Bioquímica ilustrada completa- 3ª ed-parte 1.pdf

Equipe de traduo:

Carla Dalmaz (Caps. 1, 6, 8-10, 19-21, 26 e 33) Doutora em Bioqumica, Professora Adjunta do Departamento de Bioqumica, ICBS

Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

Carlos Alberto Saraiva Gonalves (Caps. 17 e 24) Doutor em Bioqumica, Professor Adjunto do Departamento de Bioqumica, ICBS

Coordenador do Programa de Ps-Graduao em Cincias Biolgicas: Bioqumica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

Carlos Alexandre Sanchez Ferreira (Caps. 29 a 31) Doutor em Bioqumica, UFRGS, Professor Adjunto do Departamento de Cincias Microbiolgicas

Pontifcia Universidade Catlica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

Carmem Gottfried (Caps. 2 e 23) Doutora em Bioqumica, Professora Adjunta do Departamento de Bioqumica, ICBS


Christianne G. Salbego (Caps. 3 a 5) Doutora em Bioqumica, Professora Adjunta do Departamento de Bioqumica, ICBS


Cristina Brinckmann de Oliveira Netto (Caps. 27 e 32) Doutora em Bioqumica, Servio de Gentica Mdica

Hospital de Clnicas de Porto Alegre, RS

Deusa Aparecida Vendite (Cap. 25) Doutora em Bioqumica, Professora Adjunta do Departamento de Bioqumica, ICBS


FtlmaT. Costa Rodrigues Guma (Cap. 18) Doutora em Bioqumica, Professora Adjunta do Departamento de Bioqumica, ICBS

Universidade Federal do Rio Grande do Sul , Porto Alegre, RS

Fernanda Urruth Fontella (Caps. 7 e 28) Farmacutica-Bioqumica, Doutora em Fisiologia pela UFRGS,

Laboratrio Central da Santa Casa de Misericrdia de Porto Alegre, RS

Mrcia Rosngela Wink (Cap. 22) Doutora em Bioqumica, Professora do Departamento de Biofsica, IB


Regina Pessoa Pureur (Cap. 15) Doutora em Bioqumica, Professora Adjunta do Departamento de Bioqumica, ICBS

Universidade Federal do Rio Grande do Sul , Porto Alegre, RS

Regina Maria Vieira da Costa Guaragna (Cap. 16) Doutora em Bioqumica, Professora Adjunta do Departamento de Bioqumica, ICBS


Vera Maria Treis Trindade (Caps. 11 a 14) Doutora em Bioqumica, Professora Adjunta do Departamento de Bioqumica, ICBS


Pamela C. Champe, Ph.D. Department of Biochemistry University of Medicine anel Dentistry of New Jersey -Robert Wood Johnson Medical School Piscataway, New Jersey

Richard A. Harvey, Ph.D. Department of Biochemistry University of Medicine anel Dentistry of New Jersey -Robert Wood Johnson Medical School Piscataway, New Jersey

Denise R. Ferrier, Ph.D. Department of Biochemistry Drexel University College of Medicine Philadelphia, Pennsylvania

2006

Consultoria, superviso e reviso tcnica desta edio:

Carla Dalmaz Doutora em Bioqumica,

Professora Adjunta do Departamento de Bioqumica, ICBS Universidade Federal elo Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

Obra originalmente publicada sob o ttulo Lippincott 11/us trated Revews: Bochemistry, 3/E ISBN 0-7817-2265-9

Esta publicao contm informaes relacionadas a princpios gerais de cuidados mdicos, que no devem ser interpretados como instrues especficas para pacientes individuais. As informaes e os encartes dos fabricantes de produtos mdicos devem ser revistos para informaes atuais, incluindo contra-indicaes, doses e precaues.

2005 Lippincott Williams & Wilkins. Published by arrangement with Lippincott Williams & Wilkins, U.S.A. 2006, Artmed Editora SA

Capa: Mrio Rhnelt

Leitura final: Luana Peixoto, Daniele Cunha

Superviso editorial: Letcia Bispo de Lima

Editorao eletrnica: New Book Editorao Ltda.

C451b Champe, Pamela C.

~Ociil~O Bra.silairn para b Proteo dos Direitos

EditoriaJS c Autcmris

RESPEITE O AUTOR N AO F AA COP IA

www.abpdea org.br

Bioqumica I Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier; traduo Carla Dalmaz ... [et ai.).- 3. ed.- Porto Alegre : Artmed, 2006.

544 p.; 28 cm.

ISBN 85-363-0590-8

1. Bioqumica. I. Harvey, Richard A. 11. Ferrier, Denise R. III. Ttulo.

CDU 577.1

Catalogao na publicao: Jlia Angst Coelho- CRB Provisrio 05/05

Reservados todos os direitos de publicao, em lngua portuguesa, ARTMED EDITORA S.A. Av. Jernimo de Ornelas, 670- Santana 90040-340 - Porto Alegre RS Fone: (51) 3027-7000 Fax: (51) 3027-7070

proibida a duplicao ou reproduo deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrnico, mecnico, gravao, fotocpia, distribuio na Web e outros), sem permisso expressa da Editora.

SO PAULO Av. Anglica, 1.091 - Higienpolis 01227-100- So Paulo- SP Fone: {11) 3665-1100 Fax: (11) 3667-1333

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AUTORES COLABORADORES

Cal Mclaughlin, Ph.D. Department of Biological Chemistry

University of California, lrvine lrvine, Californ ia

Vernon E. Reichenbecher, Ph.D. Department of Biochemistry and Molecular Biology

Marshall University School of Medicine Huntington, West Virginia

IMAGENS DIGITAIS

Michael Cooper Cooper Graphics

www.cooper247.com

Este livro dedicado a Marilyn Schorin,

cuja compreenso generosamente compartilhada acerca da natureza,

juntamente com seu apoio resoluto, guiou palavras confusas em sua transformao

em idias coerentes.

Agradecimentos

Somos gratos aos muitos amigos e colegas que generosamente contribu ram, com seu tempo e esforo, para nos ajudar a tornar este livro to acurado e til quanto possvel. Tambm reconhecemos o apoio de nossos demais colegas da Universidade de Medicina e Odontologia de New Jersey - Escola de Medicina Robert Wood Johnson, que foi extremamente valioso. Ns (RAH e PCC) deve-mos especiais agradecimentos ao nosso Diretor, Dr. Masayori lnouye, que nos encorajou, ao longo dos anos, neste e em outros projetas de ensino. Estamos especialmente agradecidos Dra. Mary Mycek, da Universidade de Medicina e Odontologia de New Jersey - Escola de Medicina de New Jersey, que participou ativamente deste projeto. Tambm ficamos gratos pelos muitos e teis coment-rios do Dr. William Zehring e do Dr. Jeff Mann.

Sem artistas talentosos, uma obra ilustrada seria impossvel; nesse sentido, fomos especialmente afortunados em trabalhar com Michael Cooper em todo este projeto. Seu senso artstico e sua habilidade em t rabalhar com imagens digitais muito acrescentaram nossa capacidade de tornar vivas para nossos leitores as "histrias" bioqumicas.

Os editores e a equipe de produo da Lippincott Williams & Wilkins foram uma constante fonte de encorajamento e disciplina. Queremos agradecer especial-mente ao nosso editor, Neil Marquardt, por suas contribuies teis, incentiva-deras e criativas: sua imaginao e disposio nos ajudaram a completar este complexo projeto. A edio final do livro foi aprimorada pelos esforos de Jenni-fer Glazer.

Sumrio

UNIDADE 1: Estrutura e funo das protenas

Captulo 1: Aminocidos

Captulo 2: Estrutura das protenas

Captulo 3: Protenas globulares

Captulo 4: Protenas fibrosas

Captulo 5: Enzimas

UNIDADE 11: Metabolismo intermedirio

Captulo 6: Bioenergtica e fosforilao oxidativa

Captulo 7: Introduo aos carboidratos

Captulo 8: Gliclise '

1

13

25

43

53

69

83

89

Captulo 9: ' Ciclo do cido ctrico 107

Captulo 10: Gliconeognese 11 5

Captulo 11: Metabolismo do glicognio 123

Captulo 12: Metabolismo de monossacardeos e dissacardeos / 135

Captulo 13: .... v ia das pentoses-fosfato e NADPH 143

Captulo 14: Glicosaminoglicanos e glicoprotenas 155

UNIDADE III: Metabolismo dos lipdeos

Captulo 15: Metabolismo dos lipdeos da dieta 171

Captulo 16: Metabolismo dos cidos graxos e triacilgliceris 179

Captulo 17: Metabolismo dos lipdeos complexos 199

Captulo 18: Colesterol e metabol ismo dos esterides 217

UNIDADE IV: Metabolismo do nitrognio

Captulo 19: Aminocidos: destino do nitrognio 243

Captulo 20: Degradao e sntese dos aminocidos 259

Captulo 21: Converso dos aminocidos em produtos especializados 275

Captulo 22: Metabolismo dos nucleotdeos 289

X Sumrio

UNIDADE V: Integrao do metabolismo

Captulo 23: Efeitos metablicos da insulina e do glucagon 305

Captulo 24: O ciclo alimentado/jejum 319

Captulo 25: Diabetes melito 335

Captulo 26: Obesidade 347

Captulo 27: Nutrio 355

Captulo 28: Vitaminas 371

UNIDADE VI: Armazenamento e expresso da informao gentica

Captulo 29: Estrutura e replicao do DNA 393

Captulo 30: Estrutura e sntese do RNA 413

Captulo 31: Sntese protica 429

Captulo 32: Biotecnologia e doena humana 445

UNIDADE VIl : Reviso da bioqumica

Captulo 33: Resumo de fatos-chave na bioqumica

ndice

469

509

Aminocidos

I. VISO GERAL

As protenas so as molculas mais abundantes e com maior diversidade de funes nos sistemas vivos. Praticamente todos os processos vivos dependem dessa classe de molculas. Por exemplo, enzimas e hormnios pol ipeptdicos controlam e regulam o metabolismo do organismo, enquanto protenas contr-teis no msculo ensejam a realizao dos movimentos. Nos ossos, a protena colgeno forma uma estrutura para a deposio de cristais de fosfato de clcio, aluando de modo semelhante aos cabos de ao que reforam o concreto. Na corrente sangnea, protenas, como a hemoglobina e a albumina plasmtica, transportam molculas essenciais para a vida, enquanto as imunoglobulinas combatem bactrias e vrus potencialmente causadores de infeces. Em suma, as protenas apresentam uma incrvel diversidade de funes e, ainda assim, apresentam todas em comum a caracterstica estrutural de serem polmeros de aminocidos. Este captu lo descreve as propriedades dos aminocidos; o Captulo 2 mostra como esses blocos constitutivos simples so unidos para formar as protenas - as quais apresentam estruturas tridimensionais nicas - , tornando-as capazes de desempenhar funes biolgicas especficas.

