As proteínas medeiam praticamente todos os processos que ocorrem numa célula, sendo estas as macromoléculas biológicas mais abundantes na Natureza.
Todas as proteínas são construídas a partir de um mesmo conjunto de 20 aminoácidos, covalentemente ligados segundo sequências lineares características. A partir deste conjunto de moléculas, diferentes organismos conseguem produzir uma vasta gama de compostos como enzimas, hormonas, anticorpos, proteínas transportadoras, penas, teias de aranha, antibióticos e muitas outras moléculas com funções biológicas características e específicas.
As proteínas são polímeros de aminoácidos, em que cada resíduo de aminoácido se encontra ligado ao seu resíduo vizinho por um tipo específico de ligação covalente. (O termo “resíduo” reflecte a perda de moléculas de água quando um aminoácido se liga a um outro.) As proteínas podem ser quebradas (hidrolisadas), originando os aminoácidos constituintes. São vinte os aminoácidos que intervêm na síntese proteica, sendo por isso denominados de aminoácidos proteogénicos.
Todos os aminoácidos usados na síntese proteica são α-aminoácidos. Estes possuem um grupo carboxilo (-COOH) e um grupo amina (-NH2), ambos ligados ao mesmo átomo de carbono – o carbono α. A única coisa que diverge de aminoácido para aminoácido é a sua cadeia lateral, ou grupos R, que podem diferir em tamanho, na estrutura, na carga eléctrica e na solubilidade da molécula em água. Além destes vinte aminoácidos, existem muitos outros, menos comuns. Alguns destes são resíduos modificados depois da proteína ter sido sintetizada; outros estão presentes nos organismos, mas não fazem parte das estruturas proteicas.
estrutura geral de um aminoácido
Wikimedia commons
Em todos os aminoácidos (excepto a glicina), o carbono α encontra-se ligado a quatro grupos diferentes: um grupo carboxilo, um grupo amina, um grupo R e um átomo de hidrogénio. O átomo de carbono α é, portanto, um centro quiral (diferentes grupos podem ocupar posições espaciais diferentes, dando origem a diferentes estereoisómeros). Estes quatro grupos estão dispostos em torno do carbono central segundo uma geometria tetraédrica (o carbono α dispõe as suas quatro orbitais sp3 segundo uma geometria tetraédrica para minimizar as repulsões entre os grupos a que está covalentemente ligado), pelo que só existem duas combinações possíveis para as suas posições espaciais, podendo por isso originar dois enantiómeros (segundo o sistema D,L de nomenclatura). Para se identificar se o enantiómeros em questão é o L-aminoácido ou o D-aminoácido, basta dispor a molécula segundo a projecção de Fischer, de forma a que o grupo carboxilo fique voltado para cima. Se o grupo amina ficar voltado para a esquerda, trata-se do L-aminoácido. Caso, pelo contrário, o grupo amina fique voltado para a direita, então o composto é o D-aminoácido.
Estereoisómeros da alanina segundo a projecção de Fischer
Strokbio
Quase todas as moléculas com centros quirais encontram-se presentes na Natureza na forma de apenas numa forma de estereoisómero. Os aminoácidos presentes nas proteínas são exclusivamente L-estereoisómeros. No entanto existem determinadas moléculas, como certos antibióticos e alguns constituintes das paredes celulares bacterianas, que possuem D-estereoisómeros.
Um dos pontos-chave para a bioquímica é o conhecimento das propriedades químicas dos aminoácidos. Para isso, os α-aminoácidos proteogénicos são divididos em classes de acordo com as propriedades dos seus grupos R, em particular a sua polaridade, ou a tendência que este tem em reagir com a água a pH fisiológico (aproximadamente 7,0). Uma destas classes é a dos aminoácidos com grupos R apolares alifáticos, ou seja, os aminoácidos que possuem cadeias laterais hidrofóbicas. Fazem parte desta classe a alanina, a valina, a leucina e a isoleucina, cujos grupos R tendem a aglomerar-se de forma a que as suas interacções com a água sejam o menor possíveis, estabilizando a estrutura das proteínas através das interacções hidrofóbicas. A glicina é também um aminoácido pertencente desta classe. Embora esta tenha maior tendência a associar-se aos aminoácidos apolares, a sua cadeia lateral, dado o seu tamanho muito reduzido, não contribui quase nada para as interações hidrofóbicas. A metionina, um dos dois aminoácidos que possui um átomo de enxofre, é também pertencente a esta classe, devido ao grupo tio-éter presente na cadeia lateral. A prolina é um aminoácido com uma cadeia lateral apolar alifática muito distinta, uma vez que é o único aminoácido proteogénico que possui uma estrutura cíclica como cadeia lateral.
Outra classe é a dos aminoácidos com grupos R aromáticos, sendo estes a tirosina, a fenilalanina e o triptofano. Estes aminoácidos possuem cadeias laterais com estruturas aromáticas, relativamente apolares (hidrofóbicas), sendo a fenilalanina o mais apolar dos três. Estes três aminoácidos (mais a tirosina e o triptofano e a tirosina do que a fenilalanina) absorvem radiação ultravioleta (UV) na ordem dos 280 nm, sendo esta propriedade muito explorada na quantificação e na caracterização das proteínas.
