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

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  1. 1. •
  2. 2. Equipe de tradução: Carla Dalmaz (Caps. 1, 6, 8-10, 19-21, 26 e 33) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS Carlos Alberto Saraiva Gonçalves (Caps. 17 e 24) Doutor em Bioquímica, Professor Adjunto do Departamento de Bioquímica, ICBS Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Ciências Biológicas: Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS Carlos Alexandre Sanchez Ferreira (Caps. 29 a 31) Doutor em Bioquímica, UFRGS, Professor Adjunto do Departamento de Ciências Microbiológicas Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS Carmem Gottfried (Caps. 2 e 23) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS Christianne G. Salbego (Caps. 3 a 5) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS Cristina Brinckmann de Oliveira Netto (Caps. 27 e 32) Doutora em Bioquímica, Serviço de Genética Médica Hospital de Clínicas de Porto Alegre, RS Deusa Aparecida Vendite (Cap. 25) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS FátlmaT. Costa Rodrigues Guma (Cap. 18) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS Fernanda Urruth Fontella (Caps. 7 e 28) Farmacêutica-Bioquímica, Doutora em Fisiologia pela UFRGS, Laboratório Central da Santa Casa de Misericórdia de Porto Alegre, RS Márcia Rosângela Wink (Cap. 22) Doutora em Bioquímica, Professora do Departamento de Biofísica, IB Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS Regina Pessoa Pureur (Cap. 15) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS Regina Maria Vieira da Costa Guaragna (Cap. 16) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS Vera MariaTreis Trindade (Caps. 11 a 14) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS
  3. 3. 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, supervisão e revisão técnica desta edição: Carla Dalmaz Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal elo Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS
  4. 4. Obra originalmente publicada sob o título Lippincott 11/ustrated Revíews: Bíochemistry, 3/E ISBN 0-7817-2265-9 Esta publicação contém informações relacionadas a princípios gerais de cuidados médicos, que não devem ser interpretados como instruções específicas para pacientes individuais. As informações e os encartes dos fabricantes de produtos médicos devem ser revistos para informações atuais, incluindo contra-indicações, doses e precauções. © 2005 Lippincott Williams & Wilkins. Published by arrangement with Lippincott Williams &Wilkins, U.S.A. © 2006, Artmed Editora SA Capa: Mário Róhnelt Leitura final: Luana Peixoto, Daniele Cunha Supervisão editorial: Letícia Bispo de Lima · Editoração eletrônica: New Book Editoração Ltda. C451b Champe, Pamela C. ~Ociil~O Bra.silairn para b Proteçãodos Direitos EditoriaJSc Autcmris RESPEITE O AUTOR N AO F AçA COP IA www.abpdea org.br Bioquímica I Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier; tradução Carla Dalmaz ... [et ai.).- 3. ed.- Porto Alegre : Artmed, 2006. 544 p.; 28 cm. ISBN 85-363-0590-8 1. Bioquímica. I. Harvey, Richard A. 11. Ferrier, Denise R. III. Título. CDU 577.1 Catalogação na publicação: Júlia Angst Coelho- CRB Provisório 05/05 Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à ARTMED®EDITORA S.A. Av. Jerônimo de Ornelas, 670- Santana 90040-340 - Porto Alegre RS Fone: (51) 3027-7000 Fax: (51) 3027-7070 É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros), sem permissão expressa da Editora. SÃO PAULO Av. Angélica, 1.091 - Higienópolis 01227-100- São Paulo- SP Fone: {11) 3665-1100 Fax: (11) 3667-1333 SAC 0800 703-3444 IMPRESSO NO BRASIL PR/NTEO lN BRAZIL
  5. 5. .;• ~ . , ... . '' AUTORES COLABORADORES Cal Mclaughlin, Ph.D. Department of Biological Chemistry University of California, lrvine lrvine, California 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
  6. 6. Este livro é dedicado a Marilyn Schorin, cuja compreensão generosamente compartilhada acerca da natureza, juntamente com seu apoio resoluto, guiou palavras confusas em sua transformação em idéias coerentes.
  7. 7. Agradecimentos Somos gratos aos muitos amigos e colegas que generosamente contribuíram, com seu tempo e esforço, para nos ajudar a tornar este livro tão acurado e útil quanto possível. Também 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. Nós (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 à Dra. Mary Mycek, da Universidade de Medicina e Odontologia de New Jersey - Escola de Medicina de New Jersey, que participou ativamente deste projeto. Também ficamos gratos pelos muitos e úteis comentá- rios do Dr. William Zehring e do Dr. Jeff Mann. Sem artistas talentosos, uma obra ilustrada seria impossível; nesse sentido, fomos especialmente afortunados em trabalhar com Michael Cooper em todo este projeto. Seu senso artístico e sua habilidade em trabalhar com imagens digitais muito acrescentaram à nossa capacidade de tornar vivas para nossos leitores as "histórias" bioquímicas. Os editores e a equipe de produção da Lippincott Williams & Wilkins foram uma constante fonte de encorajamento e disciplina. Queremos agradecer especial- mente ao nosso editor, Neil Marquardt, por suas contribuições úteis, incentiva- deras e criativas: sua imaginação e disposição nos ajudaram a completar este complexo projeto. A edição final do livro foi aprimorada pelos esforços de Jenni- fer Glazer.
  8. 8. Sumário UNIDADE 1: Estrutura e função das proteínas Capítulo 1: Aminoácidos Capítulo 2: Estrutura das proteínas Capítulo 3: Proteínas globulares Capítulo 4: Proteínas fibrosas Capítulo 5: Enzimas UNIDADE 11: Metabolismo intermediário Capítulo 6: Bioenergética e fosforilação oxidativa Capítulo 7: Introdução aos carboidratos Capítulo 8: Glicólise' 1 13 25 43 53 69 83 89 Capítulo 9: ' Ciclo do ácido cítrico 107 Capítulo 10: Gliconeogênese 115 Capítulo 11: Metabolismo do glicogênio 123 Capítulo 12: Metabolismo de monossacarídeos e dissacarídeos / 135 Capítulo 13: ....v ia das pentoses-fosfato e NADPH 143 Capítulo 14: Glicosaminoglicanos e glicoproteínas 155 UNIDADE III: Metabolismo dos lipídeos Capítulo 15: Metabolismo dos lipídeos da dieta 171 Capítulo 16: Metabolismo dos ácidos graxos e triacilgliceróis 179 Capítulo 17: Metabolismo dos lipídeos complexos 199 Capítulo 18: Colesterol e metabolismo dos esteróides 217 UNIDADE IV: Metabolismo do nitrogênio Capítulo 19: Aminoácidos: destino do nitrogênio 243 Capítulo 20: Degradação e síntese dos aminoácidos 259 Capítulo 21: Conversão dos aminoácidos em produtos especializados 275 Capítulo 22: Metabolismo dos nucleotídeos 289
  9. 9. X Sumário UNIDADE V: Integração do metabolismo Capítulo 23: Efeitos metabólicos da insulina e do glucagon 305 Capítulo 24: O ciclo alimentado/jejum 319 Capítulo 25: Diabetes melito 335 Capítulo 26: Obesidade 347 Capítulo 27: Nutrição 355 Capítulo 28: Vitaminas 371 UNIDADE VI: Armazenamento e expressão da informação genética Capítulo 29: Estrutura e replicação do DNA 393 Capítulo 30: Estrutura e síntese do RNA 413 Capítulo 31: Síntese protéica 429 Capítulo 32: Biotecnologia e doença humana 445 UNIDADE VIl: Revisão da bioquímica Capítulo 33: Resumo de fatos-chave na bioquímica Índice 469 509
  10. 10. Aminoácidos I. VISÃO GERAL As proteínas são as moléculas mais abundantes e com maior diversidade de funções nos sistemas vivos. Praticamente todos os processos vivos dependem dessa classe de moléculas. Por exemplo, enzimas e hormônios polipeptídicos controlam e regulam o metabolismo do organismo, enquanto proteínas contrá- teis no músculo ensejam a realização dos movimentos. Nos ossos, a proteína colágeno forma uma estrutura para a deposição de cristais de fosfato de cálcio, aluando de modo semelhante aos cabos de aço que reforçam o concreto. Na corrente sangüínea, proteínas, como a hemoglobina e a albumina plasmática, transportam moléculas essenciais para a vida, enquanto as imunoglobulinas combatem bactérias e vírus potencialmente causadores de infecções. Em suma, as proteínas apresentam uma incrível diversidade de funções e, ainda assim, apresentam todas em comum a característica estrutural de serem polímeros de aminoácidos. Este capítulo descreve as propriedades dos aminoácidos; o Capítulo 2 mostra como esses blocos constitutivos simples são unidos para formar as proteínas - as quais apresentam estruturas tridimensionais únicas - , tornando-as capazes de desempenhar funções biológicas específicas. 11. ESTRUTURA DOS AMINOÁCIDOS Embora mais de 300 diferentes aminoácidos tenham sido descritos a partir de fontes naturais, apenas 20 deles são normalmente encontrados como consti- tuintes de proteínas em mamíferos. (Nota: Esses são os únicos aminoácidos codificados pelo DNA, o material genético da célula [veja a pág. 393).) Cada aminoácido (exceto a prolina, que é descrita na pág. 4) apresenta um grupo carboxila, um grupo amino e uma cadeia lateral distinta ("grupo R") ligados ao átomo de carbono a (Figura 1.1A). Em pH fisiológico (aproximadamente pH =7,4), o grupo carboxila encontra-se dissociado, formando o íon carboxilato, carregado negativamente (-COO-), e o grupo amino encontra-se protonado (- NH3• ). Nas proteínas, quase todos esses grupos carboxila e amino estão combinados, formando as ligações peptídicas, e, em geral, não estão disponí- veis para reações químicas, exceto pela possibilidade de formação de pontes de hidrogênio (Figura 1.1 B). Assim sendo, é a natureza dessas cadeias late- rais que determinará, em última análise, o papel de um aminoácido em uma A Aminoácido livre IGrupo A cadeia lateral é distinta para cada aminoácido. O carbono a encontra-se entre · os grupos carbo- xila e amino. B Aminoácidos combinados em ligações peptídicas - NH-CH-CO-NH-CH-C0- 1 I R R As cadeias laterais deter- minam as propriedades das proteínas. Figura 1.1 Características estruturais dos aminoácidos (mostrados em sua forma completamente protonada).
  11. 11. 2 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier CADEIAS LATERAIS APOLARES Figura 1.2 pK1 = 2,3 Glicina Leucina H I +H3N- C - COOH I CH2 Oc t11 N'....CH H Triptofano proteína. Portanto, será útil classificarmos os aminoácidos de acordo com as propriedades de suas cadeias laterais - isto é, se elas são apoiares (ou seja, apresentando uma distribuição homogênea de elétrons) ou polares (ou seja, apresentando uma distribuição desigual de elétrons, como no caso de ácidos e bases; Figuras 1.2 e 1.3). A. Aminoácidos com cadeias !aterias apoiares Cada um desses aminoácidos possui uma cadeia lateral, a qual não apre- senta a capacidade de receber ou doar prótons, ou de participar em liga- ções iônicas ou formação de pontes de hidrogênio (veja a Figura 1.2). As cadeias laterais desses aminoácidos podem ser pensadas como "oleosas", ou semelhantes a lipídeos, uma propriedade que promove interações hidrofóbicas (veja a Figura 2.9, pág. 18}. 1. Localização dos aminoácidos apoiares nas proteínas. Nas prote- ínas encontradas em soluções aquosas, as cadeias laterais apoiares dos aminoácidos tendem a agrupar-se no interior da proteína (Figura 1.4). Este fenômeno é o resultado da hidrofobicidade dos grupos R H I +H3N- C - COOH I CH3 Alanina H I +H3N- C - COOH I H - C - CH3 I CH2 I CH3 lsoleucina Metionina Valina H I ...H3N-C -COOH I óFenilalanina Prolina A classificação dos 20 aminoácidos encontrados nas proteínas de acordo com a carga e a polaridade de suas cadeias laterais é mostrada aqui e continua na Figura 1.3. Cada aminoácido é mostrado em sua forma completamente protonada, com os íons hidrogênio dissociáveis representados em vermelho. Os valores de pK para os grupos a-carboxila e a.-amino dos aminoácidos apoiares são semelhantes àqueles mostrados para a glicina. (Continua na Figura 1.3.)
