AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS, PROTEÍNAS

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1 1 AMINÁIDS, PEPTÍDES, PRTEÍNAS As proteínas constituem o mais importante polímero biológico. onstituem mais da metade do peso seco das células Existem milhares de proteínas, cada uma desempenha uma função especial. As funções das proteínas são mais diversificadas do que aquelas dos carboidratos e lipídeos. - Servem de estrutura - Realizam reações - Protegem o organismo - Atuam como reguladores - Transportam substâncias - Realizam outras funções! Existem proteínas de diversos tamanhos e formas - Na média, mesmo as proteínas pequenas têm peso molecular elevado. A pesar da diversidade de tamanhos, formas e funções, todas as proteínas têm características comuns que permitem decifrar suas estruturas e explicar suas propriedades. - As proteínas são poliamidas - As suas unidades monoméricas são os aminoácidos - A hidrólise das proteínas naturais pode produzir até 22 aminoácidos diferentes.

2 2 Aminoácidos Aminoácidos são os blocos de construção das proteínas. Eles contêm tanto um grupo amina, N, como um carboxílico,, na mesma molécula. Ambos os grupos estão ligados ao mesmo átomo de carbono, chamado carbono alfa. s aminoácidos das proteínas são, portanto, conhecidos como α-aminoácidos. N R adeia lateral Aminoácido arbono α - Além de um átomo de hidrogênio, outro átomo ou grupo de átomos, se liga ao carbono alfa. - Este 4 o grupo, que constitui a cadeia lateral, é o que torna um aminoácido diferente do outro. - Existem de 20 a 22 principais aminoácidos encontrados em proteínas, cada uma com uma cadeia lateral característica. - grupamento R pode ter hidrocarboneto, conter um 2 o grupo carboxila ou amina, grupamentos amida, hidroxila, grupos tiol, anéis aromáticos ou anéis aromáticos heterocíclicos nitrogenados.! aminoácido mais simples, glicina, abreviadamente Gly, tem apenas um 2 o átomo de hidrogênio ligado ao carbono alfa. N Glicina (Gly)

3 3 utros grupos R Ex: cadeias laterais hidrocarbonadas N N N N Alanina (Ala) Valina (Val) 3 3 Leucina (Leu) 3 Isoleucina (ILe) Ex: aminoácidos contendo um 2 o grupo carboxílico N N Ácido Aspártico (Asp) Ácido Glutâmico (Glu) As amidas formadas a partir destes 2 ácidos são: N N N Asparagina (Asn) N Glutamina (Gln) Ex: Aminoácidos com grupos nitrogenados adicionais. N N N N Lisina (Lys) N N Arginina (Arg)

4 4 Ex: Aminoácidos com grupos hidroxila N N Serina (Ser) 3 Treonina (Thr) - Dos aminoácidos sulfurados, a cisteína tem um grupo tiol, e a metionina tem um grupamento tioéter. N N S S isteína (ys) 3 Metionina (Met) - Aminoácidos com o grupo aromático fenila. N N Fenilalanina (Phe) Tirosina (Tyr) - Aminoácidos aromáticos que contêm heterociclos nitrogenados N N N N istidina (is) N Triptofano (Trp)! ada um dos grupamentos R irá conferir polaridades diferentes aos aminoácidos, assim, eles podem ser neutros ou eletricamente carregados.

5 5 Aminoácidos como íons dipolares omo os aminoácidos contêm tanto um grupo básico (-N ), quanto um grupo ácido (-) eles são compostos anfóteros. No estado sólido, e secos, os aminoácidos existem como íons dipolares (o grupo carboxila está presente como íon carboxilato -, e o grupo amina está presente como um grupo amônio N 3 + ). Em solução aquosa, o seguinte equilíbrio acontece: N R Forma aniônica (Solução alcalina) _ 3 + _ + 3 N R Íon dipolar (Zwitterion) _ _ 3 N R Forma catiônica (Solução ácida) A natureza do aminoácido e o p da solução determinam a forma existente. A um p particular para cada aminoácido, conhecido como ponto isoelétrico (PI), as concentrações das formas aniônica e catiônica são iguais. (A concentração do íon dipolar atinge seu máximo). Este p varia de 3 a 11 para aminoácidos comuns. No p dos fluídos corporais, os aminoácidos existem principalmente nas suas formas carregadas.! Todos os aminoácidos, exceto a glicina, tem enantiômeros, isto é, estereoisômeros do tipo imagem especular. ada aminoácido do organismo tem a configuração L, que lhe é atribuída com base na semelhança dos grupos ao redor do carbono α do L-Gliceraldeído. N R L-Gliceraldeído Um L-Aminoácido As bactérias podem sintetizar aminoácidos com a configuração D; alguns deles são componentes de antibióticos.

