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Aminoácidos ● Proteínas controlam praticamente todos os processos que ocorrem em uma célula, são os instrumentos moleculares pelos quais a informação genética é expressa. ● As proteínas são construídas a partir de 20 tipos de aminoácidos. ● Para gerar uma proteína, os aminoácidos se ligam de modo covalente em uma sequencia linear característica. ● As proteínas podem const i tu ir enzimas, hormônios, anticorpos, transportadores, fibras musculares, penas, teias de aranha, chifres de rinocerontes, antibióticos, venenos de cogumelos, etc. ● Proteínas são polímeros de aminoácidos. Cada resíduo de aminoácido é unido ao seu vizinho por um tipo específico de ligação covalente. ↳ O termo resíduo reflete a perde de elementos de água quando um aminoácido é unido a outro. Características estruturais comuns ● Os aminoácidos possuem um grupo carboxila e um grupo amino ligados ao mesmo átomo de carbono (o carbono α) . ● Os aminoácidos d i ferem uns dos outros em suas cadeias laterais ou grupos R, que variam em estrutura, tamanho e carga elétrica, assim como i n f l u e n c i a m a s o l u b i l i d a d e d o s aminoácidos em água. ● Para todos os aminoácidos, exceto a glicina, o carbono α está ligado a quatro grupos diferentes, o que o torna assimétrico. . O átomo de carbono α é, portanto, um centro quiral . ↳ Dessa forma, os quatro grupos diferentes podem ocupar dois arranjos espaciais únicos e, portanto, os aminoácidos têm dois estereoisômeros possíveis. ↳ Obs: na glicina, o grupo R é outro átomo de hidrogênio, o que torna o carbono α simétrico, não havendo a formação de estereoisômeros. ● Como os estereo i sômeros formados são imagens especulares não sobreponíveis uma da outra , são denominados enantiômeros. ● As con f i gu rações abso lu t a s dos am inoác idos são especificadas pelo sistema D, L. ↳ Os L-aminoácidos são aqueles com o grupo α-amino na esquerda e os D-aminoácidos com esse grupo na direita. ● Os resíduos de aminoácidos em moléculas proteicas são exclus ivamente estereoisômeros L . Os resíduos D- aminoác idos foram encontrados apenas em a lguns peptídeos, como em paredes celulares bacterianas e certos antibióticos. ↳ Para um sistema vivo, os isômeros D e L são muito diferentes . Assim, a formação de substruturas repetidas estáveis em proteínas geralmente exige que seus aminoácidos constituintes sejam de uma série estereoquímica. Classificação ● Os aminoácidos são class i f icados em cinco classes principais com base nas propriedades dos seus grupos R, particularmente sua polaridade ou tendência para interagir com a água em pH biológico. ↳ Alguns aminoácidos são um pouco difíceis de caracterizar ou não se encaixam perfeitamente em qualquer grupo, particularmente glicina, histidina e cisteína. Grupos R Apolares, alifáticos ● Os grupos R nesta classe de aminoácidos são apolares e hidrofóbicos. ● As cadeias laterais de alanina, valina, leucina e isoleucina tendem a se agrupar no interior de proteínas, estabil izando a estrutura proteica por meio de interações hidrofóbicas. 76 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX 3.1 Aminoácidos Arquitetura proteica – aminoácidos Proteínas são polímeros de aminoácidos, com cada resíduo de aminoácido unido ao seu vizinho por um tipo específico de ligação covalente (o termo “resíduo” reflete a perda de elementos de água quan- do um aminoácido é unido a outro). As proteínas podem ser degradadas (hidrolisadas) em seus aminoácidos constituin- tes por vários métodos, e os estudos mais iniciais de proteí- nas naturalmente se concentraram nesses aminoácidos li- vres delas derivados. Vinte aminoácidos diferentes são comumente encontrados em proteínas. O primeiro a ser descoberto foi a asparagina, em 1806. O último dos 20 a ser descoberto (treonina) não havia sido identificado até 1938. Todos os aminoácidos têm nomes comuns ou triviais, em al- guns casos derivados da fonte da qual foram primeiramente isolados. A asparagina foi descoberta pela primeira vez no aspargo e o glutamato no glúten do trigo; a tirosina foi isola- da a primeira vez a partir do queijo (seu nome é derivado do grego tyros, “queijo”); e a glicina (do grego glykos, “doce”) foi assim denominada devido ao seu sabor adocicado. Aminoácidos compartilham características estruturais comuns Todos os 20 tipos de aminoácidos comuns são a-aminoáci- dos. Eles têm um grupo carboxila e um grupo amino ligados ao mesmo átomo de carbono (o carbono a) (Figura 3-2). Diferem uns dos outros em suas cadeias laterais ou grupos R, que variam em estrutura, tamanho e carga elétrica, e que influenciam a solubilidade dos aminoácidos em água. Além desses 20 aminoácidos, há muitos outros menos comuns. Alguns são resíduos modificados após a síntese de uma proteína; outros são aminoácidos presentes em organismos vivos, mas não como constituintes de proteínas. Foram atri- buídas aos aminoácidos comuns das proteínas abreviações de três letras e símbolos de uma letra (Tabela 3-1), utiliza- dos como abreviaturas para indicar a composição e a se- quência de aminoácidos polimerizados em proteínas. CONVENÇÃOCHAVE: O código de três letras é transparente; as abreviações em geral consistem nas três primeiras letras do nome do aminoácido. O código de uma letra foi concebido por Margaret Oakley Dayhoff, considerada por muitos a fundado- ra do campo da bioinformática. O código de uma letra reflete uma tentativa de reduzir o tamanho dos arquivos de dados (em uma época da computação de cartões perfurados) utiliza- dos para descrever as sequências de aminoácidos. Foi desen- volvido para ser facilmente memorizado, e a compreensão de sua origem pode ajudar os estudantes a fazer exatamente isso. Para seis aminoácidos (CHIMSV), a primeira letra do nome do aminoácido é única e, portanto, utilizada como o símbolo. Para cinco outros (AGLPT), a primeira letra não é única, mas é atribuída ao aminoácido mais co- mum em proteínas (por exem- plo, leucina é mais comum do que lisina). Para outros quatro, a letra utilizada é foneticamen- te sugestiva (RFYW: aRginina, Fenilalanina, tirosina [do inglês tYrosine], triptofano [do inglês tWiptophan]). Os demais foram mais difíceis de nomear. Para quatro (DNEQ), foram atribuí- das letras encontradas em seus nomes ou sugeridas por eles (as- pártico [do inglês asparDic], asparagiNa, glutâmico [do inglês glutamEke], glutamina [do inglês Q-tamine]). Faltava a lisi- na. Sobravam poucas letras no alfabeto, e a letra K foi escolhi- da porque era a mais próxima de L. ■ Para todos os aminoácidos comuns, exceto a glicina, o carbono a está ligado a quatro grupos diferentes: um gru- po carboxila, um grupo amino, um grupo R e um átomo de hidrogênio (Figura 3-2; na glicina, o grupo R é outro áto- mo de hidrogênio). O átomo de carbono a é, portanto, um centro quiral (p. 17). Em decorrência do arranjo tetraé- drico dos orbitais de ligação em volta do átomo de carbono a, os quatro grupos diferentes podem ocupar dois arran- jos espaciais únicos e, portanto, os aminoácidos têm dois estereoisômeros possíveis. Uma vez que elas são imagens especulares não sobreponíveis uma da outra (Figura 3-3), Margaret Oakley Dayhoff, 1925–1983 COO2 R Ca HH3N 1 FIGURA 32 Estrutura geral de um ami- noácido. Esta estrutura é comum a todos os tipos de a-aminoácidos, exceto um (a prolina, aminoácido cíclico, é a exceção). O grupo R, ou cadeia lateral (roxo), ligado ao carbono a (cinza) é diferente em cada aminoácido. (a) COO2 CH3CH3 CaCa COO2 L-Alanina D-Alanina H3N 1 C COO2 CH3 H H C COO CH3 N 1 H3 (b) L -Alanina D-Alanina H3N 1 COO2 CH3 H H C COO2 2 CH3 N 1 H3 L -Alanina D -Alanina C (c) NH3 1HHH3N 1 FIGURA 33 Estereoisomerismo em a-aminoácidos. (a) Os dois este- reoisômeros