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56 Profa. Dra. Janesca Alban Roman PROTEÍNAS 57 Profa. Dra. Janesca Alban Roman AMINOÁCIDOS Os aminoácidos (aas) funcionam não só como unidades estruturais para a formação das proteínas, mas também como precursores de uma série de substâncias biologicamente importantes como hormônios e pigmentos, etc. Os aminoácidos são as unidades estruturais básicas das proteínas. Dispostos em seqüências específicas, os aminoácidos dão identidade e caráter as proteínas. Os organismos vivos são formados por 20 tipos de aminoácidos. Os aminoácidos encontrados nas proteínas possuem em comum a presença de um grupo amino (-NH2), um grupo carboxíla (-COOH), um átomo de hidrogênio (H) e um radical R diferenciado (cadeia lateral), ligados a um átomo de carbono (carbono alfa, quiral ou opticamente ativo (Figura 11). Dois aminoácidos não se encaixam nesta definição, a glicina que possui como radical o átomo de hidrogênio e a prolina que contêm o grupo imino (-NH) em substituição ao grupo amino (-NH2),estruturalmente considerada como um iminoácido, mas se inclui entre os aminoácidos por apresentar propriedades semelhantes a estes. A ligação peptídica (reação de condensação) se forma entre o grupo carboxila de um aminoácido e o grupo amino do outro. Esta ligação ocorre através da liberação de uma molécula de água para cada ligação peptídica formada (Figura 12). A união de 2 aas formam um dipeptídeo, de 3 aas um tripeptídeo de n aas formam um polipetídeo e a união de vários peptídeos formam uma proteína. Além da ligação peptídica, outras ligações podem ser importantes para a determinação da estrutura protéica, como pontes de hidrogênio, ligações eletrostáticas/salinas/iônicas, hidrofóbicas/apolares/Van der Walls, ligações polares/dipolo-dipolo e pontes dissulfeto. Figura 11– Estrutura geral de um aminoácido Figura 12 – Formação de um dipeptídeo 58 Profa. Dra. Janesca Alban Roman 1. CLASSIFICAÇÃO 1.1 Essenciais e não essenciais Essenciais, ou indispensáveis: são aqueles que o organismo humano não consegue sintetizar. Desse modo, eles devem ser obrigatoriamente ingeridos através de alimentos, pois caso contrário, ocorre a desnutrição. Assim, a alimentação deve ser a mais variada possível para que o organismo se satisfaça com o maior número desses aminoácidos. As principais fontes desses aminoácidos são a carne, o leite e o ovo. A falta desses aminoácidos pode levar à perda de peso, diminuição do crescimento, balanço nitrogenado negativo e sintomas clínicos. Os aminoácidos não-essenciais, ou dispensáveis, são aqueles que o organismo humano consegue sintetizar a partir dos alimentos ingeridos. Os aminoácidos condicionalmente essenciais ou condicionalmente indispensáveis: Quando o organismo precisa de certo aminoácido em algumas condições específicas: desnutridos, cirurgias, lesões. A arginina pode ser sintetizada, mas é requerida em quantidades maiores para o crescimento e desenvolvimento normais e a histidina é um aa essencial para crianças. Quadro 14- Classificação dos aminoácidos Essenciais Condicionalmente essenciais Não essenciais Fenilalanina Isoleucina Leucina Lisina Metionina Treonina Triptofano Valina Arginina Cisteína e cistina Glicina Glutamina Histidina Prolina Serina Taurina Tirosina Alanina Ácido aspártico Ácido glutâmico Asparagina Fonte: Adaptado de Waitzberg, 2006. 1.2 Cadeia lateral Com base na cadeia lateral dos aminoácidos estes podem ser classificados como apolares ou polares (sem carga, carregados positivamente (básicos) ou carregados negativamente (ácidos). Essas propriedades químicas isoladas dos aminoácidos continuam existindo após a inserção de resíduos destes na cadeia protéica e garantem as propriedades químicas das proteínas. A partir desses blocos de construção distintos, os organismos podem sintetizar produtos muitos diferentes entre si, como enzimas, hormônios, anticorpos, penas de pássaros, teias de aranha, antibióticos, venenos de fungos peçonhentos, entre tantos outros produtos, cada qual com sua atividade biológica característica. 59 Profa. Dra. Janesca Alban Roman Aminoácidos com cadeias laterais apolares (hidrofóbicas): têm grupos R constituídos por cadeias com carácter de hidrocarbonetos, que não interagem com a água. Geralmente estão localizados na parte interna da proteína. Ex: glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina, fenilalanina, triptofano e prolina (freqüentemente interrompe as - hélices encontradas em proteínas globulares- mioglobina), contribuindo para a formação de proteínas fibrosas-colágeno). Aminoácidos polares (hidrofílicos): são os que têm nas cadeias laterais, grupos com carga elétrica líquida ou com cargas residuais, que os capacitam a interagir com a água. São geralmente encontrados na superfície da molécula protéica. Quanto a carga são divididos em 3 categorias: - polares com cadeias laterais desprovidas de carga elétrica ou neutras (sem carga): apresentam carga líquida zero em pH neutro. a) serina, treonina e tirosina, com grupo hidroxila na cadeia lateral; b) asparagina e glutamina, com grupo amida e c) cisteína com um grupo sulfidrila. A cisteína contem um grupo sulfidrila (-SH), podendo formar a cistina (-S-S-), denominada de ponte dissulfeto, os demais tendem a formar pontes de hidrogênio. - polares com cadeias laterais carregadas negativamente (ácidos): São doadores de prótons. Em pH neutro, as cadeias laterais desses aminoácidos encontram-se completamente ionizadas, contendo um grupo carboxilato carregado negativamente (- COO-): ácido aspártico e ácido glutâmico. - polares com cadeias laterais carregadas positivamente (básicos): lisina, arginina e histidina