Aminoácido -Amino acid

Estrutura de um L-aminoácido genérico na forma "neutra" necessária para definir um nome sistemático, sem implicar que esta forma realmente exista em quantidades detectáveis ​​em solução aquosa ou no estado sólido.

Os aminoácidos são compostos orgânicos que contêm aminoácidos ( -NH+3) e grupos funcionais de ácido carboxílico ( -CO 2 H ) , juntamente com uma cadeia lateral (grupo R) específica para cada aminoácido. Os elementos presentes em cada aminoácido são carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O) e nitrogênio (N) ( CHON ); além disso, o enxofre (S) está presente nas cadeias laterais da cisteína e metionina , e o selênio (Se) no aminoácido menos comum selenocisteína. Sabe-se que mais de 500 aminoácidos de ocorrência natural constituem unidades monoméricas de peptídeos , incluindo proteínas , a partir de 2020, embora apenas 22 apareçam no código genético , 20 dos quais têm seus próprios códons designados e 2 dos quais têm mecanismos de codificação especiais: Selenocisteína que está presente em todos os eucariotos e a pirrolisina que está presente em alguns procariontes .

Os aminoácidos são formalmente nomeados pela Comissão Conjunta IUPAC-IUBMB sobre Nomenclatura Bioquímica em termos da estrutura "neutra" fictícia mostrada na ilustração. Por exemplo, o nome sistemático da alanina é ácido 2-aminopropanóico, baseado na fórmula CH 3 −CH(NH 2 )−COOH . A Comissão justificou esta abordagem da seguinte forma:

Os nomes sistemáticos e as fórmulas fornecidas referem-se a formas hipotéticas nas quais os grupos amino não são protonados e os grupos carboxila não estão dissociados. Essa convenção é útil para evitar vários problemas de nomenclatura, mas não deve ser considerada como uma implicação de que essas estruturas representam uma fração apreciável das moléculas de aminoácidos.

Eles podem ser classificados de acordo com a localização dos grupos funcionais estruturais centrais, como aminoácidos alfa- (α-) , beta- (β-) , gama- (γ-) ou delta- (δ-) ; outras categorias referem-se à polaridade , ionização e tipo de grupo de cadeia lateral ( alifático , acíclico , aromático , contendo hidroxila ou enxofre , etc.). Na forma de proteínas, os resíduos de aminoácidos formam o segundo maior componente ( a água é o maior) dos músculos humanos e outros tecidos . Além de seu papel como resíduos em proteínas, os aminoácidos participam de vários processos, como transporte de neurotransmissores e biossíntese .

História

Os primeiros aminoácidos foram descobertos no início de 1800. Em 1806, os químicos franceses Louis-Nicolas Vauquelin e Pierre Jean Robiquet isolaram um composto de aspargos que foi posteriormente denominado asparagina , o primeiro aminoácido a ser descoberto. A cistina foi descoberta em 1810, embora seu monômero, cisteína , tenha permanecido desconhecido até 1884. A glicina e a leucina foram descobertas em 1820. O último dos 20 aminoácidos comuns a serem descobertos foi a treonina em 1935 por William Cumming Rose , que também determinou a aminoácidos e estabeleceu as necessidades diárias mínimas de todos os aminoácidos para um crescimento ideal.

A unidade da categoria química foi reconhecida por Wurtz em 1865, mas ele não lhe deu um nome particular. O primeiro uso do termo "aminoácido" na língua inglesa data de 1898, enquanto o termo alemão, Aminosäure , foi usado anteriormente. Proteínas foram encontradas para produzir aminoácidos após digestão enzimática ou hidrólise ácida . Em 1902, Emil Fischer e Franz Hofmeister propuseram independentemente que as proteínas são formadas a partir de muitos aminoácidos, onde as ligações são formadas entre o grupo amino de um aminoácido com o grupo carboxila de outro, resultando em uma estrutura linear que Fischer denominou " peptídeo ".

Estrutura geral

Os 21 α-aminoácidos proteinogênicos encontrados em eucariotos , agrupados de acordo com os valores de pKa de suas cadeias laterais e cargas transportadas em pH fisiológico (7,4)

Na estrutura mostrada no topo da página, R representa uma cadeia lateral específica para cada aminoácido. O átomo de carbono próximo ao grupo carboxila é chamado de carbono α . Os aminoácidos que contêm um grupo amino ligado diretamente ao carbono α são chamados de α-aminoácidos . Estes incluem prolina e hidroxiprolina , que são aminas secundárias . No passado, eles eram frequentemente chamados de iminoácidos , um nome incorreto porque não contêm um agrupamento de imina HN=C . O termo obsoleto continua frequente.

Isomeria

As formas naturais comuns de aminoácidos têm a estrutura −NH+3( −NH+2 no caso de prolina) e −CO2grupos funcionais ligados ao mesmo átomo de C e, portanto, são α-aminoácidos. Com exceção da glicina aquiral, os aminoácidos naturais têm a configuração L e são os únicos encontrados nas proteínas durante a tradução no ribossomo.

A convenção L e D para a configuração de aminoácidos não se refere à atividade óptica do próprio aminoácido, mas sim à atividade óptica do isômero de gliceraldeído a partir do qual esse aminoácido pode, em teoria, ser sintetizado ( D -gliceraldeído é dextrorrotatório; L -gliceraldeído é levógiro).

Uma convenção alternativa é usar os designadores ( S ) e ( R ) para especificar a configuração absoluta . Quase todos os aminoácidos nas proteínas são ( S ) no carbono α, sendo a cisteína ( R ) e a glicina não quirais . A cisteína tem sua cadeia lateral na mesma localização geométrica dos demais aminoácidos, porém a terminologia R / S é invertida, pois o enxofre possui maior número atômico em relação ao oxigênio carboxílico o que confere à cadeia lateral uma prioridade maior pelo Cahn-Ingold-Prelog regras de sequência , enquanto os átomos na maioria das outras cadeias laterais lhes dão prioridade menor em comparação com o grupo carboxila.