da alanina, L– e D–alanina, são imagens especulares não sobre- postas um do outro (enantiômeros). (b, c) Duas convenções diferentes para representar as configurações espaciaisdos estereoisômeros. Em fórmulas de perspectiva (b), as ligações sólidas em forma de cunha se projetam para fora do plano do papel, com as ligações tracejadas por trás dele. Em fórmulas de projeção (c), assume-se que as ligações horizontais se projetam para fora do plano do papel e as ligações verticais para trás. Entretanto, fórmulas de projeção muitas vezes são usadas casualmente e nem sempre pretendem representar uma configuração estereoquímica específica. Nelson_6ed_book.indb 76 Nelson_6ed_book.indb 76 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 76 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX 3.1 Aminoácidos Arquitetura proteica – aminoácidos Proteínas são polímeros de aminoácidos, com cada resíduo de aminoácido unido ao seu vizinho por um tipo específico de ligação covalente (o termo “resíduo” reflete a perda de elementos de água quan- do um aminoácido é unido a outro). As proteínas podem ser degradadas (hidrolisadas) em seus aminoácidos constituin- tes por vários métodos, e os estudos mais iniciais de proteí- nas naturalmente se concentraram nesses aminoácidos li- vres delas derivados. Vinte aminoácidos diferentes são comumente encontrados em proteínas. O primeiro a ser descoberto foi a asparagina, em 1806. O último dos 20 a ser descoberto (treonina) não havia sido identificado até 1938. Todos os aminoácidos têm nomes comuns ou triviais, em al- guns casos derivados da fonte da qual foram primeiramente isolados. A asparagina foi descoberta pela primeira vez no aspargo e o glutamato no glúten do trigo; a tirosina foi isola- da a primeira vez a partir do queijo (seu nome é derivado do grego tyros, “queijo”); e a glicina (do grego glykos, “doce”) foi assim denominada devido ao seu sabor adocicado. Aminoácidos compartilham características estruturais comuns Todos os 20 tipos de aminoácidos comuns são a-aminoáci- dos. Eles têm um grupo carboxila e um grupo amino ligados ao mesmo átomo de carbono (o carbono a) (Figura 3-2). Diferem uns dos outros em suas cadeias laterais ou grupos R, que variam em estrutura, tamanho e carga elétrica, e que influenciam a solubilidade dos aminoácidos em água. Além desses 20 aminoácidos, há muitos outros menos comuns. Alguns são resíduos modificados após a síntese de uma proteína; outros são aminoácidos presentes em organismos vivos, mas não como constituintes de proteínas. Foram atri- buídas aos aminoácidos comuns das proteínas abreviações de três letras e símbolos de uma letra (Tabela 3-1), utiliza- dos como abreviaturas para indicar a composição e a se- quência de aminoácidos polimerizados em proteínas. CONVENÇÃOCHAVE: O código de três letras é transparente; as abreviações em geral consistem nas três primeiras letras do nome do aminoácido. O código de uma letra foi concebido por Margaret Oakley Dayhoff, considerada por muitos a fundado- ra do campo da bioinformática. O código de uma letra reflete uma tentativa de reduzir o tamanho dos arquivos de dados (em uma época da computação de cartões perfurados) utiliza- dos para descrever as sequências de aminoácidos. Foi desen- volvido para ser facilmente memorizado, e a compreensão de sua origem pode ajudar os estudantes a fazer exatamente isso. Para seis aminoácidos (CHIMSV), a primeira letra do nome do aminoácido é única e, portanto, utilizada como o símbolo. Para cinco outros (AGLPT), a primeira letra não é única, mas é atribuída ao aminoácido mais co- mum em proteínas (por exem- plo, leucina é mais comum do que lisina). Para outros quatro, a letra utilizada é foneticamen- te sugestiva (RFYW: aRginina, Fenilalanina, tirosina [do inglês tYrosine], triptofano [do inglês tWiptophan]). Os demais foram mais difíceis de nomear. Para quatro (DNEQ), foram atribuí- das letras encontradas em seus nomes ou sugeridas por eles (as- pártico [do inglês asparDic], asparagiNa, glutâmico [do inglês glutamEke], glutamina [do inglês Q-tamine]). Faltava a lisi- na. Sobravam poucas letras no alfabeto, e a letra K foi escolhi- da porque era a mais próxima de L. ■ Para todos os aminoácidos comuns, exceto a glicina, o carbono a está ligado a quatro grupos diferentes: um gru- po carboxila, um grupo amino, um grupo R e um átomo de hidrogênio (Figura 3-2; na glicina, o grupo R é outro áto- mo de hidrogênio). O átomo de carbono a é, portanto, um centro quiral (p. 17). Em decorrência do arranjo tetraé- drico dos orbitais de ligação em volta do átomo de carbono a, os quatro grupos diferentes podem ocupar dois arran- jos espaciais únicos e, portanto, os aminoácidos têm dois estereoisômeros possíveis. Uma vez que elas são imagens especulares não sobreponíveis uma da outra (Figura 3-3), Margaret Oakley Dayhoff, 1925–1983 COO2 R Ca HH3N 1 FIGURA 32 Estrutura geral de um ami- noácido. Esta estrutura é comum a todos os tipos de a-aminoácidos, exceto um (a prolina, aminoácido cíclico, é a exceção). O grupo R, ou cadeia lateral (roxo), ligado ao carbono a (cinza) é diferente em cada aminoácido. (a) COO2 CH3CH3 CaCa COO2 L-Alanina D-Alanina H3N 1 C COO2 CH3 H H C COO CH3 N 1 H3 (b) L -Alanina D-Alanina H3N 1 COO2 CH3 H H C COO2 2 CH3 N 1 H3 L -Alanina D -Alanina C (c) NH3 1HHH3N 1 FIGURA 33 Estereoisomerismo em a-aminoácidos. (a) Os dois este- reoisômeros da alanina, L– e D–alanina, são imagens especulares não sobre- postas um do outro (enantiômeros). (b, c) Duas convenções diferentes para representar as configurações espaciais dos estereoisômeros. Em fórmulas de perspectiva (b), as ligações sólidas em forma de cunha se projetam para fora do plano do papel, com as ligações tracejadas por trás dele. Em fórmulas de projeção (c), assume-se que as ligações horizontais se projetam para fora do plano do papel e as ligações verticais para trás. Entretanto, fórmulas de projeção muitas vezes são usadas casualmente e nem sempre pretendem representar uma configuração estereoquímica específica. Nelson_6ed_book.indb 76 Nelson_6ed_book.indb 76 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 79 muito pequena não contribui realmente para interações hidrofóbicas. A metionina, um dos dois aminoácidos que contém enxofre, tem um grupo tioéter ligeiramente apolar em sua cadeia lateral. A prolina tem cadeia lateral alifática com estrutura cíclica distinta. O grupo amino secundário (imino) de resíduos de prolina é mantido em uma configu- ração rígida que reduz a flexibilidade estrutural de regiões polipeptídicas contendo prolina. Grupos R aromáticos Fenilalanina, tirosina e triptofano, com suas cadeias laterais aromáticas, são relativamente apolares (hidrofóbicos). Todos podem participar em in- terações hidrofóbicas. O grupo hidroxila da tirosina pode formar ligações de hidrogênio e é um importante grupo fun- cional em algumas enzimas. A tirosina e o triptofano são sig- nificativamente mais polares do que a fenilalanina, devido ao grupo hidroxila da tirosina e ao nitrogênio do anel indol do triptofano. O triptofano, a tirosina e, em menor extensão, a fenilala- nina, absorvem a luz ultravioleta (Figura 3-6; ver também Quadro 3-1). Isso explica a forte absorbância de luz com comprimento de onda de 280 nm característica da maior parte das proteínas, propriedade explorada por pesquisa- dores na caracterização de proteínas. Grupos R apolares, alifáticos Glicina Alanina Valina Grupos R aromáticos Fenilalanina Tirosina Prolina Triptofano Grupos R polares, não carregados Serina Grupos R carregados positivamente Lisina Arginina Histidina Grupos R carregados negativamente Aspartato GlutamatoGlutaminaAsparagina Cisteína H3N 1 C COO2 H H H3N 1 C COO2 CH3 H H3N 1 C COO2 C CH3 