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Aminoácidos e Peptídeos
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Aminoácidos
Estrutura Geral
Ácido carboxílico com amina primária (-NH2) no carbono α.
+
H3N
COO
-
Cα H
Exceção:
Prolina: amina secundária (-NH-)
R
Isomeria
Ao carbono α estão ligados 4 grupos substituintes diferentes: grupo carboxila, grupo
amino, grupo R (ou cadeia lateral) e um átomo de hidrogênio.
O carbono α é um carbono assimétrico
Com exceção da glicina (R=H) todos os demais aminoácidos são oticamente ativos.
Os estereoisômeros são designados por D e L.
Na natureza os aminoácidos são encontrados na forma L.
Classificação dos aminoácidos
Polaridade do grupo R
Grupamento funcional do grupo R
Essencial
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Quanto à polaridade do grupo R
Grupo R não polar: aqueles onde R é um hidrocarboneto alifático ou aromático.
glicina (Gly ou G)
metionina (Met ou M)
alanina (Ala ou A)
fenilalanina (Phe ou F)
valina (Val ou V)
prolina (Pro ou P)
leucina (Leu ou L)
triptofano (Trp ou W)
isoleucina (Ile ou I)
Grupo R polar não carregado: aqueles
em pH fisiológico (pH = 7,0).
serina (Ser ou S)
treonina (Thr ou T)
cisteína (Cys ou C)
onde R apresenta grupamento polar não dissociado
asparagina (Asn ou N)
glutamina (Gln ou Q)
tirosina (Tyr ou Y)
Grupo R carregado positivamente: aqueles onde R apresenta carga positiva em pH
fisiológico (pH = 7,0).
histidina (His ou H)
lisina (Lys ou K)
arginina (Arg ou R)
Grupo R carregado negativamente: aqueles onde R apresenta carga negativa em pH
fisiológico (pH = 7,0).
ácido aspártico (Asp ou D)
ácido glutâmico (Glu ou E)
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Quanto à natureza do grupamento R
Alifático: Gly, Ala, Val, Leu, Ile
Aromático: Phe, Trp, Tyr
Sulfonado: Cys, Met
Básico: Lys, Arg, His
Hidroxilado: Ser, Thr
Dicarboxílico: Asp, Glu
Amida de ácido dicarboxílico: Asn, Glu
Amina secundária: Pro
Essenciais
São aqueles que não podem ser sintetizados pelo organismo, devendo ser administrados
pré-formados na dieta.
Cada espécie tem seus aminoácidos essenciais.
Espécie humana: Arg, Phe, His, Ile, Leu, Lys, Met, Trp, Val
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Estrutura dos Aminoácidos
Grupo R não polar, alifático ou aromático
COO
+
H3 N
C
-
COO
COO
+
H
H3 N
H
C
+
H3 N
H
C
-
COO
+
C
H3 N
H
COO
CH33 CH 3
H
H3 N
C
H
H
C
CH3
CH
CH2
CH3 CH3
Glicina
Glicina
Alanina
Alanina
CH3
Valina
Valina
Leucina
Leucina
COO
+
H3 N
C
-
H
CH 2
COO
+
H3 N
C
-
H
CH2
CH 2
-
COO
H
C
+
CH2
H2 N
H2 C
CH2
Isoleucina
Isoleucina
+
H3 N
COO C
H
CH2
C
CH
NH
S
CH 3
Metionina
Metionina
Prolina
Prolina
Fenilalanina
Fenilalanina
-
+
CH2
CH
CH3
-
Triptofano
Triptofano
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Aminoácidos com cadeias laterais apolares
Estes aminoácidos possuem cadeia lateral que não apresenta a capacidade de receber ou
doar elétrons, de participar de ligações iônicas ou de formar pontes de hidrogênio.
Entretanto, podem promover interações hidrofóbicas (*).
(*) Associação de grupos não polares, tais como cadeias de hidrocarbonetos, em meio aquoso.
Em sistemas vivos, estas interações contribuem para a estabilidade das moléculas de proteínas,
das membranas e de várias outras estruturas subcelulares.
Os valores de pK dos grupos α-carboxila (pK1 ≅ 2,3) e α-amino (pK2 ≅ 9,6) são semelhantes
para todos os aminoácidos deste grupo.