Resíduos de D -aminoácidos são encontrados em algumas proteínas, mas são raros.

Correntes laterais

Os aminoácidos são designados como α- quando o átomo de nitrogênio do amino está ligado ao carbono α, o átomo de carbono adjacente ao grupo carboxilato.

Em todos os casos abaixo nesta seção os valores (se houver) referem-se à ionização dos grupos como resíduos de aminoácidos nas proteínas. Não são valores para os aminoácidos livres (que são de pouca importância bioquímica).

Cadeias laterais alifáticas

Estrutura da L- prolina

Várias cadeias laterais contêm apenas H e C e não se ionizam. Estes são os seguintes (com símbolos de três e uma letra entre parênteses):

  • Glicina (Gly, G): H−
  • Alanina (Ala, A): CH 3
  • Valina (Val, V): (CH 3 ) 2 CH−
  • Leucina (Leu, L): (CH 3 ) 2 CHCH 2
  • Isoleucina (Ile, I): CH 3 CH 2 CH(CH 3 )
  • Prolina (Pro, P): −CH 2 CH 2 CH 2 ciclizado na amina

Cadeias laterais neutras polares

Dois aminoácidos contêm cadeias laterais de álcool. Estas não ionizam em condições normais, embora uma, a serina, seja desprotonada durante a catálise por serinoproteases : este é um exemplo de perturbação severa e não é característico de resíduos de serina em geral.

  • Serina (Ser, S, não quando não severamente perturbado): HOCH 2
  • Treonina (Thr, T, no ): CH 3 CHOH−

A treonina tem dois centros quirais, não apenas o centro quiral L ( 2S ) no carbono α compartilhado por todos os aminoácidos além da glicina aquiral, mas também ( 3R ) no carbono β. A especificação estereoquímica completa é L - treonina ( 2S , 3R ).

Cadeias laterais de amida

Dois aminoácidos têm cadeias laterais de amida, como segue:

Essas cadeias laterais não ionizam na faixa normal de pH.

Cadeias laterais contendo enxofre

Duas cadeias laterais contêm átomos de enxofre, dos quais um ioniza na faixa normal (com indicado) e o outro não:

  • Cisteína (Cys, C, ): HSCH 2
  • Metionina (Met, M, não ): CH 3 SCH 2 CH 2

Cadeias laterais aromáticas

Cadeias laterais de fenilalanina (esquerda), tirosina (meio) e triptofano (direita)

Três aminoácidos têm estruturas de anéis aromáticos como cadeias laterais, conforme ilustrado. Destes, a tirosina ioniza na faixa normal; os outros dois não).

  • Fenilalanina (Phe, F, no ): à esquerda na ilustração
  • Tirosina (Tyr, Y, ): meio na ilustração
  • Triptofano (Trp, W, no ): bem na ilustração

Cadeias laterais aniônicas

Dois aminoácidos têm cadeias laterais que são ânions em pH normal. Esses aminoácidos são frequentemente chamados de ácidos carboxílicos, mas são mais corretamente chamados de carboxilatos, pois são desprotonados nos valores de pH mais relevantes. Os grupos carboxilato aniônicos se comportam como bases de Brønsted em todas as circunstâncias, exceto para enzimas como a pepsina que atuam em ambientes de pH muito baixo como o estômago de mamíferos.

  • Aspartato ("ácido aspártico", Asp, D, ): - O 2 CCH 2
  • Glutamato ("ácido glutâmico", Glu, E, ): - O 2 CCH 2 CH 2

Cadeias laterais catiônicas

Cadeias laterais de histidina (esquerda), lisina (meio) e arginina (direita)

Existem três aminoácidos com cadeias laterais que são cátions em pH neutro (embora em um existam formas histidina, catiônica e neutra). Eles são comumente chamados de aminoácidos básicos , mas este termo é enganoso: a histidina pode atuar tanto como um ácido de Brønsted quanto como uma base de Brønsted em pH neutro, a lisina atua como um ácido de Brønsted e a arginina tem uma carga positiva fixa e não se ioniza em condições neutras. Os nomes histidinium, lysinium e argininium seriam nomes mais precisos para as estruturas, mas essencialmente não têm moeda.

  • Histidina (His, H, ): Formas protonadas e desprotonadas em equilíbrio são mostradas à esquerda da imagem
  • Lisina (Lys, K, ): Mostrado no meio da imagem
  • Arginina (Arg, R, ): Mostrado à direita da imagem

β- e γ-aminoácidos

Aminoácidos com a estrutura NH+3−CXY−CXY−CO2, como a β-alanina , um componente da carnosina e alguns outros peptídeos, são β-aminoácidos. Aqueles com a estrutura NH+3−CXY−CXY−CXY−CO2são γ-aminoácidos, e assim por diante, onde X e Y são dois substituintes (um dos quais é normalmente H).

Zwitterions

Ionização e caráter de Brønsted de amino N-terminal, carboxilato C-terminal e cadeias laterais de resíduos de aminoácidos

Em solução aquosa, os aminoácidos em pH moderado existem como íons zwitter , ou seja, como íons dipolares com NH+3e CO2em estados carregados, então a estrutura geral é NH+3−CHR−CO2. No pH fisiológico as chamadas "formas neutras" −NH 2 −CHR−CO 2 H não estão presentes em nenhum grau mensurável. Embora as duas cargas na estrutura real somam zero, é enganoso e errado chamar uma espécie com uma carga líquida de zero "sem carga".

