Proteínas - Past Paper - BCM Santa's Nightmare 2022/2023 PDF

Aula 1 Proteínas O que são? Macromoléculas mais abundantes nos sistemas biológicos. São constituídas por uma associação linear de aminoácidos, dando origem, a uma cadeia polipeptídica. Aminoácidos (1ª letra ou 3 primeiras) - moléculas ionizáveis, ou seja, os...

Aula 1 Proteínas O que são? Macromoléculas mais abundantes nos sistemas biológicos. São constituídas por uma associação linear de aminoácidos, dando origem, a uma cadeia polipeptídica. Aminoácidos (1ª letra ou 3 primeiras) - moléculas ionizáveis, ou seja, os seus diferentes grupos podem ceder/receber protões para o/ do o meio (reagir como ácidos ou bases, respetivamente). Se o ph for fisiológico, ou seja, 7, os seus grupos encontram-se sempre carregados. - constituídos por:  Núcleo de carbono, designado por carbono alfa  Grupo carboxilo (COOH), mais ácido (negativo)  Grupo amina (NH2) mais básico (positivo)  Hidrogénio  Cadeia lateral variável, designada por R (é única para cada um dos 20 aminoácidos, pois determina as suas propriedades, como a sua forma, carga e aminoácidos a que se pode ligar). (A prolina é uma exceção, porque a sua cadeia lateral está ligada ao azoto do grupo amina. Como tal designa-se por iminoácido e não por aminoácido) Quando o grupo R é constituído maioritariamente por hidrocarbonetos, os aminoácidos são muito hidrofóbicos e apolares. Assim, nas estruturas terciárias vão se agrupar em áreas específicas das proteínas, de modo a minimizar o contacto com a água. Quem são eles? Alanina, Valina, Prolina, Fenilalanina, Glicina, Cisteína, Leucina, Isoleucina, Metionina e Citoprolam. Quando o grupo R apresenta grupos OH os aminoácidos tornam-se polares sem carga e hidrofílicos. Assim, são capazes de formar pontes de hidrogénios com a água. Quem são eles? Asparagina, Glutamina, Serina, Treonina e Tirosina. Quando o grupo R é polar e está carregado positivamente, os aminoácidos dizem-se básicos. Quem são eles? Lisina, Arginina e Histidina. Quando o grupo R é polar e está carregado negativamente, os aminoácidos dizem-se ácidos. Quem são eles? Ácido aspártico e Ácido glutâmico. - são estereoisómeros, ou seja, são compostos que apresentam a mesma forma estrutural mas diferem na sua fórmula estereoquímica, ou seja, os átomos vão assumir diferentes posições relativas no espaço. Assim, os aminoácidos, com exceção da prolina, podem existir sob a forma D ou a forma L, pois conseguem desviar a luz polarizada quer para a esquerda quer para a direita. - designam-se por aminoácidos essenciais, aqueles que não são sintetizados pelo ser humano, mas sim ingeridos. Catarina Cruz BCM Santa’s Nightmare 2022/2023 Como se formam? Através do processo de tradução do mRNA, que ocorre nos ribossomas (citoplasma das células). No entanto, após se terem formado os aminoácidos podem sofrer várias modificações químicas, que contribuem para a sua função. Estás podem ser:  Hidroxilação da prolina e lisina  Metilação da lisina  Glicosilação  Fosforilação  Acetilação  Ubiquitinação Como se ligam os aminoácidos? Através de ligações peptídicas: - ligação covalente não espontânea (envolvem ATP) entre o N do grupo amina e o C do grupo carboxilo seguinte, que envolve sempre a eliminação de uma molécula de água. Propriedades desta ligação: - ligação planar, isto, porque os 4 átomos envolvidos na ligação estão no mesmo plano. Para além disso, o C=O e N-H são trans um em relação ao outro, ou seja, estão virados para lados opostos. - ligação muito forte, resistente, estável e incapaz de rodar sobre si mesma, pois apresenta carácter de dupla ligação apesar de ser simples. Isto porque há uma deslocação dos eletrões da ligação efetivamente dupla (grupo carbonilo) para a ligação peptídica. Porém, o esqueleto polipeptídico será uma estrutura semi-rígida pois, as ligações adjacentes (ligações CC e CN) possuem livre rotação, o que permite variações na conformação da cadeia polipeptídica. Níveis de organização estrutural - Estrutura primária: sequência linear de aminoácidos unidos por ligações peptídicas. Está sequência apresenta sempre um terminal amina e um terminal carboxilo, bem como, número, sequência