CH3 H H Leucina H3N 1 C COO2 C C CH3 CH3 H H2 H Metionina H3N 1 C COO2 C C S CH3 H2 H2 H H3N 1 C COO2 CH2 H OH Treonina H3N 1 C COO2 H C CH3 OH H H3N 1 C COO2 C SH H2 H H 2N 1 H 2C C COO2 H C CH2 H 2 H3N 1 C COO2 C COO2 H2 H H3N 1 C COO2 Cproteínas. Grupos R apolares, alifáticos Glicina Alanina Valina Grupos R aromáticos Fenilalanina Tirosina Prolina Triptofano Grupos R polares, não carregados Serina Grupos R carregados positivamente Lisina Arginina Histidina Grupos R carregados negativamente Aspartato GlutamatoGlutaminaAsparagina Cisteína H3N 1 C COO2 H H H3N 1 C COO2 CH3 H H3N 1 C COO2 C CH3 CH3 H H Leucina H3N 1 C COO2 C C CH3 CH3 H H2 H Metionina H3N 1 C COO2 C C S CH3 H2 H2 H H3N 1 C COO2 CH2 H OH Treonina H3N 1 C COO2 H C CH3 OH H H3N 1 C COO2 C SH H2 H H 2N 1 H 2C C COO2 H C CH2 H 2 H3N 1 C COO2 C COO2 H2 H H3N 1 C COO2 C C COO2 H2 H2 H 1N C C C C H3N 1 C COO2 H H2 H2 H2 H2 H3 C N C C C H3N 1 C COO2 H H2 H2 H2 H NH2 N 1 H2 H3N 1 C COO2 C C C H2N O H2 H2 HH3N 1 C COO 2 C C H2N O H2 H H3N 1 C COO2 CH C NH 2 H C H N CH H3N 1 C COO2 CH2 H H3N 1 C COO2 C C CH H2 H NH Isoleucina H3 1 C COO2 H C C CH3 H2 H HN C 3 H3N 1 C COO2 CH2 H OH FIGURA 35 Os 20 aminoácidos comuns de proteínas. As fórmulas es- truturais mostram o estado de ionização que predomina em pH 7,0. As por- ções não sombreadas são aquelas comuns a todos os aminoácidos; aquelas sombreadas são os grupos R. Embora o grupo R da histidina seja mostrado sem carga, seu pKa (ver a Tabela 3-1) é tal que uma pequena mas significativa fração desses grupos seja positivamente carregada em pH 7,0. A forma pro- tonada da histidina é mostrada acima do gráfico na Figura 3-12b. Nelson_6ed_book.indb 79 Nelson_6ed_book.indb 79 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 81 fraco e pode fazer fracas ligações de hidrogênio com o oxi- gênio ou nitrogênio. A asparagina e a glutamina são as amidas de dois outros aminoácidos também encontrados em proteínas – aspartato e glutamato, respectivamente – nos quais a asparagina e a glutamina são facilmente hidrolisadas por ácido ou base. A cisteína é prontamente oxidada para formar um aminoáci- do dimérico ligado de modo covalente chamado cistina, no qual duas moléculas ou resíduos de cisteína são ligadas por uma ligação dissulfeto (Figura 3-7). Os resíduos ligados a dissulfetos são fortemente hidrofóbicos (apolares). As ligações dissulfeto desempenham um papel especial nas estruturas de muitas proteínas pela formação de liga- ções covalentes entre partes de uma molécula polipeptídica ou entre duas cadeias polipeptídicas diferentes. Grupos R carregados positivamente (básicos) Os grupos R mais hidrofílicos são aqueles carregados positivamente ou nega- tivamente. Os aminoácidos nos quais os grupos R têm uma carga positiva significativa em pH 7,0 são a lisina, com um segundo grupo amino primário na posição « em sua cadeia alifática; a arginina, com um grupo guanidínio positiva- mente carregado; e a histidina, com um grupo imidazol aromático. Como o único aminoácido comum que tem uma cadeia lateral ionizável com pKa próximo da neutralidade, a histidina pode ser positivamente carregada (forma proto- nada) ou não carregada em pH 7,0. Seus resíduos facilitam muitas reações catalisadas por enzimas, funcionando como doadores/aceptores de prótons. Grupos R carregados negativamente (ácidos) Os dois aminoáci- dos que apresentam grupos R com carga negativa final em pH 7,0 são o aspartato e o glutamato, cada um dos quais tem um segundo grupo carboxila. Aminoácidos incomuns também têm funções importantes Além dos 20 aminoácidos comuns, as proteínas podem con- ter resíduos criados por modificações de resíduos comuns já incorporados em um polipeptídeo (Figura 3-8a). Entre esses aminoácidos incomuns estão a 4-hidroxiprolina, um derivado da prolina, e a 5-hidroxilisina, derivada da lisina. O primeiro é encontrado em proteínas da parede celular de células vegetais e ambos são encontrados no colágeno, pro- teína fibrosa de tecidos conectivos. A 6-N-metil-lisina é um constituinte da miosina, uma proteína contrátil do mús- culo. Outro aminoácido incomum importante é o g-carbo- xiglutamato, encontrado na proteína de coagulação pro- trombina e em algumas outras proteínas que se ligam ao Ca21 como parte de suas funções biológicas. Mais complexa é a desmosina, derivada de quatro resíduos Lys, encontra- da na proteína fibrosa elastina. A selenocisteína é um caso especial. Esse raro resíduo de aminoácido é introduzido durante a síntese proteica, em vez de criado por uma modificação pós-sintética. Contém selênio em vez do enxofre da cisteína. Na verdade derivada de serina, a selenocisteína é um constituinte de apenas al- gumas poucas proteínas conhecidas. Alguns resíduos de aminoácidos em uma proteína po- dem ser modificados transitoriamente para alterar as fun- ções da proteína. A adição de grupos fosforil, metil, acetil, adenilil, ADP-ribosil ou outros grupos a resíduos de ami- noácidos específicos pode aumentar ou diminuir a atividade de uma proteína (Figura 3-8b). A fosforilação é uma modi- ficação reguladora particularmente comum. A modificação covalente como uma estratégia reguladora em uma proteína é discutida com mais detalhe no Capítulo 6. Cerca de 300 aminoácidos adicionais foram encontra- dos nas células. Eles têm várias funções, mas não são todos constituintes de proteínas. A ornitina e a citrulina (Figu- ra 3-8c) merecem atenção especial porque são intermediá- rios-chave (metabólitos) na biossíntese de arginina (Capí- tulo 22) e no ciclo da ureia (Capítulo 18). Aminoácidos podem agir como ácidos e bases Os grupos amino e carboxila de aminoácidos, em conjunto com os grupos ionizáveis R de alguns aminoácidos, fun- cionam como ácidos e bases fracos. Quando um aminoáci- do sem um grupo R ionizável é dissolvido em água em pH neutro, ele permanece na solução como um íon bipolar, ou zwitteríon (do alemão “íon híbrido”), que pode agir como ácido ou base (Figura 3-9). Substâncias com essa natureza dupla (ácido-base) são anfotéricas e são fre- quentemente chamadas de anfólitos (a partir de “eletró- litos anfotéricos”). Um simples a-aminoácido monoamino monocarboxílico, como a alanina, é um ácido diprótico quando completamente protonado; ele tem dois grupos, o grupo ¬COOH e o grupo ¬NH1 3, que pode produzir dois prótons: H C COO2R H C COOHR 1NH3 1NH3 11 0 21 H1 H C COO2R NH2 H1 Carga final: Aminoácidos têm curvas de titulação características A titulação ácido-base envolve a adição ou remoção gra- dual de prótons (Capítulo 2). A Figura 3-10 mostra a curva de titulação de uma forma diprótica de glicina. CH 2H1 1 2e2 2H1 1 2e2 COO2 COO2 H3N CH2 CH CH2 SH SH Cisteína Cistina Cisteína 1 NH3 1 CH COO2 COO2 H3N CH2 CH CH2 S S 1 NH3 1 FIGURA 37 Formação reversível de uma ligação dissulfeto pela oxi- dação de duas moléculas de cisteína. Ligações de dissulfeto entre resí- duos Cys estabilizam as estruturas de muitas proteínas. Nelson_6ed_book.indb 81 Nelson_6ed_book.indb 81 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 79 muito pequena não contribui realmente para interações hidrofóbicas. A metionina, um dos dois aminoácidos que contém enxofre, tem um grupo tioéter ligeiramente apolar em sua cadeia lateral. A prolina tem cadeia lateral alifática com estrutura cíclica distinta. O grupo amino secundário (imino) de resíduos de prolina é mantido em uma configu- ração rígida que reduz a flexibilidade estrutural de regiões polipeptídicas contendo prolina. Grupos R aromáticos Fenilalanina, tirosina e triptofano, com suas cadeias laterais aromáticas, são relativamente apolares (hidrofóbicos). Todos podem participar em in- terações hidrofóbicas. O grupo hidroxila da tirosina pode formar ligações de hidrogênio e é um importante