11. ESTRUTURA DOS AMINOCIDOS

Embora mais de 300 diferentes aminocidos tenham sido descritos a partir de fontes naturais, apenas 20 deles so normalmente encontrados como consti -tu intes de protenas em mamferos. (Nota: Esses so os nicos aminocidos codificados pelo DNA, o material gentico da clula [veja a pg. 393).) Cada aminocido (exceto a prolina, que descrita na pg. 4) apresenta um grupo carboxila, um grupo amino e uma cadeia lateral distinta ("grupo R") ligados ao tomo de carbono a (Figura 1 .1 A). Em pH fisiolgico (aproximadamente pH = 7,4), o grupo carboxila encontra-se dissociado, formando o on carboxilato, carregado negativamente (-COO-), e o grupo amino encontra-se protonado (- NH3 ). Nas protenas, quase todos esses grupos carboxila e amino esto combinados, formando as ligaes peptdicas, e, em geral, no esto dispon-veis para reaes qumicas, exceto pela possibilidade de formao de pontes de hidrognio (Figura 1 .1 B). Assim sendo, a natureza dessas cadeias late-rais que determinar, em ltima anl ise, o papel de um aminocido em uma

A Aminocido livre

I Grupo

A cadeia lateral distinta para cada aminocido.

O carbono a encontra-se entre os grupos carbo-xi la e amino.

B Aminocidos combinados em ligaes peptdicas

- NH-CH-CO-NH-CH-C0-1 I

R R

As cadeias laterais deter-minam as propriedades das protenas.

Figura 1.1 Caractersticas estruturais dos aminocidos (mostrados em sua forma completamente protonada).

2 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

CADEIAS LATERAIS APOLARES

Figura 1.2

pK1 = 2,3

Glicina

Leu c i na

H I

+H 3N- C - COOH I

CH2

Oct 11 N' .... CH H

Triptofano

protena. Portanto, ser til classificarmos os aminocidos de acordo com as propriedades de suas cadeias laterais - isto , se elas so apoia res (ou seja, apresentando uma distribuio homognea de eltrons) ou polares (ou seja, apresentando uma distribuio desigual de eltrons, como no caso de cidos e bases; Figuras 1.2 e 1.3).

A. Aminocidos com cadeias !aterias apoiares

Cada um desses aminocidos possui uma cadeia lateral, a qual no apre-senta a capacidade de receber ou doar prtons, ou de participar em liga-es inicas ou formao de pontes de hidrognio (veja a Figura 1.2). As cadeias laterais desses aminocidos podem ser pensadas como "oleosas", ou semelhantes a lipdeos, uma propriedade que promove interaes hidrofbicas (veja a Figura 2.9, pg. 18} .

1. Localizao dos aminocidos apoiares nas protenas. Nas prote-nas encontradas em solues aquosas, as cadeias laterais apoiares dos aminocidos tendem a agrupar-se no interior da protena (Figura 1.4). Este fenmeno o resultado da hidrofobicidade dos grupos R

H I

+H 3N- C - COOH I

CH3

Alanina

H I

+H 3N- C - COOH I

H - C - CH3 I

CH2 I CH3

lsoleucina

Metionina

Valina

H I

... H3N-C -COOH I

Fenilalanina

Prolina

A classificao dos 20 aminocidos encontrados nas protenas de acordo com a carga e a polaridade de suas cadeias laterais mostrada aqui e continua na Figura 1.3. Cada aminocido mostrado em sua forma completamente protonada, com os ons hidrognio dissociveis representados em vermelho. Os valores de pK para os grupos a-carboxila e a.-amino dos aminocidos apoiares so semelhantes queles mostrados para a glicina. (Continua na Figura 1.3.)

CADEIAS LATERAIS POLARES DESPROVIDAS DE CARGA

H . I

.. H 3N- C - COOH I

H - C - OH I H

Serina

Asparagina

CADEIAS LATERAIS CIDAS

cido asprtico

CADEIAS LATERAIS BSICAS

Figura 1.3

H I

pK1 = 1,8

I H 3N- C - COOH

I CH2 I C=CH I I

HN~ __... NH

I ~ pK2 = 6,0

Histidina

H I

H 3N- C -COOH I

H - C - OH I

CH3

Treonina

Cistena

pK2 = 9,2

~

Lisina

Bioqumica Ilustrada 3

Tiros ina

Glutamina

cido glutmico

Arginina

A classificao dos 20 aminocidos encontrados nas protenas, de acordo com a carga e a polaridade de suas cadeias laterais (continuao da Figura 1.2).


Aminocidos polares ( ) na superfcie de protenas solveis.

Protena solvel

Figura 1.4

Aminocidos apoiares ( ) agrupados na superfcie de protenas de membrana.

Protena de membrana

Localizao dos aminocidos apoiares em protenas solveis e de membrana.

Grupo i mino

Prol i na

Figura 1.5

Grupo a mino

Alanina

Comparao entre o grupo imino encontrado na prolina e o grupo a-amino encontrado em outros aminocidos, como a alanina.

+H3N-C - COOH

Figura 1.6

I

o I

H

o 11

,c, Grupo

carbonila

Tirosina

} Ponte de

hid rognio

Ponte de hidrognio entre o grupo hidroxila fenlico da tirosina e outra molcula contendo um grupo carbonila.

apoiares, que aluam como gotculas de leo que coalescem em um ambiente aquoso. Desse modo, os grupos R apoiares preenchem o interior da protena na medida em que ela se enrola e ajudam a estabe-lecer sua forma tridimensional. (Nota: Nas protenas localizadas em um ambiente hidrofbico, como no interior de uma membrana, os grupos R apoiares so encontrados na superfcie da protena, interagindo com o ambiente lipdico [veja a Figura 1.4].) A importncia dessas interaes hidrofbicas para a estabilizao da estrutura protica discutida na pg. 19.

2. Prolina. A cadeia latera l da prol ina e seu grupo a-amino formam um anel, de modo que esse aminocido difere dos demais pelo fato de conter um grupo imino, em vez de um grupo amino (Figura 1.5). A geometria nica da molcu la da prolina cont ribui para a formao da estrutura fibrosa do colgeno (veja a pg. 45) e, freqentemente, interrompe as hlices a encontradas em protenas globulares (veja a pg. 26) .

B. Aminocid os com cadeias laterais polares, desprovidas de carga eltrica

Esses aminocidos apresentam carga lqu ida igual a zero em pH neutro, embora as cadeias laterais da cistena e da tiros ina possam perder um prton em pH alcalino (veja a Figura 1.3). Os aminocidos serina, treonina e tirosina contm, cada um, um grupo hidroxila, que pode participar da for-mao de pontes de hidrognio (Figura 1.6). As cadeias laterais da aspa-ragina e da glutamina contm, cada qual, um grupo carbonila e um grupo amida, os quais podem tambm participar de pontes de hidrognio.

1. Ligao dissulfeto. A cadeia lateral da cistena contm um grupo s u lfidrila (-SH), o qual um componente importante do stio ativo de muitas enzimas. Nas protenas, os grupos - SH de duas cistenas podem tornar-se oxidados e formar um dmero, a cistina, que contm um ligao cruzada denominada ponte dissulfeto (- S- S- ). (Veja a pg. 19 para discusso acerca da formao da ligao dissulfeto.)

2. Cadeias laterais como stios de ligao para outros compostos. A serina, a treonina e, mais raramente, a tirosina contm um grupo hidroxi la polar , que pode servir como um stio de ligao para estrutu-ras, tais como um grupo fosfato. (Nota: A cadeia lateral da serina um componente importante do stio ativo de muitas enzimas.) Alm disso, o grupo amida da asparagina, assim como os grupos hidroxila da serina e da treonina, pode servir como stio de ligao para cadeias de oligos-sacardeos nas glicoprotenas (veja a pg . 156).

C. Aminocidos com cadeias laterais cidas

Os aminocidos cido asprtico e cido glutmico so doadores de pr-tons . Em pH neutro, as cadeias laterais desses aminocidos encontram-se completamente ionizadas, contendo um grupo carboxilato carregado negativamente (-Coo-). Esses aminocidos so, portanto, denominados aspartato e glutamato, para enfatizar o fato de estarem carregados negati-vamente em pH fisiolgico (veja a Figura 1.3).

D. Aminocidos com cadeias laterais bs icas

As cadeias laterais dos aminocidos bsicos so aceptoras de prtons (veja a Figura 1.3). Em pH fisiolgico, as cadeias laterais da lisina e da arginina encontram-se completamente ionizadas, com carga positiva. Em contraste, a

histidina fracamente bsica e o aminocido livre, em geral, no apresenta carga eltrica em pH fisiolgico. Entretanto, quando a histidina encontra-se incorporada em uma protena, sua cadeia lateral pode apresentar-se com carga positiva ou neutra, dependendo do ambiente inico fornecido pela cadeia polipeptdica da protena. (Nqta: Essa uma propriedade importante da histidina e contribui para o papel que esse aminocido desempenha no funcionamento de protenas, tais como a hemoglobina [veja a pg. 26].)

E. Abreviaturas e smbolos para os aminocidos de ocorrncia mais f reqente

O nome de cada aminocido possui uma abreviatura associada de trs letras e um smbolo de uma letra (Figura 1.7). Os cdigos de uma letra so determinados pelas seguintes regras:

1. Primeira letra nica. Se apenas um nome de aminocido comea com uma determinada letra, ento aquela letra utilizada como seu sm-bolo. Por exemplo, I = isoleucina.

2. Os aminocidos de ocorrncia mais freqente tm prioridade. Se mais de um aminocido tm seus nomes comeando com determinada letra, o aminocido de ocorrncia mais freqente recebe aquela letra como smbolo. Por exemplo, a glicina mais freqente que o glutamato, ento G = glicina.

3. Nomes com sons semelhantes. Alguns smbolos de uma letra soam, em ingls, de forma semelhante ao incio do nome do aminocido que representam. Por exemplo, F = fenilalanina, ou W = triptofano ("twypto-phan", como diria Elmer Fudd).

4. Letra prxima letra inicial. Para os demais aminocidos, atribudo um smbolo de uma letra, a qual deve estar to prxima quanto poss-vel , no alfabeto, letra inicial do nome daquele aminocido. Alm disso, a letra B atribuda ao Asx, significando tanto cido asprtico quanto asparagina, o Z atribudo ao Glx, significando tanto cido glutmico quanto glutamina, e o X atribudo a um aminocido no-identificado.

F. Propriedades pticas dos aminocidos

O carbono a. de cada aminocido est ligado a quatro grupos diferentes e , portanto, um tomo de carbono quiral ou opticamente ativo. A glicina a exceo, pois seu carbono a. apresenta dois tomos de hidrognio como substituintes e, assim sendo, opticamente inativa. (Nota: Os aminocidos que apresentam um centro assimtrico em seu carbono a. podem existir em duas formas, designadas o e L, que so imagens especulares uma da outra [Figura 1.8]. As duas formas, em cada par, so denominadas estereoisme-ros, ismeros pticos ou enantimeros.) Todos os aminocidos encontrados nas protenas apresentam a configurao L o-Aminocidos, no entanto, so encontrados em alguns antibiticos e em paredes celulares de bactrias. (Veja a pg. 250 para uma discusso acerca do metabol ismo de o-aminocidos.)

III. PROPRIEDADES CIDO-BSICAS DOS AMINOCIDOS

Os aminocidos, em soluo aquosa, contm grupos a.-carboxila fracamente ci-dos e grupos a.-amino fracamente bsicos. Alm disso, cada um dos aminocidos cidos e cada um dos aminocidos bsicos contm um grupo ionizvel em sua cadeia lateral. Assim sendo, tanto os aminocidos livres quanto alguns amino-


O Primeira letra nica C istena = Cys = c H istidina = H is = H l soleucina = lle = I Metionina = Met = M Serina = Ser = s V alina = Vai = v

fJ Os aminocidos de ocorrncia mais freqente tm prioridade

Alanina = Ala = A Glicina = Gly = G Leucina = Leu = L Prol i na = Pro = p Treonina = Thr = T

B Nomes com sons semelhantes (conforme pronunciado em ingls)

Arginina = Arg = R {"aRginine") Asparagin a = Asn = N (contm N) Aspartato = Asp = D ("asparD ic") Glutamato = Glu = E ("glutE mate") Glutamina = Gln = Q ("Q-tamine") Fenilalanina = Phe = F ("Fenylalanine") Tirosina = Tyr = Y ("tY rosine") Triptofano = Trp = W (duplo anel na

molcula)

IJ Letra prxima letra inicial Aspartato ou = Asx = B (prxima do A) asparagina

Glutamato ou = Glx = z glutamina

Li s ina = Lys = K (prxima do L) Aminocido = X

indeterminado

Figura 1.7 Abreviaturas e smbolos para os aminocidos de ocorrncia mais freqente.

