1 Aminoácidos

Aminoácidos 1I. VISÃO GERAL

As proteínas são as moléculas mais abundantes e com maior diversidade de funções nos sistemas vivos. Praticamente todos os processos vitais dependem dessa classe de moléculas. Por exemplo, enzimas e hormônios polipeptídicos controlam e regulam o metabolismo corporal, enquanto proteínas contrá teis no músculo permitem a realização dos movimentos. Nos ossos, a proteína colágeno forma uma estrutura para a deposição de cristais de fosfato de cálcio, atuando como as barras de aço no concreto armado. Na corrente sangüínea, proteínas como a hemoglobina e a albumina plasmática transportam moléculas essenciais para a vida, enquanto as imunoglobulinas combatem bactérias e vírus causado-res potenciais de infecções. Em suma, as proteínas apresentam uma diversida-de incrível de funções; todavia, todas têm em comum a característica estrutural: são polímeros lineares de aminoácidos. Este capítulo descreve as propriedades dos aminoácidos; o Capítulo 2 mostra como esses blocos constitutivos simples são unidos para formar proteínas com estruturas tridimensionais singulares, tornando-as capazes de desempenhar funções biológicas específicas.

II. ESTRUTURA DOS AMINOÁCIDOS

Embora mais de 300 diferentes aminoácidos tenham sido descritos na natureza, apenas 20 deles são usualmente encontrados como consti tuintes de proteínas em mamíferos. (Nota: Esses são os únicos aminoácidos codificados pelo DNA, o ma-terial genético da célula [veja a página 395].) Cada aminoácido (exceto a prolina, que possui um grupo amino secundário) apresenta um grupo carboxila, um grupo amino primário e uma cadeia lateral distintiva (“grupo R”) ligados ao átomo de carbono α (Figura 1.1A). Em pH fisiológico (aproximadamente 7,4), o grupo carbo-xila encontra-se dissociado, formando o íon carboxilato, carregado negativamente (–COO–), e o grupo amino encontra-se protonado (–NH3

+). Nas proteínas, quase todos esses grupos carboxila e amino estão combinados nas ligações peptídicas e, em geral, não estão disponí veis para reações químicas, exceto pela possibilida-de de formação de pontes de hidrogênio (Figura 1.1B). Portanto, em última aná-

C+H3N

NH-CH-CO-

COOH

H

C+H3N COOH

H

Comuns a todos os �-aminoácidos das proteínas

Aminoácido livre

Aminoácidos combinadosem ligações peptídicas

NH-CH-CO

Grupoamino

Grupocarboxila

�C COC OHC COOH

Grupocarboxila

��

Grupoamino

A cadeialateral é distintapara cadaaminoácido.

O carbono �encontra-seentre os gruposcarboxila e amino

As cadeias lateraisdeterminam as propriedades

das proteínas

A

B

Figura 1.1Características estruturais dos aminoácidos (mostrados em sua forma completamente pro-tonada).

UNIDADE I

Estrutura e Funçãodas Proteínas

Champe_01.indd 1Champe_01.indd 1 04.11.08 11:55:3904.11.08 11:55:39

2 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

lise, é a natureza dessas cadeias laterais que determina o papel do aminoácido na proteína. Por isso, é útil classificá-los de acordo com as propriedades de suas cadeias laterais − ou seja, se são apolares (apresentam distribuição homogênea de elétrons) ou polares (apresentam distribuição desigual de elétrons, como no caso de ácidos e bases; Figuras 1.2 e 1.3).

A. Aminoácidos com cadeias laterais apolares

Cada um desses aminoácidos possui uma cadeia lateral apolar, que é incapaz de receber ou doar prótons, de participar em ligações iônicas ou formar pontes de hidrogênio (Figura 1.2). As cadeias laterais des-ses aminoácidos podem ser vistas como “oleosas”, ou semelhantes a lipídeos, pela propriedade de promover interações hidrofóbicas (veja a Figura 2.10, p. 19).

1. Localização dos aminoácidos apolares nas proteínas. Nas prote-ínas encontradas em soluções aquosas – um ambiente polar –, as cadeias laterais apolares dos aminoácidos tendem a agrupar-se no

C+H3N COOH

H

HpK2 = 9,6 pK1 = 2,3

Glicina

C+H3N COOH

H

CH3

Alanina Valina

C+H3N COOH

H

CH2

Metionina

CH2

C+H3N COOH

H

CH2

Fenilalanina

C+H3N COOH

H

CH2

Triptofano

C

CHNH

S

CH3

COOH

H

Prolina

C

CH2

+H2N

CH2

H2C

CADEIAS LATERAIS APOLARES

C+H3N COOH

H

CHCH3H3C

C+H3N COOH

H

CH2

Leucina

CHCH3H3C

C+H3N COOH

H

CH3

CH CH3

CH2

Isoleucina

Figura 1.2A classificação dos 20 aminoácidos comumente encontrados nas proteínas, de acordo com a carga e a polaridade de suas ca-deias laterais, é mostrada aqui e continua na Figura 1.3. Cada aminoácido é mostrado em sua forma completamente protonada, com os íons hidrogênio dissociáveis representados em vermelho. Os valores de pK para os grupos α-carboxila e α-amino dos aminoácidos apolares são semelhantes àqueles mostrados para a glicina. (Continua na Figura 1.3.)


