica de modelos estruturais de proteínas, considere a proteína humana
Purina Nucleosídeo Fosforilase (PNP, EC. 2.4.2.1). A PNP foi resolvida inicialmente
em 1990 por Ealick et al. 1990 (código de acesso no PDB: 1ULA), a 2,75 Å de
resolução. Uma nova estrutura foi refinada a 2,3 Å (Azevedo et al., 2003) (Código de
acesso PDB: 1M73). Usaremos uma versão on-line do PROCHECK, chamada
PARMODEL para analisar ambas estruturas.
Referências:
De Azevedo, W. F., Canduri, F., Santos, D. M., Silva, R. G., Oliveira, J. S., Carvalho, L. P. S., Basso, L. A., Mendes, M. A., Palma,
M. S., and Santos, D. S. Crystal structure of human purine nucleoside phosphorylase at 2.3 A resolution. Biochem. Biophys. Res.
Commun., 308(3), 545-552, 2003.
Ealick, S. E., Rule, S. A., Carter, D. C., Greenhough, T. J., Babu, Y. S., Cook, W. J., Habash, J., Helliwell, J. R., Stoeckler, J. D.,
Parks, R. E., Jr., Chen, S, -F., and Bugg, C. E. (1990). Three-dimensional structure of human erythrocytic purine nucleoside
phosphorylase at 3.2Å resolution. J. Biol. Chem. 265(3), 1812-1820.
A análise dos dois diagramas de Ramachandran indica claramente que a estrutura de
coordenadas atômica 1M73 apresenta melhor estatística estereoquímica. Na realidade
uma análise detalhada da estrutura, resolvida de 2,3 Å, indicou que a estrutura 1ULA
apresentava diversos erros, inclusive no sítio ativo. A estrutura 1ULA previa a
participação de Lys244 no sítio ativo da enzima, a estrutura a mais alta resolução
revelou que esta lisina estava a mais de 9 Å da posição inicialmente prevista. A
análise do gráfico de Ramachandran, por si só, não valida a estrutura de uma
proteína, mas é uma ferramenta valiosa na análise da estrutura 3D.
Ângulos da Cadeia Lateral
Além dos ângulos de torção da cadeia principal, temos, para a maioria do aminoácidos
a possibilidade de ângulos de torção para a cadeia lateral. Obviamente tais ângulos só
existem para os aminoácidos de cadeia lateral média e longa. No exemplo abaixo
temos uma lisina, com 5 ângulos de torção possíveis.
χ5 χ4 χ3 χ2
χ1
Estrutura Secundária de Proteínas
Hélice Alfa
A estrutura da hélice alfa foi prevista
teoricamente por Linus Pauling em 1950.
Vale a pena lembrar, que naquela data,
não havia informação estrutural sobre
proteínas, e sua previsão foi baseada na
estrutura cristalográfica de aminoácidos,
dipeptídeos e tripeptídeos, determinados
a partir de cristalografia por difração de
raios X. A estrutura de hélice alfa foi
posteriormente confirmada, quando a
estrutura cristalográfica da mioglobina foi
determinada em 1959.
Hélice Alfa
O enovelamento da hélice alfa leva a uma
estrutura onde as cadeias laterais ficam
voltadas para fora da estrutura, criando
uma estrutura cilíndrica compacta. Uma
análise das preferências dos resíduos de
aminoácido indicou que Leu, Glu, Met e
Ala, são encontrados preferencialmente
em hélices alfa, e os resíduos Pro, Ile,
Gly e Ser, dificilmente são encontrados
em hélices alfa. A figura da direita ilustra
uma visão de hélice alfa ao longo do seu
eixo, indicando as cadeias laterais
voltadas para o lado de fora da hélice, tal
estrutura tem um diâmetro aproximado de
5 Å.
Hélice Alfa
A estrutura tridimensional das hélices alfa
são estabilizadas por um padrão de
ligações de hidrogênio, envolvendo o
oxigênio da carbonila do resíduo i com o
nitrogênio do resíduo i+4, como ilustrado
na figura ao lado com linhas tracejadas.
Ligação de hidrogênio
Hélice Alfa
Eixo da hélice alfa
A distância, ao longo do eixo da hélice
alfa, entre dois carbonos alfa de resíduos
de aminoácidos consecutivos é de 1,5 Å.
Cada volta de uma hélice alfa apresenta
3,6 resíduos, assim temos que uma volta
completa na hélice alfa leva a um
deslocamento de 5,4 Å, ao longo do eixo
da hélice alfa.
