Aminoácidos, Péptidos e Proteínas

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1 Aminoácidos, Péptidos e Proteínas Proteínas: -São as macromoléculas biológicas mais abundantes, presentes em todas as células. - Ocorrem numa variedade enorme numa mesma célula. - Exibem uma enorme diversidade de funções biológicas. - São os instrumentos moleculares através dos quais a informação genética é transmitida. - Constituem cerca de 50% do peso seco das células. - Determinam a forma e estrutura das células. - Reconhecimento molecular. - Catálise. Estruturalmente: - São construídas a partir de um conjunto de 20 aminoácidos diferentes covalentemente ligados entre si formando uma sequência linear característica. AMINOÁCIDOS 1

2 1. Aminoácidos Todos os 20 aminoácidos standard constituintes das proteínas são α-aminoácidos; têm um grupo carboxilo e um grupo amina ligados ao mesmo átomo de carbono α. α Estrutura comum a todos os α- aminoácidos excepto a Prolina. Grupo R ou cadeia lateral difere de aminoácido para aminoácido. A numeração dos átomos de carbono: Exemplo: AMINOÁCIDOS 2

3 Todos os aminoácidos standard, com excepção da glicina, têm o átomo de carbono α ligado a quatro grupos diferentes. O átomo de carbono α é portanto um centro quiral Os aminoácidos apresentam actividade óptica, ou seja fazem rodar o plano da luz polarizada Presença de enantiómeros Sistema D,L para designar a configuração absoluta dos aminoácidos Nota: L S, D R AMINOÁCIDOS 3

4 Três representações diferentes Os resíduos de aminoácidos nas proteínas são estereoisómeros L Quase todos os compostos biológicos com um centro quiral ocorrem na natureza somente numa forma estereoisómerica, D ou L. Os resíduos de aminoácidos nas moléculas de proteínas são exclusivamente estereoisómeros L. As células são capazes de especificamente sintetizar os isómeros L dos aminoácidos porque os centros activos das enzimas são assimétricos, forçando as reacções por elas catalisadas a serem estereoespecíficas. AMINOÁCIDOS 4

5 Classificação dos aminoácidos Os aminoácidos estão agrupados em cinco classes principais, baseadas nas propriedades dos grupos R, em particular, na sua polaridade ou tendência para interagir com a água a ph biológico. A polaridade dos grupos R varia de não polar ou hidrofóbico (insolúvel em água) a altamente polar ou hidrofílico (solúvel em água). AMINOÁCIDOS 5

6 Fórmulas estruturais dos aminoácidos representando o estado de ionização predominante a ph 7.0. AMINOÁCIDOS 6

7 Grupos R alifático, não polar Os grupos R nesta classe de aminoácidos são apolares e hidrofóbicos. As cadeias laterais da alanina, valina, leucina e isoleucina estabilizam a proteína através de interacções hidrofóbicas. Grupos R aromáticos Com as suas cadeias laterais aromáticas são relativamente apolares e hidrofóbicos. Podem participar em interacções hidrofóbicas. A tirosina e o triptofano são relativamente mais polares e a tirosina pode formar pontes de hidrogénio. A tirosina, o triptofano e com muito menor extensão a fenilalanina absorvem luz ultravioleta. Isto explica a característica forte absorvância de luz por grande parte das proteínas a um comprimento de onda de 280nm, propriedade utilizada para a caracterização das proteínas. AMINOÁCIDOS 7

8 Grupos R não carregados, polares Estes grupos R são mais solúveis em água, ou mais hidrofílicos. Asparagina e glutamina são as aminas de outros dois aminoácidos também presentes em proteínas, aspartato e glutamato, respectivamente, para os quais a asparagina e a glutamina são facilmente hidrolizados por um ácido ou uma base. A cisteína é facilmente oxidável, formando um aminoácido dimérico covalentemente ligado, chamado cistina, em que duas cisteínas se encontram ligadas por uma ponte dissulfureto e no total temos uma molécula apolar. As ligações dissulfureto têm um papel especial nas estruturas de muitas proteínas, através da formação de ligações covalentes entre aminoácidos da mesma cadeia da proteína ou entre duas cadeias proteicas diferentes. AMINOÁCIDOS 8

