Aminoácidos, peptídeos e proteínas Profa. Dra. Marcia Mourão Ramos Azevedo

AMINOÁCIDOS São unidades estruturais básicas dos peptídeos e das proteínas. Todos os 20 aminoácidos comuns encontrados em proteínas são α-aminoácidos. Possuem um grupo carboxil e um grupo amino ligados ao mesmo átomo de carbono (o carbono α) Carbono α

AMINOÁCIDOS Exceção prolina (um aminoácido cíclico) Os aminoácidos diferem entre si na estrutura da cadeia lateral (grupo R), a qual varia em estrutura, tamanho e carga elétrica  influencia a solubilidade dos aminoácidos em água. Estrutura geral de um aminoácido

AMINOÁCIDOS Todos os aminoácidos comuns, exceto a glicina, possuem o carbono α ligado a quatro grupos diferentes: – Um grupo carboxil, – Um grupo amino – Um átomo de hidrogênio – Um grupo R Um átomo de carbono ligado a quatro grupos diferentes é considerado assimétrico e chamado de centro quiral.

Aminoácidos possuem 2 possíveis estereoisômeros (moléculas com as mesmas ligações químicas, mas com ≠ configurações), D ou L Os aminoácidos presentes nas proteínas são estereoisômeros L Glicina não tem isomeria óptica AMINOÁCIDOS

Constituição de proteínas Estrutura da célula Hormônios Receptores de proteínas e hormônios Transporte de metabólitos e íons Atividade enzimática Imunidade Gliconeogênese no jejum e diabetes FUNÇÕES BIOLÓGICAS DOS AAs

Os aminoácidos podem ser classificados segundo dois princípios: – Classificação com base nas propriedades do grupo R, em particular, suas polaridade ou tendência em interagir com a água em pH biológico (próximo a 7). – Classificação segundo a essencialidade. CLASSIFICAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS

Classificação pelo grupo R

Grupo R apolares e alifáticos Interações hidrofóbicas Gly  Estrutura mais simples Met  Possui átomo de enxofre - tioéter Pro  Iminoácido, menor flexibilidade estrutural Aminoácidos apolares e hidrofóbicos ( insolúveis em água) Ala, Val, Leu, Iso  tendem a se aglomerar entre si nas proteínas

Grupo R aromáticos São relativamente apolares hidrofóbicos Tirosina pode formar ligações de hidrogênio Fenilalanina – Mais apolar

Grupos R polares, não carregados Solubilidade intermediária em água Possuem grupos funcionais capaz de formar ligações de hidrogênio com a água Serina e treonina – Grupos hidroxil Asparagina e glutamina – Grupo amida Cisteína – Grupo sulfidril – Ligações dissulfeto

Grupos R polares, não carregados Asparagina e glutamina – Por hidrólise ácida ou básica geram aspartato e glutamato, respectivamente Cisteína – É oxidada a cistina

Grupos R carregados Positivamente (básicos) Aminoácidos hidrofílicos – Carga positiva – Lisina, segundo grupo amino – Arginina, grupo guanidina – Histidina, grupo aromático imidazol ( pode estar carregada positivamente como não carregada em pH 7,0 - Resíduos de His facilita diversas reações catalisadas por enzimas ao servirem como aceptores/doadores de prótons

Grupos R carregados negativamente (ácidos) Aminoácidos ácidos – Carga negativa – Possuem segundo grupo ácido carboxílico

Citocromo C oxidase A Citocromo C oxidase é uma proteína integral da membrana interna de mitocôndrias Lipase gástrica A Lipase gástrica é uma proteína solúvel em meio aquoso. Proteínas são moléculas tridimensionais. A forma da molécula é determinante de sua função.

A Citocromo C oxidase é uma proteína de membrana. polares Proteínas de membrana possuem uma região de aminoácidos hidrofóbicos apolares, cujas cadeias laterais interagem com a porção lipídica de membrana celulares. Outras regiões dessas proteínas ricas em aminoácidos hidrofílicos polares projetam- se para os meios aquosos extra- ou intracelular, e podem formar “canais” hidrofílicos que atravessam a membrana, interconectando os meios separados por ela. Corte transversal da membrana interna da mitocôndria Aminoácidos apolares Aminoácidospolares

Classificação segundo a essencialidade Aminoácidos essenciais Aminoácidos não essenciais - Não podem ser sintetizados pelos animais ou os são, porém, em quantidades inferiores às necessidades do organismo – Valina – Leucina – Isoleucina – Metionina – Fenilalanina – Triptofano – Treonina – Lisina – Arginina – Histidina

Classificação segundo a essencialidade Aminoácidos não essenciais - P odem ser sintetizados pelos tecidos em quantidades que satisfazem as exigências do metabolismo, a partir de fontes de carbono e grupos amino – Glicina – Alanina – Prolina – Tirosina – Serina – Cisteína – Asparagina – Glutamina – Aspartato – Glutamato