Aminoácidos são armazenados no organismo? Não existe reserva considerável de aas livres no organismo. Os aas permanecem em estado dinâmico de turnover, ou reciclagem, de síntese intracelular e degradação do excedente. O destino do pool (conjunto presente em todo organismo) de aas livres é múltiplo: incorporação em proteína tissular, neoglicogênese e síntese de novos compostos nitrogenados (creatina e epinefrina). As proteínas tissulares podem sofrer degradação e liberar aas para o pool. Os aminoácidos livres são então usados para síntese de novas proteínas ou degradados no fígado, músculo, rim e cérebro em amônia e ácido glutâmico. Ainda no fígado, aqueles aas não utilizados, são sintetizados em uréia, por sua vez excretados pelo rim. 60 Profa. Dra. Janesca Alban Roman Cadeias laterais alifáticas ALANINA VALINA LEUCINA ISOLEUCINA Cadeias laterais hidroxiladas SERINA TREONINA Cadeias laterais básicas (carregados positivamente) LISINA ARGININA HISTIDINA 61 Profa. Dra. Janesca Alban Roman Cadeias laterais aromáticas FENILALANINA TIROSINA TRIPTOFANO Cadeias laterais ácidas (carregados negativamente) e seus derivados ASPARTATO ASPARAGINA GLUTAMATO GLUTAMINA Cadeias laterais sulfuradas CISTEÍNA METIONINA Iminoácidos GLICINA PROLINA 62 Profa. Dra. Janesca AlbanRoman 2. PROPRIEDADES DOS AMINOÁCIDOS a) Propriedade elétrica (ácida ou básica): b) Ponto isoelétrico (pI): Figura 13 – Propriedade ácida e básica da alanina. Fonte: Marzzoco e Torres (2007). 63 Profa. Dra. Janesca Alban Rom an M APA M ENTAL - AM INOÁCIDOS 64 Profa. Dra. Janesca Alban Roman ATIVIDADES: AMINOÁCIDOS 1) O que são aminoácidos e como são constituídos quimicamente? Desenhe a sua estrutura básica. 2) Diferencie aminoácidos essenciais dos não-essenciais. Cite exemplos. 3) Como os aminoácidos são unidos? Essa ligação é covalente? Esquematize a formação de um dipeptídeo. 4) Diferencie dipeptídeo, tripepídeo, polipeptídeos e proteínas. 5) O que é ponto isoelétrico de um aa? 6) Os aminoácidos são armazenados no organismo humano? Justifique (Slides pg.65 e 69) 70 70 SÍNTESE DE PROTEÍNAS DNA - - - RNA - - - CÓDON - - - SÍNTESE DE PROTEÍNAS - 71 71 Simulando a síntese de proteínas O objetivo desta atividade é facilitar a compreensão do mecanismo da síntese de proteínas pela utilização e modelos em papel que representam os principais participantes do processo: RNA mensageiro (RNAm), ribossomo, diversos tipos de RNA transportador (RNAt), fator de liberação e aminoácidos. A atividade consiste em simular, passo a passo, os mecanismos que levam ao encadeamento dos aminoácidos da proteína sob o comando do RNA mensageiro. Orientações gerais: Recorte, com uma tesoura ou um estilete, os modelos do RNAm, do ribossomo, dos aminoácidos, dos RNAt e do fator de liberação das folhas de desenhos recebidas juntamente com esta. Note que o RNAm está dividido em dois pedaços que precisam ser unidos. Para isso, siga as instruções da folha de desenhos e una os dois pedaços com cola. Pode-se também colorir os modelos para que sejam mais facilmente reconhecidos. A montagem do modelo pode ser feita sobre uma superfície plana ou fixando-se as peças em um painel de isopor ou de cortiça por meio de alfinetes de mapa ou percevejos. PASSO A PASSO DA SÍNTESE DE PROTEÍNAS 1. Sua primeira tarefa, antes de iniciar a síntese da proteína, é ligar, por meio de um miniclipe, cada RNAt à extremidade carboxila (cinza) do aminoácido correspondente. Para isso, consulte uma tabela de codificação genética, lembrando que geralmente as tabelas se referem aos códons (trincas de bases no RNAm) dos aminoácidos. É necessário "traduzir" os códons para os anticódons do RNAt. Por exemplo, se o códon para a metionina é AUG, a trinca do RNAt correspondente é UAC. 2. Alinhe o RNAm na subunidade menor do ribossomo, de maneira que o códon de início fique exatamente embaixo do sítio P, na subunidade maior do ribossomo. Encaixe o RNAt da metionina no sítio P do ribossomo de modo que seu anticódon se encaixe ao códon de início. É esse encaixe que marca o começo da síntese de proteínas. 3. Encaixe o RNAt que corresponde ao códon localizado sob o sítio A. O aminoácido transportado por esse RNAt será o segundo da cadeia polipeptídica. Solte a metionina de seu RNAt e cole sua extremidade carboxila (cinza) à extremidade amina (branca) do segundo aminoácido. 4. Deslize com cuidado o ribossomo para a direita. Percorra uma distância correspondente a três bases, mantendo encaixados os códons e os anticódons. O RNAt da metionina fica fora do ribossomo e desliga-se do RNAm; o segundo RNAt, com os dois aminoácidos unidos, passa a ocupar o sítio P; o sítio A fica vazio. Encaixe o RNAt que corresponde ao códon localizado sob o sítio A. Solte a dupla de aminoácidos (dipeptídio) do RNAt localizado no sítio P e cole a extremidade carboxila livre à extremidade amina do terceiro aminoácido. 5. Repita o procedimento anterior até que o códon de término passe a ocupar o sítio A do ribossomo. O encaixe do fator de liberação determina o fim da mensagem genética para a proteína; esta se desliga do último RNAt e está pronta para atuar. 72 72 73 73 Figura modificada, com autorização dos autores, a partir de Amabis & Martho. Temas de Biologia. Propostas para desenvolver em sala de aula (Número 7). Editora Moderna. 