Bioquímica Ilustrada 3

C+H3N COOH

H

CH2

Ácido glutâmico

OHO

CH2

C

CADEIAS LATERAIS ÁCIDAS

pK1 = 2,1

pK2 = 4,3

pK3 = 9,7C+H3N COOH

H

CH2

Ácido aspártico

OHOC

pK2 = 3.9

pK3 = 9,8

C+H3N COOH

H

CH2

CH2

CADEIAS LATERAIS BÁSICAS

pK1 = 2.2

C+H3N COOH

H

CH2

pK3 = 9.2

CH

NHCH

+HN

C

pK1 = 1.8

pK2 = 6.0

CH2

CH2

NH3+ pK3 = 10.5

C+H3N COOH

H

CH2

CH2

CH2

N

pK3 = 12.5

H

C

NH2

NH2+

C+H3N COOH

H

CH2

NH2O

C+H3N COOH

H

CH2

Asparagina

NH2O

CH2

C

CADEIAS LATERAIS POLARES DESPROVIDAS DE CARGA

C+H3N COOH

H

CH2

Cisteína

SHpK3 = 10,8 pK2 = 8,3

pK1 = 1.7

C+H3N COOH

H

Serina

C

H

H OH

C+H3N COOH

H

Treonina

C

CH3

H OH

C+H3N COOH

H

CH2

OH

pK2 = 9,1

pK3 = 10.1

pK1 = 2,2

C

CH2

C

H

OC

pK2 = 3,9

C+H3N COOH

H

CH2

CH2

pK1 = 2,2

C+H3N COOH

H

CH2

Histidina

pK3 = 9,2

CH

NHCH

+HN

C

pK1 = 1,8

pK2 = 6,0

CH2

CH2

NH3+ pK3 = 10,5

Lisina

pK2 = 9,0

C+H3N COOH

H

CH2

CH2

CH2

N

pK3 = 12,5

Arginina

H

C

NH2

NH2+

C+H3N COOH C+H3N COOH

H

CH2

NH2O

CH2

C

CH2

C

C OH

C+H3N COOH

H

C

CH3

H OH

+H3N

Tirosina

pK3 = 10,1

C

pK2 = 9,2

Glutamina

Figura 1.3A classificação dos 20 aminoácidos comumente encontrados nas proteínas de acordo com a carga e a polaridade de suas ca-deias laterais. (Continuação da Figura 1.2.)



interior da proteína (Figura 1.4). Esse fenômeno é o resultado da hi-drofobicidade dos grupos R apolares, que atuam como gotículas de óleo coalescendo em ambiente aquoso. Desse modo, os grupos R apolares preenchem o interior da proteína à medida que ela se dobra e ajudam a estabe lecer sua forma tridimensional. Entretanto, nas pro-teínas localizadas em ambiente hidrofóbico, como o interior de uma membrana, os grupos R apolares são encontrados na superfície da proteína, interagindo com o ambiente lipídico (veja a Figura 1.4). A importância dessas interações hidrofóbicas para a estabilização da estrutura protéica é discutida na página 19.

A anemia falciforme é uma patologia que resulta da substituição do glutamato, um aminoácido com grupo R polar, pelo aminoácido valina, com grupo R apolar, na subunidade β da hemoglobina (veja na p. 36).

2. Prolina. A cadeia lateral da prolina e seu N α-amínico formam uma estrutura rígida em anel, com 5 átomos, de modo que esse aminoá-cido difere dos demais (Figura 1.5). A prolina, portanto, apresenta um grupo amino secundário, e não primário, sendo freqüentemente deno-minada de iminoácido. A geometria sem igual da molécula da prolina contribui para a formação da estrutura fibrosa do colágeno (veja a página 45) e, com freqüência, interrompe as hélices α encontradas em proteínas globulares (veja a p. 26).

B. Aminoácidos com cadeias laterais polares, desprovidas de carga elétrica

Esses aminoácidos apresentam carga líquida igual a zero em pH neutro, embora as cadeias laterais da cisteína e da tirosina possam perder um próton em pH alcalino (veja a Figura 1.3). Cada um dos aminoácidos seri-na, treonina e tirosina contém um grupo hidroxila polar que pode participar da for mação de pontes de hidrogênio (Figura 1.6). Cada cadeia lateral da aspa ragina e da glutamina contém um grupo carbonila e um grupo amida, que podem também participar de pontes de hidrogênio.

