Aminoácidos e Peptídeos: Estrutura e Propriedades

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AMINOÁCIDOS E PEPTÍDEOS
Zilda Figueirêdo
UFPE 2015
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Definir aminoácido (AA) e reconhecer a estrutura geral e AA especiais
Funções dos AAs
Classificação dos AA quanto a cadeia lateral, necessidades dietárias e destino
Propriedades físicas: atividade óptica (diferenciar um AA D de um L), propriedade elétrica, solubilidade, ponto de fusão
Reconhecer que um AA em solução tem as propriedades de um íon dipolar
Definir ponto isoelétrico
Propriedades químicas : Reações do grupo -COOH , Reações dos grupos -NH2 e ε-NH2 , Reações dos radicais R 
Ligação peptídica
Peptídeos biologicamente ativos
 
 
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AMINOÁCIDOS: CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS
São as unidades formadoras das PROTEÍNAS
Os AA se caracterizam por possuir um grupo COOH e um grupo NH2, ligados ao mesmo carbono. A este também se liga um radical químico –R de estrutura variável e o H.
Os AA constituintes de proteínas são α-aminoácidos 
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A prolina não é um aminoácido típico, e sim um iminoácido, uma vez que seu C e seu N fazem parte de um anel heterocíclico da molécula.
AMINOÁCIDOS (AAs) : CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS
Prolina
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Tabela 1. Nome e abreviações dos 20 aminoácidos presentes nas proteínas.
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Além dos 20AAs, existem mais 2 aminoácidos que são determinados geneticamente, que só aparecem em alguns tipos de proteínas, a selenocisteína e a pirrolisina, identificada em bactérias do gênero Methanosarcina (http://unisci.com/stories/20022/0524025.htm).
AMINOÁCIDOS
Pyrrolysine
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AMINOÁCIDOS ESPECIAIS
 
 
 
colágeno
colágeno
Proteínas da coagulação
aminoácidos que atuam como neurotransmissores 
e hormônios
Não são codificados geneticamente. São produzidos enzimáticamente, por modificação pós-tradução de um dos 20 aminoácidos clássicos
ciclo da uréia
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Mensageiros químicos – neurotransmissores inibitórios (Glicina, -ácido aminobutírico– GABA); excitatórios (ác glutâmico, ác aspártico, epinefrina, norepinefrina – derivados da Tir)
Componentes de nucleotídeos e ácidos nucléicos  
Intermediários metabólicos 
Formam peptídeos e proteínas  
FUNÇÕES DOS AMINOÁCIDOS 
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CLASSIFICAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS - Quanto a cadeia lateral
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CLASSIFICAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS - Quanto as necessidades dietárias
Essenciais: não são sintetizados no organismo, devendo ser obtidos através da dieta. São eles: fenilalanina, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano, valina (Arginina é essencial na infância).
lisina e isoleucina (feijão), Leucina e valina (arroz)
Não essenciais - o organismo consegue sintetizá-los em quantidades adequadas.
CLASSIFICAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS - Quanto ao destino
Essa classificação é dada em relação ao destino tomado pelo aminoácido quando o grupo amina é excretado do corpo na forma de uréia (mamíferos).
Glicogênico - quando participam da gliconeogênese
Cetogênico - quando geram corpos cetônicos (Lis-Leu)
Glico-cetogênico - quando a rota metabólica leva a formação de glicose e de corpos cetônicos
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AMINOÁCIDOS GLICOGÊNICOS E CETOGÊNICOS
Caixa rosa = glicogênicos
Caixa azul = cetogênicos
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São todos compostos sólidos, cristalinos, incolores. A maioria apresentam sabor adocicado; alguns insípidos; e outros amargos.
Atividade Óptica – com exceção da glicina, todos os aminoácidos naturais apresentam atividade óptica desviando a luz polarizada para a direita ou para a esquerda. 
Propriedade Elétrica (ácido/básica) – os aminoácidos possuem pelo menos dois grupos ionizáveis: um grupo carboxílico (-) e um grupo amínico (+). 
Solubilidade – é relativamente elevada em água e reduzida em solventes orgânicos.
Ponto de Fusão – é bastante elevado (200-300°C) sendo normalmente acompanhado de decomposição da estrutura química original.
PROPRIEDADES DOS AMINOÁCIDOS
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O Carbono α dos AA é assimétrico, um centro quiral, portanto opticamente ativo. Cada carbono assimétrico forma 2 imagens especulares que são denominadas estereisômeros ( D e L). 