Figura 1.8 As formas o e L da alanina so imagens especulares (imagens no espelho).


ow H 2o

Co Lo " .! . CH3 On ' CH3COO-FORMA I ~ FORMA 11

(cido actico, HA) H+ (acetato, A- )

pH

Figura 1.9 Curva de titulao do cido actico.

cidos combinados por meio de ligaes peptdicas podem aluar como tampes. A relao quantitativa entre a concentrao de um cido fraco (HA) e sua base conjugada (A-) descrita pela equao de Henderson-Hasselbalch.

A. Derivao da equao

Considere a liberao de um prton por um cido fraco, representado por HA:

HA cido fraco

H prton

+ A-forma sal ina

ou base conjugada

O "sal" ou a base conjugada, A-, a forma ionizada de um cido fraco. Por definio, a constante de dissociao do cido, K.,

(Nota: Quanto maior o K., mais forte o cido, pois indica que a maior parte de HA foi convertida em H e A-. Por outro lado, quanto menor o K. , menos cido foi dissociado e, portanto, mais fraco o cido.) Se isolarmos [W] na equao anterior, tomando o logaritmo de ambos os lados da equao, multiplicando ambos os lados por - 1 e substituindo pH = - log [W] e pK. = - log K,, obteremos a equao de Henderson-Hasselbalch:

8. Tampes

Um tampo uma soluo que resiste a mudanas de pH quando se adicionam pequenas quantidades de cido ou base. Um tampo pode ser produzido pela mistura de um cido fraco (HA) com sua base conju-gada (A-). Se um cido, como o HCI, for adicionado a uma soluo, pode ser neutralizado pelo A-, o qual, no processo, convertido em HA. Se uma base for adicionada, o HA pode neutraliz-la, sendo convertido em A- nesse processo. A capacidade tamponante mxima ocorre quando o pH for igual ao pK., mas um par conjugado cido/base pode ainda servir como tampo efetivo quando o pH da soluo estiver at 1 unidade de pH afastado do pK . (Nota: Se as quantidades de HA e A- forem iguais, o pH igual ao pK . ) Como mostrado na Figu ra 1.9, uma soluo contendo cido actico (HA = CH3- COOH) e acetato (A- = CH3- COO-), com um pK. de 4,8, resiste a mudanas no pH entre os pHs 3,8 e 5,8, com capacidade tamponante mxima no pH 4,8. (Nota: Em pHs abaixo do pK8 , a forma cida, protonada [CH3- COOH], a forma predominante. Em pHs acima do pK., a forma bsica, no-protonada [CH3-C00l , a forma predomi-nante na soluo.)

C. Titulao de um aminocido

1. Dissociao do grupo carboxila. A curva de titulao de um amino-cido pode ser analisada como descrito ante riormente para o cido actico. Considere a alanina, por exemplo. Esse aminocido contm um grupo a-carboxila e um grupo a-amino. Em pHs baixos (cidos) , ambos

H

+H3N c COOH CH3

FORMAl

Alanina em uma soluo cida (pH menor que 2)

Carga lquida = + 1

Figura 1.10

pK1 ::: 2,3

H +H 3N c coo-

CH3

FORMA 11

Alanina em uma soluo neutra (pH aproximadamente 6)

Carga lquida = O (forma isoeltrica)

Formas inicas da alanina em solues cidas, neutras e bsicas.

os grupos encontram-se protonados (como mostrado na Figura 1.1 O). medida que o pH da soluo aumentado, o grupo - COOH da forma I pode dissociar, doando um prton ao meio. A liberao de um prton resulta na formao do grupo carboxilato, -coo-. Essa estrutura mostrada como a forma 11, que a forma dipolar da molcula (veja a Figura 1.1 0) . (Nota: Essa forma, tambm denominada zwitterion, a forma isoeltrica da alanina - ou seja, possui uma carga lquida igual a zero.)

2. Aplicao da equao de Henderson-Hasselbalch. A constante de dissociao do grupo carboxila de um aminocido denominada K1 , e no K. , pois a molcula contm um segundo grupo titu lvel. A equao de Henderson-Hasselbalch pode ser uti lizada para anal isar a dissocia-o do grupo carboxila da alanina do mesmo modo que o descrito para o cido actico.

K1

= [H+] [li] - [-1] -

Onde I a forma completamente protonada da alanina e 11 a forma isoeltrica da alanina (veja a Figura 1.1 0). Essa equao pode ser rear-ranjada e convertida em sua forma logartmica para dar:

[li] pH = pK1 + log [i]

3. Dissociao do grupo amino. O segundo grupo titulvel da alanina o grupo amino (-NH3+), mostrado na Figura 1.10. Ele um cido muito mais fraco que o grupo - COOH e, portanto, apresenta uma constante de dissociao muito menor, K2 . (Nota: Seu pK. , portanto, maior.) A liberao de um prton pelo grupo amino da forma 11 resulta na forma completamente desprotonada da alanina, a forma III (veja a Figura 1.1 0).

4. pKs da alanina. A dissociao seqencial de prtons dos grupos car-boxila e amino da alanina est resumida na Figura 1.1 O. Cada grupo

ow H2o \..))

~ H +

pK2 = 9,1


H H2N c coo-

CH3

FORM III

Alanina em uma soluco bsica (pH acima de 1 O)

Carga lquida = - 1


Regio de tamponamento ~

H I

H2N-- coo-CH3

FORMA III

4 6 pH

H +H N-C-COOH

3 I

CH3 FORMAl

Figura 1.11

H I

H 3N--coo-CH3

FORMA 11

Curva de titulao da alanina.

titulvel apresenta um pK. que numericamente igual ao pH no qual exatamente metade dos prtons foram removidos daquele grupo. O pK. para o grupo mais acdico (-COOH) o pK, , enquanto o pK. para o grupo acdico seguinte (-NH3) o pK2 .

5. Curva de titulao da alan ina. Pela aplicao da equao de Hender-son-Hasselbalch a cada grupo acdico dissocivel, possvel calcular a curva de titu lao completa de um cido fraco. A Figura 1.11 mostra a variao no pH que ocorre durante a adio de base forma comple-tamente protonada da alanina (1), at produzir a forma completamente desprotonada (III ). Observe o seguinte:

a. Pares tampes: o par -COOH/-COo- pode servir como um tam-po na regio de pH ao redor do pK, e o par -NH3/-NH2 pode tamponar na regio ao redor do pK2 .

b. Quando pH = pK: quando o pH igual ao pK, (2,3), existem na soluo quantidades iguais das formas I e 11 da alanina. Quando o pH igual ao pK2 (9,1), esto presentes na soluo quantidades iguais das formas 11 e III.

c. Ponto isoeltrico: em pH neutro, a alanina existe predominante-mente como a forma dipolar 11 , na qual os grupos amino e carboxila esto ionizados, mas a carga lquida zero. O ponto isoeltrico (pi) o pH no qual um aminocido eletricamente neutro - ou seja, no qual a soma das cargas positivas igual soma das cargas nega-tivas. (Nota: Para uma aminocido, como a alanina, por exemplo, que apresenta apenas dois hidrognios dissociveis [um do grupo o:-carboxila e um do grupo ex-amino], o pi a mdia entre pK, e pK2 [pi= [2,3 + 9 ,1]/2 = 5,7, veja a Figura 1.10). O pi est assim a meio caminho, entre o pK, (2,3) e o pK2 (9, 1 ). Ele corresponde ao pH no qual predomina a estrutura 11 [com carga lquida igual a zero) e em que h tambm quantidades iguais das formas I [carga lquida + 1] e III [carga lquida -1] .)

6. Carga lquida dos aminocidos em pH neutro. Em pH fisiolgico, todos os aminocidos apresentam um grupo carregado negativamente (-COOl e um grupo carregado positivamente (- NH3. ), ambos ligados ao carbono a. (Nota: Os aminocidos glutamato, aspartato, histidina, arginina e lisina apresentam, alm desses, outros grupos potencial-mente carregados em suas cadeias laterais.) Substncias como os aminocidos, que podem atuar como cidos ou bases, so definidas como anfotricas e so chamadas anflitos (eletrlitos anfotri-cos).

D. Outras aplicaes da equao de Henderson-Hasselbalch

A equao de Henderson-Hasselbalch pode ser util izada para calcular como o pH de uma soluo fisiolgica responde a mudanas na concen-trao de um cido fraco e/ou de sua correspondente forma de "sal". Por exemplo, no sistema tampo do bicarbonato, a equao de Hender-son-Hasselbalch prediz como mudanas na [HC03- ) e na pC02 inf luen-ciam o pH (Figura 1.12A). A equao tambm til para calcular as quantidades das formas inicas de grupos acdicos e bsicos. Por exem-plo, muitas drogas so cidos fracos ou bases fracas (Figura 1.128).

Drogas cidas (HA) liberam um prton (W) , determinando a formao de um nion carregado (A-).

HA ;:Z

Bases fracas (BH) tambm podem liberar um H. A forma protonada das drogas bsicas, no entanto, normalmente possui carga eltrica, e a perda de um prton produz a base desprovida de carga (B).

Uma droga passa atravs de membranas mais facilmente quando no estiver carregada. Assim sendo, para um cido fraco, a forma desprovida de carga HA pode permear membranas e A- no pode faz-lo. Para uma base fraca, como a morfina, por exemplo, a forma desprovida de carga, B, atravessa membranas, enquanto BH no o faz. Portanto, a concentrao efetiva da forma permevel de cada droga em seu stio de absoro determinada pelas concentraes relativas das formas carregada e desprovida de carga. A razo entre as duas formas , por sua vez, determinada pelo pH no stio de absoro e pela fora do cido fraco ou da base fraca, representada pelo pK. do grupo ionizvel. A equao de Henderson-Hasselbalch til para a determinao da quantidade de droga encontrada em cada lado de uma membrana que separa dois compartimentos que diferem com relao ao pH, como, por exemplo, o estmago (pH 1,0-1 ,5) e o plasma sangneo (pH 7,4).

IV. MAPAS DE CONCEITOS-CHAVE

Os estudantes algumas vezes encaram a bioqumica como uma srie obscura de fatos ou equaes a serem memorizados, em vez de um corpo de conceitos a serem compreendidos. Detalhes fornecidos com a finalidade de enriquecer a compreenso desses conceitos tornam-se, inadvertidamente, distraes. O que parece estar faltando seria um mapa do caminho - um guia que fornea aos estudantes uma compreenso intuitiva de como vrios tpicos encai -xam-se para fazer sentido. Pensando assim, os autores criaram uma srie de mapas bioqumicos de conceitos-chave, que ilustram graficamente as rela-es entre as idias apresentadas em um captulo e mostram como a informa-o pode ser agrupada ou organizada. Um mapa conceituai , portanto, uma ferramenta para visualizar conexes entre conceitos. O material apresentado de maneira hierrquica, com os conceitos mais gerais e inclusivos no topo do mapa e aqueles conceitos mais especficos e menos gerais arranjados abaixo.