Aminoácidos incomuns Modificações pós-traducionais São encontrados no colágeno, uma proteína fibrosa do tecidos conectivos Encontrada em proteínas de parede celular de plantas Constituinte da miosina  proteina do músculo Encontrado na protrombina e proteínas que ligam Ca 2+

Aminoácidos incomuns Modificações pós-traducionais - Selênio é adicio- nado durante a síntese proteica - Derivada da serina - Derivado de 4 resíduos de lisina - Encontrado na proteína elastina

Aminoácidos incomuns Alguns resíduos de aminoácidos em uma proteína podem ser modificados para alterar a função da proteína

Aminoácidos incomuns Alguns resíduos de aminoácidos em uma proteína podem ser modificados para alterar a função da proteína

Aminoácidos incomuns Intermediários-chave na biossíntese de arginina e no ciclo da ureia

Aminoácidos podem atuar como ácidos e bases Grupo amino, carboxil e os grupos R ionizáveis de alguns aminoácidos  funcionam como bases e ácidos fracos – Doam (ácidos) ou recebem (base) prótons Zwitterion  aa sem um grupo R ionizável é dissolvido em água a pH neutro ele passa a existir como um íon dipolar Substâncias anfóteras  possui natureza dual (ácido- base) Forma não iônica não ocorre em quantidades significativas em soluções aquosas

Aminoácidos podem atuar como ácidos e bases Um α-aminoácido simples (monocarboxílico e monoamínico), quando totalmente protonado, é um ácido diprótico, possuindo dois grupos, (COOH e NH 3 + ), que podem fornecer prótons Carga Llquida: + 10 Ponto isoelétrico (pI)

Titulação de um aminoácidos Titulação ácido-base envolve a adição ou a remoção gradual de prótons. Os 2 grupos ionizáveis da glicina  o grupo carboxil e o grupo amino são titulados com uma base forte (NaOH) Em pH muito baixo, a espécie iônica predominante da glicina é a forma completamente protonada pKa: tendência de um grupo fornecer um próton. pKa  fornecimento de prótons Conclusão: a função das proteínas depende do pH ao qual estão submetidas Estágio I Desprotonação do grupo –COOH. pH = pKa (pK1) Estágio I Desprotonação do grupo –COOH. pH = pKa (pK1) pI = 5,97 Remoção do 1º próton completa e a do 2º iniciada. Neste pH, a glicina apresenta- se como íon dipolar (zwitterion) pI = 5,97 Remoção do 1º próton completa e a do 2º iniciada. Neste pH, a glicina apresenta- se como íon dipolar (zwitterion) Estágio II Remoção de um próton do grupo –NH 3 +. pH = pKa = 9,60 Estágio II Remoção de um próton do grupo –NH 3 +. pH = pKa = 9,60 A titulação está completa em um pH = 12 Forma predominante: A titulação está completa em um pH = 12 Forma predominante:

Para a glicina que não possui grupo R ionizáveis, o ponto isoelétrico é a média aritmética dos dois valores de pKa pI = (pK1 + pK2)/2 pI = (2,34 + 9,60)/2 = 5,97 Titulação de um aminoácidos

A glicina possui uma carga negativa líquida em qualquer pH acima de seu pI  eletrodo positivo (ânodo) Em pH abaixo de seu pI a glicina possui uma carga líquida positiva  eletrodo negativo (cátodo) Titulação de um aminoácidos

Curvas de titulação predizem a carga elétrica dos aminoácidos Alguns aminoácidos podem ter átomos ionizáveis também em sua cadeia lateral pI = 3,22 pI = 7,59

Peptídeo ligações peptídicas = grupo α-carboxil de um aminoácido e o grupo α-amino do outro

Peptídios de importância biológica Fonte: MARZZOCO, A., TORRES, B.B., 2007.

Classificação de Peptídeo Os peptídeos são classificados de acordo com o número de unidades de aminoácidos. - Dipeptídeos, tripeptídeos, tetrapeptídeos... Quando alguns poucos aminoácidos são unidos a estrutura resultante é chamada de oligopeptídeo. Quando muitos aminoácidos são unidos, o produto é chamado de polipeptídeo.