A cadeia lateral da prolina e o seu grupo α-amino formam um anel, de forma que, este
aminoácido difere dos demais pelo fato de conter um grupo imino ao invés de um grupo
amino.
A glicina (cadeia lateral = H) é o único aminoácido que não possui carbono assimétrico.
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Grupo R polar, não carregado
COO
+
C
H3 N
-
COO
+
H
CH 2 OH
-
COO
+
H3 N
C
H
H
C
OH
C
H3 N
COO
+
H3 N
C
H
COO
+
H3 N
Cisteína
Cisteína
-
H
+
H3 N
COO C
H
CH2
CH2
C
C
O
Asparagina
Asparagina
C
CH2
CH2
H2 N
SH
Treonina
Treonina
-
H
CH2
CH 3
Serina
Serina
-
H2 N
O
Glutamina
Glutamina
OH
Tirosina
Tirosina
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Aminoácidos com cadeias laterais polares (desprovidos de carga elétrica)
Estes aminoácidos apresentam carga líquida igual à zero em pH neutro, embora as
cadeias laterais de cisteína e tirosina possam perder um próton em pH alcalino.
Os aminoácidos serina, treonina e tirosina contêm grupos hidroxila que podem participar
da formação de pontes de hidrogênio (*).
(*) Resultam da atração eletrostática entre um átomo eletronegativo (normalmente O ou N)
e um átomo de hidrogênio ligado covalentemente a um segundo átomo eletronegativo. O
átomo de hidrogênio, desta forma, é compartilhado entre dois átomos eletronegativo.
As cadeias laterais da asparagina e da glutamina contem, cada uma, um grupo carbonila e
um grupo amida que podem participar também de pontes de hidrogênio.
A cadeia lateral da cisteína contém um grupamento sulfidrila (-SH).
Nas proteínas os grupos sulfidrilas de duas cisteínas podem se tornar oxidados e formar
um dímero – cistina – que contém uma ligação denominada ponte dissulfeto (*).
(*) A ponte dissulfeto (-S-S-) é uma ligação covalente formada pelos grupos sulfidrila (-SH)
de dois resíduos de cisteína para produzir um resíduo de cistina.
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COO
+
H3 N
Grupo R carregado
positivamente
-
COO
+
C
H
H3 N
C
+
H
H3 N
H
CH2
CH 2
CH2
CH 2
C
CH2
CH 2
C
H
+
C
NH 2
NH 2
Lisina
Lisina
-
COO
-
+
+
C H
C
H
CH2
CH2
COO
H3 N
-
CH2
COO
Ácido
Ácido Aspártico
Aspártico
NH+
Histidina
Histidina
Arginina
Arginina
COO
NH
C
NH
+ NH
3
Grupo R carregado
negativamente
C
CH 2
CH2
H3 N
COO -
-
Ácido
Ácido Glutâmico
Glutâmico
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Aminoácidos com cadeias laterais básicas
As cadeias laterais dos aminoácidos básicos são aceptoras de prótons.
Em pH fisiológico, as cadeias laterais da lisina e da arginina se encontram completamente
ionizadas, com carga positiva.
Já a histidina é fracamente básica e o aminoácido livre, em geral, não apresenta carga
elétrica em pH fisiológico. Entretanto quando a histidina se encontra incorporada em
uma proteína, a sua cadeia lateral pode se apresentar com carga positiva ou neutra,
dependendo do ambiente iônico fornecido pela cadeia polipeptídica da proteína.
Aminoácidos com cadeias laterais ácidas
Os aminoácidos ácido aspártico e ácido glutâmico são doadores de prótons.
Em pH neutro, as cadeias laterais desses aminoácidos se encontram completamente
ionizadas, contendo um grupo carboxilato carregado negativamente (-COO-).
Esses aminoácidos são, portanto, denominados aspartato e glutamato, para enfatizar o
fato de estarem carregados negativamente em pH fisiológico.
