2 Aminoácidos e Proteínas

As proteínas, além de constituírem o componente celular mais abundante, são as biomoléculas mais diversificadas quanto a forma e função. São o componente principal, ou único, de estruturas tão diferentes quanto a clara dos ovos, os cascos e chifres, a pele e o cabelo, o bico e as penas das aves. As funções que desempenham são estruturais e dinâmicas. Fazem parte de todas as membranas e organelas celulares, do citoesqueleto e da matriz extracelular. Participam de quase todos os processos biológicos, já que incluem as enzimas, catalisadores das milhares de reações químicas que ocorrem nos organismos. Outra função dinâmica das proteínas é o transporte de moléculas (oxigênio, lipídios etc.) e íons pelo plasma e a transferência destes compostos através das membranas. Os mecanismos de defesa do organismo incluem diversas proteínas, como as imunoglobulinas e o interferon, que atuam no combate a infecções bacterianas e virais. Muitas proteínas participam do controle global do metabolismo, devido à sua ação hormonal, como é o caso da insulina e do glucagon. São também responsáveis por mecanismos contráteis, sendo de particular importância a actina e a miosina, que atuam na contração muscular. Até mesmo a atividade dos genes é controlada por proteínas: proteínas reguladoras ligam-se ao DNA em sítios específicos, localizados próximo às extremidades dos genes, sinalizando o início e o término corretos da transcrição. Estas proteínas são capazes de reconhecer, no genoma de mamíferos, o sítio regulador de um determinado gene, dentre dezenas de milhares de genes diferentes.

2.1 Aminoácidos componentes de proteínas

As proteínas são polímeros de aminoácidos

Apesar de apresentarem estruturas e funções tão variadas, as proteínas são sintetizadas a partir de apenas 20 aminoácidos diferentes. Ainda que o número dos monômeros precursores pareça pequeno, as possibilidades de existirem proteínas distintas são espantosamente grandes. Considerando-se a formação de proteínas hipotéticas contendo somente 20 aminoácidos, um de cada tipo, poderiam ser obtidas 2,4 × 1018 moléculas diferentes! Como as proteínas são compostas por centenas de aminoácidos, cada um deles podendo estar representado mais de uma vez, a possibilidade de construção de moléculas diferentes é praticamente infinita.

Os aminoácidos diferem entre si pela cadeia lateral

Aminoácidos são compostos que apresentam, na sua molécula, um grupo amino (− NH2) e um grupo carboxila (– COOH). Entre os aminoácidos que compõem as proteínas, a única exceção é a prolina, que contém um grupo imino (– NH –) no lugar do grupo amino, sendo a rigor um iminoácido. Em pH fisiológico, esses grupos estão na forma ionizada: – NH +, – COO− e – NH +. Os aminoácidos têm uma fórmula básica comum, 3 2

com os grupos amino e carboxila ligados ao carbono α, ao qual também se liga um átomo de hidrogênio e um grupo variável chamado cadeia lateral ou grupo R:

As propriedades das cadeias laterais dos aminoácidos — principalmente a afinidade pela água — são importantes para a conformação das proteínas e, portanto, para sua função. De acordo com a polaridade do grupo R, os aminoácidos são classificados em duas grandes categorias: aminoácidos apolares (grupo R hidrofóbico) e aminoácidos polares (grupo R hidrofílico)

(Figura 2.1).

Figura 2.1 Estrutura e classificação dos aminoácidos.

Os aminoácidos apolares têm grupos R com caráter de hidrocarboneto, que não interagem com a água; por isso, frequentemente localizam-se no interior da molécula proteica. Pertencem a este grupo: glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina, prolina, fenilalanina e triptofano.

Os aminoácidos polares têm, nas cadeias laterais, grupos com carga elétrica líquida ou grupos com cargas residuais, que os capacitam a interagir com a água. São geralmente encontrados na superfície da molécula proteica. Estes aminoácidos são subdivididos em três categorias, segundo a carga apresentada pelo grupo R em pH 7: aminoácidos básicos, se a carga for positiva; aminoácidos ácidos, se a carga for negativa; e aminoácidos polares sem carga, se a cadeia lateral não apresentar carga líquida.