  12. 12. CADEIAS LATERAIS POLARES DESPROVIDAS DE CARGA H . I ..H 3N- C - COOH I H - C - OH I H Serina Asparagina CADEIAS LATERAIS ÁCIDAS Ácido aspártico CADEIAS LATERAIS BÁSICAS Figura 1.3 H I pK1 =1,8 I•H 3N- C - COOH I CH2 I C=CH I I •H N~ __...NH I ~ pK2 =6,0 Histidina H I •H 3N- C -COOH I H - C - OH I CH3 Treonina Cisteína pK2 =9,2 ~ Lisina Bioquímica Ilustrada 3 Tirosina Glutamina Ácido glutâmico Arginina A classificação dos 20 aminoácidos encontrados nas proteínas, de acordo com a carga e a polaridade de suas cadeias laterais (continuação da Figura 1.2).
  13. 13. 4 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier Aminoácidos polares ( • ) na superfície de proteínas solúveis. Proteína solúvel Figura 1.4 Aminoácidos apoiares ( ) agrupados na superfície de proteínas de membrana. Proteína de membrana Localização dos aminoácidos apoiares em proteínas solúveis e de membrana. Grupo imino Prolina Figura 1.5 Grupo amino Alanina Comparação entre o grupo imino encontrado na prolina e o grupo a-amino encontrado em outros aminoácidos, como a alanina. +H3N-C - COOH Figura 1.6 I ôo I H o 11 ,c, Grupo carbonila Tirosina } Ponte de hidrogênio Ponte de hidrogênio entre o grupo hidroxila fenólico da tirosina e outra molécula contendo um grupo carbonila. apoiares, que aluam como gotículas de óleo que coalescem em um ambiente aquoso. Desse modo, os grupos R apoiares preenchem o interior da proteína na medida em que ela se enrola e ajudam a estabe- lecer sua forma tridimensional. (Nota: Nas proteínas localizadas em um ambiente hidrofóbico, como no interior de uma membrana, os grupos R apoiares são encontrados na superfície da proteína, interagindo com o ambiente lipídico [veja a Figura 1.4].) A importância dessas interações hidrofóbicas para a estabilização da estrutura protéica é discutida na pág. 19. 2. Prolina. A cadeia lateral da prolina e seu grupo a-amino formam um anel, de modo que esse aminoácido difere dos demais pelo fato de conter um grupo imino, em vez de um grupo amino (Figura 1.5). A geometria única da molécula da prolina contribui para a formação da estrutura fibrosa do colágeno (veja a pág. 45) e, freqüentemente, interrompe as hélices a encontradas em proteínas globulares (veja a pág. 26). B. Aminoácid os com cadeias laterais polares, desprovidas de carga elétrica Esses aminoácidos apresentam carga líquida igual a zero em pH neutro, embora as cadeias laterais da cisteína e da tirosina possam perder um próton em pH alcalino (veja a Figura 1.3). Os aminoácidos serina, treonina e tirosina contêm, cada um, um grupo hidroxila, que pode participar da for- mação de pontes de hidrogênio (Figura 1.6). As cadeias laterais da aspa- ragina e da glutamina contêm, cada qual, um grupo carbonila e um grupo amida, os quais podem também participar de pontes de hidrogênio. 1. Ligação dissulfeto. A cadeia lateral da cisteína contém um grupo s ulfidrila (-SH), o qual é um componente importante do sítio ativo de muitas enzimas. Nas proteínas, os grupos - SH de duas cisteínas podem tornar-se oxidados e formar um dímero, a cistina, que contém um ligação cruzada denominada ponte dissulfeto (- S- S- ). (Veja a pág. 19 para discussão acerca da formação da ligação dissulfeto.) 2. Cadeias laterais como sítios de ligação para outros compostos. A serina, a treonina e, mais raramente, a tirosina contêm um grupo hidroxila polar, que pode servir como um sítio de ligação para estrutu- ras, tais como um grupo fosfato. (Nota: A cadeia lateral da serina é um componente importante do sítio ativo de muitas enzimas.) Além disso, o grupo amida da asparagina, assim como os grupos hidroxila da serina e da treonina, pode servir como sítio de ligação para cadeias de oligos- sacarídeos nas glicoproteínas (veja a pág. 156). C. Aminoácidos com cadeias laterais ácidas Os aminoácidos ácido aspártico e ácido glutâmico são doadores de pró- tons . Em pH neutro, as cadeias laterais desses aminoácidos encontram- se completamente ionizadas, contendo um grupo carboxilato carregado negativamente (-Coo-). Esses aminoácidos são, portanto, denominados aspartato e glutamato, para enfatizar o fato de estarem carregados negati- vamente em pH fisiológico (veja a Figura 1.3). D. Aminoácidos com cadeias laterais básicas As cadeias laterais dos aminoácidos básicos são aceptoras de prótons (veja a Figura 1.3). Em pH fisiológico, as cadeias laterais da lisina e da arginina encontram-se completamente ionizadas, com carga positiva. Em contraste, a
  14. 14. histidina é fracamente básica e o aminoácido livre, em geral, não apresenta carga elétrica em pH fisiológico. Entretanto, quando a histidina encontra-se incorporada em uma proteína, sua cadeia lateral pode apresentar-se com carga positiva ou neutra, dependendo do ambiente iônico fornecido pela cadeia polipeptídica da proteína. (Nqta: Essa é uma propriedade importante da histidina e contribui para o papel que esse aminoácido desempenha no funcionamento de proteínas, tais como a hemoglobina [veja a pág. 26].) E. Abreviaturas e símbolos para os aminoácidos de ocorrência mais freqüente O nome de cada aminoácido possui uma abreviatura associada de três letras e um símbolo de uma letra (Figura 1.7). Os códigos de uma letra são determinados pelas seguintes regras: 1. Primeira letra única. Se apenas um nome de aminoácido começa com uma determinada letra, então aquela letra é utilizada como seu sím- bolo. Por exemplo, I = isoleucina. 2. Os aminoácidos de ocorrência mais freqüente têm prioridade. Se mais de um aminoácido têm seus nomes começando com determinada letra, o aminoácido de ocorrência mais freqüente recebe aquela letra como símbolo. Por exemplo, a glicina é mais freqüente que o glutamato, então G =glicina. 3. Nomes com sons semelhantes. Alguns símbolos de uma letra soam, em inglês, de forma semelhante ao início do nome do aminoácido que representam. Por exemplo, F = fenilalanina, ou W = triptofano ("twypto- phan", como diria Elmer Fudd). 4. Letra próxima à letra inicial. Para os demais aminoácidos, é atribuído um símbolo de uma letra, a qual deve estar tão próxima quanto possí- vel, no alfabeto, à letra inicial do nome daquele aminoácido. Além disso, a letra B é atribuída ao Asx, significando tanto ácido aspártico quanto asparagina, o Z é atribuído ao Glx, significando tanto ácido glutâmico quanto glutamina, e o X é atribuído a um aminoácido não-identificado. F. Propriedades ópticas dos aminoácidos O carbono a. de cada aminoácido está ligado a quatro grupos diferentes e é, portanto, um átomo de carbono quiral ou opticamente ativo. A glicina é a exceção, pois seu carbono a. apresenta dois átomos de hidrogênio como substituintes e, assim sendo, é opticamente inativa. (Nota: Os aminoácidos que apresentam um centro assimétrico em seu carbono a. podem existir em duas formas, designadas o e L, que são imagens especulares uma da outra [Figura 1.8]. As duas formas, em cada par, são denominadas estereoisôme- ros, isômeros ópticos ou enantiômeros.) Todos os aminoácidos encontrados nas proteínas apresentam a configuração L o-Aminoácidos, no entanto, são encontrados em alguns antibióticos e em paredes celulares de bactérias. (Veja a pág. 250 para uma discussão acerca do metabolismo de o-aminoácidos.) III. PROPRIEDADES ÁCIDO-BÁSICAS DOS AMINOÁCIDOS Os aminoácidos, em solução aquosa, contêm grupos a.-carboxila fracamente áci- dos e grupos a.-amino fracamente básicos. Além disso, cada um dos aminoácidos ácidos e cada um dos aminoácidos básicos contêm um grupo ionizável em sua cadeia lateral. Assim sendo, tanto os aminoácidos livres quanto alguns aminoá- Bioquímica Ilustrada 5 OPrimeira letra única C isteína = Cys = c H istidina = His = H l soleucina = lle = I Metionina = Met = M Serina = Ser = s V alina = Vai = v fJ Os aminoácidos de ocorrência mais freqüente têm prioridade Alanina = Ala = A Glicina = Gly = G Leucina = Leu = L Prolina = Pro = p Treonina = Thr = T B Nomes com sons semelhantes (conforme pronunciado em inglês) Arginina =Arg =R {"aRginine") Asparagina =Asn =N (contém 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 molécula) IJLetra próxima à letra inicial Aspartato ou = Asx = B (próxima do A) asparagina Glutamato ou = Glx = z glutamina Lisina = Lys = K (próxima do L) Aminoácido = X indeterminado Figura 1.7 Abreviaturas e símbolos para os aminoácidos de ocorrência mais freqüente. Figura 1.8 As formas o e L da alanina são imagens especulares (imagens no espelho).
