CEDERJ Propriedades Químicas dos Aminoácidos II

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Propriedades químicas dos aminoácidos II
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M Ó D U LO 2 - AULA 10
Propriedades químicas
dos aminoácidos II
Objetivos
Nesta aula vamos continuar estudando o comportamento dos aminoácidos
quando expostos à variação do pH. Já vimos, na aula passada, o que ocorre com a
glicina e agora vamos analisar o comportamento do ácido glutâmico e da lisina.
Antes de prosseguirmos, reveja na Aula 8 a fórmula do ácido glutâmico e da lisina,
principalmente como são os seus grupamentos R. Conforme já discutimos, o ácido
glutâmico se enquadra no grupo dos aminoácidos ácidos e a lisina no grupo dos
aminoácidos básicos. Você se lembra?
Comecemos pelo ácido glutâmico!
1. Titulação do Ácido Glutâmico
A Figura 10.1 mostra a curva de titulação do glutamato ou ácido glutâmico.
Veja que, embora não estejam bem definidos, existem três platôs nesta curva. Você
seria capaz de dizer por que existem esses platôs e a que eles se referem?
Se você respondeu que a existência do primeiro platô se deve à saída do
hidrogênio da carboxila ligada ao carbono α, a do segundo se deve à saída do hidrogênio
ligado à carboxila do grupamento R e o terceiro, à saída do hidrogênio do grupamento
amino, você marcou um belo gol!
Figura 10.1: Curva de titulação do ácido glutâmico.’
ÁCIDO GLUTÂMICO
É a forma ácida do
glutamato. No ácido
glutâmico, a carboxila
tem a fórmula COOH e
no glutamato ela tem a
fórmula COO-.
Glutamato = Ácido Glutâmico
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Vamos agora explorar e compreender cada região desta curva. Comecemos
com o ácido glutâmico em pH bem ácido, como por exemplo pH 1.
Em pH 1, o ácido glutâmico apresenta-se completamente protonado: suas duas
carboxilas estão na forma COOH e seu grupamento amino na forma NH
3
+. Desta
maneira, ele apresenta carga +1, conforme mostra a Figura 10.2.
À medida que adicionamos hidróxido de potássio à solução, o pH da solução
vai se elevando até um ponto em que não sobe mais (início do primeiro platô). Neste
ponto, o próton da carboxila ligado ao carbono α é removido e, enquanto isso acontece,
o pH da solução pouco se altera.
Continuando a adição de hidróxido de potássio, vemos que o pH da solução
sobe lentamente até atingir um valor de pH onde se forma o que seria um segundo
platô. Nesse ponto, é o próton da carboxila do grupamento R que está deixando a
molécula do ácido glutâmico.
A adição de mais hidróxido de potássio acarreta uma rápida subida do pH, até
que tem início o terceiro platô, em torno de pH 9, ponto no qual o próton do
grupamento amino passa a deixar a molécula do glutamato.
Obviamente, o primeiro e o segundo platôs não ficam muito evidentes e acabam
por se misturar já que, por serem muito próximos, o fim de um passa a ser o começo
do outro.
Figura 10.2: Ácido glutâmico em pH ácido.
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Figura 10.3: Titulação do ácido glutâmico.
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2. Titulação da lisina
A Figura 10.4 mostra a curva de titulação da lisina, um aminoácido com NH
3
+
no grupamento R.
Agora você vai, sozinho, observar e escrever o que está vendo em cada trecho
da curva. Não deixe de discutir as suas observações com seus colegas e com o tutor.
Boa sorte!
3. Constantes de Equilíbrio
Antes de encerrarmos este estudo de curvas de titulação de aminoácidos,
devemos ainda fazer algumas análises muito importantes.
Precisamos primeiro definir as constantes de equilíbrio de ionização dos
grupamentos dos aminoácidos e seus pKs. Na verdade, na Aula 7 foi definida a
constante de equilíbrio da dissociação de um ácido (K
a
).Vimos que, quanto maior for
o valor de K
a
, mais forte é o ácido em questão. Por outro lado, também aprendemos
que pK
a
 significa -log K
a
 (da mesma forma que pH = -log [H+]). Antes de
prosseguirmos, vamos observar o seguinte exemplo:
Ácido forte → ácido fosfórico K
a
 = 7,25 x 10-3 M
pK
a
 = - log 7,25 x 10-3 = 2,14
Ácido fraco → ácido carbônico K
a
 = 4,47 x 10-7M
pK
a
 = -log 4,47 x 10-7 = 6,35
Logo podemos inferir que:
Quanto mais forte o ácido, maior o K
a
 e menor o pK
a
. Tendo isto em
mente, vamos agora analisar os pK
a
 dos aminoácidos.