A. Como construdo um mapa de conceit os-chave?

1. Quadros de conceitos vinculados. Os educadores definem conceitos como "regularidades percebidas em eventos ou objetos". Em nossos mapas bioqumicos, os conceitos incluem abstraes (por exemplo, energia livre), processos (por exemplo, fosforilao oxidativa) e com-postos (por exemplo, gl icose-6-fosfato). Esses conceitos amplamente definidos esto priorizados, com a idia central posicionada no topo da pgina. Os conceitos que seguem a partir dessa idia central esto desenhados em quadros (Figura 1.1 3A). O tamanho do quadro e da letra indicam a importncia relativa de cada idia. Linhas so desenha-das entre os quadros dos conceitos para mostrar como se re lacionam. A marcao na linha define a relao entre dois conceitos, de modo


D BICARBONATO COMO UM TAMPO e Um aumento no on b icarbonato

faz com que o pH aumente.

e Obstruo pulmonar provoca um aumento no dJCido de carbono e faz com que o pH d iminua.

m ABSORO DE DROGAS pH = pK+ Iog (Droga- ]

[Droga-H]

e No pH do estmago (1 ,5), uma droga como a Aspirina (cido fraco, pK = 3,5) estar predominantemente protonada (COOH) e, portanto, desprovida de carga.

e Drogas desprovidas de carga eltrica geralmente at ravessam membranas mais rapidamente que molculas com carga.

LUZ DO ESTMAGO

Figura 1.12

Membrana lipdica

A equao de Henderson-Hasselbalch utilizada para prever: (A) variaes no pH, medida que as concentraes de HC03- ou C02 so alteradas; ou (B) as formas inicas das substncias.

1 O Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

m Quadros de conceitos vinculados

r:l Conceitos vinculados &:ii dentro de um mapa

Degradao

das protenas produzido pela Conjunto

deami

nocidos

leva

protenas

corporais

consumido pela

Conjunto de ami-

nocidos

Conceitos com vnculos cruzados com outros captulos e outros livros nesta srie

... como a protena se dobra em sua conformao nativa

Esrruturad.t~ s Proton.1s 2

:: ~:~lia

Figura 1.13

.. . como o dobramento incorreto das protenas pode levar doena do pron, como por exemplo a doena de Creutzfeldt-Jakob

u veja a pg. 397

Smbolos utilizados nos mapas de conceitos-chave.

2.

que possa ser lido como uma afirmao vlida, ou seja, a conexo passa a ter sentido. As linhas com cabeas de setas indicam qual o sentido em que a conexo deve ser lida.

Vnculos cruzados. Ao contrrio dos padres ou diagramas de fluxo linear, os mapas de conceitos-chave podem conter vnculos cruza-dos, que permitem ao leitor visualizar relaes complexas entre idias representadas em diferentes partes do mapa (Figura 1.138) ou entre o mapa e outros captulos neste livro ou em livros complementares desta srie (Figura 1.13C). Vnculos cruzados podem assim identificar con-ceitos centrais em mais de uma disciplina, permitindo aos estudantes eficincia em situaes clnicas e no exame de licenciamento mdico (nos Estados Unidos) ou em outros exames com caractersticas multi-disciplinares. Os estudantes aprendem, assim, a perceber visualmente relaes no-l ineares entre fatos, em contraste com referncias cruza-das em textos lineares.

8 . Mapas de conceitos-chave e aprendizado relevante

"Aprendizado relevante" refere-se a um processo no qual os estudantes ligam informaes novas a conceitos relevantes que j possuem. Para aprender de modo significativo, os indivduos devem escolher, consciente-mente, relacionar informaes novas ao conhecimento que j tm, em vez de, simplesmente, memorizar definies de fatos ou conceitos isolados. A simples memorizao no desejvel, pois tal aprendizado facilmente esquecido e no prontamente aplicvel resoluo de problemas em novas situaes. Assim sendo, os mapas de conceitos-chave preparados pelos autores no devem ser decorados. Isso seria meramente a promoo do aprendizado por memorizao, fugindo ao propsito dos mapas. Em vez disso, espera-se que os mapas de conceitos-chave funcionem como matrizes ou guias para organizar a informao, de modo que os estudantes possam faci lmente descobrir as melhores maneiras de integrar informaes novas no corpo de conhecimentos que j possuem.

V. RESUMO DO CAPTULO

Cada aminocido apresenta um grupo a-carboxila e um grupo a-amino (exceto a prolina, que possui um grupo imino) . Em pH fisiolgico, o grupo a-carboxila est dissociado, formando o on carboxi lato (- Coo-), carregado negativamente, e o grupo ex-amino est protonado (-NH3+). Cada aminocido tambm ap resenta uma cadeia lateral (so 20 cadeias laterais diferentes, para os 20 aminocidos) ligada ao tomo de carbono a. A natureza qumica dessa cadeia lateral determina a funo de um aminocido em uma protena e fornece a base para a classificao dos aminocidos em apoiares, polares desprovidos de carga, cidos e bsicos. Todos os aminocidos livres podem servir como tampes, assim como os aminocidos que apresentam carga quando ligados s cadeias peptdicas. A relao quantitativa entre a concen-trao de um cido fraco (HA) e sua base conjugada (A-) descrita pela equa-o de Henderson-Hasselbalch. O tamponamento ocorre na faixa do pK. 1 unidade de pH e mximo quando pH = pK., situao na qual [A-] = [HA]. O carbono a de cada aminocido (com exceo da glicina) est ligado a quatro diferentes grupos qumicos e , portanto, um tomo de carbono quiral ou opti-camente ativo. Apenas a forma L dos aminocidos encontrada nas protenas sintetizadas pelo corpo humano.


Grupo o:-carboxila (-COOH)

I , esta

~ desprotonado (- COOl em pH fisiolgico

/

Cadeias laterais apoiares

Alanina I Glicina lsoleucina Leucina Metionina Fenilalanina Prolina Triptofano Valina

encontradas

j

J I

[

Aminocidos (completamente protonados)

so compostos por

Grupo o:-amino Cadeias laterais de (-NH3+) 20 tipos diferentes

elt

~ protonado (-NH,) em

I pH fisiolgico

compostas por

I 1 Cadeias laterais Cadeias laterais Cadeias !aterias polares, desprovidas de carqa

Asparagina Cistena Glutamina Serina Treonina Tirosina '------

r __]

encontradas

cidas bsicas

cido asprtico Arginina J cido glutmico Histidina caracte!izadas por

Li sina

caracterizadas por

~ A cadeia lateral se A cadeia lateral dissocia em -coo- protonada e geral-em pH fisio lgico mente a resenta p L----,-------'1 carga positiva em pH

fisiolgico

encontradas encontradas

No exterior de protenas que aluam em um ambiente aquoso e no interior de protenas associadas a membranas

No interior de protenas que aluam em um ambiente aquoso e na superfcie de protenas (como protenas de membrana) que interagem com lipdeos

podem

j Liberar H'

eatuam como

cidos fracos

conforme descr ito pela

Equao de Henderson-Hasselbalch:

pH = pK. + Iog-A:_ HA

I que prediz

que prediz que

que prediz

Mxima capacidade tampo-nante quando pH = pK.

que prediz que

t pH = pK. quando [HA] = [Al

Estruturda PTotenas 2

Nas protenas, a maior parte dos grupos a-coo- e a-NH3 dos amino-cidos est com-binada, formando ligaes peptdicas.

Portanto, esses grupos no esto disponveis para reaes qumicas.

Desse modo, a natureza qumica da cadeia lateral determina o papel que o aminocido ter em uma prote-na, em especial ...

... como a protena dobra para

assumir sua con-formao nativa.

:;.:.1 .; r."' -

Figura 1.14 Mapa de conceitos-chave para os aminocidos.


Como questes para estudo, podemos sugerir ...

O Enquanto voc pensa acerca da questo, cubra a resposta

1. 1 Qual das seguintes alternativas pareia corretamente um aminocido com uma caracterstica qumica vlida?

A. Glutamina:

com um carto ... B. Serina: C. Cistena: O. lsoleucina:

E. Glicina:

Contm um grupo hldroxila em sua cadeia lateral. Pode formar pontes dissulfeto. Contm a menor cadeia lateral. treqentemente enconlrada mergulhada no centro das protenas. Contm um grupo amida em sua cadeia lateral.

fd .. . e ento remova o carto e confirme se sua resposta e seu raciocno esto corretos.

1.1 Qual das seguintes alternativas pareia corretamente um aminocido com uma caracterfstica qumica vlida?

Resposta correta O, Em proter;as encotltradas em soiUes aqliOSi\S, os cadelas la_terals de

~~;~~e~:,~;~~f. hidroxila em t:? a I ~~=r~:no'tt:~s:~~~a.A Pode formar pontes dissulfeto. u lutamJM conlm uma amida em sua cadela

lat61"81. A serina e a trocnna oontm grupos

A. Glutamina:

B. Serina:

O. lsoleucina:

Contm a menor cadeia R\ hidroxia em suos cadeias laterais. A crsteina lateral. pode txmarligaes dissi.Meto.Agicina posstJI a t freqentemente encontrada ~p;""""',..._,= .. _-__ .,_'""'_1 ______ -.J

C. Cistena:

E. Glicina: mergulhada no cenlro das protenas. Q Contm um grupo amida em sua ("1(\ cadeia lateral. V "\l

Questes para Estudo

Escolha a NICA resposta correta.

1.1 Qual das seguintes alternativas pareia corretamente um aminocido com uma caracterstica qumica vlida?

A. Glutamina: Contm um grupo hidroxila em sua cadeia lateral.

B. Serina: C. Cisterna: D. lsoleucina:

E. Glicina:

Pode formar pontes dissulfeto. Contm a menor cadeia lateral. freqentemente encontrada mergulhada no centro das protenas.

Contm um grupo amida em sua cadeia lateral.

1.2. Qual das seguintes afirmativas a respeito da glutamina est correta?

A. Contm trs grupos titulveis. B. classificada como um aminocido cido. C. Contm um grupo amida. D. Seu smbolo de uma letra E. E. Migra para o ctodo (eletrodo negativo) durante uma

eletroforese em pH 7,0.

\JfL

Resposta correta = D. Em protenas encontradas em solues aquosas, as cadeias laterais de aminocidos apoiares, como a isoleucina, tendem a agrupar-se no interior da protena. A glutamina contm uma amida em sua cadeia lateral. A serina e a treonina contm grupos hidroxila em suas cadelas laterais. A cistena pode formar ligaes dissulfeto. A glicina possui a menor cadeia lateral.

Resposta correta = C. A glutamina contm dois grupos titul-veis, a u-carboxila e o u-amino. A glutamina um aminocido polar, neutro, que apresenta pouca mobilidade eletrofortica em pH 7,0. O smbolo para a glutamina 'Q'.