74 74 O código genético: Cada trinca de nucleotídeos (ou códons) refere-se à seqüência de nucleotídeos do RNAm e carrega a informação para que o respectivo aminoácido seja adicionado à proteína em construção. As trincas de iniciação (AUG) e término (UAA, UAG e UGA, conhecidas como stop) da tradução de qualquer proteína são padronizadas. O nome de cada aminoácido está abreviado da seguinte maneira: fenilalanina (Phe), leucina (Leu), isoleucina (Ile), metionina (Met), valina (Val), serina (Ser), prolina (Pro), treonina (Thr), alanina (Ala), tirosina (Tyr), histidina (His), glutamina (Gln), asparagina (Asn), lisina (Lys), ácido aspártico (Asp), ácido glutâmico (Glu), cisteína (Cys), triptofano (Trp), arginina (Arg), glicina (Gly). Quadro 15 – Código genético padrão Fonte: www.dbq.uem.br/sintese-prot2.ppt 75 75 PROTEÍNAS As proteínas são compostos orgânicos de alto peso molecular, são formadas pelo encadeamento de aminoácidos. Representam cerca de 50 a 80% do peso seco da célula sendo, portanto, o composto orgânico mais abundante de matéria viva. São encontradas em todas as partes de todas as células, uma vez que são fundamentais sob todos os aspectos da estrutura e função celulares. São os constituintes básicos da vida: tanto que seu nome deriva da palavra grega "proteios", que significa "em primeiro lugar". Nos animais, as proteínas correspondem à cerca de 80% do peso dos músculos desidratados, cerca de 70% da pele e 90% do sangue seco. Mesmo nos vegetais as proteínas estão presentes. Existem muitas espécies diferentes de proteínas, cada uma especializada para uma função biológica diversa. Além disso, a maior parte da informação genética é expressa pelas proteínas. Todas contêm carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio, e quase todas contêm enxofre. Algumas proteínas contêm elementos adicionais, particularmente fósforo, ferro, zinco e cobre. Independentemente de sua função ou espécie de origem, são construídas a partir de um conjunto básico de vinte aminoácidos, arranjados em várias seqüências específicas, que se repetem, em média, cerca de 100 vezes. Todas as proteínas, sejam das linhagens mais antigas de bactérias ou de forma mais complexa de vida, são constituídas com o conjunto de 20 aminoácidos, unidos covalentemente por ligações peptídicas, em seqüências lineares características. Considerando-se a formação de proteínas contendo somente 20 aas, um de cada tipo, poderiam ser obtidos 2,4 x 1018 moléculas diferentes! Como as proteínas são compostas por centenas de aminoácidos, cada um deles podendo estar presente mais de uma vez, a possibilidade de construção de moléculas diferentes é praticante infinita. Em virtude de cada um destes aminoácidos ter uma cadeia lateral distinta, a qual determina as suas propriedades químicas, este grupo de 20 moléculas precursoras pode ser considerado como o “alfabeto” com o qual a linguagem da estrutura protéica é escrita. 1. DEFINIÇÃO As proteínas são macromoléculas compostas de uma ou mais cadeias polipeptídicas, cada uma possuindo uma seqüência característicade aminoácidos. São, portanto polímeros de aminoácidos (somente L-aminoácidos) *D-aminoácidos são encontrados em alguns antibióticos e em paredes celulares de bactérias. Desta forma, as proteínas têm como base de sua estrutura os polipeptídios formados de ligações peptídicas entre os grupos amino (-NH2) de um aminoácido e carboxílico (-COOH) de outro, ambos ligados ao carbono alfa de cada um dos aminoácidos. As cadeias assim constituídas chamam-se cadeias polipetídidas e, ao atingirem certa dimensão, recebem o nome de proteína. É comum considerar proteínas os polipeptídeos com peso molecular a partir de 6.000 Da. COOH HOOC | | +H3N – C – H H – C –NH3+ | | CH3 H3C L – alanina D – alanina Figura 14- Formas D e L da alanina são imagens especulares (imagens no espelho) 76 76 2. FUNÇÕES As proteínas podem ser agrupadas em várias categorias de acordo com a sua função. De uma maneira geral, as proteínas desempenham nos seres vivos as seguintes funções: a) Estrutural - participam da estrutura dos tecidos. Exemplos: Colágeno (proteína fibrosa de alta resistência, encontrada na pele, nas cartilagens, nos ossos, tendões e ligamentos), elastina (vasos sanguíneos), actina e miosina (proteínas miofibrilares contráteis que participam do mecanismo da contração muscular), queratina (proteína impermeabilizante encontrada na pele, no cabelo e nas unhas), albumina (proteína mais abundante do sangue, relacionada com a regulação osmótica e com a viscosidade do plasma). b) Enzimática - toda enzima é uma proteína. As enzimas são fundamentais como moléculas reguladoras das reações biológicas, atuando como catalisadores biológicos. Catalisam milhares de reações químicas que ocorrem nos organismos. Dentre as proteínas com função enzimática podemos citar, como exemplo, as lipases - enzimas que transformam os lipídios em suas unidades constituintes, como os ácidos graxos e glicerol. A glicose 6-fosfato isomerase que transforma a glicose6-fosfato em frutose 6-fosfato, entre tantas outras como amilase, protease, lactase, sacarase, piruvato quinase, malato desidrogenase, fumarato hidratase, xantina oxidase, etc. c) Hormonal - muitos hormônios de nosso organismo são de natureza protéica (insulina, glucagôn). Resumidamente, podemos caracterizar os hormônios como substâncias elaboradas pelas glândulas endócrinas e que, uma vez lançadas no sangue, vão estimular ou inibir a atividade de certos órgãos, desempenhando dessa forma funções importantíssimas como reguladores do metabolismo. d) Antígeno/anticorpo - existem células no organismo capazes de "reconhecer" proteínas "estranhas" que são chamadas de antígenos. Como reações a presença de antígenos, os organismos sintetizam anticorpos que reagem no sentido de neutralizar os efeitos indesejáveis do antígeno. O anticorpo combina-se, quimicamente, com o antígeno, do maneira a neutralizar seu efeito (ex: vacinação). A reação antígeno-anticorpo é altamente específica, o que significa que um determinado anticorpo neutraliza apenas o