Mapa metabólico sobre o catabolismo de vários aminoácidos

Aqui fica um mapa metabólico sobre o catabolismo da alanina, glicina, serina, cisteína, triptofano e treonina.

Mapa metabólico sobre aminoácidos cetogénicos e glucogénicos

Aminoácidos como neurotransmissores

Além de serem utilizados como blocos de construção para a síntese de proteínas, os aminoácidos desempenham muitas outras funções fisiológicas importantes. Uma delas é, sem dúvida, o facto de existirem vários aminoácidos que desempenham funções de neurotransmissores:

- Glutamato, é o principal neurotransmissores excitatórios do sistema nervoso central. Desempenha funções centrais ao nível da transmissão nervosa rápida (isto é, resposta rápida a um estímulo), cognição, memória, movimento e sensação. É reconhecido por duas classes de recetores: os recetores ionotrópicos, que são recetores que quando ativados permitem o fluxo de iões através da membrana; e os recetores metabotrópicos, que quando ativados estimulam a produção de mensageiros secundários.

- Aspartato, é também um neurotransmissor excitatório do sistema nervoso central. Devido às semelhanças bioquímicas entre o glutamato e o aspartato (mais informações sobre esse assunto aqui), o mecanismo de atuação e os efeitos são idênticos entre ambos (apesar de o glutamato ser, do ponto de vista quantitativo, mais importante do que o aspartato).

- Glicina, é o aminoácido mais simples, sendo que apresenta funções inibitórias ao nível do sistema nervoso central, com especial destaque na medula espinhal, no tronco cerebral e na retina. Além do seu papel como neurotransmissor, desempenha também funções de imunomodulador, anti-inflamatório e citoprotetor (protetor celular). A ativação dos seus recetores permite um influxo de iões cloreto.

Ponto isoelétrico (aminoácidos e proteínas)

Os aminoácidos são, conforme já referido noutros posts, moléculas que apresentam um grupo amina e um grupo carboxílico. Estes dois grupos são ionizáveis, ou seja, podem sofrer protonação/desprotonação. Além disso, nas cadeias laterais de vários aminoácidos é possível encontrar outros grupos ionizáveis adicionais. Isto significa que os aminoácidos são moléculas que podem apresentar carga total positiva, negativa ou neutra. O que vai influenciar qual a carga do aminoácido, num determinado contexto, são dois fatores:

1. Composição química do aminoácido e da molécula onde ele está inserido (se for esse o caso…). A presença de determinados átomos/grupos funcionais numa molécula altera a distribuição da sua nuvem eletrónica, tornando algumas ligações covalentes mais fortes e outras mais fracas. Quanto mais fracas forem as ligações que envolvam átomos de hidrogénio, mais fácil será a ocorrência de desprotonação.

2. pH da solução onde o aminoácido está inserido. Como é lógico, um grupo funcional vai apresentar um estado de protonação que é influenciado pelo pH do meio, ou seja, se o pH for inferior ao seu pKa, o grupo funcional tende a estar protonado, e se for superior ao pKa, tende a estar desprotonado.
Portanto, com base nas características de cada aminoácido, e do meio onde se encontra, é possível obter diferentes cargas totais.
O ponto isoelétrico é definido como o valor de pH para o qual a carga total do aminoácido é nula. Atenção que isto não significa que não existem cargas no aminoácido, pois na realidade existem. Significa é que quando sujeito a esse valor de pH, o total de cargas positivas iguala o total de cargas negativas. Neste ponto, a solubilidade do aminoácido diminui. Quando um aminoácido é colocado numa solução com um pH inferior ao seu ponto isoelétrico, adquire carga positiva, pois os grupos funcionais tendem a estar protonados (captam H+). Se o pH for superior ao ponto isoelétrico, a carga total é negativa, pois os grupos funcionais tendem a estar predominantemente desprotonados (perdem H+).

No caso das proteínas, aplica-se exatamente o mesmo conceito. No entanto, neste caso deve-se considerar o total de grupos ionizáveis presentes na molécula, sendo que o ponto isoelétrico é definido como o valor de pH para o qual a carga total da proteína é zero. 

Novamente, neste valor a solubilidade da proteína é nula, e esta tende a precipitar. Esta situação é explorada do ponto de vista laboratorial através da técnica focagem isoelétrica.

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Aminoácidos standard e não standard

Os aminoácidos são moléculas que, do ponto de vista químico, são caracterizadas por apresentarem um grupo amina e um grupo carboxílico (ácido), e daí o seu nome: aminoácido. A sua principal função é servirem como monómeros para a síntese de péptidos e proteínas. De todos os aminoácidos existentes na Natureza, há um conjunto de 20 aminoácidos que são designados por aminoácidos standard, e que são usados como blocos de construção para a grande maioria das proteínas produzidas por qualquer ser vivo. Esses aminoácidos estão amplamente estudados e foram os elementos centrais nos meus últimos posts. Só para relembrar, os aminoácidos standard são:

- glicina

- alanina

- prolina

- valina

- leucina

- isoleucina

- metionina

- fenilalanina

- tirosina

- triptofano

- serina

- treonina

- cisteína

- asparagina

- glutamina

- lisina

- arginina

- histidina

- aspartato

- glutamato

No entanto, além dos aminoácidos standard, existem muitos outros aminoácidos que entram na composição de algumas proteínas, sendo designados por aminoácidos não standard. A ideia da utilização destes aminoácidos não standard é simples de entender. São aminoácidos que, tendo uma composição diferente da dos standard, apresentam obrigatoriamente propriedades físico-químicas diferentes. Portanto, quando é necessário que uma proteína apresente um local com determinadas propriedades, se as mesmas não puderem ser fornecidas pelos aminoácidos standard, é incorporado na sequência um aminoácido não standard. Em relação à tradução, nestes casos, são introduzidos nesses locais aminoácidos standard que, numa fase pós-tradução, sofrem modificações covalentes para originar aminoácidos com outras características. Gostaria de destacar algo que me parece importante. Como vão reparar a seguir, vários dos aminoácidos não standard são encontrados em proteínas da matriz extracelular. Sendo a matriz extracelular uma estrutura muito complexa, que estabelece inúmeras interações com muitas moléculas diferentes (extracelulares e moléculas celulares), é necessário que as proteínas que a compõem apresentem muita versatilidade nas interações que estabelecem, daí a necessidade de incluir especificamente nalguns locais aminoácidos que tenham características diferentes. Alguns exemplos de aminoácidos não standard incluem:

- cistina, desmosina e isodesmosina, que são aminoácidos encontrados em proteínas da matriz extracelular, tal como a elastina;

- hidroxiprolina e hidroxilisina, encontradas na proteína mais abundante da matriz extracelular, o colagénio;

- gama-carboxiglutamato, encontrado na osteocalcina, que é uma proteína da matriz extracelular óssea, mas também na pró-trombina, que é importante para a cascata de coagulação;

- fosfoserina, fosfotreonina e fosfotirosina, que são encontradas em muitas proteínas diferentes, pois a fosforilação proteica é a modificação pós-tradução mais frequente, e envolve sempre aminoácidos com grupos hidroxilo na cadeia lateral;

- N-acetillisina, que é fundamental para a estrutura das histonas:

 - metillisina, que é encontrada na miosina, uma proteína motora do nosso citoesqueleto, mais concretamente, dos filamentos de actina.

Aminoácidos com cadeias laterais ácidas

Este é o último grupo de aminoácidos standard que me falta referir. É composto por 2 aminoácidos, o glutamato (também chamado de ácido glutâmico) e o aspartato (também chamado de ácido aspártico). Ambos apresentam um grupo carboxílico na sua cadeia lateral, que, sendo um grupo ácido fraco, confere propriedades acídicas à cadeia lateral. Por outras palavras, estas cadeias laterais tendem a apresentar carga negativa, como consequência da desprotonação do grupo carboxílico. São, por isso, aminoácidos muito importantes para o estabelecimento de interações iónicas com aminoácidos com cadeia laterais alcalinas (mais informação sobre esses aminoácidos aqui), sendo que essas forças também podem ser chamadas de pontes salinas. De forma a evitar confusão na nomenclatura do grupo carboxílico da cadeia lateral e do grupo carboxílico ligado ao carbono alfa, o grupo da cadeia lateral é normalmente referido como gama-carboxílico. A diferença entre o glutamato e o aspartato está apenas num grupo metileno -CH2-. De facto, o glutamato tem mais um carbono (sob a forma de grupo metileno) do que o aspartato. Ambos podem ser obtidos a partir de intermediários do ciclo de Krebs (o glutamato a partir do alfa-cetoglutarato e o aspartato a partir do oxaloacetato), e além de blocos de construção para a síntese de proteínas, são também utilizados como neurotransmissores, sendo que o glutamato tem igualmente um papel muito importante ao nível do sentido do paladar. O glutamato é também importante como dador de grupos amina em diversas reações de síntese de moléculas azotadas.

Aminoácidos com cadeias laterais alcalinas

Esta classe de aminoácidos engloba todos aqueles que possuem na sua cadeia lateral um grupo funcional alcalino. Isto significa que estes aminoácidos tendem a apresentar carga positiva na sua cadeia lateral, pois os grupos alcalinos têm tendência para captar H+. Como consequência, são aminoácidos que normalmente estabelecem ligações iónicas (ou pontes salinas) com aminoácidos com cadeias laterais carregadas negativamente Há 3 aminoácidos que pertencem a esta classe:

Lisina – Este aminoácido apresenta na sua cadeia lateral uma amina primária, ou seja, um grupo amina que está ligado apenas a um carbono, sendo que os restantes substituintes do azoto são átomos de hidrogénio. O grupo amina é o principal grupo básico na bioquímica (mais informações neste post). A lisina é o principal local de glicosilação das proteínas, sendo que, nesse caso, as ligações estabelecidas são ligações N-glicosídicas.

 

Arginina – Este aminoácido possui na sua cadeia lateral um grupo funcional alcalino mais complexo, designado por guanidino. Trata-se de um grupo funcional composto por 3 átomos de azoto, que exibe ressonância eletrónica, e que pode ser protonado.