grupo fun- cional em algumas enzimas. A tirosina e o triptofanosão sig- nificativamente mais polares do que a fenilalanina, devido ao grupo hidroxila da tirosina e ao nitrogênio do anel indol do triptofano. O triptofano, a tirosina e, em menor extensão, a fenilala- nina, absorvem a luz ultravioleta (Figura 3-6; ver também Quadro 3-1). Isso explica a forte absorbância de luz com comprimento de onda de 280 nm característica da maior parte das proteínas, propriedade explorada por pesquisa- dores na caracterização de proteínas. Grupos R apolares, alifáticos Glicina Alanina Valina Grupos R aromáticos Fenilalanina Tirosina Prolina Triptofano Grupos R polares, não carregados Serina Grupos R carregados positivamente Lisina Arginina Histidina Grupos R carregados negativamente Aspartato GlutamatoGlutaminaAsparagina Cisteína H3N 1 C COO2 H H H3N 1 C COO2 CH3 H H3N 1 C COO2 C CH3 CH3 H H Leucina H3N 1 C COO2 C C CH3 CH3 H H2 H Metionina H3N 1 C COO2 C C S CH3 H2 H2 H H3N 1 C COO2 CH2 H OH Treonina H3N 1 C COO2 H C CH3 OH H H3N 1 C COO2 C SH H2 H H 2N 1 H 2C C COO2 H C CH2 H 2 H3N 1 C COO2 C COO2 H2 H H3N 1 C COO2 C C COO2 H2 H2 H 1N C C C C H3N 1 C COO2 H H2 H2 H2 H2 H3 C N C C C H3N 1 C COO2 H H2 H2 H2 H NH2 N 1 H2 H3N 1 C COO2 C C C H2N O H2 H2 HH3N 1 C COO 2 C C H2N O H2 H H3N 1 C COO2 CH C NH 2 H C H N CH H3N 1 C COO2 CH2 H H3N 1 C COO2 C C CH H2 H NH Isoleucina H3 1 C COO2 H C C CH3 H2 H HN C 3 H3N 1 C COO2 CH2 H OH FIGURA 35 Os 20 aminoácidos comuns de proteínas. As fórmulas es- truturais mostram o estado de ionização que predomina em pH 7,0. As por- ções não sombreadas são aquelas comuns a todos os aminoácidos; aquelas sombreadas são os grupos R. Embora o grupo R da histidina seja mostrado sem carga, seu pKa (ver a Tabela 3-1) é tal que uma pequena mas significativa fração desses grupos seja positivamente carregada em pH 7,0. A forma pro- tonada da histidina é mostrada acima do gráfico na Figura 3-12b. Nelson_6ed_book.indb 79 Nelson_6ed_book.indb 79 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 Grupos R Carregados negativamente (ácidos) ● Os dois aminoácidos que apresentam grupos R com carga negativa em pH 7,0 são o aspartato e o glutamato, que possuem um segundo grupo carboxila. Aminoácidos incomuns ● Além dos 20 aminoácidos comuns, as proteínas podem conter aminoácidos criados por modificações de resíduos comuns. ● A hidroxiprolina e a hidroxil isina são derivadas da prolina e da lisina, respectivamente. Ambas estão presentes no colágeno. ● A selenocisteína é um caso especial . Esse raro resíduo de am inoác i do é i n t r oduz i do durante a síntese proteica, em vez de criado por uma modificação pós-sintética. Contém selênio em vez do enxofre da cisteína. ↳ A ausência de selênio pode gerar estresse oxidativo, pois algumas enzimas antioxidantes são formadas pela selenocisteína. ● A ornitina e a citrulina, embora não encontrados em prote ínas , merecem atenção espec ia l porque são intermediários na biossíntese de arginina e no ciclo da uréia. ● Ou t r o am i noác i d o i n c omum impo r t a n t e é o 𝛄 - carboxiglutamato, encontrado na proteína de coagulação protrombina e em algumas outras proteínas que se ligam ao Ca. ● Alguns resíduos de aminoácidos em uma proteína podem ser modificados transitoriamente para alterar as funções da proteína. ↳ A fosforilação é uma modificação covalente comum, que altera a conformação da proteína e funciona como uma estratégia reguladora dela. Propriedades ácido-básicas ● Os grupos amino e carboxila de aminoácidos, em conjunto com os grupos ionizáveis R de alguns aminoácidos, funcionam como ácidos e bases fracos. ↳ Quando um aminoácido sem um grupo R ionizável é dissolvido em água em pH neutro, ele permanece na solução como um íon bipolar ou zwitteríon, que pode agir como ácido ou base. ↳ Substâncias com essa natureza dupla (ácido-base) são anfotéricas e são frequentemente chamadas de anfólitos. P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 79 muito pequena não contribui realmente para interações hidrofóbicas. A metionina, um dos dois aminoácidos que contém enxofre, tem um grupo tioéter ligeiramente apolar em sua cadeia lateral. A prolina tem cadeia lateral alifática com estrutura cíclica distinta. O grupo amino secundário (imino) de resíduos de prolina é mantido em uma configu- ração rígida que reduz a flexibilidade estrutural de regiões polipeptídicas contendo prolina. Grupos R aromáticos Fenilalanina, tirosina e triptofano, com suas cadeias laterais aromáticas, são relativamente apolares (hidrofóbicos). Todos podem participar em in- terações hidrofóbicas. O grupo hidroxila da tirosina pode formar ligações de hidrogênio e é um importante grupo fun- cional em algumas enzimas. A tirosina e o triptofano são sig- nificativamente mais polares do que a fenilalanina, devido ao grupo hidroxila da tirosina e ao nitrogênio do anel indol do triptofano. O triptofano, a tirosina e, em menor extensão, a fenilala- nina, absorvem a luz ultravioleta (Figura 3-6; ver também Quadro 3-1). Isso explica a forte absorbância de luz com comprimento de onda de 280 nm característica da maior parte das proteínas, propriedade explorada por pesquisa- dores na caracterização de proteínas. Grupos R apolares, alifáticos Glicina Alanina Valina Grupos R aromáticos Fenilalanina Tirosina Prolina Triptofano Grupos R polares, não carregados Serina Grupos R carregados positivamente Lisina Arginina Histidina Grupos R carregados negativamente Aspartato GlutamatoGlutaminaAsparagina Cisteína H3N 1 C COO2 H H H3N 1 C COO2 CH3 H H3N 1 C COO2 C CH3 CH3 H H Leucina H3N 1 C COO2 C C CH3 CH3 H H2 H Metionina H3N 1 C COO2 C C S CH3 H2 H2 H H3N 1 C COO2 CH2 H OH Treonina H3N 1 C COO2 H C CH3 OH H H3N 1 C COO2 C SH H2 H H 2N 1 H 2C C COO2 H C CH2 H 2 H3N 1 C COO2 C COO2 H2 H H3N 1 C COO2 C C COO2 H2 H2 H 1N C C C C H3N 1 C COO2 H H2 H2 H2 H2 H3 C N C C C H3N 1 C COO2 H H2 H2 H2 H NH2 N 1 H2 H3N 1 C COO2 C C C H2N O H2 H2 HH3N 1 C COO 2 C C H2N O H2 H H3N 1 C COO2 CH C NH 2 H C H N CH H3N 1 C COO2 CH2 H H3N 1 C COO2 C C CH H2 H NH Isoleucina H3 1 C COO2 H C C CH3 H2 H HN C 3 H3N 1 C COO2 CH2 H OH FIGURA 35 Os 20 aminoácidos comuns de proteínas. As fórmulas es- truturais mostram o estado de ionização que predomina em pH 7,0. As por- ções não sombreadas são aquelas comuns a todos os aminoácidos; aquelas sombreadas são os grupos R. Embora o grupo R da histidina seja mostrado sem carga, seu pKa (ver a Tabela 3-1) é tal que uma pequena mas significativa fração desses grupos seja positivamente carregada em pH 7,0. A forma pro- tonada da histidina é mostrada acima do gráfico na Figura 3-12b. Nelson_6ed_book.indb 79 Nelson_6ed_book.indb 79 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 82 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX Os dois grupos ionizáveis de glicina, o grupo carboxila e o grupo amino, são titulados com uma base forte, como NaOH. O gráfico tem duas fases distintas, correspon- dendo à desprotonação de dois grupos diferentes na gli- cina. Cada uma das duas fases se assemelha ao formato da curva de titulação de um ácido monoprótico, como o 4-Hidroxiprolina H3 N 1 CH2 C OH H CH2 CH2 C 1 NH3 H COO2 5-Hidroxilisina CH3 NH CH2 CH2 CH2 CH2 CH COO 6-N-Metil-lisina 2OOC C COO2 H CH2 C 1NH3 H COO2 g-Carboxiglutamato C H3 N 1 2OOC H (CH2 )2 C H3 N 1 COO2 H (CH2 )3 C N 1 H3 COO H C (C N 1 H2 )4 H3 N 1 COO2 H Desmosina HSe CH2 C 1NH3 H COO2 2 Selenocisteína(a) (CH2 )2 2 1NH3 OH N H2 1 COO2 N N (b) Fosfosserina 2O 2O P O CH2 CO 1NH3 H COO2 s-N-Metil-arginina C1 CH2 C 1NH3 H COO2 CH3 CH2CH2 H2 N HN NH 6-N-Acetilisina Fosfotirosina 2O 2O P O O CH2 C 1NH3 H COO2Adenililtirosina CH2 C 1NH3 H COO2CH2CH2CH2 C CH3 HN O Éster de metil-glutamato CH2 C 1NH3 H COO2CH2COH3 C O