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AULA 09 - AMINOÁCIDOS

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� PAGE \* MERGEFORMAT �12�
	Universidade Estadual do Ceará
Faculdade de Veterinária
Bioquímica Veterinária I
	
Prof. Genário Sobreira Santiago
	
AULA 09 – Aminoácidos: Estrutura e propriedades
1. Introdução
	Os aminoácidos são substâncias orgânicas que se polimerizam para formar as proteínas. Estas são os blocos construtores responsáveis pela edificação dos organismos vivos, bem como pelas moléculas mais especializadas que ordenam o seu funcionamento. Essas proteínas são os músculos, os ligamentos, os tendões, a base orgânica dos ossos etc., e também as enzimas e os hormônios ou as carnes que os animais consomem. As importantes funções que as proteínas têm são estritamente dependentes dos aminoácidos de que estão constituídas e, por isso, antes de estudá-las, vamos abordar algumas características que elas possuem.
2. Estrutura dos aminoácidos
	Embora mais de 300 aminoácidos diferentes tenham sido descritos na natureza, somente 20 são comumente encontrados como constituinte das proteínas, sendo esses os únicos aminoácidos codificados pelo DNA, o material genético da célula. Cada aminoácido (figura 1), exceto a prolina, possui um grupo carboxila (COOH), um grupo amino (NH2), um carbono assimétrico (carbono 
) e uma cadeia lateral distinta (R). 
		De acordo com o conceito de Bronsted, o grupo carboxila é um grupo ácido porque é capaz de doar prótons e o grupo amina é um grupo básico porque é capaz de receber prótons. Em geral, os ácidos carboxílicos e as aminas são eletrólitos fracos, que se dissociam reversivelmente, e cuja força como ácido ou como base é indicada pelos valores de suas constantes de dissociação, Ka e Kb, ou mais comumente pelo logaritmo do inverso destas constantes, respectivamente pKa e pKb. Um pKa pode ser facilmente transformado em um pKb e vice-versa, pois relacionam-se pela expressão pKa= 14 - pKb
	Seja, por exemplo, a equação:
R – COOH ↔ R – COO- + H+
	Quando considerada da esquerda para direita, a equação representa a dissociação de um ácido carboxílico. De acordo com a lei da ação das massas, no ponto de equlíbrio pode-se escrever:
	O grupo amino (-NH2) é uma base de Bronsted, porém a sua forma protonada 
 é um ácido de Bronsted. Para evitar confusão, convencionou-se que o pk de um grupo ionizável de aminoácido, peptídeo ou proteína seja sempre expresso em termos de pKa, não importando se o grupo é ácido ou básico. Em aminoácido, peptídeo ou proteína existirão tantos pK’s quantos forem seus grupos ionizáveis; estes serão respectivamente designados por pK1, pK2, pK3,..., pKn, de acordo com a ordem decrescente de acidez, isto é, pk1 será o pK do grupo mais ácido de todos e portanto de maior valor numérico (quadro 1).
3. Solubilidade dos aminoácidos
	A solubilidade dos aminoácidos obedece ao mesmo princípio geral que rege a solubilização de uma substância num determinado meio: “semelhante dissolve semelhante”. Semelhante é uma referência à estrutura química do composto, que pode ser polar ou apolar.
	A água é o melhor exemplo de uma substância polar. Ela está composta tão somente de oxigênio e hidrogênio. O oxigênio é um elemento eletronegativo, isto é, tem grande afinidade por elétrons. O hidrogênio, por sua vez, não atrai elétrons para si e, portanto, não é eletronegativo. Desta forma, quando estão reunidos entre si oxigênio e hidrogênio, numa ligação covalente (sigma) os elétrons estão mais próximos do oxigênio que do hidrogênio. Como a potencialidade negativa de uma substância ou elemento está nos seus elétrons, o oxigênio será mais negativo que o hidrogênio. Naturalmente, uma molécula de água interagirá com outra, pois são iguais em termos de cargas (figura 2), sendo esta interação feita por pontes de hidrogênio.
	Para que uma substância seja polar, é necessário que ocorra, em parte considerável de sua molécula, a união entre elementos com eletronegativas opostas, como vimos para a molécula de água. Assim, qualquer substância que venha a se dissolver na água terá também que possuir cargas – quanto mais possuir, mais facilmente e em maior quantidade se dissolverá. 