1. Ligação dissulfeto. A cadeia lateral da cisteína contém um grupo sul-fidrila (–SH), componente importante do sítio ativo de muitas enzimas. Nas proteínas, os grupos –SH de duas cisteínas podem oxidar-se e formar um dímero, a cistina, que contém uma ligação cruzada deno-minada ponte dissulfeto (–S–S–). (Veja a página 19 para discussão sobre a formação da ligação dissulfeto.)

Muitas proteínas extracelulares são estabilizadas por ligações dissulfeto. Um exemplo é a albumina, uma pro-teína do plasma sangüíneo que funciona como trans-portadora de uma grande variedade de moléculas.

2. Cadeias laterais como sítios de ligação para outros compostos. O grupo hidroxila polar da serina, da treonina e, mais raramente, da tirosina pode servir como sítio de ligação para estrutu ras, tais como o grupo fosfato. Além disso, o grupo amida da asparagina e os grupos hidroxila da serina e da treonina podem servir como sítio de ligação para cadeias de oligossacarídeos nas glicoproteínas (veja a p. 158).

Aminoácidospolares ( ) nasuperfície deproteínas solúveis.

Aminoácidos apolares( ) agrupados nasuperfície de proteínasde membrana.

Membrana celular

Proteína solúvel Proteína de membrana

Figura 1.4Localização dos aminoácidos apolares em proteínas solúveis e de membrana.

C+H3N COOH

H

CH3

COOH

H

C

CH2

+H2N

H2CCH2

Grupo aminosecundário

Grupo aminoprimário

Prolina Alanina

Figura 1.5Comparação entre o grupo amino secundá-rio encontrado na prolina e o grupo amino primário encontrado em outros aminoácidos, como a alanina.

C+H3N COOH

CH2

Tirosina

O

C

O

H

H

Grupocarbonila

Ponte dehidrogênio

Figura 1.6Ponte de hidrogênio entre o grupo hidroxila fenólico da tirosina e outra molécula contendo um grupo carbonila.



C. Aminoácidos com cadeias laterais ácidas

Os aminoácidos ácido aspártico e ácido glutâmico são doadores de pró-tons. Em pH fisiológico, as cadeias laterais desses aminoácidos estão com-pletamente ionizadas, com um grupo carboxilato carregado negativamente (–COO–). Esses aminoácidos são, portanto, denominados aspartato e glu-tamato, para enfatizar o fato de estarem carregados negati vamente em pH fisiológico (veja a Figura 1.3).

D. Aminoácidos com cadeias laterais básicas

As cadeias laterais dos aminoácidos básicos são aceptoras de prótons (veja a Figura 1.3). Em pH fisiológico, as cadeias laterais da lisina e da ar-ginina estão completamente ionizadas, com carga positiva. Em contraste, a histidina é fracamente básica, e, em geral, o aminoácido livre não apresen-ta carga elétrica em pH fisiológico. Entretanto, quando a histidina encontra-se incorporada em uma proteína, sua cadeia lateral pode apresentar carga positiva ou neutra, dependendo do ambiente iônico fornecido pela cadeia polipeptídica da proteína. Essa é uma propriedade importante da histidina e contribui para o papel que esse aminoácido desempenha no funciona-mento de proteínas, tais como a hemoglobina (veja a p. 31).

E. Abreviaturas e símbolos para os aminoácidos de ocorrência mais freqüente

O nome de cada aminoácido possui uma abreviatura associada de três letras e um símbolo de uma letra (Figura 1.7). Os códigos de uma letra são determinados pelas seguintes regras:

1. Primeira letra única. Se apenas um aminoácido começa com de-terminada letra, então aquela letra é utilizada como seu sím bolo. Por exemplo, I = isoleucina.

2. Os aminoácidos de ocorrência mais freqüente têm prioridade. Se mais de um aminoácido começam com determinada letra, o aminoáci-do de ocorrência mais freqüente recebe aquela letra como símbolo. Por exemplo, a glicina é mais freqüente que o glutamato, então G = glicina.

3. Nomes com sons semelhantes. Alguns símbolos de uma letra soam, em inglês, de forma semelhante ao início do nome do aminoá-cido que representam. Por exemplo, F = fenilalanina, ou W = triptofano (“twypto phan”, como diria Elmer Fudd).

4. Letra próxima à letra inicial. Para os demais aminoácidos, é atri-buído um símbolo de uma letra, tão próxima quanto possí vel no al-fabeto à letra inicial do nome daquele aminoácido. Por exemplo, K = lisina. Além disso, a letra B é atribuída ao Asx, significando tanto ácido aspártico quanto asparagina; o Z é atribuído ao Glx, significando tanto ácido glutâmico quanto glutamina; e o X é atribuído a um aminoácido não-identificado.

