I. AMINOÁCIDOS E PROTEÍNAS
Aminoácidos e
Peptídeos
Sergio A. Yoshioka
Reflexões I
Reflexões II
Reflexões III
Aminoácidos
• Aminoácido: um composto orgânico que contém ambos
um grupo amino e um ácido:
• -Aminoácido: um aminoácido no qual o amino grupo
é adjacente ao grupo carboxila;
• no entanto -aminoácidos são escritos geralmente na
forma não ionizada, podem também ser escritos na
forma de zwitterion (sal interno, anfótero)
O
R- CH-COH
NH2
unioni ze d
form
O
R- CH-CO NH3 +
z witte rion
Propriedades dos Aminoácidos
• Ponto de fusão: baixo em comparação aos sais
inorgânicos, geralmente ocorre decomposição do a.a.
antes da sua fusão;
• Solubilidade: solúveis em água, dependendo da sua
cadeia lateral;
• Reatividade: reagem normalmente com os grupos
funcionais dos ácidos carboxílicos e amínicos primários
ou secundários, existem ainda os grupos laterais;
• Isomeria ótica e desvio do ângulo de luz polarizada.
Quiralidade dos Aminoácidos
• Com exceção da glicina, todos outros aminoácidos
derivados de proteínas têm no mínimo um centro
assimétrico (carbono ) r que são quirais:
• uma vasta maioria dos - aminoácidos possuem carbono
 na configuração L
COOH
NH3 +
CH3
D-Alani ne
COO+
H3N
H
CH3
L-Alanine
(Fi sche r proje ctions)
Quiralidade dos Aminoácidos
• Comparação da estereoquímica da alanina e
gliceraldeído (fórmulas de projeção de Fischer)
the n atu ral ly
occu rri n g form
COOH
N H3 +
COO+
H 3N
CH3
D-Alan in e
CH3
L-A lan in e
CHO
the n atu ral ly
H
occu rri n g form
OH
CH2 OH
D-Glyce ral de h yde
H
CHO
HO
H
CH2 OH
L-G lyceralde h yde
(Val)
(Gly)
(Ala)
(Phe)
(Met)
(Tyr)
(Trp)
(Ile)
(Leu)
(Lys)
(Arg)
(His)
(Pro)
(Ser)
(Asp)
(Pro)
(Asn)
(Gln)
(Glu)
20 AA derivados de Proteínas
•
Note as características destas estruturas:
1. Todos os 20 são -aminoácidos;
2. Para 19 dos 20, o -amino grupo é primário; para prolina é
secundário;
3. Com exceção da glicina, o carbono  de cada um é um centro
assimétrico;
4. Isoleucina e treonina contém um segundo centro assimétrico;
5. O grupo sulfidrila (pKa 8,3) da cisteína, o grupo imidazol (pKa
6,0) da histidina e a hidroxila fenólica (pKa 10,1) da fenilalanina
são parcialmente ionizados à pH 7,0, mas a forma iônica não é a
principal forma neste pH.