6 6! Dez dos aminoácidos são conhecidos como aminoácidos essenciais. Não podem ser sintetizados pelo organismo, mas são requeridos para o crescimento normal e a manutenção dos tecidos. Devem ser incluídos na dieta alimentar. Eles incluem: Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina, Fenilalanina, Treonina, Triptofano e Valina. - A arginina pode ser sintetizada, mas é requerida em maiores quantidades para um crescimento e desempenho normais. - A histidina é essencial para as crianças. Resolução dos aminoácidos DL - s aminoácidos sintetizados em laboratório são obtidos como modificações racêmicas (exceto a glicina que não tem centro quiral). Existem várias técnicas de resolução racêmica. - Um método especialmente interessante é baseado no uso de enzimas chamadas desacilases. Estas enzimas catalisam, em organismos vivos, a hidrólise dos aminoácidos N-acilados.! Quando se expõe uma modificação racêmica dos aminoácidos N-acilados a estas enzimas, somente os L-aminoácidos são afetados e os produtos são, em seguida, facilmente separados. + 3 N R (DL) _ (3 ) 2 Aminoácido acilado DL R 3 N L R Desacilase N 3 + _ D R 3 N Facilmente separáveis

7 7 Peptídeos, ligações - s aminoácidos podem sofrer uma reação entre o grupo carboxílico de uma molécula e o grupo amino da outra. Nesta reação de condensação, uma molécula de água é liberada, e uma ligação amida se forma. N + N R R' N R N R' Ligação peptídica Dipeptídeo Polímeros α-aminoácidos com pesos moleculares elevados. PM < Polipeptídeos > Proteínas Divisão relativamente arbitrária (São poliamidas) Estrutura primária das proteínas A estrutura primária de uma proteína ou polipeptídeo é a seqüência de seus aminoácidos, isto é, a estrutura covalente. Ela diz exatamente quais estão presentes e a ordem na qual estão unidos.! ada proteína tem um arranjo definido e característico das unidades básicas de aminoácidos. - Usando-se técnicas de sequenciamento foi possível a determinação das estruturas primárias de polipeptídeos e proteínas.! A estrutura primária determina a função de uma proteína no nosso organismo. A troca de 1 único aminoácido num total de muitas centenas pode alterar completamente as propriedades da proteína e afetar sua função biológica.

8 8 Por exemplo, na anemia falciforme, a proteína hemoglobina das hemácias é defeituosa. De cerca de 150 aminoácidos de uma de suas cadeias, apenas 1 (o ácido glutâmico que é o 6 o na seqüência) encontra-se substituído por outro aminoácido (valina). omo resultado, as hemácias tomam forma de foice e se tornam frágeis sob baixa pressão de oxigênio, causando hemólise e em conseqüência anemia. Ex: Val - is - Leu - Thr - Pro - Glu - Glu - Lys - Ser - Ala - Val Thr- Ala - Leu - Trp - Gly - Lys - Val - Asp - Val - Asp - Glu Ala - is - Lys - Tyr - is Estrutura secundária das proteínas A estrutura secundária de uma proteína é conseqüência das maneiras pelas quais uma cadeia polipeptídica pode interagir com ela própria ou outra molécula, formando ligações hidrogênio. R N δ - δ+ R' Este tipo de ligação pode gerar 2 tipos de estrutura muito diferentes nas moléculas de proteína, uma α-hélice e uma folha pregueada (beta). N! A principal técnica experimental usada na elucidação das estruturas secundárias das proteínas foi a análise por difração de raios-x.

