Estrutura dos Aminoácidos e Proteínas

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Estrutura dos Aminoácidos e Proteínas:
 Introdução:
As proteínas, além de constituírem o componente celular mais abundante, são as moléculas mais diversificadas quanto a sua forma e função. Praticamente todos os processos vivos dependem dessa classe de moléculas.
 
Alguns exemplos:
- Colágeno e Elastina - formam os componentes do esqueleto celular e estrutura de sustentação.
- Enzimas - catalisadores biológicos
- Transporte de moléculas - ex: hemoglobina - transporta oxigênio
- atuam no mecanismo contrátil dos músculos- actina e miosina
- controlam a atividade dos genes (expressão gênica), entre outros.
        
1.1-    Estrutura química dos aminoácidos:
As proteínas são sintetizadas a partir de 20 aminoácidos diferentes:
         Os aminoácidos são compostos que apresentam, na sua molécula, um grupo amino (-NH2) e um grupo carboxila (-COOH); a única exceção é a prolina, que contem um grupo imino (-NH-) no lugar do grupo amino.
 
 
 
Classificação dos aminoácidos:
 
As propriedades das cadeias laterais dos aminoácidos.
      As cadeias laterais dos aminoácidos são importantes para a conformação das proteínas e, portanto, para sua função.
      Os aminoácidos são classificados, de acordo com a polaridade do grupo R, em duas grandes categorias: aminoácidos apoIares (com grupo R hidrofóbico) e aminoácidos polares (com grupo R hidrofílico).
      Os aminoácidos apoIares -Têm geralmente uma localização interna na molécula de proteína.
      Os aminoácidos classificados como polares são os que têm, nas cadeias laterais, grupos com carga elétrica líquida que os capacitam a interagir com a água. São geralmente encontrados na superfície da molécula proteica.
 
Estes aminoácidos são subdivididos em três categorias:
 
                 - aminoácidos básicos – (grupo R carregado positivamente)
                 - aminoácidos ácidos - (grupo R carregado negativamente)
                 - aminoácidos polares sem carga.
 
Algumas observações sobre os aminoácidos:
 
   Grupo dos aminoácidos apolares - têm grupos R constituído por cadeias orgânicas com caráter de hidrocarboneto, que não interagem com a água. Têm geralmente uma localização interna na molécula de proteína.
      A glicina é um aminoácido de estrutura mais simples, permitindo assim um mínima restrição estérica na estrutura de uma proteína.
     A prolina é um aminoácido de estrutura mais complexa o que reduz a flexibilidade estrutural da proteína.
    Os grupos R aromáticos - são relativamente não polares (hidrofóbicos). 
Grupo R polar, mas não carregado - são hidrofílicos, porque eles contêm grupos funcionais que formam ponte de hidrogênio com a água.
Ligação Dissulfeto. A cadeia lateral da cisteína(contêm o grupo sulfidrila (-SH), o qual é um componente importante do sítio ativo de muitas enzimas. Nas proteínas, os grupos-SH de duas cisteínas podem torna-se oxidados e formar um dímero (união de duas moléculas de cisteínas por uma ponte de dissulfeto (-S-S), formando a cistina).
Podemos notar que em todos os aminoácidos, exceto a glicina, o carbono α é assimétrico, ligado a quatro grupos diferentes:
- um grupo carboxila
- um grupo amino
- um grupo R (radical)
- hidrogênio
 
 O átomo do carbono α é um carbono quiral ou opticamente ativo. A glicina é é exceção, pois seu carbono
 Os centros quirais geram enantiômeros - moléculas que não sobreponíveis às suas imagens espetaculares.
     Em geral os bioquímicos usam a convenção de Fischer para descrever as diferentes formas de moléculas quirais.
L - (levorrotatório) rotação da luz polarizada para a esquerda
D - (dextrorrotatório) rotação da luz polarizada para a direita
 
A molécula protéica é formada por mais de 50 aminoácidos ligados entre si através das ligações peptídicas.
  Os aminoácidos encontrados nas proteínas têm configuração esteroquímica L, são L- aminoácidos.
  Os D-aminoácidos foram encontrados apenas em pequenos peptídios da parede de células bacterianas e alguns peptídios com função de antibióticos.
 
