ligação de hidrogénio Liga

OH

HO

QCHzÜHOo

H H

HO OH H H

H OH

CHOH H2C-CH -CH20H2 I I

OHQO ° OH

H OH H

HH OH

p-o-galactosil-l-glicerol

As 71glicoproteínas podem subdividir-se em trêsclasses principais com base no tipo de ligaçãoque se estabelece entre a cadeia polipeptídicae a cadeia oligossacarídica. Nas O-glicoproteínas(ligação O-glicosídica ou do tipo 11), o C-I deum resíduo de Nacetilgalactosamina (ou, menosfrequentemente, outro monossacárido como,p. ex., a arabinose, galactose, manose ou xilose)encontra-se ligado por uma ligação O-glicosídicaao grupo oxidrilo da cadeia lateral de um resíduode serina ou treonina (abreviatura: GaINAc-Ser//Thr), Ligações de ocorrência. menos comumpodem também estabelecer-se com a 5-hidro-xilisina (ligação do tipo IIO, a 4-hidroxiprolina(ligação do tipo IV), o grupo tiólico da cisteína(ligação do tipo V) ou o grupo a-amina do ter-

• minal N de uma cadeia polipeptídica (ligaçãodo tipo VI).

CH20H° iHOOH c=o

OH H 1 Q IH 0- CH2- fH Resíduo de serina

H NH NH

l=o ~ICH3

Ligação O-glicosíclica (é uma ligação do tipo a)

Nas Nglicoproteínas (ligação Nglicosídica oudo tipo 0, o C-I de um resíduo de Nacetilglu-cosamina ocorre unido ao azoto amídico deum resíduo de asparagina (na sequência Asn--X-Ser ou Asn-X-Thr, em que X é qualquer

, resíduo de aminoácido excepto Pro e Asp) poruma ligação Nglicosídica (abreviatura: GlcNAc--Asn),Uma mesma glicoproteína pode conter na suamolécula ligações do tipo N e O; a glicoforina

1145

H

Cianina

ICHOH ° c=o

2 11 IQN_C-CH -CH Resíduo. deH H 1 P 2 I asparagma

HO OH H H NH

H NH lIC=O

ICH3

Ligação N-glicosídica (é uma ligação do tipo fI)

A, p. ex., um constituinte principal da membra-na dos eritrócitos humanos, contém 15 O-oli-gossacáridos e um Noligossacárido.Nas glicoproteínas fosfatidiÍinositol-glicana, o po-lipéptido está ligado ao oligossacárido via a fos-fatidiletanolamina. Um resíduo de glucosaminado oligossacárido está unido ao fosfatidilinositolque, por sua vez, está esterífícado a duas cadeiasde ácidos gordos, os quais ancoram a glicoproteí-na à membrana plasmática (ver figura na p. s.) .

R. BOA VIOA FERRElRA

ligação de hidrogénio - BIOQ. A L. H.,por vezes também referida por ligação hidro-génio e ligação por hidrogénio, é uma ligaçãoquímica que se estabelece em resultado da as-sociação de um átomo de hidrogénio, que seencontra ligado a um átomo electronegativo,com outro átomo electronegativo (e. g., flúor,oxigénio, azoto ou enxofre). O átomo de hidro-génio covalentemente ligado a um átomo elec-tronegatívo é partilhado com um segundo átomoelectronegativo. O átomo electronegativo ao qualo hidrogénio se encontra ligado covalentementedesigna-se por átomo dador do hidrogénio; ooutro átomo electronegativo com o qual o hi-drogénio é partilhado é denominado átomoaceitador do hidrogénio. Pode então dizer-seque a L. H. se forma entre um átomo de hi-drogénio ligado covalentemente a um grupodador (como, p. ex., -OH ou-,

N-H)

