Aminoácidos são ionizáveis
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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA – DQMC BIOQUÍMICA – BIO0001 Biomoléculas e a Base Molecular da Vida Prof Karine P. Naidek Agosto/2016 A BIOLOGIA NO SEC. XIX Vitalismo, élan vital: característica particular e única existente apenas em organismos vivos – pensamento místico em círculos acadêmicos Desenvolvimento da bioquímica e da genética Tentativa de explicar a vida em bases físicas Trazer o rigor das ciências exatas para as ciências biológicas Objetivo alcançado com a biologia molecular Estudos do fim do sec. XIX e início do sec. XX mostram que apenas as forças químicas das moléculas inanimadas é capaz de explicar a constituição dos organismos vivos SACO DE MOLÉCULAS? Organismos vivos são compostos de moléculas sem-vida O que distingue, então, um organismo vivo de um saco de moléculas? Complexidade e Organização Capacidade de extrair, transformar e utilizar a energia do ambiente Capacidade de replicação DIVERSIDADE DOS ORGANISMOS OLHANDO MAIS DE PERTO ORGANISMO Sistemas Órgãos Por trás da diversidade anatômica existe uma incrível similaridade em nível celular e químico A LÓGICA MOLECULAR DA VIDA Poucas generalizações podem ser feitas para todos os organismos Tecidos Células Proteínas Organelas Moléculas Aminoácidos Polissacarídeos Acidos Nucléicos Açúcares simples A, T, C e G ALFABETO QUÍMICO Todos os organismos vivos são constituídos a partir das mesmas unidades monoméricas A estrutura macromoléculas é determina a sua biológica das o que função Cada espécie apresenta um conjunto distinto de macromoléculas VIDA E ABUNDÂNCIA DE ÁTOMOS 99% C, H, O, N Seres Vivos 1% 99% Outros elementos Crosta Terrestre 1% C, H, N Outros elementos VIDA E ABUNDÂNCIA DE ÁTOMOS A maioria dos constituintes moleculares dos seres vivos são compostos de átomos de C ligados a outros átomos de C, H, O, N, P e S Se encontrássemos vida fora da Terra... Massa celular -- 99% CHON BIOELEMENTOS Principais bioelementos CHONPS Elementos presentes como íons Na K Mg Ca Cl Microelementos Fe Cu Zn Mn Co I Mo V Ni Cr F Se Si Sn B As UM POUCO DE QUÍMICA Hidrogênio Água Número de elétrons não emparelhados Átomo Camada Completa Amônia 1 8 7 Metano 6 16 15 Sulfeto de Hidrogênio Ácido Fosfórico TRÊS VIVAS PARA O CARBONO Corresponde a mais de 50% do peso seco das células Versatilidade na formação de ligações químicas Formação de cadeias lineares, cadeias ramificadas e estruturas cíclicas Compostos orgânicos – moléculas que apresentam esqueletos de carbono covalentemente ligados GRUPOS FUNCIONAIS EM MOLÉCULAS VIVAS EXEMPLOS DE BIOMOLÉCULAS BIOMOLÉCULAS Ácidos Nucleicos Armazenamento da informação genética Proteínas Enzimática Estrutural Transporte Hormônios Polissacarídeos Armazenamento Estrutura Lipídeos Armazenamento Estrutura Hormônios Características em comum: ALTO PESO MOLECULAR ÁCIDOS NUCLEICOS DNA, RNA Armazenamento da informação genética Polímeros de nucleotídeos DNA E RNA Polímeros de nucleotídeos Esqueleto de ribose-fosfato ligado às bases nitrogenadas REPLICAÇÃO DO DNA O DNA é composto por uma dupla-hélice Replicação semi-conservativa: as bases presentes em uma das fitas contém toda a informação necessária para a síntese da nova fita A complementaridade das bases A = T, G = C As duas fitas do DNA são antiparalelas EVOLUÇÃO POR MUTAÇÕES A modificação das moléculas de DNA ao longo do tempo (mutação) é um dos principais fatores evolutivos DOGMA CENTRAL E TRADUÇÃO PROTEÍNAS Moléculas mais importantes? Polímeros de aminoácidos Apenas 20 diferentes aminoácidos estão presentes nas moléculas biológicas Carboxil Amino AMINOÁCIDOS LIGANDO AMINOÁCIDOS ESTRUTURA DAS PROTEÍNAS COMPOSTOS PRECURSORES Aminoácidos Proteínas Hormônios peptídeos Neurotransmissores Alcalóides Adenina Ácidos nucléicos ATP Coenzimas Ácido úrico HIERARQUIA ESTRUTURAL HIERARQUIA ESTRUTURAL Células Organelas Núcleo Mitocôndria Complexo de Golgi Retículo endoplasmático Complexos supramoleculares Macromoléculas Proteínas DNA/RNA Polissacarídeos Unidades Fundamentais Membrana Ribossomos Cromatina Microtúbulos Aminoácidos Glicose Adenina e outras bases Ácidos palmítico AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS • Vagalume – Enzima luciferase quebra a proteína luciferina na presença de ATP Os aminoácidos • Os aminoácidos presentes nas proteínas são isômeros L – A biologia é canhota • Glicina não tem isomeria óptica Carbono alfa Grupo R apolar e alifáticos • Aminoácidos apolares e hidrofóbicos • Ligações de Van der Waals • Ala, Val, Leu, Iso – Interações hidrofóbicas • Gly; menor aminoácido • Met – Possui átomo de enxofre • Pro – Iminoácido, menor flexibilidade estrutural Grupo R aromáticos • Aminoácidos hidrofóbicos • Tirosina pode formar pontes de hidrogênio com a água • Modificações