Fosfotreonina 2O 2O P O 3 CO 1NH3 H CH CH COO2 CH2 C 1NH3 H COO2N N NH2 H H H H OH O H O H2 C O O OP 2O H3 N CH2 CH2 CH2 C 1 1 NH3 H COO2 Ornitina H2 N C O N H CH2 CH2 CH2 C 1NH3 H COO2 Citrulina(c) FIGURA 38 Aminoácidos raros. (a) Alguns aminoácidos raros encontrados em proteínas. Todos são derivados de ami- noácidos comuns. Grupos funcionais extras adicionados por reações de modificação são mostrados em vermelho. A des- mosina é formada a partir de quatro resíduos Lys (os esque- letos de carbono estão sombreados). Observe o uso tanto de números quanto de letras gregas nos nomes dessas estruturas para identificar os átomos de carbono alterados. (b) Modifica- ções dos aminoácidos reversíveis envolvidos na regulação da atividade proteica. A fosforilação é o tipo mais comum de mo- dificação regulatória. (c) Ornitina e citrulina, não encontrados em proteínas, são intermediários na biossíntese de arginina e no ciclo da ureia. Nelson_6ed_book.indb 82 Nelson_6ed_book.indb 82 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 82 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX Os dois grupos ionizáveis de glicina, o grupo carboxila e o grupo amino, são titulados com uma base forte, como NaOH. O gráfico tem duas fases distintas, correspon- dendo à desprotonação de dois grupos diferentes na gli- cina. Cada uma das duas fases se assemelha ao formato da curva de titulação de um ácido monoprótico, como o 4-Hidroxiprolina H3 N 1 CH2 C OH H CH2 CH2 C 1 NH3 H COO2 5-Hidroxilisina CH3 NH CH2 CH2 CH2 CH2 CH COO 6-N-Metil-lisina 2OOC C COO2 H CH2 C 1NH3 H COO2 g-Carboxiglutamato C H3 N 1 2OOC H (CH2 )2 C H3 N 1 COO2 H (CH2 )3 C N 1 H3 COO H C (C N 1 H2 )4 H3 N 1 COO2 H Desmosina HSe CH2 C 1NH3 H COO2 2 Selenocisteína(a) (CH2 )2 2 1NH3 OH N H2 1 COO2 N N (b) Fosfosserina 2O 2O P O CH2 CO 1NH3 H COO2 s-N-Metil-arginina C1 CH2 C 1NH3 H COO2 CH3 CH2CH2 H2 N HN NH 6-N-Acetilisina Fosfotirosina 2O 2O P O O CH2 C 1NH3 H COO2 Adenililtirosina CH2 C 1NH3 H COO2CH2CH2CH2 C CH3 HN O Éster de metil-glutamato CH2 C 1NH3 H COO2CH2COH3 C O Fosfotreonina 2O 2O P O 3 CO 1NH3 H CH CH COO2 CH2 C 1NH3 H COO2N N NH2 H H H H OH O H O H2 C O O OP 2O H3 N CH2 CH2 CH2 C 1 1 NH3 H COO2 Ornitina H2 N C O N H CH2 CH2 CH2 C 1NH3 H COO2 Citrulina(c) FIGURA 38 Aminoácidos raros. (a) Alguns aminoácidos raros encontrados em proteínas. Todos são derivados de ami- noácidos comuns. Grupos funcionais extras adicionados por reações de modificação são mostrados em vermelho. A des- mosina é formada a partir de quatro resíduos Lys (os esque- letos de carbono estão sombreados). Observe o uso tanto de números quanto de letras gregas nos nomes dessas estruturas para identificar os átomos de carbono alterados. (b) Modifica- ções dos aminoácidos reversíveis envolvidos na regulação da atividade proteica. A fosforilação é o tipo mais comum de mo- dificação regulatória. (c) Ornitina e citrulina, não encontrados em proteínas, são intermediários na biossíntese de arginina e no ciclo da ureia. Nelson_6ed_book.indb 82 Nelson_6ed_book.indb 82 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 82 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX Os dois grupos ionizáveis de glicina, o grupo carboxila e o grupo amino, são titulados com uma base forte, como NaOH. O gráfico tem duas fases distintas, correspon- dendo à desprotonação de dois grupos diferentes na gli- cina. Cada uma das duas fases se assemelha ao formato da curva de titulação de um ácido monoprótico, como o 4-Hidroxiprolina H3 N 1 CH2 C OH H CH2 CH2 C 1 NH3 H COO2 5-Hidroxilisina CH3 NH CH2 CH2 CH2 CH2 CH COO 6-N-Metil-lisina 2OOC C COO2 H CH2 C 1NH3 H COO2 g-Carboxiglutamato C H3 N 1 2OOC H (CH2 )2 C H3 N 1 COO2 H (CH2 )3 C N 1 H3 COO H C (C N 1 H2 )4 H3 N 1 COO2 H Desmosina HSe CH2 C 1NH3 H COO2 2 Selenocisteína(a) (CH2 )2 2 1NH3 OH N H2 1 COO2 N N (b) Fosfosserina 2O 2O P O CH2 CO 1NH3 H COO2 s-N-Metil-arginina C1 CH2 C 1NH3 H COO2 CH3 CH2CH2 H2 N HN NH 6-N-Acetilisina Fosfotirosina 2O 2O P O O CH2 C 1NH3 H COO2 Adenililtirosina CH2 C 1NH3 H COO2CH2CH2CH2 C CH3 HN O Éster de metil-glutamato CH2 C 1NH3 H COO2CH2COH3 C O Fosfotreonina 2O 2O P O 3 CO 1NH3 H CH CH COO2 CH2 C 1NH3 H COO2N N NH2 H H H H OH O H O H2 C O O OP 2O H3 N CH2 CH2 CH2 C 1 1 NH3 H COO2 Ornitina H2 N C O N H CH2 CH2 CH2 C 1NH3 H COO2 Citrulina(c) FIGURA 38 Aminoácidos raros. (a) Alguns aminoácidos raros encontrados em proteínas. Todos são derivados de ami- noácidos comuns. Grupos funcionais extras adicionados por reações de modificação são mostrados em vermelho. A des- mosina é formada a partir de quatro resíduos Lys (os esque- letos de carbono estão sombreados). Observe o uso tanto de números quanto de letras gregas nos nomes dessas estruturas para identificar os átomos de carbono alterados. (b) Modifica- ções dos aminoácidos reversíveis envolvidos na regulação da atividade proteica. A fosforilação é o tipo mais comum de mo- dificação regulatória. (c) Ornitina e citrulina, não encontrados em proteínas, são intermediários na biossíntese de arginina e no ciclo da ureia. Nelson_6ed_book.indb 82 Nelson_6ed_book.indb 82 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 82 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX Os dois grupos ionizáveis de glicina, o grupo carboxila e o grupo amino, são titulados com uma base forte, como NaOH. O gráfico tem duas fases distintas, correspon- dendo à desprotonação de dois grupos diferentes na gli- cina. Cada uma das duas fases se assemelha ao formato da curva de titulação de um ácido monoprótico, como o 4-Hidroxiprolina H3 N 1 CH2 C OH H CH2 CH2 C 1 NH3 H COO2 5-Hidroxilisina CH3 NH CH2 CH2 CH2 CH2 CH COO 6-N-Metil-lisina 2OOC C COO2 H CH2 C 1NH3 H COO2 g-Carboxiglutamato C H3 N 1 2OOC H (CH2 )2 C H3 N 1 COO2 H (CH2 )3 C N 1 H3 COO H C (C N 1 H2 )4 H3 N 1 COO2 H Desmosina HSe CH2 C 1NH3 H COO2 2 Selenocisteína(a) (CH2 )2 2 1NH3 OH N H2 1 COO2 N N (b) Fosfosserina 2O 2O P O CH2 CO 1NH3 H COO2 s-N-Metil-arginina C1 CH2 C 1NH3 H COO2 CH3 CH2CH2 H2 N HN NH 6-N-Acetilisina Fosfotirosina 2O 2O P O O CH2 C 1NH3 H COO2 Adenililtirosina CH2 C 1NH3 H COO2CH2CH2CH2 C CH3 HN O Éster de metil-glutamato CH2 C 1NH3 H COO2CH2COH3 C O Fosfotreonina 2O 2O P O 3 CO 1NH3 H CH CH COO2 CH2 C 1NH3 H COO2N N NH2 H H H H OH O H O H2 C O O OP 2O H3 N CH2 CH2 CH2 C 1 1 NH3 H COO2 Ornitina H2 N C O N H CH2 CH2 CH2 C 1NH3 H COO2 Citrulina(c) FIGURA 38 Aminoácidos raros. (a) Alguns aminoácidos raros encontrados em proteínas. Todos são derivados de ami- noácidos comuns. Grupos funcionais extras adicionados por reações de modificação são mostrados em vermelho. A des- mosina é formada a partir de quatro resíduos Lys (os esque- letos de carbono estão sombreados). Observe o uso tanto de números quanto de letras gregas nos nomes dessas estruturas para identificar os átomos de carbono alterados. (b) Modifica- ções dos aminoácidos reversíveis envolvidos na regulação da atividade proteica. A fosforilação é o tipo mais comum de mo- dificação regulatória. (c) Ornitina e citrulina, não encontrados em proteínas, são intermediários na biossíntese de arginina e no ciclo da ureia. Nelson_6ed_book.indb 82 Nelson_6ed_book.indb 82 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 83 ácido acético (ver Figura 2–17), e pode ser analisada do mesmo modo. Em pH muito baixo, a espécie iônica pre- dominante de glicina é a forma completamente protona- da, 1H3N¬CH2¬COOH. No primeiro estágio da titulação, o grupo ¬COOH de glicina perde seu próton. No ponto médio desse estágio, estão presentesconcentrações equi- molares de espécies doadoras (1H3N¬CH2¬COOH) e aceptoras (1H3N¬CH2¬COO–) de prótons. Como na ti- tulação de qualquer ácido fraco, um ponto de inflexão é alcançado nesse ponto médio onde o pH é igual ao