  15. 15. 6 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier ow H2o Co Lo " .! .CH3 On ' CH3COO- FORMA I ~ FORMA 11 (ácido acético, HA) H+ (acetato, A- ) pH Figura 1.9 Curva de titulação do ácido acético. cidos combinados por meio de ligações peptídicas podem aluar como tampões. A relação quantitativa entre a concentração de um ácido fraco (HA) e sua base conjugada (A-) é descrita pela equação de Henderson-Hasselbalch. A. Derivação da equação Considere a liberação de um próton por um ácido fraco, representado por HA: HA ácido fraco H• próton + A- forma salina ou base conjugada O "sal" ou a base conjugada, A-, é a forma ionizada de um ácido fraco. Por definição, a constante de dissociação do ácido, K., é (Nota: Quanto maior o K., mais forte o ácido, pois indica que a maior parte de HA foi convertida em H• e A-. Por outro lado, quanto menor o K., menos ácido foi dissociado e, portanto, mais fraco é o ácido.) Se isolarmos [W] na equação anterior, tomando o logaritmo de ambos os lados da equação, multiplicando ambos os lados por - 1 e substituindo pH = - log [W] e pK. = - log K,, obteremos a equação de Henderson-Hasselbalch: 8. Tampões Um tampão é uma solução que resiste a mudanças de pH quando se adicionam pequenas quantidades de ácido ou base. Um tampão pode ser produzido pela mistura de um ácido fraco (HA) com sua base conju- gada (A-). Se um ácido, como o HCI, for adicionado a uma solução, pode ser neutralizado pelo A-, o qual, no processo, é convertido em HA. Se uma base for adicionada, o HA pode neutralizá-la, sendo convertido em A- nesse processo. A capacidade tamponante máxima ocorre quando o pH for igual ao pK., mas um par conjugado ácido/base pode ainda servir como tampão efetivo quando o pH da solução estiver até ±1 unidade de pH afastado do pK•. (Nota: Se as quantidades de HA e A- forem iguais, o pH é igual ao pK•.) Como mostrado na Figura 1.9, uma solução contendo ácido acético (HA = CH3- COOH) e acetato (A- = CH3- COO-), com um pK. de 4,8, resiste a mudanças no pH entre os pHs 3,8 e 5,8, com capacidade tamponante máxima no pH 4,8. (Nota: Em pHs abaixo do pK8 , a forma ácida, protonada [CH3- COOH], é a forma predominante. Em pHs acima do pK., a forma básica, não-protonada [CH3-C00l , é a forma predomi- nante na solução.) C. Titulação de um aminoácido 1. Dissociação do grupo carboxila. A curva de titulação de um amino- ácido pode ser analisada como descrito anteriormente para o ácido acético. Considere a alanina, por exemplo. Esse aminoácido contém um grupo a-carboxila e um grupo a-amino. Em pHs baixos (ácidos), ambos
  16. 16. H +H3N c COOH CH3 FORMAl Alanina em uma solução ácida (pH menor que 2) Carga líquida =+1 Figura 1.10 pK1 ::: 2,3 H +H 3N c coo- CH3 FORMA 11 Alanina em uma solução neutra (pH aproximadamente 6) Carga líquida =O (forma isoelétrica) Formas iônicas da alanina em soluções ácidas, neutras e básicas. os grupos encontram-se protonados (como mostrado na Figura 1.1O). À medida que o pH da solução é aumentado, o grupo - COOH da forma I pode dissociar, doando um próton ao meio. A liberação de um próton resulta na formação do grupo carboxilato, -coo-. Essa estrutura é mostrada como a forma 11, que é a forma dipolar da molécula (veja a Figura 1.10). (Nota: Essa forma, também denominada zwitterion, é a forma isoelétrica da alanina - ou seja, possui uma carga líquida igual a zero.) 2. Aplicação da equação de Henderson-Hasselbalch. A constante de dissociação do grupo carboxila de um aminoácido é denominada K1 , e não K., pois a molécula contém um segundo grupo titulável. A equação de Henderson-Hasselbalch pode ser utilizada para analisar a dissocia- ção do grupo carboxila da alanina do mesmo modo que o descrito para o ácido acético. K 1 = [H+] [li] - [-1] - Onde I é a forma completamente protonada da alanina e 11 é a forma isoelétrica da alanina (veja a Figura 1.10). Essa equação pode ser rear- ranjada e convertida em sua forma logarítmica para dar: [li] pH =pK1 + log [i] 3. Dissociação do grupo amino. O segundo grupo titulável da alanina é o grupo amino (-NH3+), mostrado na Figura 1.10. Ele é um ácido muito mais fraco que o grupo - COOH e, portanto, apresenta uma constante de dissociação muito menor, K2 . (Nota: Seu pK., portanto, é maior.) A liberação de um próton 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 dissociação seqüencial de prótons dos grupos car- boxila e amino da alanina está resumida na Figura 1.1 O. Cada grupo ow H2o ..)) ~ H+ pK2 =9,1 Bioquímica Ilustrada 7 H H2N c coo- CH3 FORM III Alanina em uma solucão básica (pH acima de 1O) Carga líquida =- 1
  17. 17. 8 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier Região de tamponamento ~ H I H2N-ç- coo- CH3 FORMA III 4 6 pH H +H N-C-COOH 3 I • CH3 FORMAl Figura 1.11 H I •H3N-ç-coo- CH3 FORMA 11 Curva de titulação da alanina. titulável apresenta um pK. que é numericamente igual ao pH no qual exatamente metade dos prótons foram removidos daquele grupo. O pK. para o grupo mais acídico (-COOH) é o pK,, enquanto o pK. para o grupo acídico seguinte (-NH3•) é o pK2. 5. Curva de titulação da alanina. Pela aplicação da equação de Hender- son-Hasselbalch a cada grupo acídico dissociável, é possível calcular a curva de titulação completa de um ácido fraco. A Figura 1.11 mostra a variação no pH que ocorre durante a adição de base à forma comple- tamente protonada da alanina (1), até produzir a forma completamente desprotonada (III). Observe o seguinte: a. Pares tampões: o par -COOH/-COo- pode servir como um tam- pão na região de pH ao redor do pK, e o par -NH3·/-NH2 pode tamponar na região ao redor do pK2 . b. Quando pH = pK: quando o pH é igual ao pK, (2,3), existem na solução quantidades iguais das formas I e 11 da alanina. Quando o pH é igual ao pK2 (9,1), estão presentes na solução quantidades iguais das formas 11 e III. c. Ponto isoelétrico: em pH neutro, a alanina existe predominante- mente como a forma dipolar 11, na qual os grupos amino e carboxila estão ionizados, mas a carga líquida é zero. O ponto isoelétrico (pi) é o pH no qual um aminoácido é eletricamente neutro - ou seja, no qual a soma das cargas positivas é igual à soma das cargas nega- tivas. (Nota: Para uma aminoácido, como a alanina, por exemplo, que apresenta apenas dois hidrogênios dissociáveis [um do grupo o:-carboxila e um do grupo ex-amino], o pi é a média entre pK, e pK2 [pi= [2,3 + 9,1]/2 = 5,7, veja a Figura 1.10). O pi está 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 líquida igual a zero) e em que há também quantidades iguais das formas I [carga líquida +1] e III [carga líquida -1].) 6. Carga líquida dos aminoácidos em pH neutro. Em pH fisiológico, todos os aminoácidos apresentam um grupo carregado negativamente (-COOl e um grupo carregado positivamente (- NH3. ), ambos ligados ao carbono a. (Nota: Os aminoácidos glutamato, aspartato, histidina, arginina e lisina apresentam, além desses, outros grupos potencial- mente carregados em suas cadeias laterais.) Substâncias como os aminoácidos, que podem atuar como ácidos ou bases, são definidas como anfotéricas e são chamadas anfólitos (eletrólitos anfotéri- cos). D. Outras aplicações da equação de Henderson-Hasselbalch A equação de Henderson-Hasselbalch pode ser utilizada para calcular como o pH de uma solução fisiológica responde a mudanças na concen- tração de um ácido fraco e/ou de sua correspondente forma de "sal". Por exemplo, no sistema tampão do bicarbonato, a equação de Hender- son-Hasselbalch prediz como mudanças na [HC03- ) e na pC02 influen- ciam o pH (Figura 1.12A). A equação também é útil para calcular as quantidades das formas iônicas de grupos acídicos e básicos. Por exem- plo, muitas drogas são ácidos fracos ou bases fracas (Figura 1.128).
  18. 18. Drogas ácidas (HA) liberam um próton (W), determinando a formação de um ânion carregado (A-). HA ;:Z Bases fracas (BH•) também podem liberar um H•. A forma protonada das drogas básicas, no entanto, normalmente possui carga elétrica, e a perda de um próton produz a base desprovida de carga (B). Uma droga passa através de membranas mais facilmente quando não estiver carregada. Assim sendo, para um ácido fraco, a forma desprovida de carga HA pode permear membranas e A- não pode fazê-lo. Para uma base fraca, como a morfina, por exemplo, a forma desprovida de carga, B, atravessa membranas, enquanto BH• não o faz. Portanto, a concentração efetiva da forma permeável de cada droga em seu sítio de absorção é determinada pelas concentrações relativas das formas carregada e desprovida de carga. A razão entre as duas formas é, por sua vez, determinada pelo pH no sítio de absorção e pela força do ácido fraco ou da base fraca, representada pelo pK. do grupo ionizável. A equação de Henderson-Hasselbalch é útil para a determinação da quantidade de droga encontrada em cada lado de uma membrana que separa dois compartimentos que diferem com relação ao pH, como, por exemplo, o estômago (pH 1,0-1,5) e o plasma sangüíneo (pH 7,4). IV. MAPAS DE CONCEITOS-CHAVE Os estudantes algumas vezes encaram a bioquímica como uma série obscura de fatos ou equações a serem memorizados, em vez de um corpo de conceitos a serem compreendidos. Detalhes fornecidos com a finalidade de enriquecer a compreensão desses conceitos tornam-se, inadvertidamente, distrações. O que parece estar faltando seria um mapa do caminho - um guia que forneça aos estudantes uma compreensão intuitiva de como vários tópicos encai- xam-se para fazer sentido. Pensando assim, os autores criaram uma série de mapas bioquímicos de conceitos-chave, que ilustram graficamente as rela- ções entre as idéias apresentadas em um capítulo e mostram como a informa- ção pode ser agrupada ou organizada. Um mapa conceituai é, portanto, uma ferramenta para visualizar conexões entre conceitos. O material é apresentado de maneira hierárquica, com os conceitos mais gerais e inclusivos no topo do mapa e aqueles conceitos mais específicos e menos gerais arranjados abaixo. A. Como é construído um mapa de conceitos-chave? 1. Quadros de conceitos vinculados. Os educadores definem conceitos como "regularidades percebidas em eventos ou objetos". Em nossos mapas bioquímicos, os conceitos incluem abstrações (por exemplo, energia livre), processos (por exemplo, fosforilação oxidativa) e com- postos (por exemplo, glicose-6-fosfato). Esses conceitos amplamente definidos estão priorizados, com a idéia central posicionada no topo da página. Os conceitos que seguem a partir dessa idéia central estão desenhados em quadros (Figura 1.13A). O tamanho do quadro e da letra indicam a importância relativa de cada idéia. Linhas são desenha- das entre os quadros dos conceitos para mostrar como se relacionam. A marcação na linha define a relação entre dois conceitos, de modo Bioquímica Ilustrada 9 DBICARBONATO COMO UM TAMPÃO •e Um aumento no íon bicarbonato faz com que o pH aumente. e Obstrução pulmonar provoca um aumento no díóJCido de carbono e faz com que o pH diminua. mABSORÇÃO DE DROGAS • pH = pK+ Iog (Droga- ] [Droga-H] e No pH do estômago (1,5), uma droga como a Aspirina®(ácido fraco, pK =3,5) estará predominantemente protonada (COOH) e, portanto, desprovida de carga. e Drogas desprovidas de carga elétrica geralmente at ravessam membranas mais rapidamente que moléculas com carga. LUZ DO ESTÔMAGO Figura 1.12 Membrana lipídica A equação de Henderson- Hasselbalch é utilizada para prever: (A) variações no pH, à medida que as concentrações de HC03- ou C02 são alteradas; ou (B) as formas iônicas das substâncias.
  19. 19. 1O Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier mQuadros de conceitos vinculados r:l Conceitos vinculados &:ii dentro de um mapa Degradação das proteínas é produzido pela Conjunto deami· noácidos leva à proteínas corporais é consumido pela Conjunto de ami- noácidos Conceitos com vínculos cruzados com outros capítulos e outros livros nesta série ... como a proteína se dobra em sua conformação nativa Esrruturad.t~ s Protoín.1s 2 ::~:~lia Figura 1.13 .. . como o dobramento incorreto das proteínas pode levar à doença do príon, como por exemplo a doença de Creutzfeldt-Jakob uveja a pág. 397 Símbolos utilizados nos mapas de conceitos-chave. 2. que possa ser lido como uma afirmação válida, ou seja, a conexão passa a ter sentido. As linhas com cabeças de setas indicam qual o sentido em que a conexão deve ser lida. Vínculos cruzados. Ao contrário dos padrões ou diagramas de fluxo linear, os mapas de conceitos-chave podem conter vínculos cruza- dos, que permitem ao leitor visualizar relações complexas entre idéias representadas em diferentes partes do mapa (Figura 1.138) ou entre o mapa e outros capítulos neste livro ou em livros complementares desta série (Figura 1.13C). Vínculos cruzados podem assim identificar con- ceitos centrais em mais de uma disciplina, permitindo aos estudantes eficiência em situações clínicas e no exame de licenciamento médico (nos Estados Unidos) ou em outros exames com características multi- disciplinares. Os estudantes aprendem, assim, a perceber visualmente relações não-lineares entre fatos, em contraste com referências 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 informações novas a conceitos relevantes que já possuem. Para aprender de modo significativo, os indivíduos devem escolher, consciente- mente, relacionar informações novas ao conhecimento que já têm, em vez de, simplesmente, memorizar definições de fatos ou conceitos isolados. A simples memorização não é desejável, pois tal aprendizado é facilmente esquecido e não é prontamente aplicável à resolução de problemas em novas situações. Assim sendo, os mapas de conceitos-chave preparados pelos autores não devem ser decorados. Isso seria meramente a promoção do aprendizado por memorização, fugindo ao propósito dos mapas. Em vez disso, espera-se que os mapas de conceitos-chave funcionem como matrizes ou guias para organizar a informação, de modo que os estudantes possam faci lmente descobrir as melhores maneiras de integrar informações novas no corpo de conhecimentos que já possuem. V. RESUMO DO CAPÍTULO Cada aminoácido apresenta um grupo a-carboxila e um grupo a-amino (exceto a prolina, que possui um grupo imino). Em pH fisiológico, o grupo a-carboxila está dissociado, formando o íon carboxilato (- Coo-), carregado negativamente, e o grupo ex-amino está protonado (-NH3+). Cada aminoácido também apresenta uma cadeia lateral (são 20 cadeias laterais diferentes, para os 20 aminoácidos) ligada ao átomo de carbono a. A natureza química dessa cadeia lateral determina a função de um aminoácido em uma proteína e fornece a base para a classificação dos aminoácidos em apoiares, polares desprovidos de carga, ácidos e básicos. Todos os aminoácidos livres podem servir como tampões, assim como os aminoácidos que apresentam carga quando ligados às cadeias peptídicas. A relação quantitativa entre a concen- tração de um ácido fraco (HA) e sua base conjugada (A-) é descrita pela equa- ção de Henderson-Hasselbalch. O tamponamento ocorre na faixa do pK. ±1 unidade de pH e é máximo quando pH =pK., situação na qual [A-] =[HA]. O carbono a de cada aminoácido (com exceção da glicina) está ligado a quatro diferentes grupos químicos e é, portanto, um átomo de carbono quiral ou opti- camente ativo. Apenas a forma L dos aminoácidos é encontrada nas proteínas sintetizadas pelo corpo humano.