9 9 - A conformação em α-hélice, consiste no enrolamento de uma cadeia peptídica num arranjo em espiral (dextro orientada). ada volta contém 3,6 aminoácidos. Ela é mantida por ligações de hidrogênio entre o átomo de hidrogênio de um grupo amina e o oxigênio de um grupo carbonila, quatro aminoácidos distantes ao longo da cadeia. s grupos R estão dispostos para fora do eixo da hélice. A α-hélice é tanto flexível (pode ser dobrada ou curvada sem se romper) como elástica (capaz de recuperar a forma depois de se esticar). utro tipo de estrutura secundária resulta da formação de ligações de hidrogênio entre 2 cadeias de proteínas que correm paralelas entre si. Este arranjo é chamado de folha pregueada por causa das dobras ou pregas resultantes na rede em forma de folha. Folha pregueada formada de quatro cadeias polipeptídicas (paralelas).! A estrutura pregueada é flexível, mas não elástica. Alguns tipos de proteínas, como a seda, consistem de folhas pregueadas.

10 10 Estrutura terciária das proteínas A estrutura terciária de uma proteína é a sua complexa forma tridimensional, ou conformação, resultante das dobras da cadeia polipeptídica. A interação entre as cadeias laterais dos aminoácidos dentro da proteína determina as ligações e propriedades que mantêm íntegra a estrutura terciária. Diversos tipos de força estão envolvidos no processo de enrolamento, inclusive ligações de dissulfeto da estrutura primária. (Ligação covalente Forte). Uma característica da maioria das proteínas é que o enrolamento ocorre de tal forma que um número máximo de grupos polares (hidrofílicos) se expõem ao meio e um número máximo de grupos não-polares (hidrofóbicos) se encobrem dentro de seu interior. Atrações iônicas formam pontes salinas entre grupos carregados positiva e negativamente dentro da molécula. s diferentes tipos de força dentro de uma molécula de proteína estão resumidos abaixo. N (a) N (b) S S (c) - + N 3 ( ) Tipos de ligações formadas entre diferentes partes de uma cadeia polipeptídica (a) (b) (c) (d) Ligações de hidrogênio Ligações tipo dissulfeto entre cisteínas Ponte salina (ácido aspártico e lisina) Ligação hidrofóbica (valina isoleucina)! Muitas destas ligações mantêm a estrutura terciária agindo em conjunto. (d)

11 11 Devido a estes diferentes tipos de interação, as proteínas têm estruturas terciárias muito complexas. A forma de uma proteína é determinada grandemente pela sua estrutura primária, a seqüência de aminoácidos. (Mudando o tipo de ligação, altera-se a conformação tridimensional) - Algumas proteínas são ainda mais complicadas porque contêm mais do que uma cadeia polipeptídica. ada cadeia isolada de aminoácidos é chamada subunidade. A estrutura quaternária de uma proteína descreve a maneira pela qual as subunidades estão arranjadas. Ex: emoglobina onsiste de quatro subunidades. Propriedades das proteínas - ada proteína tem uma forma normal chamada conformação nativa. Que é o arranjo requerido para a proteína realizar sua função biológica. A desorganização da estrutura protéica, ou a destruição da conformação nativa é chamada desnaturação. A conformação nativa é perdida, produzindo uma cadeia ao acaso.

12 12 A desnaturação geralmente envolve a quebra de ligações não covalentes (fracas) que mantêm a estrutura das cadeias polipeptídicas. Embora as ligações peptídicas não sejam quebradas, as estruturas secundária e terciária são perdidas. As cadeias ao acaso resultantes freqüentemente se aglomeram (coagulam) e precipitam (tornam-se insolúveis).! A proteína não pode mais desempenhar a sua função biológica planejada. Fatores desnaturantes: alor, álcoois e outros solventes orgânicos, ácidos e bases, íons metálicos, agentes oxidantes e redutores, agitação. Tipos de proteínas As proteínas podem ser classificadas em grupos, de várias maneiras. Um conjunto baseia-se em sua forma, solubilidade em água e composição. Proteína fibrosa Proteína globular Proteínas fibrosas Insolúveis em água e resistentes à digestão. Freqüentemente consistem de várias cadeias polipeptídicas paralelas que estão espiraladas e esticadas. Ex: olágeno (hélice tripla) Proteína mais abundante do corpo (Principal componente do tecido de sustentação e conjuntivo) Pele Parte orgânica de ossos e dentes

