Estrutura Primária de Proteínas

Aminoácidos 

Estrutura

Os aminoácidos apresentam uma estrutura geral que consiste  num  grupo amino, um grupo carboxílico e uma cadeia lateral R, de dimensão e características variáveis, ligados a um carbono saturado (Cα). Podem ser encontrados 20 diferentes aminoácidos em proteínas.

A estrutura tridimensional de uma proteína é determinada pela sequência dos aminoácidos constituintes, mais concretamente por interacções não covalentes como ligações de hidrogénio, interacções electrostáticas e hidrofóbicas,  empilhamento pi ou, no caso da prolina, por efeitos geométricos impostos pelo aminoácido. É importante assim analisar como as caracteristicas dos aminoácidos determinam estas interacções.

Dimensão
Se imaginarmos uma proteína como um puzzle tridimensional, a importância da dimensão dos aminoácidos é imediata. O interior de uma proteína tem uma densidade comparavel à de sólidos orgânicos, ou seja, o empacotamento da proteína é um empacotamento compacto. Assim uma mutação que substitua uma cadeia lateral pequena por uma de maiores dimensões pode conduzir à destabilização da proteína.

Carga
Os aminoácidos Asp, Glu (mononegativos), Lys e Arg (monopositivos) apresentam-se ionizados na maioria das condições fisiológicas; dependendo do ambiente local a histidina pode apresentar-se com uma carga positiva ou na forma  neutra.
A interacção entre duas cadeias laterais com cargas opostas designa-se por ponte salina ( salt bridge ) existindo numa proteína típica uma ponte salina por aproximadamente 30  resíduos.

Polaridade
Para além de estabelecerem interacções de van der Waals, as cadeias laterais ionizadas ou polares participam em ligações de hidrogénio entre si, com a cadeia principal ou com o solvente, através dos respectivos grupos funcionais:
grupo hidroxilo de Ser,Thr e Tyr;
grupo carboxílico de Asp e Glu;
grupo amida de Asn e Gln;
os dois azotos do grupo imidazole da histidina, consoante estejam ou não protonados, podem funcionar como aceitadores ou doadores de hidrogénios;
grupo guanadinio da arginina;
grupo amina da lisina;
finalmente o triptofano pode participar numa ligação de hidrogénio estabelecida pelo átomo de azoto.

Hidrofobicidade
As cadeias laterais alifáticas dos aminoácidos Ala, Val, Leu and Ile (and Gly) apresentam características hidrofóbicas. Uma característica geral de proteínas globulares consiste na localização de resíduos hidrofóbicos no interior da proteína enquanto os resíduos polares ou carregados se situam à superfície da proteína. A hidrofobicidade é um factor muito importante na estabilidade de uma proteína, sendo atribuído um papel relevante ao efeito hidrofóbico no folding de proteínas.
Os aminoácidos contendo enxofre podem apresentar igualmente características hidrofóbicas, em especial no caso da cisteína envolvida na formação de pontes de enxofre. A cadeia lateral da fenilalanina é fortemente hidrofóbica. De igual forma o triptofano e a tirosina apresentam um carácter parcialmente hidrofóbico, não obstante a presença do átomo de azoto ou do grupo -OH.
 

Aromaticidade
Os aminoácidos com cadeias laterais aromáticas, fenilalanina, tirosina, histidina e triptofano participam num tipo de interacção designado por empilhamento pi (pi stacking).

Cadeias laterias com conformações especiais
Impedimento estereoquímico ( ou ausência dele) implicam que  Pro e Gly são muito importantes na determinação da conformação da cadeia peptídica.

Na tabela seguinte são apresentadas as propriedades dos   aminoácidos de acordo com as suas caracteristicas: com carga positiva , com carga negativa , polares, alifáticos (apolares), e aromáticos. Os aminoácidos essenciais  estão assinalados com um asterisco (*). O volume apresentado na tabela é calculado de acordo com  A.A. Zamyatin, Protein Volume in Solution, Prog. Biophys. Mol. Biol. 24(1972)107-123.
Uma descrição exaustiva das propriedades de aminoácidos pode ser encontrada em  Amino Acid Repository, mantido por  Image Library of Biological Macromolecules, Universidade de Jena.
 