4. Formas iônicas dos aminoácidos
	Suponhamos que a fórmula geral represente um aminoácido no estado sólido. Quando este fosse dissolvido em água, o grupo carboxila se dissociaria liberando um próton no meio, carregando-se negativamente. Simultaneamente, o grupo amina poderia captar um próton do meio e carregar-se positivamente. O aminoácido poderia, então, ser representado pela fórmula b da figura 3.
	Juntando-se uma quantidade suficientemente grande de ácido à uma solução contendo a espécie molecular mostrada na figura 3 (b) todas as moléculas seriam completamente protonadas e poderiam ser representadas pela figura 3 (a). A adição de uma quantidade suficientemente grande de um hidróxido forte a uma solução contendo moléculas de aminoácidos representadas pela figura 3 (b) determinaria uma remoção completa dos prótons da molécula que poderia agora ser representada pela figura 3 (c).
	Evidentemente todas estas reações são reversíveis, como está indicado na figura 3. Esta mostra que um aminoácido qualquer pode ser representado pelos menos por três formas iônicas distintas : na figura 3(a) o aminoácido é um cátion, porque apresenta carga elétrica positiva; na figura 3(c) o aminoácido é um ânion porque apresenta carga elétrica negativa; a forma iônica representada na figura 3(b) é simultaneamente um cátion porque tem carga positiva e um ânion porque tem carga negativa e é designado pelo nome de ZWITTERION, o que quer dizer ambos os íons ou íons gêmeos.
	Se cada das espécies moleculares da figura 3 fosse colocada em um campo elétrico, a espécie a migraria para o pólo negativo, a espécie c para o pólo positivo e a espécie c não migraria para nenhum pólo. A forma iônica representada por b não migraria para nenhum pólo porque é atraída com a mesma intensidade pelos dois pólos, uma vez que ela possui o mesmo número de cargas positivas e negativas. A forma iônica na qual o número de cargas elétricas positivas e negativas é igual é chamada de forma isoelétrica. 
	Quadro 1 – Valores de pK e pI de aminoácidos à 25ºC
	Aminoácido
	Nome
	pK1(COOH)
	pK2
	pK3
	PI
	Acido aspártico
	Asp
	1,88
	3,65(COOH)
	9,60
	2,77
	Acido glutâmico
	Glu
	2,19
	4,25(COOH)
	9,67
	3,22
	Alanina
	Ala
	2,34
	9,69
	..........................
	6,00
	Arginina
	Arg
	2,17
	9,04
	12,48 (guanidina)
	10,76
	Asparagina
	Asn
	2,02
	8,80
	.........................
	5,41
	Cisteína
	Cys
	1,96
	8,18
	10,28
	5,07
	Cistina
	
	<1,0
	1,7(COOH)
	7,48 e 9,02
	4,60
	Fenilalanina
	Phe
	1,83
	9,13
	..........................
	5,48
	Glicina
	Gly
	2,34
	9,60
	.........................
	5,97
	Glutamina
	Gln
	2,17
	9,13
	.........................
	5,65
	Hidroxiprolina
	Hyp
	1,92
	9,73
	.........................
	5,83
	Histidina
	His
	1,82
	6,0(imidazol)
	9,17
	7,59
	Isoleucina
	Ile
	2,36
	9,68
	.........................
	6,02
	Leucina
	Leu
	2,36
	9,60
	........................
	5,98
	Lisina
	Lys
	2,18
	8,95
	10,53
	9,74
	Metionina
	Met
	2,28
	9,21
	..........................
	5,74
	Prolina
	Pro
	1,99
	10,60
	..........................
	6,30
	Serina
	Ser
	2,21
	9,15
	.........................
	5,68
	Tirosina
	Tyr
	2,20
	9,11
	10,07(OH)
	5,66
	Triptofano
	Trp
	2,38
	9,39
	..........................
	5,89
	Valina
	Val
	2,32
	9,62
	.........................