13 13 Queratinas Proteínas fibrosas que fornecem proteção à camada externa da pele, pêlos e unhas. (Lã, penas, garras, escamas, chifres e cascos de animais) Forma α (baseada na alfa hélice), tem grande resistência, é insolúvel e pode esticar-se (Ex. cabelo) Forma β é flexível mas não estica (seda, teias de aranha) Elastina Estruturas elásticas como ligamentos e vasos sangüíneos. Proteínas globulares onsistem de polipeptídeos firmemente dobrados na forma de uma bola e solúveis em água. ada proteína globular tem uma estrutura terciária própria que lhe permite realizar sua função biológica única. Ex: Enzimas, albuminas, globulinas, hemoglobina. A hemoglobina consiste de 4 cadeias polipeptídicas separadas (α 1, α 2, β 1 e β 2 ), cada uma consistindo de aproximadamente 150 aminoácidos. Além disto, cada cadeia forma uma bolsa contendo um heterociclo nitrogenado chamado heme. (Um íon ferroso, Fe +2, no centro do grupo heme, pode fixar uma molécula de oxigênio, transportando-a dos pulmões aos tecidos). A hemoglobina é um exemplo de proteína conjugada. A parte que não é feita de aminoácidos (heme) é chamada grupo prostético utros grupos prostéticos incluem carboidratos e lipídeos. (lipoproteínas, glicoproteínas)

14 14 utro tipo de classificação de proteínas é com base na sua função. Ex. Enzimas Proteínas essenciais que permitem que todas as reações ocorram numa velocidade adequada. Estruturais olágeno, tecido conjuntivo e dos ossos. Queratinas (estruturais de membranas) Transporte emoglobina (Transportam pequenas moléculas). Soroalbumina (leva ácidos graxos do tecido adiposo para vários órgãos). ormônios Regulam processos químicos no organismo (insulina) Armazenamento Reservatório de substâncias químicas. Defesa Anticorpos (Gama globulinas) Toxinas Proteínas prejudiciais ao organismo.

15 15 TERPENS E ESTERÓIDES TERPENS s terpenos ou terpenóides são os constituintes mais importantes dos óleos essenciais. onstituintes odoríferos das plantas que podem ser extraídos a partir da destilação em corrente de vapor. - oje em dia sabe-se que os terpenos (lineares ou cíclicos), amplamente distribuídos no reino vegetal, desempenham funções muito variadas como essências vegetais, vitaminas e pigmentos vegetais. Para o homem constituem uma das mais amplas classes de alimentos funcionais ou fitonutrientes.! s terpenos funcionam como antioxidantes, protegendo os lipídios, o sangue e outros fluidos corporais contra o ataque de radicais livres, grupos hidroxila, peróxidos e radicais superoxido. - A maioria dos terpenos tem o esqueleto de carbono com 10, 15, 20 ou 30 átomos de carbono. N de lasse 10 Monoterpenos 15 Sesquiterpenos 20 Diterpenos 30 Triterpenos - s terpenos podem ser visualizados como sendo construídos de 2 ou mais unidades de 5 carbonos conhecidos como unidades isoprênicas. 3 ou Isopreno

16 16 Esta observação levou à formulação da chamada regra do isopreno, isto é, todos os terpenos devem ser formalmente divisíveis em unidades isopreno. - Alguns exemplos de terpenos acíclicos simples que obedecem esta regra são mostrados abaixo: ; ; Isopreno (5) Geraniol (10) Farnesol (15) - As poucas exceções à regra do isopreno são os compostos que se acredita serem derivados de terpenos que perderam 1 ou mais átomos de carbono ou por rearranjo de carbocátions. - Sabe-se agora que os terpenos não se formam na natureza a partir do isopreno, o qual nunca foi encontrado como produto natural. precursor dos terpenos é o ácido mevalônico que é produzido a partir da acetil-oa. 3 S oa 3 S oa (Acetil-oA) (Acetoacetil-oA) Redução idrólise oa S 3 (Ácido mevalônico)