F. Propriedades ópticas dos aminoácidos

O carbono α de cada aminoácido está ligado a quatro grupos diferentes e, portanto, é um átomo de carbono quiral ou opticamente ativo. A glicina é a exceção, pois seu carbono α apresenta dois átomos de hidrogênio como substituintes e, assim, é opticamente inativa. Os aminoácidos que apresen-tam um centro assimétrico em seu carbono α podem existir em duas for-mas, designadas D e L, que são imagens especulares uma da outra (Figura 1.8). As duas formas, em cada par, são denominadas estereoisômeros, isômeros ópticos ou enantiômeros. Todos os aminoácidos encontrados nas

Cisteína = Cys = CHistidina = His = HIsoleucina = Ile = IMetionina = Met = MSerina = Ser = SValina = Val = V

Alanina = Ala = AGlicina = Gly = GLeucina = Leu = LProlina = Pro = PTreonina = Thr = T

Arginina = Arg = R ("aRginine")Asparagina = Asn = N (contém N)Aspartato = Asp = D ("asparDic")Glutamato = Glu = E ("glutEmate")Glutamina = Gln = Q ("Q-tamine")Fenilalanina = Phe = F ("Fenylalanine")Tirosina = Tyr = Y ("tYrosine")Triptofano = Trp = W (duplo anel na molécula)

Aspartato ou = Asx = B (próxima do A)

asparaginaGlutamato ou = Glx = Z glutaminaLisina = Lys = K (próxima do L)

Aminoácido = X indeterminado

Primeira letra única

Os aminoácidos de ocorrênciamais freqüente têm prioridade

Nomes com sons semelhantes(conforme pronunciado em inglês)

Letra próxima à letra inicial

1

2

3

4

Figura 1.7Abreviaturas e símbolos para os aminoáci-dos de ocorrência mais freqüente.

H3C

HOOC

D-Alanina

H C NH3+

CH3

COOH

L-Alanina

HC+H3N

Figura 1.8As formas D e L da alanina são imagens es-peculares (imagens no espelho).



proteínas apresentam a configuração L. Os D-Aminoácidos, no entanto, são encontrados em alguns antibióticos e em paredes celulares de plantas e bactérias. (Veja na página 253 uma discussão acerca do metabolismo de D-aminoácidos.)

III. PROPRIEDADES ÁCIDO-BÁSICAS DOS AMINOÁCIDOS

Em solução aquosa, os aminoácidos contêm grupos α-carboxila fracamente áci-dos e grupos α-amino fracamente básicos. Além disso, cada aminoácido ácido e cada aminoácido básico contém um grupo ionizável na cadeia lateral. Assim, tanto os aminoácidos livres quanto alguns aminoácidos combinados por meio de ligações peptídicas podem atuar como tampões. Lembre-se que os ácidos podem ser definidos como doadores de prótons e as bases como aceptoras de prótons. Ácidos (ou bases) são descritos como “fracos” quando ionizam em proporção limitada. A concentração de prótons em solução aquosa é expressa como pH, onde pH = log 1/[H+] ou –log[H+]. A relação quantitativa entre o pH da solução e a concentração de um ácido fraco (HA) e sua base conjugada (A–) é descrita pela equação de Henderson-Hasselbalch.

A. Derivação da equação

Considere a liberação de um próton por um ácido fraco, representado por HA:

HAácidofraco

→← H1

próton� A�

forma salinaou base conjugada

O “sal” ou base conjugada, A–, é a forma ionizada de um ácido fraco. Por definição, a constante de dissociação do ácido, Ka, é

(Nota: Quanto maior o Ka, mais forte o ácido, pois indica que a maior parte de HA dissociou-se em H+ e A–. Por outro lado, quanto menor o Ka, menos ácido foi dissociado e, portanto, mais fraco é o ácido.) Se isolarmos [H+] na equação anterior, tomando o logaritmo de ambos os lados da equação, multiplicando ambos os lados por –1 e substituindo pH = –log [H+] e pKa = –log Ka, obteremos a equação de Henderson-Hasselbalch:

pH pKa log[A–][HA]

+

B. Tampões

Um tampão é uma solução que resiste a mudanças de pH quando se adi-cionam pequenas quantidades de ácido ou base. O tampão pode ser pro-duzido pela mistura de um ácido fraco (HA) com sua base conju gada (A–). Se um ácido, como o HCl, for adicionado a tal solução, pode ser neutraliza-do pelo A–, que no processo é convertido em HA. Se uma base for adicio-nada, o HA pode neutralizá-la, sendo convertido em A– nesse processo. A capacidade tamponante máxima ocorre quando o pH for igual ao pKa, mas

0 3 4 5 6 70

0,5

1,0

pH

Eq

uiv

alen

tes

OH

– ad

icio

nad

os

Região de tamponamento

CH3COO–

FORMA I(ácido acético, HA)

FORMA II(acetato, A–)

pKa = 4,8[I] = [II]

OH–

[I] > [II]

[II] > [I]

Figura 1.9Curva de titulação do ácido acético.



um par conjugado ácido/base ainda pode servir como tampão efetivo quan-do o pH da solução estiver até +1 unidade de pH afastado do pKa. Se as quantidades de HA e A–

forem iguais, o pH é igual ao pKa. Como mostrado na Figura 1.9, uma solução de ácido acético (HA = CH3–COOH) e acetato (A– = CH3–COO–), com pKa de 4,8, resiste a mudanças no pH entre os pHs 3,8 e 5,8, com capacidade tamponante máxima no pH 4,8. Em pHs abaixo do pKa, a forma ácida protonada [CH3–COOH] é a forma predominante. Em pHs acima do pKa, a forma básica não-protonada [CH3–COO–] é a forma predomi nante na solução.