  20. 20. Bioquímica Ilustrada 11 Grupo o:-carboxila (-COOH) I, esta ~ desprotonado (- COOl em pH fisiológico / Cadeias laterais apoiares Alanina IGlicina lsoleucina Leucina Metionina Fenilalanina Prolina Triptofano Valina encontradas j J I [ Aminoácidos (completamente protonados) são compostos por Grupo o:-amino Cadeias laterais de (-NH3+) 20 tipos diferentes eltá ~ protonado (-NH,·) em IpH fisiológico compostas por I 1Cadeias laterais Cadeias laterais Cadeias !aterias polares, desprovidas de carqa Asparagina Cisteína Glutamina Serina Treonina Tirosina '------ r __] encontradas ácidas básicas Ácido aspártico Arginina JÁcido glutâmico Histidina caracte!izadas por Lisina caracterizadas por ~ •A cadeia lateral se A cadeia lateral é dissocia em -coo- protonada e geral- em pH fisiológico mente a resentap L----,-------'1 carga positiva em pH fisiológico encontradas encontradas No exterior de proteínas que aluam em um ambiente aquoso e no interior de proteínas associadas a membranas No interior de proteínas que aluam em um ambiente aquoso e na superfície de proteínas (como proteínas de membrana) que interagem com lipídeos podem j Liberar H' eatuam como Ácidos fracos conforme descrito pela Equação de Henderson- Hasselbalch: pH = pK. + Iog-A:_ HA I que prediz que prediz que que prediz Máxima capacidade tampo- nante quando pH = pK. que prediz que t pH = pK. quando [HA] = [Al Estrutur•da• PToteínas 2 Nas proteínas, a maior parte dos grupos a-coo- e a-NH3• dos amino- ácidos está com- binada, formando ligações peptídicas. Portanto, esses grupos não estão disponíveis para reações químicas. Desse modo, a natureza química da cadeia lateral determina o papel que o aminoácido terá em uma prote- ína, em especial... ... como a proteína dobra para assumir sua con- formação nativa. :·;.:.1 .;r."' - Figura 1.14 Mapa de conceitos-chave para os aminoácidos.
  21. 21. 12 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier Como questões para estudo, podemos sugerir... OEnquanto você pensa acerca da questão, cubra a resposta 1.1 Qual das seguintes alternativas pareia corretamente um aminoácido com uma característica química válida? A. Glutamina: com um cartão... B. Serina: C. Cisteína: O. lsoleucina: E. Glicina: Contém um grupo hldroxila em sua cadeia lateral. Pode formar pontes dissulfeto. Contém a menor cadeia lateral. É treqüentemente enconlrada mergulhada no centro das proteínas. Contém um grupo amida em sua cadeia lateral. fd .. .e então remova o cartão e confirme se sua resposta e seu raciocíno estão corretos. 1.1 Qual das seguintes alternativas pareia corretamente um aminoácido com uma caracterfstica química válida? Resposta correta • O, Em proteír;as encotltradas emsoiUÇôes aqliOSiS, os cadelas la_teralsde ~~;~~e~:,~;~~f. hidroxila em t:? aI ~~=r~:·no'tt:~s:~~~a.A Pode formar pontes dissulfeto. u•çlutamJM conlém uma amida em sua cadelalat61"81.A serinae a trocnna oontõm grupos A. Glutamina: B. Serina: O. lsoleucina: Contém a menor cadeia R hidroxia em suos cadeiaslaterais.A crsteina lateral. podetxmarligações dissi.Meto.Agicina posstJI a t freqüentemente encontrada ~ p;""""',..._,=.._-__.,_'""'_1 _ _ _ _ _ _-.J C. Cisteína: E. Glicina: mergulhada no cenlro das proteínas. Q Contém um grupo amida em sua ("1( cadeia lateral. V "l Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 1.1 Qual das seguintes alternativas pareia corretamente um aminoácido com uma característica química válida? A. Glutamina: Contém um grupo hidroxila em sua cadeia lateral. B. Serina: C. Cisterna: D. lsoleucina: E. Glicina: Pode formar pontes dissulfeto. Contém a menor cadeia lateral. É freqüentemente encontrada mergulhada no centro das proteínas. Contém um grupo amida em sua cadeia lateral. 1.2. Qual das seguintes afirmativas a respeito da glutamina está correta? A. Contém três grupos tituláveis. B. É classificada como um aminoácido ácido. C. Contém um grupo amida. D. Seu símbolo de uma letra é E. E. Migra para o cátodo (eletrodo negativo) durante uma eletroforese em pH 7,0. JfL Resposta correta =D. Em proteínas encontradas em soluções aquosas, as cadeias laterais de aminoácidos apoiares, como a isoleucina, tendem a agrupar-se no interior da proteína. A glutamina contém uma amida em sua cadeia lateral. A serina e a treonina contêm grupos hidroxila em suas cadelas laterais. A cisteína pode formar ligações dissulfeto. A glicina possui a menor cadeia lateral. Resposta correta =C. A glutamina contém dois grupos titulá- veis, a u-carboxila e o u-amino. A glutamina é um aminoácido polar, neutro, que apresenta pouca mobilidade eletroforética em pH 7,0.O símbolo para a glutamina é 'Q'.
  22. 22. Estrutura das Proteínas I. VISÃO GERAL Os 20 aminoácidos comumente encontrados em proteínas estão unidos entre si por ligações peptídicas. A seqüência linear dos aminoácidos ligados contém a informação necessária para formar uma molécula protéica com uma estrutura tridimensional única. A complexidade da estrutura protéica é melhor analisada considerando-se a molécula em termos de quatro níveis de organização, deno- minados primário, secundário, terciário e quaternário (Figura 2.1 ). Um exame desses níveis de complexidade crescente revelou que, em uma ampla variedade de proteínas, certos elementos estruturais são repetidos, sugerindo que existem "regras" gerais relacionadas às maneiras pelas quais as proteínas.se organizam. Estes elementos estruturais repetidos variam desde combinações simples de hélices u. e folhas ~ . formando motivos pequenos (pág. 18), até o dobramento complexo dos domínios polipeptídicos de proteínas multifuncionais (pág. 18). 11. ESTRUTURA PRIMÁRIA DAS PROTEÍNAS A seqüência de aminoácidos em uma proteína é denominada estrutura pri- mária da proteína. A compreensão da estrutura primária das proteínas é impor- tante, pois muitas doenças genéticas resu ltam em proteínas com seqüências anormais de aminoácidos, ocasionando organização irregular, com perda ou prejuízo da função normal. Se as estruturas primárias das proteínas normais e mutantes são conhecidas, esta informação pode ser usada para diagnosticar ou estudar a doença. A. A ligação peptídica Nas proteínas, os aminoácidos são unidos covalentemente por ligações pep- tídicas, as quais são ligações amida entre o grupo u.-carboxila de um amino- ácido e o grupo u.-amino de outro. Por exemplo, a valina e a alanina podem formar o dipeptídeo valilalanina, por meio da formação de uma ligação pep- tídica (Figura 2.2.). As ligações peptídicas não são rompidas por condições desnaturantes, como aquecimento ou altas concentrações de uréia. Deve haver uma exposição prolongada a um ácido ou a uma base forte em tem- peraturas elevadas para hidrolisar essas ligações de forma não-enzimática. H H H H I I I I - N- C-C-N- C- 1 11 I H O CH3 Figura 2.1 Os quatro níveis estruturais das proteínas.
  23. 23. 14 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier m Formação da ligação peptídica H I •H N- c - coo-3 I CH3 Valina Alanina Características da ligação peptídica Ligação Ligação peptídica trans R R peptídica eis R Ligações peptídicas em proteínas • Caráter de dupla ligação parcial · • Rígida e planar • Configuração trans • Sem carga, porém polar Figura 2.2 A. Formação de uma ligação peptídica, representando a estrutura do dipeptídeo valilalanina. 8. Características da ligação peptídica. 1. Nomeando o peptídeo. Por convenção, a extremidade amino livre da cadeia peptídica (N-terminal) é escrita à esquerda, e a extremidade carboxila livre (C-terminal), à direita. Dessa forma, todas as seqüências de aminoácidos são lidas da extremidade N para a C-terminal do pep- tídeo. Por exemplo, na Figura 2.2A, a ordem dos aminoácidos é "valina, alanina", e não "alanina, valina". A ligação de muitos aminoácidos por ligações peptídicas resulta em uma cadeia não-ramificada, denominada polipeptídeo. Cada aminoácido que compõe um peptídeo é denomi- nado "resíduo". Quando um polipeptídeo é nomeado, os sufixos -ina, -ano, -ico ou -ato, dos resíduos de aminoácidos, são alterados para -ii, com exceção do aminoácido C-terminal. Por exemplo, um tripeptídeo composto por uma valina N-terminal, uma glicina e uma leucina C-ter- minal é denominado valil-glicil-leucina. 2. Características da ligação peptídica. A ligação peptídica tem um caráter de dupla ligação parcial, isto é, é mais curta do que uma liga- ção simples e é rígida e planar (Figura 2.28). Isso impede a rotação livre da ligação entre o carbono da carbonila e o nitrogênio da ligação peptídica. Entretanto, as ligações entre os carbonos a e os grupos a- amino ou a-carboxila podem rotar livremente (embora limitadas pelo tamanho e caráter dos grupos R). Isso permite que a cadeia polipep- tídica assuma uma variedade de configurações possíveis. A ligação peptídica geralmente é uma ligação trans (em vez de eis; veja a Figura 2.28), em grande parte devido à interferência estérica dos grupos R quando em posição eis. 3. Polaridade da ligação peptídica. Assim como todas as ligações amida, os grupos -C=O e -NH da ligação peptídica não possuem carga e nem aceitam ou fornecem prótons na faixa de pH de 2 a 12. Assim, os grupos carregados presentes nos polipeptídeos consis- tem unicamente no grupo a-amino N-terminal, no grupo a-carboxila C-terminal e de quaisquer grupos ionizáveis presentes nas cadeias laterais dos aminoácidos constituintes. (Nota: Os grupos -C=O e -NH da ligação peptídica são polares e estão envolvidos em pontes de hidrogênio; por exemplo, nas hélices a e folhas p, descritas nas págs. 16-17.) 8. Determinação da composição de aminoácidos de um polipeptídeo O primeiro passo para determinar a estrutura primária de um polipeptídeo é identificar e quantificar seus aminoácidos constituintes. Uma amostra purificada do polipeptídeo a ser analisado é primeiramente submetida à hidrólise por um ácido forte, a 11 0°C durante 24 horas. Esse tratamento cliva as ligações peptídicas e libera os aminoácidos individuais, os quais podem ser separados por cromatografia de troca de cátions. Nessa técnica, uma mistura de aminoácidos é aplicada a uma coluna que contém uma resina à qual um grupo carregado negativamente está firmemente aderido. (Nota: Se o grupo aderido for carregado positivamente, a coluna torna-se trocadora de ânions.) Os aminoácidos ligam-se à coluna com diferentes afinidades, dependendo das suas cargas, hidrofobicidade e outras características. Cada aminoácido é seqüencialmente liberado da coluna cromatográfica por eluição com soluções de crescente força iônica e pH (Figura 2.3). Os aminoácidos separados, contidos no líquido eluído da coluna, são quantificados após o aquecimento com ninhidrina, um rea- gente que forma um composto de cor púrpura com a maioria dos aminoá- cidos, amônia e aminas. A quantidade de cada aminoácido é determinada por espectrofotometria, medindo-se a quantidade de luz absorvida pelo
  24. 24. derivado da ninhidrina. A análise descrita anteriormente é efetuada por meio de um analisador de aminoácidos- um aparelho automático, cujos componentes são ilustrados na Figura 2.3. C. Seqüenciamento do peptídeo a partir de sua extremidade N-terminal O seqüenciamento é um processo gradual de identificação de aminoácidos específicos em cada posição da cadeia polipeptídica, iniciando na extre- midade N-terminal. O fenilisotiocianato, conhecido como reagente de Edman, é usado para marcar o resíduo aminoterminal, sob condições leve- mente alcalinas (Figura 2.4). O derivado resultante, feniltioidantoína (PTH), provoca uma instabilidade na ligação peptídica N-terminal, que pode ser seletivamente hidrolisada sem clivar as outras ligações peptídicas. A iden- tidade do aminoácido obtido pode então ser determinada. O reagente de Edman pode ser aplicado repetidamente ao peptídeo mais curto, resultante de cada ciclo prévio. Esse processo foi automatizado e, atualmente, a repe- tição do método pode ser efetuada por um aparelho ("seqüenciador") para determinar a seqüência de mais de 100 resíduos de aminoácidos, iniciando na extremidade aminoterminal de um polipeptídeo. D. Clivagem do polipeptídeo em fragmentos menores Muitos polipeptídeos têm uma estrutura primária composta de mais de 100 aminoácidos. Essas moléculas não podem ser seqüenciadas diretamente de uma extremidade a outra por um seqüenciador. Entretanto, essas moléculas maiores podem ser clivadas em sítios específicos e os fragmentos resultan- tes podem ser seqüenciados. Utilizando-se mais de um agente de clivagem (enzimas e/ou produtos químicos) em amostras separadas do polipeptídeo purificado, fragmentos justapostos podem ser gerados para permitir o orde- namento correto dos fragmentos seqüenciados, fornecendo assim a seqüên- cia completa de aminoácidos do polipeptídeo maior (Figura 2.5). E. Determinação da estrutura primária de uma proteína por seqüenciamento do DNA A seqüência de nucleotídeos em uma reg1ao de codificação do DNA determina a seqüência de aminoácidos de um polipeptídeo. Assim, se a seqüência de nucleotídeos pode ser determinada, é possível, por meio do código genético (veja a pág. 429), traduzir a seqüência de nucleotí- deos na seqüência correspondente de aminoácidos daquele polipeptídeo. Esse processo, embora usado rotineiramente para obter as seqüências Bioquímica Ilustrada 15 Bomba de tampão F==::-r===XF=> lnjeção de amostra Figura 2.3 Coluna de troca iônica Fita de registro ou computador Determinação da composição de aminoácidos de um polipeptídeo, utilizando um analisador de aminoácidos. O Marcação H2N-c;:H-2~COOH ( ) f) Liberação do derivado do aminoácido por hidrólise ácida CH . ~ Pepttdeo ~ Alanina c N·terminal " 6 HN-c;:H-2~COOH H2N~COOH ICH3 Peptídeo marcado Peptídeo mais curto soe;: + O:rNHJ a ",l-c':H " JH' Fenilisotiocianato CH3 PTH-alanina Figura 2.4 Determinação do resíduo aminoterminal de um polipeptídeo por degradação de Edman.
