Cap1 aminoácidos e proteínas

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1 
Química Biológica 
 
Introdução 
 
 
ULBRA 
Curso de Química 
Prof. Hermes Luís N. de Amorim – hermes.amorim242@gmail.com 
 
Bibliografia sugerida 
Moran, Bioquímica – Caps 3 e 4 
Voet, Bioquimica – Caps 4 e 8 
INTRODUÇÃO À QUÍMICA 
BIOLÓGICA 
Química Biológica 
2 
Química Biológica é uma disciplina científica que abrange as áreas de 
química, biologia e física. 
Envolve a aplicação de técnicas químicas, ferramentas e análises e, muitas 
vezes, compostos produzidos pela química sintética, para o estudo e 
manipulação de sistemas biológicos. 
Químicos biólogos procuram usar princípios químicos para estudar e modular 
sistemas biológicos , eventualmente criando novas funções. 
A pesquisa feita por químicos biólogos está muito próxima e fortemente 
relacionada com a biologia celular e bioquímica. 
Química e a Origem da Vida 
Cosmos.A.Space.Time.Odyssey.S01E02.HDTV.x264.PROPER-LOL.mp4
3 
Life is defined by its chemistry 
https://www.youtube.com/watch?v=tpBAmzQ_pUE 
Química Biológica 
O Plano de Ensino 
https://www.youtube.com/watch?v=tpBAmzQ_pUE
https://www.youtube.com/watch?v=tpBAmzQ_pUE
https://www.youtube.com/watch?v=tpBAmzQ_pUE
https://www.youtube.com/watch?v=tpBAmzQ_pUE
https://www.youtube.com/watch?v=tpBAmzQ_pUE
https://www.youtube.com/watch?v=tpBAmzQ_pUE
https://www.youtube.com/watch?v=tpBAmzQ_pUE
https://www.youtube.com/watch?v=tpBAmzQ_pUE
https://www.youtube.com/watch?v=tpBAmzQ_pUE
Plano de Ensino_Química Biológica_2016-1.doc
4 
Química Biológica 
 
Capítulo 1 
Aminoácidos e Proteínas 
 
 
ULBRA 
Curso de Química 
Prof. Hermes Luís N. de Amorim – hermes.amorim242@gmail.com 
 
Bibliografia sugerida 
Moran, Bioquímica – Caps 3 e 4 
Voet, Bioquimica – Caps 4 e 8 
AMINOÁCIDOS E PROTEÍNAS 
Química Biológica 
5 
Introdução – Macromoléculas Biológicas 
Biopolímero Monômero Estrutura 
DNA/RNA nucleotídeos 
Proteína aminoácido 
Polissacarídeo carboidrato 
O
NH2
R
OH
O
H
H
H
OH
H
OH
H OH
OH
OH
N
O
O
OH
P
O
OH
P
O
O
OH
OH
OH
O
O
P N
NH
N
NH2
O
Introdução – Macromoléculas Biológicas 
Biopolímero Função 
DNA/RNA Manutenção, expressão e controle 
da informação genética/hereditária 
Proteína Estrutural, transporte, catálise, 
sinalização celular, etc 
Polissacarídeo Estrutural, armazenamento de 
energia, sinalização celular 
6 
O DNA codifica a informação sobre a síntese 
de proteínas (produto gênico) 
 
 
 
 
DNA RNA fenótipo 
proteína 
(a) Vagalume: enzima luciferase (catalisador da reação: luciferina + ATP) 
(b) Eritrócitos: hemoglina (transporte de oxigênio) 
(c) Chifre do rinoceronte: queratina (componente estrutural) 
 
Resumo das funções: Catalisadores; Elementos estruturais (colágeno) e 
sistemas contráteis; Armazenamento (ferritina); Veículos de transporte 
(hemoglobina); Hormônios; Anti-infecciosas (imunoglobulina); Enzimáticas 
(lipases); Nutricional (caseína); Agentes protetores. 
Funções das proteínas 
 
 
 
