Aminoácidos e Proteínas - 1

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Grupo carboxila
Grupo amina
Cadeia lateral ou grupo R – varia entre os AA
Átomo de Hidrogênio
Estrutura básica de um AA
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Propriedades dos AA
- São íons dipolares ou zwitterions
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Aminoácidos proteicos são L- a - aminoácidos
Para entender a complexidade estrutural de uma proteína é necessário primeiro compreender as propriedades de seus aminoácidos constituintes.
O Carbono a é assimétrico, ou seja, tem 4 ligantes diferentes
Essa propriedade define o Ca como um centro quiral
e confere propriedades ópticas às moléculas.
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Aminoácidos protéicos são determinados geneticamente: código genético
Existem 20 aminoácidos que ocorrem naturalmente em proteínas de todos os tipos de organismos, e que são determinados por códons específicos (triplets de nucleotídeos) no material genético dos seres vivos.
Os aminoácidos proteicos são classificados de acordo com as propriedades de suas cadeias laterais
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Os 20 aminoácidos proteícos
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Classificação dos AA em função da polaridade do grupo R: 
- AA apolares (R hidrofóbico) 
- AA polares (R hidrofílico)
R = cadeias orgânicas com caráter de hidrocarboneto. 
As cadeias não interagem com a água: 
Ala, Val, Ile, Leu, Met, Phe, Tyr, Trp 
Apolares
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Cadeias laterais aromáticas
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R = cadeias laterais hidrofílicas que interagem com a água. R pode ter carga elétrica ou carga residual. 
Três categorias:
- AA básicos = carga + a pH 7
- AA ácidos = carga – a pH 7
AA Polares
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- AA polares sem carga líquida a pH 7
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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.
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OBS: A classificação dos aminoácidos pode diferir, conforme o autor. O importante em cada caso é entender os critérios para a classificação.
A hidroxilisina e hidroxiprolina, produtos da hidroxilação da prolina e da lisina, são importantes componentes estruturais do colágeno.
Aminoácidos modificados 
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: 	
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Além dos 20, existem mais 2 aminoácidos protéicos que são determinados geneticamente: 
	-pirrol-lisina (somente em Archaea) 
	- selenocisteína (presente em animais, algumas bactérias; 
 mas ausente em plantas e Archaea)
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Neurotransmissores- mensageiros químicos liberados de uma célula nervosa e que influenciam outras células
Ex: - GABA (derivado do glutamato),
serotonina e melatonina (derivados do triptofano)
Tiroxina (derivado da tirosina) 
Ácido indolacético (fitormônio derivado do triptofano)
Os aa são precursores de outras moléculas complexas contendo N como os nucleotídeos e ácidos nucléicos, o heme (molécula contendo ferro) e clorofila (pigmento fotossintético).
Vários aa também participam como intermediários metabólicos como aminoácidos não comuns como citrulina e ornitina que participam do ciclo da ureia no metabolismo de aminoácidos.
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Apesar do número baixo de AA, existem milhares de proteínas diferentes......
Considerando-se uma proteína de 20 aminoácidos, um de cada tipo, podem ser obtidas 2,4 x 108 proteínas diferentes (20 arranjos de 20 elementos)
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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.
Camada de solvatação de um composto aniônico
Camada de solvatação de um composto catiônico
O
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As características físico-químicas 
 da ligação peptídica 
 das cadeias laterais dos aminoácidos 
Os aminoácidos apresentam várias funções químicas que podem se ionizar e conferir carga elétrica à molécula.
Exemplo: 
Função carboxila
Função amina
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Comportamento ácido-básico de aminoácidos: ionização
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 ? 
Pense antes de dar o próximo click !
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DISSOCIAÇÃO DE UM ÁCIDO
Considere a equação geral de dissociação de um ácido HA dada abaixo:
Quando a velocidade da reação 1 iguala-se a da reação 2, atingiu-se o ponto de equilíbrio. Pode-se dizer que a reação “terminou”, pois não há mais modificação das quantidades dos reagentes ou produtos de ambas as reações.
O pK é igual ao logaritmo negativo da Kd
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Observe os valores de pKs da tabela abaixo.
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[H+]
[OH-]
IONIZAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS
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Portanto, a diferença de 7 unidades logarítmicas entre os pKs dos grupos a-amino e a-carboxila reflete a diferença de afinidade que as funções químicas em questão apresentam pelo próton H+.
Observe nas formas possíveis do aminoácido, que o grupo NH3+ só se dissocia se o grupo –COOH já estiver completamente dissociado em –COO-.
A afinidade por prótons do grupo amino (pk ~ 9) é 107 vezes maior do que a do grupo carboxila (pK ~2). 
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Meio alcalino
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
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 Aminoácidos, peptídeos e proteínas são bons tampões
Um tampão é definido como um composto ou conjunto de compostos que impedem variações da concentração de [H+], ou seja do pH, do meio.