  25. 25. 16 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier Peptideo de seqüência desconhecida ~ 1 1. Clivagem com tripsina nos sítios O contendo lisina e arginina 2. Determinação da seqüência dos peptideos, utilizando o método de Edman --------Peptídco A Qual a seqüência correta? Peptídeo B Peptídeo C ® @©? @©@? ®@©? @©@? ©®@? @@@? Peptídeo de seqüência desconhecida ~n 11.Clivagem com brometo de g cianogênio no sítio da metionina 2. Determinação da seqüência dos peptídeos, utilizando o método de Edman ...._...........Peptídeo X PeptídeoY Seqüência original do peptídeo Figura 2.5 Peptídeos justapostos produzidos pela ação da tripsina e de brometo de cianogênio. Figura 2.6 As cadeia laterais dos aminoácidos se estendem para fora da hélice. Hélice a mostrando o esqueleto do peptídeo. de aminoácidos das proteínas, apresenta as limitações de não ser capaz de prever as posições das ligações dissulfeto na cadeia dobrada e de não identificar qualquer aminoácido que seja modificado após sua incorpora- ção ao polipeptídeo (modificação pós-tradução, veja a pág. 440). Assim, o seqüenciamento direto de proteínas é uma ferramenta extremamente importante para determinar o verdadeiro caráter da seqüência primária de muitos polipeptídeos. III. ESTRUTURA SECUNDÁRIA DAS PROTEÍNAS O esqueleto polipeptídico não assume uma estrutura tridimensional aleatória, em vez disso, geralmente forma arranjos regulares de aminoácidos que estão localizados próximos uns aos outros na seqüência linear. Esses arranjos são denominados estrutura secundária do polipeptídeo. A hélice a, a folha ~ e a dobradura ~ são exemplos de estruturas secundárias freqüentemente encon- tradas em proteínas. (Nota: A hélice do colágeno, outro exemplo de estrutura secundária, é discutida na pág. 43.) A. Hélíce a Existem várias hélices polipeptídicas diferentes encontradas na natureza, mas a hélice a é a mais comum. Ela apresenta uma estrutura helicoidal, que consiste de um esqueleto polipeptídico central em espiral e bem com- pacto, com as cadeias laterais dos aminoácidos que a compõem esten- dendo-se para fora do eixo central, de modo a evitar a interferência estérica entre si (Figura 2.6). Um grupo variado de proteínas contém hélices a. As queratinas, por exemplo, são uma família de proteínas fibrosas intimamente relacionadas, cuja estrutura é quase totalmente constituída de hélices a. Elas constituem os principais componentes de tecidos como o cabelo e a pele, e sua rigidez é determinada pelo número de ligações dissulfeto entre as cadeias polipeptídicas constituintes. Em contraste à queratina, a mioglo- bina, cuja estrutura é formada por aproximadamente 80% de hélices a, é uma molécula globular flexível (veja a pág. 26). 1. Pontes de hidrogênio. Uma hélice a é estabilizada por uma ampla formação de pontes de hidrogênio entre os átomos de oxigênio das carbonilas e os hidrogênios das amidas das ligações peptídicas que compõem o esqueleto polipeptídico (veja a Figura 2.6). As pontes de hidrogênio estendem-se na espiral, do oxigênio da carbonila ao grupo - NH- de uma ligação peptídica quatro resíduos à frente no polipep- tídeo. Isso assegura que todas, exceto a primeira e a última ligações peptídicas componentes, estejam ligadas entre si por pontes de hidra- gênio. Essas ligações são individualmente fracas, mas coletivamente servem para estabilizar a hélice. 2. Aminoácidos por passo. Cada passo (ou volta completa) de uma hélice a contém 3,6 aminoácidos. Assim, os resíduos de aminoácidos separados por três ou quatro resíduos na seqüência primária estão espacialmente próximos, quando dobrados em hélice a. 3. Aminoácidos que quebram uma hélice a . A prolina quebra uma hélice a, porque o seu grupo imino não é compatível geometricamente com a espiral voltada para a direita da hélice a. Assim, ela insere uma dobra na cadeia, que interrompe a suave estrutura helicoidal. Um grande número de aminoácidos carregados (por exemplo, glutamato, aspartato, histidina, lisina ou arginina) também quebra a hélice a, pela formação de ligações iônicas ou por se repelir eletrostaticamente um
  26. 26. Bioquímica Ilustrada 17 aminoácido ao outro. Finalmente, os aminoácidos com cadeias laterais volumosas, como o triptofano, ou aminoácidos como a valina ou a iso- mleucina, que se ramificam no carbono 13 (o primeiro carbono no grupo R, logo após o carbono a), podem interferir com a formação de uma hélice a se estiverem em grande número. 8 . Folha 13 A folha 13 é outra forma de estrutura secundária, na qual todos os compo- nentes da ligação peptídica estão envolvidos com pontes de hidrogênio (Figura 2.7A). As superfícies das folhas 13 apresentam uma aparência "pregueada" e essas estruturas são, portanto, freqüentemente denomina- das "folhas 13 pregueadas". Quando são feitas ilustrações da estrutura protéica, as fitas 13 são muitas vezes visualizadas como setas largas (Figura 2.78). 1. Comparação entre a fol ha 13 e a hélice a. Ao contrário da hélice a, as folhas 13 são compostas de duas ou mais cadeias peptídicas (fitas 13) ou segmentos de cadeias polipeptídicas, as quais apresentam-se quase totalmente estendidas. Note também que, nas folhas 13. as pon- tes de hidrogênio são perpendiculares ao esqueleto polipeptídico (veja a Figura 2.7A). 2. Folhas paralelas e antiparalelas. Uma folha 13 pode ser formada por duas ou mais cadeias polipeptídicas ou segmentos de cadeias polipep- tídicas 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 hidrogênio são formadas entre os esqueletos polipeptídicos de cadeias polipeptídicas separadas, elas são denomi- nadas ligações intercadeias. Uma folha 13 também pode ser formada por uma única cadeia polipeptídica, dobrando-se sobre si mesma (veja a Figura 2.7C). Nesse caso, as pontes de hidrogênio s!3.o ligações intracadeia. Em proteínas globulares, as folhas 13 sempre apresentam uma curvatura para a direita, quando observadas ao longo do esque- leto polipeptídico. (Nota: Folhas 13 dobradas freqüentemente formam a parte central de proteínas globulares.) C. Curvaturas 13 {voltas reversas) As curvaturas 13 revertem a direção de uma cadeia polipeptídica, auxi- liando a formação de uma estrutura compacta e globular. Elas nor- malmente são encontradas na superfície das moléculas protéicas e freqü entemente contêm resíduos carregados . (Nota: As curvaturas 13 receberam esse nome porque elas muitas vezes conectam faixas sucessivas de folhas 13 antiparalelas.) As curvaturas 13 geralmente são compostas por quatro aminoácidos, um dos quais pode ser a prolina - o iminoácido que causa uma "dobra" na cadeia polipeptídica. A glicina, o aminoácido com menor grupo R, também é encontrada com freqüência nas curvaturas 13. As curvaturas 13 são estabilizadas pela formação de pontes de hidrogênio e ligações iônicas. D. Estrutura secundária não-repetitiva Aproximadamente a metade de uma proteína globular média está organi- zada em estruturas repetitivas como a hélice a e/ou as folhas 13. O restante da cadeia polipeptídica é descrito como tendo uma conformação em alça ou Folha 13 pregueada antiparalela 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 única cadeia polipeptídica, dobrando-se sobre si mesma.