Em pH muito baixo (abaixo de 3), o grupo carboxilato se torna protonado e a estrutura se torna um ácido amônio carboxílico, NH+3−CHR−CO 2 H . Isso é relevante para enzimas como a pepsina, que são ativas em ambientes ácidos, como o estômago e os lisossomos de mamíferos , mas não se aplica significativamente às enzimas intracelulares. Em pH muito alto (superior a 10, normalmente não visto em condições fisiológicas), o grupo amônio é desprotonado para dar NH 2 −CHR−CO2.

Embora várias definições de ácidos e bases sejam usadas em química, a única que é útil para química em solução aquosa é a de Brønsted : um ácido é uma espécie que pode doar um próton para outra espécie, e uma base é aquela que pode aceitar um próton. Este critério é usado para rotular os grupos na ilustração acima. Observe que o aspartato e o glutamato são os principais grupos que atuam como bases de Brønsted, e as referências comuns a eles como aminoácidos ácidos (junto com o terminal C) são completamente erradas e enganosas. Da mesma forma, os chamados aminoácidos básicos incluem um (histidina) que atua como um ácido de Brønsted e uma base, um (lisina) que atua principalmente como um ácido de Brønsted e um (arginina) que normalmente é irrelevante para o comportamento ácido-base. pois tem carga positiva fixa. Além disso, a tirosina e a cisteína, que atuam principalmente como ácidos em pH neutro, geralmente são esquecidas na classificação usual.

Ponto de isolação eletrica

Composto de curvas de titulação de vinte aminoácidos proteinogênicos agrupados por categoria de cadeia lateral

Para aminoácidos com cadeias laterais não carregadas, o zwitterion predomina em valores de pH entre os dois valores de pKa , mas coexiste em equilíbrio com pequenas quantidades de íons líquidos negativos e positivos líquidos. No ponto médio entre os dois valores de p K a , a quantidade de traço de íons líquidos negativos e traços de íons líquidos positivos se equilibram, de modo que a carga líquida média de todas as formas presentes é zero. Este pH é conhecido como ponto isoelétrico p I , então p I =1/2( pKa1 + pKa2 ) . _

Para aminoácidos com cadeias laterais carregadas, o p K a da cadeia lateral está envolvido. Assim, para aspartato ou glutamato com cadeias laterais negativas, o grupo amino terminal está essencialmente inteiramente na forma carregada NH+3, mas essa carga positiva precisa ser equilibrada pelo estado com apenas um grupo carboxilato C-terminal carregado negativamente. Isso ocorre a meio caminho entre os dois valores de carboxilato p K a : p I =1/2(p K a1 + p K a(R) ), onde p K a(R) é a cadeia lateral p K a .

Considerações semelhantes se aplicam a outros aminoácidos com cadeias laterais ionizáveis, incluindo não apenas glutamato (semelhante ao aspartato), mas também cisteína, histidina, lisina, tirosina e arginina com cadeias laterais positivas

Os aminoácidos têm mobilidade zero na eletroforese em seu ponto isoelétrico, embora esse comportamento seja mais usualmente explorado para peptídeos e proteínas do que aminoácidos isolados. Zwitterions têm solubilidade mínima em seu ponto isoelétrico, e alguns aminoácidos (em particular, com cadeias laterais não polares) podem ser isolados por precipitação da água, ajustando o pH ao ponto isoelétrico necessário.

Propriedades físico-químicas dos aminoácidos

O CA. 20 aminoácidos canônicos podem ser classificados de acordo com suas propriedades. Fatores importantes são carga, hidrofilicidade ou hidrofobicidade , tamanho e grupos funcionais. Essas propriedades influenciam a estrutura da proteína e as interações proteína-proteína . As proteínas solúveis em água tendem a ter os seus resíduos hidrofóbicos ( Leu , Ile , Val , Phe e Trp ) enterrados no meio da proteína, enquanto as cadeias laterais hidrofílicas são expostas ao solvente aquoso. (Observe que em bioquímica , um resíduo se refere a um monômero específico dentro da cadeia polimérica de um polissacarídeo , proteína ou ácido nucleico .) As proteínas integrais de membrana tendem a ter anéis externos de aminoácidos hidrofóbicos expostos que os ancoram na bicamada lipídica . Algumas proteínas periféricas da membrana têm uma porção de aminoácidos hidrofóbicos em sua superfície que se prende à membrana. De maneira semelhante, as proteínas que se ligam a moléculas carregadas positivamente têm superfícies ricas em aminoácidos carregados negativamente, como glutamato e aspartato , enquanto as proteínas que se ligam a moléculas carregadas negativamente têm superfícies ricas em cadeias carregadas positivamente, como lisina e arginina . Por exemplo, lisina e arginina são altamente enriquecidas em regiões de baixa complexidade de proteínas de ligação a ácidos nucleicos. Existem várias escalas de hidrofobicidade de resíduos de aminoácidos.

Alguns aminoácidos têm propriedades especiais, como a cisteína, que pode formar ligações dissulfeto covalentes a outros resíduos de cisteína, a prolina que forma um ciclo para a cadeia polipeptídica e a glicina que é mais flexível do que outros aminoácidos.

Além disso, glicina e prolina são altamente enriquecidas em regiões de baixa complexidade de proteínas eucarióticas e procarióticas, enquanto o oposto (sub-representado) tem sido observado para aminoácidos altamente reativos, complexos ou hidrofóbicos, como cisteína, fenilalanina, triptofano, metionina , valina, leucina, isoleucina.