17 17 BISSÍNTESE Na biossíntese de poliisoprenos, o ácido mevalônico é ativado por fosforilação, seguida por descarboxilação para dar pirofosfato de 3- isopentenila. - A natureza emprega fosfato e principalmente pirofosfato como bons grupos de saída. P P (Fosfato) PP P P (Pirofosfato) Reação (Ácido mevalônico) P PP - P PP 2 PP Pirofosfato de 3-isopentenila (3-IPP) Isomerização Enzima PP Pirofosfato de 2-isopentenila (2-IPP)! A isomerização é uma forma de equilíbrio, por isso a célula dispõe dos dois: 3-IPP e o 2-IPP.

18 18 - Estes dois compostos de 5 carbonos se condensam através de outra reação enzimática para formar o composto de 10-carbonos, o pirofosfato de geranila. 3-IPP PP 2-IPP PP Pirofosfato de geranila (-10) PP Geraniol (óleo de gerânio) 3-IPP PP Pirofosfato de farnesila (-15) PP Farnesol (onstituinte de muitos óleos naturais) ormônios em insetos Lagarta - Mariposa A repetição do processo Polímero TRANS do isopreno (Balata ou Guta-percha) Látex de certas árvores tropicais Borracha natural Maneira semelhante (Polímero IS do isopreno)! utras reações de condensação semelhantes fornecem os precursores para todos os outros terpenos.

19 19 - Um acoplamento redutivo cauda-cauda de 2 moléculas de pirofosfato de farnesila produz o esqualeno, o precursor de outro grupo importante de isoprenoides, os esteróides. s caminhos biossintéticos para os terpenos e esteróides são: 3-IPP + 2-IPP Monoterpenos (-10) (onstituintes dos óleos voláteis) Atração de polinizadores Pirofosfato de geranila (Pirofosfato -10) 3-IPP Sesquiterpenos (-15) (Funções protetoras contra fungos e bactérias) Pirofosfato de farnesila (Pirofosfato -15) 3-IPP Esqualeno (-30) Diterpenos (-20) Pirofosfato -20 Lanosterol (Funções de proteção contra hervíboros, germinação de sementes, inibição de crescimento de raízes) Triterpenos (-30) Tetraterpenos (-40) olesterol (Esteróide) Além dos terpenos formados diretamente do pirofosfato de isopentenila, ocorrem na natureza álcoois alílicos isoméricos e muitos produtos de oxidação e redução. ; ; Linalool itronelal (Óleo de alfazema) (Óleo de eucalipto) Mirceno (Óleo de louro)

20 20 - Muitos terpenos têm também as unidades isoprênicas dispostas em anéis, cuja biossíntese é feita através de precursores de cadeia aberta por reações de ciclização via carbocátions. mirceno, por exemplo, pode ser comparado com o limoneno. utro oxigenado cíclico Mirceno Limoneno Mentol (Óleo de limão/laranja) (Óleo de menta) s carotenóides s carotenos são um grupo especial de terpenos facilmente encontrados em plantas e animais. s carotenos são tetraterpenos, responsáveis pela coloração amarela, laranja e vermelha das flores, frutos, raízes, etc. A cor provém do grande número de ligações duplas conjugadas. - s carotenos são obtidos a partir do pirofosfato o produto da reação enzimática é o hidrocarboneto 40 (fitoeno), que é a seguir, modificado pelas enzimas dos organismos, dando produtos de desidrogenação, ciclização e oxidação, para dar uma variedade de 40 carotenos. Fitoeno utros carotenos β-caroteno (cenouras) e licopeno (tomates, pimentão) 11 ligações duplas conjugadas