Gliceraldeído é o composto de referência
L-aminoácidos: grupo α-amino a esquerda;
D-aminoácidos: grupo α-amino a direita
AMINOÁCIDOS: atividade óptica
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AMINOÁCIDOS: ocorrência dos isômeros
Os aminoácidos das proteínas têm todos a configuração L. 
Alguns AAs D livres ocorrem em tecidos vivos (D-serina e D-aspartato no tecido nervoso; D-alanina e D-glutamato nas paredes celulares de bactérias,…).
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Os AA são anfóteros pois, em solução aquosa, comportam-se como ácido e como base, formando íons dipolares.
O grupamento carboxila ioniza-se em solução aquosa liberando próton e adquirindo carga negativa;
O grupamento amina ioniza-se em solução aquosa aceitando prótons e adquirindo carga positiva;
Ionização de aminoácidos
Aminoácido
Aminoácido em sol aquosa a pH 7
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Em pH neutro: aminoácidos sem grupos R ionizáveis existem como íons dipolares (zwitterion)
O fato dos aminoácidos serem zwitterions implica em suas propriedades físicas. Todos os aminoácidos são sólidos com alto ponto de fusão o que é esperado para um composto iônico, são ligeiramente solúveis em água como compostos iônicos.
Ionização de aminoácidos
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Vamos relembrar os conceitos de pK e constante de dissociação de um ácido
Considere a equação geral de DISSOCIAÇÃO DE UM ÁCIDO HA dada abaixo:
HA  H+ + A- (2)
Quando a velocidade da reação1 iguala-se a da reação 2,atingiu-se o ponto de equilíbrio. Pode-se dizer que a reação terminou, pois não há mais modificação das quantidades dos reagentes ou produtos de ambas as reações.
A Lei de Ação da Massas permite calcular a constante de equilíbrio da reação de dissociação do ácido, ou constante de dissociação, como se segue:
Keq = Kd = [H+]. [A-]/ HA
O pK é igual ao logaritmo negativo da Kd
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Ponto isoelétrico pI
  Em meio ácido, os AA tendem a aceitar prótons, comportando-se como base e adquirindo carga positiva - ionizam em seus radicais amina
  Em meio básico, os AA tendem a doar prótons, comportando-se como ácidos e adquirindo carga negativa - ionizam-se em seus radicais carboxila.
  O valor de pH onde as cargas elétricas do aminoácido se igualam e se anulam chama-se PONTO ISOELÉTRICO (pI), ou pH ISOELÉTRICO.
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Tabela com alguns dados de aminoácidos
* O índice hidropático dos aminoácidos reflete a tendência que as suas cadeias laterais têm para interagir com o meio aquoso. Um índice de hidropaticidade positivo indica uma região hidrofóbica (apolar) do polipeptídeo. Índice negativo (-) indica região hidrofílica (polar)
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CURVA DE TITULAÇÃO DE AMINOÁCIDOS
A curva de titulação mostra a mudança do estado de ionização. Conforme os prótons vão sendo removidos da molécula eles são primeiro removidos do grupo carboxila ,tem o menor pKa (pKa=2,34). Quando o pH aumenta em direção ao pK do grupamento amina (pKa = 9,6), esse perde seus prótons.
Para um AA sem cadeia lateral ionizável (monoamino monocarboxílico ), o pI e calculado como:
 
		
Onde K são as constantes de dissociação dos grupos ácido e básico. 
Para a Gly o pI = (2,34 + 9,6)/2 = 5,97
No pI a carga liquida é zero.
 AA é menos solúvel em agua
 AA não migra em um campo elétrico
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CURVA DE TITULAÇÃO DE AMINOÁCIDOS – ácido glutâmico 
Para AA monoamino dicarboxílico 
pI = (pK1 + pK2) /2
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CURVA DE TITULAÇÃO DE AMINOÁCIDOS – lisina
Para AA diamino monocarboxílico 
pI = (pK2 + pK3) /2
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Reações do grupo -COOH – esse dá as reações características da função carboxílica, sendo mais características: formação de amida, formação de ésteres, formação de haletos.
Reações dos grupos -NH2 e ε-NH2 – esses grupos são bastante reativos principalmente em sua forma desprotonada. Dentre as inúmeras reações desse grupo, destacam-se: reação com a ninidrina, reação de Sanger, reação de Edman.
Reações dos radicais R – os principais
grupos ativos dos radicais R dos aminoácidos além do grupo ε-NH2 são: -SH sulfidrilo (Cys), -OH fenólico (Tyr), imidazólico (His), guanidínico (Arg).
PROPRIEDADES QUÍMICAS DOS AMINOÁCIDOS
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Formação de bases de Schiff e amidas.
