Introdução aos aminoácidos

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1 MÓDULO 2 - AULA 8 Aminoácidos não essenciais Aminoácidos essenciais Glicina mg Lisina 1958 mg Prolina 6808 mg Leucina 1569 mg Hidroxiprolina 5789 mg Valina 1223 mg Ácido Glutâmico 5065 mg Fenilalanina 1053 mg Alanina 4704 mg Treonina 1042 mg Arginina 3821 mg Isoleucina 725 mg Ácido Aspártico 2981 mg Triptofano 400 mg Serina 1815 mg Metionina 385 mg Tirosina 182 mg Histidina 375 mg Cisteína 86 mg Taurina 0,7 mg Que interessante...! Segundo o rótulo, este suplemento alimentar comercializado contém aminoácidos! Mas afinal, o que é um aminoácido? Como é sua estrutura e para o que ele serve? Objetivos Na aula de hoje vamos conhecer esta molécula em mais detalhes, dando ênfase a algumas de suas propriedades químicas. Além disso, é sempre bom sabermos o que estamos comendo e para que serve o que estamos ingerindo. Compreender o que são os aminoácidos e como participam na formação das proteínas é fundamental para compreendermos a existência da vida como a conhecemos. CONCEITOS IMPORTANTES Cadeia alifática Íon Grupamento amino Ácido x Base Grupamento carboxílico ph Polar x apolar Hidrofílico x Hidrofóbico 1. Os aminoácidos como blocos formadores das proteínas As proteínas são as macromoléculas mais abundantes, ocorrendo em todas as células e em todos os compartimentos celulares. Conforme veremos em mais detalhes nas próximas aulas, as proteínas têm tamanhos e formas variados e, mais do que isso, elas apresentam uma grande diversidade de funções biológicas. Todos nós já vimos um vaga-lume brilhando no escuro. Por incrível que pareça, aquele brilho resulta da ação de uma proteína chamada luciferase. Pelo uso de ATP, a luciferase faz uma reação química gerando um produto que emite luz. ATP Adenosina trifosfato. É a moeda energética das nossas células

2 BIOQUÍMICA I As enzimas são proteínas que participam de reações químicas e, como são muito importantes, dedicaremos mais de uma aula para conhecê-las melhor e observar como agem. Quando olhamos o chifre de um animal ou as nossas próprias unhas e cabelos, não nos damos conta de que ali existem proteínas. A proteína ali presente se chama queratina. Diferente da luciferase, a queratina não realiza nenhuma reação química e por isso não é considerada uma enzima. Dizemos que a queratina é uma proteína estrutural. Essa denominação é óbvia, já que a queratina participa da formação de diversas estruturas dos seres vivos. Independentemente do fato de realizarem alguma reação química ou de estarem presentes num fio de cabelo ou chifre, podemos dizer que as proteínas apresentam uma coisa em comum: todas são formadas por aminoácidos. Existem vinte aminoácidos diferentes, conforme discutiremos a seguir. 2. Natureza química dos aminoácidos Antes de ver o que é de fato um aminoácido, tente descobrir o que são essas moléculas através da composição da palavra: amino + ácido. Se você lembrar das aulas de Química Orgânica, verá que um grupamento amino é o radical NH 3 e o grupamento carboxila, presente em muitas moléculas ácidas, é o radical COO -. Um aminoácido é, então, uma molécula que, certamente, deve apresentar esses dois radicais juntos! Veja, na Figura 8.1, a fórmula de um aminoácido: Figura 8.1: Fórmula geral dos aminoácidos. Repare que os aminoácidos, além dos grupos amino e carboxílico, apresentam também um carbono central dito carbono α, um grupamento R, e um hidrogênio. Esta é então a fórmula geral de um aminoácido. Você pode se perguntar, então, o que faz dois aminoácidos serem diferentes? A resposta está no grupamento R. Cada aminoácido apresenta um grupamento R específico (Figura 8.2)

3 MÓDULO 2 - AULA 8 Antes de começarmos a analisar a Figura 8.2, vale a pena mencionar que as fórmulas mostradas representam os aminoácidos quando em ph 7.0, ou seja, em um meio neutro. Você verá mais à frente que, em ph mais ácido ou mais básico, os aminoácidos podem sofrer alterações na sua molécula em função da entrada ou saída de prótons. A entrada de prótons na molécula se chama protonação. A saída é dita desprotonação (veja as Aulas 5, 6 e 7). Lembre-se, então, de que, dependendo do ph da solução, a fórmula dos aminoácidos pode mudar. Figura 8.2: Os vinte aminoácidos-padrão encontrados em proteínas. Agora vamos analisar cada um dos vinte aminoácidos, passo a passo. Veremos que, apesar das diferenças, os aminoácidos podem ser agrupados em função das similaridades químicas de seus grupamentos R