e tipo variável de resíduos de aminoácidos, o que contribui para a variedade e especificidade proteica. É o nível estrutural mais simples, mas mais importante pois dele deriva todo o arranjo espacial da molécula Quando destruída por hidrólise química ou enzimática, originam-se pequenos péptidos/ aminoácidos livres Como esta cadeia é flexível e pode rodar no espaço, as proteínas podem obter uma: - Estrutura secundária: enovelamento de partes da cadeia polipeptídica, conseguida graças a pontes de hidrogénios entre o oxigénio do grupo carboxilo e o hidrogénio do grupo amina, excepto da prolina. Este tipo de estrutura é o elemento de suporte interno principal das proteínas. Existem 2 tipos: Alfa-hélices: esqueleto covalente C-C-N-C-C-N da proteína assume a forma de espiral ou mola, enrolada para a direita, com um espaçamento de 3,6 resíduos de aminoácidos por volta e os grupos R sempre voltados para fora da hélice. Folhas beta pregueada: estrutura estendida em que dois ou mais segmentos da cadeia, onde os grupos R se voltam sempre para cima ou para baixo do plano da folha. As fitas da cadeia polipeptídica podem ser paralelas, ou seja, quando apontam na mesma direção (terminais todos alinhados) ou anti-paralelas, quando o terminal amina de uma fita está próxima do terminal carboxilo da outra fita. Catarina Cruz BCM Santa’s Nightmare 2022/2023 Estrutura Super-secundária: resulta da combinação de certas estruturas secundárias e está associada a uma função comum. Assim, é um nível de organização superior à secundária, mas não chega ao nível de complexidade da estrutura terciária. - Estrutura terciária: enovelamento de uma cadeia polipeptídica como um todo, à custa de ligações entre os átomos das cadeias laterais de todos os aminoácidos da molécula. Assim esta estrutura será determinada pela estrutura primária (número, tipo e ordem dos aminoácidos constituintes) que apresentar e geralmente coincide com a chamada estrutura nativa, que é a estrutura mais estável/ com menor energia livre. Tipo de interações entre cadeias laterais Ligações não covalentes Interações hidrofóbicas (entre cadeias laterais não polares, como a leucina, calina, alanina) Pontes de hidrogénio (entre cadeias laterais polares, como asparagina, glutamina, serina) Ligações iónicas/Pontes salinas (entre cadeias laterais carregadas com cargas de sinal contrário, como Glutamato e Lisina) Ligações covalentes Pontes de enxofre (ponto dissulfeto) entre duas cisteínas. Estas ligações são muito mais fortes que as outras e como tal são mais adotadas pelas proteínas secretadas para fora da célula, já que é necessário manterem estrutura. Quando a proteína é muito grande, a sua estrutura terciária é dividida em regiões que possuem entre 100 a 150 resíduos de aminoácidos, designadas de domínios, onde a proteína está enrolada de certa forma e está separada das restantes partes. Existem domínios semelhantes em diferentes proteínas, que vão sendo conservados e apresentam a mesma função. Catarina Cruz BCM Santa’s Nightmare 2022/2023 Então mas como é as proteínas passam da sua estrutura primária para a sua conformação nativa/estrutura terciária= dá-se o Folding? Através do progressivo enrolamento e desenrolamento/desnaturação (quando está mal/misfolding) da cadeia polipeptídica, até alcançar a conformação nativa. No entanto, como na teoria, existem 8xn formas da proteína se enrolar, sendo n o número de aminoácidos que a cadeia contém, é necessário algo que torne este processo mais rápido e mais eficiente ao nível da energia gasta: os chaperones, proteínas que existem em todos os organismos. Existem dois tipos:  Chaperones moleculares: ligam-se e estabilizam as proteínas parcialmente enoveladas ou misfolding, permitindo que elas se agreguem quando não estão na conformação nativa e que sejam degradadas nos proteassomas.  