Muitas proteínas sofrem uma série de modificações pós -traducionais , em que grupos químicos adicionais são ligados às cadeias laterais de aminoácidos. Algumas modificações podem produzir lipoproteínas hidrofóbicas , ou glicoproteínas hidrofílicas . Este tipo de modificação permite o direcionamento reversível de uma proteína para uma membrana. Por exemplo, a adição e remoção do ácido graxo palmítico aos resíduos de cisteína em algumas proteínas sinalizadoras faz com que as proteínas se liguem e, em seguida, se separem das membranas celulares.

Tabela de abreviaturas e propriedades de aminoácidos padrão

Embora os símbolos de uma letra estejam incluídos na tabela, a IUPAC–IUBMB recomenda que "O uso dos símbolos de uma letra deve ser restrito à comparação de sequências longas".

Aminoácido Símbolos de 3 e 1 letra Cadeia lateral
Índice de hidropatia
Absortividade molar Massa molecular Abundância em
proteínas (%)
Codificação genética padrão,
notação IUPAC
3 1 Classe Polaridade Carga líquida
em pH 7,4
Comprimento de onda,
λ max (nm)
Coeficiente ε
(mM −1 ·cm −1 )
Alanina Ala UMA Alifático Apolar Neutro 1,8 89.094 8,76 GCN
Arginina Arg R Cátion fixo Polar básico Positivo −4,5 174.203 5,78 MGR, CGY
Asparagina Asn N Amida Polar Neutro −3,5 132.119 3,93 AAY
Aspartato Asp D Ânion Base de Bronsted Negativo −3,5 133.104 5,49 GAY
Cisteína Cys C Tiol Ácido de Bronsted Neutro 2,5 250 0,3 121.154 1,38 feio
Glutamina Gln Q Amida Polar Neutro −3,5 146.146 3.9 CARRO
Glutamato Glu E Ânion Base de Bronsted Negativo −3,5 147.131 6,32 GAR
Glicina Gly G Alifático Apolar Neutro -0,4 75.067 7.03 GGN
Histidina Dele H Cátion aromático Ácido e base de Bronsted Positivo, 10%
Neutro, 90%
−3.2 211 5.9 155.156 2,26 CAI
Isoleucina Ilha EU Alifático Apolar Neutro 4,5 131.175 5,49 AUH
Leucina Leu eu Alifático Apolar Neutro 3,8 131.175 9,68 YUR, CUY
Lisina Lys K Cátion Ácido de Bronsted Positivo −3,9 146.189 5.19 AAR
Metionina Conheceu M Tioéter Apolar Neutro 1,9 149.208 2,32 AGO
Fenilalanina Phe F Aromático Apolar Neutro 2,8 257, 206, 188 0,2, 9,3, 60,0 165.192 3,87 UUY
Prolina Pró P Cíclico Apolar Neutro −1,6 115.132 5.02 CCN
Serina Ser S Hidroxílico Polar Neutro -0,8 105.093 7.14 UCN, AG
Treonina Thr T Hidroxílico Polar Neutro -0,7 119.119 5,53 ACN
Triptofano Trp C Aromático Apolar Neutro -0,9 280, 219 5,6, 47,0 204.228 1,25 UGG
Tirosina Tyr S Aromático Ácido de Bronsted Neutro −1,3 274, 222, 193 1,4, 8,0, 48,0 181.191 2,91 UAI
Valina Val V Alifático Apolar Neutro 4.2 117.148 6,73 ARMA DE FOGO

Dois aminoácidos adicionais estão em algumas espécies codificados por códons que geralmente são interpretados como códons de parada :

21º e 22º aminoácidos 3 letras 1 letra Massa molecular
Selenocisteína Sec você 168.064
Pirrolisina Pil O 255.313

Além dos códigos de aminoácidos específicos, os marcadores de posição são usados ​​nos casos em que a análise química ou cristalográfica de um peptídeo ou proteína não pode determinar conclusivamente a identidade de um resíduo. Eles também são usados ​​para resumir motivos de sequência de proteínas conservadas . O uso de letras simples para indicar conjuntos de resíduos semelhantes é semelhante ao uso de códigos de abreviação para bases degeneradas .

Aminoácidos ambíguos 3 letras 1 letra Aminoácidos incluídos Codões incluídos
Qualquer / desconhecido Xaa X Tudo NNN
Asparagina ou aspartato Asx B D, N RAIO
Glutamina ou glutamato Glx Z E, Q SAR
Leucina ou isoleucina Xle J eu, L YTR, ATH, CTY
Hidrofóbico Φ V, I, L, F, W, Y, M NTN, TAY, TGG
Aromático Ω F, W, Y, H YWY, ​​TTY, TGG
Alifático (não aromático) Ψ V, I, L, M VTN, TTR
Pequena π P, G, A, S BCN, RGY, GGR
Hidrofílico ζ S, T, H, N, Q, E, D, K, R VAN, WCN, CGN, AGY
Carregado positivamente + K, R, H ARR, CHORAR, CGR
Cobrado negativamente D, E GAN

Unk às vezes é usado em vez de Xaa , mas é menos padrão.

Ter ou * (da terminação) é usado em notação para mutações em proteínas quando ocorre um códon de parada. Não corresponde a nenhum aminoácido.

Além disso, muitos aminoácidos não padronizados possuem um código específico. Por exemplo, várias drogas peptídicas, como Bortezomibe e MG132 , são sintetizadas artificialmente e retêm seus grupos protetores , que possuem códigos específicos. Bortezomibe é Pyz –Phe–boroLeu e MG132 é Z –Leu–Leu–Leu–al. Para auxiliar na análise da estrutura da proteína, estão disponíveis análogos de aminoácidos fotorreativos . Estes incluem fotoleucina ( pLeu ) e fotometionina ( pMet ).

