Bioquimica

Bioquimica

(Parte 3 de 8)

1. A estrutura secundária é definida pela conformação local do esqueleto de ligações peptídicas que compõe o eixo da proteína. Esta conformação local pode ser explicitamente expressa através dos ângulos phi (φ) e psi (ψ) (vide Módulo 3). Em geral, certas combinações de ângulos phi (φ) e psi (ψ) são permitidas enquanto outras não são permitidas devido a impedimentos estéricos entre âtomos de grupos vizinhos. Este princípio pode ser resumido numa diagrama de Ramachandran (Figura 1).

Figura 1: Diagramas de Ramachandran. Esquerda: Estruturas secundárias correpondentes às combinações estericamente permitidas para angulos phi e psi. Direta: ângulos observados para todos as ligações em 12 proteínas com estruturas de alta resolução determinadas por cristalografia.

Figura 2: α-héliceFigura 3: Folha β pregueada.

2. Há duas estruturas secundárias principais: α-hélice (Figura 2) e folha β pregueada (Figura 3), que são estruturas organizacionais regulares e repetitivas. Estas duas estruturas podem ser caracterizadas por combinações de angulos phi e psi (Figura 1) adotadas pela cadeia principal.

Além de α-hélice e folha β, as proteínas globulares mostram também alças de formas definidas, mas irregulares e não repetitivas. 3. A estrutura terciária descreve o arranjo tridimensional da cadeia principal da proteína, incluindo a disposição espacial das cadeias laterais dos aminoácidos. Há muitas possibilidades de arranjos tridimensionais para a estrutura terciária das proteínas. a. As propriedades bioquímicas e biológicas de uma proteína são determinadas pelo arranjo tridimensional de sua cadeia, isto é, pela sua estrutura terciária. Logo, nas condições fisiológicas a proteína adquire uma estrutura terciária bem definida e necessária à sua função, que é conhecida como estrutura nativa. O desarranjo da estrutura terciária leva à perda de função da proteína, processo que é genericamente chamado de desnaturação. b. Em proteínas pequenas da estrutura primária define a estrutura terciária nativa da proteína.

Nestes casos os processos de desnaturação e renaturação da estrutura da proteína são reversíveis. A estrutura nativa é a conformação da proteína de menor nível de energia livre (G) e é alcançada espontaneamente (processo exergônico). O exemplo clássico desse comportamento é dado pela proteína Rnase A, uma enzima que no seu estado nativo catalisa a hidrólise de RNA. Para proteínas grandes o processo de desnaturação é irreversível e o fenômeno de alcance da conformação nativa é complexo e ainda mal entendido.

c. A estrutura tridimensional das proteínas é mantida por ligações fracas como pontes de H, ligações iônicas e interações hidrofóbicas. A exceção é a ponte de dissulfeto (-S-S-) que, apesar de covalente, é importante na manutenção da conformação nativa de proteínas. d. Proteínas possuem muitos grupos ionizáveis através de reação ácido-base, cujos pKs variam enormemente. O pI de uma proteína é definido como pH da solução na qual a carga líquida da molécula de proteína é nula. 4. Existem muitas maneiras diferentes para apresentar estruturas tridimensionais de proteínas.

Estrutura de mioglobinade baleia, uma proteína globular típica

Fita (azul = Hφ)modelo “space-filling”

Topografia de superfície

Grupo de discussão 4

1) Distinga estrutura secundária e terciária de uma proteína. Dê exemplos.

2) Descreva α-hélice e folha β pregueada. Aponte as diferenças essenciais entre estas formas de estrutura secundária encontradas em peptídeos.

3) Discuta os dois diagramas de Ramachandran apresentados na Figura 1 e relacione-os com as estruturas apresentadas nas Figuras 2 e 3.

4) Descreva a experiência clássica de Anfinsen com a enzima ribonuclease A, indicando sua conclusão principal. Qual o papel das pontes de dissulfeto na manutenção da estrutura nativa (terciária) da ribonuclease? Conceitue estrutura nativa e desnaturação de proteínas, mostrando o que isso tem a ver com a atividade enzimática da ribonuclase A. Que função termodinâmica promove espontaneamente a transição da ribonuclease de desnaturada para nativa?

5.) Duas proteínas, apesar de terem diferenças quanto a alguns de seus aminoácidos, são capazes de desempenhar a mesma função. Explique como isto é possível.

6.) Pesquisar informações sobre a estrutura de hemoglobina. Descrever a sua estrutura terciária e quartenária. Descrever as mudanças na estrutura quartenária que acontecem devido à ligação de oxigênio.

7) O que é efeito hidrofóbico e qual o seu papel na manutenção da estrutura terciária das proteínas?

Qual o fator preponderante no efeito hidrofóbico: o entálpico ou o entrópico? Explique qualitativamente sua resposta.

8) Mostre porque uréia desorganiza a α-hélice.