pKa do grupo protonado que está sendo titulado (ver Figura 2-18). Para a glicina, o pH no ponto médio é 2,34, portan- to seu grupo ¬COOH tem um pKa (marcado pK1 na Figu- ra 3-10) de 2,34 (lembre-se do Capítulo 2 que pH e pKa são simplesmente notações convenientes para concentra- ção de prótons e a constante de equilíbrio para ionização, respectivamente. O pKa é uma medida da tendência de um grupo doar um próton, com essa tendência diminuin- do dez vezes à medida que o pKa aumenta em uma unida- de). À medida que a titulação da glicina prossegue, outro ponto importante é alcançado no pH 5,97. Aqui há outro ponto de inflexão, no qual a remoção do primeiro próton está completa e a remoção do segundo apenas começou. Nesse pH, a glicina está presente em grande parte como o íon bipolar (zwitteríon) 1H3N¬CH2¬COO–. Em breve será analisado o significado desse ponto de inflexão na curva de titulação (marcado como pI na Figura 3-10). O segundo estágio da titulação corresponde à remoção de um próton do grupo ¬NH1 3 da glicina. O pH no ponto médio dessa fase é 9,60, igual ao pKa (marcado pK2 na Figu- ra 3-10) para o grupo ¬NH1 3. A titulação está completa em um pH de cerca de 12, no ponto em que a forma predomi- nante de glicina é H2N¬CH2¬COO–. A partir da curva de titulação da glicina, é possível obter várias informações importantes. Em primeiro lugar, ela for- nece uma medida quantitativa do pKa de cada um dos dois grupos ionizáveis: 2,34 para o grupo ¬COOH e 9,60 para o grupo ¬NH1 3. Observe que o grupo carboxila da glicina é mais de cem vezes mais ácido (mais facilmente ionizado) do que o grupo carboxila do ácido acético, que, como foi visto no Capítulo 2, tem um pKa de 4,76 – próximo da média para um grupo carboxila ligado a um hidrocarboneto alifático não substituído. O pKa alterado da glicina é provocado pela repulsão entre o próton que está saindo e o grupo amino próximo positivamente carregado no átomo de carbono a, como descrito na Figura 3-11. As cargas opostas no zwit- teríon resultante estão estabilizadas. De modo semelhante, o pKa do grupo amino na glicina é alterado para baixo em relação ao pKa médio de um grupo amino. Esse efeito se deve parcialmente aos átomos de oxigênio eletronegativos nos grupos carboxila, que tendem a puxar os elétrons na direção deles, aumentando a tendência do grupo amino em abrir mão de um próton. Assim, o grupo a-amino tem um pKa menor do que o de um de uma amina alifática, como a metilamina (Figura 3-11). Em resumo, o pKa de qualquer grupo funcional é em grande parte afetado por seu ambien- te químico, fenômeno algumas vezes explorado nos sítios ativos de enzimas para promover mecanismos de reação ex- traordinariamente adaptados que dependem dos valores de pKa perturbados de grupos doadores/aceptores de prótons de resíduos específicos. Forma não iônica Forma zwitteriônica C NH2 R H COOH C NH3 R H H C COO COO R NH3 H C COOR NH2 H Zwitteríon como ácido H C COOHR H C COOR NH3 H NH3 Zwitteríon como base FIGURA 39 Formas não iônicas e zwitteriônicas de aminoácidos. A forma não iônica não ocorre em quantidades significativas em soluções aquosas. O zwitteríon predomina em pH neutro. Um zwitteríon pode atu- ar tanto como ácido (doador de prótons) quanto como base (aceptor de prótons). N 1 N 1 C COOH H2 H3 C COO2 H2 H3 N C COO2 H2 H2 13 0,5 OH2 (equivalentes) pH 0 0 7 21,51 pK1 pK2 Glicina pK2 5 9,60 pK1 5 2,34 pI 5 5,97 FIGURA 310 Titulação de um aminoácido. Aqui é mostrada a curva de titulação de 0,1 M de glicina a 25ºC. As espécies iônicas que predominam em pontos-chave na titulação são mostradas acima do gráfico. Os retângulos sombreados, centrados em torno de pK1 5 2,34 e pK2 5 9,60, indicam as regiões de maior poder de tamponamento. Observe que 1 equivalente de OH– 5 0,1 M de NaOH foi adicionado. Nelson_6ed_book.indb 83 Nelson_6ed_book.indb 83 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 Curvas de Titulação de Aminoácidos ● A titulação ácido-base envolve a adição ou remoção gradual de prótons. CURVA DE TITULAÇÃO DA GLICINA ● O gráfico tem duas fases distintas, correspondendo à desprotonação de dois grupos diferentes na glicina. ● Em pH muito baixo, a espécie iônica predominante de glicina é a forma completamente protonada. ● No primeiro estágio da titulação, o grupo -COOH de glicina perde seu próton. ↳ No ponto médio desse estágio, estão presentes concentrações equimolares de gl icina na forma catiônica (carga final positiva) e na forma de íon dipolar (carga neutra). ↳ Nesse ponto médio, o pH é igual ao pKa do grupo provocado que está sendo titulado. Para a glicina, o pH no ponto médio é 2,34, portanto seu grupo - COOH tem um pKa de 2,34 (pK1) . ● No pH 5,97 a remoção do primeiro próton está completa e a remoção do segundo apenas começou. ↳ Nesse pH, a glicina está presente em grande parte como o íon bipolar (zwitteríon), sem carga elétrica final . ↳ O pH característico no qual a carga elétrica final é zero é chamado de ponto isoelétrico (pI) . ↪ Para a glicina, que não possui qualquer grupo ionizável em sua cadeia latera l , o ponto isoelétrico é simplesmente a média aritmética dos dois valores de pKa. ● O segundo estágio da titulação corresponde à remoção de um próton do grupo -NH3+ da glicina. ↳ O pH no ponto médio dessa fase é 9,60, que é o valor de pKa para o grupo -NH3+ (pK2). Aqui existem concentrações iguais de glicina na forma de íon dipolar e de forma aniônica (carga negativa). ● A titulação está completa em um pH de cerca de 12, no ponto em que a forma predominante de glicina é H2N⏤CH2⏤COO-. ● O gráfico mostra que a glicina tem duas regiões com poder de tamponamento. ↳ Cada uma se estende por aproximadamente 1 unidade de pH de cada lado de cada pKa. Diferenças das propriedades acido-básicas ● Todos os aminoácidos que possuem um grupo R não ionizável têm curvas de titulação semelhantes à da glicina e possuem valores de pKa muito semelhantes, mas não idênticos. ● Os aminoácidos com um grupo R ionizável têm curvas de titulação mais complexas, com três estágios de ionização. ↳ O estágio adicional para a titulação do grupo R ionizável se funde, em algum grau, com aquele para a titulação do grupo α-carboxila, para a titulação do grupo α-amino, ou ambos. ↳ Os pontos isoelétricos refletem a natureza dos grupos R ionizáveis presentes. ● Quando os aminoácidos estiverem em uma cadeia, os que estiverem no centro da cadeia perderão essa propriedade ácido-base em relação ao grupamento amina e carboxila principais, pois estes grupos estarão comprometidos na ligação peptídica. ↳ Os aminoácidos das extremidades ainda terão essas propriedades, assim como a cadeia lateral, caso seja ionizável. CURVA DE TITULAÇÃO DO GLUTAMATO ● O pKa do grupo R é designado aqui como pKr. ● Para determinar o pI, deve ser observado entre quais pKa’s está localizado o íon dipolar. ↳ No caso do glutamato, como o íon dipolar está localizado entre o pK1 e o pKr, o pI será calculado pela média simples desses dois valores, não se levando em consideração o pK2. P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 83 ácido acético (ver Figura 2–17), e pode ser analisada do mesmo modo. Em pH muito baixo, a espécie iônica pre- dominante de glicina é a forma completamente protona- da, 1H3N¬CH2¬COOH. No primeiro estágio da titulação, o grupo ¬COOH de glicina perde seu próton. No ponto médio desse estágio, estão presentes concentrações equi- molares de espécies doadoras (1H3N¬CH2¬COOH) e aceptoras (1H3N¬CH2¬COO–) de prótons. Como na ti- tulação de qualquer ácido fraco, um ponto de inflexão é alcançado nesse ponto médio onde o pH é igual ao pKa do grupo protonadoque está sendo titulado (ver Figura 2-18). Para a glicina, o pH no ponto médio é 2,34, portan- to seu grupo ¬COOH tem um