antígeno responsável pela sua formação. Os anticorpos são produzidos por certas células de corpo (como os linfócitos). Ex: Imunoglobulinas e o interferon que atuam no combate a infecções bacterianas e virais. e) Nutricional – poderá ser exercida por qualquer proteína, enquanto não apresentar propriedades tóxicas. Ingeridas com os alimentos as proteínas sofrem ação das enzimas proteolíticas e seus aminoácidos, uma vez absorvidos, entrarão na síntese de proteínas próprias do organismo que a ingeriu. O valor nutritivo de uma proteína dependerá de sua digestibilidade e de sua composição ou da presença dos aminoácidos essenciais em quantidade e proporções adequadas devendo ainda estar em forma biodisponível. f) Anti-coagulante- vários são os fatores da coagulação que possuem natureza protéica, como por exemplo: fibrinogênio, globulina anti-hemofílica, etc... g) Transporte – pode-se citar como exemplo a hemoglobina, proteína responsável pelo transporte de O2 (oxigênio) dos alvéolos pulmonares para os tecidos e CO2 (dióxido de carbono) dos tecidos para os pulmões, no fenômeno de respiração aeróbica. 77 77 3. CLASSIFICAÇÃO 3.1. Composição De acordo com a composição podem ser divididas em duas grandes classes: a) Proteínas simples: apresentando apenas aminoácidos em sua composição. b) Proteínas conjugadas: formadas por aminoácidos (parte protéica) e de outras substâncias (parte não protéica, ou também chamado de grupo prostético). Ex: nucleoproteínas, glicoproteínas, lipoproteínas, hemoproteínas, flavoproteínas, fosfoproteínas e metaloproteínas. 3.2. Forma Dois tipos distintos de proteínas podem ainda serem evidenciados quanto à forma tridimensional das cadeias polipeptídicas. a) proteínas fibrosas: que apresentam forma alongada, geralmente são insolúveis em água e desempenham papel estrutural passivo nos sistemas biológicos. São formadas pela associação de módulos repetitivos, possibilitando a construção de grandes estruturas. Os componentes fundamentais das proteínas fibrosas são cadeias polipeptídicas muito longas com estrutura secundária regular. Exemplos: - colágeno (tripla hélice, tropocolágeno, que quando submetida ao aquecimento, a estrutura do colágeno é rompida, origina uma proteína desenrolada, mais solúvel, a gelatina). As fibras de colágeno são responsáveis pelas funções mecânicas e de sustentação do tecido conjuntivo, que se distribui por cartilagens, tendões, matriz óssea e pele; mantém ainda a estrutura e elasticidade do sistema vascular e de todos os órgãos. - -queratina ( -hélice), componente da epiderme dos vertebrados e estruturas relacionadas, como cabelo, lã, chifres, unhas, cascos, bicos e penas. Nessas proteínas é freqüente a formação de pontes dissulfeto entre resíduos de cisteína adjacentes, conferindo grande estrutura as fibras. O padrão de distribuição destas pontes determina o grau de ondulação do cabelo e da lã. As β-queratinas (β-preguiada) são as fibras formadas por empilhamento de folhas β- preguiada, como acontece na fibroína da seda e das teias de aranha). - elastina. b) proteínas globulares: que tendem a ser estruturalmente complexas, adquirem forma final aproximadamente esférica, são geralmente solúveis em água e desempenham diferentes funções dinâmicas. Ex: enzimas, albumina, globulinas, hemoglobina . Figura 15 – Colágeno (proteína fibrosa) Figura 16 – Enzima (proteína globular) 78 78 3.3. Graus de estruturação Uma proteína ou um polipeptídeo, pode se apresentar em diferentes graus de estruturação (Figura 17) que são mantidas por diversos tipos de ligação e/ou interações entre os vários grupos funcionais dos aminoácidos que compõem a proteína, constituídas de quatro níveis: a) estrutura primária, b) secundária, c) terciária e d) quaternária. Esses diferentes níveis de organização estrutural são encontrados nas proteínas globulares. Figura 17 – Graus de estruturação das proteínas 79 79 a) Estrutura primária: se caracteriza por apresentar apenas ligações covalentes entre os aminoácidos, formando polímeros de cadeias distendidas ("random coil"). A estrutura primária pode variar em 3 aspectos, definidos pela informação genética da célula: número, seqüência e natureza dos aminoácidos. A estrutura primária da proteína resulta em uma longa cadeiade aminoácidos semelhante a um "colar de contas", com uma extremidade amino terminal (-NH2) e uma extremidade carboxi terminal (-COOH). A estrutura primária de uma proteína é destruída por hidrólise química ou enzimática das ligações peptídicas, com liberação de peptídeos menores e aminoácidos livres Figura 18 – Estrutura primária da proteína b) Estrutura secundária: é mantida pelas ligações ou pontes de hidrogênio, que podem ser intramolecular ou ( -hélice) ou intermolecular ( -preguiada). Apesar das pontes de hidrogênio serem consideradas fracas, o elevado número destas ligações confere grande estabilidade a essas estruturas. A maioria das proteínas exibe os dois tipos de estrutura secundária. Ex: mioglobina, com 8-% da cadeia polipeptídica organizada em -hélice. -hélice: é caracterizada por uma translação ao redor de um eixo central paralelo às ligações de hidrogênio, com giros de 5,4A. Um giro completo da -hélice envolve 3,6 resíduos de aminoácidos. Portanto a translação por resíduo é de aproximadamente 1,5A, e a rotação por resíduo é de 100 graus. As -hélices de giro para a direita são mais estáveis, portanto as que predominam (Figura 19). -preguiada/foliar: resultam de ligações de hidrogênio intermoleculares e podem ser de dois tipos: paralelas e antiparalelas. As paralelas apresentam todos os terminais NH2 das cadeias na mesma extremidade, enquanto as antiparalelas os terminais -NH2 e - COOH das