póstraducionais – Fosforilação do OH da tirosina • Fenilalanina – Mais apolar Grupos R polares, não carregados • Solubilidade intermediária em água • Serina e treonina – Grupos hidroxil • Asparagina e glutamina – Grupo amida • Cisteína – Grupo sulfidril – Ligações dissulfeto Grupos R carregados • Aminoácidos básicos – – – – Carga positiva Lisina, segundo grupo amino Arginina, grupo guanidina Histidina, grupo aromático imidazol • Aminoácidos ácidos – Carga negativa – Possuem segundo grupo ácido carboxílico Aminoácidos incomuns • Modificações pós-traducionais – – – – – 4-hidroxiprolina 5-hidroxilisina 6-N-metil-lisina Gama-carboxiglutamato Fosforilação de resíduos • Selenocisteína – Selênio ao invés de enxofre na Cys – É adicionado durante a tradução por mecanismo específico e regulado pH e pKa • Constantes de dissociação dependem do pH do meio e são diferentes para diferentes moléculas • Ionização • < pH; > [H]+ estado não-ionizado Aminoácidos são ionizáveis • Substâncias anfóteras: possuem natureza dual • Podem funcionar assim como ácidos ou bases – Doam ou recebem prótons Titulação de um aminoácidos • pKa: tendência de um grupo fornecer um próton ao meio • Aminoácidos podem perder até 2 prótons para o meio • Conclusão: a função das proteínas depende do pH ao qual estão submetidas Curvas de titulação predizem a carga elétrica dos aminoácidos • Alguns aminoácidos podem ter átomos ionizáveis também em sua cadeia lateral Polipeptídeo >Insulina [Homo sapiens] MALWMRLLPLLALLALWGPDPAAAFVN QHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKT RREAEDLQVGQVELGGGPGAGSLQPLA LEGSLQKRGIVEQCCTSICSLYQLENY CN Peptídeos tbm são ionizáveis • Ou seja, possuem curva de titulação característica • Funcionam em faixas de pH ótimas Número de resíduos por proteína Uso de aminoácidos • Varia bastante entre as proteínas • Não permite predizer com precisão o comportamento molecular da molécula Proteínas com outros grupos químicos • Adicionados pós-traducionalmente Proteínas podem ser separadas e purificadas • Sabendo que a célula possui milhares de proteínas, como purificar uma única delas? – Basta selecionar por propriedade • Tamanho, carga e propriedades de ligação • Obter o extrato bruto – “correr” em cromatografia de coluna • Fase estável (matriz) • Fase móvel (solução com tampão) – Coluna maior permite maior resolução na separação Cromatografia por troca iônica • Polímero carregado negativamente – Proteínas positivas ligam ao polímero e demoram mais a ser eluídas da coluna • Afinidade da proteína é definido também pelo pH Cromatografia por exclusão de tamanho • Grânulos porosos na matriz seguram as moléculas menores • Moléculas grandes não entram nos poros e são eluídas primeiro Cromatografia de afinidade • Adiciona-se à matriz da coluna algum tipo de molécula ligante da molécula de interesse • Molécula ligadora de ATP; adiciona-se ATP à matriz • Elui-se com solução de ATP Eletroforese -- Histórico • 1952, Markham and Smith – • 1955, Smithies – • Géis de acrilamida com maior resolução e permitem separar ainda moléculas grandes de DNA 1980, Schwartz and Cantor – • Géis de amido funcionam bem para separar proteínas do soro humano 1967, Loening – • Ao estudarem hidrólise de RNA percebem que moléculas de diferentes estruturas têm sua mobilidade diferenciada quando aplicadas num papel e submetidas a um campo elétrico Eletroforese em campo pulsado separa fragmentos enormes É hoje impossível imaginar um laboratório de biomol sem eletroforese acontecendo a todo instante... Vou ali correr um gelzinho e já volto Tenho que ir senão vou perder meu gel Eletroforese • Movimento de partículas dispersas num fluído sob influência de um campo elétrico uniforme • DNA, carga negativa – Tem tendência a se dirigir ao polo positivo quando sujeito a um campo elétrico • Serve para separar moléculas por tamanho/carga elétrica – Proteína deve ser desnaturada com detergente (SDS) • Técnica utilizada à exaustão em trabalhos de biologia molecular Eletroforese, etapas 1.Preparação do gel 2.Aplicação das amostras 3.Eletroforese 4.Coloração 5. Análise dos resultados Aplicação das amostras Definição do mapa das amostras por canaleta Corrida do gel • Aplicação do campo elétrico • Fonte elétrica gera fluxo de íons através da solução tampão • Terminais positivo e negativo • Tempo adequado, senão o DNA sai do gel Coloração das moléculas • Prata – Gel SDS-PAGE • PoliAcrilamide Gel Electrophoresis – Melhor resolução • Coomassie blue, etc • Brometo de etídio – Agente intercalante do DNA • Cancerígeno! – Composto fluorescente à luz UV – Gel de agarose Eletroforese de um resultado de cromatografia O marcador de peso molecular • Comprado de uma empresa – Possui proteínas de peso molecular bem conhecido • Permite saber o peso molecular da(s) proteína(s) presente(s) numa amostra