1,5 Å
5,4 Å
Hélice Alfa (3,613)
1
2
4
3
6
5
8
7
10
13
11
12
9
A hélice alfa envolve ligações de hidrogênio entre o resíduo i e o resíduo i + 4, a
análise do padrão de ligação de hidrogênio indica que o mesmo envolve um número
fixo de átomos da cadeia principal, ou seja, numerando-se a partir do oxigênio da
carbonila até o hidrogênio da amida da cadeia principal temos 13 átomos, como
mostrado na figura acima. Tal característica fixa da hélice alfa cria uma notação
alternativa para representá-la, a hélice alfa é uma hélice 3,613, tal notação indica que
temos 3,6 resíduos por volta e 13 átomos entre as ligações de hidrogênio.
Hélice 310
1
2
4
3
6
5
8
7
9
10
Além da hélice alfa temos duas outras hélices possíveis, uma com três voltas, e 10
átomos da cadeia principal entre as ligações de hidrogênio. Essa hélice é chamada de
hélice 310, sendo bem menos comum que as hélices alfa. A ligação de hidrogênio
envolve uma carbonila do resíduo i com o nitrogênio do resíduo i+3.
Hélice Pi (4,416)
1
2
4
3
6
5
8
7
10
9
11
12
13
14
15
16
A terceira hélice possível apresenta 4,4 resíduos por volta e 16 átomos entre as
ligações de hidrogênio. Essa hélice chamada de hélice Pi, apresenta notação 4,416. A
ligação de hidrogênio envolve uma carbonila do resíduo i com o nitrogênio do resíduo
i+5.
Hélices
Podemos pensar a hélice alfa como uma
mola em equilíbrio, onde não aplicam-se
forças. Se comprimirmos a mola que
representa a hélice alfa teremos um
encolhimento da mola, resultando na
hélice Pi (representado em vermelho). O
estiramento da hélice alfa resulta na
hélice 310, (representado em rosa). A
representação
ao
lado
usa
a
representação CPK para os átomos e
desenha uma hélice imaginária passando
pelo átomos da cadeia principal. Tal
representação gráfica auxilia da abstração
do conceito de hélice e é comumente
usada em programas gráficos para
visualização de proteínas.
Hélice Pi
Hélice Alfa
Hélice 310
Hélices
Estrutura
φ(°)
ψ(°)
n
d(Å)
p(Å)
Hélice α
-57
-47
3,6
1,5
5,4
Hélice 310
-49
-26
3,0
2,0
6,0
Hélice π
-57
-70
4,4
1,1
5,0
n: número de resíduos de aminoácido por volta da hélice
d(Å) = delocamento ao longo do eixo da hélice
p(Å) = passo da hélice (delocamento total de uma volta da hélice)
Fita Beta
N
As fitas beta apresentam uma cadeia
principal distendida, não havendo hélices
em sua topologia. Uma cadeia peptídica
distendida, como mostrada na figura ao
lado, não possibilita a existência de
ligações de hidrogênio, como observadas
nas hélices, contudo, tal arranjo, libera o
oxigênio da carbonila e o nitrogênio da
cadeia principal para fazerem ligações de
hidrogênio, com partes distantes da
cadeia peptídica, ou mesmo, com outras
cadeias peptídicas. A condição necessária
é a proximidade do par doador-aceitador.
C
Folha Beta Paralela
N
A disposição próxima da fitas beta
possibilita ligações de hidrogênio que
fortalecem a estrutura tridimensional da
proteína. O arranjo mostrado ao lado é
base para a montagem de uma folha beta,
com várias fitas beta. Quando as fitas que
formam a folha apontam todas na mesma
direção temos um folha beta paralela. Se
chamarmos a fica da esquerda de i e a da
direita de j, teremos um padrão da
ligações de hidrogênio i/j+1, j+1/i+2,
i+2/j+3, j+3/i+4, i+4/j+5, e assim
sucessivamente.
N
i
i+1
j+1
i+2
i+3
j+2
j+3
i+4
i+5
j+4
j+5
C
j
C
Folha Beta Paralela
N
Se chamarmos a fica da esquerda de i e a
da direita de j, teremos um padrão da
ligações de hidrogênio i/j+1, j+1/i+2,
i+2/j+3, j+3/i+4, i+4/j+5, e assim
sucessivamente. Este é o padrão
característico das ligações de hidrogênio
presentes nas folhas beta.
N
i
i+1
j
j+1
i+2
i+3
j+2
j+3
i+4
i+5
j+4
j+5
C
C
Folha Beta Paralela
N
Colocando-se uma terceira fita beta (fita k)
temos a repetição do padrão de ligação
de hidrogênio. Considerando-se a ligação
da fita j com a fita k temos, j/k+1, k+1/j+2,
j+2/k+3, k+3/j+4, j+4/k+5, e assim
sucessivamente.