MÓDULO 5: CINÉTICA E TERMODINÂMICA

1. A variação de energia livre padrão é diretamente relacionada à constante de equilíbrio:

∆Go = -2.3RT log Keq 2. A composição de um sistema de reação (uma mistura de reagentes e produtos) tende a uma variação contínua até que o equilíbrio é alcançado. No equilíbrio, as taxas de reação para um lado e para outro são exatamente iguais. As concentrações de reagentes e produtos no equilíbrio definem a constante de equilíbrio. Na reação: A + B C + D , a constante de equilíbrio é dada por:

Keq = [C][D] / [A][B] 3. Quando um sistema não está em equilíbrio, ele tende ao equilíbrio, e a magnitude desta tendência pode ser medida como a variação de energia livre da reação, ∆G. A energia livre de

Gibbs (G), uma propriedade termodinâmica, é definida pela equação: G = H – TS, onde H, T e S são respectivamente entalpia, temperatura absoluta e entropia, todas também propriedades termodinâmicas. 4. Numa transição de estado a temperatura (T) e pressão constantes (condições comuns às reações bioquímicas) a variação de G (∆G) é: ∆G = ∆H - T∆S.

Se se trata de uma reação bioquímica, ∆H é o calor de reação. Quando ∆H é positivo a reação é endotérmica, se ∆H for negativo a reação é exotérmica. Nestas condições, a espontaneidade da reação é definida pelo valor de ∆G: se ∆G é negativo, a reação é espontânea, sendo denominada exergônica. Se, ao contrário, ∆G for positivo, a reação não ocorre espontaneamente e é denominada endergônica. Portanto, a reação ocorre no sentido em que a energia livre total diminui.

4. No equilíbrio, ∆G = 0. Logo, é possível demonstrar a validade das seguintes igualdades:

∆G = ∆G° + 2,3 RT logB/AB/A = K ∆G° = - 2,3 RT logK

5. Em condições padrão, à 25°C (298K), com concentrações de reagentes e produtos iguais a 1M, pH = 0, a variação de energia livre é considerada padrão, ou ∆G°. Entretanto, a maioria das reações bioquímicas ocorrem em pH 7,0, para as quais utiliza-se ∆G°´.

6. A Figura 4 mostra esquematicamente como varia G com o desenvolvimento da reação, indicado no eixo das abcissas como coordenada de reação

Figura 4. Variação de energia livre (G) no decorrer de uma reação genérica.

Para que a reação ocorra, necessariamente tem-se Gfinal < Ginicial, isto é, ∆G é negativo. Um ponto importante a ser destacado é que o valor de ∆G permite prever se a reação pode ocorrer, mas não a velocidade com que a reação atinge o equilíbrio. A velocidade de reação depende da energia livre do Estado de Transição que é maior que do que o dos reagentes no Estado Inicial, isto é, ∆G* é positivo. Quanto maior o valor de ∆G*, menor será a velocidade de reação.

7. Na reação genérica A → B a velocidade (v) é proporcional a [A], isto é, v1=k1[A]. A velocidade da reação inversa será, consequentemente, v-1=k-1[B]. k1 e k-1 são constantes de velocidade e reações como A→B e B→A são ditas de primeira ordem, porque as suas respectivas velocidades dependem de concentração molar de um único reagente elevado à potência 1. As constantes de velocidade k1 e k-1 são diferentes da constante de equilíbrio da reação, K=[B]/[A].

No estado de equilíbrio, por definição, v1=v-1 e, portanto, formalmente, K=k1/k-1. As reações representadas pelas equações seguintes: 2A→B e A+B→C são de segunda ordem, cujas velocidades são, respectivamente, v=kA[A]2 e v=kAB[A][B]. Notar que a ordem da reação não coincide necessariamente com a estequiometria da equação química.

8. As quinases formam uma classe muito importante e abundante de enzimas, que se caracterizam por catalisar a transferência de um grupo fosfato de alta energia para uma outra substância receptora. 9. São chamados compostos de alta energia substâncias orgânicas com o grupo fosfato em ligações anidrido ou fosfoenol, cuja hidrólise libera fostato inorgânico (Pi) com um ∆G0’ negativo e em valor absoluto superior a 8kcal/mol. Outros compostos fosforilados com o fosfato em ligações ester ou tioester também mostram um ∆G0’ de hidrólise negativo, mas de valor absoluto

Energia Livre (G)

Coordenada de Reação

Estado Inicial (S) Estado Final (P)

Estado de Transição da ordem de 3kcal/mol. Estas classes de compostos estão ilustradas na Tabela 2. O principal composto fosforilado da célula é o ATP; cuja fórmula estrutural está na Figura 5. O ATP possui fosfato em ligações anidrido e ester, aos quais correspondem ∆G0’ de hidrólise de, respectivamente, -8kcal/mol e -3,5kcal/mol. Todas estas reações são, portanto, muito voltadas para os produtos de hidrólise, sendo praticamente irreversíveis. No entanto, nenhuma destas reações ocorre na célula a velocidade significante se não houver catálise por uma enzima específica, da classe das fosfatases.

Figura 5. Fórmula estrutural do ATP.

NH 2

Ad e n i n a

R i bos e

ATP ATP = Adenosina 5’-trifosfato

Na célula: [ATP] + [ADP] + [AMP] = Constante FIGURA 2

NH 2

Ad e n i n a

R i bos e

ATP ATP = Adenosina 5’-trifosfato

Na célula: [ATP] + [ADP] + [AMP] = Constante

Tabela 2. Compostos fosforilados.

CH2 Fosfoenol

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