Em solução aquosa os aminoácidos estão ionizados, e podem agir como ácidos e bases
Os aminoácidos que têm um único grupo amino e um único grupo carboxíla, são conhecidos como “zwitterions”, moléculas que carregam grupos de polaridades opostas. Um aminoácido zwitterions em pH fisiológico, tem o grupo amino protonado e o grupo carboxila desprotonado
 
 Ligação peptídica:
 
Os aminoácidos são ligados através de ligações peptídicas:
 
 
 
As Proteínas: são macromoléculas polipeptídicas, isto é, são moléculas muito grandes, formadas pela união do grupo carboxila de um aminoácido com o grupo amina do outro aminoácido, chamada de ligações peptídicas.
 
Um dipeptídeo formado continua tendo um grupo amina numa das terminações e um grupo carboxila na outra.
 Nestas terminações podem ser adicionadas novos aminoácidos originado:
- tripeptídeo, tetrapeptídeo, até chagar em oligopeptídio.
 
polipeptídeos.- mais de 10 aminoácidos na molécula denominamos
1.2 -  Níveis de Estruturas das Proteínas:
- Estrutura primária: è a seqüência de aminoácidos ao longo da cadeia polipeptídica. Cada proteína é diferente das outras por sua estrutura primária.
 
Exemplo:        Arg - Leu - Ala – Arg - Asp - Ala - Gly -...
 
 
- Estrutura secundária:As moléculas de proteínas são formadas de longas cadeias de aminoácidos que podem se enrolar sobre si mesma em forma de α-hélice ou folha β-pregueada.
Estrutura terciária:A cadeia polipeptídica pode apresentar dobras sobre si mesma adquirindo uma conformação espacial própria.                                                               
Estrutura quaternária:é um grau de organização mais alto, determinado pela combinação de duas ou mais cadeias polipeptídicas Exemplo: A Hemoglobina que é um tetrâmero, formado por duas cadeias α-hélice  e duas cadeias β-pregueada.
 
 Digestão e absorção e transporte de proteínas:
            Conceito Geral:
 Existem mais de 300 aminoácidos diferentes, dos quais apenas 20 aminoácidos são ditos padrão, pois são comumente encontrados em  proteínas.
A primeira etapa da digestão das proteínas ocorre no estômago, as proteínas nativas são desnaturadas pela mudança de pH no estômago e, posteriormente, hidrolisadas por enzimas específicas denominadas genericamente peptidases ou proteases (pois quebram as ligações peptídicas que unem os aminoácidos entre si).
   Essas enzimas são encontradas no sulco gástrico, entérico e pancreático.
  As peptidases dependendo do local da proteína em que agem, podem ser classificadas em:
  Endopeptidases – são aquelas que hidrolisam as ligações peptídicas internas quebrando as proteínas em fragmentos peptídicos cada vez menores
      No suco gástrico há: a pepsina e no sulco pancreático, tripsina e quimotripsina.
      Pepsina – Uma endopeptidase, estável em meio ácido, é secretada pelas células do estômago.
       Exopeptidases: - São enzimas que só agem nas extremidades da molécula proteica, isto é, nas primeiras ligações peptídicas, retirando o último aminoácido da extremidade. Dependendo do extremidade que atuam, podem ser sub-classificados em:
       Carboxipeptidase: - secretada pelo pâncreas, efetua a hidrólise somente na extremidade carboxilada, liberando o aminoácido e refazendo na proteína o grupo carboxílco, onde a enzima age novamente.
      Aminopeptidase: secretada pelas células da mucosa intestinal, efetua a hidrólise na extremidade amínica, liberando os aminoácidos e refazendo na proteína o grupo amínico, onde a enzima age novamente.
        As Endo e exopeptidase agem simultaneamente e uma vez totalmente hidrolisada a proteína até aminoácidos, estes são absorvidos e transportados para o fígado. Do fígado, parte deles são lançados novamente na corrente circulatória e outra parte usada para produção de novas proteínas. Tais proteínas podem ser lançadas na circulação e distribuídas para todos os tecidos do organismo.
 