Aminoácidos Incomuns
• Cada exemplo é derivado de um aminoácido comum pela
modificação mostrado colorido:
OH
+
H 3N
I
HO
COONH3 +
Hydroxylysine
+
N
COO-
H H
Hydroxyprol ine
HO
I
O
I
I
Thyroxine
COONH3 +
• hidroxilisina e hidroxiprolina são encontradas somente
em poucos tecidos conectivos tais como o colágeno;
• tiroxina é encontrada somente na glândula tireóide
Prolina um aminoácido muito “especial”
Espectroscopia no ultravioleta
Quantificação de proteínas por
expectrofotometria no UV
Ionização de Aminoácidos
+1 ch arge
+
H 3N
COOH
0 ch arge
+
pK a = 2.34
-1 ch arge
COO-
H 3N
pK a = 9.69
COO-
H 2N
Isoe le ctri c zwi tte rion
+2 ch arge
+
H3N
+1 ch arge
COOH
+
pK a = 1.82
H 3N
pK a = 6.04
NH
+N
H
COONH
+N
H
0 ch arge
+
H3N
COO-
-1 ch arge
pK a = 9.17
H 2N
NH
N
Isoe le ctri c zwi tte rion
COONH
N
Titulação da alanina com NaOH
Acidez: Grupos -COOH
• O valor médio de pKa de um grupo -carboxílico é de
2,19, que o faz então mais ácido do que o ácido acético
(pKa 4,75)
• a maior acidez do grupo carboxílico de aminoácido é
devido ao efeito indutivo retirante de elétrons do grupo
-NH3+
Este íon amônio tem
efeito indutivo de
retirar elétrons
RCHCOOH + H 2 O
NH3
+
pKa = 2,19
-
RCHCOO + H 3 O
NH3
+
+
Acidez: Grupos -NH3+
• O valor médio de pKa para um grupo -NH3+ é 9,47,
comparado com o valor de 10,76 para um íon
alquilamônio secundário
-
RCHCOO + H2 O
NH3
pK a = 9.47
+
-
RCHCOO + H3 O
NH2
+
pK a = 10.76
CH3 CHCH 3 + H2 O
NH3
+
CH3 CHCH 3 + H3 O
NH2
+
Basicidade: Grupo Guanidino
• A cadeia lateral da Arg é uma base consideravelmente mais
forte do que uma amina alifática:
• basicidade do grupo guanidínico é atribuído a grande
estabilização de ressonância da forma protonada
relativa a forma neutra:
:
N H2
:
:
N H2
RN H C
+
N H2
+
RN H C
: N H2
RN H C
N H2
+
: N H2
:
N H2
:
H2 O
+ H3 O
RN C
: N H2
+
pK a = 12.48
Basicidade: Grupo Imidazol
• O grupo imidazol na cadeia lateral é uma amina
aromática heterocíclica:
H
+
H
:
N
N
:
N
H
CH2 CHCO O
+
N H3
-
N+
H
CH2 CHCO O
N H3
-
H 2O
+
:
N
:
Este par sozinho não faz
parte o sexteto aromático;
é um receptor de próton
N
H
CH2 CHCO O
N H3
+
-
+ H 3O
+
pK a 6,04
Ionização vs pH
• Dado o valor de pKa de cada grupo funcional, nós podemos
calcular a proporção de cada ácido ao seu conjugado como
função do pH
• Consideremos a ionização de um -COOH:
COOH + H2 O
pK a = 2.00
-
COO + H3 O +
escrevendo a constante de ionização e rearranjando os
termos temos:
[ H 3 O ] [ -COO ]
+
Ka =
[ -COO H]
-
or
[ -COO - ]
[ -COO H]
=
Ka
[ H 3 O+ ]
Ionização vs pH
• Substituindo o valor de Ka (1 x 10-2) para a concentração
íon hidrogênio a pH 7,0 (1.0 x 10-7) temos:
[ -COO - ]
[ -COO H]
=
Ka
+
[ H 3O ]
=
-2
1.00 x 10
5
= 1.00 x 10
-7
1.00 x 10
à pH 7,0, o grupo carboxílico está virtualmente 100% na
forma ionizada ou base conjugada e tem uma carga total de
-1;
• podemos repetir este cálculo em qualquer pH e determinar
a proporção de [-COO-] ao [-COOH] e a carga total no carboxílico naquele pH. Podemos também calcular a
proporção do ácido à base conjugada do grupo -NH3+,
para este cálculo, assumimos o valor de 10.0 para pKa:
Ionização vs pH
NH3
+
+ H2 O
pKa = 10.00
NH2
+ H3 O+
escrevendo a constante de ionização e rearranjando temos:
[ -NH 2 ]
Ka
=
+
[H 3 O+ ]
[ -NH 3 ]
• Substituindo os valores de Ka de um grupo -NH3+ e a
concentração do íon hidrogênio a pH 7,0 temos:
[ -NH 2 ]
Ka
=
+
[H 3 O+ ]
[ -NH 3 ]
=
-10
1.00 x 10
-3
= 1.00 x 10
-7
1.00 x 10
a pH7,0, a proporção de -NH2 ao -NH3 + é
aproximadamente 1 para 1000;
• neste pH, um grupo -amino está 99,9% na forma ácida
ou protonada e tem uma carga de +1.