REAÇÕES DOS AMINOÁCIDOS
Formação de Ester
Formação de amida
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Reações específicas da cadeia lateral
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OXIDAÇÃO DE CISTEÍNA A CISTINA
A cisteína é o único aminoácido cuja cadeia lateral é capaz de fazer ligações covalentes e com isso pode contribuir para a estrutura da proteína.
Resíduos de Cys podem formar pontes dissulfeto.
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LIGAÇÃO PEPTÍDICA
Ligação peptídica é o nome da ligação amida entre o grupo -carboxila de um AA e o grupo -amino de outro. A união de dois AAs é acompanhada pela perda de uma molécula de água.
FORMAÇÃO DE UMA LIGAÇÃO PEPTÍDICA
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Diversos AAs unidos por ligações peptídicas formam uma cadeia polipeptídica, onde cada AA do peptídeo é chamado de radical. 
Por convenção a ponta amínica é considerada como sendo o início da cadeia. 
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LIGAÇÃO PEPTÍDICA
A ligação C-N na ligação peptídica é 10% mais curta que a ligação C-N usual. Isto se deve ao fato da ligação peptídica ter característica de dupla ligação, devido à ressonância que ocorre com na ligação amida. 
O numero de ligações peptídicas em um peptídeo é igual ao numero de aminoácidos menos 1. 
AA que fazem parte de um peptideo ou porteina sao denominados com a terminacao IL ao inves de INA Ex alanil e nao alanina.
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CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DA LIGAÇÃO PEPTÍDICA
A ligação C-N apresenta algumas características de dupla ligação parcial não podendo girar livremente.
A livre rotação é possível para as ligações C-C (não carbonila), permitindo variações na conformação.
Os 6 átomos que formam a ligação Cα-CO-NH-Cα, estão no mesmo plano
O C=O e N-H da ligação são trans um em relação ao outro
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Peptídeos - são compostos de 2-10 resíduos de AA .
Cada unidade é chamada de resíduo
2 resíduos – dipeptídeo.
3 resíduos – tripeptídeo.
12-20 resíduos – oligopeptídeo.
Muitos resíduos – polipeptídeo.
PEPTÍDEOS
Nomenclatura dos peptídeos
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Hormônios e  feromônios:
 insulina 
 glucagon
 oxitocina - contração da musculatura uterina
 peptideo do sexo - insetos
 Neuropeptídios
 substancia P - neurotransmissor 
 Antibióticos:
 polimixina B (Gram - bactéria)
 bacitracina (Gram + bactéria)
 Proteção ex. toxinas
 amanitina (cogumelos)
 conotoxina (moluscos)
 clorotoxina (escorpiao)
PEPTÍDEOS - UMA VARIEDADE DE FUNÇOES
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De acordo com os pesquisadores e médicos que estudaram os efeitos adversos do aspartame, as seguintes enfermidades crônicas podem ser ativadas ou pioradas pela ingestão de aspartame: tumores cerebrais, esclerose múltipla, epilepsia, síndrome de fadiga crônica, doença de Parkinson, Alzheimer, retardo mental, linfoma, defeitos de nascimento, fibromialgia, e diabete.
O aspartame é composto de três substâncias químicas: ácido aspártico, fenilalanina, e metanol. Depois de ingerido, o metanol converte-se em formaldeído e ácido fórmico. O formaldeído, neurotoxina mortal, é um cancerígeno classe “A”. A fenilalanina também é neurotóxica quando isolada dos outros aminoácidos das proteínas. O ácido aspártico causa lesões cerebrais em desordens neuroendócrinas, em experiências com animais. Há 92 sintomas documentados, incluindo dores de cabeça, dormência, fadiga, visão borrada, palpitações cardíacas, tonteira, espasmos musculares, ganho de peso, irritabilidade, ansiedade, vertigens, ataques epilépticos, urticária, cegueira, taquicardia, zumbido nos ouvidos, depressão, perda de audição, fala arrastada, perda do paladar, insônia.
A fenilalanina do aspartame bloqueia a produção de serotonina. Hoje os EUA está sendo varrido por uma onda de violência. Os pesquisadores atribuem este fato, em parte, aos níveis baixos de serotonina, que induzem à depressão, ao ódio e à paranóia. 
O aspartato e o glutamato agem como neurotransmissores no cérebro facilitando a transmissão de informações de neurônio para neurônio. O excesso de aspartato e glutamato no cérebro mata certos neurônios por permitir demasiada afluência de cálcio para dentro dessas células. Essa afluência propicia a um excesso de radicais livres, que matam essas células. O dano à célula neuronal que pode ser causado por excesso de aspartato e glutamato é o motivo pelo qual tais substâncias são chamadas de "excitotoxinas”. Eles "excitam" ou estimulam as células neuronais à morte. 