Histidina – Este aminoácido apresenta uma estrutura cíclica na sua cadeia lateral, mais precisamente um anel imidazole. Trata-se de um heterociclo formado por átomos de azoto e de carbono, no qual um dos azotos pode ser protonado. A histidina apresenta uma característica particularmente importante para a bioquímica: é o único aminoácido que apresenta capacidade tamponante significativa ao pH fisiológico (entre 6,5 e 7,5), pois o seu pKa é de cerca de 6. Em relação a isto, convém referir, em primeiro lugar, que o pKa da histidina muda, como é lógico, quando esse aminoácido é inserido numa cadeia polipeptídica, mas normalmente não difere muito do valor original. Também o facto de ser importante ter um pKa próximo do pH fisiológico, prende-se com a capacidade de a histidina existir sob a forma ácida e sob a forma alcalina ao valor do pH fisiológico, ou seja, funciona como um par ácido-base conjugado.

Aminoácidos com cadeias laterais polares não carregadas

Esta classe de aminoácidos inclui todos aqueles que apresentam grupos funcionais não ionizáveis na sua cadeia lateral. Na realidade, apesar da definição desta classe ser dada desta forma, não está 100% correta, pois de acordo com a mesma, os aminoácidos aromáticos deveriam estar incluídos. Portanto, para a definição ser completamente correta, deve conter a palavra alifático, ou seja, engloba todos os aminoácidos que apresentem uma cadeia lateral alifática contendo apenas grupos funcionais não ionizáveis. Estes aminoácidos podem, por isso, estabelecer forças não covalentes polares entre as suas cadeias laterais. Em particular, a maior parte estabelece pontes de hidrogénio, um fator muito importante para a estabilidade da conformação da maioria das proteínas.

São vários os aminoácidos que pertencem a esta categoria:

Serina – Este aminoácido tem uma cadeia lateral pequena, com um grupo hidroxilo, que lhe confere polaridade. Em condições normais o grupo hidroxilo é não ionizável, ainda que nalguns contextos (em particular na tirosina, que é um aminoácido aromático, tal como detalhado neste post), possa funcionar como um ácido fraco. Todos os aminoácidos que apresentam grupos hidroxilo na cadeia lateral, são potencialmente locais de fosforilação, ou seja, quando uma proteína é fosforilada, os grupos fosfato são normalmente adicionados aos grupos hidroxilo de cadeias laterais.

Treonina – Este aminoácido, tal como a serina, apresenta um grupo hidroxilo na sua cadeia lateral, mas neste caso essa cadeia é maior.

Cisteína – Este aminoácido merece uma atenção especial, pois é o único dos 20 aminoácidos standard que apresenta um grupo sulfidrilo ou tiol (mais informações sobre este grupo funcionalaqui). Além de conferir polaridade, este grupo funcional permite o estabelecimento de pontes dissulfureto, que são o principal tipo de ligações covalentes inter- e intramoleculares que contribuem para a estabilidade da estrutura 3D de uma proteína. Num post futuro irei falar sobre a estrutura das proteínas, e as interações que contribuem para a sua estabilidade.

Prolina – Outro aminoácido “especial”! É o único dos 20 aminoácidos standard no qual o grupo R se encontra ligado covalentemente ao grupo a-amino, ou seja, a cadeia lateral forma uma estrutura cíclica com o próprio esqueleto do aminoácido. A inclusão deste aminoácido no grupo dos aminoácidos com cadeias laterais polares alifáticas não carregadas é discutível, pois há quem o coloque no grupo dos aminoácidos com cadeias laterais apolares alifáticas. Se olharmos com atenção, a cadeia lateral da prolina é formada apenas por carbonos e hidrogénios, ou seja, é apolar. No entanto, como se encontra ligada covalentemente ao azoto do grupo a-amino, este vai conferir polaridade a essa estrutura. Portanto, na minha opinião, qualquer umas das classificações pode ser utilizada, depende da perspetiva. :) Voltando à estrutura cíclica da prolina, o facto de englobar o esqueleto do aminoácido, faz com que este seja um aminoácido mais rígido do que os restantes, pois a sua cadeia lateral não pode sofrer rotação livre. Além disso, a estrutura cíclica distorce a estrutura do aminoácido. Como eu costumo dizer nas minhas aulas, a prolina “é um aminoácido torto”, e isto tem implicações significativas no efeito 3D da prolina na estrutura das proteínas.

Asparagina – Este aminoácido apresenta na sua cadeia lateral um grupo amida. É, na realidade, em termos de composição um aminoácido muito semelhante ao aspartato, só muda o grupo funcional terminal. Já agora… uma chamada de atenção! O grupo amida não é um grupo ionizável, ou seja, não confere caráter básico (nem ácido!) às biomoléculas. O grupo funcional básico é o grupo amina.

 

Glutamina – Tal como a asparagina, a glutamina também tem um grupo amida na cadeia lateral. Neste caso, existem semelhanças óbvias com o glutamato, ainda que haja uma diferença evidente, que é o tal grupo amida.