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Poder tamponante e curva de titulação da glicina
A curva mostra a variação do pH de uma solução do aminoácido glicina quando se adiciona uma base, por exemplo, NaOH.
 A glicina vai se dissociando, e libera 
 H+ para o meio.
adição de NaOH (volume)
Observe também que há um ponto da curva onde o pH varia bruscamente. Nessa região ocorre o ponto isoelétrico (pI) da glicina, em que 100% das moléculas apresentam carga zero, como visto abaixo. 
Observe que o pH da solução na metade desses trechos da curva coincide com os valores de pK dos grupos ionizáveis da glicina. O efeito tampão nesses pHs ocorre por que há duas formas de glicina presentes na solução, uma dissociada (50%) e outra não, como mostra a figura. 
Glicina 
(forma anfotérica – carga zero)
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pK a - NH3+ = 9.60
pK a - COOH = 2.34
Cálculo do ponto isoelétrico
 pI = 2.34 + 9.6 = 5.97
 2 
pH 0 - 2
pH 2,34
pH 3.0 - pH 9.0
pH 9.6
pH 10 - 14
Como o estado de ionização e a carga elétrica da glicina variam em função do pH do meio ?
Para a glicina os valores de pK são:
Em pH < 2,34, todos os grupos ionizáveis da glicina estão protonados. A molécula apresenta carga +1.
Diminuindo a [H+] do meio, a a-COOH começa a desprotonar. No pH 2,34, metade das –COOH desprotonaram, gerando a glicina com carga zero.
Em pH 5,97 ocorre o ponto isoéletrico da glicina. 100% das moléculas estão com carga zero.
Aumentando mais o pH, até o valor 9,6, (pK do NH3+), haverá 50% de moléculas de glicina com carga -1.
Em pH > 10 predomina a forma de glicina com carga -1.
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Equivalentes de OH-
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Como o pH do meio afeta a carga de aminoácidos com cadeias laterais ionizáveis ?
Como exemplo, veremos a ionização da Lisina:
pK -COOH = 2.18
pK  -NH3+ = 8.95
pK R- NH3+ = 10.53
todos os grupos protonados
predomínio carga +2
pH < 2
pI = 8.85 + 10.53 = 9.69
 2 
 (ponto isoelétrico)
(+2)
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Aminoácidosessenciais
O homem sintetiza 9 dos 20 AA. 
Os 11 AA que ele não sintetiza são denominados AA essenciais Estes devem ser suplementados na dieta. 
Se 1 ou mais dos AA essenciais não for administrado, o homem degrada suas proteínas corporais para obter os AA que necessita.
Os 11 AA essenciais são Arg, His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Try, Val, Se-Met
Plantas e bactérias são capazes de sintetizar todos os AA 
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Funções das proteínas
Estruturais:
Componentes do esqueleto celular (actina, tubulina,etc) e de sustentação (colágeno, elastina, etc)
Dinâmicas:
Enzimas (no metabolismo), Transporte de moléculas (hemoglobina), Mecanismos de defesa (imunoglobulinas), controle do metabolismo (alguns hormônios), processos contráteis (miosina), controle da expressão gênica (elementos da transcrição), etc.
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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 (10 kDa) peptídeo
 Mais de 100 aminoácidos proteína
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A ligação peptídica ocorre entre o grupo a-carboxila de um aminoácido e o grupo a-amino de outro aminoácido. 
A ligação covalente que liga os aminoácidos no esqueleto covalente de uma proteína é a ligação peptídica.
Esse fato evidencia ressonância eletrônica, com uma nuvem de elétrons oscilando entre o C e o N. Isso atribue à ligação simples C – N um carácter parcial (50%) de dupla ligação
As distâncias interatômicas na ligação peptídica são menores que as de uma ligação amida comum.
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 PROTEÍNAS
Ligação peptídica
 É uma ligação carbono-nitrogênio que se forma pela reação entre o grupo carboxila (COO--) de um aminoácido e o grupo amino (NH3 +) do aminoácido seguinte 
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Formação da ligação peptídica 
A reação acima JAMAIS ocorre espontaneamente num ser vivo. A ligação peptídica é feita no aparato de síntese protéica e ocorre nos ribossomos. Nesta reação os aminoácidos sempre estão ligados a um tRNA .
Lembre-se sobre:
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AA2
AA1
Os 4 átomos ficam no mesmo plano
Características da ligação peptídica
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Não há possibilidade de rotação em torno do eixo da ligação peptídica
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A rotação é possível nas ligações com o Carbono 
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Sentido da Cadeia Polipeptídica
Após incorporação a peptídeos, os aminoácidos individuais são denominados resíduos de aminoácidos.
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Assim, o esqueleto covalente de uma proteína, representado pela sequência linear dos átomos
 (-N-C-Ca-)n, apresenta restrições de mobilidade que são importantes determinantes do enovelamento da molécula.
A figura mostra duas ligações peptídicas – CO – N -, com os átomos alinhados no plano determinado pela ressonância da ligação. 