cadeias são alterados. Ao contrário do que se observa na -hélice, na - preguiada as ligações de hidrogênio são orientadas quase que perpendicularmente ao eixo principal da cadeia polipeptídica e é quase completamente estendida em vez de fortemente enrolada (Figura 20). Figura 19- Estrutura -hélice Figura 20- Estrutura -preguiada 80 80 c) Estrutura terciária: se refere ao arranjo espacial da cadeia polipeptídica (dobramento ou formação de laços), já dotada ou não de estrutura secundária. Na determinação da estrutura terciária e na determinação da conformação de uma proteína entram forças de naturezas diversas (Figura 21), tais como: Pontes de hidrogênio: estabelecidas entre grupos R de aminoácidos polares ou sem carga. Por exemplo serina e treonina, que apresentam grupo hidroxila, podem formar ponte de hidrogênio com asparagina e glutamina, que apresentam o grupo carbonila. As pontes de hidrogênio da estrutura terciária, naturalmente, não apresentam um padrão regular de disposição, ao contrário do que ocorre com as pontes de hidrogênio da estrutura secundária, com as quais, não deve ser confundidas. Interações hidrofóbicas: formadas entre cadeias laterais hidrofóbicas dos aminoácidos apolares. Estas cadeias não interagem com a água e aproximam-se, reduzindo a área apolar exposta ao solvente. As interações hidrofóbicas não resultam de qualquer atração entre os grupos apolares, mas são conseqüência da presença da molécula protéica no ambiente aquoso celular. Naturalmente, a maioria das cadeias hidrofóbicas localiza-se no interior apolar da molécula protéica. As interações hidrofóbicas são as mais importantes para a manutenção da conformação espacial das proteínas, dado o grande número (oito) de aminoácidos hidrofóbicos. Ligações iônicas ou salinas: incluem-se nesta categoria, interações de grupos com cargas opostas, como os presentes nos aminoácidos básicos (lisina, arginina e histidina) e ácidos (aspartato ou ácido aspártico e glutamato ou ácido glutâmico). A energia de formação das ligações iônicas tem magnitude semelhante à das ligações dos grupos iônicos com a água, não contribuindo, portanto, para a formação da molécula protéica quando estão localizados na superfície. Estas ligações, entretanto, tem importância fundamental para o dobramento da cadeia polipeptídica quando ocorrem no interior apolar da proteína. Figura 22 - Estrutura terciária estabilizada por ligações não covalentes: (1) interação hidrofóbica, (2) pontes de hidrogênio e (3) ligação iônica Fonte: Marzzoco e Torres (2007). 81 81 Ponte dissulfeto: Além das 3 ligações não covalentes acima descritas, a estrutura protéica pode ser estabilizada por uma ligação covalente, a ponte dissulfeto -S-S- (Figura 22). Ela é formada, entre dois resíduos de cisteína, por uma reação de oxidação catalisada por enzimas específicas. Ex: insulina, que apresenta 3 pontes dissulfeto Figura 22- Pontes dissulfeto d) Estrutura quaternária: são formadas de mais de uma unidade estrutural (subunidades). Cada unidade estrutural pode conter, por sua vez, um ou mais polipeptídios. Cada polipeptídio apresenta o seu próprio grau de estruturação (primário, secundário, terciário). As subunidades estruturais ligam-se umas nas outras por ligações não covalentes. A hemoglobina (Fig. 24), por exemplo, é formada por quatro cadeias polipeptídicas (semelhantes à mioglobina Fig. 23), iguais unidas duas a duas, chamadas de e β, associadas sobretudo por ligações hidrofóbicas, pontes de hidrogênio e eletrostáticas. Figura 23– Mioglobina (estrutura 3 ) Figura 24- Hemoglobina (estrutura 4 ), contém 574 resíduos de aas (Slides pg.82 e 89) 90 90 PROPRIEDADES DAS PROTEÍNAS a) Desnaturação protéica Proteínas são chamadas nativas quando estão em sua conformação tridimensional funcional, podendo adquirir a forma desnaturada quando submetida a tratamentos como aquecimento, agitação, radiações ultravioleta e visível, raios x. Ou provocados por agentes químicos, como ácidos e bases fortes, determinados solventes orgânicos miscíveis em água (etanol, acetona), substâncias anfipáticas como detergentes ou soluções concentradas de uréia e cloreto de guanidina, além de metais pesados (chumbo e mercúrio), que não afetam a seqüência de aminoácidos, mas causam transformações na molécula. Portanto, a desnaturação protéica resulta no desdobramento e na desorganização das estruturas secundárias e terciária, sem que ocorra hidrólise das ligações peptídicas, ou seja, ocorre a quebra das ligações não covalentes. Proteínas assim modificadas são denominadas proteínas desnaturadas, e o fenômeno são denominados de desnaturação das proteínas. Aparentemente a desnaturação tem como resultado uma mudança na conformação, rompendo ligações que estabilizam esta conformação, causando assim um desenrolamento das cadeias peptídicas, e em conseqüência as proteínas se tornam menos solúveis e quimicamente mais reativas. A desnaturação pode, sob condições ideais, ser reversível; neste caso, a proteína dobra-se novamente em sua estrutura original quando o agente desnaturante for removido. Esse processo chama-se renaturação. Entretanto, as proteínas, em sua maioria, uma vez desnaturadas, ficam permanentemente alteradas (irreversíveis). Ex: albumina do ovo (quando aquecida) e a caseína (quando o leite é acidificado por crescimento bacteriano). O desenrolamento das cadeias peptídicas causados pela desnaturação torna essas cadeias mais esticadas, causa um aumento da viscosidade, alterações em suas propriedades químicas, destruição de propriedades fisiológicas e funcionais tecnológicas (solubilidade, espuma, emulsão, geleificação). Distúrbios no processo de enovelamento da cadeia protéica, e a consequente agregação de moléculas, estão envolvidos em diversas condições patológicas, tais como: doença de Alzheimer, doença de Parkinson, e outras doenças neurodegenerativas, infecções,câncer etc. Uma mutação que resulte na substituição de um aminoácido em uma posição crítica na molécula da proteína pode ter conseqüências danosas para o desempenho de sua função. Por exemplo a hemoglobina, quando desoxigenada, agregam-se a valina e formam um precipitado fibroso que distorcem as hemáceas. Estas células alteradas obstruem os capilares, impedindo a oxigenação adequada dos tecidos, ocasionando anemia grave. A doença é conhecida como anemia falciforme. Esta é uma das hemoglobinopatias. 