Aminoácidos e Peptídeos Sergio A. Yoshioka I. AMINOÁCIDOS E PROTEÍNAS.

Aminoácidos e Aminoácidos e PeptídeosPeptídeos

Sergio A. Yoshioka

I. AMINOÁCIDOS E PROTEÍNASI. AMINOÁCIDOS E PROTEÍNAS

Reflexões IReflexões I

Reflexões IIReflexões II

Reflexões IIIReflexões III

AminoácidosAminoácidos• Aminoácido: Aminoácido: um composto orgânico que contém ambos

um grupo amino e um ácido:• -Aminoácido-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 zwitterion (sal interno, anfótero)

R-CH-COHNH2

R-CH-CO-

NH3+

unionizedform

zwitterion

O O

Propriedades dos AminoácidosPropriedades dos Aminoácidos

• Ponto de fusão: Ponto de fusão: baixo em comparação aos sais inorgânicos, geralmente ocorre decomposição do a.a. antes da sua fusão;

• SolubilidadeSolubilidade: solúveis em água, dependendo da sua cadeia lateral;

• Reatividade: 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.Isomeria ótica e desvio do ângulo de luz polarizada.

Quiralidade dos AminoácidosQuiralidade 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

H NH3+

COO-

CH3

+H3N HCOO-

CH3D-Alanine L-Alanine

(Fischer projections)

Quiralidade dos AminoácidosQuiralidade dos Aminoácidos• Comparação da estereoquímica da alanina e

gliceraldeído (fórmulas de projeção de Fischer)

H NH3+

COO-

CH3

+H3N HCOO-

CH3D-Alanine L-Alanine

H OHCHO

CH2OHHO H

CHO

CH2OHD-Glyceraldehyde L-Glyceraldehyde

the naturally occurring form

the naturally occurring form

(Pro)(Asn) (Gln)

(Ser) (Pro)

(Leu)

(Ala)(Gly)(Val)

(Ile)(Met)

(Phe) (Tyr) (Trp)

(Lys) (Arg) (His)

(Asp) (Glu)

20 AA derivados de Proteínas20 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 éum 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 IncomunsAminoácidos Incomuns

• Cada exemplo é derivado de um aminoácido comum pela modificação mostrado colorido:

• hidroxilisina e hidroxiprolina são encontradas somente em poucos tecidos conectivos tais como o colágeno;

• tiroxina é encontrada somente na glândula tireóide

+H3N

NH3+

COO-OH

Hydroxylysine

N COO-

HO

HHHydroxyproline

NH3+

COO-O

II

I

HO

IThyroxine

+

Prolina um aminoácido muito “especial”Prolina um aminoácido muito “especial”

Espectroscopia no ultravioletaEspectroscopia no ultravioleta

Quantificação de proteínas por expectrofotometria no UV

Ionização de AminoácidosIonização de Aminoácidos

+H3N COOH pKa = 2.34+H3N COO- H2N COO-

pKa = 9.69

+1 charge 0 charge -1 charge

Isoelectric zwitterion

+H3N COOH+2 charge

NNH

H

pKa = 1.82+H3N COO-

+1 charge

NNH

H

pKa = 6.04

+H3N COO-0 charge

NNH

pKa = 9.17H2N COO--1 charge

NNH

Isoelectric zwitterion

+ +

Titulação da alanina com NaOHTitulação da alanina com NaOH

Acidez: Grupos Acidez: Grupos -COOH-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 +

pKa = 2,19

NH3+NH3

+RCHCOO-RCHCOOH H3O

+H2O+

Acidez: Grupos Acidez: Grupos -NH-NH33++

• O valor médio de pKa para um grupo -NH3+ é 9,47,

comparado com o valor de 10,76 para um íon alquilamônio secundário

+pKa = 9.47

NH3+ NH2

RCHCOO- RCHCOO-+ H2O H3O+

pKa = 10.76

NH3+ NH2

CH3CHCH3 CH3CHCH3 + H3O++ H2O

Basicidade: Grupo GuanidinoBasicidade: 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:

+

pKa = 12.48

CNH2

+

CRNHNH2

+

NH2

NH2

RNH CRNHNH2

NH2

CRNNH2

NH2+ H3O+H2O :

:

:

::

:

:

:

Basicidade: Grupo ImidazolBasicidade: Grupo Imidazol• O grupo imidazol na cadeia lateral é uma amina

aromática heterocíclica:

+

Este par sozinho não faz parte o

sexteto aromático; é um receptor de

próton

pKa 6,04

NH

NH3+N

HCH2 CHCOO-

NH3+N

HCH2 CHCOO-

N+ H3O+

H2ON

NH

H +

CH2 CHCOO-

NH3+

:

:

::

Ionização vs pHIonização 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:

escrevendo a constante de ionização e rearranjando os termos temos:

[-COOH][-COO-]Ka = [H3O+] = Ka

[-COOH][-COO-]

[H3O+]or

pKa = 2.00COO-COOH + H3O++ H2O

Ionização vs pHIonização 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:

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:

= Ka[-COOH][-COO-]

[H3O+]= 1.00 x 105

1.00 x 10-71.00 x 10-2

=

Ionização vs pHIonização vs pH

escrevendo a constante de ionização e rearranjando temos:[-NH2][-NH3

+] Ka=

[H3O+]

+pKa = 10.00

NH2NH3+ H3O++ H2O

• Substituindo os valores de Ka de um grupo -NH3+ e a

concentração do íon hidrogênio a pH 7,0 temos:

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.

[-NH2][-NH3

+] Ka= [H3O+] = 1.00 x 10-10

1.00 x 10-7= 1.00 x 10-3

Henderson-HasselbalchHenderson-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 Henderson-Hasselbalch

[weak acid][conjugate base]log=pH pKa +

• 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 3.0 pH 7.0 pH 10.0Net charge +1 Net charge 0 Net charge -1

100% 86% 99% 100% 88% 100%

CH2OH CH2OH CH2OHH3 N-CH-C-OH H3 N-CH-C-O- H2 N-CH-C-O-

O O O

pH IsoelétricopH Isoelétrico• pH Isoelétrico, pI: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 = 12 (pKa COOH + pKa NH3+)

= 21 (2.35 + 9.78) = 6.06

pH IsoelétricopH Isoelétrico• o pI do ácido glutâmico???

-COOH

Ka1

2,19

β-COOH

α–NH3

Glu

Ka2

4,25 Ka3

9,67

2,19 4,25 9,67

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

0 0 0 0 0 0+ + + + + + + + + + + + + + + +

10 0 00+ + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

-

pI = 2,19 + 4,25 = 3,5

2

pI 14

+

pKa, pI dos aminoácidos neutrospKa, pI dos aminoácidos neutros

-COOH6,025,415,655,976,026,025,745,486,305,686,535,895,97

pKa dopI

----------------

----------------------------

--------

valina 2,32 9,62triptofano 2,38 9,39

10,432,63treoninaserina 2,21 9,15

10,601,99prolinafenilalanina 1,83 9,13

9,212,28metionina9,682,36leucina

isoleucina 2,36 9,68glicina 2,34 9,60

9,132,17glutamina8,802,02asparagina9,692,34alanina

cadeia lateral

Cadeia lateralpolar e apolar

pKa do pKa da-NH3

+

pKa, pI dos aminoácidos ácidos e básicospKa, pI dos aminoácidos ácidos e básicos

10,76

2,98

5,023,08

7,64

9,74

5,63

pI

10,079,112,20tirosina

lisina 2,18 8,95 10,53

6,109,181,77histidina

Ácido glutâmico 2,10 9,47 4,078,0010,252,05cisteína

Ácido aspártico 2,10 9,82 3,86

arginina 2,01 9,04 12,48

Ácidas

Cadeias LateraisBásicas pI

Cadeias Laterais

-COOHpKa do pKa do

-NH3+

-COOHpKa do pKa do

-NH3+

cadeia lateralpKa da

cadeia lateralpKa da

pH IsoelétricopH Isoelétrico•Proteínas ou aminoácidos

- - - - - - - - - - - - - - - - - His

7,641+ + + + + + + + + + +

pI14

0

Caseína do leite

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

4,601+ + + + + + + +

pI14

0

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 ExóticosAminoácidos Exóticos e e FantasiososFantasiosos