Os aminoácidos básicos são lisina, arginina e histidina. O valor de pKa do grupo ionizável presente na cadeia lateral da lisina (amino, com pK = a 10,54) e da arginina (guanidino, com pKa = 12,48) mostra que, em pH

neutro, esses grupos estão protonados e com carga positiva (Tabela 2.1). A cadeia lateral da histidina (grupo imidazólico, com pK a = 6,04) está muito menos ionizada em pH 7; como o valor de seu pK a está uma unidade abaixo deste pH, apenas 10% das moléculas de histidina estarão com o grupo R

protonado (ver a equação de Henderson-Hasselbalch, Seção 1.3) e com carga positiva.

Os aminoácidos ácidos são os dicarboxílicos: aspartato e glutamato. Os valores de pK a das carboxilas de suas cadeias laterais são 3,90 e 4,07, respectivamente, e em pH neutro, estão desprotonadas e com carga negativa.

Os aminoácidos polares sem carga são serina, treonina e tirosina, com um grupo hidroxila na cadeia lateral; asparagina e glutamina, com um grupo amida; e cisteína, com um grupo sulfidrila. Em pH neutro, o grupo sulfidrila da cadeia lateral da cisteína (pK = 8,37) está predominantemente a protonado, sem carga; assim também se encontra o grupo fenólico da tirosina (pK a = 10,46).

O valor do pK de um grupo ionizável é determinado pela estrutura da a

molécula da qual faz parte, mas sofre influência de grupos adjacentes. Por isto, um mesmo grupo pode apresentar valores diferentes de pK a

dependendo da região da proteína em que se encontra. A Tabela 2.1 apresenta os valores mais usuais de pK que os aminoácidos podem a apresentar quando estão unidos, formando proteínas.

Tabela 2.1 Valores de pK a dos aminoácidos livres (em solução aquosa) ou incorporados

em proteínas (carboxila e amino terminais e grupos R).

Aminoácidos – + pK ( α – COO ) pK ( α – NH) pKR(grupo R) 1 2 3

livres

Glicina 2,35 9,78

Alanina 2,35 9,87

Valina 2,29 9,74

Leucina 2,33 9,74

Isoleucina 2,32 9,76

Metionina 2,13 9,28

Prolina 1,95 10,64

Fenilalanina 2,20 9,31

Triptofano 2,46 9,41

Serina 2,19 9,21

Treonina 2,09 9,10 Aminoácidos em proteínas

Asparagina – + 2,14 8,72 COO terminal NH Grupos R 3

terminal

Glutamina 2,17 9,13 3,5–4,0 7,6–9,0

Cisteína 1,92 10,70 8,37 8,0–9,0

Tirosina 2,20 9,21 10,46 9,5–10,5

Lisina 2,16 9,06 10,54 9,5–10,5

Arginina 1,82 8,99 12,48 11,5–12,5

Histidina 1,80 9,33 6,04 6,0–7,4

Aspartato 1,99 9,90 3,90 4,0–5,5

Glutamato 2,10 9,47 4,07 4,0–5,5

As proteínas são formadas por L-aminoácidos

O carbono α de todos os aminoácidos, com exceção da glicina, é assimétrico, já que está ligado a quatro grupos diferentes: – NH +, – COO−, 3 – H e – R. Na glicina, este carbono não é assimétrico porque o grupo R é constituído por – H. Os aminoácidos com carbono α assimétrico apresentam dois isômeros opticamente ativos, os isômeros D e L, que são imagens

especulares um do outro (Figura 2.2). Todas as proteínas encontradas nos seres vivos são formadas por L-aminoácidos. Os D-aminoácidos aparecem somente em certos antibióticos e em peptídios componentes da parede de algumas bactérias. Os aminoácidos com configuração D, assim como outros aminoácidos exóticos encontrados nas células, são formados por modificações dos 20 aminoácidos proteicos ou são produtos intermediários das vias de síntese destes compostos.