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Profª. Catarina De Nigris Del Cistia

Aminoácidos

# As proteínas, junto a outras macromoléculas (açúcares, lipídios e ácidos nucléicos), compreendem a maior parte da constituição fisiológica do organismo, sendo considerados “os blocos de construção” das estruturas celulares. As proteínas, por definição, são cadeias poliméricas constituídas pelo encadeamento de diferentes aminoácidos.

# A noção do arranjo espacial e propriedades químicas dos aminoácidos explica a solubilidade, estabilidade frente à temperatura, luz e outros fatores de relevância das proteínas. Para tanto, é necessário conhecer algumas propriedades de tão importante grupo de estruturas.

# Todo aminoácido é formado por um grupo ácido (em vermelho), um grupo amino (em azul) e um grupo substituinte (R, em verde), que determina as diferenças de polaridade dos aminoácidos entre si.

# O carbono que suporta os grupos ácido, amino e o substituinte lateral é denominado carbono alfa. Como pode ser visto, o carbono alfa representa um carbono assimétrico, fazendo com que cada aminoácido possua as características de compostos com atividade óptica. Todos os aminoácidos de ocorrência natural possuem configuração levógira, assim como todos os carboidratos são dextrógiros. O único aminoácido que não possui tal característica é a glicina, pois seu grupo substituinte R também é um hidrogênio (ver adiante).

# No meio biológico, aquoso, os aminoácidos encontram-se ionizados, o ácido sob a forma de carboxilato, e o grupo amino sob a forma de íon amônio. A conformação espacial de um aminoácido depende do seu estado de protonação.

# Os aminoácidos que constituem as proteínas são denominados aminoácidos proteinogênicos (esquema a seguir), com diversas características de polaridade e acidez.

# Curiosamente, apesar de toda variedade estrutural das proteínas, elas são constituídas por apenas 20 aminoácidos diferentes, encadeados de diferentes formas, construindo polímeros de pesos moleculares variados.

# Os aminoácidos denominados essenciais (demonstrados no esquema a seguir por uma estrela) devem ser adquiridos com a dieta, e são ditos essenciais porque não temos a capacidade de produzi-los; ainda assim, eles são proteinogênicos.

# Como pode ser visto no esquema anterior, existem 2 tipos de notação para os aminoácidos: a notação de 3 letras, e a notação de letra única. A mais utilizada na prática é a notação de 3 letras, por permitir um reconhecimento mais rápido do aminoácido. A notação de letra única gera “confusões”, por não possuir uma relação direta ao seu nome, para alguns aminoácidos. Exemplo: a prolina é denotada como PRO ou P, o que permite fácil reconhecimento; porém, a glutamina é denotada como GLN ou Q, o que gera certa confusão.

# A notação de letra única é muito utilizada para representar a seqüência de aminoácidos de proteínas, visto que geralmente estas são muito vastas:

Seqüência de aminoácidos, por sua notação de letra única.

# Além destes aminoácidos, existem outros, porém não entram como constituintes da cadeia de proteínas, sendo considerados raros, possuindo funções mais específicas ao metabolismo. São exemplos a ornitina, citrulina, L-dopa e selenocisteína (abaixo).

# Dentre os aminoácidos, existem os seguintes tipos, com as seguintes propriedades:

# Os aminoácidos apolares não-carregados:

Pouco interagem com a água; Ficam localizados principalmente na parte interna da cadeia polipeptídica para evitar o ambiente aquoso; São constituintes, principalmente, de proteínas transmembrana, que ficam em contato com o ambiente lipídico; Glicina e Prolina são estruturas rígidas, criando sítios de “dobra” da cadeia polipeptídica, contribuindo para a estereoquímica; As Cisteínas são passíveis de formar pontes dissulfeto (-S-S-), ligações covalentes. São eles (esquema anterior): alanina, glicina, valina, isoleucina, leucina, prolina, fenilalanina, triptofano, metionina e cisteína.

# Os aminoácidos polares neutros (não-carregados): Interagem com a água, formando ligações de hidrogênio;

Constituem os sítios preferenciais de fosforilação nas proteínas. São eles: asparagina, glutamina, serina, treonina, tirosina.

# Os aminoácidos polares carregados:

Possuem grupos polares que tendem a se projetar para o exterior da estrutura protéica, facilitando sua solubilização; Formam os sítios ativos e alostéricos de enzimas; São os principais grupos que contribuem para a carga global da proteína. São eles: aspartato, glutamato, arginina, lisina e histidina*.

Encadeamento – Ligações Peptídicas

# Aminoácidos encadeiam-se através das ligações peptídicas. Estas ligações ocorrem principalmente pela diferença de acidez entre o grupo amino (básico) e o grupo ácido, através de uma reação ácido-base simples, com liberação de água. A partir dessas conecções, é formada uma cadeia linear, com forte relação com a estrutura da proteína propriamente dita.

# O grupo amino de um resíduo se liga ao grupo ácido de outro resíduo, com perda de uma molécula de água (ao lado). Dependendo da característica dos aminoácidos encadeados, temos a formação de uma carga global para a proteína.

