CEDERJ Propriedades Químicas dos Aminoácidos I

Prévia do material em texto

Propriedades químicas dos aminoácidos I
C E D E R J69
M Ó D U LO 2 - AULA 9
Propriedades químicas
dos aminoácidos I
1. Propriedades químicas dos aminoácidos
Na aula anterior fomos apresentados aos vinte tipos de aminoácidos e agora já
conhecemos a “cara” que eles apresentam.
Objetivos
Na aula de hoje vamos estudar algumas das propriedades químicas dos
aminoácidos, como a capacidade de receber ou doar prótons, que é de fundamental
importância quando formos, por exemplo, estudar o mecanismo de funcionamento
das enzimas. Daí a necessidade de compreendermos essa capacidade curiosa dos
aminoácidos.
Para realizarem seu trabalho, muitas vezes as enzimas precisam protonar ou
desprotonar seus substratos para gerar o produto da reação. Esses prótons são
removidos com a ajuda dos aminoácidos que estão presentes no sítio ativo das enzimas
(local da enzima onde ocorre a reação enzimática). Isto só é possível graças à capacidade
que os aminoácidos possuem de agir como ácidos (doarem prótons) ou bases (receberem
prótons). Já discutimos este assunto na Aula 6, quando apresentamos a definição de
ácidos e bases. Agora vamos ver como isto se aplica aos aminoácidos.
2. O comportamento dos aminoácidos em solução
Quando um L-aminoácido é dissolvido em água ele pode existir como um íon
dipolar ou zwiterion (do alemão “íon híbrido”), conforme visto na Figura 9.1.
O aminoácido é dipolar porque ele possui dois pólos: um positivo (NH
3
+) e
outro negativo (COO–). Substâncias que apresentam essa dualidade de cargas são
ditas anfotéricas (anfólitos).
Figura 9.1: Forma dipolar dos aminoácidos.
ZWITERION, ANFÓLITOS
Vale a pena lembrarmos
que a escala de pH
varia de forma
logarítmica. Isso quer
dizer que se mudarmos
o pH de 7 para 6, por
exemplo, estamos
aumentando a concen-
tração de hidrogênio
livre na solução em 10
vezes e não uma vez,
como poderia parecer.
Se mudarmos o pH de
7 para 5, aumentamos a
concentração de
hidrogênios livres em
100 vezes e assim por
diante. Por outro lado,
se subirmos o pH de 7
para 9, diminuímos a
concentração de
hidrogênios livres em
100 vezes. Podemos
diminuir o pH de uma
solução adicionando
ácidos, como, por
exemplo, ácido
clorídrico, ácido acético,
ácido sulfúrico. Podemos
também aumentar o pH
de uma solução adicio-
nando uma base, como,
por exemplo, hidróxido
de sódio ou hidróxido
de potássio. Para
refrescar sua memória,
reveja a Aula 6.
Aula_09.p65 5/18/2004, 8:14 AM69
Propriedades químicas dos aminoácidos I
70C E D E R J
BIOQUÍMICA IQUÍMICA I
Na forma dipolar, o grupamento carboxila (COO–) é capaz de receber um próton,
e o grupamento amino (NH
3
+) é capaz de doar um próton. Se isto ocorre temos, então:
Mas quando será que esta situação pode ocorrer, isto é, quando pode
haver entrada ou saída de prótons da molécula de um aminoácido? Quando
este aminoácido é dissolvido em uma solução que não esteja a pH 7.
Se dissolvermos o aminoácido em pH 2 (solução ácida), por exemplo, ocorrerá
a entrada de prótons na molécula do aminoácido, já que neste pH a quantidade de
prótons livres é 100.000 vezes maior do que em pH 7, conforme vimos na Aula 6.
Contrariamente, se dissolvermos o aminoácido em uma solução com pH 9
(solução básica), onde a concentração de prótons livres é 100 vezes menor do que
em pH 7, ocorrerá a saída de prótons da molécula do aminoácido. Estes dois casos
extremos podem parecer drásticos e pouco realísticos, mas na verdade não são.
Levando em conta que no estômago, onde se dá a digestão das proteínas, o pH pode
chegar a 1,5 ou 2, é provável que os aminoácidos aí encontrem tais extremos. Nos
lisossomas das nossas células, onde muitas de nossas proteínas são degradadas e
recicladas, o pH pode atingir valores em torno de 5. Muitas bactérias podem viver
em ambientes de pH extremos como pHs básicos, por exemplo.
3. Curvas de Titulação: Como os aminoácidos se comportam
frente à variação de pH?
Vamos agora tomar como exemplo a glicina,
já que é o aminoácido mais simples de todos, e
observar o que ocorre com sua molécula quando
ela é exposta à variação de pH.