Estrutura das Protenas

I. VISO GERAL

Os 20 aminocidos comumente encontrados em protenas esto unidos entre si por ligaes peptdicas. A seqncia linear dos aminocidos ligados contm a informao necessria para formar uma molcula protica com uma estrutura tridimensional nica. A complexidade da estrutura protica melhor analisada considerando-se a molcula em termos de quatro nveis de organizao, deno-minados primrio, secundrio, tercirio e quaternrio (Figura 2.1 ). Um exame desses nveis de complexidade crescente revelou que, em uma ampla variedade de protenas, certos elementos estruturais so repetidos, sugerindo que existem "regras" gerais relacionadas s maneiras pelas quais as protenas. se organizam. Estes elementos estruturais repetidos variam desde combinaes simples de hlices u. e folhas ~ . formando motivos pequenos (pg. 18), at o dobramento complexo dos domnios polipeptdicos de protenas multifuncionais (pg. 18).

11. ESTRUTURA PRIMRIA DAS PROTENAS

A seqncia de aminocidos em uma protena denominada estrutura pri-mria da protena. A compreenso da estrutura primria das protenas impor-tante, pois mu itas doenas genticas resu ltam em protenas com seqncias anormais de aminocidos, ocasionando organizao irregular, com perda ou prejuzo da funo normal. Se as estruturas primrias das protenas normais e mutantes so conhecidas, esta informao pode ser usada para diagnosticar ou estudar a doena.

A. A ligao peptdica

Nas protenas, os aminocidos so unidos covalentemente por ligaes pep-tdicas, as quais so ligaes amida entre o grupo u.-carboxila de um amino-cido e o grupo u.-amino de outro. Por exemplo, a valina e a alanina podem formar o dipeptdeo valilalanina, por meio da formao de uma ligao pep-tdica (Figura 2.2.). As ligaes peptdicas no so rompidas por condies desnaturantes, como aquecimento ou altas concentraes de uria. Deve haver uma exposio prolongada a um cido ou a uma base forte em tem-peraturas elevadas para hidrolisar essas ligaes de forma no-enzimtica.

H H H H I I I I

- N- C-C-N- C-1 11 I H O CH3

Figura 2.1 Os quatro nveis estruturais das protenas.


m

Formao da ligao peptdica

H I

H N- c - coo-3 I

CH3

Valina Alanina

Caractersticas da ligao peptdica

Ligao Ligao peptdica trans R R peptdica eis R

Ligaes peptdicas em protenas

Carter de dupla ligao parcial

Rgida e planar

Configurao trans

Sem carga, porm polar

Figura 2.2 A. Formao de uma ligao

peptdica, representando a estrutura do dipeptdeo valilalanina.

8 . Caractersticas da ligao peptdica.

1. Nomeando o peptdeo. Por conveno, a extremidade amino livre da cadeia peptdica (N-terminal) escrita esquerda, e a extremidade carboxila livre (C-terminal), direita. Dessa forma, todas as seqncias de aminocidos so lidas da extremidade N para a C-terminal do pep-tdeo. Por exemplo, na Figura 2.2A, a ordem dos aminocidos "valina, alanina", e no "alanina, valina". A ligao de muitos aminocidos por ligaes peptdicas resulta em uma cadeia no-ramificada, denominada pol ipeptdeo. Cada aminocido que compe um peptdeo denomi-nado "resduo". Quando um polipeptdeo nomeado, os sufixos -ina, -ano, -ico ou -ato, dos resduos de aminocidos, so alterados para -i i, com exceo do aminocido C-terminal. Por exemplo, um tripeptdeo composto por uma valina N-terminal, uma glicina e uma leucina C-ter-minal denominado valil-gl icil-leucina.

2. Caractersticas da ligao peptdica. A ligao peptdica tem um carter de dupla ligao parcial, isto , mais curta do que uma liga-o simples e rgida e planar (Figura 2.28). Isso impede a rotao livre da ligao entre o carbono da carbonila e o nitrognio da ligao peptdica. Entretanto, as ligaes entre os carbonos a e os grupos a-amino ou a-carboxila podem rotar livremente (embora limitadas pelo tamanho e carter dos grupos R). Isso permite que a cadeia polipep-tdica assuma uma variedade de configuraes possveis. A ligao peptdica geralmente uma ligao trans (em vez de eis; veja a Figura 2.28), em grande parte devido interferncia estrica dos grupos R quando em posio eis.

3. Polaridade da ligao peptdica. Assim como todas as ligaes amida, os grupos -C=O e -NH da ligao peptdica no possuem carga e nem aceitam ou fornecem prtons na faixa de pH de 2 a 12. Assim, os grupos carregados presentes nos polipeptdeos consis-tem unicamente no grupo a-amino N-terminal, no grupo a-carboxi la C-terminal e de quaisquer grupos ionizveis presentes nas cadeias laterais dos aminocidos constituintes. (Nota: Os grupos -C=O e -NH da ligao peptdica so polares e esto envolvidos em pontes de hidrognio; por exemplo, nas hlices a e folhas p, descritas nas pgs. 16-17.)

8. Determinao da composio de aminocidos de um polipeptdeo

O primeiro passo para determinar a estrutura primria de um polipeptdeo identificar e quantificar seus aminocidos constituintes. Uma amostra purificada do pol ipeptdeo a ser analisado primeiramente submetida hidrlise por um cido forte, a 11 0C durante 24 horas. Esse tratamento cliva as ligaes peptdicas e libera os aminocidos individuais, os quais podem ser separados por cromatografia de troca de ctions. Nessa tcnica, uma mistura de aminocidos aplicada a uma coluna que contm uma resina qual um grupo carregado negativamente est firmemente aderido. (Nota: Se o grupo aderido for carregado positivamente, a coluna torna-se trocadora de nions.) Os aminocidos ligam-se coluna com diferentes afinidades, dependendo das suas cargas, hidrofobicidade e outras caractersticas. Cada aminocido seqencialmente liberado da coluna cromatogrfica por eluio com solues de crescente fora inica e pH (Figura 2.3). Os aminocidos separados, contidos no lquido eludo da coluna, so quantificados aps o aquecimento com ninhidrina , um rea-gente que forma um composto de cor prpura com a maioria dos amino-cidos, amnia e aminas. A quantidade de cada aminocido determinada por espectrofotometria, medindo-se a quantidade de luz absorvida pelo

derivado da ninhidrina. A anlise descrita anteriormente efetuada por meio de um analisador de aminocidos- um aparelho automtico, cujos componentes so ilustrados na Figura 2.3.

C. Seqenciamento do peptdeo a partir de sua extremidade N-terminal

O seqenciamento um processo gradual de identificao de aminocidos especficos em cada posio da cadeia polipeptdica, iniciando na extre-midade N-terminal. O fenilisotiocianato, conhecido como reagente de Edman, usado para marcar o resduo aminoterminal, sob condies leve-mente alcalinas (Figura 2.4). O derivado resultante, feniltioidantona (PTH), provoca uma instabilidade na ligao peptdica N-terminal, que pode ser seletivamente hidrolisada sem clivar as outras ligaes peptdicas. A iden-tidade do aminocido obtido pode ento ser determinada. O reagente de Edman pode ser aplicado repetidamente ao peptdeo mais curto, resultante de cada ciclo prvio. Esse processo foi automatizado e, atualmente, a repe-tio do mtodo pode ser efetuada por um aparelho ("seqenciador") para determinar a seqncia de mais de 100 resduos de aminocidos, iniciando na extremidade aminoterminal de um pol ipeptdeo.

D. Clivagem do polipeptdeo em fragmentos menores

Muitos polipeptdeos tm uma estrutura primria composta de mais de 100 aminocidos. Essas molculas no podem ser seqenciadas diretamente de uma extremidade a outra por um seqenciador. Entretanto, essas molculas maiores podem ser cl ivadas em stios especficos e os fragmentos resultan-tes podem ser seqenciados. Utilizando-se mais de um agente de clivagem (enzimas e/ou produtos qumicos) em amostras separadas do polipeptdeo purificado, fragmentos justapostos podem ser gerados para permitir o orde-namento correto dos fragmentos seqenciados, fornecendo assim a seqn-cia completa de aminocidos do polipeptdeo maior (Figura 2.5).

E. Determinao da estrutura primria de uma protena por seqenciamento do DNA

A seqncia de nucleotdeos em uma reg1ao de codificao do DNA determina a seqncia de aminocidos de um polipeptdeo. Assim, se a seqncia de nucleotdeos pode ser determinada, possvel, por meio do cdigo gentico (veja a pg. 429), traduzir a seqncia de nucleot-deos na seqncia correspondente de aminocidos daquele polipeptdeo. Esse processo, embora usado rotineiramente para obter as seqncias


Bomba de tampo

F==::-r===\XF=> lnjeo de amostra

Figura 2.3

Coluna de troca inica

Fita de registro ou computador

Determinao da composio de aminocidos de um polipeptdeo, utilizando um analisador de aminocidos.

O Marcao H2N-c;:H-2~COOH ( )

f) Liberao do derivado do aminocido por hidrlise cida CH . ~ Pepttdeo ~ Alanina c

Nterminal "

6

HN-c;:H- 2~COOH H2N~COOH I CH 3 Peptdeo marcado Peptdeo mais curto

soe;: +

O:rNHJ a ",l-c':H " J\H' Fenilisotiocianato CH3

PTH-alanina

Figura 2.4 Determinao do resduo aminoterminal de um polipeptdeo por degradao de Edman.


Peptideo de seqncia desconhecida

~

11. Clivagem com tripsina nos stios

O contendo lisina e arginina

2. Determinao da seqncia dos peptideos, utilizando o mtodo de Edman --------Peptdco A

Qual a seqncia correta?

Peptdeo B Peptdeo C

@? @@? @? @@? @? @@@ ?

Peptdeo de seqncia desconhecida

~ n 11. Clivagem com brometo de g cianognio no stio da metionina 2. Determinao da seqncia dos

peptdeos, utilizando o mtodo de Edman .... _ .......... .

Peptdeo X PeptdeoY

Seqncia original do peptdeo

Figura 2.5 Peptdeos justapostos produzidos pela ao da tripsina e de brometo de cianognio.

Figura 2.6

As cadeia laterais dos aminocidos se estendem para fora da hlice.

Hlice a mostrando o esqueleto do peptdeo.

de aminocidos das protenas, apresenta as limitaes de no ser capaz de prever as posies das ligaes dissulfeto na cadeia dobrada e de no identificar qualquer aminocido que seja modificado aps sua incorpora-o ao polipeptdeo (modificao ps-traduo, veja a pg. 440). Assim, o seqenciamento direto de protenas uma ferramenta extremamente importante para determinar o verdadeiro carter da seqncia primria de muitos polipeptdeos.

III. ESTRUTURA SECUNDRIA DAS PROTENAS

O esqueleto polipeptdico no assume uma estrutura tridimensional aleatria, em vez disso, geralmente forma arranjos regulares de aminocidos que esto localizados prximos uns aos outros na seqncia linear. Esses arranjos so denominados estrutura secundria do polipeptdeo. A hlice a, a folha ~ e a dobradura ~ so exemplos de estruturas secundrias freqentemente encon-tradas em protenas. (Nota: A hlice do colgeno, outro exemplo de estrutura secundria, discutida na pg. 43.)

A. Hlce a

Existem vrias hlices polipeptdicas diferentes encontradas na natureza, mas a hlice a a mais comum. Ela apresenta uma estrutura hel icoidal, que consiste de um esqueleto polipeptdico central em espiral e bem com-pacto, com as cadeias laterais dos aminocidos que a compem esten-dendo-se para fora do eixo central, de modo a evitar a interferncia estrica entre si (Figura 2.6). Um grupo variado de protenas contm hlices a. As queratinas, por exemplo, so uma famlia de protenas fibrosas intimamente relacionadas, cuja estrutura quase totalmente constituda de hlices a. Elas constituem os principais componentes de tecidos como o cabelo e a pele, e sua rigidez determinada pelo nmero de ligaes dissulfeto entre as cadeias polipeptdicas constituintes. Em contraste queratina, a mioglo-bina, cuja estrutura formada por aproximadamente 80% de hlices a, uma molcula globular flexvel (veja a pg. 26).