91 91 Resumo Desnaturação: - definição: - tipos: - agentes físicos: - - - - - agentes químicos: - - - - - - - - - conseqüências: - importância/aplicações 92 92 A B C Figura Calorimetria diferencial de varredura (DSC) do WPI Fonte: Roman, 2007, p. 145 Figura 25 – Desnaturação Protéica Quadro 16 93 93 b) Propriedades elétricas O comportamento de uma proteína globular em solução ácida ou básica é determinado em grande parte pelo número e natureza dos grupos ionizáveis nos radicais R dos resíduos de aminoácidos. Os grupos amínicos (-NH2) e carboxílicos (-COOH) terminais das cadeias polipeptídicas exercem pouca influência. A intensidade de ionização dos grupos funcionais dos radicais R será influenciada pela natureza dos radicais R circunvizinhos. As proteínas, do mesmo modo que os peptídeos e aminoácidos, possuem pHs isoelétricos característicos nos quais elas se comportam como íons dipolares, não possuindo cargas positivas ou negativas em excesso. c) Solubilidade: A solubilidade de uma proteína depende do número e do arranjo de cargas na molécula, que por sua vez depende da composição em aminoácidos. Partes não protéicas da molécula, como lipídeos, carboidratos, fosfatos, etc., também afetam a solubilidade. A solubilidade da proteína pode ser modificada por fatores como: pH o pH < pI < pH aumenta a solubilidade da proteína; o pH = pI diminui a solubilidade da proteína tendendo a precipitação. Força iônica o Em baixas concentrações de sais (baixa força iônica), a solubilidade em geral aumenta, pois os íons salinos tendem a se associar às proteínas contribuindo para uma hidratação e/ou repulsão entre as moléculas, aumentando a solubilidade “salting in”. o Em elevadas concentrações salinas, os íons competem com a proteína pela água, ocasionando perda de água de hidratação, atração mútua entre as moléculas e formação de precipitado “salting out”. Temperatura o A maioria das proteínas é solúvel a temperatura ambiente e a solubilidade tende a aumentar à medida que se eleva a temperatura até 40 a 50oC. Além destas temperaturas a proteína começa a desnaturar e a solubilidade diminui. d) Tampão: Um tampão é uma solução que resiste a mudanças de pH quando se adicionam quantidades moderadas de ácido ou base. Pode ser constituído de um ácido fraco e seu ânion, tal como ácido acético e íon acetato. Ou também de uma base fraca e seu cátion correspondente, tal como amônia e íon amônio. Os principais tampões biológicos são o fosfato, as proteínas e o bicarbonato. No nosso corpo humano, o pH é mantido ao redor de 7,4 por vários tampões. Estes, impedem a acidose, um pH sanguíneo abaixo de 7,35; assim como alcalose, um pH acima de 7,45. O principal tampão do plasma sanguíneo consiste em ácido carbônico, H2CO3 e bicarbonato HCO3- (íon hidrogeno-cabonatado). O efeito tamponante das proteínas é devido ao grupo ionizável dos aminoácidos (-COO-, -NH3+, etc.), que são ácidos fracos. Entretanto os valores de pH desses grupos são muito distantes de 7,4. Os únicos aminoácidos que apresentam um grupo com pH compatível com o tamponamento a pH fisiológico são a histidina e cisteína. Adicionalmente as proteínas exercem efeito tamponante muito discreto no plasma, por estarem presentes em baixas concentrações. 94 94 5. QUALIDADE DA PROTEÍNA A qualidade da proteína é muito importante, uma vez que os alimentos deficientes em um ou mais aminoácidos essenciais podem prejudicar o processo da síntese protéica e, conseqüentemente, não satisfazer às necessidades do organismo, prejudicando o crescimento de crianças e manutenção da saúde do adulto (Quadro 17). 9 Proteína Completa: Aquela que tem todos os aminoácidos essenciais em quantidades suficientes para preencher as necessidades humanas. 9 Digestibilidade: Medida da quantidade de aminoácidos absorvidos de uma dada proteína. 9 Proteína de alta qualidade: Aquela proteína que é completa e tem boa digestibilidade. 9 Proteína de referência: Aquela proteína que é usada como padrão para mensurar a qualidade de outras proteínas. Quadro 17- Composição de aminoácidos essenciais dos produtos: isolado protéico de soro de leite bovino (WPI), gelatina bovina e mistura 60:40 WPI/gelatina base protéica, comparada aos padrões de referência da FAO/WHO (1990). Aminoácidos (g.100 g-1 de proteína) Padrão FAO/WHO Pré-escolares Padrão FAO/WHO Adultos WPI Gelatina Mistura 60:40 Treonina 3,4 0,9 4,7 1,9a 3,6 Metionina + Cistina 2,5 1,7 8,0 * 3,6 Valina 3,5 1,3 4,8 2,3a 3,6 Leucina 6,6 1,9 12,8 3,1a 9,2 Isoleucina 2,8 1,3 5,0 1,5a 3,6 Fenilalanina + Tirosina 6,3 1,9 6,8 2,5a 5,3a Lisina 5,8 1,6 10,2 3,9a 8,0 Histidina 1,9 1,6 2,0 0,8b 1,4b Triptofano 1,1 0,5 2,8 * 1,8 Escore Aminoácidos Essenciais (EAE) 1,0 0 0,8 * Aminoácido não detectado na análise. a- aminoácidos limitantes apenas para crianças; b- limitantes tanto para crianças como para adultos. Fonte: Roman & Sgarbieri, 2007. 