Chaperoninas: possuem um compartimento central onde as proteínas recéns sintetizadas se podem acomodar e onde ocorre à custa de ATP o folding de forma rápida e eficiente (sem passar por tantas formas intermediárias). Assim o enovelamento prematuro é impedido. Quando as células estão em stress ou estão envelhecidas, a rede de controlo não é tão boa e como tal pode ocorrer uma acumulação e agregação de proteínas aberrantes, as pré-fibrilas, que podem evoluir para fibrilas amiloides, estruturas altamente insolúveis, resistentes à degradação e tóxicas. Quando isto ocorre nas células do sistema nervoso central, a probabilidade de se desenvolver doenças neurogenerativas é muito elevada. - Estrutura quaternária: associação quase sempre reversível de 2 ou mais cadeias polipeptídicas ou subunidades, através de ligações fracas (não covalentes). Isto é o que acontece no caso da hemoglobina, que é composta por 4 subunidades (duas betas e duas alfa), sendo por isso um tetrâmero. Nota: Nem todas as proteínas atingem este nível estrutural. Como uma a função de proteína só é importante se todas as outras proteínas também realizarem a sua função, podemos afirmar que o nível superior da estrutura proteica é a estrutura supramolecular, ou seja, a associação de muitas proteínas com diferentes funções, mas com um objetivo comum. Funções:  Catalisadores (enzimas)  Transporte (hemoglobina)  Armazenamento (caseína)  Proteção imunológica (anticorpos)  Reguladores (insulina, glucagon)  Movimento (activa, miosina)  Estruturais (colagénio)  Transmissão de impulsos nervosos (neurotransmissores)  Crescimento e diferenciação celular (fatores de crescimento)  Coagulação sanguínea (fibrina)  Manutenção da distribuição de água entre o compartimento intersticial e o vascular (albumina) Classificação das proteínas: Consoante o número de cadeias polipeptídicas:  Monoméricas: uma única cadeia  Oligoméricas: duas ou mais cadeias Catarina Cruz BCM Santa’s Nightmare 2022/2023   Homo (subunidades iguais) ou hetero (subunidades diferentes) dímeros/trímeros/tetrâmeros Consoante a sua conformação:  Globulares: possuem uma forma esférica, várias funções e são relativamente solúveis sem água (hemoglobina, mioglobina)  Fibrosas: possuem uma forma de fibra (cilíndrica/alongada), são pouco solúveis em água e possuem uma função estrutural (colagénio, quereriam, miosina) Consoante a sua composição:  Simples: possuem apenas aminoácidos arranjados na sua cadeia polipeptídica.  Compostas: para se tornarem funcionais têm a si associadas outras biomoléculas não proteicas, como metais, lípidos, grupos prostéticos, etc Catarina Cruz BCM Santa’s Nightmare 2022/2023 Aula 2 Relação entre estrutura e função de proteínas Proteínas fibrosas (queratinas, colagénio, proteína da seda) - têm uma forma de fibra, longa e fina - a sua função é estrutural - são muito resistentes ao stress e não são solúveis em água - tendem a possuir uma arquitetura baseada em estruturas secundárias - são encontradas normalmente agregadas devido aos grupos R hidrofóbicos Queratinas - uma das classe de proteínas mais abundantes, encontradas em cabelo, unhas, escamas,.. - resistentes ao stress mecânico e portanto são ricas em tecidos que contactam com o exterior e estão sujeitos à abrasão e stress mecânico - Alfa Queratinas são as queratinas mais comuns. São constituídos por 2 hélices enroladas devido aos resíduos hidrofóbicos que têm de estar virados uns para os outros, para não contactarem com o meio aquoso. - existem dois tipos de genes das queratinas: tipo 1 (acido) ou tipo 2 (básicos/neutros). Normalmente encontra-se um de cada em cada célula. Nos queratinócitos, as células mais abundantes na epiderme, os genes mais abundantes são o K14 e o K5, conferindo assim à pele resistência à abrasão. No entanto, caso estes sofram uma mutação, origina-se uma doença designada de epidermólise bolhosa, onde os queratinócitos perdem a resistência e quebram a membrana, separando a derme da epiderme e dando origem a bolhas com líquido no interior. Proteína da seda - principal componente da seda - principal estrutura é as folhas beta pragueadas antiparalelas, onde o grupo R da alamina e da glicina estão dispostas regularmente. Isto permite que as folhas se encaixem e que a seda, como tal, possua elevada resistência Colagénio - principal componente dos tendões, ligamentos, dentes e ossos (tipo 1), cartilagens (tipo 2), artérias (tipo 3) e pele (tipo 4) - principal estrutura: tropocolagéneo. Esta estrutura