21 21 - Nos organismos dos mamíferos, inclusive os seres humanos, o β-caroteno sofre quebra por oxidação para dar dois equivalentes de um aldeído chamado retinal. A redução bioquímica da carbonila do aldeído fornece a vitamina A1, fator importante de crescimento. R R [o] Retinal [] Vitamina A s esteróides correm em todos os organismos animais e vegetais e são essenciais para o funcionamento correto do organismo, desempenhando funções biológicas importantes. Pequenas variações na estrutura molecular de esteróides resultam em grandes diferenças nos seus efeitos. s esteróides que ocorrem naturalmente incluem o colesterol, os sais biliares, os hormônios masculinos e femininos, as vitaminas D e alguns venenos cardíacos. s esteróides são derivados do sistema peridrociclopentanofenantreno A B D s átomos de carbono do sistema básico de anéis são numerados da maneira indicada. s quatro anéis são designados com letras.

22 22 - s esteróis (esteróides que contêm um grupo hidroxila), são os esteróides mais abundantes. esterol mais importante é o colesterol. olesterol colesterol é um dos esteróides mais difundidos na natureza. Pode ser isolado por extração de quase todos os tecidos animais. s cálculos biliares humanos são uma fonte particularmente rica do mesmo. Ainda não são conhecidas todas as suas funções biológicas. Sabe-se que o colesterol serve como intermediário na biossíntese dos hormônios esteroidais e dos ácidos biliares, mas a quantidade de colesterol existente no corpo é muito maior do que a necessária para estas finalidades.! Altos níveis de colesterol no sangue estão implicados no aparecimento de arteriosclerose (endurecimento das artérias) e nos ataques cardíacos, devido à formação de depósitos de colesterol no interior das paredes das artérias do coração. Muita pesquisa nos últimos anos mostrou que a biossíntese do colesterol começa no esqualeno. A degradação bioquímica do colesterol no organismo leva a uma série de compostos de importância fisiológica. Além disso, sofre uma série de reações no fígado que envolve reduções da ligação dupla, oxigenação do anel e destruição da cadeia lateral para dar alguns ácidos semelhantes, conhecidos como ácidos biliares. Ácido cólico Sob a forma de ácidos biliares, ele ajuda na digestão, emulsificando os lipídios.

23 23 ormônios esteróides s hormônios são produzidos no nosso organismo por várias glândulas de secreção interna especiais que constituem o sistema endócrino. Alguns dos hormônios são esteróides. - Por exemplo, os hormônios sexuais masculinos e femininos têm estruturas esteróides relacionadas. Elas são produzidas pelas gônadas, testículos nos homens e ovários nas mulheres. A testosterona é o principal hormônio masculino ou andrógeno. É um esteróide de 19 carbonos produzidos a partir do colesterol. Testosterona A sua função é a de promover e manter os órgãos sexuais masculinos e os caracteres secundários (pelo, voz, etc) Aumenta também o crescimento dos músculos, fígado e rins estimulando a síntese de proteínas. - s estrógenos, hormônios sexuais femininos, são esteróides de 18 átomos de carbono. Tem como base o estradiol, que é produzido nos ovários a partir da testosterona. Estradiol A secreção de estrógenos produz os caracteres secundários das fêmeas. (Pelos axilares e púbicos, mudança na forma do corpo e formação óssea própria). A progesterona é um hormônio encontrado no ovário, placenta e adrenais. 3 A progesterona é secretada durante a 2 a metade do ciclo menstrual. Progesterona Durante a gravidez (óvulo fertilizado) há uma secreção contínua. A progesterona impede a ovulação (liberação do óvulo).

24 24 Esta observação levou ao desenvolvimento de anticoncepcionais orais, sob a forma de progestinas sintéticas. Elas enganam o organismo, como se este estivesse secretando progesterona. 3 Noretindrona Mestranol! Além de possíveis efeitos colaterais, eles podem aumentar o risco de formação de coágulos sangüíneos. utros hormônios esteróides forma isolados do córtex adrenal. ortisol (idrocortisona) Aldosterona ortisol É a principal secreção, responsável pelo aumento do nível de glicose no sangue e pela quantidade de glicogênio hepático. Aldosterona Efeitos semelhantes. Principalmente, manter constante o equilíbrio eletrolítico no sangue.