No início deste capítulo, um famoso experimento foi descrito, em que cientistas aminoácidos sintetizados sob condições de simular os presentes na terra muito antes da evolução da vida como a conhecemos. Estes compostos são capazes de unir-se em praticamente qualquer número, produzindo moléculas de qualquer tamanho que possuem uma grande variedade de propriedades físicas e químicas e realizam numerosas funções vitais para todos os organismos. As moléculas derivadas de aminoácidos podem funcionar como componentes estruturais das células e entidades subcelulares, como fontes de nutrientes, como reservatórios de armazenamento de átomos e energia, e como espécies funcionais como hormônios, enzimas, receptores e moléculas de transporte.

Aminoácidos e ligações Peptídicas

Figura 1.

Um aminoácido é uma molécula orgânica, na qual um átomo de hidrogênio, um grupo carboxilo (–COOH) e um grupo amino (–NH2) são todos ligados ao mesmo átomo de carbono, chamado α de carbono. O quarto grupo ligado ao carbono α varia entre os diferentes aminoácidos e é chamado de um resíduo ou uma cadeia lateral, representados em fórmulas estruturais pela letra R. Um resíduo é um monômero que resulta quando dois ou mais aminoácidos se combinam e remover moléculas de água. A estrutura primária de uma proteína, uma cadeia peptídica, é feita de resíduos de aminoácidos. As características únicas dos grupos funcionais e grupos R permitem que estes componentes dos aminoácidos formem ligações hidrogênio, iônico e dissulfeto, juntamente com interações polares/não-polares necessárias para formar estruturas proteicas secundárias, terciárias e quaternárias. Estes grupos são compostos principalmente de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e enxofre, na forma de hidrocarbonetos, ácidos, amidas, álcoois e aminas. Na Figura 1 são apresentados alguns exemplos que ilustram estas possibilidades.os aminoácidos podem ligar-se quimicamente por reacção do grupo de ácido carboxílico de uma molécula ao grupo de aminas de outra. Esta reação forma uma ligação peptídica e uma molécula de água e é outro exemplo de síntese de desidratação (Figura 2). Moléculas formadas por ligar quimicamente números relativamente modestos de aminoácidos (aproximadamente 50 ou menos) são chamados peptídeos, e prefixos são frequentemente usados para especificar estes números: dipeptídeos (dois aminoácidos), tripeptídeos (três aminoácidos), e assim por diante. De um modo mais geral, designa-se o número aproximado de aminoácidos: os oligopeptídeos são formados pela junção de até aproximadamente 20 aminoácidos, enquanto que os polipeptídeos são sintetizados a partir de até aproximadamente 50 aminoácidos. Quando o número de aminoácidos ligados entre si se torna muito grande, ou quando múltiplos polipeptídeos são usados como subunidades de construção, as macromoléculas que resultam são chamadas proteínas. O comprimento continuamente variável (o número de monômeros) destes biopolímeros, juntamente com a variedade de possíveis grupos R em cada aminoácido, permite uma diversidade quase ilimitada nos tipos de proteínas que podem ser formadas.

Figura 2. A formação de ligação peptídica é uma reacção de síntese de desidratação. O grupo carboxilo do primeiro aminoácido (alanina) Está ligado ao aminoácido do segundo aminoácido (alanina). No processo, uma molécula de água é liberada.

estrutura proteica

o tamanho (comprimento) e a sequência específica de aminoácidos de uma proteína são determinantes importantes da sua forma, e a forma de uma proteína é fundamental para a sua função. Por exemplo, no processo de fixação biológica do nitrogênio (ver Ciclos Biogeoquímicos), os microrganismos do solo conhecidos coletivamente como rhizobia interagem simbioticamente com raízes de plantas de leguminosas como soja, amendoim ou feijão para formar uma nova estrutura chamada um nódulo nas raízes da planta. A planta então produz uma proteína portadora chamada leighemoglobina, uma proteína que carrega nitrogênio ou oxigênio. A leigemoglobina liga-se com uma afinidade muito elevada ao seu substrato oxigénio numa região específica da proteína onde a forma e sequência de aminoácidos são apropriadas (o local activo). Se a forma ou o ambiente químico do local activo for alterado, mesmo ligeiramente, o substrato pode não ser capaz de se ligar tão fortemente, ou pode não se ligar de todo. Assim, para que a proteína esteja totalmente ativa, ela deve ter a forma apropriada para sua função.

A estrutura proteica é categorizada em termos de quatro níveis: primário, secundário, terciário e quaternário. A estrutura primária é simplesmente a sequência de aminoácidos que compõem a cadeia polipeptídica. A figura 3 mostra a estrutura primária de uma proteína.