Henderson-Hasselbalch
• Podemos calcular a proporção do ácido e a sua base
conjugada para um grupo -carboxílico e um grupo amino à pH 7,0 ou para qualquer ácido fraco e sua base
conjugada à qualquer pH usando a equação de HendersonHasselbalch
pH = pK a + l og
[conjugate base ]
[weak acid]
• Usando a equação de Henderson-Hasselbalch, podemos
calcular a percentual da forma carregada e neutra
presente e a carga total na serina a pH 3,0, 7,0 e 10,0
pH Isoelétrico
• pH Isoelétrico, pI: pH no qual a maioria das moléculas de
um composto em solução não possui carga:
• o pI da glicina, por exemplo, fica entre os valores de
pKa dos grupos carboxílico e amino (dois grupos):
pI = 1 ( p Ka COOH + p Ka N H3 + )
2
= 1 (2.35 + 9.78) = 6.06
2
1 0 0%
86%
O
+
H3 N- CH - C- OH
CH2 OH
pH 3 . 0
Ne t cha rg e +1
99%
1 0 0%
88%
1 0 0%
O
+
H3 N- CH - C- O
CH2 OH
O
H2 N- CH - C- O
CH2 OH
pH 7 . 0
N e t ch a rg e 0
pH 1 0 .0
N e t ch a rg e -1
pH Isoelétrico
• o pI do ácido glutâmico???
Ka1
-COOH 0 0 0 2,19
0 ----------------------- --Ka2
β-COOH
α–NH+
3
Glu
0 0 0 0 0 04,25 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Ka3
+ + + + + + + + + + + + + + + +9,670 0 0 0 0 0
+ + + + 0 0 00 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2,19 4,25
1
9,67
14
pI
pI = 2,19 + 4,25 = 3,5
2
pKa, pI dos aminoácidos neutros
Cadeia lateral
pKa do
polar e apolar
alanina
asparagina
-COOH
2,34
2,02
glutamina
glicina
isoleucina
leucina
2,17
2,34
2,36
2,36
9,13
9,60
9,68
9,68
----
metionina
fenilalanina
prolina
2,28
1,83
1,99
9,21
9,13
10,60
----------
5,74
5,48
serina
treonina
triptofano
valina
2,21
2,63
2,38
2,32
9,15
10,43
9,39
9,62
----------
5,68
6,53
pKa do
-NH3+
9,69
8,80
pKa da
cadeia lateral
----------------
----
pI
6,02
5,41
5,65
5,97
6,02
6,02
6,30
5,89
5,97
pKa, pI dos aminoácidos ácidos e básicos
Cadeias Laterais
Ácidas
pKa do
-COOH
pKa do
-NH3+
pKa da
cadeia lateral
pI
2,10
9,82
3,86
2,98
2,10
9,47
4,07
3,08
cisteína
2,05
10,25
8,00
5,02
tirosina
2,20
9,11
10,07
5,63
Ácido aspártico
Ácido glutâmico
Cadeias Laterais
Básicas
pKa do
-COOH
pKa do
-NH3+
arginina
2,01
9,04
histidina
1,77
9,18
lisina
2,18
8,95
pKa da
cadeia lateral
12,48
6,10
10,53
pI
10,76
7,64
9,74
pH Isoelétrico
• Proteínas ou aminoácidos
0
His
+++++++++++ --- -------------1
14
pI 7,64
0
Caseína do
leite
++++++++
1
------- -------------14
pI 4,60
Solução de Proteína ou aminoácido com pH à
esquerda do pI possui carga positiva e com pH à
direita do pI possui carga negativa.