Ocorrência e funções em bioquímica

Uma proteína descrita como uma longa sequência não ramificada de círculos ligados, cada um representando aminoácidos
Um polipeptídeo é uma cadeia não ramificada de aminoácidos
Comparação diagramática das estruturas de β-alanina e α-alanina
β-alanina e seu isômero α-alanina
Um diagrama mostrando a estrutura da selenocisteína
O aminoácido selenocisteína

Os aminoácidos que possuem o grupo amina ligado ao átomo de carbono (alfa-) próximo ao grupo carboxila têm importância primordial nos organismos vivos, pois participam da síntese de proteínas. Eles são conhecidos como 2- , alfa- ou α-aminoácidos ( fórmula genérica H 2 NCHRCOOH na maioria dos casos, onde R é um substituinte orgânico conhecido como " cadeia lateral "); muitas vezes o termo "aminoácido" é usado para se referir especificamente a estes. Eles incluem os 22 aminoácidos proteinogênicos ("construtores de proteínas"), que se combinam em cadeias peptídicas ("polipeptídeos") para formar os blocos de construção de uma vasta gama de proteínas. Estes são todos L - estereoisômeros ( enantiômeros "canhotos" ), embora alguns D -aminoácidos ("destros") ocorram em envelopes bacterianos , como um neuromodulador ( D - serina ) e em alguns antibióticos .

Muitos aminoácidos proteinogênicos e não proteinogênicos têm funções biológicas. Por exemplo, no cérebro humano , o glutamato ( ácido glutâmico padrão ) e o ácido gama-aminobutírico ("GABA", gama-aminoácido não padrão) são, respectivamente, os principais neurotransmissores excitatórios e inibitórios . A hidroxiprolina , um dos principais componentes do colágeno do tecido conjuntivo , é sintetizada a partir da prolina . A glicina é um precursor biossintético das porfirinas usadas nos glóbulos vermelhos . A carnitina é utilizada no transporte de lípidos . Nove aminoácidos proteinogênicos são chamados de " essenciais " para os seres humanos porque não podem ser produzidos a partir de outros compostos pelo corpo humano e, portanto, devem ser ingeridos como alimento. Outros podem ser condicionalmente essenciais para certas idades ou condições médicas. Os aminoácidos essenciais também podem variar de espécie para espécie. Devido ao seu significado biológico, os aminoácidos são importantes na nutrição e são comumente usados ​​em suplementos nutricionais , fertilizantes , rações e tecnologia de alimentos . Os usos industriais incluem a produção de medicamentos , plásticos biodegradáveis ​​e catalisadores quirais .

Aminoácidos proteinogênicos

Os aminoácidos são os precursores das proteínas. Eles se unem por reações de condensação para formar cadeias poliméricas curtas chamadas peptídeos ou cadeias mais longas chamadas polipeptídeos ou proteínas. Essas cadeias são lineares e não ramificadas, com cada resíduo de aminoácido dentro da cadeia ligado a dois aminoácidos vizinhos. Na Natureza, o processo de produção de proteínas codificadas pelo material genético de DNA/RNA é chamado de tradução e envolve a adição passo a passo de aminoácidos a uma cadeia de proteína em crescimento por uma ribozima que é chamada de ribossomo . A ordem em que os aminoácidos são adicionados é lida através do código genético de um modelo de mRNA , que é uma cópia de RNA de um dos genes do organismo .

Vinte e dois aminoácidos são naturalmente incorporados em polipeptídeos e são chamados de aminoácidos proteinogênicos ou naturais. Destes, 20 são codificados pelo código genético universal. Os 2 restantes, selenocisteína e pirrolisina , são incorporados em proteínas por mecanismos sintéticos únicos. A selenocisteína é incorporada quando o mRNA que está sendo traduzido inclui um elemento SECIS , que faz com que o códon UGA codifique selenocisteína em vez de um códon de parada. A pirrolisina é usada por algumas archaea metanogênicas em enzimas que eles usam para produzir metano . Ele é codificado com o códon UAG, que normalmente é um códon de parada em outros organismos. Este codão UAG é seguido por uma sequência a jusante PYLIS .

Vários estudos evolutivos independentes sugeriram que Gly, Ala, Asp, Val, Ser, Pro, Glu, Leu, Thr podem pertencer a um grupo de aminoácidos que constituiu o código genético inicial, enquanto Cys, Met, Tyr, Trp, His, Phe pode pertencer a um grupo de aminoácidos que constituiu adições posteriores do código genético.

Aminoácidos padrão vs não padrão

Os 20 aminoácidos que são codificados diretamente pelos códons do código genético universal são chamados de aminoácidos padrão ou canônicos . Uma forma modificada de metionina ( N -formilmetionina ) é frequentemente incorporada no lugar da metionina como o aminoácido inicial de proteínas em bactérias, mitocôndrias e cloroplastos. Outros aminoácidos são chamados não padronizados ou não canônicos . A maioria dos aminoácidos não padronizados também são não proteinogênicos (ou seja, eles não podem ser incorporados em proteínas durante a tradução), mas dois deles são proteinogênicos, pois podem ser incorporados traducionalmente em proteínas explorando informações não codificadas no código genético universal.

Os dois aminoácidos proteinogênicos não padronizados são a selenocisteína (presente em muitos não-eucariotos, bem como na maioria dos eucariotos, mas não codificados diretamente pelo DNA) e a pirrolisina (encontrada apenas em algumas archaea e pelo menos uma bactéria ). A incorporação desses aminoácidos fora do padrão é rara. Por exemplo, 25 proteínas humanas incluem selenocisteína em sua estrutura primária, e as enzimas estruturalmente caracterizadas (selenoenzimas) empregam selenocisteína como a porção catalítica em seus sítios ativos. Pirrolisina e selenocisteína são codificadas através de códons variantes. Por exemplo, a selenocisteína é codificada pelo códon de parada e pelo elemento SECIS .