 
   Absorção dos aminoácidos:
Os aminoácidos livres e dipeptídeos são captados pelas células epiteliais do intestino. Ali, os dipeptídeos são hidrolisados no citosol, produzindo aminoácidos,antes de serem liberados para o sistema porta. Desse modo, apenas os aminoácidos livres são encontrados na veia porta após a refeição.
São chamados de aminoácidos nutricionalmente essenciais aqueles que o nosso organismo não consegue “sintetizar”, ou não o faz na velocidade e em quantidade suficientes, sendo obrigatório sua presença na dieta. Os aminoácidos não essenciais são aqueles que de alguma maneira são sintetizados no nosso organismo.
Estado nativo da proteína - A forma espacial de cada proteína é a principal responsável por suas propriedades biológicas (enzimáticas ou estruturais).
Desnaturação da proteína - ocorre quando ocorre a sua desorganização espacial, a proteína perde suas propriedades biológicas.
 O dobramento das cadeias e, portanto, a conformação das moléculas, depende:
- atrações eletrônicas entre cadeias laterais de aminoácidos
- formação de pontes de hidrogênio ou pontes de dissulfeto entre eles;
-    ligações hidrofóbicas entre cadeias laterais de aminoácidos que não se misturam com a água.
 Síntese de proteínas
     A síntese de proteínas ocorre no citosol (citoplasma) das células. Para que ocorra a síntese são necessários o RNA mensageiro (mRNA), o RNA transportador (tRNA) e o ribossomo.
     Antes de descrever o processo de síntese de proteínas, iremos descrever as funções dos mRNA, tRNA e do ribossomo.
- RNA transportador (tRNA):
O RNA transportador (tRNA) possui forma de trevo, onde existe uma alça na região central que possui 3 nucleotídeos complementar, chamados de anticódon que é complementar ao códon (mRNA).
- Ribossomos:
Em todos os organismos, o ribossomo é constituído por RNA ribossomal (rRNA) mais proteínas e ele é dividido em duas subunidades (parte) uma pequena (subunidade menor) e outra grande (subunidade maior). Cada subunidade é composta por três tipos de rRNA e até 50 proteínas. O rRNA ajudados por suas proteínas ribossomais efetuam a maioria das etapas importantes da síntese de proteínas
Sítio A – liga preferencialmente ao aminoacil-tRNA e localiza-se a subunidade 50S.
Sítio P – liga tanto ao fMet-tRNA como ao peptidil-tRNA e localiza-se na subunidade 30S.
Sítio E – é o sítio de saída das novas proteínas sintetizadas no ribossomo. Localiza-se distante do sítio A e P.
O processo de síntese de proteica é dividido em 3 fases, início, alongamento e término.
 Início da tradução
A síntese de uma proteína inicia quando um ribossomo (subunidade menor) se associa com o códon AUG do mRNA. O códon AUG é chamado de códon iniciador do processo de tradução, ou seja, a maioria da síntese de proteína inicia-se com o códon AUG que corresponde ao aminoácido Metionina (met).
A principal tarefa do inicio do processo de tradução é colocar o primeiro aminoacil-tRNA (tRNAmet) no sítio P do ribossomo e deste modo, permitir a leitura correta do mRNA. Este tRNAmet é um tRNA especial, chamado de iniciador, cujo o símbolo, modifica-se com a colocação da letra i (iniciador). O tRNA fMET ou tRNAmet i (tRNA iniciador) liga-se ao complexo de iniciação. – formação da ligação códon-anticódon do tRNAi no sítio P.
 A primeira metiniona que é adicionada sofre uma modificação com a adição de um grupo formil e passa a ser chamada de fmet –tRNA , ou seja, a formação do tRNA transportador que carrega a primeira metionina que será adicionada no processo de tradução.
          O RNA transportador que possui o anticódon UAC (parea com AUG) é responsável por levar o aminoácido metionina (met) para o sítio do ribossomo. Para que este pareamento (códon – anticódon) ocorra é necessários proteínas adicionais chamadas de fatores de iniciação (IF1, IF2 e IF3).
Após o alinhamento do códon AUG com o tRNA iniciador, o complexo de iniciação é unido à subunidade 60 S para formar o ribossomo 70 S. Os fatores de iniciação (IF) ajudam na montagem do ribossomo.
No sítio A o próximo códon se posiciona para que o tRNA que possui o anticódon correspondente leve o segundo aminoácido que será adicionado.
Figura 1 – Formação do complexo de iniciação do processo de transcrição
8.2.4 Alongamento  
No processo de alongamento, o ribossomo funciona como uma linha de produção de um fábrica, ou seja a cadeia de aminoácidos vai aumentando e formando a proteína. Nesta fase os dois aminoácidos que estão dentro do ribossomo, precisam ser ligados entre si através de uma ligação covalente, chamada de ligação peptídica.
     Durante o processo de síntese da cadeia polipeptídica (proteína), o ribossomo permanece parado, permitindo que o aminoácido (fMet) ligado ao tRNA e localizado no sítio P, seja transferido para o aminoacil-tRNA no sítio A, onde ocorre a ligação peptídica entre os dois aminoácidos Figura 2 letras A e B.  A enzima responsável pela ligação peptídica é a peptidil-transferase. Após a formação da ligação peptídica ocorre o processo de translocação, avançando 3 nucleotídeo no mRNA Figura 2 letra C e D. O tRNA que está sem o aminoácido será liberado do complexo.
 O sítio A agora possui um novo códon, expondo assim uma nova trinca,  que receberá um outro tRNA (aminoacil –tRNA). Este processo se repete como em uma linha de produção de fábrica, a cada códon exposto no sítio A, significa mais um aminoácido que será introduzido a cadeia polipeptídica recém-formada (sequencia de aminoácidos ligados através de ligação peptídica).
             Figura 2 – Nas figuras representadas com a letras A mostra a ligação peptídica entre os aminoácidos. A enzima responsável pela ligação peptídica é a peptidil-transferase. Na figura com a letra B mostra a saída do tRNA após a ligação peptídica. Na letra C e D mostra o processo de translocação o mRNA avança 3 nucleotídeo para expor o próximo códon. Este processo continua até códon de término
O ciclo continua até o códon do sítio A ser um dos três códons terminação, fim ou stop (UGA, UAA ou UAG). Não há nenhum tRNA que reconheça esses códons, portanto, não há nenhum aminoácidos que correspondam a essas sequencias.
Há proteínas chamadas de fatores de liberação, que reconhecem os códons de terminação e separa as subunidades do ribossomo e libera a sequencia de proteína formada. A sequencia primária da proteína está formada.
 