/1146

R

O~ I'C--CH-NH------------------~)/HNICH,ICH,IO

o IO--P--O

11o

Liga ligação de hidrogénio

Asp

Resíduode

fosfoeta-nolamina

,--------- Proteína

oI Go=p--oI

O

IH C-CH--CH'I I 'O OI I

O=C C=O

Estrutura do glicosilfosfatidilinositol de Trypanossoma brucei

e um par de electrões livres num grupo aceita-dor (como, p. ex.,

ou

~N ).-,

Estabelece-se, pois, entre um átomo de hidro-génio com uma carga eléctrica residual positivaque se encontra ligado covalentemente a umamolécula e um átomo aceitador com uma car-ga eléctrica residual negativa. A força do grupodador depende da sua electronegatividade -i. é, da intensidade da carga eléctrica negativaque foi retirada ao átomo de hidrogénio pelogrupo dador. O átomo de hidrogénio funciona,pois, como uma ponte entre os dois átomoselectronegativos, unindo-se a um deles por umaligação cova lente e ao outro por uma L. H. -esta ligação é, por isso, também denominadaponte de hidrogénio.Do ponto de vista biológico, as L. H. mais im-portantes envolvem átomos de hidrogénio liga-dos a átomos de oxigénio ou de azoto, ou,ocasionalmente, de enxofre.

1147

Fosfatidilinositol

H, / "-R-C c=o, /

C=Otl"N-tl-l·ttIH -N/ ,

H-N C-H-, / 'RLigação de hidrogénio entre grupos peptidicos

H

I-, /OI'I'I'I'I'I'N'I'IH-O, /'

/C, /",•••••• H H •••••.

Ligação de hidrogénio entre grupos oxidrilo-o--0-H"""""''''''O-""c-----·c:Y

Ligação de hidrogénio entre um grupo carboxiloe um grupo oxidrilo

I-Nt -H.-'-'-'-'-'-'-'-'-' 0,",-

I C-----H ~

O

Ligação de hidrogénio entre um grupo arnina e umgrupo carboxilo

Exemplos de Iígações de hidrogénio de ocorrênciacomum nas moléculas bíológícas

1148

São forças relativamente fracas (com energiasde ligação da ordem dos 12 a 30 kj.mol'),sendo mais fracas que as ligações covalentesmas consideravelmente mais fortes que as liga-ções de van der Waals. Apesar de ser umaforça fraca, é suficientemente forte para formaragregados de moléculas pequenas ou paraestabilizar a conformação de muitas macromo-léculas. Desempenha um papel muito importan-te na estrutura de proteínas, ácidos nuc1eicos epolissacáridos, bem como durante a replicação,transcrição e tradução. Na verdade, a energia deuma L. H. típica (- 20 kl.mol") é pequenaquando comparada com a energia de uma li-gação covalente (p. ex., 460 kj.mol" no casoda ligação O-H). Contudo, muitos biopolímeroscontêm tantos grupos capazes de estabelecerL. H. que este tipo de ligação acaba por serfundamental na determinação das suas estru-turas tridimensionais e nas suas associações in-termoleculares.A L. H. tem características quer de interacçãonão-covalente quer de interacção covalente.Exibe, por um lado, um carácter essencial-mente iónico ou electrostático devido à cargaeléctrica positiva parcial do átomo de hidrogé-nio ser atraída pelos electrões livres do aceitador.Por outro lado, o carácter parcial covalente daL. H. é indicado por três observações:a) a distância entre os átomos envolvidos naligação é consideravelmente menor do que aque seria de esperar a partir dos raios de vander Waals (uma L. H. típica tem um compri-mento de c. 0,2 a 0,3 nm, c. o dobro de umaligação covalente do tipo N-H ou O-H);b) a sua energia é significativamente maior doque a maioria das outras interacções não-cova-lentes;c) são direccionais (ver abaixo).A tabela ilustra as principais L. H. de importân-cia biológica.

ligação de hidrogénio Liga

A intensidade de uma L. H. depende, por umlado, da distância a que se encontram os áto-mos dador e aceitador e, por outro, da geome-tria da ligação. As ligações mais fortes ocorremquando a distância que separa os dois átomosvaria entre 0,27 e 0,31 nm. As L. H. apresentamum carácter fortemente direccional. As mais for-tes são geometricamente colineares, com osátomos dador, hidrogénio e aceitador dispos-tos em linha recta; tal acontece, p. ex., nasproteínas, nas L. H. que ocorrem nas hélices ae nas folhas pregueadas f3 antiparalelas. Se ohidrogénio não se projectar directamente parao átomo aceitador, a ligação será muito maisfraca - tal acontece, p. ex., nas proteínas, nasL. H. que estabilizam as folhas pregueadas f3paralelas.

H

\O-H--- 0-

a

0-

O/'-.H H

,,

,

bPropriedades direccionais das ligações de hidrogénio.