pKa (marcado pK1 na Figu- ra 3-10) de 2,34 (lembre-se do Capítulo 2 que pH e pKa são simplesmente notações convenientes para concentra- ção de prótons e a constante de equilíbrio para ionização, respectivamente. O pKa é uma medida da tendência de um grupo doar um próton, com essa tendência diminuin- do dez vezes à medida que o pKa aumenta em uma unida- de). À medida que a titulação da glicina prossegue, outro ponto importante é alcançado no pH 5,97. Aqui há outro ponto de inflexão, no qual a remoção do primeiro próton está completa e a remoção do segundo apenas começou. Nesse pH, a glicina está presente em grande parte como o íon bipolar (zwitteríon) 1H3N¬CH2¬COO–. Em breve será analisado o significado desse ponto de inflexão na curva de titulação (marcado como pI na Figura 3-10). O segundo estágio da titulação corresponde à remoção de um próton do grupo ¬NH1 3 da glicina. O pH no ponto médio dessa fase é 9,60, igual ao pKa (marcado pK2 na Figu- ra 3-10) para o grupo ¬NH1 3. A titulação está completa em um pH de cerca de 12, no ponto em que a forma predomi- nante de glicina é H2N¬CH2¬COO–. A partir da curva de titulação da glicina, é possível obter várias informações importantes. Em primeiro lugar, ela for- nece uma medida quantitativa do pKa de cada um dos dois grupos ionizáveis: 2,34 para o grupo ¬COOH e 9,60 para o grupo ¬NH1 3. Observe que o grupo carboxila da glicina é mais de cem vezes mais ácido (mais facilmente ionizado) do que o grupo carboxila do ácido acético, que, como foi visto no Capítulo 2, tem um pKa de 4,76 – próximo da média para um grupo carboxila ligado a um hidrocarboneto alifático não substituído. O pKa alterado da glicina é provocado pela repulsão entre o próton que está saindo e o grupo amino próximo positivamente carregado no átomo de carbono a, como descrito na Figura 3-11. As cargas opostas no zwit- teríon resultante estão estabilizadas. De modo semelhante, o pKa do grupo amino na glicina é alterado para baixo em relação ao pKa médio de um grupo amino. Esse efeito se deve parcialmente aos átomos de oxigênio eletronegativos nos grupos carboxila, que tendem a puxar os elétrons na direção deles, aumentando a tendência do grupo amino em abrir mão de um próton. Assim, o grupo a-amino tem um pKa menor do que o de um de uma amina alifática, como a metilamina (Figura 3-11). Em resumo, o pKa de qualquer grupo funcional é em grande parte afetado por seu ambien- te químico, fenômeno algumas vezes explorado nos sítios ativos de enzimas para promover mecanismos de reação ex- traordinariamente adaptados que dependem dos valores de pKa perturbados de grupos doadores/aceptores de prótons de resíduos específicos. Forma não iônica Forma zwitteriônica C NH2 R H COOH C NH3 R H H C COO COO R NH3 H C COOR NH2 H Zwitteríon como ácido H C COOHR H C COOR NH3 H NH3 Zwitteríon como base FIGURA 39 Formas não iônicas e zwitteriônicas de aminoácidos. A forma não iônica não ocorre em quantidades significativas em soluções aquosas. O zwitteríon predomina em pH neutro. Um zwitteríon pode atu- ar tanto como ácido (doador de prótons) quanto como base (aceptor de prótons). N 1 N 1 C COOH H2 H3 C COO2 H2 H3 N C COO2 H2 H2 13 0,5 OH2 (equivalentes) pH 0 0 7 21,51 pK1 pK2 Glicina pK2 5 9,60 pK1 5 2,34 pI 5 5,97 FIGURA 310 Titulação de um aminoácido. Aqui é mostrada a curva de titulação de 0,1 M de glicina a 25ºC. As espécies iônicas que predominam em pontos-chave na titulação são mostradas acima do gráfico. Os retângulos sombreados, centrados em torno de pK1 5 2,34 e pK2 5 9,60, indicam as regiões de maior poder de tamponamento. Observe que 1 equivalente de OH– 5 0,1 M de NaOH foi adicionado. Nelson_6ed_book.indb 83 Nelson_6ed_book.indb 83 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 85 sim, eles possuem três valores de pKa. O estágio adicional para a titulação do grupo R ionizável se funde, em algum grau, com aquele para a titulação do grupo a-carboxila, para a titulação do grupo a-amino, ou ambos. As curvas de titulação para dois aminoácidos desse grupo, glutama- to e histidina, são mostradas na Figura 3-12. Os pontos isoelétricos refletem a natureza dos grupos R ionizáveis presentes. Por exemplo, o glutamato tem um pI de 3,22, consideravelmente mais baixo do que o da glicina. Isso se deve à presença de dois grupos carboxila, que, na média de seus valores de pKa (3,22), contribuem para uma carga final de –1 que equilibra o 11 proveniente do grupo ami- na. Do mesmo modo, o pI da histidina, com dois grupos positivamente carregados quando protonados, é de 7,59 (a média dos valores de pKa dos grupos amina e imidazol), muito mais alto do que aquele da glicina. Por fim, como apontado anteriormente, sob a condição geral de exposição livre e aberta ao ambiente aquoso, ape- nas a histidina tem um grupo R (pKa 5 6,0) que fornece um poder de tamponamento significativo próximo do pH neutro normalmente encontrado nos líquidos intracelula- res e extracelulares da maior parte dos animais e bactérias (Tabela 3-1). RESUMO 3.1 Aminoácidos c Os 20 aminoácidos comumente encontrados como re- síduos em proteínas contêm um grupo a-carboxila, um grupo a-amino e um grupo R característico substituído no átomo do carbono a. O átomo de carbono a de to- dos os aminoácidos, exceto a glicina, é assimétrico e, portanto, os aminoácidos podem existir em pelo menos duas formas estereoisoméricas. Apenas os estereoisô- meros L, com uma configuração relacionada à configura- ção absoluta da molécula de referência L gliceraldeído, são encontrados em proteínas. c Outros aminoácidos menos comuns também ocorrem, tanto como constituintes de proteínas (pela modifica- ção de resíduos de aminoácidos comuns após a síntese proteica) quanto como metabólitos livres. c Os aminoácidos podem ser classificados em cinco ti- pos com base na polaridade e carga (em pH 7) de seus grupos R. c Os aminoácidos variam em suas propriedades acido- básicas e têm curvas de titulação características. Ami- noácidos monoamino monocarboxílicos (com grupos R não ionizáveis) são ácidos dipróticos (1H3NCH(R) COOH) em pH baixo e existem em várias formas iôni- cas diferentes à medida que o pH aumenta. Aminoá- cidos com grupos R ionizáveis têm espécies iônicas adicionais, dependendo do pH do meio e do pKa do grupo R. 3.2 Peptídeos e proteínas Agora o foco passa a ser os polímeros de aminoácidos, os peptídeos e as proteínas. Os polipeptídeos que ocorrem biologicamente variam em tamanho de pequenos a muito grandes, consistindo em dois ou três a milhares de resíduos de aminoácidos ligados. Aqui, serão focalizadas as proprie- dades químicas fundamentais desses polímeros. Peptídeos são cadeias de aminoácidos Duas moléculas de aminoácidos podem ser ligadas de modo covalente por meio de uma ligação amida substi- tuída, denominada ligação peptídica, a fim de produzir um dipeptídeo. Tal ligação é formada pela remoção de elementos de água (desidratação) do grupo a-carboxila de um aminoácido e do grupo a-amino do outro (Figura 3-13). A formação da ligação peptídica é um exemplo de H3N 1 N 1 N 1 C COOH C C COOH H2 H2 H pK1 pK2pKR H3 C COO2 C C COOH H2 H2 H H3 C COO2 C C COO2 H2 H2 H H2N C COO2 C C COO2 H2 H2 H Carga final: 11 0 21 22 10 8 6 4 2 0 Glutamato pK2 5 9,67 pKR 5 4,25 pI 5 3,22 pK1 5 2,19 1,0 2,0 3,0 pH OH2 (equivalentes)(a) H3N 1 C COOH CH2 H H3N 1 C COO2 CH2 H H3N 1 C COO2 CH2 H H2N C CH2 H pK2 5 9,17 pl 5 7,59pKR 5 6,0 pK1 5 1,82 10 8 6 4 2 0 1,0 2,0 3,0 pH OH2 (equivalentes)(b) COO2 Histidina pK1 pKR pK2 12 11 0 21 C H N CH C H N 1 H C H N CH C H N 1 H C H N CH C H N C H N CH C H N FIGURA 312 Curvas de titulação para (a) glutamato e(b) histidina. O grupo R do pKa é designado aqui como pKR. Nelson_6ed_book.indb 85 Nelson_6ed_book.indb 85 