 Degradação e Excreção de Aminoácidos
 
 
Introdução:
 
Os aminoácidos contêm nitrogênio além dos átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio. Este nitrogênio não pode ser armazenado e os aminoácidos em excesso às necessidades de biossíntese das células são imediatamente degradados.
A primeira fase do catabolismo (degradação) dos aminoácidos envolve a remoção dos grupos alfa-aminos por transaminação e desaminação oxidativa, formando amônia e ceto-ácidos correspondentes. Uma porção da amônia livre é excretada na urina, mas a maior parte é usada na síntese de uréia.
Os esqueletos de carbonos dos ceto-ácidos são convertidos em produtos intermediários de rotas produtoras de energia.
            A seguir estudaremos os processos citados acima.
  Transaminação:
            É o processo pelo qual um aminoácido (aa) transfere seu grupo amino para um cetoácido (ka). Desta forma, o aminoácido converte-se em um cetoácido e o cetoácido converte-se um aminoácido, formando assim outro aminoácido com outra cadeia lateral (R2).
As enzimas que catalisam estas reações são chamadas de transaminases ou aminotransferases. Cada aminoácido depende de uma enzima específica (transaminase) que catalisa a sua conversão em cetoácido. Duas transaminases mais largamente distribuídas no tecido é a TGP (transaminases –glutamico-pirúvica) e a TGO (transaminase- glutâmico-oxalética).
            Portanto, a transaminação é uma das maneiras pelo quais os aminoácidos não essenciais são produzidos, desde que exista o cetoácido de cadeia lateral correspondente.
            Os grupos amino na sua maioria dos aminoácidos são, conseqüentemente, direcionados para a formação de glutamato e de aspartato.
            No processo de transaminação, o piridoxal fosfato (PAL), ao se ligar com o grupo amina do aminoácido, com a função de transportará a amina para o cetoácido, torna-se momentaneamente em piridoxamina (PAM),e após realizar o transporte o piridoxamina (PAM) retorna a sua condição original, ou seja, piridoxal fosfato (PAL).
As aminotransferases são enzimas intracelulares, havendo, baixo níveis dessas enzimas no plasma que representam a liberação dessas enzimas durante a renovação celular normal.
Quando há um aumento dos níveis plasmático dessa enzimas indica lesão em células ricas nessas enzimas.
Exemplos:
-Trauma físico e processos patólógico que podem provocar lise celular, resultando na liberação das enzimas aminotransferases para o sangue.
            Doenças Hepáticas – Os níveis sanguíneos de TGO e TGP estão elevados em quase todas as doenças hepáticas, mas estão especialmente altos em doenças que causam necrose celular como a hepatite viral grave, lesão tóxica e colapso circulatório prolongado.
A TGO (AST) é mais específica para as doenças hepáticas, pois, o fígado contém maiores quantidades dessa enzima.
Doenças não hepática – As aminotransferases podem estar elevadas em doenças não hepáticas, como infarto do miocárdio e doenças musculares. Essas doenças, no entanto, são geralmente clinicamente distintas das doenças hepáticas.
 