7 
NH2 C COOH
R
H
carbono 
grupo carbóxigrupo amino
cadeia lateral
NH2 C COOH
R
H
NH2 C COOH
CH3
H
R
COOH
NH2H
R
HOOC
NH2 H
exceto a glicina (R=H), todos os -aminoácidos 
são quirais 
alanina 
Proteínas são formadas por -aminoácidos 
 
 
 
Estereoisomerismo 
8 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Amino%C3%A1cido 
Classificação dos aminoácidos: 
com grupos R apolares alifáticos 
glicina prolina alanina valina 
isoleucina leucina metionina 
9 
Classificação dos aminoácidos: 
com grupos R aromáticos 
tirosina fenilalanina triptofano 
Classificação dos aminoácidos: 
com grupos R polares não carregados 
serina cisteína treonina 
glutamina asparagina 
10 
Classificação dos aminoácidos: 
com grupos R básicos ou ácidos 
lisina histidina arginina 
glutamato aspartato 
Básicos 
Ácidos 
Lisina, um alfa-aminoácido básico 
C CNH3
+
CH2
CH2
CH2
CH2
NH3
+
O
O
-
H






cadeia 
lateral R 
básica 
grupo C 
(carboxi) 
terminal 
grupo N 
(amino) 
terminal 
 
 
11 
Aminoácidos menos comuns 
Presentes em proteínas 
 
Um aminoácido essencial é aquele que o organismo 
considerado (normalmente, o humano) não é capaz de 
sintetizar mas é requerido para o seu funcionamento. 
 
O organismo humano é incapaz de sintetizar cerca de 
metade dos vinte aminoácidos comuns. 
 
Obtidos através da dieta, pela ingestão de alimentos ricos 
em proteínas. 
 
Histidina, Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina, 
Fenilalanina, Treonina, Triptofano, Valina 
 
 
Aminoácidos essenciais 
 
12 
Constantes de dissociação de ácidos e bases fracas 
Dissociação 
Em pH fisiológico (~7,4), os grupos amino são protonados e os grupos 
carboxílicos assumem a forma de base conjugada (carboxilato) 
(íon dipolar) (íon dipolar) 
Ionização 
 
13 
Curvas de titulação 
No ponto central, 
a concentração do 
doador de prótons 
é igual a do 
aceptor de 
prótons – o valor 
numérico do pH é 
igual ao do pKa 
Exercício 
1. O composto a seguir é derivado do fungo Amanita muscaria. Assim como 
muitos produtos naturais derivados de fungos, esse composto apresenta 
propriedades tóxicas e alucinóginas para seres humanos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
a) Esse composto pode ser considerado um -aminoácido? 
b) Qual a sua carga molecular líquida em pH 6? Assumir os grupos 
COOH com pKa = 4 e NH3+ com pKa = 9 
 
14 
Ponto Isoelétrico (pI) 
refere-se ao pH em que um aminoácido, polipetídeo ou proteína tem uma 
carga líquida igual a zero (0) – e não conduz corrente elétrica 
Ponto Isoelétrico (pI) 
refere-se ao pH em que um aminoácido, polipetídeo ou proteína tem uma 
carga líquida igual a zero (0) – e não conduz corrente elétrica 
Para sistemas simples, o valor do pI pode ser calculado na seguinte forma: 
pI = (pKai + pKaj)/2 
Por exemplo, para glicina que tem pKas de 2,35 e 9,78 
pI = 6,06 
Por exemplo, para ácido aspártico, que tem pKas de 2.0, 3.9 e 9.9 
pI = (2+3,9)/2 = 2,95 
Por exemplo, para o tripeptídeo asp-arg-ala, que tem pKas de 9.7 (alfa-
amino), 3.9 (beta-carboxila do asp), 12.5 (guanidino) e 2.4 (carboxi-terminal) 
pI = (9.7+3.9)/2 = 6,8 
15 
Ponto Isoelétrico (pI) 
Titulação do glutamato 
glutamato 
Ponto Isoelétrico (pI) 
Titulação da lisina 
16 
Exercício 
1. Desenhe as estruturas e classifique os aminoácidos Asp, Asn, Leu e Lys 
como neutro polar, neutro apolar, ácido ou básico. 
2. Desenhe as estruturas dos aminoácidos Asp, Ans, Leu e Lys nos pHs 1,5, 
7,0 e 12,8. Indique a carga líquida em cada pH. 
 