possui uma tripla hélice, que só é conseguida graças à repetição de glicina, prolina e lisina, pois como glicina não possui uma cadeira lateral significativa/volumosa, é possível o encaixe destas 3 cadeias no enrolamento regular. - mutações nos genes que codificam esta proteína podem originar uma doença designada de osteogênese imperfeita (OI), que afeta bastante o esqueleto. Proteínas globulares (enzimas no geral, como a tripsina) - têm uma forma esférica, baseada na estrutura terciária que estas adotam. Nessa os resíduos polares, ou seja, hidrofílicos estão virados para fora e os hidrofóbicos escondidos e em contacto uns com os outros. Os resíduos polares ao estarem virados para fora permitirão o estabelecimento de ligações com o soluto, sendo por isso, estas moléculas praticamente solúveis, ao contrário das fibrosas. - são compactas - exemplo: Tripsina (possui hélices alfa e beta) Catarina Cruz BCM Santa’s Nightmare 2022/2023 Proteínas membranas (diferentes tipos) - associadas a membranas biológicas. Como? Ou são transmembranares ou associam-se à membrana através de glicolípidos, lípidos ou proteínas transmembranares Estrutura - se forem proteínas transmembranares, a estrutura normalmente é hélice alfa e os resíduos hidrofóbicos são aqueles que estão em contacto com a membrana, ou seja, estão no exterior lateral. Em cima e em baixo encontram-se os resíduos hidrofílicos, pois são as partes que estão em contacto com o meio aquoso - no caso de um canal, a estrutura normalmente é barril e há resíduos hidrofílicos e polares no interior do canal, para deixar passar os iões ou outras moléculas com carga. Catarina Cruz BCM Santa’s Nightmare 2022/2023 Aula 3 Relação entre estrutura e a função das proteínas: Hemoglobina e Mioglobina Ambas as proteínas pertencem a família das globinas: proteínas normalmente solúveis, com um grupo prostético heme ligado, não covalentemente, à proteína em si. HEMOGLOBINA É uma proteína globular e é composta por 4 cadeias polipeptídicas (2 alfa e 2 betas), sendo por isso um tetrâmero solúvel. A sua estrutura secundária é hélice alfa e a terciária é globular, ou seja, os aminoácidos hidrofílicos encontram-se no exterior e os hidrofóbicos no interior, formando pockets para a inserção do grupo heme. Este grupo é sintetizado nas células aeróbicas e forma-se quando um átomo de ferro é introduzido, ficando este ligado aos 4 átomos de N do anel porfírinico, à histidina proximal 87 (nas cadeias alfa) ou 92 (nas cadeias beta) a uma molécula de 02, sendo por isso, o responsável pela ligação da hemoglobina ao oxigénio. Assim, podemos concluir que a hemoglobina está presente em altas concentrações nos glóbulos vermelhos e tem como função: - Transportar oxigénio do aparelho respiratório para os tecidos periféricos, tendo por isso, uma afinidade variável com o oxigénio (4 moléculas de cada vez) Como assim tem uma afinidade variável? O átomo de ferro não se encontra no mesmo plano que o anel porfírinico, passando só a estar quando o oxigénio se liga à hemoglobina. Como tal, podemos afirmar que esta ligação promove uma distorção da proteína/alteração conformacional, que irá fazer com que a afinidade para o oxigénio aumente. Desta forma, podemos dizer que a hemoglobina possui 2 conformações principais: - T (Tenso)-> Estado desoxigenado -> subunidades encontram-se mais afastadas e a molécula está mais rígida e o que dificulta o acesso ao O2 - R (Relaxado)-> Estado oxigenado -> subunidades encontram-se mais próximas e graças, à ligação do O2, a molécula fica mais flexível, sendo mais fácil as outras moléculas de O2 se ligarem. A este efeito da ligação da primeira molécula de O2 facilitar a ligação das consequentes designa-se de cooperatividade e torna o O2 um modelador alostérico positivo. Catarina Cruz BCM Santa’s Nightmare 2022/2023 No entanto, é o facto da afinidade da hemoglobina também depender do ph que a torna tão eficaz. Isto porque, como a forma T é favorecida pela acidez, é nos tecidos/músculos, local onde existe maior quantidade de protões e CO2 e, portanto, maior acidez, que a hemoglobina irá libertar o oxigénio. Por outro lado, forma R é favorecida pela basicidade. A