A ligação Peptídica é rígida e planar A ligação peptídica (C-N) é mais curta que a ligação (C-N) de uma amina simples Átomos associados à ligação são planares A ligação peptídica (C-N) é mais curta que a ligação (C-N) de uma amina simples Átomos associados à ligação são planares Compartilhamento parcial de 2 pares de elétrons entre o oxigênio carbonílico e o nitrogênio da amida. Formação de um DIPOLO ELÉTRICO. -Os 6 átomos do grupo peptídico estão em um único plano. - Átomo de O trans ao átomo de H Formação de um DIPOLO ELÉTRICO. -Os 6 átomos do grupo peptídico estão em um único plano. - Átomo de O trans ao átomo de H - As ligações peptídicas C-N não podem girar livremente  caráter parcial de ligação dupla. O C  de resíduos adjacentes de aminoácidos são separados por 3 ligações covalentes Cα—C―N—Cα O C  de resíduos adjacentes de aminoácidos são separados por 3 ligações covalentes Cα—C―N—Cα

A cadeia polipeptídica possui uma série de planos rígidos ϕ  C―N—Cα—C (rotação entre N—Cα ) ψ  N—Cα―C—N (rotação entre C  ―C ) Φ e ψ = ± ω  Cα—C―N—Cα (C ―N, lig peptídica  rotação restrita) ϕ  C―N—Cα—C (rotação entre N—Cα ) ψ  N—Cα―C—N (rotação entre C  ―C ) Φ e ψ = ± ω  Cα—C―N—Cα (C ―N, lig peptídica  rotação restrita) C C C CC CC CC R R R O O O N N N H H H H H   Os planos rígidos compartilham um ponto comum de rotação no C  ω A ligação peptídica é rígida e plana. Isto ocorre devido a um caráter parcial de dupla ligação entre o carbono da carbonila e o nitrogênio da amina. Isso impede que ocorra rotação neste eixo. Por outro lado, ocorrem rotações nas ligações entre N-C  (rotação  ) e entre C  -C da carbonila (rotação  )

Dados moleculares de algumas proteína

Níveis estruturais das proteínas A estrutura primária consiste em uma sequência de aminoácidos unidos por ligações peptídicas e inclui algumas ligações dissulfeto. A estrutura secundária é o arranjo espacial dos átomos da cadeia principal em um determinado segmento da cadeia polipeptídica. Hélices α, folha β e voltas β A estrutura terciária é o arranjo tridimensional total de todos os átomos de uma proteína. Aminoácidos distantes e em diferentes estruturas secundárias podem interagir. A estrutura quaternária é o arranjo tridimensional de duas ou mais cadeias polipeptídicas, ou subunidades.

. ESTRUTURA PRIMÁRIA É o nível estrutural mais simples e mais importante, pois dele deriva todo o arranjo espacial da molécula. É a seqüência de aminoácidos na cadeia polipeptídica; mantida por ligações peptídicas. As pontes dissulfeto (S-S) também devem ser assinaladas na estrutura primária de uma proteína. Estrutura primária Consiste em uma sequência de aminoácidos unidos por ligações peptídicas e inclui algumas ligações dissulfeto. Estrutura primária Consiste em uma sequência de aminoácidos unidos por ligações peptídicas e inclui algumas ligações dissulfeto.

 É o arranjo espacial dos átomos da cadeia principal em um determinado segmento da cadeia polipeptídica Ligações de hidrogênio ocorrem entre o hidrogênio do grupo –NH e o oxigênio do grupo C ═ O Estrutura secundária comum ocorre quando cada ângulo diedro, ϕ e ψ, permanece + ou - igual, ao longo do segmento ESTRUTURA SECUNDÁRIA Hélices α; conformações β e volta β

Hélice α ESTRUTURA SECUNDÁRIA  Alanina melhor tendência em forma hélice-α  Pro e Gly menor propensão em formar hélice α ϕ = e ψ = Cada volta da hélice = 3,6 resíduos de aa

ESTRUTURA SECUNDÁRIA Tendência dos aminoácidos em assumir a conformação de Hélice α

 O esqueleto da cadeia polipeptídica está estendido em forma de zigue-zague, ao invés de uma estrutura helicoidal ESTRUTURA SECUNDÁRIA Conformações β ϕ = e ψ = ϕ = e ψ = Fazem pontes de H entre os átomos da ligação peptídica

 São elemento conectores que liga estruturas sucessivas de hélices α e conformações β ESTRUTURA SECUNDÁRIA Voltas β Os resíduos Gly e Pro frequentemente ocorrem em voltas β Conectam as extremidades de dois segmentos adjacentes de uma folha β antiparalela

. ESTRUTURA TERCIÁRIA  É o arranjo tridimensional total de todos os átomos da cadeia poliptídica  Aminoácidos distantes na sequência polipeptídica e em diferentes tipos de estruturas secundárias podem interagir na estrutura proteica dobrada  Enovelamento de uma cadeia polipeptídica como um todo  Ocorrem ligações entre os átomos dos radicais R de todos os aminoácidos da molécula  É o arranjo tridimensional total de todos os átomos da cadeia poliptídica  Aminoácidos distantes na sequência polipeptídica e em diferentes tipos de estruturas secundárias podem interagir na estrutura proteica dobrada  Enovelamento de uma cadeia polipeptídica como um todo  Ocorrem ligações entre os átomos dos radicais R de todos os aminoácidos da molécula