Figura 9.3: Glicina em pH 1. Observe a quantidade
de H+ livres. Isto ocorre porque o pH é muito ácido.
O que ocorre com
a glicina quando o
pH muda.
Figura 9.2: Os grupos amino e carboxílico como
aceptores e doadores de prótons, respectivamente.
Aula_09.p65 5/18/2004, 8:14 AM70
Propriedades químicas dos aminoácidos I
C E D E R J71
M Ó D U LO 2 - AULA 9
Os H+ representam os prótons livres em pH 1. Neste pH, como existe muito H+
livre, a glicina está completamente protonada, isto é, sua carboxila está na forma
COOH e o seu grupamento amino na forma NH
3
+. Neste pH, a carga líquida da
glicina é +1.
Se agora forem adicionadas a esta solução gotas de uma base, como KOH
(hidróxido de potássio), por exemplo, o pH tenderá a subir já que a hidroxila (OH-)
do KOH “roubará” os prótons livres da solução, formando água (H+ + OH- ↔ H
2
O).
Com menos prótons livres, o pH sobe para valores mais altos.
Vamos, então, continuar adicionando mais hidróxido de potássio. O pH conti-
nuará a subir até um ponto em que, mesmo colocando mais hidróxido de potássio, ele
passa a não se alterar grandemente (Figura 9.7, mais adiante).
O que está ocorrendo, neste momento? Neste valor de pH, o grupamento COOH
da glicina começa a perder seu próton (passando à forma COO–). Neste momento, os
prótons da solução, “roubados” pela hidroxila adicionada, são compensados pelos
prótons liberados pela carboxila da glicina, o que faz com que o pH não se altere. Neste
momento a carga da glicina é zero (Figura 9.4). Podemos dizer que ela atuou então
como um tampão, pois, ao perder o hidrogênio da carboxila, evitou que o pH da solução
subisse muito. Para relembrar o conceito de tampão, veja a Aula 7. Observe:
Figura 9.4: Glicina em pH 6, por exemplo.
Se continuarmos a adicionar mais hidróxido de potássio, toda a glicina já terá
perdido seu hidrogênio da carboxila e, então, o pH da solução voltará a subir muito
rapidamente (Figura 9.7, mais adiante). Neste momento, a solução fica rica em
hidroxilas livres. Adicionado-se mais e mais hidróxido de potássio, percebemos que há
um segundo momento no qual o pH da solução não mais se altera. E agora, o que será que
está acontecendo?
A resposta é simples. Uma vez que adicionamos muito hidróxido de potássio, o
pH da solução ficou em torno de 8 ou 9, ou seja, a concentração de prótons livres
ficou muito baixa e a concentração de hidroxilas livres tornou-se relevante. Por conta
disso, o que acontece com a glicina ali presente?
Aula_09.p65 5/18/2004, 8:14 AM71
Propriedades químicas dos aminoácidos I
72C E D E R J
BIOQUÍMICA IQUÍMICA I
Simples... Neste valor de pH, o grupamento NH
3
+ da glicina passa a perder seu
próton que se junta às hidroxilas adicionadas formando novamente água, e, com isto,
o pH da solução fica inalterado. Neste momento, a glicina tem a fórmula apresentada
na Figura 9.5.
Sua carga neste ponto é -1 e o pH da solução já está básico (acima de 7).
Enfim, a seqüência de eventos, mostrada a seguir, resume o que acabamos de ver.
Figura 9.6: Resumo do que ocorre com a glicina quando o pH da solução sobe de 1 para 10, por exemplo.
Figura 9.5: Glicina em pH 10, por exemplo.
Essa mudança de pH pode também ser expressa por uma curva de titulação,
conforme será visto na Figura 9.7. Como podemos observar, a carga da glicina vai se
alterando à medida que o pH da solução vai de ácido para básico.
Aula_09.p65 5/18/2004, 8:14 AM72
Propriedades químicas dos aminoácidos I
C E D E R J73
M Ó D U LO 2 - AULA 9
Figura 9.7: Curva de titulação da glicina.Como vemos, à medida que adicionamos hidroxilas (OH) a uma solução, que
contém aminoácido dissolvido, podemos remover um a um os prótons (H+) que estão
presos à molécula do aminoácido para formar água (H
2
O).
Temos, então, perguntas importantes:
(a) Será que existe uma ordem na remoção dos prótons que estão presos
à molécula do aminoácido, ou seja, quem será que perde próton primeiro
durante a curva de titulação, a carboxila ou o grupamento amino?
(b) Ou será que os prótons saem sempre juntos, independente do grupo
ao qual estão presos?
A resposta para estas questões não é difícil. Basta lembrar que os diferentes
grupamentos que contêm prótons possuem afinidades distintas pelos seus prótons.