1. Pontes de hidrognio. Uma hlice a estabilizada por uma ampla formao de pontes de hidrognio entre os tomos de oxignio das carbonilas e os hidrognios das amidas das ligaes peptdicas que compem o esqueleto polipeptdico (veja a Figura 2.6). As pontes de hidrognio estendem-se na espiral, do oxign io da carbonila ao grupo - NH- de uma ligao peptdica quatro resduos frente no polipep-tdeo. Isso assegura que todas, exceto a primeira e a lt ima ligaes peptdicas componentes, estejam ligadas entre si por pontes de hidra-gnio. Essas ligaes so individualmente fracas, mas coletivamente servem para estabilizar a hlice.

2. Aminocidos por passo. Cada passo (ou volta completa) de uma hlice a contm 3,6 aminocidos. Assim, os resduos de aminocidos separados por trs ou quatro resduos na seqncia primria esto espacialmente prximos, quando dobrados em hlice a .

3. Aminocidos que quebram uma hlice a . A prolina quebra uma hlice a, porque o seu grupo imino no compatvel geometricamente com a espiral voltada para a direita da hlice a. Assim, ela insere uma dobra na cadeia, que interrompe a suave estrutura helicoidal. Um grande nmero de aminocidos carregados (por exemplo, glutamato, aspartato, histidina, lisina ou arginina) tambm quebra a hlice a, pela formao de ligaes inicas ou por se repelir eletrostaticamente um


aminocido ao outro. Finalmente, os aminocidos com cadeias laterais volumosas, como o triptofano, ou aminocidos como a valina ou a iso- m leucina, que se ramificam no carbono 13 (o primeiro carbono no grupo R, logo aps o carbono a), podem interferir com a formao de uma hlice a se estiverem em grande nmero.

8 . Folha 13

A folha 13 outra forma de estrutura secundria, na qual todos os compo-nentes da ligao peptdica esto envolvidos com pontes de hidrognio (Figura 2.7 A). As superfcies das folhas 13 apresentam uma aparncia "pregueada" e essas estruturas so, portanto, freqentemente denomina-das "folhas 13 pregueadas". Quando so feitas ilustraes da estrutura protica, as fi tas 13 so muitas vezes visual izadas como setas largas (Figura 2.78).

1. Comparao ent re a fol ha 13 e a hlice a. Ao contrrio da hlice a, as folhas 13 so compostas de duas ou mais cadeias peptdicas (fitas 13) ou segmentos de cadeias polipeptdicas, as quais apresentam-se quase totalmente estendidas. Note tambm que, nas folhas 13. as pon-tes de hidrognio so perpendiculares ao esqueleto polipeptdico (veja a Figura 2.7A).

2. Folhas paralelas e antiparalelas. Uma folha 13 pode ser formada por duas ou mais cadeias polipeptdicas ou segmentos de cadeias polipep-tdicas separados, dispostos de forma antiparalela um ao outro (com as extremidades N-terminal e C-terminal das folhas 13 alternando-se, conforme ilustrado na Figura 2.78) ou de forma paralela (com todos os N-terminais das folhas 13 juntos, conforme ilustrado na Figura 2.7C). Quando as pontes de hidrognio so formadas entre os esqueletos polipeptd icos de cadeias polipeptdicas separadas, elas so denomi-nadas ligaes intercadeias. Uma folha 13 tambm pode ser formada por uma nica cadeia polipeptdica, dobrando-se sobre si mesma (veja a Figura 2.7C). Nesse caso, as pontes de hidrognio s!3.o ligaes intracadeia. Em protenas globulares, as folhas 13 sempre apresentam uma curvatura para a direita, quando observadas ao longo do esque-leto polipeptdico. (Nota: Folhas 13 dobradas freqentemente formam a parte central de protenas globulares.)

C. Curvaturas 13 {voltas reversas)

As curvaturas 13 revertem a direo de uma cadeia polipeptd ica, auxi-liando a formao de uma estrutura com pacta e globular. Elas nor-malmente so encontradas na superfcie das molculas proticas e f req entemente contm resduos carregados . (Nota: As curvaturas 13 receberam esse nome porque e las muitas vezes conectam faixas sucessivas de folhas 13 antiparalelas.) As curvaturas 13 geralmente so compostas por quatro aminocidos, um dos quais pode ser a prolina - o iminocido que causa uma "dobra" na cadeia polipeptdica. A glicina, o aminocido com menor grupo R, tambm encontrada com freqncia nas curvaturas 13. As curvatu ras 13 so estabilizadas pela formao de pontes de hidrognio e ligaes inicas.

D. Estrutura secundria no-repetitiva

Aproximadamente a metade de uma prote na globular mdia est organi-zada em estruturas repetitivas como a hlice a e/ou as folhas 13. O restante da cadeia polipeptdica descrito como tendo uma conformao em ala ou

Folha 13 pregueada ant iparalela

N-terminal

Folha 13 pregueada paralela

Figura 2.7 A. A estrutura de uma folha 13. B. Uma folha 13 antiparalela, com fitas 13 representadas por setas largas. C. Uma folha 13 paralela, formada por uma nica cadeia polipeptdica, dobrando-se sobre si mesma.

I I

I


l Unidade ~-a-~ Chave grega Meandro ~ Barril ~

Figura 2.8 Motivos estruturais comuns, combinando hlices a e folhas ~ Seus nomes descrevem seus aspectos esquemticos. (Nota: A chave grega leva o nome de um desenho freqentemente encontrado na cermica grega clssica.)

H O I 11

~ N- C - C-.NYVVV" I I

H H2 \

Dois resduos SH Esqueleto de cistena SH polipeptdico

~ ~H2 I ~ N -c -c -.NYVVV"

I 11

H O

I Oxidante {-(por exemplo, 0 2)

H O I 11

~ N-C - C -.NYVVV" I I

H H2 s I

s I

I H2 N -c- c -.NYVVV"

I 11

H O

Figura 2.9 Formao de uma ponte dissulfeto pela oxidao de dois resduos de cistena, produzindo um resduo de cistina.

em espiral. Essas estruturas secundrias no-repetitivas no so "aleatrias", mas simplesmente possuem uma estrutura menos regular do que aquelas descritas anteriormente. (Nota: O termo "espiral randmica" refere-se estru-tura distorcida, obtida quando as protenas so desnaturadas [veja a pg. 21].)

E. Estruturas supersecundrias (motivos)

As prtenas globulares so construdas pela combinao de elementos estruturais secundrios (hlices a, folhas ~ e seqncias no-repetitivas). Esses formam principalmente a regio central - isto , o interior da mol-cula. Eles so conectados por regies em ala (por exemplo, curvaturas p) na superfcie da protena. As estruturas supersecundrias so normalmente produzidas pelo agrupamento das cadeias laterais de elementos estruturais secundrios adjacentes, prximos um do outro. Assim, por exemplo, as hlices a e as folhas ~. que so adjacentes na seqncia de aminocidos, tambm so normalmente (mas no sempre) adjacentes na protena final, dobrada. Alguns dos motivos mais comuns esto ilustrados na Figura 2.8.

IV. ESTRUTURA TERCIRIA DAS PROTENAS GLOBULARES

A estrutura primria de uma cadeia polipeptdica determina sua estrutura terci-ria. (Nota: ''Terciria" refere-se tanto ao dobramento dos domnios [as unidades bsicas de estrutura e funo, veja a discusso a seguir) quanto ao arranjo final dos domnios no polipeptdeo.) A estrutura das protenas globulares em solu-o aquosa compacta, com uma alta densidade (estrutura muito dobrada) de tomos no centro da molcula. As cadeias laterais hidrofbicas so posi-cionadas no interior, enquanto os grupos hidroflicos geralmente so encon-trados na superfcie da molcula. Todos os grupos hidrofl icos (incluindo os componentes da ligao peptdica) localizados no interior do polipeptdeo esto envolvidos na formao de pontes de hidrognio ou de interaes eletrostticas. (Nota: As estruturas em hlice a e em folha ~ proporcionam o mximo de pon-tes de hidrognio aos componentes da ligao peptdica no interior dos polipep-tdeos, eliminando assim a possibilidade de que as molculas de gua possam ligar-se a esses grupos muito hidroflicos e romper a integridade da protena.)

A. Domnios

Domnios so as unidades funcionais fundamentais com estrutura tridi-mensional em um polipeptdeo. As cadeias pol ipeptdicas maiores do que

200 aminocidos de comprimento geralmente apresentam dois ou mais domnios. O centro de um domnio formado a partir de combinaes de elementos estruturais supersecundrios (motivos). O dobramento da cadeia peptdica dentro de um domnio normalmente ocorre indepen-dentemente do dobramento em outros domnios. Assim, cada domnio apresenta as caractersticas de uma protena globular pequena e com-pacta, que estruturalmente independente de outros domnios na cadeia polipeptdica.

B. lnteraes que estabilizam a estrutura terciria

A estrutura tridimensional nica de cada polipeptdeo determinada por sua seqncia de aminocidos. As interaes entre as cadeias laterais dos aminocidos direcionam o dobramento do polipeptdeo para formar uma estrutura compacta. Quatro tipos de interaes cooperam para estabilizar as estruturas tercirias das protenas globulares.

1. Pontes dissulfeto. Uma ponte dissulfeto uma ligao covalente for-mada pelos grupos sulfidrila (-SH) de dois resduos de cistena para produzir um resduo de cistina (Figura 2.9). As duas cistenas podem estar separadas uma da outra por muitos aminocidos na seqncia primria de um polipeptdeo, ou podem mesmo estar localizadas em duas cadeias polipeptdicas diferentes; o dobramento da(s) cadeia(s) polipeptdica(s) aproxima os resduos de cistena e permite a ligao covalente de suas cadeias laterais. Uma ponte dissulfeto contribui para a estabilidade da conformao tridimensional da molcula protica. Por exemplo, muitas ligaes dissulfeto so encontradas em protenas como as imunoglobulinas, que so secretadas pelas clulas. (Nota: Essas fortes ligaes covalentes contribuem para estabilizar a estrutura das protenas e evitar que elas se tornem desnaturadas no meio extra-celular. )

2. lnteraes hidrofbicas. Os aminocidos com cadeias laterais hidrofbicas tendem a ficar localizados no interior da molcula poli-peptdica, onde eles se associam com outros aminocidos hidrof-bicos (Figura 2.1 0). Em contraste, aminocidos com cadeias laterais polares ou com carga tendem a ficar na superfcie da molcula , em contato com o solvente polar. (Nota: Protenas localizadas em ambientes apoiares [lipdicos]. como as membranas celulares, exi-bem um arranjo inverso - isto , as cadeias laterais de aminocidos hidroflicos esto localizadas no interior do polipeptdeo, enquanto os aminocidos hidrofbicos esto local izados na superfcie da mol-cula, em contato com o ambiente apoiar [veja a Figu ra 1.4, pg. 4).) Em qualquer dos casos, ocorre a segregao energeticamente mais favorvel dos grupos R.