Desaminação Oxidativa:
Para que o aminoácido seja degradado é necessário que ocorra a eliminação da sua fração amínica. A este processo chamamos de desaminação oxidativa.
            A desaminação é o processo pelo qual o aminoácido libera o grupo amina (NH3+) na forma de amônia (NH4+) e se transforma em um cetoácido. Estas reações são catalisadas pelas enzimas desidrogenases, ou desaminases que possuem como coenzima o NADP.
 
       O glutamato será desaminado, ou seja, o grupo amina (originário dos aminoácidos) foi liberado na forma de amônia. Esta reação foi catalisada pela enzima Glutamato desidrogenase.
Alguns aminoácidos são desaminados por reações especiais, tais como: glicina, histidina, lisina, prolina, serina e treonina que não participam de reações de trasaminação e seu grupo amina é removido reações particulares de cada um deles.
Destinos da cadeia carbônica dos aminoácidos:
 
Após a retirada da parte nitrogenada (como amônia no processo de desaminação oxidativa), a cadeia carbônica remanescente do aminoácido será encaminhada para o metabolismo energético, integrando-se com o metabolismo de carboidrato e lipídios. Aqueles que produzem glicose são chamados glicogênios e os que produzem Acetil-CoA serão chamados de cetogênicos.
São considerados Glicogênicos – Alanina Arginina, Aspartato, Cisteína, Glutamato, Glicina, Histidina, Metionina, Prolina, Serina, Treonina e Valina.
     
      São considerados Cetogênicos – Leucina
            São considerados Glicogênicos e Cetogênicos – Isoleucina, Lisina, Fenilalamina, tirosina e Triptofano.
Ciclo da Uréia:
A uréia é o principal composto nitrogenado encontrado na urina, é altamente solúvel em água. Os dois átomos presentes na fórmula da uréia são provenientes da amônia (NH3+) e aspartato.
         A síntese da uréia é feita no fígado, através do processo chamado de ciclo da uréia. A síntese se inicia na matriz mitocondrial, até a formação do carbamoil-fosfato e depois é transportado para o citossol originando a citrulina, até a formação da uréia, como verá a seguir na figura abaixo
As enzimas envolvidas são: carbamoil-fosfato sintetase, ornitina transcabamoilase, arginossucinato sintetase, arginossucinato liase, arginase.
         A conversão da maior parte da amônia em uréia é fundamental para manter baixa a concentração desse íon nos tecidos, pois a amônia é tóxica para os tecidos, principalmente para o cérebro.
 
O balanço Nitrogenado:
A quantidade de aminoácido ingerido diariamente através de proteínas por um indivíduo adulto e normal, é mais ou menos constante. Não há reserva de aminoácido, se o indivíduo consumir mais proteína há um aumento da excreção.
Balanço nitrogenado é a diferença entre o nitrogênio (N) ingerido e o excretado que deve ser igual a zero nos indivíduos adultos e normais.
Balanço nitrogenado positivo ( mais N ingerido é maior que o N excretado).
–       acontece em criança em crescimento
-         durante a gravidez
-         convalescência de doenças
-         recuperação pós-cirurgica
Em todos os casos os nutricionistas recomendam dietas especiais, ricas em proteínas.
Balanço nitrogenado negativo ( mais N ingerido é menor que o N excretado). Significa perda excessiva de proteínas, pode ocorrer:
-         Doenças degenerativas (tumores)
-         Processos hemorrágicos
-         queimaduras (graves)
-         Inanição prolongada
O nitrogênio da urina é principalmente representada pela uréia excretada.
Há outras formas de perda de nitrogênio no suor, sêmem, catarro, saliva, descamação de pele, corte de cabelo, unhas, entre outros.