Desta forma, deve existir uma ordem na saída dos prótons da molécula do aminoácido,
onde os grupamentos que têm mais facilidade de perder seus prótons o fazem nas
primeiras adições de hidroxila. Os grupamentos que têm mais afinidade pelos seus
prótons, perdem-nos apenas quando a quantidade de hidroxila adicionada é muito
alta, ou seja, em pH mais básico.
É exatamente a menor ou a maior afinidade de um grupamento por seu
próton que vai determinar a forma da curva de titulação.
Podemos comparar este comportamento, grosseiramente, ao que ocorre, por
exemplo, quando o vento sopra em uma árvore com folhas amarelas, que estão
fracamente presas ao galho, e com folhas verdes, jovens e bem fixadas ao galho.
Diferença de afinidades
da carboxila e do
grupamento amino
pelo hidrogênio.
OH–(equivalentes)
Aula_09.p65 5/18/2004, 8:14 AM73
Propriedades químicas dos aminoácidos I
74C E D E R J
BIOQUÍMICA IQUÍMICA I
Obviamente, as folhas amarelas são as primeiras a cair ao chão, e só com um vento
mais forte é que as folhas verdes, então, caem.
No nosso caso, o vento é a hidroxila que estamos adicionando à solução de aminoácidos
e as folhas amarelas e verdes são os prótons que devem “cair” ou sair da molécula.
Obviamente, os prótons que são como as folhas amarelas são primeiramente
removidos da molécula, e os prótons que são como as folhas verdes são removidos
posteriormente.
Agora nos cabe perguntar em função da curva de titulação que acabamos
de discutir: por que o próton que está preso à carboxila sai primeiro que o próton
que está preso ao grupamento amino? O grupamento carboxila é um bom doador de
prótons sendo considerado um grupamento ácido, e o grupamento amino é um mau
doador de prótons sendo considerado um grupamento básico. Logo, fazendo uma analogia
com a nossa árvore de folhas amarelas e verdes, o próton da carboxila é tipo “folha
amarela” e o próton do grupo amino é tipo “folha verde”! Se voltarmos à Aula 7 sobre
tampões (Tabela 7.1), veremos que o ácido fosfórico se comporta como uma “folha
amarela”, já que ele perde mais facilmente seu próton do que o ácido carbônico que se
comporta como “folha verde”.
Ao observar a curva de titulação da glicina, mostrada na Figura 9.7, você deve ter
concluído que ela não é muito complicada, pois o grupamento R da glicina, conforme
vimos no começo da Aula 8, é formado por apenas um hidrogênio. Cabe agora analisarmos
as curvas de titulação de um aminoácido ácido (grupo R = COOH) e um básico
(grupo R = NH
3
+).
Figura 9.8
Aula_09.p65 5/18/2004, 8:14 AM74
Propriedades químicas dos aminoácidos I
C E D E R J75
M Ó D U LO 2 - AULA 9
Antes de irmos em frente, vale a pena ressaltar que os hidrogênios que fazem
ligação covalente com o C não são tituláveis, ou seja, não são removidos com os
tratamentos ácidos e básicos aos quais estamos nos referindo neste momento.
Resumo
Os aminoácidos, por apresentarem grupamentos tituláveis como o
grupamento COOH e NH
3
+, comportam-se, em solução, como um
tampão. Se observarmos a curva de titulação dos aminoácidos quando
for adicionado hidróxido de sódio ou potássio à solução, por exemplo, é
possível perceber algumas regiões desta curva onde o pH da solução não
se altera. Nessas regiões, ocorre a saída de prótons dos grupamentos
tituláveis presentes no aminoácido, que neutralizam as hidroxilas
adicionadas. Tal propriedade dos aminoácidos é muito importante, por
exemplo, para o funcionamento das enzimas, como veremos adiante.
Exercícios
1. Por que podemos dizer que os aminoácidos podem funcionar como
tampão quando em solução?
2. Descreva, com suas palavras, a curva de titulação apresentada na
Figura 9.7. Por que existem regiões da curva em que o pH não se altera
e regiões em que o pH se altera? Discuta sua resposta com seus colegas e tutores.
Continuaremos com este assunto na próxima aula quando mostraremos a titulação
do ácido glutâmico, um aminoácido ácido; e da lisina, um aminoácido básico. Se você
ainda tem dúvida quanto à titulação da glicina, vale a pena uma releitura desta aula,
pois facilitará a compreensão da próxima.
Se lembrarmos da
Aula 5 veremos que,
segundo Johansen
Brønsted e Thomas
Lowry, ácido é toda
molécula capaz de
doar prótons e base
é toda molécula capaz
de receber prótons.
Nos aminoácidos,
a carboxila apresenta
caráter ácido e o
grupamento amino
caráter básico.
Aula_09.p65 5/18/2004, 8:14 AM75