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Aminoácidos, Peptídeos e Proteínas BIOQUÍMICA Prof. Dr. Geovane Ribeiro dos Santos Aminoácidos “A palavra proteína que eu proponho vem derivada de proteios, (grego = primeira, a mais importante) porque ela parece ser a substância primitiva ou principal da nutrição animal, as plantas preparam para os herbívoros que posteriormente a passam para os carnívoros” (Jöns Jacob Berzelius, 1838) (Estocolmo Suécia) A palavra proteína foi proposta em 1828 por J.G. Mulder, químico holandês, para designar “a mais importante das substâncias da matéria, sem as quais a vida não seria possível em nosso planeta”. PROTEÍNAS Estudos posteriores demonstraram que as proteínas são macromoléculas constituídas total ou predominantemente de aminoácidos, cujas estruturas e função só podem ser compreendidas com o conhecimento da natureza química e do comportamento dos aminoácidos em ambiente fisiológicos. Ou seja, são: Macromolécula mais abundante nas células Produto final da informação genética (DNA-RNA-Proteína) Grande variedade tamanho Diversidade funcional (enzimas, estruturais, defesa, sinais, transportadores, hormônios, etc) São polímeros da unidade monomérica, aminoácidos, unidos por ligações peptídicas Aminoácidos não proteicos - exercem importante atividade nas células sem participar de moléculas proteicas. Proteínas podem ser definidas como polímeros compostos de n unidades monoméricas, os aminoácidos, ligados entre si por ligações peptídicas A ligação peptídica ocorre entre o grupo a-carboxila de um aminoácido e o grupo a-amino de outro aminoácido. • Até 100 aminoácidos (MM 10.000) peptídeo Oligopeptídeo e Polipeptideo • Acima de 100 aminoácidos (MM 10.000) proteína aminoácido COO C — H R H3N — + a Fórmula geral de um a aminoácido: os grupos amino e carboxila estão no carbono a. R – a cadeia lateral, R diferencia os aminoácidos entre si (monômero) Proteína (polímero) Conceito (AA): Todo composto que possui 1 grupo amino e 1 grupo carboxila Dipeptídeo Aminoácido 1 Aminoácido 2 Aminoácidos O Carbono é assimétrico, ou seja, tem 4 ligantes diferentes Essa propriedade define o C como um centro quiral e confere propriedades ópticas às moléculas. Existem 2 isômeros ópticos do C : formas L e D. Não são interconversíveis sem quebra de laços covalentes. São enantiômeros (imagens especulares) um do outro. Aminoácidos proteicos são L- a - aminoácidos Carbono onde estão ligados esses grupamentos é chamado de carbono alfa (α) Estrutura dos aminoácidos - Cadeia carbônica variável, um ácido carboxílico e um grupamento amina. Carbono a é assimétrico... Carbono com 4 ligantes diferentes - assimétrico Substância existe sob duas formas (D e L) IMAGEM ESPECULAR MOLECULA ORIGINAL São enantiômeros (imagens especulares) um do outro. Carbono a 4 radiais diferentes Carbono alfa Assimétrico Estereoisomeria Formas D e L Como saber se um aminoácido é D ou L??? Alinhar os C a partir do C da carbonila, deixar o C da cadeia R abaixo do C α e verificar para que lado está o grupo (amino) direita (D) ou esquerda (L) 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 D-lisina L-lisina LISINA Não tem formas D e L C alfa não assimétrico E a Glicina ? Os aminoácidos proteicos são classificados de acordo com a cadeia lateral (radical) que o constitui (apolar e polar, com carga positiva ou negativa) AMINOÁCIDOS Grupo carboxílico Grupo amino São compostos orgânicos de função mista, ou seja, moléculas constituídas por um grupamento amina, um grupo Acido carboxílico e uma cadeia lateral R unidas a um único átomo de Carbono (α ) Dos inúmeros aminoácidos existentes na natureza, apenas 20 participam da constituição das proteínas e peptídeos a Radical Aminoácidos protéicos são determinados geneticamente: código genético Os aminoácidos que ocorrem naturalmente em proteínas, são determinados por códons específicos (triplets de nucleotídeos) no material genético dos seres vivos. Os aminoácidos “especiais” possuem características intermediárias entre os grupos dos aminoácidos polares e apolares. Além disso: • 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. • a prolina não é um aminoácido típico, e sim um iminoácido, uma vez que seu Ca e seu Na fazem parte de um anel heterocíclico da molécula. OBS: A classificação dos aminoácidos pode diferir, conforme o autor. O importante em cada caso é entender os critérios para a classificação. Estudando o slide anterior, identifique o critério para classificação de: • Histidina, como um aminoácido básico • Valina, como um aminoácido hidrofóbico • Ácido glutâmico, como um aminoácido ácido Para leitura e aprendizagem • 20 são os aa necessários para compor as proteínas. • De onde vem os aa? Classificação Origem 20 tipos a - aa 10 – a aa que nós produzimos São denominados não essenciais* 10 – a aa que nós não produzimos São denominados essenciais* (da infância até puberdade são 10; no adulto são 8- arginina e lisina) Valina, Leucina, Isoleucina Todos estes 3 aminoácidos são chamados aminoácidos de cadeia ramificada (BCAA´s). Eles desempenham funções importantes no aumento das proteínas e atuam como fonte de energia durante os exercícios. (aminoácidos essenciais) Alanina É um aminoácido importante que atua como fonte de energia para o fígado. Arginina É um aminoácido necessário para manter as funções normais das vias sanguíneas e da resposta imunológica contra infecções. (aminoácido essencial) Glutamina É um aminoácido necessário para manter as funções normais do trato intestinal e dos músculos, bem como da defesa imunológica. Lisina É um aminoácido essencial representativo e tende a ser insuficiente em dietas concentradas em trigo e arroz. Ácido aspártico Presente em grandes quantidades no aspargo. É uma fonte de energia de rápida atuação. Ácido glutâmico Presente em grandes quantidades no trigo e soja. É uma fonte de energia de rápida atuação. Prolina É o principal componente do “colágeno”, que constitui a pele e outros tecidos. Atua como fonte de energia de rápida atuação. Cisteína Sua deficiência é comum em crianças. Treonina É um aminoácido essencial usado para suplementação de proteínas de cereais. Metionina É um aminoácido essencial que é usado para produzir diversas substâncias necessárias à nutrição, à resposta imunológica e à defesa contra agressões. Deficiente no feijão. Histidina É um aminoácido essencial usado para produzir histamina e outros componentes. Fenilalanina É um aminoácido essencial usado para produzir diversos compostos úteis. Tirosina É usado para produzir diversos aminoácidos úteis e é chamado aminoácido aromático, junto com a fenilalanina e o triptofano. Triptofano É um aminoácido essencial usado para produzir diversos compostos úteis. Asparagina É um aminoácido localizado próximo ao ciclo do Ácido Tricarboxílico (local de geração de energia) junto com o ácido aspártico. Glicina É usado para produção da glutationa e porfirina, um componente da hemoglobina. Serina É usado para produção de fosfolipídios e ácido glicérico. Os alimentos de origem animal são mais ricos em aa essenciais que os de origem vegetal, devido a semelhança com os nossos. Ingestão de aa na forma de proteínas necessidade diária: (de 0,8 g/Kg de peso/dia: para suprir necessidades de aa essenciais) Valor biológico: estas,devem ser de alto valor biológico = contem todos os aa essenciais. Ex: ovo albumina (clara de ovo) é tida como a de 100% para o valor biológico Digestão de proteínas * Digestão de Proteínas e Absorção de AAs Locais: • estômago • intestino Síntese das enzimas: •estômago •pâncreas •intestino Digestão de proteínas Enzimas proteolíticas • Pepsina • Tripsina • Quimiotripsina • Elastase • Carboxipeptidases • Enteropeptidase • Aminopeptidases • Dipeptidases • Tripeptidases Estômago Intestino Delgado Pâncreas Digestão de proteínas e absorção de AAS Síntese das enzimas: •Estômago (suco gástrico) Pepsinogênio Digestão e Absorção de Proteínas Outros aminoácidos, além dos 20 codificados geneticamente, podem ocorrer em proteínas e peptídeos biologicamente ativos, ou como aminoácidos ou derivados livres. Esses aminoácidos são produzidos enzimáticamente, por modificação pós- tradução de um dos 20 aminoácidos clássicos. Exemplos: - 3-hidroxi-prolina - 4 hidroxi-prolina (colágeno) - 3-metil-histidina (actina) - Ac. g-carboxi-glutâmico (protrombina e fatores da coagulação) Em muitas proteínas: - aminoácidos glicosilados (Ser, Thr, Asn, Gln) - aminoácidos fosforilados (Ser, Tyr) Neurotransmissores: Intermediário do ciclo da uréia - GABA (Ác.g-aminobutírico) - Glutamato -OOC-CH2-CH2-CH - COO- NH3 + l -OOC-CH2-CH2-CH2- NH3 + PEPTÍDEOS Peptídeos Nº de AA Produção Efeitos Principais Glutation 3 Maioria das células Proteção de radicais –SH das proteínas Encefalinas (met-encefalina e leu-encefalina) 5 Hipófise, Medula Adrenal Analgesia ( a dor) Oxitocina 9 Hipófise Contração uterina e glândula mamária Gramicidina 10 Bacillus brevis Antibiótico Glucagon 29 Células do pâncreas Aumenta a [glicose] no sangue Aspartame (éster metílico L- aspartil-L- fenilalanina) 2 Sintético Adoçante Peptídeos de Importância Biológica. Funções e Classificação A Citocromo C oxidase é uma proteína integral da membrana interna de mitocôndrias A Lipase gástrica é uma proteína solúvel em meio aquoso. Proteínas são moléculas tridimensionais. A forma da molécula é determinante de sua função. A Citocromo C oxidase é uma proteína de membrana. Proteínas de membrana possuem uma região de aminoácidos hidrofóbicos apolares, cujas cadeias laterais projetam-se para “fora” e interagem com a porção lipídica de membrana celulares. Outras regiões dessas proteínas ricas em aminoácidos hidrofílicos polares projetam-se para os meios aquosos extra- ou intracelular, e podem formar “canais” hidrofílicos que atravessam a membrana, interconectando os meios separados por ela. Corte transversal da membrana interna da mitocôndria Aminoácidos apolares Aminoácidos polares Proteínas são moléculas tridimensionais. A forma da molécula é determinante de sua função. Tipos possíveis de pontes de H entre aminoácidos e a água Ponte de H formada entre duas moléculas de água (=) (+) (+) (=) (+) (+) A água é um dipolo permanente, devido à diferença de eletronegatividade de seus átomos. As cadeias laterais de aminoácidos polares podem fazer pontes de H entre si e com moléculas de água do meio, solubilizando proteínas. Proteínas organizam moléculas de água em torno de si, formando uma camada de solvatação, que garante a solubilidade em meio aquoso. Moléculas de água interagindo no gelo. Na água líquida, a rede de interações é menos organizada. -- H O H H O H O H O H H O H H H H H H O O H H H O H H O H H H H O H H O H H O Camada de solvatação de um composto aniônico Camada de solvatação de um composto catiônico O H H H O O + O O H O H H H O H O H O H O H H H H H O H H H O H H O H H H O H H H O H H O H H O H H O H H H H O O H H Os aminoácidos apresentam várias funções químicas que podem se ionizar e conferir carga elétrica à molécula. -COOH -COO - + -NH3 - NH 2 Exemplo: Função carboxila Função amina • Todos os aminoácidos possuem um grupo carboxila •Ácido aspártico e ácido glutâmico possuem 2 grupos carboxila • Todos os aminoácidos possuem um grupo amina •Lisina possue 2 grupos amina H+ estado de ionização depende do pH do meio H+ Comportamento ácido-básico de aminoácidos: ionização Meio alcalino carga (-) Meio ácido carga (+) Forma anfotérica (sem carga) presente em pH fisiológico Abaixo estão 4 formas de um aminoácido variando o estado de ionização do grupo amino e do grupo carboxila. Qual dessas formas de um aminoácido não pode existir ? Porque ? +H+ +H+ - H+ - H+ Meio alcalin o Meio ácido As formas iônicas de um aminoácido se interconvertem, variando a carga da molécula na dependência do pH do meio e do pK de cada grupo: carga +1 -1 0 - COO - H+ + -NH3 H+ 0 -COOH -1 +1 - NH2 0 Como as proteínas assumem uma forma tridimensional a partir de suas estruturas lineares ? Que tipo de forças físicas mantêm a estrutura tridimensional das proteínas ? Responda às seguintes perguntas: Estrutura quaternária: • Associação de duas ou mais cadeias polipeptídicas • No modelo, um tetrâmero composto de 4 cadeias polipeptídicas x 4 Para entender a estrutura 3D das proteínas, vamos entender seus níveis organizacão para facilitar o estudo: Estrutura terciária: • Enovelamento de uma cadeia polipeptídica como um todo. • Ocorrem ligações entre os átomos dos radicais R de todos os aminoácidos da molécula . Estrutura secundária: • Enovelamento de partes da cadeia polipeptídica • Formada somente pelos átomos da ligação peptídica, através de pontes de H. • Ex: alfa-hélices e folhas beta. Estrutura primária: é a sequência e quantidade dos aminoácidos na cadeia polipeptídica; mantida por ligações peptídicas aminoácido É o esqueleto covalente (fio do colar), formado pela seqüência dos átomos (-N-C-Ca-)n na proteína. um dipeptídeo A ligação peptídica ocorre entre o grupo a-carboxila de um aminoácido e o grupo a-amino de outro aminoácido. Aminoácido 1 Aminoácido 2 O laço covalente que liga os aminoácidos no esqueleto covalente de uma proteína é a ligação peptídica. A ligação peptídica é uma amida. O -C NH2 As distâncias interatômicas na ligação peptídica são menores que as de uma ligação amida comum. As características físico-químicas • da ligação peptídica • das cadeias laterais dos aminoácidos determinam como o esqueleto covalente de uma proteína vai se enovelar determinam os tipos de forças, covalentes e não covalentes, que irão estabilizar a estrutura tridimensional de uma proteína. Reações e interações químicas importantes entre os aminoácidos •Ligações peptídicas •Ligações de hidrogênio •Interações hidrofóbicas •Ligações de enxofre (pontes SS) •Interações iônicas ou salinas Porque elas são importantes????? Para entender a estrutura 3D das proteínas, vamos entender seus níveis organizacão para facilitar o estudo: . Estrutura secundária: • Enovelamento de partes da cadeia polipeptídica • Formada somente pelos átomos da ligação peptídica, através de pontes de H. • Ex: alfa-hélices e folhas beta.* Estrutura primária: é a sequência, nₒ e espécie dos aminoácidos na cadeia polipeptídica; mantida por ligações peptídicas aminoácido É o esqueleto covalente (fio do colar), formado pela seqüência dos átomos (-N-C-Ca-)n na proteína. Níveis de Organização das ProteínasEstrutura Secundária Folha a Hélice Para entender a estrutura 3D das proteínas, vamos entender seus níveis organizacão para facilitar o estudo: Estrutura terciária: • Enovelamento de uma cadeia polipeptídica como um todo. • Ocorrem ligações entre os átomos dos radicais R de todos os aminoácidos da molécula. * . Estrutura secundária: • Enovelamento de partes da cadeia polipeptídica • Formada somente pelos átomos da ligação peptídica, através de pontes de H. • Ex: alfa-hélices e folhas beta.* Estrutura primária: é a sequência, nₒ e espécie dos aminoácidos na cadeia polipeptídica; mantida por ligações peptídicas aminoácido É o esqueleto covalente (fio do colar), formado pela seqüência dos átomos (-N-C-Ca-)n na proteína. Ponte dissulfeto Ligação Iônica Níveis de Organização das Proteínas Estrutura Terciária Níveis de Organização das Proteínas Estrutura Terciária Estrutura quaternária: • Associação de duas ou mais cadeias polipeptídicas • No modelo, um tetrâmero composto de 4 cadeias polipeptídicas x 4 Para entender a estrutura 3D das proteínas, vamos entender seus níveis organizacão para facilitar o estudo: Estrutura terciária: • Enovelamento de uma cadeia polipeptídica como um todo. • Ocorrem ligações entre os átomos dos radicais R de todos os aminoácidos da molécula. * . Estrutura secundária: • Enovelamento de partes da cadeia polipeptídica • Formada somente pelos átomos da ligação peptídica, através de pontes de H. • Ex: alfa-hélices e folhas beta.* Estrutura primária: é a sequência, nₒ e espécie dos aminoácidos na cadeia polipeptídica; mantida por ligações peptídicas aminoácido É o esqueleto covalente (fio do colar), formado pela seqüência dos átomos (-N-C-Ca-)n na proteína. ESTRUTURA QUATERNÁRIA Associação de duas ou mais cadeias polipeptídicas (subunidades) para compor uma proteína funcional Mantida por ligações não-covalentes entre as subunidades Subunidades podem ser iguais ou diferentes entre si. Exemplo: Hemoglobina: proteína tetramérica (duas subunidades a e duas, ) RESUMINDO…… Gliadina (trigo) Actina Ovoalbumina (ovo) Miosina Caseína (leite) Tubulina Queratina Insulina Glucagon Colágeno GH ACTH Enzimática Amilase Defesa Anticorpos Hexoquinase Fibrinogênio Hemoglobina Tampões Albumina Albumina Permease Funções Biológicas das Proteínas Reguladora Estrutural Nutrição Contração Transporte Toda atividade celular é dependente de uma ou mais proteínas. Quanto a função as proteínas são classificadas em : a. Regulatórias. Não realizam transformações químicas e sim regulam as atividades de outras proteínas. Como exemplo a insulina regula o metabolismo da glicose; existem aquelas que regulam a expressão gênica ligando-se ao DNA ou ativando ou inibindo a transcrição, ligando-se