4 BIOQUÍMICA I CADEIA ALIFÁTICA Cadeia linear de átomos formada por C e H. Pode ser ramificada ou não. Observando a Figura 8.2, você concluirá que a glicina é o menor aminoácido, pois seu grupamento R é formado por um simples átomo de hidrogênio. A alanina, valina, leucina e isoleucina têm grupamentos R constituídos, basicamente, por carbono e hidrogênio formando o que chamamos cadeia alifática. Estas são bastante apolares, isto é, não se dissolvem bem na água. Já discutimos este conceito na Aula 4. Se analisarmos agora a serina, treonina, cisteína, prolina, asparagina e glutamina, veremos que seus grupamentos R são mais complexos, apresentando, além dos átomos de carbono e hidrogênio, o oxigênio (com exceção da prolina e cisteína, das quais falaremos mais à frente). Devido à presença do oxigênio, esses grupamentos R apresentam um caráter mais polar quando comparados, por exemplo, ao grupo R da leucina ou isoleucina. Por isso, interagem quimicamente melhor com a água. Observe agora a metionina e a cisteína. Elas apresentam um átomo diferente dos demais. Estes aminoácidos apresentam enxofre em sua constituição. No caso da cisteína, o enxofre fica bem na extremidade do grupamento R. Veremos na Aula 11 como duas cisteínas localizadas em regiões distantes de uma proteína podem fazer ligações covalentes uma com a outra, através de seus enxofres. Essas ligações S-S são chamadas pontes de enxofre ou pontes dissulfeto. Tais pontes têm um papel fundamental na manutenção da estrutura das proteínas, conforme veremos nas Aulas 13 e 14, em que falaremos sobre Estrutura Terciária e sobre Enovelamento Protéico, respectivamente. Na verdade, esses enxofres na extremidade do grupamento R da cisteína funcionam como uma tomada, juntando regiões distantes das proteínas. Aguarde! ANÉIS AROMÁTICOS Hidrocarbonetos aromáticos. São cadeias não lineares formadas de carbono e hidrogênio que possuem no mínimo um anel benzênico. O termo aromático foi utilizado devido ao cheiro agradável destas moléculas. Continuando nossa exploração da Figura 8.2, veja agora os aminoácidos fenilalanina, tirosina e triptofano. Estes três aminoácidos têm anéis aromáticos como parte dos seus grupamentos R. Os três aminoácidos são bastante volumosos, como você pode imaginar, já que esses anéis são muito grandes e ocupam um grande espaço. Além disso, devido à presença desses anéis aromáticos, a fenilalanina, a tirosina e o triptofano podem absorver luz ultravioleta (de nanômetros). Essa propriedade é muito importante e pode ser usada, por exemplo, nos estudos sobre enovelamento protéico, ou mesmo para auxiliar na determinação da concentração de uma proteína que está em um tubo de ensaio. Observe agora os aminoácidos ácido aspártico e ácido glutâmico. O que há em comum em seus grupamentos R? É a presença de uma carboxila (COO - ), além daquela presente em todos os vinte aminoácidos! 64 64

5 MÓDULO 2 - AULA 8 Estes são, então, chamados aminoácidos ácidos já que seus grupamentos R possuem um radical ácido a mais. Em ph 7.0, essas carboxilas estão desprotonadas (COO ) o que confere uma carga negativa aos dois aminoácidos em questão. Agora vamos analisar a lisina, a arginina e a histidina. Seus grupamentos R + possuem NH 3+, NH 2 e NH +, além do grupamento amino presente em todos os vinte aminoácidos. Dessa forma, as três constituem os aminoácidos básicos, estando carregadas positivamente em ph 7.0. Falta agora olharmos a prolina. A prolina é um aminoácido curioso. Seu grupamento R forma uma dobra e se une ao grupamento amino. Esta dobra é bastante rígida, o que faz da prolina um aminoácido pouco flexível. A análise da Figura 8.2 revela que os vinte aminoácidos apresentam seus grupamentos R bastante diferentes. Entretanto, conforme mencionamos acima, podemos fazer pequenos grupos com os vinte aminoácidos. Veja a divisão feita em função da natureza dos grupamentos R. (Tabela 8.1) Tabela 8.1: Classificação dos aminoácidos segundo a sua natureza química. Aminoácidos não polares Os Vinte Aminoácidos Aminoácidos polares, não carregados Aminoácidos polares, carregados Glicina Alanina Valina Leucina Metionina Isoleucina Aminoácidos aromáticos Fenilalanina Tirosina Triptofano Serina Treonina Cisteína Prolina Asparagina Glutamina Lisina Arginina Histidina Aspartato Glutamato 65 65