  27. 27. II I 18 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier lUnidade ~-a-~ Chave grega Meandro ~ Barril ~ Figura 2.8 Motivos estruturais comuns, combinando hélices a e folhas ~· Seus nomes descrevem seus aspectos esquemáticos. (Nota: A chave grega leva o nome de um desenho freqüentemente encontrado na cerâmica grega clássica.) H O I 11 ~ N- C - C-.NYVVV" I I H ÇH2 Dois resíduos SH Esqueleto de cisteína SH polipeptídico ~ ~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 ÇH2 sI sI I ÇH2 N -c-c -.NYVVV" I 11 H O Figura 2.9 Formação de uma ponte dissulfeto pela oxidação de dois resíduos de cisteína, produzindo um resíduo de cistina. em espiral. Essas estruturas secundárias não-repetitivas não são "aleatórias", mas simplesmente possuem uma estrutura menos regular do que aquelas descritas anteriormente. (Nota: O termo "espiral randômica" refere-se à estru- tura distorcida, obtida quando as proteínas são desnaturadas [veja a pág. 21].) E. Estruturas supersecundárias (motivos) As pràteínas globulares são construídas pela combinação de elementos estruturais secundários (hélices a, folhas ~ e seqüências não-repetitivas). Esses formam principalmente a região central - isto é, o interior da molé- cula. Eles são conectados por regiões em alça (por exemplo, curvaturas p) na superfície da proteína. As estruturas supersecundárias são normalmente produzidas pelo agrupamento das cadeias laterais de elementos estruturais secundários adjacentes, próximos um do outro. Assim, por exemplo, as hélices a e as folhas ~. que são adjacentes na seqüência de aminoácidos, também são normalmente (mas não sempre) adjacentes na proteína final, dobrada. Alguns dos motivos mais comuns estão ilustrados na Figura 2.8. IV. ESTRUTURA TERCIÁRIA DAS PROTEÍNAS GLOBULARES A estrutura primária de uma cadeia polipeptídica determina sua estrutura terci- ária. (Nota: ''Terciária" refere-se tanto ao dobramento dos domínios [as unidades básicas de estrutura e função, veja a discussão a seguir) quanto ao arranjo final dos domínios no polipeptídeo.) A estrutura das proteínas globulares em solu- ção aquosa é compacta, com uma alta densidade (estrutura muito dobrada) de átomos no centro da molécula. As cadeias laterais hidrofóbicas são posi- cionadas no interior, enquanto os grupos hidrofílicos geralmente são encon- trados na superfície da molécula. Todos os grupos hidrofíl icos (incluindo os componentes da ligação peptídica) localizados no interior do polipeptídeo estão envolvidos na formação de pontes de hidrogênio ou de interações eletrostáticas. (Nota: As estruturas em hélice a e em folha ~ proporcionam o máximo de pon- tes de hidrogênio aos componentes da ligação peptídica no interior dos polipep- tídeos, eliminando assim a possibilidade de que as moléculas de água possam ligar-se a esses grupos muito hidrofílicos e romper a integridade da proteína.) A. Domínios Domínios são as unidades funcionais fundamentais com estrutura tridi- mensional em um polipeptídeo. As cadeias polipeptídicas maiores do que
  28. 28. 200 aminoácidos de comprimento geralmente apresentam dois ou mais domínios. O centro de um domínio é formado a partir de combinações de elementos estruturais supersecundários (motivos). O dobramento da cadeia peptídica dentro de um domínio normalmente ocorre indepen- dentemente do dobramento em outros domínios. Assim, cada domínio apresenta as características de uma proteína globular pequena e com- pacta, que é estruturalmente independente de outros domínios na cadeia polipeptídica. B. lnterações que estabilizam a estrutura terciária A estrutura tridimensional única de cada polipeptídeo é determinada por sua seqüência de aminoácidos. As interações entre as cadeias laterais dos aminoácidos direcionam o dobramento do polipeptídeo para formar uma estrutura compacta. Quatro tipos de interações cooperam para estabilizar as estruturas terciárias das proteínas globulares. 1. Pontes dissulfeto. Uma ponte dissulfeto é uma ligação covalente for- mada pelos grupos sulfidrila (-SH) de dois resíduos de cisteína para produzir um resíduo de cistina (Figura 2.9). As duas cisteínas podem estar separadas uma da outra por muitos aminoácidos na seqüência primária de um polipeptídeo, ou podem mesmo estar localizadas em duas cadeias polipeptídicas diferentes; o dobramento da(s) cadeia(s) polipeptídica(s) aproxima os resíduos de cisteína e permite a ligação covalente de suas cadeias laterais. Uma ponte dissulfeto contribui para a estabilidade da conformação tridimensional da molécula protéica. Por exemplo, muitas ligações dissulfeto são encontradas em proteínas como as imunoglobulinas, que são secretadas pelas células. (Nota: Essas fortes ligações covalentes contribuem para estabilizar a estrutura das proteínas e evitar que elas se tornem desnaturadas no meio extra- celular.) 2. lnterações hidrofóbicas. Os aminoácidos com cadeias laterais hidrofóbicas tendem a ficar localizados no interior da molécula poli- peptídica, onde eles se associam com outros aminoácidos hidrofó- bicos (Figura 2.1 0). Em contraste, aminoácidos com cadeias laterais polares ou com carga tendem a ficar na superfície da molécula, em contato com o solvente polar. (Nota: Proteínas localizadas em ambientes apoiares [lipídicos]. como as membranas celulares, exi- bem um arranjo inverso - isto é, as cadeias laterais de aminoácidos hidrofílicos estão localizadas no interior do polipeptídeo, enquanto os aminoácidos hidrofóbicos estão localizados na superfície da molé- cula, em contato com o ambiente apoiar [veja a Figura 1.4, pág. 4).) Em qualquer dos casos, ocorre a segregação energeticamente mais favorável dos grupos R. 3. Pontes de hidrogênio. Cadeias laterais de aminoácidos contendo hidrogênio ligado a oxigênio ou nitrogênio, como os grupos alcoólicos da serina e da treonina, podem formar pontes de hidrogênio com áto- mos ricos em elétrons, como o oxigênio dos grupos carboxila ou grupos carbonila das ligações peptídicas (Figura 2. 11 ; veja também a Figura 1.6, pág. 4). A formação de pontes de hidrogênio entre grupos polares na superfície de uma proteína e o solvente aquoso aumentam a solubi- lidade da proteína. 4. lnterações iônicas. 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 ). Bioquímica Ilustrada 19 H H O I I 11 ~ N -C -C-vVVYVV'- 1 HC- CH3 ?H2 lsoleucina CHs Esqueleto polipeptídico j Figura 2.10 ; H3C CH3 ~ ' eH... '" ' Leucina ~H2 N-C - C~ I l 11 H H O lnterações hidrofóbicas entre aminoácidos com cadeias laterais apoiares. Glutamato Aspartato H H O H H O I I 11 1 I 11 VV"<-N - C-C~N-C-C~ I ÇH2 ÇH2 c o"_ 'o· Figura 2.11 +NH I 3 ÇH2 ÇH2 ÇH2 H CH2 I I N-C-C I 11 H O Lisina Ligação iónica lnterações de cadeias laterais de aminoácidos por meio de pontes de hidrogênio e ligações iônicas.
  29. 29. 20 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier fJ Formação de domínios n Formação de um IU monômero protéico final t Figura 2.12 Etapas no dobramento protéico. C. Dobramento protéico As interações entre as cadeias laterais dos aminoácidos determinam como uma cadeia polipeptídica longa se dobra para formar a intricada confor- mação tridimensional de proteínas funcionais. O dobramento protéico, que ocorre dentro da célula de segundos a minutos, emprega um atalho pelo labirinto de possibilidades de dobramento. Com um dobramento peptídico, as cadeias laterais dos aminoácidos são atraídas ou repelidas de acordo com suas propriedades químicas. Por exemplo, cadeias laterais carrega- das positiva e negativamente atraem umas às outras. Por sua vez, cadeias laterais com cargas semelhantes repelem-se umas às outras. Além disso, as interações envolvendo pontes de hidrogênio, interações hidrofóbicas e pontes dissulfeto podem influenciar o processo de dobramento. Esse pro- cesso de ensaio e erro testa muitas, mas não todas as possibilidades de configuração, em busca de um estado no qual as atrações sobrepujem as repulsões. Isso resulta em uma proteína dobrada corretamente, com um baixo estado energético (Figura 2.12). O. Papel das chaperonas no dobramento protéico Geralmente se aceita que a informação necessária para corrigir o dobra- mento da proteína está contida na estrutura primária do polipeptídeo. Considerando essa premissa, é difícil explicar por que as proteínas, em sua maioria, quando desnaturadas (veja a seguir), não retomam sua con- formação nativa sob condições ambientais favoráveis. Uma resposta para esse problema é que a proteína começa a se dobrar durante os estágios de síntese, em vez de esperar que a síntese de toda a cadeia esteja completa. Isso limita a competição entre configurações de dobramento, possíveis em bandas maiores do peptídeo nascente. Além disso, um grupo especializado de proteínas, denominadas "chaperonas", é requerido para o dobramento adequado de muitas espécies de proteínas. As chaperonas - também denominadas proteínas de "choque térmico" - interagem com o poli- peptídeo em vários estágios durante o processo de dobramento. Algumas chaperonas são importantes para manter a proteína desdobrada até que sua síntese esteja terminada, ou agem como catalisadores, aumentando a velocidade dos estágios finais no processo de dobramento. Outras pro- tegem as proteínas durante o dobramento, para que as regiões expostas, mais vulneráveis, não formem dobramentos improdutivos. V. ESTRUTURA QUATERNÁRIA DAS PROTEÍNAS Muitas proteínas consistem em uma única cadeia polipeptídica, sendo defini- das como proteínas monoméricas. Outras, entretanto, consistem em duas ou mais cadeias polipeptídicas, que podem ser estruturalmente idênticas ou totalmente diferentes. O arranjo dessas subunidades polipeptídicas é denomi- nado estrutura quaternária da proteína. (Nota: Se existem duas subunidades, a proteína é denominada "dimérica", se são três subunidades, "trimérica", e se existem várias subunidades, "multimérica".) As subunidades são mantidas unidas por interações não-covalentes (por exemplo, pontes de hidrogênio, ligações iônicas e interações hidrofóbicas). As subunidades podem funcionar independentemente umas das outras ou podem trabalhar cooperativamente, como no caso da hemoglobina, onde a ligação do oxigênio a uma subunidade do tetrâmero aumenta a afinidade das outras subunidades ao oxigênio (veja a pág. 29).
  30. 30. VI. DESNATURAÇÃO DE PROTEÍNAS A desnaturação protéica resulta no desdobramento e na desorganização das estruturas secundária e terciária, sem que ocorra hidrólise das ligações peptí- dicas. Os agentes desnaturantes incluem calor, solventes orgânicos, agitação mecânica, ácidos ou bases fortes, detergentes e íons ou metais pesados, como chumbo e mercúrio. A desnaturação pode, sob condições ideais, ser reversível; nesse caso, a proteína dobra-se novamente em sua estrutura original quando o agente desnaturante for removido. Entretanto, as proteínas, em sua maioria, uma vez desnaturadas, ficam permanentemente alteradas. As proteínas desna- turadas são freqüentemente insolúveis, e, portanto, precipitam em solução. VIl. DOBRAMENTO INADEQUADO DE PROTEÍNAS O dobramento protéico é um processo complexo de ensaio e erro, que algu- mas vezes pode resultar em moléculas dobradas de forma imprópria. Essas proteínas dobradas de forma incorreta são normalmente marcadas e degra- dadas dentro da célula (veja a pág. 441 ). Entretanto, esse sistema de controle de qualidade não é perfeito, e agregados intra ou extracelulares de proteínas inadequadamente dobradas podem se acumular, particularmente durante o envelhecimento. Depósitos dessas proteínas impróprias estão associados com algumas doenças, incluindo amiloidoses. A. Amiloidoses O dobramento impróprio de proteínas pode ocorrer espontaneamente ou ser causado por uma mutação em um determinado gene, o que produz uma proteína alterada. Além disso, algumas proteínas, aparentemente normais, após uma clivagem proteolítica anormal assumem uma conformação única, que leva à formação de longos feixes de proteínas fibrilares, constituídos de folhas ~ pregueadas. O acúmulo desses agregados protéicos espontâneos, denominados amilóides, tem sido implicado em muitas doenças degenerati- vas - particularmente na desordem neurodegenerativa denominada doença de Alzheimer. O componente predominante da placa amilóide que se acu- mula na doença de Alzheimer é um peptídeo formado por 40 a 43 resíduos de aminoácidos, denominado Ap. Os métodos de cristalografia de raios X e espectroscopia de infravermelho demonstram uma conformação caracterís- tica de folha ~ pregueada na forma de fibrilas não-ramificadas. Esse peptí- deo, quando agregado na configuração de folha ~ pregueada, é neurotóxico e é o evento patogênico central, que leva a um prejuízo cognitivo, caracterís- tico da doença. O peptídeo amilóide A~, depositado no cérebro em decor- rência da doença de Alzheimer, é derivado por clivagem proteolítica de uma proteína muito maior, a proteína precursora amilóide - uma proteína com um único domínio transmembrana, expressa na superfície de células neurais e em outros tecidos (Figura 2.13). Os agregados contendo o peptídeo A~ formam a placa amilóide, localizada no parênquima cerebral e ao redor dos vasos sangüíneos. A maioria dos casos de doença de Alzheimer não é de origem genética, embora pelo menos cinco a dez por cento dos casos tenha origem familiar. Um segundo fator biológico envolvido no desenvolvimento da doença de Alzheimer é o acúmulo cerebral de emaranhados neurofibrila- res. Um componente-chave desse emaranhado de fibras é a forma anormal da proteína tau, que na forma saudável auxilia na organização da estrutura microtubular. A proteína tau defeituosa, entretanto, parece bloquear as ações da sua forma equivalente normal. Bioquímica Ilustrada 21 precursora amilóide ~ Clivagem enzimática ~)l(rff I~ Clivagem enzimática ··~ Aj3 Me;n'b~1~~~ õÚH,~ rç;~liJW.&rr..r ~,.-------- Agregação espontãnea para formar fibrilas insolúveis de folha ~ pregueada. Modelo de fibrilas amilóides .. Figura 2.13 ~ Fotomicrografia de placas amilóides em uma secção de córtex temporal proveniente de um paciente com doença de Alzheimer Formação das placas amilóides encontradas na doença de Alzheimer.