ao RNA. b. Transportadoras. Transportam substâncias. Por exemplo a hemoglobina que transporta O2; proteínas que transportam substâncias (permeases): como glicose e aa, de um lado para outro da membrana plasmática. c. Contráteis e móveis. Promovem movimentos na célula, como a tubulina que participam da divisão celular movimentando os cromossomos e a miosina, que é responsável por contração muscular. Para leitura e aprendizagem Toda atividade celular é dependente de uma ou mais proteínas. Quanto a função as proteínas são classificadas em : d. Estruturais. São as proteínas responsáveis pelas estruturas biológicas entre elas as proteínas fibrosas insolúveis como a queratina e o colágeno. e. Defesa. Como exemplo tem-se as imunoglobulinas ou anticorpos. f. Enzimas. Corresponde à maior classe de proteínas sendo conhecidas mais de 2000. São substâncias que catalisam reações acelerando sua taxa em até 1016 vezes. São específicas em função e quanto a reação metabólica. Exóticas. As proteínas anti-congelamento que ocorrem no sangue de peixes árticos e antárticos são desse grupo. Representação de Algumas Estruturas Proteicas 1. Constituição Ribonuclease •Simples Só de aminoácidos Quimotripsinogênio •Composta Aminoácido + Substância não aminoacídica ou conjugada Grupo Prostético Ex: Hemoglobina (HEME) Glicoproteína (CARBOIDRATO) Classificação Protéica 2. Forma • Fibrosas Ex: Forma alongada, Baixa solubilidade em H2O Papel estrutural – queratinas (epiderme) Tropomiosina (músculo) Colágeno (pele, tendões, cartilagens) PROTEÍNAS FIBROSAS Estruturas em α hélice. ALTERAÇÕES ESTRUTURAIS DAS PROTEÍNAS Podem ocorrer 3 tipos básicos de alterações protéicas: Desnaturação Renaturação Substituição de Aminoácidos Contração do Músculo Esquelético Na miofibrila os filamentos de actina e miosina sobrepõem-se. Os filamentos de miosina são formados por feixes de proteínas, com extremidade globular e cauda na forma de alavanca. Os filamentos de actina são compostos de duas cadeias polipeptídicas, com monômeros de actina G enrolados, como contas em um colar de pérolas. As cadeias são envolvidas por tropomiosina, e, em intervalos regulares, ocorre a ligação de troponina, conforme o diagrama esquemático abaixo. PROTEÍNAS GLOBULARES Formas quase esféricas ou oblongas resultantes de um enrolamento tipo novelo. • Globulares Forma esférica, Solúveis em H2O Ex: Enzimas Transporte (hemoglobina) DESNATURAÇÃO PROTÉICA Alteração do dobramento original da proteína: estrutura nativa. Alterações físicas e/ou químicas do meio podem afetar a estrutura espacial, podendo acarretar perda de função. DESNATURAÇÃO = destruição da estrutura nativa perda dos níveis estruturais secundário, terciário e quaternário DESNATURAÇÃO PROTÉICA Fatores que provocam a desnaturação: aquecimento extremos de pH adição de compostos capazes de formar pontes de H (ex. uréia) detergentes e sabões agentes redutores A desnaturação irreversível RENATURAÇÃO PROTÉICA Após a retirada do agente desnaturante, algumas proteínas reassumem a forma nativa Velocidade de renaturação “in vitro” é menor que “in vivo”. SUBSTITUIÇÃO DE AAS A substituição de um único aminoácido na estrutura primária pode ocasionar perda de função Exemplo: Anemia falciforme cadeia da hemoglobina: alteração de Glu por Val leva à agregação das proteínas por interações hidrofóbicas através dos resíduos de valina. Agregados precipitam nas hemácias que adquirem formato de foice. Bibliografia Básica BAYNES, J. W.; DOMINICZAK, M. H. Bioquímica médica. 4. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2015. MARZZOCO, Anita, TORRES Bayardo B. Bioquímica Básica. 4. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2013. CHAMPE, P. C.; HARVEY, R. A. Bioquímica ilustrada. 4. ed. Porto Alegre: Artes Médicas, 2009 DEVLIN, T. M. Manual de bioquímica com correlações clínicas. 6. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2007. SANCHES, Jose A. Garcia; COMPRI-NARDY, Mariane B.; BREDA STELLA, Mercia. Bases da Bioquímica e Tópicos de Biofísica: um marco inicial. 2 ed. Rio de Janeiro:Guanabara Koogan, 2021. OBRIGADO PELA ATENÇÃO geovane.santos@docente.unip.br Prof. Dr. Geovane Ribeiro dos Santos Todos os estudos da disciplina devem ser complementado, com as referências disponibilizadas na biblioteca.