A separação de proteínas plasmáticas por meio de cargas elétricas é realizada tipicamente em pH acima do ponto iso-elétrico (pI) das principais proteínas, de modo que a carga dessas proteínas é negativa. Em um campo elétrico, as pro-teínas movem-se no sentido do eletrodo positivo, a uma velo-cidade determinada por sua carga negativa líquida. Variações nos padrões de mobilidade são indícios de certas doenças.

C. Titulação de um aminoácido

1. Dissociação do grupo carboxila. A curva de titulação de um amino-ácido pode ser analisada como descrito anteriormente para o ácido acético. Considere a alanina, por exemplo. Esse aminoácido contém um grupo α-carboxila e um grupo α-amino. Em pHs baixos (ácidos), os dois grupos encontram-se protonados (como mostrado na Figura 1.10). À medida que o pH da solução é aumentado, o grupo –COOH da Forma I pode dissociar-se, doando um próton ao meio. A libera-ção do próton resulta na formação do grupo carboxilato, –COO–. Essa estrutura é mostrada como a Forma II (a forma dipolar da molécula, veja a Figura 1.10). Também denominada zwitterion, essa é a forma isoelétrica da alanina − ou seja, possui carga líquida igual a zero.

2. Aplicação da equação de Henderson-Hasselbalch. A constante de dissociação do grupo carboxila de um aminoácido é denominada K1, e não Ka, pois a molécula contém um segundo grupo titulável. A

CH3

C+H3N

H

COO–

CH3

C

H

COO–

CH3

CH2N

HOH– OH–

pK1 = 2,3 pK2 = 9,1

Alanina em uma solução ácida(pH menor que 2)

Carga líquida = +1 Carga líquida = 0(forma isoelétrica)

Alanina em uma solução neutra(pH aproximadamente 6)

Alanina em uma solução básica(pH acima de 10)

Carga líquida = –1

FORMA IIIFORMA IIFORMA I

Figura 1.10Formas iônicas da alanina em soluções ácidas, neutras e básicas.



equação de Henderson-Hasselbalch pode ser utilizada para analisar a dissocia ção do grupo carboxila da alanina, do mesmo modo descri-to para o ácido acético:

Onde I é a forma completamente protonada da alanina e II é a forma isoelétrica da alanina (veja a Figura 1.10). Essa equação pode ser rear ranjada e convertida em forma logarítmica para dar:

pH pK1 log[II][I]

+

3. Dissociação do grupo amino. O segundo grupo titulável da alanina é o grupo amino (–NH3

+), mostrado na Figura 1.10. É um ácido muito mais fraco que o grupo –COOH; portanto, apresenta constante de dissociação muito menor, K2. (Nota: Seu pKa, portanto, é maior.) A liberação de um próton pelo grupo amino protonado da Forma II re-sulta na forma completamente desprotonada da alanina, a Forma III (veja a Figura 1.10).

4. pKs da alanina. A dissociação seqüencial de prótons dos grupos car-boxila e amino da alanina está resumida na Figura 1.10. Cada grupo titulável apresenta um pKa numericamente igual ao pH no qual exa-tamente metade dos prótons foram removidos daquele grupo. O pKa para o grupo mais acídico (–COOH) é o pK1, enquanto o pKa para o grupo acídico seguinte (–NH3

+) é o pK2.

5. Curva de titulação da alanina. Pela aplicação da equação de Hender son-Hasselbalch a cada grupo acídico dissociável, é possível calcular a curva de titulação completa de um ácido fraco. A Figura 1.11 mostra a variação no pH que ocorre durante a adição de base à forma comple tamente protonada da alanina (I), até produzir a forma completamente desprotonada (III). Observe o seguinte:

a. Pares tampões. O par –COOH/–COO– pode servir como tam pão em pH ao redor do pK1, e o par –NH3

+/–NH2 pode tamponar na região ao redor do pK2.

b. Quando pH = pK. Quando o pH é igual ao pK1 (2,3), existem na solução quantidades iguais das Formas I e II da alanina. Quando o pH é igual ao pK2 (9,1), estão presentes na solução quantidades iguais das Formas II e III.