Existem também os aminoácidos com grupos R polares electricamente neutros (sem carga). As cadeias laterais deste aminoácidos são mais solúveis em água, ou mais hidrofílicas, que as dos aminoácidos com grupos R apolares, uma vez que possuem grupos funcionais que estabelecem interacções por pontes de hidrogénio com a água. Esta classe inclui os aminoácidos serina, treonina, cisteína (o segundo aminoácido com um átomo de enxofre na cadeia lateral), asparagina e glutamina. A polaridade da serina e da treonina deve-se aos seus grupos hidroxilo; no caso da cisteína, o seu grupo sulfidril funciona como ácido fraco e consegue realizar pontes de hidrogénio com átomos de oxigénio ou azoto; a polaridade da asparagina e da glutamina deve-se aos seus grupos amida.
A asparagina e a glutamina correspondem a amidas de duplos outros aminoácidos – aspartato e glutamato, respectivamente. A cisteína pode ser oxidada, formando ligações covalentes dissulfureto, originando dímeros cistina. Estas pontes dissulfureto são fortemente hidrofôbicas, desempenhando um papel importante na estrutura de muitas proteínas.
Uma outra classe de aminoácidos é a dos aminoácidos com grupos R polares positivamente carregados. Os aminoácidos que apresentam carga positiva a pH 7,0 são a lisina, que possui um segundo grupo amina na sua cadeia alifática lateral, a arginina, que possui um grupo guanidínio positivamente carregado e a histidina, que possui um grupo aromático imidazole. Sendo o único aminoácido que possui uma cadeia lateral ionizável com um pKa próximo de do pH neutro, a histidina pode apresentar-se a pH 7,0 com carga positiva, ou na sua forma desprotonada, pelo que desempenham um papel fundamental em reacções catalisadas enzimaticamente, servindo como dadores / aceitadores de protões.
Existem ainda a classe dos aminoácidos polares negativamente carregados, que inclui dois aminoácidos que possuem um segundo grupo ácido carboxílico e que apresentam uma carga negativa a pH 7,0: o aspartato (ácido aspártico) e o glutamato (ácido glutâmico).
Aminoácidos proteogénicos divididos em classes segundo as propriedades químicas da cadeia lateral
Lehninger Principles of Biochemistry
O pKa é uma medida correspondente à tendência com que um grupo cede um protão, pelo que, quanto menor for o seu valor, mais ácido é esse grupo. Quando um composto, que possui um grupo com carácter ácido-base, se encontra num meio cujo pH é igual ou superior ao pKa desse grupo, então este vai encontrar-se desprotonado. Se, por sua vez, o pH do meio for inferior ao pKa desse grupo, o composto vai encontrar-se protonado.
Propriedades ácido-base dos aminoácidos
periodni.com
O grupo amina e o grupo carboxilo, bem como alguns grupos ionizáveis das cadeias laterais, funcionam como ácidos e/ou bases fracas. Quando um aminoácido, que não possui um grupo R ionizável, se encontra dissolvido em água a pH neutro, este apresenta-se na solução sob a forma de um ião dipolar – um zwitterião – que pode atuar como ácido, ou como base, sendo por isso um composto anfotérico. Um α-aminoácido com apenas um grupo carboxilo e apenas um grupo amina é um ácido diprótico quando totalmente protonado, uma vez que tanto o grupo -COOH como o grupo -NH3+ podem atuar como dadores de protões. Da mesma forma, quando totalmente desprotonado, este pode atuar como a base conjugada de um ácido diprótico, podendo aceitar protões, tanto pelo grupo -COO-, como pelo grupo -NH2. A forma como o aminácido se apresenta depende do pH do meio em que este se encontra. O pH característico em que a carga global de um aminoácido é nula corresponde ao seu pto isoelétrico, pI. No caso dos aminoácidos que possuem grupos R não ionizáveis, o seu pI é igual à média aritmética dos valores de pKa do grupo amina e do grupo ácido carboxílico, que não variam muito de aminoácido para aminoácido (essas variações devem-se às influências induzidas pelas cadeias laterais). Aminoácidos que possuem grupos R ionizáveis possuem três valores de pKa. Nestes casos o pI reflete a natureza do grupo ionizável presente na cadeia lateral: se o grupo da cadeia lateral tiver carácter acídico, então o pI será igual à média entre o pKa deste grupo e o pKa do ácido carboxílico; se o grupo da cadeia lateral tiver carácter básico, então o pto isoelétrico é igual à média entre o pKa deste grupo e o pKa do grupo amina.
Em condições fisiológicas, o ponto isoeléctrico é uma das propriedades químicas fundamentais para as funções que determinados aminoácidos desempenham a nível celular.
Fonte: David L. Nelson, Michael M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 5ª ed.; W. H. Freeman and Company; New York; pp. 71-81