6 BIOQUÍMICA I Em resumo, temos o seguinte quanto à classificação dos aminoácidos: Aminoácidos com grupos R alifáticos não polares: glicina, alanina, valina, leucina, metionina, isoleucina. Aminoácidos com grupos R aromáticos: fenilalanina, tirosina e triptofano. A asparagina foi o primeiro aminoácido a ter sido descoberto, isso em 1806, e recebeu este nome pelo fato de ter sido descoberto no aspargo. A tirosina foi descoberta no queijo que em grego é chamado tyros. O último aminoácido a ser descoberto foi a treonina, em Aminoácidos com grupos R polares não carregados: serina, treonina, cisteína, prolina, asparagina e glutamina. Aminoácidos com grupos R carregados positivamente: lisina, arginina e histidina. Aminoácidos com grupos R carregados negativamente: aspartato e glutamato. Vale ressaltar que cada um desses grupos apresenta solubilidade diferente em água. Os aminoácidos polares ou carregados são hidrofílicos ao passo que os aminoácidos alifáticos ou aromáticos são hidrofóbicos. Esta diferença de solubilidade em água vai influenciar na montagem espacial das proteínas como veremos na Aula 14. Outros aminoácidos: Existem, portanto, vinte aminoácidos que podem ser encontrados em todas as proteínas, seja esta uma proteína de uma bactéria, de uma planta ou de um mamífero. Entretanto, podemos encontrar outros aminoácidos, além dos vinte acima listados, presentes em um grupo restrito de proteínas. Eles são modificados por enzimas específicas após estarem incorporados às proteínas correspondentes. Os exemplos mais clássicos são a 4-hidroxiprolina e a 5-hidroxilisina presentes no colágeno. Veremos mais detalhadamente estes aminoácidos quando tratarmos do colágeno, na Aula 15. Outras exceções importantes são a ornitina e a citrulina (Figura 8.3), que não são encontradas em proteínas, mas participam de vias metabólicas importantes como o ciclo da uréia, conforme veremos em Bioquímica II. Figura 8.3: 4-hidroxiprolina, 5- hidroxilisina, ornitina e citrulina /14/2004, 1:44 PM

7 MÓDULO 2 - AULA 8 Vale a pena ressaltar que os carbonos que aparecem no grupamento R são ditos carbonos β, γ, δ e ε, e assim por diante, já que o carbono central é dito carbono α. 3. O carbono α como centro quiral Em todos os aminoácidos o carbono α está ligado a quatro constituintes diferentes à exceção da glicina onde o grupo R é um átomo de H. O átomo de carbono α é chamado, portanto, centro quiral em função das quatro substituições diferentes que ele possui. Os quatro grupos que formam os aminoácidos podem ocupar dois arranjos diferentes, no espaço, que não são sobreponíveis. Por exemplo, a alanina pode apresentar o grupo amino (NH 3+ ) e o hidrogênio voltados para cima do plano e os grupos carboxila (COO - ) e metila (CH 3 ) voltados para baixo do plano, conforme a Figura 8.4 mostra. No entanto, o grupo amino pode estar à esquerda do carbono α (Figura 8.4.a) ou à direita (Figura 8.4.b). Estas duas possibilidades estruturais para a alanina representam estereoisômeros destes aminoácidos sendo chamadas de D-alanina e L-alanina. Moléculas que têm imagem especular não superponível são ditas quirais (do grego cheiral = mão). Não podemos transplantar a orelha esquerda para o lado direito e vice-versa. Isto porque as orelhas são como as moléculas quirais, isto é, são idênticas mas não são sobreponíveis. ESTEREOISÔMEROS Diferem um do outro pelo arranjo espacial de seus átomos. A designação L ou D foi proposta por Emil Fisher, em 1891, quando este pesquisador caracterizou as formas D e L do gliceraldeído. Embora tenhamos usado o exemplo da alanina, todos os vinte aminoácidos podem existir numa conformação L ou D. Cabe agora perguntarmos se nas proteínas encontramos aminoácidos na forma L, D ou ambas. Nas proteínas os aminoácidos estão sempre na forma L. Isto porque as enzimas que sintetizam os aminoácidos possuem sítios ativos (local onde ocorre a reação química catalisada pela enzima) capazes de sintetizar apenas as formas L dos aminoácidos. Apenas alguns poucos peptídeos (pequenos segmentos de aminoácidos) de bactérias possuem aminoácidos na forma D. (a) (a) (b) (b) Figura 8.4: Estereoisômeros da alanina. Antes de encerrarmos a aula, seria bom se você se familiarizasse com os vinte aminoácidos aqui apresentados. Para isto, um bom exercício seria desenhar cada um deles em fichas de papel-cartão colorido. Se você quiser, use papéis de cores diferentes para diferenciá-los em função do grupo a que pertencem /14/2004, 1:44 PM

8 BIOQUÍMICA I Resumo Nesta aula, então, fomos apresentados aos vinte aminoácidos-padrão encontrados nas proteínas. Conforme estudamos, os aminoácidos possuem uma porção da molécula que é variável (o grupamento R) que os torna diferentes. Em função da natureza química dos grupamentos R, os aminoácidos podem ser classificados em: 1) aminoácidos não polares; 2) aminoácidos aromáticos; 3) aminoácidos carregados positivamente (aminoácidos básicos); 4) aminoácidos carregados negativamente (aminoácidos ácidos). Exercícios 1. A quiralidade de um aminoácido resulta do fato de seu carbono α: a) ser um ácido carboxílico; b) estar ligado a quatro grupos químicos diferentes; c) ser simétrico; d) estar na configuração L nas proteínas naturais; e) não ter carga. 2. Qual dos vinte aminoácidos não é oticamente ativo? Qual a razão para isto? 3. A cadeia lateral dos aminoácidos apolares é mais bem caracterizada como sendo: a) carregada positivamente; b) carregada negativamente; c) não carregada; d) hidrofílica /14/2004, 1:44 PM