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Estrutura e classificação dos aminoácidos
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Carga elétrica dos aminoácidos varia com o pH
Grupos ionizáveis
forma protonada: -COOH e –NH3+
forma desprotonada: -COO- e –NH2
COOH
+
H 3N
C
H
COO
+
H3 N
C
-
H
COO
H2 N
C
R
R
R
(a)
(c)
(b)
-
H
(a) em soluções muito ácidas os dois grupos se apresentam protonados
(b) em soluções muito alcalinas os dois grupos se apresentam desprotonados
(c) em soluções neutras os aminoácidos se apresentam como um íon dipolar
A conversão entre as formas a, b e c em função do pH do meio pode ser evidenciada
através da curva de titulação do aminoácido.
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Curva de titulação de aminoácido
Curva de Titulação da Alanina
Etapa 1:
pH
Etapa 2:
titulação do
grupo -COOH
14
COOH
titulação do
+
grupo -NH 3
(a)
+
NH 3 CHRCOOH
H3+N
C
H
CH3
pK 2 = 9,69
12
e
(b)
+ NH
3 CHRCOOH
+
NH CHRCOO3
(c)
+ NH
10
d
8
6
3 CHRCOO
-
pI = 6,02
c
pK 1 = 2,34
4
2
+
(forma dipolar isoelétrica)
(d)
(e)
0,5
1,0
1,5
2,0
Equivalentes de NaOH adicionados
NH 3 CHRCOO-
Cálculo do
ponto isoelétrico
NH 2 CHRCOO-
b
a
Alanina
(em meio ácido)
NH 2 CHRCOO-
pI = pH =
pI = pH =
pK1 + pK 2
2
2,34 + 9,69
= 6,02
2
Ponto isoelétrico é o pH da solução para o qual a carga absoluta do aminoácido é nula.
No ponto isoelétrico não há migração, em meio elétrico, nem para o eletrodo positivo (ânodo), nem
para o eletrodo negativo (cátodo).
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Aminoácido
Valores de pK’
dos grupos
ionizáveis de
aminoácidos
Abreviação
pK’1
pK’2
pK’3
(-COOH)
(-NH3+)
pI
(Grupo R)
Gly
Ala
Val
Leu
Ile
Pro
2,34
2,34
2,32
2,36
2,36
1,99
9,60
9,69
9,62
9,60
9,68
10,96
5,97
6,01
5,97
5,98
6,02
6,48
Fenilalanina
Phe
1,83
9,13
5,48
Tirosina
Triptofano
Tyr
Trp
2,20
2,38
9,11
9,39
10,07
5,66
5,89
Serina
Treonina
Cisteína
Metionina
Ser
Thr
Cys
Met
2,21
2,11
1,96
2,28
9,15
9,62
8,18
9,21
13,60
13,60
10,28
5,68
5,87
5,07
5,74
Asparagina
Asn
2,02
8,80
5,41
Glutamina
Gln
2,17
9,13
5,65
Ácido aspártico
Asp
1,88
9,60
3,65
2,77
Ácido glutâmico
Glu
2,19
9,67
4,25
3,22
Lisina
Arginina
Lys
Arg
2,18
2,17
8,95
9,04
10,53
12,48
9,74
10,76
Histidina
His
1,82
9,17
6,0
7,59
Grupo R não polar, alifático
Glicina
Alanina
Valina
Leucina
Isoleucina
Prolina
Grupo R aromático
Grupo R polar, não carregado
Grupo R carregado negativamente
Grupo R carregado positivamente
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Reações químicas dos aminoácidos
Reações comuns da química orgânica relativa aos grupos -COOH e -NH2
Grupamento carboxila
• Esterificação por álcoois
H
H
R
C
COOH
+
R'
OH
R
C
COOR' +
H2 O
NH2
NH2
Utilizada no isolamento de aminoácidos
• Formação de amidas
H
H
R
C
COOH
+
R'
NH2
Ligação peptídica
NH2
R
C
NH2
CONH
R' +
H2 O
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Grupamento amino
• Resistente à hidrólise
• Pode ser removido por oxidação. Agentes oxidantes: H2O2, KMnO4, etc.
Grupo R
Reações decorrentes da reatividade do grupo R.
Assim, a cisteína apresenta reações característica do grupamento sulfidrila (SH),
a tirosina as do grupamento fenólico, etc.