 
O único ponto de rotação possível da cadeia peptídica é em torno do Ca, entre as ligações peptídicas, definindo dois ângulos de rotação:
Y- (psi ) – ângulo de rotação entre o Ca e o C 
F (fi) – ângulo de rotação entre o Ca e N
Como resultado da ressonância da ligação peptídica, ela é mais rígida que uma ligação simples, colocando todos os átomos participantes no mesmo plano espacial.
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Pontes de enxofre
O grupo sulfidrílico da cisteína é reversivelmente oxidado.
Estas ligações colaboram para a estabilização da conformação protéica
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As propriedades fundamentais das proteínas:
As proteínas são polímeros constituídos por unidades monoméricas ( aminoácido)
As proteínas podem conter vários grupos funcionais
Podem interagir entre si ou com outras macromoléculas
Variabilidade quanto a rigidez e flexibilidade
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proteínas globulares: a cadeia polipeptídica enrola-se sobre si mesma criando uma estrutura compacta mais ou menos esférica. Ex: globulina
proteínas fibrosas: as cadeias se enrolam entre si criando uma estrutura tipo fibra. Ex: actina
As proteínas podem ser classificadas quanto à sua forma em:
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Organização estrutural de uma proteína
- Estrutura Primária
- Regiões de estrutura Secundária
- Estrutura Terciária
Toda a proteína possui uma:
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Níveis de organização estrutural e tipo de ligações
Estrutura primária
Ligações covalentes (= ligação peptídica) entre os resíduos de aminoácidos da proteína
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Estrutura Primária
Estrutura Primária = seqüência de aminoácidos da proteína. Esta estrutura é mantida pela ligação peptídica (covalente) entre os resíduos de aminoácidos. A estrutura é determinada pelo código genético no DNA. Estrutura linear. 
Ala – Val – Lys diferente de Lys – Val – Ala 
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Estrutura Secundária
Estruturas regulares bidimensionais formadas por segmentos da proteína, que interagem por Pontes de Hidrogênio entre átomos da cadeia principal
Folha beta pregueada
Tipos de estrutura secundária
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Na alfa-hélice a cadeia polipeptídica se enrola ao redor de um eixo imaginário no sentido horário
Pontes de H entre o –NH de um resíduo e o O=C- do quarto resíduo
É o tipo de estrutura secundária mais abundante em proteínas globulares
Não confundam com dupla hélice ....
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As hélices são de passo direito
Há 3,6 resíduos por volta de hélice e 1.5 Å entre os resíduos
As cadeias laterais orientam-se para o exterior da hélice em um ângulo de 20º entre resíduos adjacentes
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Os grupos R estão projetados para fora da hélice
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Folha beta pregueada
Estrutura secundária relativamente abundante em proteínas globulares 
A cadeia polipeptídica é quase inteiramente estendida. Os grupos R ficam acima e abaixo da estrutura. 
Pontes de hidrogênio
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Folha beta pregueada
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Folhas beta anti-paralelas
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Folhas beta paralelas
Tipos de folha beta pregueada
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Várias proteínas apresentam combinações entre as estruturas  hélice e folha  pregueada que podem ter proporções variadas. Estas são chamadas de estruturas supersecundárias ou motivos e podem ser:
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Estrutura terciária
- Conformação tridimensional da proteína
- Dobramento final da cadeia polipeptídica por interações com regiões com estrutura definida (alfa-hélice e folha beta pregueada) e regiões sem estrutura definida.
- Responsável por sua função
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Estrutura terciária
Interações não covalentes (em sua maioria) entre átomos da cadeia lateral de um aminoácido com átomos da cadeia lateral de outro aminoácido ou átomos da cadeia principal 
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Interações hidrofóbicas – entre cadeias laterais de aminoácidos apolares Ex. Valina ----- Leucina 
Pontes de hidrogênio e forças de van der Waals –
 Ex. Asparagina ----- Glutamina 
Pontes salinas – entre grupos carregados de cadeias laterais de aminoácidos
	Ex: Ácido aspártico ---- Lisina 
Interações não covalentes
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Pontes dissulfeto (S-S) formam-se entre os grupos SH de duas cisteínas
cisteína
Ligações covalentes
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Muitas proteínas são constituídas por mais de uma cadeia polipeptídica. A estrutura quaternária descreve a forma com que as diferentes subunidades se agrupam e se ajustam para formar a estrutura total da proteína. 
Estrutura Quaternária
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Forças que mantém a estrutura quaternária
As mesmas que mantém a estrutura terciária:
Ligações não covalentes:
	Interações hidrofóbicas
	 Pontes salinas 
	 Pontes de hidrogênio e forças de van der Waals 
Ligações covalentes:
	Pontes S-S
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HEMOGLOBINA
é composta por quatro subunidades 
2 subunidades alfa e 2 subunidades beta
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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 moléculastridimensionais.
A forma da molécula é determinante de sua função. 
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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
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