c. Ponto isoelétrico. Em pH neutro, a alanina existe predominan-temente como a Forma dipolar II, em que os grupos amino e carboxila estão ionizados, mas a carga líquida é zero. O ponto isoelétrico (pI) é o pH no qual um aminoácido é eletricamente neutro − ou seja, a soma das cargas positivas é igual à soma das cargas nega tivas. Para um aminoácido como a alanina, por exemplo, que apresenta apenas dois hidrogênios dissociáveis

0 2 4 6 8 100

1,0

2.0

pH

Eq

uiv

alen

tes

OH

– ad

icio

nad

os

pK2 = 9,1

[II] = [III]

0,5

1,5

pK1 = 2,3

[I] = [II]

pI = 5,7

Região detamponamento


0 2 40

p

[II] = [III]


6 8 10pH

ppK2 = 9,=

= 2,3

p

FORMA I

CH3

C+H3N

H

COO–

FORMA III

CH3

CH2N

H

COO–

FORMA II

CH3

C

H

Figura 1.11Curva de titulação da alanina.



(um do grupo α-carboxila e um do grupo α-amino), o pI é a mé-dia entre pK1 e pK2 (pI = [2,3 + 9,1]/2 = 5,7, veja a Figura 1.11). Assim, o pI está a meio caminho entre o pK1 (2,3) e o pK2 (9,1). Ele corresponde ao pH em que predomina a Forma II (com carga líquida igual a zero) e em que há também quantidades iguais das Formas I (carga líquida +1) e III (carga líquida –1).

6. Carga líquida dos aminoácidos em pH neutro. Em pH fisiológico, todos os aminoácidos apresentam um grupo carregado negativa-mente (–COO–) e um grupo carregado positivamente (–NH3

+), ambos ligados ao carbono α. (Nota: Os aminoácidos glutamato, aspartato, histidina, arginina e lisina apresentam, além desses, outros grupos potencial mente carregados em suas cadeias laterais.) Substâncias como os aminoácidos, que podem atuar como ácidos ou bases, são classificadas como anfotéricas e chamadas de anfólitos (eletrólitos anfotéri cos).

D. Outras aplicações da equação de Henderson-Hasselbalch

A equação de Henderson-Hasselbalch pode ser utilizada para calcular de que maneira o pH de uma solução fisiológica responde a mudanças na concen tração de um ácido fraco e/ou de sua correspondente forma de “sal”. Por exemplo, no sistema tampão do bicarbonato, a equação de Hender son-Hasselbalch prevê de que modo as mudanças na concen-tração do íon bicarbonato [HCO3

–] e na pCO2 influen ciam o pH (Figura 1.12A). A equação é útil também para calcular as quantidades das formas iônicas de drogas com características ácidas e básicas. Por exem plo, mui-tas drogas são ácidos fracos ou bases fracas (Figura 1.12B). Drogas áci-das (HA) liberam um próton (H+), determinando a formação de um ânion carregado (A–).

HA H+ + A–

Bases fracas (BH+) também podem liberar um H+. A forma protonada das drogas básicas, no entanto, normalmente possui carga elétrica, e a perda de um próton produz a base desprovida de carga (B).

BH+ B + H+

Uma droga passa através de membranas com mais facilidade quando não apresenta carga elétrica. Assim, para um ácido fraco como a aspirina, a forma desprovida de carga HA consegue permear através das membra-nas, enquanto A– não consegue. Para uma base fraca como a morfina, por exemplo, a forma desprovida de carga, B, atravessa membranas, enquanto BH+ não o faz. Portanto, a concentração efetiva da forma permeável de cada droga em seu sítio de absorção é determinada pelas concentrações relativas das formas carregada e desprovida de carga. A razão entre as duas formas é, por sua vez, determinada pelo pH no sítio de absorção e pela força do ácido fraco ou da base fraca, representada pelo pKa do grupo ionizável. A equação de Henderson-Hasselbalch é útil para a determinação da quantidade de droga encontrada em cada lado de uma membrana entre dois compartimentos com diferença de pH, por exemplo, o estômago (pH 1,0 a 1,5) e o plasma sangüíneo (pH 7,4).

H2CO3 HCO3-H+H2OCO2 + +

BICARBONATO COMO UM TAMPÃO

Um aumento no íon bicarbonatofaz com que o pH aumente.

Obstrução pulmonar provocaaumento no dióxido de carbono ecausa a redução do pH, resultandoem acidose respiratória.

pH = pK + log [HCO3– ]

[H2CO3]

ABSORÇÃO DE DROGAS

No pH do estômago (1,5), uma droga como a Aspirina® (ácido fraco, pK = 3,5) estará predomi-nantemente protonada (COOH) e, portanto, desprovida de carga.Drogas desprovidas de carga elé-trica geralmente atravessam mem-branas mais rapidamente que moléculas com carga.

pH = pK + log [Drogas-H] [Drogas– ]

A

B

A

HA

-

Membranalipídica

LÚMEN DOESTÔMAGO

ESTÔMAGO

ALVÉOLOSPULMONARES

SANGUE

H+

H+

H+

A

HA

-H+

Figura 1.12A equação de Henderson-Hasselbalch é utilizada para prever: (A) variações no pH, à medida que as concentrações de HCO3

– ou CO2 são alteradas; ou (B) as formas iônicas das substâncias.