As reações químicas dos aminoácidos são utilizadas para:
Identificação e análise de aminoácidos
Identificação e sequenciamento de aminoácidos em proteínas
Identificação de resíduos específicos necessários para a atividade biológica de
proteínas nativas
Modificações químicas de resíduos de aminoácidos capazes de alterar a atividade
biológica da proteína
Síntese química de peptídeos
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Reações químicas características de aminoácidos
Duas reações são amplamente utilizadas para a detecção, medida e identificação de
aminoácidos
• Reação da ninidrina
Resulta na desaminação oxidativa de α-aminoácidos produzindo CO2 ; NH3; um aldeído
com um carbono a menos e a ninidrina reduzida.
A ninidrina reduzida ou hidridantina reage com o NH3 e com outra molécula de ninidrina
formando um complexo arroxeado (λ = 570 nm)
H
CO2 + R
O
||
C
H
OH
+
C
C
||
O
ninidrina
OH
C
R
C
O
||
C
O
C
||
O
NH2
aminoácido
OH
Observação
C
COOH
NH3
H
hidridantina
O
||
C
OH
C
O
||
C
O
||
C
C=N
C
||
O
C
||
O
OH
ninidrina
+
+ 3 H 2O + H
C
C
_
O
complexo arroxeado
Nos aminoácidos com grupo
amina secundária, como é o caso
da prolina, o produto da reação
é diferente e origina uma cor
amarela (λ = 440 nm).
Neste caso não há a liberação
de NH3, porém, há a produção
de teores quantitativos de CO2.
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• Reação com 1-flúor-2,4-dinitrobenzeno (FDNB)
Em solução levemente alcalina, o FDNB reage com os α-aminoácidos para produzir
derivado do 2,4-dinitrofenil de cor amarela.
NO 2
+
F
FDNB
NO 2
R
C
NO 2
HF
H
COOH
NH 2
α - aminoácido
NH
H
C
NO 2
R
COOH
2,4-dinitrofenil-aminoácido
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Ligação peptídica (ou ligação amida)
R1
H2 N
C
H
α
C
OH
+
H
H
R2
N
C
||
O
α
H2 O
COOH
R1
H2 N
H
C
α
H
C
H
R2
N
C
||
O
α
COOH
H
ligação p ep tídica
H
Cα
C
||
O
N
Cα
Os carbonos α de dois aminoácidos adjacentes e os átomos dos
grupamentos que participam da ligação peptídica - a unidade
peptídica - estão todos em um mesmo plano.
O polímero formado pelo encadeamento de aminoácidos é constituído por unidades
planares - unidades peptídicas - unidas entre si por uma articulação flexível – o carbono α.
Os oligômeros de aminoácidos são denominados peptídeos
2 resíduos de aminoácidos: dipeptídeo
3 resíduos de aminoácidos: tripeptídeo
4 resíduos de aminoácidos: tetrapeptídeo, etc.
Cadeia polipeptídica ou cadeia peptídica é uma seqüência de mais de dois resíduos de
aminoácidos.
A seqüência dos aminoácidos na cadeia peptídica é denominada de estrutura primária.
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Peptídeo
a) Os quatro átomos dos
grupamentos envolvidos na
ligação peptídica (em vermelho)
se dispõem em um plano. A
unidade peptídica está
representada por um retângulo.
b) As unidades peptídicas podem se
movimentar umas em relação às
outras. É possível uma rotação
(indicada pelas setas) em torno
das ligações com o carbono α.
c) A cadeia polipeptídica consiste
em um arranjo flexível de
unidades planas, as unidades
peptídicas, conectadas por uma
articulação, o carbono α. As
cadeias laterais dos aminoácidos
estão representadas.
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Ligação peptídica (ou ligação amida)
4 resíduos de aminoácidos: tetrapeptídeo
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O que diferencia um peptídeo de uma proteína?
Muitos autores se baseiam na dimensão da estrutura, em termos do número de resíduos
de aminoácidos. Por exemplo:
n < 80 a 100 aminoácidos ⇒ cadeia peptídica
n > 80 a 100 aminoácidos ⇒ cadeia protéica
Entretanto a distinção entre peptídeo e proteína deve se basear nas respectivas funções
biológicas.