	5,96
Fonte : Modificado de NEVES & VIEIRA (1999)
	A forma catiônica de um aminoácido predomina em pH ácido, enquanto a forma aniônica predomina em pH alcalino. É possível encontra-se um valor de pH no qual praticamente todas as moléculas estarão sob a forma isoelétrica. Este pH, característico de cada aminoácido, peptídeo ou proteína, é chamado de pH isoelétrico ousimplesmente pI. O quadro 1 mostra os valores dos pK e pI dos aminoácidos.
5. Titulação de um aminoácido
5.1. Titulação da alanina
	A alanina é um aminoácido com um grupo metil representando a cadeia lateral, apresentando, pois, as seguintes formas iônicas:
Forma totalmente protonada : 
Forma isoelétrica : 
Forma totalmente desprotonada : 
Fazer uma titulação significa adicionar uma base e verificar a variação do pH da solução , a medida que os prótons vão sendo retirados das formas protonadas. De posse desses dados constrói-se a curva de titulação pH = f([), sendo a da alanina mostrada na figura 4.
Como convenção, partimos da forma totalmente protonada e adicionamos equivalentes-grama de uma base, de modo que os prótons sejam gradativamente removidos até o aparecimento da forma totalmente protonada. Quando as quantidades das formas totalmente protonada e isoelétrica forem equivalentes teremos pela equação de Henderson-Hasselbalch:
pH = pK + log[A]/[B] = pK1
e, então, pH = pK1
Continuando a titulação atingimos um valor de pH onde todas as moléculas estão na forma isoelétrica e, neste caso, teremos pH = pI. Quando as quantidades das formas totalmente desprotonada e isoelétrica forem equivalentes teremos pela equação de Henderson-Hasselbalch:
pH = pK + log[B]/[C] = pK2
Ao final da titulação os prótons foram todos removidos e temos, então, todas as moléculas estão na forma totalmente desprotonada. 
Figura 4
 Curva titulação alanina (Fonte: MARZZOCO & TORRES, 2007)
A figura 4 mostra que o pI do aminoácido em estudo se situa na escala de pH entre os valores de pK1 e pK2, mais precisamente na metade do caminho entre o pK1 e pK2. Pode-se generalizar esta observação dizendo que o pI de qualquer aminoácido, peptídeo ou proteína, será sempre a média aritmética de dois valores de pK. Os pK’s cuja média aritmética vai fornecer o pI aminoácido, peptídeo ou proteína, podem ser encontrados usando-se a seguinte equação empírica:
onde n é o número de grupamentos básicos existentes na molécula, sendo que grupo básico é qualquer grupo capaz de carregar-se positivamente. Para o caso da alanina temos n=2 e, então,
5.2. Titulação da lisina
	O aminoácido lisina (figura 5 e quadro 1), além do grupo 
- carboxila e do grupo 
- amina, ainda apresenta um grupo 
 - amino na sua cadeia lateral, ligado ao carbono 
.
	A lisina possui três pK’s: pK1, pK2 e pK3.
	Obviamente o grupo 
- COOH é o ácido mais forte dos três e o seu pK1, pK2 e pK3 serão os pK’s dos dois grupos 
─
. Normalmente, é fácil decidir-se qual de dois grupos semelhantes é o mais ácido, por uma simples inspeção da fórmula da molécula que os contém. Por exemplo, a figura 5.b mostra a existência de uma carga negativa e duas positivas; a carga negativa exercerá uma atração eletrostática sobre as cargas positivas favorecendo a dissociação dos prótons ligados aos grupos 
-
 e 
-
. Evidentemente, a atração eletrostática da carga negativa será mais intensa sobre o grupo mais próximo dela e, portanto, o grupo 
-
dissorciar-se-á mais facilmente do que o grupo 
-
 e será o ácido mais forte. O valor de pK2 seria portanto o valor do pK do grupo
-
 e o pk3 seria do grupo 
-
.
Consultando o quadro 1 e usando a equação empírica apresentada anteriormente o pI da lisina poderá ser calculado; para esta molécula o número n de grupos básicos é igual a 2 e portanto:
	A figura 5 representa as formas iônicas mais prováveis da lisina. Ao escrevê-las deve-se usar um critério: começar da molécula totalmente protonada (figura 5.a) e ir removendo os prótons de cada grupo, um a um, seguindo a ordem crescente dos pK’s. A observação da figura 5 mostra que apenas a fórmula 5(c) preenche a definição de isoelétrica : número das cargas positivas igual ao das negativas.