N
i
i+1
N
j
k
j+1
i+2
i+3
k+1
j+2
j+3
i+4
i+5
k+3
j+4
j+5
C
k+2
k+4
k+5
C
C
Folha Beta Paralela
Para simplificar a representação gráfica,
normalmente usamos vetores, como os
indicados ao lado, para representar a fitas
que formam a folha. A cabeça do vetor
indica o C-terminal e o início do vetor o Nterminal.
N
N
C
N
C
C
Folha Beta Anti-Paralela
Outra possibilidade de formarmos folhas
beta e com fitas betas alternadas, como
mostrado na figura ao lado. Na folha ao
lado temos 3 fitas beta, onde a primeira
segue com o N-terminal na parte superior,
a segunda com o C-terminal na parte
superior, e assim vão alternando-se, num
padrão anti-paralelo de fitas.
Na figura ao lado temos 3 fitas, chamadas
i, j e k. As ligações de hidrogênio entre as
fitas beta i e j seguem o padrão i/j, i+2/j+2,
i+4/j+4, e assim sucessivamente. Entre as
fitas j e k, o padrão é j+1/k+1, j+3/k+3, ...
i
j+1 k+1
i+1
i+2
j+3 k+3
i+4
k+2
j+2
i+3
i+5
k
j
k+4
j+4
k+5
Na representação com vetores fica claro a
alternância do sentido das fitas beta.
C
N
Estrutura 3D de Proteínas
Superestruturas
-Combinações de elementos de estrutura secundária
-Podem envolver hélices e fitas-β
-Caracterizam classes de proteínas
Grampo Beta (Beta-Hairpin)
O grampo beta é uma folha beta antiparalela, que por aparecer com frequência
na estrutura de proteínas recebeu um
denominação específica. O grampo beta
caracteriza-se pela presença de duas fitas
beta próximas, formando um pequeno
trecho de folha, como mostrado na figura
ao lado.
C
N
Grampo Alfa (Alpha-Hairpin)
O grampo alfa apresenta duas hélices alfa
contínuas, como descrito na figura ao
lado. As duas hélices estão ligadas por
um trecho da cadeia peptídica que não
segue nem uma estrutura em fita nem em
hélice, mostrada em amarelo.
C
C
N
N
Motivo Beta-Alfa-Beta
N
O motivo beta-alfa-beta apresenta em
sequência uma fita beta, uma hélice alfa e
por último uma fita beta.
C
Níveis de Estrutura Protéica
Primária
Secundária
Terciária
Quaternária
Classes Estruturais
Classe
Características
Examples
α
Estrutura secundária de hélice alfa
Mioglobina
β
Estrutura secundária de folha beta
Quimotripsina
α/β
Presença de β-α-β
PNP
α+β
Ausência de β-α-β
Papaína
estrutura (irregulares)
Ferrodoxina
SCOP
SCOP (Structural Classification Of Proteins) http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/
Hierarquia do SCOP
Nível
Número de casos
Classes
7
Folds
686
Superfamílias
1073
Famílias
1827
Domínios
39893
SCOP
Família: Estruturas de proteínas que exibem clara relação evolucionária.
Superfamília: Estruturas de proteínas que exibem provável origem evolucionária
comum.
Fold: Grande similaridade estrutural.
SCOP
Classe
# folds
# superfamílias
# famílias
α
151
252
393
β
110
205
337
α/β
113
185
438
α+β
208
295
454
Multi-dom.
34
34
46
Membrana
12
19
31
Irregulares
58
83
128
Total
686
1073
1827
SCOP
http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/pdb.cgi
Exemplo:5nul
SCOP
Protein: Flavodoxin from Clostridium beijerinckii
1. Root : scop
2. Class: Alpha and beta proteins (α/β)
3. Fold : Flavodoxin-like
3 layers, a/b/a, parallel beta-sheet of 5 strand, order 21345
4. Superfamily : Flavoproteins
5. Family : Flavodoxin-related
binds FMN
6. Protein : Flavodoxin
7. Species : Clostridium beijerinckii
Trabalho
1) A poli-L-leucina em um solvente orgânico como o dioxano fica em hélice α, mas não
a poli-L-isoleucina. Por que esses aminoácidos com os mesmos números e tipos de
átomos têm diferentes tendências de formação de hélice?
2) A tropomiosina, uma proteína muscular de 70 kd, é uma superfície bifilamentar de
hélices α. Qual é o comprimento dessa molécula? Considere que a translação por
aminoácido em uma hélice α é de 1,5 Å.
Referências
ALBERTS, B. et al. Biologia Molecular da Célula. 4a edição. Artmed editora, Porto
Alegre, 2004 (Capítulo 3).
LESK, A. M. Introduction to Protein Architecture. Oxford University Press, New York,
2001.

Aula 10.Estrutura de Proteínas

Transcrição

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