9 Grupos R positivamente carregados São bastante hidrofílicos. A histidina é o único aminoácido standard a ter uma cadeia lateral ionizável com um pk a perto da neutralidade. Em muitas reacções catalisadas por enzimas, a histidina facilita a reacção actuando como doador/aceitante de protões. Grupos R negativamente carregados Bastante hidrofílicos também. Aminoácidos não standard Estes aminoácidos estão por vezes presentes e resultam da modificação pós-tradução de resíduos standard já incorporados num polipéptido. AMINOÁCIDOS 9 47

10 Aminoácidos não-standard biologicamente activos São cerca de 300 os aminoácidos encontrados nas células, possuindo uma enorme variedade de funções mas não sendo no entanto constituintes das proteínas. São intermediários na biossíntese da arginina e do ciclo da ureia GABA e Dopamina - neurotransmissores Histamina Mediador local de reacções alérgicas AMINOÁCIDOS 10

11 Aminoácidos podem actuar como ácidos ou bases Quando um aminoácido é dissolvido em água, existe em solução como um ião dipolar, ou zwiterião, podendo actuar como um ácido ou como uma base: Predomina a ph neutro AMINOÁCIDOS 11

12 Curvas de titulação dos aminoácidos Uma titulação ácido-base envolve uma gradual remoção ou adição de protões. Titulação da glicina (diprótico): -pk a do grupo COOH (pk 1 ) é igual ao ph (=2.34) -pk a do grupo NH 3+ (pk 2 ) é igual ao ph (=9.60) AMINOÁCIDOS 12

13 No ponto pi (ponto isoeléctrico), a remoção do primeiro protão está essencialmente completa e a remoção do segundo está a começar. Neste ponto temos a glicina presente em grande parte na forma dipolar. Temos presentes duas regiões de tamponamento, nas quais a equação de Hendersson-Hasselbach pode ser utilizada para calcular as proporções das espécies doador e aceitante de protão da glicina, necessárias para fazer um tampão a um dado ph. Efeito do ambiente químico no pk a Estabilizam a molécula AMINOÁCIDOS 13

14 A previsão da carga eléctrica dos aminoácidos Da curva de titulação de um aminoácido, podemos ainda obter a relação entre a sua carga eléctrica e o ph da solução. O ph característico ao qual a carga eléctrica é zero é denominado ponto isoeléctrico (pi). No caso da glicina, a qual não tem cadeia lateral ionizável, este será: pi 1 1 = ( pk1 + pk2) = ( ) = A ph 1 a glicina existe quase inteiramente na forma catiónica com uma carga positiva formal de 1.0. A ph 2.34 a carga positiva formal será 0.5. O sinal e a magnitude da carga formal de um aminoácido a um dado ph podem ser atribuídos da mesma forma. Todos os aminoácidos com somente um grupo α-amina, α-carboxilo e um grupo R não ionizável possuem curvas de titulação parecidas com a da glicina. AMINOÁCIDOS 14

15 Aminoácidos com um grupo R ionizável -Têm três valores de pka, dado possuírem três grupos ionizáveis. -pk R é o pk a do grupo R -pi (glutamato) = pi (histidina)=7.59 Conclusão: Só a histidina pode funcionar como um tampão fisiológico, pois é o único aminoácido que possuí um grupo R com pk a perto de 7.0 (pk a =6.0), tendo assim algum poder de tamponamento perto do ph fisiológico. AMINOÁCIDOS 15

16 2. Péptidos e Proteínas Péptidos são cadeias de aminoácidos. Dois aminoácidos podem estar covalentemente ligados através de uma ligação amida substituída, denominada ligação peptídica, de modo a formar um dipéptido. Formação de uma ligação peptídica por condensação Oligopéptido Vários aminoácidos ligados desta forma Polipéptido Muitos aminoácidos ligados desta forma Proteínas podem ter milhares de aminoácidos. Muitas vezes proteína e polipéptido são por vezes usados para descrever o mesmo, no entanto moléculas referidas como polipéptidos têm geralmente pesos moleculares inferiores a 10000Da ( 91 a.a.). AMINOÁCIDOS 16