6. PODER TAMPÃO
	Consideremos as seguintes reações representam as dissociações da amônia e da carboxila. Já vimos que no pH da solução correspondente ao pK, 50% dos ácidos estão dissociados e 50% não.
50% ─
 
 ─NH2 + H+ 50%
50% ─COOH 
 ─COO- + H+ 50%
	As proporções mostradas acima permitem concluir que, se adicionarmos H+, em um meio com estas condições, eles romperão o equilíbrio e empurrarão a reação no sentido da esquerda. Diminui a concentração da base (─NH2 ou ─COO-), aumenta a do ácido (─
 ou ─COOH), mas os H+ não ficarão livres. Se nesta mesma solução for colocada uma base, ela se combinará com H+ da solução, desequilibrando a reação para a direita. O H+ consumido pela base será substituído por outro, liberado pelo ácido que passou a se dissociar. Do mesmo modo, a [H+] do meio não ficará alterada.
	Pois é este fenômeno de manutenção do pH constante em uma solução qualquer que denominamos tamponamento. E tampão é o sistema possuidor de ácido para entregar próton e base para recebê-lo.
	Na curva de titulação da glicina, vimos que existem dois pK’s : um para a carboxila e outro para a amina, e que o primeiro é mais baixo do que o segundo. Isto é assim porque, sendo a carboxila um ácido mais forte, tem, obviamente, maior poder de dissociação, de liberação de H+. Para conservar 50% da forma associada, é necessária uma [H+] mais alta, para se contrapor a fácil tendência de soltar prótons que a carboxila tem.
	No caso do amônio, o que é um ácido muito fraco, é necessário uma boa diminuição da [H+] para que se faça a dissociação. Pois somente uma grande “força” do meio pode arrancar um arrancar um próton do ácido fraco. E esta força é uma diminuída [H+], o que explica o fato de só encontrarmos 50% de ─
 e de 50% de ─NH2, em solução de pH alto.
	O pK, então, além de representar o valor de pH correspondente à zona ideal de tamponamento, indica-nos também a força do ácido. Os ácidos fortes têm pK baixo e os fracos pK alto. A tabela 1 especifica este fato, mostrando também como as estruturas vizinhas podem modificar a força ácida que tem as funções carboxila e amina nos diversos aminoácidos.
	Todos os aminoácidos que têm um único 
-amino grupo, um único grupo carboxila e um grupo não-ionizável tem curvas de titulação semelhante a glicina. Este grupo de aminoácidos (quadro 1) é caracterizado por possuírem valores de pK1 e pK2, muito próximos, embora não idênticos, o pK1 com valores entre 2,0 e 3,0, e o pK2 com valores entre 9,0 e 10,0.
	
	Aminoácidos com grupos R ionizável têm curvas de titulação mais complexas com três estágios que correspondem aos três passos possíveis de ionização: assim, eles têm três valores de pK. O terceiro estágio da titulação corresponde ao grupo R ionizável, funde-se parcialmente com os outros dois. As curvas de titulação de dois representantes típicos desse grupo, ácido glutâmico e histidina são mostradas na figura 6.
		Os pontos isoelétricos dos aminoácidos nesta classe refletem o tipo de grupo ionizante presente. Por exemplo, o ácido glutâmico, com dois grupos carboxila e um grupo amino tem um pI de 3,22 ( a média dos valores de pK dos dois grupos carboxila), consideravelmente menor que o valor do pI da alanina (6,0). Igualmente, o pI da lisina, a qual tem dois grupos amino, é 9,74, muito maior que o da alanina.