Figura 10.4: Curva de titulação da lisina.
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Em nossa analogia da árvore (Aula 9), o pK seria como uma medida de quão
amarela está a folha da árvore. Quanto menor o pK, mais facilmente um grupo perde seu
próton, ou seja, quanto menor o pK, mais amarela seria a folha (e mais forte é o ácido)!
Vamos voltar à curva de titulação da glicina que foi discutida na aula passada.
Reveja, então, a Figura 9.7, da Aula 9.
A curva de titulação da glicina apresenta dois pK, conhecidos como pK
1
 e pK
 2
.
O seu pK
1
 é 2,34 e o pK
2
, 9,60 (veja Tabela 10.1). O que significa isto? O que ocorre
com a glicina quando ela está em pH 2,34 e 9,6? Significa que, quando o pH da
solução na qual se encontra a glicina atingir o valor de 2,34, teremos metade
das glicinas com suas carboxilas ainda protonadas (COOH), como no começo
da curva de titulação, e metade das glicinas com suas carboxilas já
desprotonadas (COO–). Podemos dizer que se tirássemos um “retrato” da nossa
solução de glicina em pH 2,34, iríamos encontrar essas duas moléculas. Veja:
Glicina em pH 2,34
50% das glicinas ainda estão assim
...e 50% das glicinas já estão assim
Figura 10.5: Glicina em pH 2,34.
Estas duas formas coexistem em pH 2,34. Voltando ao que havíamos discutido
na Aula 7, observe:
pH = pK + log ([glicina-COO–]/[glicina-COOH]).
Acabamos de comentar que em pH = 2,34 temos 50% das glicinas com suas
carboxilas protonadas e 50% desprotronadas.
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Logo, [glicina - COO–] / [glicina - COOH] = 1.
Como o log de 1 é igual a zero, a equação acima se reduz a
pH = pK.
Logo, o pK do grupamento de uma molécula equivale ao valor de pH
em que metade das moléculas possuem este grupamento na forma protonada
e metade das moléculas na forma desprotonada.
Se você pudesse observar a distribuição das moléculas de glicina, próxima ao
final do primeiro platô (aproximadamente pH 3,34), como você imagina que seria?
Acertou se você disse que estaria quase que completamente como a segunda
molécula da Figura 10.5 (forma desprotonada)!
Observe:
Ou seja, a proporção entre as glicinas protonadas e desprotonadas vai se
alterando em função do pH.
E em pH 9,6, como estaria a distribuição das formas de glicina? Neste pH,
encontraremos as formas representadas na Figura10.6:
Figura 10.6: Glicina em pH 9,6.
...e 50% das glicinas já estão assim
50% das glicinas estão assim
99,9999...% das gli próton 50% das gli próton 0,00001...% das gli despróton
0,000001...% das gli despróton 50% das glic despróton 99,9999...% das gli próton
gli=glicina próton=protonada despróton=desprotonada
pH 1,34 2,34 3,34
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Figura 10.7: Fórmula da glicina no pI.
4. Ponto isoelétrico
Uma outra região da curva de titulação, também muito importante, é o ponto
isoelétrico ou pI. OpI é o valor de pH onde o aminoácido titulado tem carga
líquida igual a zero. No caso da glicina, o seu pI é igual a 5,87. Isto significa que em
pH 5,87 a glicina se encontra na forma
Será que existe uma maneira fácil de se conhecer o pI de cada aminoácido?
A resposta é positiva e nestes casos a Matemática nos auxilia muito. No caso da
glicina, para sabermos seu pI sem necessitarmos de fazer uma curva de titulação,
basta usarmos a fórmula abaixo:
pI = ½ (pK
1
 + pK
2
) = ½ (2,34 + 9,6) = 5,97
Ou seja, o pI fica na metade do caminho entre o pK
1
 e o pK
2
.
Esta fórmula é válida para todos os aminoácidos que não apresentam
grupamento R titulável, isto é, grupamentos capazes de perder ou ganhar prótons.
A Tabela 10.1 mostra os valores de pK
1 
e pK
2
 de todos os vinte aminoácidos,
bem como os valores de pK
R
 para os aminoácidos com grupamentos R tituláveis.