 
17 
Exercício 
1. Cada grupo ionizável de um aminoácido pode existir em uma de duas 
formas: carregada ou neutra. A carga elétrica do grupo funcional é 
determinada pela relação de seu pKa com o pH da solução. Essa relação 
é descrita pela equação de Henderson-Hasselbach. 
 
a) A histidina tem três grupos funcionais ionizáveis. Escreva as 
equações de equilíbrio relevantes para as suas quatro ionizações e 
indique a constante de equilíbrio (pKa) apropriada para cada 
ionização. Escreva a estrutura da histidina em cada estado de 
ionização. Qual a carga líquida da molécula de histidina em cada 
estado de ionização? 
b) Escreva as estruturas dominantes dos estados de ionização da 
histidina em pH 1, 4, 8 e 12. Note que o estado de ionização pode ser 
determinado aproximadamente tratando-se independentemente cada 
grupo ionizável. 
c) Qual a carga líquida da histidina em pH 1, 4, 8 e 12? 
ESTRUTURA DE PROTEÍNAS 
Química Biológica 
18 
Níveis de organização de uma proteína 
Estrutura 
primária 
Estrutura 
secundária 
Estrutura 
terciária 
Estrutura 
quaternária 
Video https://www.youtube.com/watch?v=qBRFIMcxZNM 
Estrutura primária: ligação peptídica 
ligação peptídica 
pentapeptídeo 
(oligopeptídeo) 
dipeptídeo 
região amino 
terminal 
região carboxi 
terminal 
https://www.youtube.com/watch?v=qBRFIMcxZNM
19 
Alanilglutamilglicilisina 
Grupos terminais: 
Grupos R ionizáveis: 
Carga líquidaem pH 7.0: 
 
L-Aspartil-L-fenilalanina metil éster 
(aspartame) 
Estrutura primária 
Exercício 
 
1. Desenhe as fórmulas estruturais dos dois peptídeos possíveis de 
serem formados pela ligação entre uma tirosina e um ácido 
aspártico. Calcule o pI do peptídeo formado. Qual a carga líquida 
deste em pH 8,5? 
 
 
2. Usando a abreviação de três letras, escreva as seqüências dos 
seis peptídeos que podem ser formados contendo uma 
fenilalanina, uma serina e uma isoleucina. 
 
20 
Estrutura primária 
Pontes de dissulfeto 
Estrutura primária da insulina 
 
Duas cadeias (A e B), três pontes de dissulfeto 
21 
Proteínas apresentam tamanhos variados 
 Metaloproteína que contém ferro presente nos glóbulos vermelhos 
(eritrócitos) 
 Permite o transporte de oxigênio pelo sistema circulatório. 
 Tetrâmero composto de dois tipos de cadeias de globina. 
 Existem duas cadeias de cada tipo (alfa e beta), sendo que um deles 
contém 141 aminoácidos e o outro contém 146 aminoácidos. 
Estrutura primária: hemoglobina (Hb) 
22 
Hemoglobina (Hb) 
 
Sequência de aminoácidos da subunidade beta 
 
Importância sequência de aminoácidos 
resíduo de ácido glutâmico (E) 
Exemplo: Anemia falciforme 
 
hemoglobina normal 
(Hb-A) Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lis... 
 
 
hemoglobina sickle cell 
(Hb-S) Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lis... 
 
célula vermelha 
normal 
célula vermelha 
alterada glutamato valina 
Importância sequência de aminoácidos 
mutação 
23 
Ligação peptídica: 
graus de liberdade 
ligação peptídica 
 As ligações peptídicas, 
com algumas exceções, 
assumem uma 
configuração trans: de 
forma que os sucessivos 
átomos Ca ficam em lados 
opostos da ligação 
peptídica que os mantêm 
ligados 
Estrutura primária: cis ou trans? 
 Interferência estérica 
faz com que a configuração 
cis seja ~ 8 KJ.mol-1 menos 
estável que a conformação 
trans 
 esta diferença de energia é 
um tanto menor em ligações 
peptídicas seguidas por um 
resíduo Pro (~ 10 % dos 
resíduos Pro em proteínas 
seguem uma ligação peptídica 
cis, enquanto que, de outro 
modo, ligações peptídicas cis 
são extremamente raras) 
24 
Exercício 
 