95 95 Recomendações Nutricionais - Recomendações nutricionais: 5-20% de 1-3 anos de idade; 10-30% de 4-18 anos de idade e 10-35% para maiores de 18 anos (DRI, 2002). - Adaptação à baixa ingestão de proteína: todos os indivíduos saudáveis são capazes de ajustar a excreção de N total para equilibrar sua ingestão às variações, mas a baixa ingestão em longo prazo causa depleção da massa magra, podendo levar a morte. - A ingestão acima dos limites recomendados é acompanhada por elevação da uréia, e sua excreção faz a perda de cálcio do organismo, podendo prejudicar em longo prazo a massa óssea e formação de litíase renal. - Proteína bruta da dieta: 6,25g de proteína = 1g de N (em alimentos mede-se o N e depois se multiplica por 6,25 ou por um fator específico de conversão). 5. MÉTODOS PARA A DETERMINAÇÃO/PURIFICAÇÃO DE PROTEÍNAS Os métodos mais comumente usados para a determinação quantitativa de proteínas baseiam-se em três princípios diferentes: a) Determinação do nitrogênio seguido da multiplicação por um fator de conversão de porcentagem de nitrogênio em porcentagem de proteína (método de Kjeldahl). b) Reação dos grupos ou sítios específicos da proteína com diversos reagentes originando complexos (cromóforos) que adsorvem em diferentes faixas de comprimento de onda da luz visível; incluem a reação de Biureto, reação de Folin- Denis-Ciocalteau (Lowry) e complexação com corantes. c) Absorção de luz ultravioleta no comprimento de ondas 278-280nM. A purificação de uma proteína inicia-se com a liberação da proteína do material biológico onde ela ocorre, pelo rompimento dessas estruturas (tecidos, células, bactérias) uma vez conseguida uma preparação contendo a proteína, esta pode ser separada por métodos que se baseiam em propriedades características, tais como: solubilidade, tamanho, carga elétrica e afinidade por determinados compostos.Isso depende das características da proteína. Freqüentemente o primeiro passo é precipitação por sais ou solventes orgânicos sendo a separação baseada na diferença de solubilidade. No entanto essas técnicas permitem uma separação parcial e devem ser seguidas por outras mais seletivas como a cromatografia (exclusão/filtração em gel, troca iônica e de afinidade) e a eletroforese. 6. BALANÇO NITROGENADO (BN) É a diferença entre a quantidade de nitrogênio ingerido e o valor excretado por urina e fezes. Este valor pode ser positivo, negativo ou igual a zero, representando o equilíbrio. Ou seja, é um valor de referencia para acompanhar o estado de evolução nutricional de um paciente. As necessidades protéicas vão variar de acordo com a idade, sexo e condição metabólica do indivíduo. BN+ → entra no organismo mais N2 do que sai, isso é verificado durante o crescimento ou a recuperação de uma enfermidade debilitante. BN= → quando a quantidade de N2 produzida na dieta e a mesma perdida pelos rins e fezes, ocorre em todos os indivíduos adultos normais. 96 96 BN - → Um valor negativo pode assinalar que o nitrogênio está sendo ingerido em quantidade menor do que é necessário ou que as perdas nitrogenadas estão elevadas. Nestas condições o nitrogênio deve ser suprido com ingestão de proteínas, peptídeos ou aas por via enteral ou parenteral. - - - - - 7. REAÇÕES, ALTERAÇÕES x PROTEÍNAS ALIMENTARES 9 Reação de Mailard Uma reação que ocorre freqüentemente em alimentos, que diminui a biodisponibilidade de aminoácidos é a do tipo Maillard (RM), que ocorre entre o grupo carbonilo de um açúcar redutor e o grupo amínico de um aminoácido. No processamento dos alimentos a RM pode ser útil, como o desenvolvimento de produtos da reação que conferem sabor, cor e aroma desejáveis, por exemplo, doce de leite, massas (pães, bolos) assados, etc. Já por outro lado, temos a redução do valor nutricional do produto devido à utilização dos aminoácidos e proteínas na reação, que se tornam indisponíveis. Lisina, metionina e aminoácidos N-terminal de proteínas reagem com açúcares redutores e perdas substanciais desses aminoácidos ocorrem quando submetidos a tratamentos drásticos. Apesar de estudada há muitos anos, ainda não se entendeu completamente a RM. Os compostos produzidos pela RM que recebem maior atenção e estudo são as melanoidinas, que são complexantes de metais e sua cor varia de marrom claro até preto. 9 Inibidores de enzimas proteolíticas Outras substâncias presentes nos alimentos são os inibidores de enzimas proteolíticas (tripsina ou quimiotripsina) que estão presentes em alta concentração em grãos de leguminosas (feijões), que inibem as enzimas digestivas protéicas, diminuindo sua biodisponibilidade. Estes inibidores são termolábeis, desta forma, o processo de cocção reduz sua atividade, melhorando a biodisponibilidade da proteína presente nestes grãos. Ressalta-se que também se encontra inibidores de enzimas proteolíticas em amendoim, trigo, cevada, centeio, batata-inglesa e clara de ovo. 97 97 9 Alergia à proteína do leite de vaca A alergia ao leite de vaca é uma desordem complexa e tem sido definida como uma reação adversa mediada por mecanismos imunológicos ativados por uma ou mais proteínas do leite. A alergia ao leite de vaca pode ser dividida em dois diferentes mecanismos imunológicos: mediada por IgE (mais comuns em crianças) e não IgE (mais comum em adultos). As proteínas do leite mais envolvidas na alergia são as caseínas, a beta-lactoglobulina e a alfa-lactoglobulina. As reações clínicas são as mais diversas, principalmente reações gastrintestinais (vômitos, diarréias, náusea, cólica), bem como reações cutâneas (dermatite atópica, urticária) e respiratórias (asma, otite, etc). Nas proteínas do leite de vaca existem mais de 30 sítios alergênicos. A alergenicidade das proteínas do leite pode ser alterada por processos tecnológicos e/ou digestão. A pasteurização por