IV. MAPAS DE CONCEITOS-CHAVE

Os estudantes às vezes encaram a Bioquímica como uma série nebulosa de fatos ou equações a ser memorizada, e não como um conjunto de conceitos a ser compreendido. Detalhes fornecidos com a finalidade de enriquecer a com-preensão desses conceitos tornam-se, inadvertidamente, fontes de desaten-ção. Parece estar faltando um mapa do caminho − um guia que forneça aos estudantes uma compreensão intuitiva de como vários tópicos encai xam-se para fazer sentido. Pensando assim, os autores criaram uma série de mapas de conceitos-chave bioquímicos, que ilustram graficamente as rela ções entre as idéias apresentadas no capítulo e mostram como a informa ção pode ser agrupada ou organizada. O mapa conceitual é, portanto, uma ferramenta para visualizar as conexões entre os conceitos. O material é apresentado de ma-neira hierárquica, com os conceitos mais gerais e inclusivos no topo do mapa e os conceitos mais específicos e menos gerais abaixo. De modo ideal, os mapas conceituais funcionam como matrizes ou guias para organizar as infor-mações, de forma que os estudantes possam encontrar com mais facilidade as melhores maneiras de integrar as novas informações ao conhecimento já consolidado.

A. Como é construído um mapa de conceitos-chave?

1. Quadros de conceitos vinculados. Os educadores definem con-ceitos como “regularidades percebidas em eventos ou objetos”. Em nossos mapas bioquímicos, os conceitos incluem abstrações (por exemplo, energia livre), processos (por exemplo, fosforilação oxida-tiva) e com postos (por exemplo, glicose-6-fosfato). Esses conceitos amplamente definidos são priorizados, com a idéia central posicio-nada no topo da página. Os conceitos que seguem a partir dessa idéia central são delineados em quadros (Figura 1.13A). O tamanho do quadro e da letra indicam a importância relativa de cada idéia. Linhas são desenha das entre os quadros dos conceitos para mostrar quais estão relacionados. A legenda na linha define a relação entre dois conceitos, de modo que se lê uma afirmação válida, ou seja, a conexão passa a ter sentido. As setas nas linhas indicam em que sen-tido a conexão deve ser lida (Figura 1.14).

2. Vínculos cruzados. Ao contrário dos padrões ou diagramas de fluxo linear, os mapas de conceitos-chave podem conter vínculos cruza-dos, que permitem ao leitor visualizar relações complexas entre as idéias representadas em diferentes partes do mapa (Figura 1.13B) ou entre o mapa e os outros capítulos deste livro ou em livros comple-mentares desta série (Figura 1.13C). Vínculos cruzados podem assim identificar con ceitos centrais para mais de uma disciplina, oferecendo aos estudantes mais eficiência em situações clínicas ou em outros exames com características multidisciplinares. Os estudantes apren-dem a perceber visualmente relações não-lineares entre os fatos, em contraste com referências cruza das em textos lineares.

Aminoácidos(completamente protonados)

Liberar H+

podem

A

B

Quadros de conceitosvinculados

Renovaçãodas

proteínas

Degradaçãodas proteínas

corporais

Síntese dasproteínascorporais

é produzido pela

é consumido pela

Conjuntode

amino-ácidos

Conjuntode

amino-ácidos

leva à

Conceitos vinculadosdentro de um mapa

C Conceitos com vínculoscruzados com outroscapítulos e outroslivros nesta série

. . . como a proteína se dobra em sua conformaçãonativa

. . . como o dobramento incorreto das proteínas pode levar à doença dopríon, como por exemplo a doença de Creutzfeldt-Jakob

Síntese edegradação simultâneas

Structureof Proteins 2

Figura 1.13Símbolos utilizados nos mapas de conceitos-chave.

V. RESUMO DO CAPÍTULO

Cada aminoácido apresenta um grupo �-carboxila e um grupo �-amino primário (exceto a prolina, que possui um grupo amino se-cundário). Em pH fisiológico, o grupo α-carboxila está dissociado, for-mando o íon carboxilato (–COO–), carregado negativamente, e o grupo α-amino está protonado (–NH3

+). Cada aminoácido também apresenta



Structureof Proteins 2

Aminoácidos(completamente protonados)

são compostos por

Grupo �-carboxila(–COOH)

Grupo �-amino(–NH3

+ )

protonado (–NH3+) em

pH fisiológico compostas por

encontradas

No interior de proteínas que atuam em um ambiente aquoso e na superfície de proteínas (como proteínas de membrana) que interagem com lipídeos

AsparaginaCisteínaGlutaminaSerinaTreoninaTirosina

encontradas encontradas encontradas

Na superfície de proteínas que atuam em ambiente aquoso e nointerior de proteínas associadas a membranas

Ácido aspárticoÁcido glutâmico

caracterizadas por

A cadeia lateral se dissocia em –COO– em pH fisiológico

ArgininaHistidinaLisina

A cadeia lateral éprotonada e geral-mente apresentacarga positiva empH fisiológico

Nas proteínas, a maior parte dos grupos �-COO– e �-NH3

+ dos amino-ácidos está com-binada, formando ligações peptídicas.