A N -formilmetionina (que é frequentemente o aminoácido inicial de proteínas em bactérias, mitocôndrias e cloroplastos ) é geralmente considerada como uma forma de metionina e não como um aminoácido proteinogênico separado. As combinações códon- tRNA não encontradas na natureza também podem ser usadas para "expandir" o código genético e formar novas proteínas conhecidas como aloproteínas que incorporam aminoácidos não proteinogênicos .

Aminoácidos não proteinogênicos

Além dos 22 aminoácidos proteinogênicos , muitos aminoácidos não proteinogênicos são conhecidos. Esses não são encontrados em proteínas (por exemplo , carnitina , GABA , levotiroxina ) ou não são produzidos diretamente e isoladamente por maquinaria celular padrão (por exemplo, hidroxiprolina e selenometionina ).

Os aminoácidos não proteinogênicos que são encontrados nas proteínas são formados por modificação pós-traducional , que é a modificação após a tradução durante a síntese proteica. Essas modificações são muitas vezes essenciais para a função ou regulação de uma proteína. Por exemplo, a carboxilação do glutamato permite uma melhor ligação dos cátions de cálcio , e o colágeno contém hidroxiprolina, gerada pela hidroxilação da prolina . Outro exemplo é a formação de hipusina no fator de iniciação da tradução EIF5A , através da modificação de um resíduo de lisina. Tais modificações também podem determinar a localização da proteína, por exemplo, a adição de grupos hidrofóbicos longos pode fazer com que uma proteína se ligue a uma membrana fosfolipídica .

Alguns aminoácidos não proteinogênicos não são encontrados nas proteínas. Exemplos incluem ácido 2-aminoisobutírico e o neurotransmissor ácido gama-aminobutírico . Aminoácidos não proteinogênicos geralmente ocorrem como intermediários nas vias metabólicas para aminoácidos padrão – por exemplo, ornitina e citrulina ocorrem no ciclo da uréia , parte do catabolismo de aminoácidos (veja abaixo). Uma rara exceção à dominância dos α-aminoácidos na biologia é o β-aminoácido beta alanina (ácido 3-aminopropanóico), que é utilizado em plantas e microrganismos na síntese do ácido pantotênico (vitamina B 5 ), um componente do coenzima A.

Na nutrição humana

Diagrama mostrando a ocorrência relativa de aminoácidos no soro sanguíneo obtido de diversas dietas.
Participação de aminoácidos em várias dietas humanas e a mistura resultante de aminoácidos no soro sanguíneo humano. Glutamato e glutamina são os mais frequentes nos alimentos em mais de 10%, enquanto alanina, glutamina e glicina são os mais comuns no sangue.

Quando absorvidos pelo corpo humano a partir da dieta, os 20 aminoácidos padrão são usados ​​para sintetizar proteínas, outras biomoléculas ou são oxidados em uréia e dióxido de carbono como fonte de energia. A via de oxidação começa com a remoção do grupo amino por uma transaminase ; o grupo amino é então alimentado no ciclo da ureia . O outro produto da transamidação é um cetoácido que entra no ciclo do ácido cítrico . Os aminoácidos glicogênicos também podem ser convertidos em glicose, através da gliconeogênese . Dos 20 aminoácidos padrão, nove ( His , Ile , Leu , Lys , Met , Phe , Thr , Trp e Val ) são chamados de aminoácidos essenciais porque o corpo humano não pode sintetizá -los a partir de outros compostos no nível necessário para o crescimento normal. então eles devem ser obtidos a partir de alimentos. Além disso, cisteína, tirosina e arginina são considerados aminoácidos semiessenciais, e taurina um ácido aminosulfônico semiessencial em crianças. As vias metabólicas que sintetizam esses monômeros não estão totalmente desenvolvidas. As quantidades necessárias também dependem da idade e saúde do indivíduo, por isso é difícil fazer afirmações gerais sobre a necessidade alimentar de alguns aminoácidos. A exposição dietética ao aminoácido não padronizado BMAA tem sido associada a doenças neurodegenerativas humanas, incluindo ELA .

Diagrama em cascata de sinalização
Diagrama das cascatas de sinalização molecular que estão envolvidas na síntese de proteínas musculares miofibrilares e na biogênese mitocondrial em resposta ao exercício físico e aminoácidos específicos ou seus derivados (principalmente L - leucina e HMB ). Muitos aminoácidos derivados de proteínas alimentares promovem a ativação de mTORC1 e aumentam a síntese proteica por meio de sinalização através de Rag GTPases .
Abreviaturas e representações:
 • PLD: fosfolipase D
 • PA: ácido fosfatídico
 • mTOR: alvo mecanicista da rapamicina
 • AMP: monofosfato de adenosina
 • ATP: trifosfato de adenosina
 • AMPK: proteína quinase ativada por AMP
 • PGC-1α: receptor gama ativado por proliferador de peroxissoma coativador-1α
 • S6K1: p70S6 quinase
 • 4EBP1: fator de iniciação da tradução eucariótica 4E-binding protein 1
 • eIF4E: fator de iniciação da tradução eucariótica 4E
 • RPS6: proteína ribossomal S6
 • eEF2: fator de alongamento eucariótico 2
 • RE: exercício de resistência; EE: exercício de resistência
 • Myo: miofibrilar ; Mito: mitocondrial
 • AA: aminoácidos
 • HMB: ácido β-hidroxi β-metilbutírico
 • ↑ representa ativação
 • Τ representa inibição
Gráfico de síntese de proteína muscular versus tempo
O treinamento de resistência estimula a síntese de proteína muscular (MPS) por um período de até 48 horas após o exercício (mostrado pela linha pontilhada mais clara). A ingestão de uma refeição rica em proteínas em qualquer ponto durante este período aumentará o aumento induzido pelo exercício na síntese de proteína muscular (mostrado por linhas sólidas).