	Outra generalização importante pode ser feita a respeito do comportamento ácido-base dos 20 aminoácido primários. Para todos os efeitos práticos, apenas um deles, a histidina, tem força tamponante na região de pH do líquido intracelular e do sangue. Como pode ser observado, ao analisarmos o quadro 1 e figura 6, o grupo R da histidina tem pK igual a 6,0, o que lhe confere significativa capacidade tamponante em pH de 7,0. Todos os outros aminoácidos tem valores de pK’s muito distantes de pH 7,0 para serem tampões efetivos nesta região. A proteína transportadora de oxigênio, hemoglobina, existentes nos glóbulos vermelhos do sangue, tem um grande número de unidades de histidina em sua estrutura. Elas conferemà hemoglobina uma considerável capacidade de tamponamento próximo à pH 7,0 o que é importante para a função das células vermelhas no transporte de oxigênio e dióxido de carbono pelo sangue. 
7. CLASSIFICAÇAO DOS AMINOACIDOS
	Uma boa compreensão das propriedades químicas dos aminoácidos primários é fundamental para o entendimento de grande parte da bioquímica. Este tópico pode ser simplificado pelo agrupamento dos aminoácidos em classes (figura 7), tendo como base as propriedades de seus grupos R, em particular, a sua polaridade, ou tendência a reagir com a água em pH fisiológico (próximo a 7). 
 
7.1. Grupos R não-polares e alifáticos
	Os grupos R nesta classe são hidrocarbonetos e os aminoácidos são hidrofóbicos e não-polares. As volumosas cadeias laterais de alanina, valina, leucina e isoleucina, com suas formas características, são importantes na promoção de interações hidrofóbicas no interior das estruturas protéicas. A glicina é o aminoácido de estrutura mais simples e a sua restrição estérica é mínima, permitindo uma flexibilidade estrutural muito maior do que a dos ouros aminoácidos. A prolina representa o extremo oposto estrutural. O grupo amino secundário (imino) é mantido em uma conformação rígida que reduz a flexibilidade estrutural neste ponto da cadeia protéica.
7.2. Grupos R aromáticos
	A fenilalanina, a tirosina e o triptofano, com suas cadeias laterais aromáticas são relativamente não-polares (hidrofóbicos). Todos podem participar de interações hidrofóbicas, as quais são particularmente fortes quando os grupos aromáticos estão reunidos um ao lado do outro. O grupo hidroxila da tirosina pode formar pontes de hidrogênio e isso atua como um grupo funcional importante na atividade de algumas enzimas. A tirosina e o triptofano são significativamente mais polar do que a fenilalanina devido ao grupo hidroxila da tirosina e o nitrogênio do anel indol do triptofano. 
	
7.3. Grupos R polares, mas não carregados
	Os grupos R destes aminoácidos são mais solúveis em água, isto é, são mais hidrofílicos que aqueles dos aminoácidos não-polares, isto porque contêm grupos funcionais que formam pontes de hidrogênio com a água. Esta classe de aminoácidos inclui serina, treonina, cisteína, metionina, asparagina e glutamina. A polaridade da serina e treonina é dada por seus grupos hidroxila; a da asparagina e glutamina por seus grupos amida; e aquela da cisteína por seu grupo sulfidrila ou tiol. 
7.4. Grupos R carregados negativamente
	A asparagina e a glutamina são amidas de dois outros aminoácidos encontrados como unidades fundamentais de proteínas, ácido aspártico e ácido glutâmico, respectivamente, aos quais facilmente produzem quando sofrem hidrólise por ácido ou base. 
7.5. Grupos R carregados positivamente
	Os aminoácidos cujos grupos R têm carga líquida positiva em pH 7,0 são a lisina, que possui um segundo amino na posição 
da sua cadeia alifática; a arginina, que tem um grupo guanidino carregado positivamente, e a histidina, que contém o grupo imidazol que se ioniza fracamente.
8. LEITURA COMPLEMENTAR
“Importância da taurina para gatos”
	A taurina é um aminoácido sulfurado que foi isolado pela primeira vez em 1827 da bile do boi, e do qual deriva seu nome. É um produto do metabolismo dos aminoácidos sulfurados metionina e cistina e, ainda que presente na maioria dos tecidos de mamíferos em grandes quantidades como aminoácido livre, não toma parte de nenhuma cadeia protéica.
