Iniciaremos essa aula relembrando os conceitos de níveis organizacionais da estrutura de uma proteína, como visto na aula anterior: Subunidades alfa Subunidades beta Heme (grupo prostético) A Hemoglobina é um heterotetrâmero formada por 2 tipos de cadeias polipeptídicas

. Para entender a estrutura 3D das proteínas, vamos “dissecá-la” em níveis organizacionais para facilitar o estudo: Estrutura primária: é a sequência dos aminoácidos na cadeia polipeptídica; mantida por ligações peptídicas aminoácido É o esqueleto covalente (fio do colar), formado pela seqüência dos átomos (-N-C-Ca-)n na proteína. Estrutura secundária: Enovelamento de partes da cadeia polipeptídica Formada somente pelos átomos da ligação peptídica, através de pontes de H. Ex: alfa-hélices e folhas beta. Estrutura quaternária: Associação de mais de uma cadeia polipeptídica No modelo, um tetrâmero composto de 4 cadeias polipeptídicas x 4 Estrutura terciária: Enovelamento de uma cadeia polipeptídica como um todo. Ocorrem ligações entre os átomos dos radicais R de todos os aminoácidos da molécula Para entender a estrutura 3D das proteínas, vamos “dissecá-la” em níveis organizacionais para facilitar o estudo:

A a-hélice e a folha b são os tipos de estrutura secundária mais comum entre as proteínas, por que não dependem da composição e sequência de aminoácidos, sendo estabilizadas apenas por pontes de H dos átomos da ligação peptídica. Entre os 20 aminoácidos, apenas a prolina não pode fazer nenhuma das duas estruturas, por formar uma ligação peptídica mais rígida em torno do Ca. Existem outros tipos de estruturas secundárias conhecidas, como a dobra b ou “alças” (domínios) de ligação a íons, como Ca2+ ou Zn2+. tipo 1 tipo 2 Dobra b “Zinc-finger” hélice-dobra-hélice

Beta-alfa-beta Só beta Só alfa Barril beta Barril alfa-beta A estrutura terciária descreve a forma tridimensional final de uma cadeia polipeptídica, resultando da associação de partes organizadas da molécula, chamadas de “domínios” ou “motivos” proteicos. Alguns modelos de organização estrutural, como os barris b e ab, aparecem em vários tipos de proteínas, às vezes não relacionadas.

Subunidade (uma cadeia polipeptídica) Proteína (biológicamente ativa; dímero não covalente ) Proteínas com estrutura quartenária são composta de mais de uma cadeia polipeptídica, que podem estar associadas covalentemente (pontes dissulfeto) ou não.

Algumas definições importantes: - Por serem conceitos didáticos, frequentemente é difícil distinguir em uma proteína os níveis secundário e terciário de organização estrutural. Para evitar tais ambiguidades utiliza-se o termo conformação proteica, que se refere aos aspectos da estrutura tridimensional de uma proteína acima de sua sequência de aminoácidos. Os termos conformação e configuração não são sinônimos. Configuração refere-se à estrutura tridimensional de uma molécula determinada por ligações covalentes, como por exemplo, as formas L- e D- de um aminoácido. Conformação refere-se à estrutura tridimensional de uma molécula decorrente da somatória de ligações fracas, não covalentes. Conformação nativa de uma proteína refere-se à estrutura tridimensional em que a molécula apresenta suas propriedades biológicas naturais. Desnaturação refere-se a alterações da conformação nativa de uma proteína, podendo resultar em perda parcial ou total, reversível ou irreversível, de sua atividade biológica.

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

entre cadeias laterais de aminoácidos polares, carregados ou não; Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína ? Proteína NH — CH 2 OH ... O C Ponte de Hidrogênio Interações hidrofóbicas e Forças de van der Waals 3 H + Ligação Iônica Pontes de H ocorrem: entre os átomos da ligação peptídica (por exemplo, a a-hélice e a folha b); entre cadeias laterais de aminoácidos polares, carregados ou não; para os grupos –NH3+ e –COO- dos aminoácidos N- e C-terminal, respectivamente. Ponte de Hidrogênio

dependem do estado de ionização dos aminoácidos e do pH do meio; Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína ? Proteína NH — CH 2 OH ... O C Ponte de Hidrogênio Interações hidrofóbicas e Forças de van der Waals 3 H + Ligação Iônica Ligações iônicas: ocorrem entre as cadeias laterais de aminoácidos com cargas contrárias; dependem do estado de ionização dos aminoácidos e do pH do meio; são menos frequentes do que as pontes de H. Ligação Iônica