1. Desenhe uma ligação peptídica em cis e identifique os grupos que sofrem 
interferência estérica. 
 
2. Por estudos com raios-X de peptídeos cristalinos, Linus Pauling e Robert 
Corey concluíram que a ligação C-N na ligação peptídica é do tamanho 
intermediário (0,132 nm) entre uma ligação C-N simples típica (0,149 nm) 
e uma ligação dupla C=N (0,127 nm). Eles também concluíram que a 
ligação peptídica é planar, ou seja, todos os átomos ligados ao grupo C-N 
estão localizados em um único plano e que os dois carbonos a ligados ao 
C-N são sempre trans. 
a) O que indica que o comprimento da ligação C-N na ligação peptídica 
a respeito da sua força e da sua ordem de ligação, isto é, se ela é 
simples, dupla ou tripla? 
b) O que nos diz as observações de Pauling e Corey a respeito da 
facilidade de rotação ao redor da ligação peptídica C-N? 
Estrutura secundária 
25 
• A ligação C-N não possui liberdade 
para girar 
• As ligações N-C (F) e C-C (Y ) 
podem girar 
• Por convenção, as ligações F e Y são 
definidas como estando em 0o quando 
duas ligações peptídicas flanqueando o 
carbono a estão no mesmo plano 
Ângulos Phi e Psi permitidos: o gráfico de 
Ramachandran 
verde: regiões permitidas (exceto Gly e Pro) 
azul: regiões característiscas de estruturas 
secundárias (-hélices; folhas beta) 
26 
Interações entre átomos 
 
Entre átomos ligados 
•Ligaçõs iônicas (metal-não metal) 
•Ligações covalentes (O-H, C-H, pontes S-S, etc) 
 
Entre átomos não ligados 
•Pontes salinas (íon-íon) 
•Íon-dipolo 
•Van der Waals (apolares) 
•Ligações de hidrogênio 
 
Exercício 
1. Considere as seguintes cadeias laterais funcionais e suas respectivas 
capacidades de interagir via ligações de hidrogênio. 
a) Em pH 6.0, quantas ligações de hidrogênio a cadeia lateral de um 
resíduo de ácido glutâmico pode DOAR? 
b) Em pH 8.0, quantas ligações de hidrogênio a cadeia lateral de um 
resíduo de histidina pode DOAR? 
c) Em pH 3.0, quantas ligações de hidrogênio a cadeia lateral de um 
resíduo de asparagina pode DOAR? 
 
 
27 
Sumário das interações em proteínas 
cadeia polipeptídica
ponte de dissulfeto
ligação de hidrogênio
ligação iônica
van der Waals
Estruturas secundárias helicoidais 
 se uma cadeia polipeptídica é torcida pela 
de forma regular em torno dos átomos C, 
ela assume uma conformação helicoidal 
 uma hélice pode ser especificada por um 
número, n, de unidades peptídicas por volta 
de hélice e pelo seu passo, p, a distância 
que a hélice eleva-se, por volta, ao longo de 
seu eixo 
 uma conformação particular pode possuir 
mais de uma forma transiente - ela deve ser 
mais que apenas permitida, ela deve ser 
estabilizada 
 a “cola” que mantém as hélices 
polipeptídicas e outras estruturas 2ª unidas é, 
em parte, as ligações de hidrogênio 
28 
Estrutura secundária: o exemplo: a -hélice 
Estrutura secundária: o exemplo: a -hélice 
Cadeias laterais 
adjacentes 
Fatores que desestabilizam uma -
hélice: 
•grupos carregados adjacentes 
•Asn, Ser, Thr e Cys próximos 
•aminoácidos formadores de torção, 
especialmente Gly e Pro 
29 
Tipos de hélice e padrão de ligações de 
hidrogênio 
Estrutura secundária: folhas beta pregueadas 
 a conformação de folha  pregueada possui ângulos f e y 
repetitivos que caem na região permitida do diagrama de 
Ramachandran 
 utiliza as capacidade total no esqueleto polipeptídico para 
formar ligações de hidrogênio 
 a ligação de hidrogênio ocorre entre cadeias polipeptídicas 
vizinhas ao invés de ocorrer dentro da própria cadeia, como 
ocorre com as a-hélices. 
 folhas  pregueadas ocorrem em duas variedades: 
 