CÁLCULO DO PI
Carga: zero
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Aminoácido pK
1
 pK
2
 pK
R
 pI
Grupo R não polar, alifáticos
Glicina 2,34 9,60 5,97
Alanina 2,34 9,69 6,01
Valina 2,32 9,62 5,97
Leucina 2,36 9,60 5,98
Isoleucina 2,36 9,68 6,02
Metionina 2,28 9,21 5,74
Grupos R aromáticos
Fenilalanina 1,83 9,13 5,48
Tirosina 2,20 9,11 10,07 5,66
Triptofano 2,38 9,39 5,89
Grupos R polares, não carregados
Serina 2,21 9,15 5,68
Prolina 1,99 10,96 6,48
Treonina 2,11 9,62 5,87
Cisteína 1,96 10,28 8,18 5,07
Asparagina 2,02 8,80 5,41
Glutamina 2,17 9,13 5,65
Grupos R carregados positivamente
Lisina 2,18 8,95 10,53 9,74
Histidina 1,82 9,17 6,00 7,59
Arginina 2,17 9,04 12,48 10,76
Grupos R carregados negativamente
Aspartato 1,88 9,60 3,65 2,77
Glutamato 2,19 9,67 4,25 3,22
Tabela 10.1: Valores de pK e pI dos aminoácidos.
Os aminoácidos
podem ser chamados
segundo um código
de 3 letras.
Glicina, por exemplo,
é chamada de gli;
metionina de met;
prolina de pro;
asparagina de asn;
ácido aspártico de asp;
glutamina de gln;
ácido glutâmico de glu,
e assim por diante.
(COOH) (NH3+)
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Observe que os valores de pK
1
 variam um pouco, dependendo do aminoácido
em questão, embora todos esses valores estejam relacionados à desprotonação da
carboxila. Isto ocorre devido à influência dos outros átomos da molécula do
aminoácido os quais podem facilitar ou dificultar a saída do próton da carboxila.
O mesmo ocorre com o pK
2
.
Para calcularmos os valores de pI dos aminoácidos ácidos, devemos apenas
considerar os pK
1
 e o pK
R
. No caso dos aminoácidos básicos, consideramos o pK
2 
e o
pK
R
, assim:
pI do ácido glutâmico:
pI da lisina :
Resumo
Os aminoácidos ácidos e básicos apresentam uma curva de titulação mais
complexa que a glicina, por exemplo. Isso porque seus grupamentos R também
podem perder prótons (COOH no caso dos aminoácidos ácidos) ou doar prótons
(NH
3
+ no caso dos aminoácidos básicos). O pK é um valor de pH em que
metade dos grupamentos que estão sendo titulados se encontra na forma
protonada e metade na forma desprotonada. O pI é o valor de pH em que o
aminoácido apresenta carga líquida igual a zero.
pK
1
 + pK
R 3,22
2
=
2,19 + 4,25
 =
2
pK
2
 + pK
R 8,95 + 10,53 =
2
 = 9,74
2
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Exercícios
1. Aminoácidos são anfólitos porque eles podem funcionar tanto como um(a):
a) molécula polar e apolar;
b) ácido ou base;
c) molécula neutra ou íon;
d) transparentes ou compostos que absorvem luz.
2. A titulação da valina com uma base forte, por exemplo, NaOH, resulta em dois
pKs. A reação de titulação que ocorre em pK
2
 (pK
2
 = 9,62) corresponde a:
a) -COOH + OH- → COO- + H
2
O
b) -COOH + -NH
2
 → -COO- + -NH
2
+
c) -NH
3
+ + OH-→ NH
2
+ H
2
O
d) -NH
2
 + OH- → NH- + H
2
O
3. Pense e responda: os aminoácidos com grupos R neutros, em qualquer valor de pH
abaixo do pI...
a) ...não apresentarão grupos carregados?
b) ...não apresentarão carga líquida?
c) ...terão uma carga líquida positiva?
d) ...terão carga positiva e negativa em concentração igual?
e) ...terá carga líquida negativa?
4. Um aluno ficou intrigado, pois ao colocar a alanina sob a ação de um campo elétrico
 com pólos positivos e negativos em pH 6,01, observou que o aminoácido não se
 movia na direção de nenhum dos pólos. Por que isto acontece? O que aconteceria
 se o aluno utilizasse, em vez de pH 6,01, outro valor de pH como, por exemplo, 10,0?
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