Funções não proteicas

Em humanos, aminoácidos não proteicos também têm papéis importantes como intermediários metabólicos , como na biossíntese do neurotransmissor ácido gama-aminobutírico (GABA). Muitos aminoácidos são usados ​​para sintetizar outras moléculas, por exemplo:

Alguns aminoácidos não padronizados são usados ​​como defesas contra herbívoros em plantas. Por exemplo, a canavanina é um análogo da arginina que é encontrada em muitas leguminosas e em quantidades particularmente grandes na Canavalia gladiata (feijão-espada). Este aminoácido protege as plantas de predadores como insetos e pode causar doenças nas pessoas se alguns tipos de leguminosas forem ingeridos sem processamento. O aminoácido não proteico mimosina é encontrado em outras espécies de leguminosas, em particular Leucaena leucocephala . Este composto é um análogo da tirosina e pode envenenar os animais que pastam nessas plantas.

Usos na indústria

Os aminoácidos são utilizados para diversas aplicações na indústria, mas seu principal uso é como aditivos para rações animais . Isso é necessário, pois muitos dos componentes a granel desses alimentos, como a soja , apresentam baixos níveis ou carecem de alguns dos aminoácidos essenciais : lisina, metionina, treonina e triptofano são os mais importantes na produção desses alimentos. Nesta indústria, os aminoácidos também são utilizados para quelar cátions metálicos, a fim de melhorar a absorção de minerais dos suplementos, que podem ser necessários para melhorar a saúde ou a produtividade desses animais.

A indústria alimentícia também é grande consumidora de aminoácidos, em especial, o ácido glutâmico , que é utilizado como intensificador de sabor , e o aspartame (aspartilfenilalanina 1-metil éster) como adoçante artificial de baixa caloria . Tecnologia semelhante à usada para nutrição animal é empregada na indústria de nutrição humana para aliviar sintomas de deficiências minerais, como anemia, melhorando a absorção de minerais e reduzindo os efeitos colaterais negativos da suplementação de minerais inorgânicos.

A capacidade quelante dos aminoácidos tem sido utilizada em fertilizantes para agricultura para facilitar a entrega de minerais às plantas a fim de corrigir deficiências minerais, como a clorose férrica. Esses fertilizantes também são usados ​​para prevenir a ocorrência de deficiências e melhorar a saúde geral das plantas. A produção restante de aminoácidos é utilizada na síntese de medicamentos e cosméticos .

Da mesma forma, alguns derivados de aminoácidos são utilizados na indústria farmacêutica. Eles incluem 5-HTP (5-hidroxitriptofano) usado para tratamento experimental de depressão, L - DOPA ( L- dihidroxifenilalanina) para tratamento de Parkinson e eflornitina droga que inibe a ornitina descarboxilase e usada no tratamento da doença do sono .

Código genético expandido

Desde 2001, 40 aminoácidos não naturais foram adicionados à proteína criando um códon único (recodificação) e um par de transferência RNA:aminoacil – tRNA-sintetase correspondente para codificá-lo com diversas propriedades físico-químicas e biológicas para ser usado como uma ferramenta para explorar a estrutura e função da proteína ou para criar proteínas novas ou aprimoradas.

Nullômeros

Nullômeros são códons que, em teoria, codificam um aminoácido, no entanto, na natureza há um viés seletivo contra o uso desse códon em favor de outro, por exemplo, as bactérias preferem usar CGA em vez de AGA para codificar a arginina. Isso cria algumas sequências que não aparecem no genoma. Essa característica pode ser aproveitada e usada para criar novos medicamentos seletivos de combate ao câncer e para evitar a contaminação cruzada de amostras de DNA de investigações de cenas de crimes.

Blocos de construção químicos

Os aminoácidos são importantes como matérias- primas de baixo custo . Esses compostos são usados ​​na síntese de pool quiral como blocos de construção enantiomericamente puros .

Aminoácidos têm sido investigados como precursores de catalisadores quirais, como para reações de hidrogenação assimétrica , embora não existam aplicações comerciais.

Plásticos biodegradáveis

Os aminoácidos têm sido considerados como componentes de polímeros biodegradáveis, que têm aplicações como embalagens ecologicamente corretas e na medicina na entrega de medicamentos e na construção de implantes protéticos . Um exemplo interessante desses materiais é o poliaspartato , um polímero biodegradável solúvel em água que pode ter aplicações em fraldas descartáveis ​​e na agricultura. Devido à sua solubilidade e capacidade de quelar íons metálicos, o poliaspartato também está sendo usado como agente anti- incrustante biodegradável e inibidor de corrosão . Além disso, o aminoácido aromático tirosina tem sido considerado como um possível substituto para fenóis como o bisfenol A na fabricação de policarbonatos .

Síntese

Para as etapas da reação, veja o texto.
A síntese de aminoácidos de Strecker

Síntese química

A produção comercial de aminoácidos geralmente depende de bactérias mutantes que superproduzem aminoácidos individuais usando glicose como fonte de carbono. Alguns aminoácidos são produzidos por conversões enzimáticas de intermediários sintéticos. O ácido 2-aminotiazolino-4-carboxílico é um intermediário em uma síntese industrial de L - cisteína , por exemplo. O ácido aspártico é produzido pela adição de amônia ao fumarato usando uma liase.

Biossíntese

Nas plantas, o nitrogênio é primeiro assimilado em compostos orgânicos na forma de glutamato , formado a partir de alfa-cetoglutarato e amônia na mitocôndria. Para outros aminoácidos, as plantas usam transaminases para mover o grupo amino do glutamato para outro alfa-cetoácido. Por exemplo, a aspartato aminotransferase converte glutamato e oxaloacetato em alfa-cetoglutarato e aspartato. Outros organismos também usam transaminases para a síntese de aminoácidos.