Figura 3. Clique para ver uma imagem maior. A estrutura primária de uma proteína é a sequência de aminoácidos. (crédito: modificação de trabalho Nacional Genoma Humano do Instituto de Pesquisa)

A cadeia de aminoácidos, o que define uma proteína primária de estrutura não é rígida, mas em vez disso, é flexível, porque a natureza dos laços que prendem os aminoácidos juntos. Quando a cadeia é suficientemente longa, a ligação do hidrogénio pode ocorrer entre os grupos funcionais Amina e carbonil dentro da coluna vertebral do péptido (excluindo o grupo lateral R), resultando na dobragem localizada da cadeia polipeptídica em hélices e folhas. Estas formas constituem a estrutura secundária de uma proteína. As estruturas secundárias mais comuns são a α-hélice e a folha β-plissada. Na estrutura da α-hélice, a hélice é mantida por ligações de hidrogênio entre o átomo de oxigênio em um grupo carbonila de um aminoácido e o átomo de hidrogênio do grupo amino, que é apenas quatro unidades de aminoácidos ao longo da cadeia. Na folha de β-pleated, as pleats são formadas por ligações de hidrogênio similares entre sequências contínuas de carbonil e grupos amino que são ainda separados na espinha dorsal da cadeia polipeptídica (Figura 4).

Figura 4. A estrutura secundária de uma proteína pode ser uma α-hélice ou uma folha β-pleada, ou ambos.

Figura 5. Clique para ver uma imagem maior. A estrutura terciária das proteínas é determinada por uma variedade de forças atrativas, incluindo interações hidrofóbicas, ligação iônica, ligação de hidrogênio e ligações de dissulfeto.

o próximo nível de organização proteica é a estrutura terciária, que é a forma tridimensional em larga escala de uma única cadeia polipeptídica. A estrutura terciária é determinada por interações entre os resíduos de aminoácidos que estão muito distantes na cadeia. Uma variedade de interações dar origem à proteína de estrutura terciária, como pontes dissulfeto, que são os vínculos entre o sulfhydryl (–SH) grupos funcionais em aminoácidos cadeias laterais; ligações de hidrogénio; iônica obrigações; e interacções hidrofóbicas entre apolar cadeias laterais. Todas essas interações, fracas e fortes, se combinam para determinar a forma tridimensional final da proteína e sua função (Figura 5).

o processo pelo qual uma cadeia polipeptídica assume uma forma tridimensional em grande escala é chamada de dobragem de proteínas. Proteínas dobradas que são totalmente funcionais em seu papel biológico normal são ditas possuir uma estrutura nativa. Quando uma proteína perde a sua forma tridimensional, pode já não ser funcional. Estas proteínas não dobradas são desnaturadas. A desnaturação implica a perda da estrutura secundária e da estrutura terciária (e, se presente, da estrutura quaternária) sem a perda da estrutura primária.algumas proteínas são conjuntos de vários polipeptídeos separados, também conhecidos como subunidades proteicas. Estas proteínas funcionam adequadamente apenas quando todas as subunidades estão presentes e adequadamente configuradas. As interações que mantêm estas subunidades juntas constituem a estrutura quaternária da proteína. A estrutura quaternária Global é estabilizada por interações relativamente fracas. A hemoglobina, por exemplo, tem uma estrutura quaternária de quatro subunidades proteicas globulares: dois α e dois polipeptídeos β, cada um contendo um heme à base de Ferro (Figura 6).

outra classe importante de proteínas é as proteínas conjugadas que têm uma porção não-Proteina. Se a proteína conjugada tem um hidrato de carbono ligado, é chamada glicoproteína. Se tem um lípido ligado, chama-se lipoproteína. Estas proteínas são componentes importantes das membranas. A figura 7 resume os quatro níveis de estrutura proteica.

Figura 7. A estrutura proteica tem quatro níveis de organização. (credit: modification of work by National Human Genome Research Institute)

Think about It

• What can happen if a protein’s primary, secondary, tertiary, or quaternary structure is changed?

Estrutura Primária, Disfuncional Proteínas, e Fibrose Cística

Figura 8. Clique para ver uma imagem maior. A proteína CFTR normal é uma proteína do canal que ajuda o sal (cloreto de sódio) a entrar e sair das células.as proteínas associadas às membranas biológicas são classificadas como extrínsecas ou intrínsecas. As proteínas extrínsecas, também chamadas proteínas periféricas, estão vagamente associadas a um dos lados da membrana. As proteínas intrínsecas, ou proteínas integrais, são incorporadas na membrana e muitas vezes funcionam como parte dos sistemas de transporte como proteínas transmembranares. A fibrose cística (CF) é uma doença genética humana causada por uma mudança na proteína transmembranar. Afeta principalmente os pulmões, mas também pode afetar o pâncreas, fígado, rins e intestino. O CF é causado por uma perda do aminoácido fenilalanina numa fibrose quística da proteína transmembranar (TFTR). A perda de um aminoácido altera a estrutura primária de uma proteína que normalmente ajuda a transportar sal e água para dentro e para fora das células (Figura 8).