(a) O vector ao longo da ligação covalenteO - H projecta-se directamente para O átomode oxigénio aceitador, formando uma ligação

de hidrogénio forte; (b) O vector não se projectadirectamente para o átomo de oxigénio, o que se

traduz numa ligação muito mais fraca

A constante dieléctrica do meio em torno da L.H. afecta também a intensidade da ligação.Algumas das L. H. que ocorrem com mais fre-quência nas proteínas encontram-se ilustradasna figo seguinte.

Principais ligações de hidrogénio de importãncia biológica

Comprimento da ligação' (nrn) ObservaçõesDador ... aceitador

--OH'" 0,28 ± 0,01 Ligação de hidrogénio da água

/-OH'" O=C 0,28 ± 0,01-,-, /

N-H" o" 0,29 ± 0,01/ H-, /

N-H'" O=C 0,29 ± 0,01/ -,-, ~ 0,31 ± 0,02N-H ...

N"/-, / 0,37N-H ... S,,-/De ocorrência rara; mais fracaque as anteriores

1149 1150

"Definido como a distância entre o centro do átomo dador e o centro do átomo aceitador

Liga ligação de hidrogénio

Ligações de hidrogénio de ocorrênciacomum nas proteínas

/O=C, /

N-H--- O=C/ ,Péptido NH

/Péptido

Ser His

/H-CH -S-H--- O

2 '\.H

Cys H20

H O1 :1

-CH -N+-H--- O"""';;C-CH -2 I 2

HLys Glu

Dador Aceitador

As L. H. desempenham um papel muito impor-tante na estrutura das proteínas, particularmen-te nas estruturas de nível secundário, terciárioe quaternário. Em geral, todas as potenciali-dades de formação de L. H. são satisfeitas.Assim, os grupos carbonilo e amida do esque-leto central da cadeia polipeptídica participamem L. H. ou da estrutura de nível secundário,ou com a água, ou com uma cadeia lateral Rpolar de um resíduo de amínoácido. Por outrolado, há também formação de L. H. entre ca-deias laterais R polares de resíduos de arnínoá-cidos entre si e com a água. Muitas cadeiaslaterais dos aminoácidos proteicos contêm gru-pos químicos que podem funcionar como da-dores ou aceitadores na L. H. São exemplos osgrupos oxidrilo da serina e treonina, os gruposamina e os oxigénios dos grupos carbonilo daasparagina e glutamina e os átomos de azotodo anel da histidina. Contudo, outros resíduosde aminoácidos proteicos podem participar emL. H., como é o caso dos ácidos aspártico eglutâmico, lisina, arginina, cisteína, tirosina, tríp-tofano e metionina.A energia livre de formação de uma L. H. é,como vimos, relativamente baixa. Como as con-tribuições das L. H. para a estabilidade dasproteínas são aditivas, estas ligações desempe-nham um papel importante na estabilidade dasproteínas dado o número elevado em queocorrem. É difícil determinar qual o valor dacontribuição das L. H. para a estabilização daestrutura de nível terciário das proteínas. Con-siderando a proteína no estado desdobrado, osseus grupos polares internos poderão formar,em alternativa, L. H. com a água do meio cir-cundante. Haverá assim, em termos líquidos,

1151

pouco ou nenhum ganho de estabilidade quan-do a proteína passa de um estado desenroladoã sua configuração nativa, se considerarmosapenas as L. H. Mais, as L. H. estabeleci dasentre a proteína na forma desenrolada e aágua em seu redor terão de ser quebradas paraa proteína adquirir a sua estrutura nativa, po-dendo reformar-se de seguida. Provavelmente,não são as L. H. que, tal como as 71ligações depersulfureto, comandam a aquisição da estru-tura de nível terciário, mas poderão ser impor-tantes na sua estabilização. No entanto, é im-portante notar que a formação das L. H. internasnas proteínas pode fornecer uma base estruturalpara o processo de enrolamento. Se uma pro-teína se enrolar de tal modo que impeça oestabelecimento de L. H. entre alguns dos seusgrupos químicos polares, o ganho em estabilí-dade que resultaria da formação dessas ligaçõesperde-se, e a conformação adquirida pela pro-teína será menos estável do que outras confor-mações em que a capacidade total de formaçãode L. H. seja satisfeita.As L. H. desempenham também um papel im-portante na ligação das enzimas aos seus subs-tratos e na interacção proteína-DNA que se esta-belece entre as cadeias laterais de certos resíduosde aminoácidos e alguns grupos químicos espe-cíficos das purinas.No DNA de cadeia dupla, as duas cadeias poli-nucleotídicas são mantidas juntas por L. H. que seestabelecem entre pares de bases púricas e pirimi-clínicas complementares. A adenina encontra-sesempre emparelhada com a tirnina por meio deduas L. H., ao passo que a guanina ocorre sem-pre emparelhada com a citosina por meio de trêsL. H. (ver figura na p. s.). Todas estas L. H. sãofortes, urna vez que o átomo de hidrogénio envol-vido se encontra sempre projectado directamentepara o átomo aceitador de azoto ou oxigénio.Além destas ligações, muitos outros átomos dabase, do açúcar e dos grupos fosfato do DNA,formam L. H. com moléculas de água do meiocircundante. As L. H. desempenham tambémum papel importante nas estruturas de nívelsecundário e terciário de muitas moléculas deRNA, designadamente de tRNA. Estão aindaimplicadas na ligação anticódão do tRNA -códão do rnRNA durante a síntese de proteínas.A L. H. assume um papel de relevo na estruturade alguns polissacáridos, dos quais se destacam,a título de exemplo, a celulose e as gomas oumucilagens vegetais.