Methanol and formic acid toxicity: biochemical mechanisms. Pharmacol Toxicol. 1991 Sep;69(3):157-63 
Liesivuori J, Savolainen H. Metabolic Pathway of Methanol Toxicity (Adapted from Brent 2001)
Aspartato fenilalanina metanol
O aspartame é um éster metílico do dipeptídeo aspartilfenilalania, que é cerca de 200 vezes mais doce que o açúcar de mesa
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A sequencia das cadeias laterais dos AA determina a estrutura terciaria das proteinas que os contem.
Os átomos de carbono nos aminoácidos são denominados em sequencia usando o alfabeto grego (, , , , ) começando no carbono ligado a carboxila.
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A cadeia lateral varia em tamanho, forma, carga, capacidade de formaçao de pontes de hidrogenio, carater hidrofobo e reatividade quimica 
Com excepção da prolina, todos os aminoácidos apresentam esta estrutura geral.
À excepção da glicina todos os a.a. Possuem um carbono α quiral (é um isómero enantiómero; possui actividade óptica)
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Alguns aminoácidos sofrem, numa pequena percentagem, transformações químicas originando substâncias que têm uma enorme importância biologica. Alguns destes
Derivados são hormonios, neurotransmissores,...
Fosforilação, hidroxilação, carboxilação, acetilação, glicolização, pontes dissulfeto
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2 Aas com cadeias laterais aromáticas são também classificados como apolares (Phe e Trp)
AA hidrofóbicos normalmente são encontrados no interior de uma proteína ou onde sua superfície se relaciona com lipídios.
Os diferentes tamanhos e forma das cadeias hidrocarbonadas capacitam-nas a se juntarem para formar estruturas compactas com pequeno espaco vazio.
AA carregados positivamente são hidrofilicos tem cadeias laterais que formam pontes de H e são encontradas onde a superfifcie da proteina faz interface com a agua
AA carregados negativamente tem cadeias laterais acidicas (aceitam protons).
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The zwitterion nature of amino acids, with both positive and negative charges on the same molecule, allows tight binding of amino acids to one another by ionic interactions. Hence the breaking of these inter-molecular interactions require relatively high energy leading to high melting points.
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O arranjo tetraédrico dos 4 grupamentos diferentes em torno do carbono confere atividade óptica aos aminoácidos. 
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Todos os aminoácidos que entram na formação de proteínas são L-aminoácidos.
D-aminoácidos são extremamente raros na natureza, sendo encontrados na parede celular de alguns tipos de bactérias.
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Como os α-aminoacidos possuem grupos ionizáveis na molécula, a forma iônica predominante dessas moléculas em solução depende do pH. A titulação dos AA ilustra o efeito do pH sobre sua estrutura. Os AA com cadeias laterais ionizáveis apresentam 3 grupos acidobásicos
O pI é calculado como sendo o valor médio entre os pKa dos compostos que dão origem à espécie neutra. 
Se o pH>que o pI, o total de cargas do AA sera negativo
Se o pH < que pI, o total de carga do AA sera positivo.
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A curva de titulação mostra a mudança do estado de ionização. Conforme os prótons vão sendo removidos da molécula eles são primeiro removidos da carboxila que tem menor pKa. Quando o pH aumenta em direção ao pK do grupamento amina esse então perde seus prótons. 
O valor de pKa é uma medida da tendência para sofrer ionização (menor pKa => maior tendência para libertar H+).
O pI é calculado como sendo o valor médio entre os pKa dos compostos que dão origem à
espécie neutra. 
Ao considerar a Ala em solucao fortemente acidoa (pH )), tem-se os grupos ácido e básico da molecula totalmente protonados. Co a adicao do NaOH, ocorre inicialmente a perda do proton do grupo α-COOH e posteriormente a perda do proton do grupo α-NH3+ 
O valor do pH no qual o AA fica eletricamente neutro corresponde ao pI. O valor do pI eh uma constante de um composto em particular em condicoes especificas de forca ionica e temperatura. Para um aminoacido monoamino e monocarboxilico o pI eh calculado :
pI = (pK1 + pK2)/2 
em que K são as constantes de dissociacao dos grupos acido e basico
Se o AA possui em sua cadeia lateral um outro grupo ionizavel o calculo do pI envolve a media dos pKas dos 2 grupos acidos ou os dos dois grupos basicos. 
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Há rotacao livre em torno do carbono alfa de um determinado residuo de AA e o N aminico e o C carbonilico de tal residuo, mas não há rotacao significativa em torno da ligacao peptidica
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