. ESTRUTURA TERCIÁRIA Subunidade (uma cadeia polipeptídica)

.  Associação de duas ou mais cadeias polipeptídicas ESTRUTURA QUATERNÁRIA Proteína (Duas subunidades )

FORÇAS NÃO COVALENTES Pontes de H -Aminoácidos polares Ligações iônicas - Aminoácidos carregados Interações hidrofóbicas -Aminoácidos apolares Forças de Van der Waals -Qualquer aminoácido Proteína NH —CH 2 —OH... O—C—CH 2 — 2 — 2 Proteína O —CH Ponte de Hidrogênio Interações hidrofóbicas e Forças de van der Waals 2 CH— — — 2 — — — 3 H 3 C— — — 2 — 2 —NH 3 O C—CH 2 — 2 — Ligação Iônica Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína ? Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína ?

O hormônio insulina é composto por duas subunidades, A e B, unidas por duas pontes dissulfeto intercadeia. Além disso, a cadeia B possui uma ponte dissulfeto intracadeia A B Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína ? Além dos laços não covelentes, uma proteína pode ter pontes dissulfeto formada a partir de dois resíduos do aminoácido Cys (cisteína). Pontes dissulfeto são covalentes e só podem ser rompidas por agentes redutores, como 2-mercapto-etanol.

Classificação das proteínas QUANTO A SUA COMPOSIÇÃO Proteínas simples: Por hidrólise liberam apenas aminoácidos. Ex. albumina, globulina, actina, miosina. Proteínas conjugadas: contém componentes químicos associados denominado grupo prostético. - lipoproteínas contêm lipídeos (lipoproteína sanguínea) - glicoproteínas contêm carboidratos (Imunoglobulinas) - metaloproteína contêm um metal específico (ferro – ferritina)

Classificação das proteínas QUANTO AO NÚMERO DE CADEIAS POLIPEPTÍDICAS Proteínas com uma única cadeia polipeptídica - Mioglobina (153 resíduos) - Citocromo C (104 “) - Titina (humano) ( “) Proteínas Multissubunidade - Formadas por mais de uma cadeia polipeptídica. Ex. Hexocinase (2). Quando apresenta ao menos duas subunidades idênticas  Oligomérica. Ex. Hemoglobina (4) E as subunidades idênticas denominadas de Protômero.

Classificação das proteínas QUANTO A SUA FORMA Proteínas fibrosas - são adaptadas às funções estruturais. Apresentam cadeias polipeptídicas arranjadas em longos filamentos. Em geral são formadas por um único tipo de estrutura secundária (hélices-α ou conformações β). São insolúveis em água. Garantem aos vertebrados suporte, forma e proteção externa. - α-queratina (hélices-α ligadas por ligações dissulfeto) - Fibroínas da seda (conformações β) - Colágeno (hélice tripla de colágeno)

Classificação das proteínas QUANTO A SUA FORMA Proteínas globulares- apresentam cadeias polipeptídicas dobradas em uma forma esférica ou globular, geralmente contêm diversos tipos de estruturas secundárias na mesma cadeia de polipeptídeo. São geralmente solúveis. Exemplo: enzimas, Hemoglobina, mioglobina, imunoglobulinas

Classificação das proteínas

 Perda de estrutura tridimensional originada pela ruptura de algumas ligações suficiente para causar a perda de função Causas: pelo calor, pHs extremos, solventes orgânicos miscíveis (álcool ou acetona), certos solutos (ureia e hidrocloreto de guanidina), ou detergentes.  Na desnaturação ocorre o desdobramento da proteína mantendo-se intacta a sua estrutura primária. Desnaturação protéica

 Se retornarem às condições ideais de temperatura, pressão e pH  as moléculas desnaturadas reassumem suas estruturas nativas e suas atividades biológicas Renaturação protéica

Desnaturação/renaturação de proteinas

1. Quais as principais diferenças entre a hélice α e a conformação β? 2. Descreva os processos de desnaturação e renaturação proteica. 3. A estrutura terciária das proteínas é mantida por um conjunto de forças. Cite e descreva cada uma delas. 4. Defina proteínas e diga quais são os produtos de hidrólise total de uma proteína. 5. Escreva a fórmula geral de um aminoácido, citando os componentes dessa fórmula.

6. Como se chama a ligação entre dois aminoácidos? Como se forma essa ligação? 7. Diferencie e exemplifique proteínas fibrosas e globulares. 8.Dê a classificação dos aminoácidos com base nas propriedades do grupo R. 9.Liste algumas funções dos aminoácidos. 10. Responda as questões abaixo. a)Qual é o aminoácido mais simples presente na natureza? b)Qual é o aminoácido que é exceção à formula estrutural geral dos aminoácidos?