Aminoácido	Símbolo	Estrutura	Cadeia Lateral	Volume	PI	pKa	MM
Alanina	A, Ala		-CH3	88.6	6.00	-	89.09
Arginina	R, Arg			173.4	11.15	12.0	174.20
Asparagina	N, Asn		-CH2-CO NH2	114.1	5.41	-	132.12
Ác. Aspártico	D, Asp		-CH2-COO -	111.1	2.77	4.4	133.10
Cisteína	C, Cys		-CH2-SH	108.5	5.02	8.5	121.15
Glutamina	Q, Gln		-(CH2)2-C ON2	143.8	5.65	-	146.15
Ác. Glutâmico	E, Glu		-(CH2)2-C OO-	138.4	3.22	4.4	147.13
Glicina	G, Gly		-H	60.1	5.97	-	75.07
Histidina*	H, His			153.2	7.47	6.5	155.16
Isoleucina*	I, Ile			166.7	5.94	-	131.17
Leucina*	L, Leu			166.7	5.98	-	131.17
Lisina*	K, Lys		-(CH2)4- NH3+	168.6	9.59	10.0	146.19
Metionina*	M, Met		-(CH2)2-S-CH3	162.9	5.74	-	149.21
Fenilalanina*	F, Phe			189.9	5.48	-	165.19
Prolina	P, Pro			112.7	6.30	-	115.13
Serina	S, Ser		-CH2-OH	89.0	5.68	-	105.09
Treonina*	T, Thr			116.1	5.64	-	119.12
Triptofano*	W, Trp			227.8	5.89	-	204.23
Tirosina	Y, Tyr			193.6	5.66	10.0	181.19
Valina*	V, Val			140.0	5.96	-	117.15

 
 

Ligação peptídica

A formação de peptídeos dá-se por reacção de polimerização de condensação de aminoácidos. A ligação peptídica  forma-se entre o átomo de carbono (C) do grupo carboxílico e o átomo de azoto (N) do grupo amina com eliminação de água. As duas extremidades da cadeia assim formada são designadas por  "terminal amino "   e " terminal carboxílico" ou  N- terminus e C- terminus.
 

Aminoácidos		Peptídeos
Alanina	Serina	Ala-Ser (AS)	Ser-Ala (SA)

Ângulos de diedro

A ligação peptídica apresenta um carácter duplo parcial que inibe a rotação em torno da ligação peptidica e os quatro átomos  O,C,N e H definem um plano, o plano peptídico. Uma cadeia polipeptídica pode ser considerada como um conjunto de planos que podem rodar en torno das ligações N-Cα  ou C(carbonilo)-Cα .

Na figura seguinte é ilustrado  o plano peptidico e os ângulos de diedro (ou torsão) φ e ψ. A vermelho é representado o esqueleto da cadeia peptídica. Estes ângulos estão restritos a determinados valores. A representação gráfica da distribuição destes ângulos numa proteína é designada por  Ramachandran plot e é uma forma de aferir a qualidade de uma estrutura.

A conformação do esqueleto de uma cadeia peptidica é completamente descrita por três ângulos de torsão: φ, ψ e Ω, em que o ângulo Ω toma habitualmente os valores  0º e 180º para as configurações cis e  trans, respectivamente.

A conformação trans de uma ligação peptidica é mais favorável e mais comum em relação ao confórmero cis devido a impedimento estereoquímico entre cadeias laterais de resíduos adjacentes como é ilustrado na figura seguinte:

No entanto, para a prolina as configurações cis e trans apresentam energias equivalentes, pelo que é mais habitual encontrar uma prolina cis numa estrutura de uma proteína que qualquer outro aminoácido.