Interações hidrofóbicas: Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína ? Proteína NH — CH 2 OH ... O C Ponte de Hidrogênio Interações hidrofóbicas e Forças de van der Waals 3 H + Ligação Iônica Interações hidrofóbicas: ocorrem entre as cadeias laterais de aminoácidos apolares; radicais apolares são repelidos pela água, aproximando-se uns dos outros; não é uma força de atração real, resultando da repulsão pela água; como consequência, em meio aquoso o interior de proteínas globulares é hidrofóbico. Interações hidrofóbicas

é uma força eletrostática que ocorre entre dipolos temporários; Quais são os tipos de forças que mantém a estrutura tridimensional de uma proteína ? Proteína NH — CH 2 OH ... O C Ponte de Hidrogênio Interações hidrofóbicas e Forças de van der Waals 3 H + Ligação Iônica Forças de Van der Waals é uma força eletrostática que ocorre entre dipolos temporários; dipolos temporários (duração de nanosegundos) são criados devido à órbita errática dos elétrons; pode envolver qualquer tipo de aminoácido; geralmente coincidem com as regiões da proteína onde ocorrem as interações hidrofóbicas, pois a aproximação dos radicais apolares facilita a interação entre os dipolos. e Forças de van der Waals

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. 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

Solubilidade e disponibilidade Os aminoácidos básicos são mais polares Estão presentes em grande quantidade nas albuminas e globulinas Proteínas do trigo são insolúveis em água Todas as proteínas ficam disponíveis na forma de aminoácidos Proteína do ovo Uma das melhores proteínas Valor biológico de 100 Utilizada como padrão de análise, Protein Efficiency Ratio (PER). “egg white” (clara)

Desnaturação O processo de desnaturação Mudança na estrutura da proteína. Não afeta as ligações peptídicas Agentes causadores Calor pH Sais Efeitos de superfície Usualmente irreversível

Desnaturação A desnaturação por calor é algumas vezes desejável. Proteínas da clara do ovo são desnaturadas por calor ou interações superficiais quando formam espuma. Proteínas da carne são desnaturadas entre 57 e 75C, causando efeitos na textura, cor e sabor. A desnaturação pode levar à floculação de proteínas globulares e à formação de gel.

Desnaturação DEFINIÇÃO: mudança na estrutura da proteína que não causa mudança na sequencia de aminoácidos A faixa de temperatura em que a coagulação e desnaturação da maioria das proteínas ocorre está entre 55 e 75C A caseína e as gelatinas são tão estáveis que não desnatura a esta temperatura

Desnaturação A estabilidade excepcional da caseína Torna possível ferver, esterelizar, concentrar e desidratar o leite sem destruir as suas características. Causas da estabilidade da caseína: Baixa concentração de cistina e cisteína Baixo conteudo de aminoácidos que contém enxofre. Isso leva a uma baixa taxa da reação de desnaturação. Restrições quanto à formação de estruturas terciárias dobradas Alto conteúdo de prolina e hidroxiprolina, que são altamente resistentes ao calor

Desnaturação A estabilidade excepcional da caseína Torna possível ferver, esterelizar, concentrar e desidratar o leite sem destruir as suas características. Causas da estabilidade da caseína: Baixa concentração de cistina e cisteína Baixo conteudo de aminoácidos que contém enxofre. Isso leva a uma baixa taxa da reação das . Restrições quanto à formação de estruturas terciárias dobradas Alto conteúdo de prolina e hidroxiprolina, que são altamente resistentes ao calor

Influência do calor em proteínas A suscetibilidade aos danos provocados pelo calor depende da estrutura da proteína A presença de carboidratos aumenta a susceptibilidade das proteínas ao calor Há quatro categorias de mudanças nas proteínas relacionadas ao calor

Influência do calor nas proteínas (1) Alteração na estrutura terciária Requer aquecimento brando Sem efeito nutricional Influencia as propriedades físicas Ex. Solubilidade Se a proteína for uma enzima pode haver perda da reatividade (inativação) Grande importância na indústria de alimentos

Influência do calor nas proteínas Proteínas globulares terão mudanças: Solubilidade Viscosidade Reatividade química As proteínas fibrilares perderão: Elasticidade Flexibilidade Tamanho das fibras

Influência do calor nas proteínas A desnaturação das proteínas afetam as características dos alimentos Enzimas são desativadas A albumina do ovo se torna insolúvel em água (mas torna-se melhor para o consumo) MUitas destas mudanças não alteram o valor nutricional dos alimentos.