3. Pontes de hidrognio. Cadeias laterais de aminocidos contendo hidrognio ligado a oxignio ou nitrognio, como os grupos alcolicos da serina e da treonina, podem formar pontes de hidrognio com to-mos ricos em eltrons, como o oxignio dos grupos carboxila ou grupos carbonila das ligaes peptdicas (Figura 2. 11 ; veja tambm a Figura 1.6, pg. 4). A formao de pontes de hidrognio entre grupos polares na superfcie de uma protena e o solvente aquoso aumentam a solubi-lidade da protena.

4. lnteraes inicas. Grupos carregados negativamente, como o grupo carboxila (- COO-) na cadeia lateral do aspartato ou do glutamato, podem interagir com grupos carregados positivamente, como o grupo amino (-NH3 ) , na cadeia lateral da lisina (veja a Figura 2.11 ).


H H O I I 11

~ N -C -C-vVVYVV'-

1 HC- CH3

?H2 lsoleucina

CHs Esqueleto polipeptdico

j

Figura 2.10

; H3C CH3 ~ ' eH ... '" ' Leucina

~H2 N-C -C~ I l 11

H H O

lnteraes hidrofbicas entre aminocidos com cadeias laterais apoiares.

Glutamato Aspartato

H H O H H O I I 11 1 I 11

VV"


fJ Formao de domnios

n Formao de um I U monmero protico final t

Figura 2.12 Etapas no dobramento protico.

C. Dobramento protico

As interaes entre as cadeias laterais dos aminocidos determinam como uma cadeia polipeptdica longa se dobra para formar a intricada confor-mao tridimensional de protenas funcionais. O dobramento protico, que ocorre dentro da clula de segundos a minutos, emprega um atalho pelo labirinto de possibilidades de dobramento. Com um dobramento peptdico, as cadeias laterais dos aminocidos so atradas ou repelidas de acordo com suas propriedades qumicas. Por exemplo, cadeias laterais carrega-das positiva e negativamente atraem umas s outras. Por sua vez, cadeias laterais com cargas semelhantes repelem-se umas s outras. Alm disso, as interaes envolvendo pontes de hidrognio, interaes hidrofbicas e pontes dissulfeto podem influenciar o processo de dobramento. Esse pro-cesso de ensaio e erro testa muitas, mas no todas as possibi lidades de configurao, em busca de um estado no qual as atraes sobrepujem as repulses. Isso resulta em uma protena dobrada corretamente, com um baixo estado energtico (Figura 2.12).

O. Papel das chaperonas no dobramento protico

Geralmente se aceita que a informao necessria para corrigir o dobra-mento da protena est contida na estrutura primria do polipeptdeo. Considerando essa premissa, difcil explicar por que as protenas, em sua maioria, quando desnaturadas (veja a seguir), no retomam sua con-formao nativa sob condies ambientais favorveis. Uma resposta para esse problema que a protena comea a se dobrar durante os estgios de sntese, em vez de esperar que a sntese de toda a cadeia esteja completa. Isso limita a competio entre configuraes de dobramento, possveis em bandas maiores do peptdeo nascente. Alm disso, um grupo especializado de protenas, denominadas "chaperonas", requerido para o dobramento adequado de muitas espcies de protenas. As chaperonas - tambm denominadas protenas de "choque trmico" - interagem com o pol i-peptdeo em vrios estgios durante o processo de dobramento. Algumas chaperonas so importantes para manter a protena desdobrada at que sua sntese esteja terminada, ou agem como catal isadores, aumentando a velocidade dos estgios finais no processo de dobramento. Outras pro-tegem as protenas durante o dobramento, para que as regies expostas, mais vulnerveis, no formem dobramentos improdutivos.

V. ESTRUTURA QUATERNRIA DAS PROTENAS

Muitas protenas consistem em uma nica cadeia polipeptdica, sendo defini-das como protenas monomricas. Outras, entretanto, consistem em duas ou mais cadeias pol ipeptdicas, que podem ser estruturalmente idnticas ou totalmente diferentes. O arranjo dessas subunidades polipeptdicas denomi-nado estrutura quaternria da protena. (Nota: Se existem duas subunidades, a protena denominada "dimrica", se so trs subunidades, "trimrica", e se existem vrias subunidades, "multimrica".) As subunidades so mantidas unidas por interaes no-covalentes (por exemplo, pontes de hidrognio, ligaes inicas e interaes hidrofbicas). As subunidades podem funcionar independentemente umas das outras ou podem trabalhar cooperativamente, como no caso da hemoglobina, onde a ligao do oxignio a uma subunidade do tetrmero aumenta a afinidade das outras subunidades ao oxignio (veja a pg. 29).

VI. DESNATURAO DE PROTENAS

A desnaturao protica resulta no desdobramento e na desorganizao das estruturas secundria e terciria, sem que ocorra hidrlise das ligaes pept-dicas. Os agentes desnaturantes incluem calor, solventes orgnicos, agitao mecnica, cidos ou bases fortes, detergentes e ons ou metais pesados, como chumbo e mercrio. A desnaturao pode, sob condies ideais, ser reversvel; nesse caso, a protena dobra-se novamente em sua estrutura original quando o agente desnaturante for removido. Entretanto, as protenas, em sua maioria, uma vez desnaturadas, ficam permanentemente alteradas. As protenas desna-turadas so freqentemente insolveis, e, portanto, precipitam em soluo.

VIl. DOBRAMENTO INADEQUADO DE PROTENAS

O dobramento protico um processo complexo de ensaio e erro, que algu-mas vezes pode resultar em molculas dobradas de forma imprpria. Essas protenas dobradas de forma incorreta so normalmente marcadas e degra-dadas dentro da clula (veja a pg. 441 ). Entretanto, esse sistema de controle de qualidade no perfeito, e agregados intra ou extracelulares de protenas inadequadamente dobradas podem se acumular, particularmente durante o envelhecimento. Depsitos dessas protenas imprprias esto associados com algumas doenas, incluindo amiloidoses.

A. Amiloidoses

O dobramento imprprio de protenas pode ocorrer espontaneamente ou ser causado por uma mutao em um determinado gene, o que produz uma protena alterada. Alm disso, algumas protenas, aparentemente normais, aps uma clivagem proteoltica anormal assumem uma conformao nica, que leva formao de longos feixes de protenas fibrilares, constitudos de folhas ~ pregueadas. O acmulo desses agregados proticos espontneos, denominados amilides, tem sido implicado em muitas doenas degenerati-vas - particularmente na desordem neurodegenerativa denominada doena de Alzheimer. O componente predominante da placa amilide que se acu-mula na doena de Alzheimer um peptdeo formado por 40 a 43 resduos de aminocidos, denominado Ap. Os mtodos de cristalografia de raios X e espectroscopia de infravermelho demonstram uma conformao caracters-tica de folha ~ pregueada na forma de fibrilas no-ramificadas. Esse pept-deo, quando agregado na configurao de folha ~ pregueada, neurotxico e o evento patognico central, que leva a um prejuzo cognitivo, caracters-tico da doena. O peptdeo amilide A~, depositado no crebro em decor-rncia da doena de Alzheimer, derivado por clivagem proteoltica de uma protena muito maior, a protena precursora amilide - uma protena com um nico domnio transmembrana, expressa na superfcie de clulas neurais e em outros tecidos (Figura 2.1 3). Os agregados contendo o peptdeo A~ formam a placa amilide, localizada no parnquima cerebral e ao redor dos vasos sangneos. A maioria dos casos de doena de Alzheimer no de origem gentica, embora pelo menos cinco a dez por cento dos casos tenha origem familiar. Um segundo fator biolgico envolvido no desenvolvimento da doena de Alzheimer o acmulo cerebral de emaranhados neurofibrila-res. Um componente-chave desse emaranhado de fibras a forma anormal da protena tau, que na forma saudvel auxilia na organizao da estrutura microtubular. A protena tau defeituosa, entretanto, parece bloquear as aes da sua forma equivalente normal.


precursora amilide

~ Clivagem enzimtica

~)l(rff I~ Clivagem enzimtica

~

Aj3

Me;n'b~1~~~ H,~

r;~liJW.&rr. .r ~,.--------Agregao espontnea para formar f ibrilas insolveis de folha ~ pregueada.

Modelo de fibrilas amilides

..

Figura 2.13

~ Fotomicrografia de placas amilides em uma seco de crtex temporal proveniente de um paciente com doena de Alzheimer

Formao das placas amilides encontradas na doena de Alzheimer.

22 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrie r

O A interao da molcula PrP infecciosa com uma PrP normal faz com que a forma normal

fJ

adquira a forma infecciosa.

PrP no-infecciosa

(oontm hUoe o) ~

~,p infeocio"' ~ (:Cntm folhas jl) ,,

PrP infecciosa (contm folhas 13)

Essas duas molculas se dissociam e convertem duas molculas adicionais de PrP no infecciosa na forma infecciosa.

PrP no-infecciosa (contm hlice a)

f PrP no-infecciosa (contm hlice a )

'

Isso resulta em um aumento exponencial da forma infecciosa.

Figura 2.14 Um mecanismo proposto para a multiplicao de agentes pron infecciosos.

8. Doena do pron

A protena do pron (PrP) tem sido fortemente implicada como o agente causador das encefalopatias espongiformes transmissveis (EETs}, incluindo a doena humana de Creutzfeldt-Jakob, o scrapie* em ovelhas e a encefalopatia espongiforme bovina no gado (popularmente conhecida como "doena da vaca louca"}.1 Aps uma ampla srie de procedimentos de purificao, os cientistas ficaram perplexos ao descobrir que a infeccio-sidade do agente causador do scrape em ovelhas estava associada a uma nica espcie de protenas, que no era associada a cidos nucleicos detec tveis. Essa protena infecciosa designada protena do pron. Ela alta-mente resistente degradao proteoltica e, na forma infecciosa, tende a formar agregados fibrilares insolveis, similares placa amilide encontrada em outras doenas enceflicas. Uma forma no-infecciosa da PrP, contendo as mesmas seqncias de aminocidos e de genes do agente infeccioso, est presente em encfalo normal de mamferos, na superfcie de neurnios e de clulas gliais. Dessa forma, a PrP uma protena capaz de cooptar outras. No se tem encontrado diferenas estruturais primrias ou modifica-es ps-traduo entre as formas normal e infecciosa da protena. A chave para se tornar uma protena infecciosa aparentemente reside em alteraes na conformao tridimensional da PrP. Tem sido observado que diversas hlices a presentes na forma no-infecciosa da PrP so substitudas por folhas p na forma infecciosa (Figura 2.14). Provavelmente essa diferena de conformao que confere uma relativa resistncia degradao prole oltica de prons infecciosos e que lhes permite serem distinguidos da PrP normal em tecidos infectados. O agente infeccioso , ento, uma verso alterada da protena normal, agindo como uma "matriz" ao fazer a protena normal assumir uma conformao patognica. As EETs so invariavelmente fatais e atualmente nenhum tratamento capaz de alterar esse resultado.