R. BOA VIDA FERRElRA

QUÍM. Tipo especial de ligação química emque um átomo de hidrogénio ligado a um ele-mento fortemente electronegativo (flúor, oxigé-nio, azoto ou cloro) ou mesmo a certos metaisem compostos organo-metálicos é solicitadosimultaneamente por outro elemento tambémfortemente electronegativo pertencente ã mes-ma ou a diferente molécula. Estas ligações, nãodescritíveis em termos clássicos, são fracasquando comparadas com as ligações químicasvulgares, mas desempenham um papel extre-mamente importante em muitos processos denatureza sobretudo física, pois afectam todasas propriedades que dependem do estado deagregação molecular, tais como os pontos defusão e ebulição, calores de sublimação e de

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ligação isopeptídica Liga

Citosina

--- --- ---

As ligações de hidrogénio entre os pares de bases do DNA: a adenina ocorre sempre ligada à timinapor duas ligações de hidrogénio e a guanina ligada à citosina por três ligações de hidrogénio

vaporização, viscosidade, solubilidade, momen-tos dipolares, etc. Um caso típico em que seencontram ligações desta espécie é o da água,tanto no estado sólido" como no liquido, justifi-cando os pontos de fusão e ebulição anormal-mente elevados desta substância. A própriaestrutura cristalina do gelo é determinada porfigações

O-H ···0

deste tipo, entre moléculas de água vizinhas.Sob o ponto de vista tecnológico, a formaçãode L. H. tem um papel relevante nos processosde tinturaria de tecidos de algodão e fibras sin-téticas, no mecanismo da adsorção e da adesão,na constituição das resinas, das fibras, do papel,etc. Por outro lado, condiciona a estrutura demuitas moléculas de interesse biológico, comoa das cadeias de polipeptídeos, cuja configura-ção em hélice-a, p. ex., é mantida por ligações

N-H ···0

o mesmo acontecendo ã hélice dupla do DNA,mantida por ligações

N -H ···0 e N -H ···N

1153

entre pares de bases orgânicas complementa-res de duas cadeias deste bio-polímero. A estefacto devem essas moléculas algumas proprie-dades especiais.Em biologia, a formação de L. H. é crucial, semelas não existiria água líquida (nos organismosou externamente), não haveria associação debio-polímeros e não existiria o cód. genético.Na verdade, fenómenos tão diversos como aactividade muscular, o mecanismo da memóriae a transmissão de caracteres hereditários de-pendem em larga medida de reacções envol-vendo a formação e a cisão destas ligações.

J. J. R. FRAÚSTO DA SILVA

BIBL.: R. J. P. Williams e J. J. R. Fraústo da Silva, Tbe Na-tural Selection ofthe Cbemical Elements, Oxford, 1997.

ligação isopeptídica - BIOQ. Recebe estadesignação qualquer 7Iligação peptíclica que nãoseja uma 7Iligação eupeptídica, i. é, qualquer liga-ção covalente do tipo arnída que se forme entreum grupo carboxilo de um aminoácido (ou resí-duo de aminoácido) e um grupo amina de outroaminoácido (ou resíduo de aminoácido), desdeque, pelo menos, um dos grupos não se encon-tre directamente ligado ao átomo de carbono a.

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