este processo de alteração da afinidade da hemoglobina pelo 02/CO2 na presença de H+, CO2 e O2 designa-se de efeito Bohr-Haldane. Apesar de os tecidos extrapulmonares já terem ph mais baixo e como tal, a hemoglobina já ter tendência para diminuir a afinidade com o oxigénio e por isso, a libertá-lo, estes também possuem 2,3-Bisfosfoglicerato, um componente que se liga à proteína (na cavidade central do tetrâmero) e aumenta substancialmente a libertação de oxigénio, pois tem a capacidade de estabilizar a forma T, tornando os pockets bem mais pequenos. Sem este componente, a hemoglobina teria bastante maior dificuldade em libertar o oxigénio, pois possuiria maior afinidade com o oxigénio. * Nas altitudes, o nosso corpo produz ainda mais esta substância, de forma que a oxigenação seja mais eficaz. Assim, podemos concluir que os protões, o CO2, o 2,3-Bisfosfoglicerato e o aumento da temperatura são os principais moderadores alostéricos negativos. *Por definição, P50 é a pressão parcial do oxigénio na qual a Hb se encontra 50% saturada, padronizada a um nível de pH de 7,40. A P50 normal é de aproximadamente 27 mmHg. A hemoglobina possui também uma histidina distal que protege o ferro de se oxidar e impede o monóxido de carbono de se ligar ao ferro, já que este possuir maior afinidade com o CO do que com o 02. - Transportar algum dióxido de carbono dos tecidos para os pulmões Ontogenia das hemoglobinas: Existem diferentes tipos de hemoglobinas consoante as diferentes condições respiratórias a que estamos expostos desde o ponto em que estamos dentro da barriga das nossas mães até nascermos. -> no início do desenvolvimento embrionário, possuímos 3 hemoglobinas: Gower I, Gower II e Portland I -> na fase fetal, estas deixam de ser produzidas e passam a ser produzidas as hemoglobinas F (possuem cadeias alfa e gama) e algumas A (possuem cadeias alfa e beta) -> no nascimento, a produção de F diminui gradualmente e a de A aumenta bastante. Porque é que principalmente no período fetal, as hemoglobinas F são tão importantes? Porque as cadeias gama, que possuem, não se ligam ao 2,3-BPG. E qual é a importância disto? Possibilita que a hemoglobina possua maior afinidade para o oxigénio, num meio (placenta) onde já há tão pouco. Hemoglobinopatias - Estruturais (erros na sequência de aminoácidos) -> Anemia Falciforme: este erro afeta a solubilidade da hemoglobina, que agora tem tendência a polimerizar quando desoxigenada. Isto, promove a formação de fibras na hemácia, deixando-a similar a uma “foice”. Há assim dificuldades de circulação e até obstrução vascular - Talassémias (erros na síntese de globina) - Variantes talassémias Catarina Cruz BCM Santa’s Nightmare 2022/2023 - Persistência hereditária de HbF - Adquiridas MIOGLOBINA É uma proteína citoplasmática e é composta por uma cadeia polipeptídica com 154 aminoácidos, 8 hélices e 1 grupo heme na bolsa hidrofóbica (entre 2 resíduos de histidina- 64 e 93). O ferro central deste grupo está ligado aos 4 átomos de N do anel de porfirina, à histamina 93 e a um oxigénio (6 ligandos no total). *A estrutura terciária da mioglobina é muito semelhante à subunidade beta da hemoglobina, pois ambas possuem o pocket formado pelos resíduos hidrofóbicos e virado para o exterior os resíduos hidrofílicos. A única diferença é que a mioglobina é formada por 8 segmentos alfa hélice enquanto a hemoglobina é por 7. Tem como função armazenar oxigénio e transportá-lo para as mitocôndrias quando há um esforço muscular intenso ou a privação de oxigénio por alguma razão, possuindo, por isso, uma grande afinidade com o oxigénio. Localiza-se principalmente (devido à sua função) no músculo estriado cardíaco e esquelético dos mamíferos. *A mioglobina ao contrário da hemoglobina não é alostérica, não tem efeito cooperativo nem é afetada por H+ e 2,3-BPG. *Comparando as 3 cadeias, podemos concluir que apesar do baixo grau de identidade das 3 estruturas primárias, existe semelhanças nas estruturas terciárias, já que as estruturas secundárias são formadas por 7/8 segmentos de hélice alfa que delimitam uma fenda, na qual se localiza o heme. Catarina Cruz BCM Santa’s Nightmare 2022/2023