  31. 31. 22 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier O A interação da molécula PrP infecciosa com uma PrP normal faz com que a forma normal fJ adquira a forma infecciosa. PrP não-infecciosa (oontém héUoe o) ~ ~,pinfeocio"' ~ (:Cntém folhas jl) ,,PrP infecciosa (contém folhas 13) Essas duas moléculas se dissociam e convertem duas moléculas adicionais de PrP não· infecciosa na forma infecciosa. PrP não-infecciosa (contém hélice a) f PrP não-infecciosa (contém hélice a ) ' Isso resulta em um aumento exponencial da forma infecciosa. Figura 2.14 Um mecanismo proposto para a multiplicação de agentes príon infecciosos. 8. Doença do príon A proteína do príon (PrP) tem sido fortemente implicada como o agente causador das encefalopatias espongiformes transmissíveis (EETs}, incluindo a doença humana de Creutzfeldt-Jakob, o scrapie* em ovelhas e a encefalopatia espongiforme bovina no gado (popularmente conhecida como "doença da vaca louca"}. 1 Após uma ampla série de procedimentos de purificação, os cientistas ficaram perplexos ao descobrir que a infeccio- sidade do agente causador do scrapíe em ovelhas estava associada a uma única espécie de proteínas, que não era associada a ácidos nucleicos detec· táveis. Essa proteína infecciosa é designada proteína do príon. Ela é alta- mente resistente à degradação proteolítica e, na forma infecciosa, tende a formar agregados fibrilares insolúveis, similares à placa amilóide encontrada em outras doenças encefálicas. Uma forma não-infecciosa da PrP, contendo as mesmas seqüências de aminoácidos e de genes do agente infeccioso, está presente em encéfalo normal de mamíferos, na superfície de neurônios e de células gliais. Dessa forma, a PrP é uma proteína capaz de cooptar outras. Não se tem encontrado diferenças estruturais primárias ou modifica- ções pós-tradução entre as formas normal e infecciosa da proteína. A chave para se tornar uma proteína infecciosa aparentemente reside em alterações na conformação tridimensional da PrP. Tem sido observado que diversas hélices a presentes na forma não-infecciosa da PrP são substituídas por folhas p na forma infecciosa (Figura 2.14). Provavelmente é essa diferença de conformação que confere uma relativa resistência à degradação prole· olítica de príons infecciosos e que lhes permite serem distinguidos da PrP normal em tecidos infectados. O agente infeccioso é, então, uma versão alterada da proteína normal, agindo como uma "matriz" ao fazer a proteína normal assumir uma conformação patogênica. As EETs são invariavelmente fatais e atualmente nenhum tratamento é capaz de alterar esse resultado. VIII. RESUMO DO CAPÍTULO Para entender a estrutura protéica é central o entendimento do conceito de confor- mação nativa (Figura 2.15), que é a estrutura protéica inteiramente organizada e funcional (por exemplo, uma enzima ativa ou uma proteína estrutural). A estrutura tridimensional única da conformação nativa é determinada pela estrutura primária, isto é, a seqüência de aminoácidos. As interações entre as cadeias laterais dos aminoácidos direcionam a organização de uma cadeia polipeptídica para formar estruturas secundárias, terciárias e (algumas vezes) quaternárias, as quais cooperam para a estabilização da conformação nativa da proteína. Além disso, as "chaperonas", um grupo especializado de proteínas, são necessárias para a correta organização de muitas espécies de proteínas. A desnaturação protéica resulta no desdobramento e na desorganização da estrutura protéica, sem que haja hidrólise das ligações peptídicas. A desnaturação pode ser reversível ou, mais freqüente· mente, irreversível. Doenças podem ocorrer quando uma proteína aparentemente normal adquire uma conformação que é citotóxica, como no caso da doença de Alzheimer e das encefalopatias espongiformes transmissíveis (EETs}, incluindo a doença de Creutzfeldt-Jakob. Na doença de Alzheimer, proteínas normais, após um processo químico anormal, adquirem um estado de conformação único, que leva à formação de agregados neurotóxicos de proteínas amilóides, em forma de folha ppregueada. Nas EETs, o agente infeccioso é uma versão alterada da proteína do príon normal, agindo como uma "matriz" por fazer a proteína normal assumir uma conformação patogênica. N. de T. Scrapie- do inglês scrape (roçar, raspar); doença fatal em ovelhas e cabras, marcada por coceira intensa, perda da coordenação motora e degeneração progressiva do sistema nervoso central. 1 Veja a pág. 397 em Microbiologia Ilustrada para uma discussão mais detalhada sobre prions.
  32. 32. Bioquímica Ilustrada 23 Hierarquia da estrutura protéica [Hélice a [ Folha p [ l consiste em Curvatura P(voltas reversas) -+---0>- -----1 ( Estruturas não-repetitivas [ Estruturas supersecundárias [ Interações hidrofóbicas [ Pontes de hidrogénio [ lnterações eletrostáticas [ Pontes dissulfeto [ lnterações hidrofóbicas estabilizada por Primária é a seqüência de aminoácidos é a organização tridimensional da cadeia dobrada é contribui para pode ser ,----------.-•1 Chaperonas desorga- Função Biológica Por exemplo: • Catálise e Proteção • Regulação e Transdução de sinal e Armazenamento e Estrutural e Transporte nQação >-,---0-e_s_n_a_t_u_ra_n_t_e_s____ ocasionada por r ::-- ------c-----c----j Por exemplo: e Uréia e Temperatura e pH extremos [ Pontes de hidrogênio estabilizada por o arranjo de múltiplas subuni- dades polipeptídicas na proteína pode contribuir para algumas podem recuperar e Solventes orgânicos [ lnterações eletrostáticas veja a pág. 397 D Doençade L sCreutzfeldt-Jakob Figura 2.15 Doença de Alzheimer conduz à r:;::::l conduz a -+----- ~--------1 pode formar j Organização alterada conduza conduz à [ Proteínas amilóides J~-----{________j Mapa de conceitos-chave referentes à estrutura protéica. A maioria das proteínas não pode se reorganizar após a remoção do agente desnaturante tDesnaturação irreversível
  33. 33. ,. 24 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 2.1 Uma ligação peptídica: A. apresenta um caráter de dupla ligação parcial; B. está ionizada em pH fisiológico; C. é clivada por agentes que desnaturam proteínas, como solventes orgânicos e altas concentrações de uréia; D. é estável ao aquecimento em ácidos fortes; E. ocorre com mais freqüência na configuração eis. 2.2 Qual das seguintes afirmações está correta? A. A hélice a pode ser composta por mais de uma cadeia polipeptídica. B. As folhas 13 existem somente na forma antiparalela. C. As curvaturas 13 freqüentemente contêm prolina. D. Os motivos são um tipo de estrutura secundária. E. A hélice a é estabilizada principalmente por interações iônicas entre as cadeias laterais dos aminoácidos. 2.3 Qual das seguintes afirmativas sobre a estrutura protéica está correta? A. As proteínas constituídas por um polipeptídeo podem ter estrutura quaternária. B. A formação de uma ponte dissulfeto em uma proteína requer que os dois resíduos de cisteína participantes estejam adjacentes entre si, na seqüência primária da proteína. C. A estabilidade da estrutura quaternária das proteínas se dá principalmente como resultado das ligações covalentes entre as subunidades. D. A desnaturação protéica sempre resulta em perda irre- versível das estruturas secundária e terciária. E. A informação necessária para o dobramento correto de uma proteína está contida na seqüência específica dos aminoácidos ao longo da cadeia polipeptídica. 2.4 Um homem de 80 anos de idade apresentava prejuízo das funções intelectuais e alterações de humor e de compor- tamento. Sua família relatou desorientação progressiva e perda de memória durante os últimos seis meses. Não há história familiar de demência. O paciente foi provi- soriamente diagnosticado como portador de doença de Alzheimer. Qual das seguintes hipóteses melhor descreve a doença? A. Está associada com a proteína 13-amilóide - uma pro- teína anormal, com seqüência alterada de aminoáci- dos. B. Resulta do acúmulo de proteínas desnaturadas que apresentam conformações aleatórias. C. Está associada com o acúmulo da proteína precursora amilóide. D. Está associada com o depósito de agregados de peptí- deos amilóides neurotóxicos. E. É uma doença produzida por ação do ambiente, não influenciada pela genética do indivíduo. Resposta correta =A. A ligação peptidica tem um caráter de dupla ligação parcial. Ao contrário de seus componentes - os grupos a -amino e o;-carboxila - os componentes da ligação peptidica não aceitam ou fornecem prótons. A ligação peptídica não é clivada por solventes orgânicos ou uréia, mas é lábil em meio ácido forte. Geralmente está em configuração trans. Resposta correta = C. As curvaturas ~ treqüentemente contêm prolina, a qual proporciona uma dobra. A hélice o; difere da tolha ~ por ela sempre fazer parte da espiral de uma simples cadeia polipeptídica. A estrutura em tolha ~ pregueada ocorre tanto na forma paralela quanto na forma antiparalela. Os motivos são elementos da estrutura terciária. A hélice a. é estabilizada principalmente por pontes de hidrogénio entre os grupos -C=O e -NH- das ligações peptfdicas. Resposta correta =E. A organização correta de uma proteína é direcionada por interações específicas entre as cadeias late- rais dos resíduos de aminoácidos que compõem uma cadeia polipeptidica. Os dois resíduos de cisteína que reagem para formar uma ponte dissulfeto podem estar distantes um do outro na estrutura primária (ou mesmo em polipeptídeos separados), mas são aproximados pela organização tridimensional da cadeia polipeptídica. A desnaturação pode ser reversível ou irreversível. A estrutura quaternária requer mais de uma cadeia polipeptidica.Essas cadeias encontram-se associadas por meio de interações não-covalentes. Resposta correta = O. A doença de Alzheimer está associada com longos agregados tibrilares protéicos, constituídos de tolhas p pregueadas, encontrados no encéfalo e em outros locais. A doença está relacionada com o processamento anor- mal de uma proteína. O acúmulo da proteína alterada ocorre em uma configuração de folhas p pregueadas, que é neuro- tóxica. A proteína amilóide Ap, depositada no encéfalo em decorrência da doença de Alzheimer, é derivada por clivagem proteolítica de uma proteína muito maior, a proteína precursora amilóide- uma proteína transmembrana expressa na superfície de células neurais e em outros tecidos.Muitos casos de doença de Alzheimer são esporádicos, embora pelo menos 5 a 10% por cento dos casos tenham origem familiar.