Aminoácidos não padronizados são geralmente formados através de modificações nos aminoácidos padrão. Por exemplo, a homocisteína é formada pela via de transsulfuração ou pela desmetilação da metionina através do metabólito intermediário S - adenosilmetionina , enquanto a hidroxiprolina é produzida por uma modificação pós-traducional da prolina .

Microrganismos e plantas sintetizam muitos aminoácidos incomuns. Por exemplo, alguns micróbios produzem ácido 2-aminoisobutírico e lantionina , que é um derivado da alanina com ponte de sulfeto. Ambos os aminoácidos são encontrados em lantibióticos peptídicos , como alameticina . No entanto, nas plantas, o ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico é um pequeno aminoácido cíclico dissubstituído que é um intermediário na produção do hormônio vegetal etileno .

Reações

Os aminoácidos sofrem as reações esperadas dos grupos funcionais constituintes.

Formação de ligações peptídicas

Dois aminoácidos são mostrados um ao lado do outro.  Um perde um hidrogênio e oxigênio de seu grupo carboxila (COOH) e o outro perde um hidrogênio de seu grupo amino (NH2).  Essa reação produz uma molécula de água (H2O) e dois aminoácidos unidos por uma ligação peptídica (–CO–NH–).  Os dois aminoácidos unidos são chamados de dipeptídeo.
A condensação de dois aminoácidos para formar um dipeptídeo . Os dois resíduos de aminoácidos estão ligados através de uma ligação peptídica

Como os grupos amina e ácido carboxílico dos aminoácidos podem reagir para formar ligações amida, uma molécula de aminoácido pode reagir com outra e se unir através de uma ligação amida. Essa polimerização de aminoácidos é o que cria proteínas. Essa reação de condensação produz a ligação peptídica recém-formada e uma molécula de água. Nas células, essa reação não ocorre diretamente; em vez disso, o aminoácido é primeiro ativado por ligação a uma molécula de RNA de transferência por meio de uma ligação éster . Este aminoacil-tRNA é produzido em uma reação dependente de ATP realizada por uma aminoacil-tRNA sintetase . Este aminoacil-tRNA é então um substrato para o ribossomo, que catalisa o ataque do grupo amino da cadeia proteica em alongamento na ligação éster. Como resultado desse mecanismo, todas as proteínas produzidas pelos ribossomos são sintetizadas começando em seu terminal N e movendo-se em direção ao terminal C.

No entanto, nem todas as ligações peptídicas são formadas dessa maneira. Em alguns casos, os peptídeos são sintetizados por enzimas específicas. Por exemplo, o tripeptídeo glutationa é uma parte essencial das defesas das células contra o estresse oxidativo. Este peptídeo é sintetizado em duas etapas a partir de aminoácidos livres. Na primeira etapa, a gama-glutamilcisteína sintetase condensa a cisteína e o glutamato através de uma ligação peptídica formada entre a cadeia lateral carboxila do glutamato (o carbono gama dessa cadeia lateral) e o grupo amino da cisteína. Este dipeptídeo é então condensado com glicina pela glutationa sintetase para formar glutationa.

Em química, os peptídeos são sintetizados por uma variedade de reações. Um dos mais utilizados na síntese de peptídeos em fase sólida utiliza os derivados aromáticos de oxima de aminoácidos como unidades ativadas. Estes são adicionados em sequência à cadeia peptídica em crescimento, que está ligada a um suporte de resina sólida. Bibliotecas de peptídeos são usadas na descoberta de medicamentos por meio de triagem de alto rendimento .

A combinação de grupos funcionais permite que os aminoácidos sejam ligantes polidentados eficazes para quelatos metal-aminoácidos. As múltiplas cadeias laterais de aminoácidos também podem sofrer reações químicas.

Catabolismo

Catabolismo de aminoácidos proteinogênicos. Os aminoácidos podem ser classificados de acordo com as propriedades de seus principais produtos de degradação:
* Glucogênico , com os produtos tendo a capacidade de formar glicose por gliconeogênese
* Cetogênico , com os produtos não tendo a capacidade de formar glicose. Esses produtos ainda podem ser usados ​​para cetogênese ou síntese de lipídios .
* Aminoácidos catabolizados em produtos glicogênicos e cetogênicos.

A degradação de um aminoácido geralmente envolve desaminação movendo seu grupo amino para alfa-cetoglutarato, formando glutamato . Esse processo envolve transaminases, muitas vezes as mesmas usadas na aminação durante a síntese. Em muitos vertebrados, o grupo amino é então removido através do ciclo da uréia e é excretado na forma de uréia . No entanto, a degradação de aminoácidos pode produzir ácido úrico ou amônia. Por exemplo, a serina desidratase converte serina em piruvato e amônia. Após a remoção de um ou mais grupos amino, o restante da molécula às vezes pode ser usado para sintetizar novos aminoácidos, ou pode ser usado para energia entrando na glicólise ou no ciclo do ácido cítrico , conforme detalhado na imagem à direita.

Complexação

Os aminoácidos são ligantes bidentados, formando complexos de aminoácidos de metais de transição .

AAcomplexação.png

Análises químicas

O conteúdo total de nitrogênio da matéria orgânica é formado principalmente pelos grupos amino nas proteínas. O Nitrogênio Total Kjeldahl ( TKN ) é uma medida de nitrogênio amplamente utilizada na análise de água (resíduos), solo, alimentos, rações e matéria orgânica em geral. Como o nome sugere, o método Kjeldahl é aplicado. Métodos mais sensíveis estão disponíveis.

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

links externos

  • Mídia relacionada ao aminoácido no Wikimedia Commons