Aminoácidos Exóticos e Fantasiosos
OH
+
H 3N
I
HO
COONH3 +
Hydroxylysine
+
N
HO
COO-
H H
Hydroxyprol ine
(CH3)3N
+
CH2
I
CH
O
I
CH2
I
Thyroxine
COO-
OH
Carnitina (4trimetilamino3hidroxibutirato)
COONH3 +
Polipeptídeos
•
Em 1902, Emil Fischer propôs que proteínas são cadeias
longas de -aminoácidos unidos por ligações amídicas para
os quais ele deu o nome de ligações peptídicas:
•
Ligação peptídica: nome especial dado as ligações
amídicas entre os grupos -carboxílico de um aminoácido e
um -amino de outro aminoácido.
Serilalanina (Ser-Ala)
HOH2 C H
+
H3N
O-
O
S e ri n e (S er)
+
+
H 3N
O
O-
H CH3
Al an i n e (Ala)
pe ptide
bon d
HOH2 C H H
+
N
H 3N
O
O
O-
H CH3
S e ryl alan in e (S e r-Al a)
Peptídeos
• peptídeo: o nome dado para um pequeno polímero de
aminoácidos unidos por ligações peptídicas:
• dipeptídeo: uma molécula contendo dois aminoácidos
unidos pela ligação peptídica;
• tripeptídeo: uma molécula contendo três aminoácidos
unidos pelas ligações peptídicas;
• polipeptídeo: uma molécula contendo muitos
aminoácidos unidos pelas ligações peptídicas
• proteína: uma macromolécula biológica de massa
molecular de 5000 g/mol ou mais, consistindo de uma ou
mais cadeias polipeptídicas.
Escrevendo Peptídeos
• Por convenção, os peptídeos são escritos da esquerda,
começando com o grupo -NH3+ livre e terminando com o
grupo -COO- livre
• o modelo repetido, começando do N-terminal, é N --->
-carbono ---> carbonila .... etc.
pe pti de
bon ds
S
+
H3N
N-te rmi nal
ami n o aci d
O
N
H
OH
H
N
O-
O
S e r-Me t-As n
C -te rmi n al
ami n o aci d
O
N H2
O
Alguns Peptídeos Pequenos
+
O
O
H3 N-CH- C-NH-CH-C-OCH3
CH2
CH2
COO-
+
O
H3 N-CH2 - CH 2 -C-NH- CH-COO CH2
C6 H5
L-Aspartyl-L-phe nylal ani ne
me thyl e ste r
(Aspartame )
NH
-Alanyl-L-hi stidi ne N
(Carnosine )
Glutationa
-
N H3 +
H
N
O
O
O
O
N
H
SH
O-
2e- oxi dation
2e- re du ction
O
Gl u tathi on e , G SH
(re du ce d form )
-
N H3 +
O
O
O
-
H
N
O
O
O
N
H
S
N
H
O
A di su l fi de
bon d
S
O
O-
H
N
O
N H3 +
O
Gl u tathi on e , G S-S G
(oxi di z e d form)
O-
Encefalinas
Le u ci n e e n k e ph al in
Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu = Y-G-G-F-L
Me th ion i ne e nk e ph ali n
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met = Y-G-G-F-M
Oxitocina & Vasopressina
+
H3 N -Cy s- Ty r -Ile
S
S
Gln
Cy s-A sn
O
Pr o-Le u- Gly -C- NH2
O xytoci n
+
H3 N -Cy s- Ty r -Phe
S
S
Gln
Cy s-A sn
O
Pr o-A r g- Gly- C-N H2
Vas opre ss i n
Fenilcetonúria (PKU)
COOHO
A deficiência da enzima
que catalisa esta reação
leva o acúmulo da
fenipiruvato
NH3+
Tirosina
Oxidação
COO-
COO-
transaminação
NH3+
redução
O
fenilalanina
Fenilpiruvato
(fenilcetona)
COO-
Descarboxilação
oxidativa
COO-
OH
Fenilactato
Fenilacetate
+ CO 2