a alteração na estrutura primária impede o funcionamento adequado da proteína, o que faz com que o organismo produza muco invulgarmente espesso que entope os pulmões e leva à acumulação de muco pegajoso. O muco obstrui o pâncreas e impede as enzimas naturais de ajudar o corpo a decompor os alimentos e a absorver nutrientes vitais.nos pulmões de indivíduos com fibrose cística, o muco alterado fornece um ambiente onde as bactérias podem prosperar. Esta colonização leva à formação de biofilmes nas pequenas vias aéreas dos pulmões. Os patógenos mais comuns encontrados nos pulmões de doentes com fibrose quística são Pseudomonas aeruginosa (figura 9a) e Burkholderia cepacia. Pseudomonas diferencia-se dentro do biofilme no pulmão e forma grandes colônias, chamadas “mucóides” Pseudomonas. As colônias têm uma pigmentação única que aparece em testes laboratoriais (figura 9b) e fornece aos médicos a primeira pista de que o paciente tem CF (tais colônias são raras em indivíduos saudáveis).

Figura 9. (a) um micrograma de varrimento de electrões mostra a bactéria oportunista Pseudomonas aeruginosa. b) produtor de pigmentos P. aeruginosa em ágar cetrimide mostra o pigmento verde chamado piocianina. (crédito a: modificação do trabalho pelos Centros De Controle e prevenção de doenças)

para mais informações sobre a fibrose cística, visite o site da Fundação para a fibrose cística.

conceitos-chave e resumo

• aminoácidos são moléculas pequenas essenciais para toda a vida. Cada um tem um carbono α Ao qual um átomo de hidrogênio, grupo carboxilo e grupo amina estão ligados. O quarto grupo ligado, representado por R, varia na composição química, Tamanho, polaridade e carga entre diferentes aminoácidos, proporcionando variação nas propriedades.péptidos são polímeros formados pela ligação de aminoácidos através da síntese de desidratação. As ligações entre os aminoácidos ligados são chamadas ligações peptídicas. O número de aminoácidos ligados entre si pode variar de alguns a muitos.as proteínas são polímeros formados pela ligação de um grande número de aminoácidos. Eles realizam muitas funções importantes em uma célula, servindo como nutrientes e enzimas; moléculas de armazenamento para carbono, nitrogênio e energia; e componentes estruturais.
• A estrutura de uma proteína é um determinante crítico de sua função e é descrita por uma classificação graduada: primária, secundária, terciária e quaternária. A estrutura nativa de uma proteína pode ser interrompida pela desnaturação, resultando na perda de sua estrutura de ordem superior e sua função biológica.algumas proteínas são formadas por várias subunidades proteicas separadas, a interação destas subunidades que compõem a estrutura quaternária do complexo proteico.as proteínas conjugadas têm uma porção não polipéptida que pode ser um hidrato de carbono (formando uma glicoproteína) ou uma fracção lipídica (formando uma lipoproteína). Estas proteínas são componentes importantes das membranas.

escolha múltipla

Qual dos seguintes grupos varia entre diferentes aminoácidos?

1. átomo de hidrogênio
2. grupo carboxilo
3. R de grupo
4. grupo amino

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Resposta c. O R de grupo varia entre as diferentes aminoácidos.

Os aminoácidos presentes nas proteínas diferem em qual dos seguintes?

1. tamanho
2. forma
3. grupos laterais
4. todas as opções acima

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Resposta d. Os aminoácidos presentes nas proteínas diferem em todas as opções: tamanho, forma, e grupos laterais.

quais das seguintes ligações não estão envolvidas na estrutura terciária?

1. ligações peptídicas
2. iônica obrigações
3. interações hidrofóbicas
4. ligações de hidrogénio

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Responder a uma. Ligações peptídicas não estão envolvidos na estrutura terciária.

preencher o espaço em branco

a sequência de aminoácidos numa proteína chama-se a sua __________.

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The sequence of amino acids in a protein is called its Primary structure.

__________ e __________ estruturas sem a perda da __________ estrutura.

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a desnaturação implica a perda das estruturas secundárias e terciárias sem a perda da estrutura primária.

Verdadeiro/Falso

uma alteração num aminoácido numa sequência proteica resulta sempre numa perda de função.

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False

Pensar sobre Isso

1. o Aquecimento de uma proteína suficiente, poderá fazer com que desnaturar. Considerando a definição de desnaturação, o que diz esta afirmação sobre as forças das ligações peptídicas em comparação com as ligações de hidrogénio?
2. A imagem mostrada representa um tetrapeptídeo.
   1. quantas ligações peptídicas existem nesta molécula?identifique os grupos laterais dos quatro aminoácidos que compõem este péptido.