 folha  pregueada antiparalela, na qual as cadeias 
polipeptídicas vizinhas ligadas por ligações de hidrogênio segue 
orientações opostas 
 folha  pregueada paralela, na qual as cadeias associadas por 
ligação de hidrogênio estão orientadas na mesma direção 
 
30 
Estrutura secundária: folhas beta anti-paralelas 
Estrutura secundária: folhas beta paralelas 
31 
Ângulos F e Y nos diferentes tipos estruturas 
secundárias 
Gráfico de ramachandran 
da enzima piruvato cinase 
(exceto Gly) 
32 
Estrutura tridimensional (3D) da hemoglobina 
Estrutura terciária Estrutura quaternária 
unidades : 141 aa; unidades : 146 aa 
33 
Modelos de representação da estrutura 3D 
modelo de varetas: mostra 
todos os átomos ligados por 
traços – cada átomo com uma 
cor 
modelo de traço: mostra somente os carbonos 
da cadeia principal ligados por traços 
cor: regiões vermelhas representam -hélices e 
regiões azuis representam folhas- 
ligante 
 
Representação 
3D: 
código de cores 
Exemplo de convenção de 
cores empregada na 
identificação de 
aminoácidos 
O azul mostra 
átomos de 
nitrogênio. Este 
aqui pertence à 
cadeia principal 
polipeptídica 
O átomo em vermelho 
corresponde ao 
oxigênio cabonílco 
Os átomos de carbono de 
grupos metila ou metileno 
são geralmente 
representados em branco 
ou cinza 
O vermelho é usado para 
representar os átomos de 
oxigênio – neste caso, o 
oxigênio de uma hidroxila 
NH CH C
CH2
OH
O
resíduo de 
tirosina 
resíduo de tirosina 
(os átomos de hidrogênio não 
estão representados) 
34 
Modelos de representação da estrutura 3D 
modelo de varetas modelo de fita: mostra a molécula 
esquematicamente, enfatizando as estruturas 
secundárias 
cor: regiões vermelhas representam -hélices e 
regiões azuis representam folhas- 
Modelos de representação da estrutura 3D 
modelo da superfície acessível 
ao solvente: mostra a superfície da 
molécula, enfatizando cavidades e 
fendas 
modelo de fita 
35 
Modelosde representação da estrutura 3D 
modelo da superfície 
acessível ao solvente 
cor: acessibilidade – quanto 
mais azul, menos acessível ao 
solvente 
modelo de varetas 
cor: fator B – quanto mais azul, menor 
flexibilidade 
Modelos de representação da estrutura 3D 
modelo da superfície 
acessível ao solvente 
modelo de volume atômico (preenchimento 
espacial): mostra cada átomo de acordo com o 
raio de van der Waals 
 
36 
Enovelamento proteico 
 O efeito hidrofóbico 
 substâncias apolares minimizam ao máximo seus contatos com 
a água 
 interações hidrofóbicas são um determinante importante na 
estrutura das proteínas 
37 
Forças hidrofóbicas 
 Hidropatia 
 índice de combinação de entre tendências hidrofóbicas e 
hidrofílicas 
Índice de hidropaticidade para o quimotripsinogênio bovino
Hidropatia para 
cadeias laterais 
Ile 4,5 
Val 4,2 
Leu 3,8 
Phe 2,8 
Cys 2,5 
Met 1,9 
Ala 1,8 
Gly - 0,4 
Thr - 0,7 
Ser - 0,8 
Trp - 0,9 
Tyr - 1,3 
Pro - 1,6 
His - 3,2 
Glu - 3,5 
Gln - 3,5 
Asp - 3,5 
Ans -3,5 
Lys - 3,9 
Arg - 4,5 
38 
Enovelamento 
proteico 
Enovelamento proteico: 
desnaturação 
39 
Fim