Portanto, esses grupos não estão disponíveis para reações químicas.

Desse modo, anatureza química dacadeia lateraldetermina o papel queo aminoácido teráem uma proteína,em especial...

podem

Liberar H+

e atuam como

Ácidos fracos

conforme descrito pela

Equação de Henderson-Hasselbalch:

pH = pKa + log [A–] ——

[HA]

que prediz

A capacidade tamponante

que prediz que

que prediz

que prediz que

pH = pKa quando [HA] = [A–]

estáestá

caracterizadas por

Cadeias laterais polares, desprovidasde carga

Cadeias lateraisapolares

Cadeias laterais de20 tipos diferentes

Cadeias laterais ácidas

Cadeias lateriasbásicas

desprotonado (–COO–) empH fisiológico

Máxima capacidade tampo-nante quando pH = pKa

O tamponamento ocorre �unidade de pH a partir do pKa

AlaninaGlicinaIsoleucinaLeucinaMetioninaFenilalaninaProlinaTriptofanoValina

... como a proteínase dobra paraassumir suaconformaçãonativa.

Figura 1.14Mapa de conceitos-chave referentes à estrutura protéica.



Questões para Estudo

Escolha a ÚNICA resposta correta.

1.1 As letras de A a E designam certas regiões na curva de titu-lação para a glicina (mostrada abaixo). Qual das seguintes afirmativas a respeito dessa curva está correta?

0 2 4 6 8 100

1,0

2,0

pH

0,5

1,5

A

B

C

D

E

Eq

uiv

alen

tes

de

OH

- ad

icio

nad

os

A. O ponto A representa a região em que a glicina está desprotonada.

B. O ponto B representa a região de capacidade tampo-nante mínima.

C. O ponto C representa a região em que a carga líquida da glicina é zero.

D. O ponto D representa o pK do grupo carboxílico da gli-cina.

E. O ponto E representa o pI para a glicina.

1.2 Qual das seguintes afirmativas a respeito do peptídeo mos-trado abaixo está correta?

Gly-Cys-Glu-Ser-Asp-Lys-Cys

A. O peptídeo contém glutamina.B. O peptídeo contém uma cadeia lateral com um grupo

amino secundário.C. A maioria dos aminoácidos contidos nesse peptídeo

apresenta cadeias laterais que estariam carregadas po-sitivamente em pH 7.

D. O peptídeo é capaz de formar uma ligação dissulfeto interna.

uma cadeia lateral (são 20 cadeias laterais diferentes para os 20 ami-noácidos) ligada ao átomo de carbono α. A natureza química dessa cadeia lateral determina a função do aminoácido na proteína e fornece a base para a classificação dos aminoácidos em apolares, polares desprovidos de carga, ácidos e básicos. Todos os aminoácidos li-vres, assim como os aminoácidos que apresentam carga quando li-gados às cadeias peptídicas, podem servir como tampões. A relação quantitativa entre o pH de uma solução e a concen tração de um áci-do fraco (HA) e sua base conjugada (A–) é descrita pela equação de Henderson-Hasselbalch. O tamponamento ocorre na faixa do pKa +1 unidade de pH; é máximo quando pH = pKa, situação na qual [A–] = [HA]. O carbono α de cada aminoácido (com exceção da glicina) está, portanto, ligado a quatro diferentes grupos químicos é um átomo de carbono quiral ou opti camente ativo. Apenas a forma L dos aminoá-cidos é encontrada nas proteínas sintetizadas pelo corpo humano.

Resposta correta = C. O ponto C representa o ponto isoelé-trico, ou pI, e, como tal, fica a meio caminho entre pK1 e pK2 para este ácido monocarboxílico e monoamínico. A glicina está completamente protonada no ponto A. O ponto B representa a região de máxima capacidade tamponante, assim como o ponto D. O ponto E representa a região em que a glicina está completamente desprotonada.

Resposta correta = D. Os dois resíduos de cisteína podem, em condições oxidantes, formar uma ligação dissulfeto. A abrevia-tura de três letras para a glutamina é Gln. A prolina (Pro) con-tém um grupo amino secundário. Apenas um (Lys), dos sete re-síduos de aminoácidos, apresentaria cadeia lateral com carga elétrica positiva em pH 7.


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