Influência do calor nas proteínas (2) Ciclo de reações de Maillard Causa danos às proteínas Muda a funcionalidade das proteínas Ocorre entre uma grupo ∈-amino da lisina e um carboidrato Resultado: A solubilidade da proteína muda A produção das melanoidinas causa mudança de cor e sabor

Influência do calor nas proteínas A perda do valor nutricional dos alimento é um preço a se pagar pela reação de Maillard. Entretanto, a mesma é imprescinvel no desenvolvimento de cor e sabor dos alimentos. A reação ocorre durante: Armazenamento Aquecimento A velocidade da reação é baixa em temperatura ambiente

Influência do calor nas proteínas A reação de Maillard é essencial para obtermos o que chamamos de cheiro e sabor de pão “feito na hora” A lisina é o aminoácido que inicia a reação de Maillard na proteína do trigo. O processo é limitado pela quantidade de trigo presente na receita

Influência do calor nas proteínas Aquecimento de massas em alta tempertura por pouco tempo. Ex. Esquenté d´onté de pizzas Lisina, e também cistina, tirosina e treonina são totalmente perdidas da crosta. A perda interna pode ir de 7,1 a 20% do total de lisina Há uma perda considerável no valor nutricional da massa

Influência do calor nas proteínas Em atividade da água em torno de 0,4 a 0,7 e pH entre 8-10 a velocidade do escurecimento é máxima A velocidade da reação diminui consideravelmente se a atividade da água for aumentada Assim o leite é muito resistente a esse tipo de reação, mas o leite em pó pode sofre-la. Isso é indesejável. Controle da reação: Abaixamento do pH Diminuição/aumento de aw Dimuniução da temperatura. A 180C a velocidade é moderada/alta. Acima de 220C começa degradação por redox. Utilizar açucares não redutores

Influência do calor nas proteínas (3) Aquecimento severo A lisina e a cistina são sensíveis a esse tipo de aquecimento. Cistina é muito sensível e já é convertida em sulfitos na temperatura de 115 graus

Influência do calor nas proteínas (4) Dano por aquecimento na superf´cie de alimentos tostados O tostamento resulta da racemização de resíduos de aminoácios nas proteínas No caso de aquecimento por longo tempo, há a decomposição dos aminoácidos Temperaturas de 180 – 300C Ocorre em café torado, carne, alguns biscoitos Essa reação é responsável pelo desenvolvimento de cores e aromas característicos

Fotooxidação de proteínas Reações fotoquímicas Cadeias em aminoácidos sensíveis à luz sulfoidril imidazol Fenoxiindol tioéteres

Fotooxidação de proteínas Mecanismo radicalar Fatores que influenciam a reação A natureza do substrato Concentração de oxigênio Aminoácisos alifáticos absorvem pouca luz, mas podem sofrer a reação se a radiação for intensa o suficiente.

Fotooxidação de proteínas Quanto mais curto o comprimento de onda, maior o dano A glicina não é danifica em comprimentos de onda maiores que 2265 Å A intensidade do dano está relacionado com Comprimento de onda Dose de radiação Condições de reação Estrutura do aminoácido Aromático > sulforados > alifáticos Clorofila e riboflavina são fotosensibilizadores

Influência de condições alcalinas Proteínas são muitos exposta a pH elevado Exposição de proteínas a pH muito elevado causa mudanças estruturais Vantagens Aumento da solubilidade Destruição de toxinas Melhora no sabor/textura Desvantagens Particularmente a altas temperaturas Racemização Cross-links

Influência de condições alcalinas Racemização Obsrvado em proteínas que sorem tratmento alcalino A reação ocorre via remoção de um H α-methine Intermediário carbânion O carbânion reage com o proton Há a possibilidade de formação de 50% da forma L ou D do aminoácido A velocidade da reação é proporcional à concentração da base acima de pH 8.0 Abaixo de pH 8.0 a velocidade decai e é dependente da estrutura do aminoácido, não correndo abaixo de pH 7,0

Influência de condições alcalinas Em meio ácido, o aquecimento pode levar à racemização, via um intermediário iminol Efeitos biológicos A proteína fica mais difícil de ser digerida Por ex. A caseína fica muito mais resistente à hidrólise enzimática

Propriedades funcionais das proteínas

Propriedades hidrofílicas Solubilidade Propriedade físico-química fundamental das proteínas; Depende de: peso molecular e conformação das moléculas; Densidade e distribuição das cargas elétricas que por sua vez é influenciada pelo pH; Natureza e concentração de íons ou força iônica; Temperatura.

Propriedades hidrofílicas Solubilidade A solubilidade é influenciada pelo maior ou menor afinidade das moléculas de proteínas pelo solvente, que para alimentos é a ÁGUA. A solubilidade das proteínas é particularmente importante em alimentos.