  34. 34. Proteínas Globulares I. VISÃO GERAL O capítulo anterior descreveu os tipos de estruturas secundária e terciária que são os tijolos e a argamassa da arquitetura protéica. Com o arranjo desses elementos estruturais fundamentais em diferentes combinações, é possível construir uma grande diversidade de proteínas, as quais serão capazes de desempenhar uma variedade de funções especializadas. Este capítulo examina a relação entre a estrutura e a função de algumas proteínas globulares clini- camente importantes, as hemeproteínas. As proteínas estruturais fibrosas são discutidas no Capítulo 4. 11. HEMEPROTEÍNAS GLOBULARES Hemeproteínas são um grupo especializado de proteínas, as quais contêm heme como grupo prostético firmemente ligado (veja a pág. 54 para uma dis- cussão sobre grupos prostéticos). O papel do grupo heme é determinado pelo ambiente criado pela estrutura tridimensional da proteína. Por exemplo, o grupo heme de um citocromo funciona como um carreador de elétrons, sendo alter- nadamente oxidado e reduzido (veja a pág. 75). Em contraste, o grupo heme da enzima catalase é parte do sítio ativo da enzima, a qual catalisa a quebra do peróxido de hidrogênio (veja a pág. 146). Na hemoglobina e na mioglobina, as duas hemeproteínas mais abundantes em humanos, o grupo heme serve para ligar, de forma reversível, o oxigênio. A. A estrutura do heme O heme é um complexo entre a protoporfirina IX e o íon ferroso (Fe2 +) (Figura 3.1). O ferro está preso no centro da molécula do heme por meio de ligações aos quatro nitrogênios do anel porfirínico. O Fe 2 + do heme pode formar duas interações adicionais, uma de cada lado do plano do anel porfi- rínico. Por exemplo, na mioglobina e na hemoglobina, uma dessas posições estabelece uma interação coordenada com a cadeia lateral de um resíduo de histidina da molécula da globina, enquanto a outra posição fica disponí- vel para ligar o oxigênio (Figura 3.2). (Veja a pág. 276 para uma discussão sobre a síntese e a degradação do heme.) Figura 3.1 A. Hemeproteína (citocromo c). B. Estrutura do heme. 'I I ___} -__. <t: 0::: t- :z: UJ (_) <t: (_) w l- o ::; CC ãi
  35. 35. 26 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier m Figura 3.2 A. Modelo da mioglobina, mostrando as hélices de A a H. B. Diagrama esquemático do sítio de ligação do oxigênio na mioglobina. 8 . Estrutura e função da mioglobina A mioglobina, uma hemeproteína presente no coração e no músculo esquelético, funciona tanto como um reservatório de oxigênio quanto como um carreador de oxigênio, que aumenta a velocidade de trans- porte d e oxigênio dentro da célula muscular. A mioglobina consiste em uma única cadeia polipeptídica, a qual é estruturalmente similar a uma das cadeias polipeptídicas individuais que constituem as subunidades da molécula da hemoglobina. Essa homologia torna a mioglobina um modelo útil para interpretar algumas das complexas propriedades da hemoglobina. 1. Conteúdo de hélice ex. A mioglobina é uma molécula compacta, com aproximadamente 80% de sua cadeia polipeptídica dobrada em oito segmentos de hélice a. Essas regiões a-helicoidais, marcadas de A a H na Figura 3.2A, são delimitadas pela presença de prolina, cujo anel de cinco membros não pode ser acomodado na hélice a (veja a pág. 16), ou por curvas ~ e alças estabilizadas por pontes de hidrogênio e ligações iônicas (veja a pág. 17). 2. Localização dos resíduos de aminoácidos polares e apoiares. O interior da molécula de mioglobina é constituído quase que completa- mente por aminoácidos apoiares. Eles estão compactados, formando uma estrutura estabilizada por interações hidrofóbicas entre esses resí- duos (veja a pág. 19). Em contraste, os aminoácidos carregados estão localizados quase exclusivamente na superfície da molécula, onde podem formar pontes de hidrogênio entre si e com a água. 3. Ligação do grupo heme. O grupo heme da mioglobina se situa em uma fenda na molécula, a qual é revestida por aminoácidos não- polares. Exceções notáveis são dois resíduos de histidina (Figura 3.28). Um, a histidina proximal, liga diretamente o ferro do grupo heme. O segundo, ou histidina distal, não interage diretamente com o grupo heme, mas ajuda a estabilizar a ligação do oxigênio ao íon ferroso. A porção protéica da mioglobina, ou globina, cria assim um microambiente especial para o grupo heme, permitindo a ligação reversível de uma molécula de oxigênio (oxigenação). A perda simultâ- nea de elétrons pelo íon ferroso (oxidação) ocorre apenas raramente.
  36. 36. Bioquímica Ilustrada 27 Figura 3.3 A. Estrutura da hemoglobina, mostrando a cadeia polipeptídica. B. Desenho simplificado, mostrando as hélices. C. Estrutura e função da hemoglobina A hemoglobina é encontrada exclusivamente nos eritrócitos, onde sua principal função é transportar oxigênio dos pulmões até os capilares dos tecidos. A hemoglobina A, a principal hemoglobina em adul.tos, é com- posta por quatro cadeias polipeptídicas - duas cadeias alfa (a) e duas cadeias beta (~) - mantidas unidas por meio de ligações não-covalentes (Figura 3.3). Cada subunidade contém segmentos de estrutura em hélice a, além de uma fenda, ou bolso, onde se liga o grupo heme, de forma similar ao descrito para a mioglobina. A molécula tetramérica da hemoglobina, no entanto, é estrutural e funcionalmente mais complexa do que a mioglobina. Por exemplo, a hemoglobina pode transportar C02 dos tecidos até os pul- mões e pode carregar quatro moléculas de 0 2 dos pulmões às células dos tecidos do corpo. Além disso, as propriedades de ligação do oxigênio na hemoglobina são reguladas por interações com efetores alostéricos (veja a pág. 62). 1. Estrutura quaternária da hemoglobina. O tetrâmero da hemoglo- bina pode ser considerado como a associação de dois dímeros, (a~), e (a~)2, em que o número se refere aos dímeros um e dois. As duas cadeias polipeptídicas em cada dímero são mantidas firmemente uni- das, principalmente por meio de interações hidrofóbicas (Figura 3.4). (Nota: Nesse caso, os resíduos de aminoácidos hidrofóbicos estão localizados não apenas no interior da molécula, mas também em uma região da superfície de interface de cada subunidade. As interações hidrofóbicas intercadeia formam fortes associações entre as subuni- dades a e as subunidades ~ nos dímeros.) Ligações iônicas e pontes de hidrogênio também ocorrem entre os membros do dímero. Em contraste, os dois dímeros são capazes de se mover um em relação ao outro, sendo mantidos unidos principalmente por meio de ligações polares. As interações mais fracas entre esses dímeros móveis resulta
  37. 37. 28 Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier Ligações iónicas e pontes de hidrogênio ocorrem entre os pares de dimeros o:J3 na forma desoxigenada. lnterações fortes, principalmente hidrofóbicas, entre as cadeias o: e J3 formam dimeros o:J3 estáveis. ) Algumas ligações iónicas e pontes de hidrogênio entre os dimeros o:J3 são rompidas no estado oxigenado. Estrutura "T" ou tensa, da desoxiemoglobina Estrutura "R" ou relaxada da oxiemoglobina Figura 3.4 Diagrama esquemático mostrando mudanças estruturais resultantes da oxigenação e desoxigenação da hemoglobina. em duas conformações diferentes, observadas na desoxiemoglobina, com relação à oxiemoglobina (veja a Figura 3.4). a. Forma T. A forma desoxigenada da hemoglobina é chamada de "T", ou forma tensa. Na forma T, os dois dímeros a~ interagem por meio de uma rede de ligações iônicas e pontes de hidrogênio, que restringem o movimento da cadeia polipeptídica. A forma T é a forma de baixa afinidade pelo oxigênio da hemoglobina. b. Forma R. A ligação do oxigênio à hemoglobina causa a ruptura de algumas ligações iônicas e pontes de hidrogênio entre os dímeros a~. Isso leva a uma estrutura chamada de "R" ou forma relaxada, na qual as cadeias polipeptídicas têm maior liberdade de movimen- tos (veja a Figura 3.4). A forma R é a forma de alta afinidade pelo oxigênio da hemoglobina. D. A ligação do oxigênio à mioglobina e à hemoglobina A mioglobina pode ligar somente uma molécula de oxigênio (02) , porque contém apenas um grupo heme. Em contraste, a hemoglobina pode ligar quatro moléculas de oxigênio - uma para cada um de seus quatro grupos heme. O grau de saturação (Y) desses sítios de ligação ao oxigênio em todas as moléculas de mioglobina ou hemoglobina pode variar de zero (quando todos os sítios estão vazios) a 100% (quando todos os sítios estão preenchidos; Figura 3.5). 1. Curva de dissociação do oxigênio. Uma curva da saturação (Y) medida em diferentes pressões parciais de oxigênio (p02) é chamada de curva de dissociação do oxigênio. As curvas para a mioglobina e para a hemoglobina apresentam diferenças importantes (veja a Figura 3.5). Esse gráfico ilustra que a mioglobina tem maior afinidade pelo oxi- gênio do que a hemoglobina. A pressão parcial de oxigênio necessária para obter metade da saturação dos sítios de ligação (P50 ) é de aproxi-
  38. 38. madamente 1 mm Hg para a mioglobina e 26 mm Hg para a hemoglo- bina. (Nota: Quanto maior a afinidade pelo oxigênio [isto é, quanto mais fortemente liga o oxigênio], menor a P50) a. Mioglobina. A curva de dissociação do oxigênio da mioglobina possui uma forma hiperbólica (veja a Figura 3.5). Isso reflete o fato de que a mioglobina liga-se reversivelmente a apenas uma molécula de oxigênio. Assim, a mioglobina oxigenada (Mb02) e a desoxigenada (Mb) estão em um equilíbrio simples: O equilíbrio é desviado para a direita ou para a esquerda à medida que o oxigênio é adicionado ou removido do sistema. (Nota: A mio- globina tem a função de ligar o oxigênio liberado pela hemoglobina nas baixas p02 encontradas no músculo. A mioglobina, por sua vez, liberará o oxigênio dentro da célula muscular em resposta à demanda de oxigênio.) b. Hemoglobina. A curva de dissociação do oxigênio da hemoglobina tem forma sigmoidal (veja a Figura 3.5), indicando que as subu- nidades cooperam na ligação do oxigênio. A ligação cooperativa do oxigênio às quatro subunidades da hemoglobina significa que a ligação de uma molécula de oxigênio a um dos grupos heme aumenta a afinidade pelo oxigênio dos grupos heme restantes na mesma molécula de hemoglobina (Figura 3.6). Esse efeito é deno- minado interação heme-heme (veja a seguir). Embora seja mais difícil para a primeira molécula de oxigênio ligar-se à hemoglobina, a ligação subseqüente de oxigênio ocorre com alta afinidade, como demonstrado pela curva rapidamente ascendente na região de 20 a 30 mm Hg (veja a Figura 3 .5). E. Efeitos alostéricos A capacidade da hemoglobina para ligar-se reversivelmente ao oxigênio é afetada pela p02 (devido às interações heme-heme, conforme descrito anteriormente), pelo pH do ambiente, pela pC02 e pela disponibilidade de 2,3-bisfosfoglicerato. Esses são coletivamente chamados de efetores alostéricos (outro sítio), pois sua interação com um sítio na molécula da hemoglobina afeta a ligação do oxigênio aos grupos heme em outras regi- ões da molécula. (Nota: A ligação do oxigênio à mioglobina não é influen- ciada pelos efetores alostéricos da hemoglobina.) 1. lnterações heme-heme. A curva sigmoidal de ligação do oxigênio reflete mudanças estruturais específicas, as quais são iniciadas em um dos grupos heme e são transmitidas aos outros grupos da estru- tura tetramérica da hemoglobina. O efeito líquido é que a afinidade da hemoglobina pelo último oxigênio ligado é aproximadamente 300 vezes maior do que a afinidade para a ligação do primeiro oxigênio. a. Ligando e liberando o oxigênio. A ligação cooperativa do oxigê- nio permite à hemoglobina liberar mais oxigênio aos tecidos em resposta a variações relativamente pequenas na pressão parcial de oxigênio. Isso pode ser observado na Figura 3.5, onde está indi- cada a pressão parcial de oxigênio (p02) nos alvéolos pulmonares e nos capilares dos tecidos. Por exemplo, no pulmão, a concentra- ção de oxigênio é maior, e a hemoglobina se torna praticamente saturada (ou "carregada") com oxigênio. Em contraste, nos tecidos Bioquímica Ilustrada 29 A curva de dissociação do oxigênio é acentuada em baixas concentrações de oxigênio, como ocorre nos tecidos. Isso permite que o oxigênio seja liberado para responder a pequenas variações na p02. "'o E o(.) ouu()o ~ :::1 1V<11 Cll p02 nos "O o . : # 0t t 40 ao 120 Pressão parcial de oxigênio (p02) I I (mm Hg) P50 =1 Pso =26 Figura 3.5 Curvas de dissociação do oxigênio para a mioglobina e para a hemoglobina. ' / Hb / ' ' / Hb t:í I:! Figura 3.6 A hemoglobina liga o oxigênio com afinidade crescente.

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