	Os gatos são únicos quanto por terem um requerimento específico para taurina preformada na dieta. A maioria dos outros animais são capazes de sintetizar suficiente taurina a partir de aminoácidos sulfurados para cobrir suas necessidades, porém isto implica uma via metabólica complexa que utiliza enzimas que parecem ter uma baixa atividade em gatos. Os gatos são capazes de sintetizar algo de taurina, porém não em quantidades suficientes para cobrir suas altas demandas fisiológicas. Estas demandas são particularmente elevadas devido ao uso obrigatório da taurina para conjugar ácidos biliares no gato. Contrariamente de outros animais, os gatos são incapazes de usar a conjugação com glicina, salvo em pequenas quantidades. A perda posterior de taurina na bile constitui, portanto, uma perda corporal, ainda que quantidades significativas sejam reabsorvidas no circuito enterohepático.
	Em anos recentes tem sido dedicado muito esforço para elucidar o mecanismo de ação da taurina no organismo. Parece agora que a taurina tem um papel importante na regulação das correntes de cálcio através das membranas, possivelmente com resultado de sua ação sobre o metabolismo dos lipídeos. Já é certo que cumpre um papel vital no funcionamento normal dos tecidos excitáveis, tais como o tecido nervoso e o músculo, em particular o músculo cardíaco. A taurina parece também ter um papel na osmorregulação e neuromodulação do organismo.
	Uma deficiência de taurina na dieta resulta em alterações patológicas específicas: degeneração central da retina dos felinos; transtornos reprodutivos nas fêmeas; desenvolvimento de anomalias em filhotes; atraso no crescimento de filhotes; comprometimento do sistema imune; cardiomiopatia dilatada e diminuição da audição de filhotes, dentre outras. 
	Segundo o Nutrient requirements for cats, dos Estados Unidos, o nível de taurina recomendado para crescimento e manutenção seria de 400 mg de taurina / kg de matéria seca da dieta e 500 mg kg de matéria seca para reprodução. No entanto, estes níveis não são adequados para manter um “status” adequado de taurina para gatos pois estas recomendações foram feitas com base em testes realizados com dietas purificadas ou semipurificadas, supostamente com 100 % de disponibilidade. As recomendações atuais são de 1.000 a 1.200 mg de taurina kg de matéria seca, em rações secas, e 2.000 a 2.500 mg kg de matéria seca, em rações úmidas enlatadas. As razões para um maior requerimento de taurina em rações enlatadas não é devido à biodisponibilidade em seu conceito clássico. Parece que o aquecimento durante o processamento induz a formação de produtos que aumentam as perdas enterohepáticas de taurina.
(Modificado de ALVES, 1995).
9. BIBLIOGRAFIA
ALVES, I. P. Taurina: Um nutriente essencial para os gatos. UFMG. Seminário de zootecnia. 1995. 4 p.
LEHNINGER, A. L. Princípios de bioquímica. São Paulo: SARVIER. 1985, 725p.
LEHNINGER, A. L., NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de bioquímica. São Paulo: SARVIER. 1995, 839p.
MARZZOCO, A., TORRES, B. B. Bioquímica Básica. São Paulo: Guanabara Koogan, 2007, 386p.
NEVES, A. G. A., VIEIRA, L. Q. Proteínas. In: VIEIRA, E. C., GAZZINELLI, G., MARES-GUIA, M. Bioquímica celular e biologia molecular. São Paulo: Atheneu, 1999. p.45-76.
RIEGEL, R. E. Bioquímica. Santa Catarina: Unisinos. 2005, 547p.
SARAIVA, L, F. M., SILVA, A. P. F. S. Bioquímica. Fortaleza: RDS, 2009. 143p.�
Figura 7
Os 20 aminoácidos padrão das proteínas. Eles estão mostrados em suas formas totalmente ionizadas, como ocorrem em pH 7 (LEHNINGER et al., 1995)
�
Figura 1
Estrutura geral de um amminoácido. R é a cadeia lateral
�
Figura 2
Interações por pontes de hidrogênio típicas, envolvendo a polaridade da água (Fonte: RIEGEL, 2005)
�
Figura 3
Formas iônicas de um aminoácido (NEVES & VIEIRA, 1999)
�
Figura 5
Formas iônicas da lisina (NEVES & VIEIRA, 1999)
�
Figura 6
As curvas de titulação do ácido glutâmico e da histidina. O pK’ do grupo R está designado por pK’R (Fonte: LEHNINGER, 1985)
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