17 Embora a hidrólise de uma ligação peptídica seja uma reacção exergónica, ocorre lentamente devido à sua elevada energia de activação. Como resultado, as ligações peptídicas nas proteínas são relativamente estáveis, com um tempo de meia vida (t 1/2 ) de cerca de 7 anos na grande parte das condições intracelulares. O comportamento ácido-base de um péptido pode ser estudado através dos seus grupos α-amino e α-carboxilo, bem como da natureza e número dos seus grupos R ionizáveis. Os valores de pka para os grupos R podem ser utilizados como um guia para o intervalo de ph para o qual um dado grupo é ionizável, mas estes mesmos valores não podem ser directamente aplicados a péptidos, pois os mesmos vão variar. AMINOÁCIDOS 17

18 Algumas proteínas consistem numa só cadeia polipeptidica, enquanto outras, denominadas proteínas de multi-subunidades, têm dois ou mais polipéptidos associados não covalentemente. As cadeias polipeptidicas individuais numa proteína com várias sub-unidades, podem ser idênticas ou diferentes. Proteína oligomérica Se pelo menos duas cadeias polipeptidicas são idênticas. As unidades idênticas são referidas como protómeros. AMINOÁCIDOS 18

19 Quando completamente hidrolizada, uma proteína origina uma mistura ou proporção característica dos diferentes aminoácidos. Grupos químicos diferentes de aminoácidos Proteínas conjugadas proteínas que contêm aminoácidos e componentes químicos permanentemente associados. A parte não-proteica de uma proteína conjugada é denominada grupo prostético. As proteínas conjugadas são classificadas de acordo com a natureza química dos seus grupos prostéticos. AMINOÁCIDOS 19

20 Níveis de estrutura proteica Quatro níveis de estrutura proteica são normalmente definidos: Estrutura primária sequência dos resíduos de aminoácido. Descrição de todas as ligações covalentes (ligações peptídicas e pontes dissulfureto) que ligam os resíduos de aminoácido numa cadeia polipeptidica. Estrutura secundária arranjos particularmente estáveis dos resíduos de aminoácidos, dando origem a padrões estruturais recorrentes. Estrutura terciária descreve todos os aspectos do enrolamento tridimensional de um polipéptido. Estrutura quaternária arranjo espacial quando uma proteína tem duas ou mais sub-unidades polipeptidicas. AMINOÁCIDOS 20

21 Estudo das proteínas Separação e Purificação de proteínas Detecção e Quantificação Métodos de sequênciação AMINOÁCIDOS 21

22 3. A estrutura covalente das proteínas Cada proteína diferente produzida por um dado organismo tem uma sequência de aminoácidos única, uma estrutura dimensional única que confere uma função única à proteína. Observa-se que: 1.Proteínas com diferentes funções, têm sempre sequência de aminoácidos diferentes. 2.Milhares de doenças genéticas nos humanas têm sido associadas à produção de proteínas com irregularidades, por vezes uma única mutação num dos aminoácidos. 3.Comparando proteínas com funções similares em diferentes espécies, observa-se que estas proteínas têm quase sempre sequências de aminoácidos semelhantes. AMINOÁCIDOS 22

23 4.Observa-se que cerca de 20-30% das proteínas humanas são polimórficas, possuindo variações na sequência de aminoácidos na população humana. 5.Verifica-se ainda que proteínas com funções similares em espécies diferenciadas (proteínas homólogas), podem diferir em tamanho e sequência de aminoácidos. AMINOÁCIDOS 23

24 Conclusão: - As proteínas contêm quase sempre regiões cruciais (resíduos conservados) na sua sequência de aminoácidos que são essenciais à sua função biológica, podendo esta variar consideravelmente noutras regiões, sem afectar a função (resíduos não conservados). AMINOÁCIDOS 24