# As ligações peptídicas são bastante fortes, planas (acima) e permitem pequena rotação da ligação sigma entre carbono e nitrogênio. As cadeias laterais são constituídas pelos grupos R, que não permanecem no plano da ligação peptídica, projetando-se para fora deste.

# A formação de tais ligações permite identificar na proteína uma porção N-terminal e uma C-terminal, representadas pelos grupos amino e ácido livres, respectivamente.

# Além das ligações peptídicas, os aminoácidos realizam ainda outros tipos de interações entre si, o que permite com que uma proteína tome sua conformação espacial (abaixo). Dentre estas ligações, existem as iônicas, as ligações de hidrogênio, as interações de van der Waals, além de possíveis covalentes (na forma de ponte dissulfeto).

# As ligações covalentes entre aminoácidos permitem movimento (maleabilidade). As interações mais fracas, como a van der Waals (demonstradas acima) criam rigidez e falta de movimento, como demonstrado acima, sendo de grande importância.

# O número de ligações peptídicas nos permite classificar as cadeias formadas:

Peptídeos: possuem entre 30 e 40 conexões, ou menos; Polipeptídeos: menos que 4000 conexões; Proteína: polipeptídeo que assume uma conformação tridimensional específica.

# Existem autores que consideram proteínas como sendo polipeptídeos com mais que 100 aminoácidos, mas tal classificação vem sendo abandonada.

Titulação de Aminoácidos Todos os aminoácidos têm pelo menos dois grupos ionizáveis, e sua carga total dependerá então do valor de pH. O grupo COOH do átomo Cα possui valores de pKa entre 1.8 e 2.8, sendo então mais acídico que ácidos monocarboxílicos simples. A basicidade da função α-amino também varia, com valores de pKa entre 8.8 e 10.6, dependendo do aminoácido.

Aminoácidos ácidos e básicos têm grupamentos ionizáveis adicionais em sua cadeia lateral (o pKa destas cadeias laterais está listado na tabela de aminoácidos da aula de aminoácidos e proteínas). As cargas de peptídeos e proteínas são determinadas principalmente pelos grupos das cadeias laterais, visto que a maior parte dos αcarboxilatos e α-aminos estão em ligações peptídicas.

A histidina pode ser usada aqui como um exemplo da dependência do pH para a carga total de um aminoácido. Além do grupo carboxil e do grupo amino do átomo de Cα com valores de pKa de 1.8 e 9.2, respectivamente, a histidina também possui um grupo imidazol em sua cadeia lateral, com valor de pKa de 6.0. Com o aumento do pH, a carga total (a soma das cargas positivas e negativas) então muda de +2 a –1.

Em pH 7.6, a carga total é zero, embora a molécula contenha dois grupos ionizados nestas condições. Este valor de pH é chamado de ponto isoelétrico (pI) ou seja, o valor de pH no qual o aminoácido se encontra eletricamente neutro, com igual número de cargas positivas e negativas.

Para aminoácidos neutros (ou seja, monoaminos e monocarboxílicos), o ponto isoelétrico é calculado por:

onde K1 e K2 são as constantes de dissociação dos grupos ácido e básico.

É dito que a histidina é “zwiteriônica” (proveniente do termo zwitterion, indicando a presença das 2 cargas opostas – o termo usado em português pode ser “íon dipolar”) no seu ponto isoelétrico, por ter propriedades aniônicas e catiônicas. A maioria dos aminoácidos também é “zwiteriônica” em pH neutro. Peptídeos e proteínas também possuem pontos isoelétricos, que podem variar amplamente, dependendo da sua composição de aminoácidos.

Ao considerar aminoácidos apolares como a alanina em solução não-neutra, são analisados os grupamentos α-COO- e α-NH3+. Em meio fortemente ácido, ambos os grupamentos encontrar-se-ão totalmente protonados (COOH e NH3+). Em meio fortemente básico, ambos estarão desprotonados (perde-se primeiro o próton do ácido):

Já para aminoácidos dicarboxílicos (aspartato e glutamato), há mais uma forma de ionização:

Para a aplicação da fórmula para cálculo do pI, considera-se o pK1 e pK2 referentes aos 2 grupamentos ácidos. Exemplo: o pK do α-COOH é 2,09; do β-COOH, 3,86; e do α-NH3+, 9,82. O cálculo do ponto isoelétrico será:

Há de se considerar ainda os aminoácidos que possuem 2 grupamentos básicos na molécula, como a lisina. Sua ionização é:

Para o cálculo de seu ponto isoelétrico, temos: pK do α-COOH é 2,18; do α-NH3+, 8,95; e do ε-NH3+, 10,53. Segue-se:

Curvas de Titulação

A titulação é usada para determinar a quantia de ácido em uma solução. Um volume do ácido é titulado com uma solução de base forte, como hidróxido de sódio (NaOH), de concentração conhecida. O NaOH é adicionado lentamente até que o ácido seja consumido (neutralizado). A concentração do ácido na solução original pode ser calculada a partir do volume e concentração de NaOH adicionado.

indica os valores discutidos de pK1, pK2, pK3 e pI. Ao lado, curva de titulação da alanina;

Abaixo, curvas de titulação do aspartato e lisina, respectivamente, conforme discutido anteriormente.

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