Nomenclatura de peptídeos
As cadeias peptídicas são nomeadas da extremidade amino terminal (ou N-terminal) para
a extremidade carboxila terminal (ou C-terminal).
N- terminal
+
H3N
H
C
C
H
N
C
O
CH2
CH2
CH 2
-
C
H
H
N
C
C
H
O
||
||
CH2
COO
H
O
||
H
H
N
C
C
||
CH 2 O
OH
H
H
N
C
C- terminal
COO
-
H-C OH
CH3
CH2
CH 2
NH 3+
GLU -LYS- GLI-SER-THR
(Glutamil lisil glicil seril treonina)
• Não há possibilidade de
ionização do grupamento que
faz parte da ligação peptídica
• Os grupos amina e carboxila
terminais e os grupos
ionizáveis das cadeias laterais
(grupos R) são os responsáveis
pelas propriedades ácidobásicas dos peptídeos.
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Hidrólise das ligações peptídicas
Hidrólise total: por fervura
com ácido ou base forte ocorre
a hidrólise de todas as ligações
peptídicas.
Hidrólise seletiva: por certas
enzimas proteolíticas.
A hidrólise ocorre nas ligações
peptídicas de aminoácidos
específicos.
Enzimas proteolíticas
• Tripsina - hidrolisa apenas as ligações peptídicas cujo grupo carboxila pertence a um
resíduo de lisina ou arginina.
• Quimotripsina - hidrolisa apenas ligações peptídicas cujo grupo carboxila pertence
a um resíduo de fenilalanina, triptofano ou tirosina.
• Pepsina - hidrolisa apenas as ligações peptídicas cujo grupo amino pertence a um
resíduo de fenilalanina, triptofano, tirosina.
• Termolisina - hidrolisa apenas as ligações peptídicas cujo grupo amino pertence a um
resíduo de leucina, isoleucina ou valina.
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Método químico seletivo
• Brometo de cianogênio - hidrolisa apenas ligações peptídicas cujo grupo carboxila
pertence a um resíduo de metionina.
Exemplo de peptídeo hidrolisado por diferentes proteases
Tyr - Lys - Glu - Met - Leu - Gly - Arg - Ala - Gly
Tripsina (3 fragmentos)
Tyr – Lys // Glu - Met - Leu - Gly – Arg // Ala – Gly
Quimotripsina (2 fragmentos) Tyr // Lys - Glu - Met - Leu - Gly - Arg - Ala – Gly
Termolisina (2 fragmentos)
Tyr - Lys - Glu – Met //
Leu - Gly - Arg - Ala - Gly
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Determinação da seqüência de aminoácidos nos fragmentos de peptídeos
Reação com fenilisotiocianato (Reagente de Edman)
Método de degradação de
Edman, conduzido em meio
levemente alcalino, marca e
remova o resíduo N-terminal
de peptídeos, deixando
intactas as outras ligações
peptídicas.
Após a remoção e
identificação, por
cromatografia, do resíduo
N-terminal, o novo resíduo
N-terminal exposto pode ser
marcado e removido pela
repetição da mesma reação.
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Arranjo tridimensional das cadeias polipeptídicas
Configuração
Arranjo espacial de uma molécula orgânica que é conferido pela presença de:
Dupla ligação: ao redor das quais não há liberdade de rotação, o que determina as
configurações cis-trans.
HOOC
H
H
C=C
COOH
H
HOOC
Ácido fumárico (trans)
H
C=C
COOH
Ácido maléico (cis)
Centro quiral: ao redor do qual os grupos substituídos estão arranjados em uma
seqüência determinada (configuração L ou D)
COOH
|
H2 N - C - H
|
CH3
L - alanina
COOH
|
H - C - NH2
|
CH3
D - alanina
Para passar de uma configuração para a outra é
necessário que ocorra um rompimento de ligação.
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Conformação
Arranjo espacial de grupos substituídos em moléculas orgânicas que podem assumir
várias posições espaciais, sem o rompimento de ligações devido à liberdade de rotação ao
redor de ligações simples carbono-carbono.
Exemplo: etano
H
H
H
H
H
C
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
HH C
C
H
H
H
H
Forma escalonada
H
C
Forma eclipsada
H