CH2 CH(CH3)3N+ CH2 COO-

OH

Carnitina (4trimetilamino3-hidroxibutirato)

+H3N

NH3+

COO-OH

Hydroxylysine

N COO-

HO

HHHydroxyproline

NH3+

COO-O

II

I

HO

IThyroxine

+

PolipeptídeosPolipeptídeos• 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:Ligação peptídica: nome especial dado as ligações amídicas entre os grupos -carboxílico de um aminoácido e um -amino de outro aminoácido.

Serilalanina (Ser-Ala)Serilalanina (Ser-Ala)

+

Alanine (Ala)Serine (Ser)

H3NO-

HHOH2C

O

H3N O-

H CH3

OH3N N

HHOH2C

O H CH3

OO-

H+

+ +

peptide bond

Serylalanine (Ser-Ala)

PeptídeosPeptídeos• peptídeopeptídeo: o nome dado para um pequeno polímero de

aminoácidos unidos por ligações peptídicas:

• dipeptídeodipeptídeo: uma molécula contendo dois aminoácidos unidos pela ligação peptídica;

• tripeptídeotripeptídeo: uma molécula contendo três aminoácidos unidos pelas ligações peptídicas;

• polipeptídeopolipeptídeo: uma molécula contendo muitos aminoácidos unidos pelas ligações peptídicas

• proteínaproteína: uma macromolécula biológica de massa molecular de 5000 g/mol ou mais, consistindo de uma ou mais cadeias polipeptídicas.

Escrevendo PeptídeosEscrevendo 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.

+H3N

OH

NH O

HN O-

OO C-terminalamino acid

N-terminalamino acid

Ser-Met-Asn O

NH2

Speptidebonds

Alguns Peptídeos PequenosAlguns Peptídeos Pequenos

-Alanyl-L-histidine (Carnosine)

L-Aspartyl-L-phenylalanine methyl ester(Aspartame)

H3N-CH-C-NH-CH-C-OCH3

O

CH2CH2C6H5COO-

O+H3N-CH2-CH2-C-NH-CH-COO-

O

CH2

NNH

+

GlutationaGlutationa

Glutathione, GSH(reduced form)

Glutathione, GS-SG(oxidized form)

2e- oxidation

2e- reduction

A disulfide bond

O O

HN

NH3+

-O

SH

NH O

OO-

O O

HN

NH3+

-O

S

NH O

OO-

O O

NHNH3

+-O

SHN

O

OO-

EncefalinasEncefalinas

Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu = Y-G-G-F-LLeucine enkephalin

Tyr-Gly-Gly-Phe-Met = Y-G-G-F-MMethionine enkephalin

Oxitocina & VasopressinaOxitocina & Vasopressina

H3N-Cys-Tyr-IleS GlnS

Pro-Leu-Gly-C-NH2

O

+

Oxytocin

Cys-Asn

H3N-Cys-Tyr-PheS GlnS

Pro-Arg-Gly-C-NH2

O

+

Cys-Asn

Vasopressin

Fenilcetonúria (PKU)Fenilcetonúria (PKU)

NH 3+

COO -

fenilalaninaO

COO -

Fenilpiruvato(fenilcetona)

transaminação redução

OH

COO -

Fenilactato

COO -Descarboxilação oxidativa + CO 2

Fenilacetate

NH 3+

COO -

TirosinaHO

Oxidação

A deficiência da enzima que catalisa esta reação leva o

acúmulo da fenipiruvato