aquecimento rápido (15 a 20 segundos a temperatura de 72 a 76ºC) não causa alteração na antigenicidade/alergenicidade e a pasteurização lenta (121ºC por 20 minutos) pode reduzir a alergenicidade. Toda alergia alimentar deve ser tratada com a exclusão do alimento alergênico da dieta, neste caso, leite e derivados, bem como formulações que contenham leite de vaca, como bolos, pães, sorvetes, etc. As possibilidades de substituição do leite de vaca são o leite de cabra, pois têm alguns sítios alergênicos diferentes do leite de vaca ou a soja, mas a soja também tem sítios alergênicos. Desta forma, o ideal são as fórmulas extensivamente hidrolisadas que são consideradas hipoalergênicas. A alergia à proteína do leite de vaca é a mais comum, porém existe alergia à soja, amendoim, crustáceos, etc. Na indústria de alimentos há necessidade de informar nos rótulos que pode conter traços destes ingredientes potencialmente alergênicos quando houver contaminação cruzada durante a produção. A alergia ao leite de vaca se dá pela manifestação alérgica do organismo contra a proteína do leite. Esta doença não deve ser confundida com a intolerância à lactose, que é a ausência da enzima lactase, portanto uma reação do organismo ao carboidrato presente em todos os leites. 9 Doença celíaca A doença celíaca é considerada uma desordem auto-imune, na qual o organismo ataca a si mesmo. É uma condição crônica que afeta principalmente o intestino delgado, caracterizada por intolerância permanente ao glúten, proteína encontrada no trigo, centeio, cevada, aveia e malte. Nos indivíduos afetados, a ingestão de glúten causa danos às microvilosidades do intestino delgado. Os sintomas podem surgir em qualquer idade após o glúten ser introduzidos na dieta, sendo mais comum seu diagnóstico na infância. Os sintomas intestinais incluem diarréia crônica ou prisão de ventre, inchaço e flatulência, irritabilidade, e pouco ganho de peso. Os pacientes podem apresentar atraso de crescimento e da puberdade, anemia da carência de ferro, osteopenia ou osteoporose, exames anormais de fígado, e uma erupção na pele que faz coçar chamada dermatite herpetiforme. A doença celíaca também pode não apresentar nenhum sintoma. Todo alimento industrializado que contém glúten deve disponibilizar esta informação no rótulo. 8. DOENÇAS HEREDITÁRIAS Mais de 1.400 doenças genéticas humanas já foram identificadas como resultantes da produção de proteínas defeituosas, em que a cadeia normal de aminoácidos – o componente basal das proteínas – está alterada. 98 98 Alcaptonúria : - - - Fenilcetonúria: - - - - Albinismo : - - - Hiperamonemia: - - - 99 99 9. DIGESTÃO As proteínas tem sua digestão iniciada no estômago (pepsina, que é ativa em pHs baixos, próximo de 1,0), mas melhor desenvolvida em sua maior parte, no duodeno e jejuno (do intestino delgado) sob a ação de proteases pacreáticas: quimotripsina (aas aromáticos), tripsina (aas básicos), elastase (aas afiláticos), carboxipeptidases (aas carboxi-terminal), aminopeptidases (aas a partir de N-terminal) e dipeptidases. A digestão das proteínas se inicia no estômago, onde o ácido clorídrico ativa o pepsinogênio, dando origem a pepsina. A pepsina hidrolisa as proteínas em proteoses e peptonas. No duodeno, a enzima enteroquinase que estimula a liberação de tripsinogênio (forma inativa) pelo pâncreas. A tripsina (forma ativa) os hidrolisa em polipeptídeos. As enzimas proteolíticas entéricas produzidas na borda em escova hidrolisam os polipeptídeosem aminoácidos, dipeptídeos e tripeptídeos; 99% deles são absorvidos ao final do jejuno. Os aminoácidos são liberados na circulação e são destinados para: a síntese de proteínas e enzimas, sínteses de substancias nitrogenadas, síntese de outros aminoácidos e para o catabolismo. O pool de aminoácidos no sangue está sempre em equilíbrio com a proteína tissular. Aminoácidos não utilizados imediatamente após a síntese protéica são perdidos, já que não há estocagem de proteínas. Assim, o total de proteínas no corpo de um adulto saudável é constante, de forma que a taxa de síntese é sempre igual à de degradação. O excesso de ingestão protéica é transformado em energia, e se não for usada, será transformada em triglicérides e armazenada no tecido adiposo. A utilização protéica depende da disponibilidade de energia. Ocorre melhor balanço nitrogenado com adição de energia. O aumento de energia aumenta a síntese protéica e diminui a oxidação de aminoácidos. Ou seja, o consumo de alimentos de fontes protéicas deve ocorrer com alimentos fontes de energia (preferencialmente carboidratos), para melhor utilização da proteína pelo organismo humano. 100 100 M APA M ENTAL – PROTEÍNAS 101 101 ATIVIDADES: PROTEÍNAS 1) Defina o que são proteínas? Como são compostas quimicamente? 2) Aponte as três categorias e subcategorias em que as proteínas podem ser classificadas, em forma de organograma. 3) Cite cinco funções que as proteínas podem desempenhar exemplificando cada uma delas. 4) O que é a estrutura primária de uma proteína? 5) Explique as principais diferenças entre as estruturas (1º, 2º, 3º e 4º) que formam as proteínas. 102 102 6) Analise a seguinte frase: "Toda a enzima é uma proteína, mas nem toda proteína é uma enzima". Você concorda com ela? Explique. 7) O que são pontes dissulfeto? 8) Em que consiste a desnaturação protéica? Cite 5 substâncias que atuam como agentes desnaturantes. Aponte um ponto positivo e um negativo da desnaturação, relacionada com a área de alimentos. 9) O que significa dizer que a proteína é de alta qualidade? 10) Quais são os três métodos utilizados para a determinação de proteínas.
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