Propriedades hidrofílicas Hidratação e capacidade de retenção de água (CRA) Envolve uma interação entre a proteína ou alimento protéico com a água; > ou < afinidade da proteína com a água também se relaciona com outras propriedades funcionais como textura, viscosidade, geleificação e emulsificação. A atração hidrofílica relaciona-se com: Grau de hidratação (conteúdo de água/g de proteína); Habilidade do produto reter água do ambiente (esponjamento); Quantidade de água que permanece na proteína ou alimento protéico após exposição a um excesso de água; Aplicação de uma força de centrifugação ou pressão (capacidade de retenção de água)

Propriedades hidrofílicas Hidratação e capacidade de retenção de água (CRA) Determinadas propriedades são particularmente importantes em certos tipos de produtos alimentíceos. Ex: a solubilidade das proteínas e a capacidade de retenção de água são muito importantes nas carnes pois dessa propriedade dependem os atributos de textura, suculência e maciez dos produtos.

Propriedades hidrofílicas Hidratação e capacidade de retenção de água (CRA) A desnaturação de proteínas, seja pelo calor, pelo frio ou por efeito do pH altera, igualmente, os espaços interfibrilares provocando uma diminuição no CRA pelo tecido muscular. A temperatura também exerce influência negativa: pode provocar o encurtamento das fibras musculares, diminuindo, novamente os espaços interfibrilares e a capacidade de retenção de água

Propriedades interfásicas Emulsificação É uma mistura de dois líquidos imiscíveis, um dos quais é disperso na forma de glóbulos no outro líquido. Dois tipos: Quando a água é contínua (externa) e o óleo ou gordura a fase interna (descontínua) = emulsão de óleo em água; Quando a água é a fase interna e o óleo a fase externa = emulsão de água em óleo. O que torna uma emulsão estável é a presença de um agente emulsificante - ↓ a tensão superficial existente entre duas fases e permite a formação de emulsão com um nível mais baixo de energia.

Propriedades interfásicas Emulsificação Principal característica de um emulsificante é a de possuir na mesma molécula partes hidrofílicas e hidrofóbicas. Emulsificantes mais polares são mais úteis na formação e estabilidade de emulsões do tipo óleo em água; os menos polares são mais aplicáveis em emulsões de água e óleo (ex. emulsões cárneas como as salsichas). É um sistema de dispersão grosseira de um sólido (gordura) em um líquido que constitui a fase contínua, no qual as proteínas da carne atuam como emulsificante; Aqui a fase contínua não é simplesmente a água e sim um sistema coloidal complexo cujas propriedades são determinadas por macromoléculas de proteínas, além de sais e outras substâncias dissociadas na fase aquosa.

Propriedades interfásicas Emulsificação Dois aspectos interessam em uma emulsificação: A capacidade de emulsificação (a quantidade de lipídios que as proteínas são capazes de emulsificar); Estabilidade da emulsão – mede a capacidade que tem as proteínas de manter a mistura em uma força homogênea – quando submetida à ação de uma força ou calor. Fatores que afetam a formação e estabilidade de uma emulsão: Temperatura, tamanho da partícula de gordura, pH, quantidade e tipo de proteína e viscosidade da emulsão. Quanto maior a viscosidade maior mais estável se apresenta a emulsão.

Propriedades interfásicas Emulsificação A temperatura, quanto mais alta, diminui a viscosidade do óleo fazendo com que aumente a área superficial e facilite a coalencência das partículas de lipídio. A temperatura ideal para manutenção da emulsão parece estar em torno de 20oC

Propriedades interfásicas Capacidade de emulsificação e estabilidade de emulsões Consiste na medida da capacidade que tem uma solução de proteína ou uma suspensão de alimento protéico de formar uma mistura homogênea e estável com óleo ou gordura líquida. A capacidade máxima de emulsificação da proteína é determinada no ponto em que se verifica o colapso ou quebra da emulsão (saturação). Pode ser verificada quando: Visualmente, pela separação de fases; Por um som deferente produzido como conseqüência da separação das fases; Pela queda de condutividade lida por um ampèrímetro.

Propriedades interfásicas Formação de espuma e estabilidade da espuma A capacidade de uma proteína formar espuma refere-se à expansão de volume da dispersão protéica com a incorporação de ar por batimento, agitação ou aeração. Depende: da natureza da proteína; da presença de sais e de outros aditivos utilizados no processamento dos alimentos. A estabilidade de espuma diz respeito à retenção do volume máximo de espuma formada em função do tempo de repouso sendo geralmente medida pela liberação de fluido da espuma.