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 Bcaa ● BCAA são aminoácidos de cadeia ramificada, apolares. São eles: ↳ Leucina ↳ Isoleucina ↳ Valina ● São muito util izados como fonte de energia por vários tecidos, principalmente os músculos. ↳ O fígado não util iza os BCAA, pois não possuem enzimas para fazer o metabolismo deles. ● O cérebro também util iza aminoácidos como fonte de nitrogênio para a produção de neurotransmissores. ● O metabolismo do triptofano e dos BCAA convergem durante o exercício físico. ↳ O triptofano é um aminoácido bastante hidrofóbico, geralmente transportado na corrente sangüínea ligado a proteína albumina. ↳ O triptofano é usado pelo sistema nervoso central para a produção de serotonina, um neurotransmissor que induz uma sensação de relaxamento. ↳ A passagem do triptofano e dos BCAA para o cérebro acontece por meio da mesma proteína transportadora. Tem preferência a molécula que chega primeiro, ou seja, quem tem maior quantidade é favorecido na competição pela passagem.. ↳ Quando o triptofano está ligado à albumina, ele não passa para o SNC, pois a albumina não faz essa passagem. ↳ Durante o exercício físico, o tecido adiposo quebra lipídios e libera ácidos graxos, que vão para a corrente sanguínea. ↳ A albumina tem preferência por ácidos graxos e libera o triptofano para se ligar à eles, aumentando a concentração de triptofano livre no sangue. ↳ Por causa do exercício físico, a demanda energética dos músculos é maior, isso faz com que os músculos util izem BCAA como fonte de energia, o que diminui a quantidade deles no sangue. ↳ Nesse contexto, existe uma maior quantidade de triptofano l ivre do que BCAA no sangue. Isso favorece a passagem de triptofano para o cérebro, e, consequentemente, a produção de serotonina. ↳ Para evitar o relaxamento causado pela serotonina, os a t le tas i ngerem BCAA, para aumentar a quantidade de BCAA no sangue, evitar a passagem de tr iptofano para o SNC e a produção de serotonina. ● A ingestão excessiva de aminoácidos é armazenada como lipídios. Aminoácidos essenciais e não essenciais ● Dos 20 aminoácidos protéicos, 9 não são sintetizados pelo organismo humano, devendo serem obtidos pela dieta. ● Aminoácidos essenciais são aqueles que necessitam ser ingeridos na dieta obrigatoriamente. ↳ A falta de apenas um aminoácido impede a síntese de determinada proteína. ● Aminoác idos não essenc ia i s são aque les que são sintetizados pelo organismo, não sendo obrigatória sua ingestão. ● Existem ainda os aminoácidos condicionamento essenciais, que para um adulto saudável são não essenciais, mas que por uma condição fisiológica ou patológica passam a ser essenciais. ↳ Para crianças em fase de crescimento a arginina é um aminoácido condicionamento essencial, pois sua produção não atende a sua demanda. ↳ Fenilcetonúria: ↪ A tirosina é produzida a partir da fenilalanina. ↪ A fenilalanina é um aminoácido essencial . ↪ A fenilcetonúria é uma doença caracterizada pela ausência de uma enzima que atua no metabolismo da fenilalanina. ↪ Em decorrência dessa ausência, ocorre o acúmulo de fenilalanina. ↪ Como ela não consegue seguir sua via normal, e l a c omeç a a s e g u i r v i a s me t a b ó l i c a s alternativas, gerando produtos que são tóxicos para o SNC, que podem gerar deficiência mental . ↪ Nesse caso, o indivíduo tem que ingerir fenilalanina numa quantidade reduzida. Ele não pode deixar de ingerir fenilalanina por ela ser um aminoácido essencial . ↪ Além disso, como o indivíduo não consegue sintetizar a tirosina, ela também passa a ser um aminoácido essencial . * Condicionalmente essenciais Essenciais Não essenciais Histidina Alanina Leucina Arginina* Isoleucina Aspartato Lisina Asparagina Metionina Cisteína* Fenilalanina Glutamato Treonina Glutamina* Triptofano Glicina* Valina Prolina* Serina Tirosina*(b) histidina. O grupo R do pKa é designado aqui como pKR. Nelson_6ed_book.indb 85 Nelson_6ed_book.indb 85 02/04/14 18:4202/04/14 18:42 Bcaa ● BCAA são aminoácidos de cadeia ramificada, apolares. São eles: ↳ Leucina ↳ Isoleucina ↳ Valina ● São muito util izados como fonte de energia por vários tecidos, principalmente os músculos. ↳ O fígado não util iza os BCAA, pois não possuem enzimas para fazer o metabolismo deles. ● O cérebro também util iza aminoácidos como fonte de nitrogênio para a produção de neurotransmissores. ● O metabolismo do triptofano e dos BCAA convergem durante o exercício físico. ↳ O triptofano é um aminoácido bastante hidrofóbico, geralmente transportado na corrente sangüínea ligado a proteína albumina. ↳ O triptofano é usado pelo sistema nervoso central para a produção de serotonina, um neurotransmissor que induz uma sensação de relaxamento. ↳ A passagem do triptofano e dos BCAA para o cérebro acontece por meio da mesma proteína transportadora. Tem preferência a molécula que chega primeiro, ou seja, quem tem maior quantidade é favorecido na competição pela passagem.. ↳ Quando o triptofano está ligado à albumina, ele não passa para o SNC, pois a albumina não faz essa passagem. ↳ Durante o exercício físico, o tecido adiposo quebra lipídios e libera ácidos graxos, que vão para a corrente sanguínea. ↳ A albumina tem preferência por ácidos graxos e libera o triptofano para se ligar à eles, aumentando a concentração de triptofano livre no sangue. ↳ Por causa do exercício físico, a demanda energética dos músculos é maior, isso faz com que os músculos util izem BCAA como fonte de energia, o que diminui a quantidade deles no sangue. ↳ Nesse contexto, existe uma maior quantidade de triptofano l ivre do que BCAA no sangue. Isso favorece a passagem de triptofano para o cérebro, e, consequentemente, a produção de serotonina. ↳ Para evitar o relaxamento causado pela serotonina, os a t le tas i ngerem BCAA, para aumentar a quantidade de BCAA no sangue, evitar a passagem de tr iptofano para o SNC e a produção de serotonina. ● A ingestão excessiva de aminoácidos é armazenada como lipídios. Aminoácidos essenciais e não essenciais ● Dos 20 aminoácidos protéicos, 9 não são sintetizados pelo organismo humano, devendo serem obtidos pela dieta. ● Aminoácidos essenciais são aqueles que necessitam ser ingeridos na dieta obrigatoriamente. ↳ A falta de apenas um aminoácido impede a síntese de determinada proteína. ● Aminoác idos não essenc ia i s são aque les que são sintetizados pelo organismo, não sendo obrigatória sua ingestão. ● Existem ainda os aminoácidos condicionamento essenciais, que para um adulto saudável são não essenciais, mas que por uma condição fisiológica ou patológica passam a ser essenciais. ↳ Para crianças em fase de crescimento a arginina é um aminoácido condicionamento essencial, pois sua produção não atende a sua demanda. ↳ Fenilcetonúria: ↪ A tirosina é produzida a partir da fenilalanina. ↪ A fenilalanina é um aminoácido essencial . ↪ A fenilcetonúria é uma doença caracterizada pela ausência de uma enzima que atua no metabolismo da fenilalanina. ↪ Em decorrência dessa ausência, ocorre o acúmulo de fenilalanina. ↪ Como ela não consegue seguir sua via normal, e l a c omeç a a s e g u i r v i a s me t a b ó l i c a s alternativas, gerando produtos que são tóxicos para o SNC, que podem gerar deficiência mental . ↪ Nesse caso, o indivíduo tem que ingerir fenilalanina numa quantidade reduzida. Ele não pode deixar de ingerir fenilalanina por ela ser um aminoácido essencial . ↪ Além disso, como o indivíduo não consegue sintetizar a tirosina, ela também passa a ser um aminoácido essencial . * Condicionalmente essenciais Essenciais Não essenciais Histidina Alanina Leucina Arginina* Isoleucina Aspartato Lisina Asparagina Metionina Cisteína* Fenilalanina Glutamato Treonina Glutamina* Triptofano Glicina* Valina Prolina* Serina Tirosina*