VIII. RESUMO DO CAPTULO

Para entender a estrutura protica central o entendimento do conceito de confor-mao nativa (Figura 2.15), que a estrutura protica inteiramente organizada e funcional (por exemplo, uma enzima ativa ou uma protena estrutural). A estrutura tridimensional nica da conformao nativa determinada pela estrutura primria, isto , a seqncia de aminocidos. As interaes entre as cadeias laterais dos aminocidos direcionam a organizao de uma cadeia polipeptdica para formar estruturas secundrias, tercirias e (algumas vezes) quaternrias, as quais cooperam para a estabilizao da conformao nativa da protena. Alm disso, as "chaperonas", um grupo especializado de protenas, so necessrias para a correta organizao de muitas espcies de protenas. A desnaturao protica resulta no desdobramento e na desorganizao da estrutura protica, sem que haja hidrlise das ligaes peptdicas. A desnaturao pode ser reversvel ou, mais freqente mente, irreversvel. Doenas podem ocorrer quando uma protena aparentemente normal adquire uma conformao que citotxica, como no caso da doena de Alzheimer e das encefalopatias espongiformes transmissveis (EETs}, incluindo a doena de Creutzfeldt-Jakob. Na doena de Alzheimer, protenas normais, aps um processo qumico anormal , adquirem um estado de conformao nico, que leva formao de agregados neurotxicos de protenas amilides, em forma de folha p pregueada. Nas EETs, o agente infeccioso uma verso alterada da protena do pron normal, agindo como uma "matriz" por fazer a protena normal assumir uma conformao patognica.

N. de T. Scrapie- do ingls scrape (roar, raspar); doena fatal em ovelhas e cabras, marcada por coceira intensa, perda da coordenao motora e degenerao progressiva do sistema nervoso central.

1 Veja a pg. 397 em Microbiologia Ilustrada para uma discusso mais detalhada sobre prions.


Hierarquia da estrutura protica

[Hlice a

[ Folha p

[ l consiste em Curvatura P (voltas reversas) -+---0>------1 ( Estruturas no-repetitivas

[ Estruturas supersecundrias

[ I nteraes hidrofbicas

[ Pontes de hidrognio

[ lnteraes eletrostticas

[ Pontes dissulfeto

[ lnteraes hidrofbicas

estabilizada por

Primria

a seqncia de aminocidos

a organizao

tridimensional da cadeia dobrada

contribui para

pode ser

,----------.-1 Chaperonas

desorga-

Funo Biolgica

Por exemplo:

Catlise e Proteo Regulao e Transduo de sinal e Armazenamento e Estrutura l e Transporte

nQao >-,---0-e_s_n_a_t_u_ra_n_t_e_s ____ ocasionada por r ::-- ------c-----c----j

Por exemplo: e Uria e Temperatura e pH

extremos [ Pontes de hidrognio

estabilizada por o arranjo

de mltiplas subuni-dades polipeptdicas

na protena

pode contribuir para

algumas podem recuperar e Solventes orgnicos

[ lnteraes eletrostticas

veja a pg. 397

D Doenade L s Creutzfeldt-Jakob

Figura 2.15

Doena de Alzheimer

conduz r:;::::l conduz a -+-----~--------1

pode formar

j Organizao

alterada conduza

conduz [ Protenas amilides J~-----{_ _______ j

Mapa de conceitos-chave referentes estrutura protica.

A maioria das protenas no pode se reorganizar aps a remoo do agente desnaturante

t Desnaturao

ir reversvel

,.


Questes para Estudo

Escolha a NICA resposta correta.

2.1 Uma ligao peptdica:

A. apresenta um carter de dupla ligao parcia l; B. est ionizada em pH fisiolgico; C. clivada por agentes que desnaturam protenas, como

solventes orgnicos e altas concentraes de uria; D. estvel ao aquecimento em cidos fortes; E. ocorre com mais freqncia na configurao eis.

2.2 Qual das seguintes afirmaes est correta?

A. A hlice a pode ser composta por mais de uma cadeia polipeptdica.

B. As folhas 13 existem somente na forma antiparalela. C. As curvaturas 13 freqentemente contm prolina. D. Os motivos so um t ipo de estrutura secundria. E. A hlice a estabilizada principalmente por interaes

inicas entre as cadeias laterais dos aminocidos.

2.3 Qual das seguintes afirmativas sobre a estrutura protica est correta?

A. As protenas constitudas por um polipeptdeo podem ter estrutu ra quaternria.

B. A formao de uma ponte dissulfeto em uma protena requer que os dois resduos de cistena participantes estejam adjacentes entre si, na seqncia primria da protena.

C. A estabilidade da estrutura quaternria das protenas se d principalmente como resultado das ligaes covalentes entre as subunidades.

D. A desnaturao protica sempre resulta em perda irre-versvel das estruturas secundria e terciria.

E. A informao necessria para o dobramento correto de uma protena est contida na seqncia especfica dos aminocidos ao longo da cadeia polipeptdica.

2.4 Um homem de 80 anos de idade apresentava preju zo das funes intelectuais e alteraes de humor e de compor-tamento. Sua famlia relatou desorientao progressiva e perda de memria durante os ltimos seis meses. No h histria familiar de demncia. O paciente foi provi-soriamente diagnosticado como portador de doena de Alzheimer. Qual das seguintes hipteses melhor descreve a doena?

A. Est associada com a protena 13-amilide - uma pro-tena anormal, com seqncia alterada de aminoci-dos.

B. Resulta do acmulo de protenas desnaturadas que apresentam conformaes aleatrias.

C. Est associada com o acmulo da protena precursora amilide.

D. Est associada com o depsito de agregados de pept-deos amilides neurotxicos.

E. uma doena produzida por ao do ambiente, no influenciada pela gentica do indivduo.

Resposta correta = A. A ligao peptidica tem um carter de dupla ligao parcial. Ao contrrio de seus componentes - os grupos a -amino e o;-carboxila - os componentes da ligao peptidica no aceitam ou fornecem prtons. A ligao peptdica no clivada por solventes orgnicos ou uria, mas lbil em meio cido forte. Geralmente est em configurao trans.

Resposta correta = C. As curvaturas ~ treqentemente contm prolina, a qual proporciona uma dobra. A hlice o; difere da tolha ~ por ela sempre fazer parte da espiral de uma simples cadeia polipeptdica. A estrutura em tolha ~ pregueada ocorre tanto na forma paralela quanto na forma antiparalela. Os motivos so elementos da estrutura terciria. A hlice a. estabilizada principalmente por pontes de hidrognio entre os grupos -C=O e -NH- das ligaes peptfdicas.

Resposta correta = E. A organizao correta de uma protena direcionada por interaes especficas entre as cadeias late-rais dos resduos de aminocidos que compem uma cadeia polipeptidica. Os dois resduos de cistena que reagem para formar uma ponte dissulfeto podem estar distantes um do outro na estrutura primria (ou mesmo em polipeptdeos separados), mas so aproximados pela organizao t ridimensional da cadeia polipeptdica. A desnaturao pode ser reversvel ou irreversvel. A estrutura quaternria requer mais de uma cadeia polipeptidica. Essas cadeias encontram-se associadas por meio de interaes no-covalentes.

Resposta correta = O. A doena de Alzheimer est associada com longos agregados tibrilares proticos, constitudos de tolhas p pregueadas, encontrados no encfalo e em outros locais. A doena est relacionada com o processamento anor-mal de uma protena. O acmulo da protena alterada ocorre em uma configurao de folhas p pregueadas, que neuro-txica. A protena amilide Ap, depositada no encfalo em decorrncia da doena de Alzheimer, derivada por cl ivagem proteoltica de uma protena muito maior, a protena precursora amilide- uma protena transmembrana expressa na superfcie de clulas neurais e em outros tecidos. Muitos casos de doena de Alzheimer so espordicos, embora pelo menos 5 a 10% por cento dos casos tenham origem familiar.

Protenas Globulares

I. VISO GERAL

O captulo anterior descreveu os tipos de estruturas secundria e terciria que so os tijolos e a argamassa da arquitetura protica. Com o arranjo desses elementos estruturais fundamentais em diferentes combinaes, possvel const rui r uma grande diversidade de protenas, as quais sero capazes de desempenhar uma variedade de funes especializadas. Este captulo examina a relao entre a estrutura e a funo de algumas protenas globulares clini-camente importantes, as hemeprotenas. As protenas estruturais fibrosas so discutidas no Captulo 4.

11. HEMEPROTENAS GLOBULARES

Hemeprotenas so um grupo especial izado de protenas, as quais contm heme como grupo prosttico firmemente ligado (veja a pg. 54 para uma dis-cusso sobre grupos prostticos). O papel do grupo heme determinado pelo ambiente criado pela estrutura tridimensional da protena. Por exemplo, o grupo heme de um citocromo funciona como um carreador de eltrons, sendo alter-nadamente oxidado e reduzido (veja a pg. 75). Em contraste, o grupo heme da enzima catalase parte do stio ativo da enzima, a qual catalisa a quebra do perxido de hidrognio (veja a pg. 146). Na hemoglobina e na mioglobina, as duas hemeprotenas mais abundantes em humanos, o grupo heme serve para ligar, de forma reversvel, o oxignio.

A. A estrutura do heme

O heme um complexo entre a protoporfirina IX e o on ferroso (Fe2+) (Figura 3.1 ). O fe rro est preso no centro da molcula do heme por meio de ligaes aos quatro nitrogn ios do anel porfirn ico. O Fe2+ do heme pode fo rmar duas interaes adicionais, uma de cada lado do plano do anel porfi-rnico. Por exemplo, na mioglobina e na hemoglobina, uma dessas posies estabelece uma interao coordenada com a cadeia lateral de um resduo de histidina da molcula da globina, enquanto a outra posio fica dispon-vel para ligar o oxignio (Figura 3.2). (Veja a pg. 276 para uma discusso sobre a sntese e a degradao do heme.)

Figura 3.1 A. Hemeprotena (citocromo c). B. Estrutura do heme.

' I I

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Figura 3.2 A. Modelo da mioglobina, mostrando as hlices de A a H. B. Diagrama esquemtico do stio de ligao do oxignio na mioglobina.

8 . Estrutura e funo da mioglobina

A mioglobina, uma hemeprotena presente no corao e no msculo esqueltico, funciona tanto como um reservatrio de oxignio quanto como um carreador de oxignio, que aumenta a velocidade de trans-porte d e oxignio dentro da clu la muscular. A mioglobina consiste em uma nica cadeia polipeptdica, a qual estruturalmente similar a uma das cadeias polipeptdicas individuais que constituem as subunidades da molcula da hemoglobina. Essa homologia torna a mioglobina um modelo til para interpretar algumas das complexas propriedades da hemoglobina.

1. Contedo de hlice ex. A mioglobina uma molcula compacta, com aproximadamente 80% de sua cadeia polipeptdica dobrada em oito segmentos de hlice a. Essas regies a-hel icoidais, marcadas de A a H na Figura 3.2A, so delimitadas pela presena de prolina, cujo anel de cinco membros no pode ser acomodado na hlice a (veja a pg. 16), ou por curvas ~ e alas estabilizadas por pontes de hidrognio e ligaes inicas (veja a pg . 17).

2. Localizao dos resduos de aminocidos polares e apoiares. O interior da molcula de mioglobina constitudo quase que completa-mente por aminocidos apoiares. Eles esto compactados, formando uma estrutura estabilizada por interaes hidrofbicas entre esses res-duos (veja a pg. 19). Em contraste, os aminocidos carregados esto localizados quase exclusivamente na superfcie da molcula, onde podem formar pontes de hidrognio entre si e com a gua.

3. Ligao do grupo heme. O grupo heme da mioglobina se situa em uma fenda na molcula, a qual revestida por aminocidos no-polares . Excees notveis so dois resduos de histidina (Figura 3.28). Um, a histidina proximal, liga diretamente o ferro do grupo heme. O segundo, ou histidina distal, no interage diretamente com o grupo heme, mas ajuda a estabilizar a ligao do oxignio ao on ferroso. A poro protica da mioglobina, ou globina, cria assim um microambiente especial para o grupo heme, pe rmitindo a ligao rev

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