Anatomia e Fisiologia I

Introdução

Aminoácidos são os blocos de construção das proteínas. A sequência de aminoácidos em proteínas individuais é codificada no DNA da célula. As propriedades físicas e químicas dos 20 diferentes aminoácidos naturalmente presentes ditam a forma da proteína e as suas interacções com o seu ambiente. Certas sequências curtas de aminoácidos na proteína também ditam o local onde a proteína reside na célula. As proteínas são compostas de centenas a milhares de aminoácidos. Como você pode imaginar, a dobra da proteína é um processo complicado e há muitas formas potenciais devido ao grande número de combinações de aminoácidos. Ao compreender as propriedades dos aminoácidos você ganhará uma apreciação dos limites do dobramento protéico e aprenderá como prever a estrutura potencial de maior ordem da proteína.

Todos os aminoácidos têm a mesma estrutura de espinha dorsal, com um grupo de aminoácidos (o α-amino, ou alfa-amino, grupo), um grupo carboxil, um α-hidrogênio, e uma variedade de grupos funcionais (R), todos ligados ao α -carbono.

A estrutura geral de um α-aminoácido. O grupo ácido é um ácido carboxílico. O carbono que está ligado ao ácido carboxílico é o α-carbono. Se o grupo R fosse um átomo de carbono, seria o β -carbono.

Se todos os aminoácidos têm a mesma estrutura básica com um amino, um carboxil e um hidrogênio fixado ao alfa-carbono, então a grande variação nas propriedades e estrutura dos aminoácidos deve vir do quarto grupo ligado ao alfa-carbono. Este grupo é referido como a cadeia lateral do aminoácido ou o grupo R.

As estruturas dos 20 aminoácidos comuns são mostradas no gráfico abaixo. O aminoácido mais simples, a glicina, é mostrado na parte superior esquerda. Os átomos da cadeia principal da glicina são destacados em amarelo e sua cadeia lateral (H) é destacada em verde. Todos os aminoácidos têm os mesmos átomos da cadeia principal, mas diferem nas cadeias laterais. Para maior clareza, o botão α é omitido nos demais desenhos.

Os grupos de cadeia lateral destes aminoácidos contêm muitos grupos comuns de átomos chamados grupos funcionais. A maioria dos grupos funcionais, como o grupo hidroxila (-OH), são geralmente polares, permitindo-lhes interagir com a água. Detalhes dos grupos funcionais podem ser encontrados no gráfico interativo dos grupos funcionais, que pode ser acessado clicando no link Learn by Doing abaixo.

Peptide Bonds

Proteínas são polímeros de aminoácidos. Os aminoácidos são unidos por uma reação de condensação. Cada aminoácido no polímero é referido como um “resíduo”. Os aminoácidos individuais são unidos pelo nitrogênio de um grupo aminoácido ao carbono carbonilo (C=O) do grupo carboxilo de outro aminoácido, para criar uma ligação peptídeo covalente e produzir uma molécula de água, como mostrado abaixo.

A cadeia do peptídeo resultante é linear com extremidades definidas. Polímeros curtos (menos de 50 resíduos ou aminoácidos) são geralmente chamados de peptídeos, e polímeros mais longos de polipéptidos. Vários polipeptídeos juntos podem formar algumas proteínas grandes. Como a síntese ocorre do grupo alfa-amino de um aminoácido ao grupo carboxilo de outro aminoácido, o resultado é que sempre haverá um grupo amino livre em uma extremidade do polímero em crescimento (o N-terminus) e um grupo carboxilo livre na outra extremidade (o C-terminus).

Note que depois que o aminoácido foi incorporado à proteína, as cargas no amino e carboxi terminal desapareceram, assim os átomos da cadeia principal tornaram-se grupos polares funcionais. Como cada resíduo em uma proteína tem exatamente os mesmos átomos da cadeia principal, as propriedades funcionais de uma proteína devem surgir dos diferentes grupos da cadeia lateral.

Por convenção, as seqüências de peptídeos e proteínas são escritas com o termo N à esquerda e o termo C à direita. O nome do resíduo N-terminal é sempre o primeiro aminoácido. O nome de cada aminoácido segue então. A sequência primária de uma proteína refere-se à sua sequência de aminoácidos.

Ácidos nucléicos

Principalmente localizados no núcleo da célula (daí o nome) os ácidos nucléicos estão replicando macromoléculas. Os mais importantes são DNA e RNA. Sem eles, as células não poderiam replicar, tornando a vida impossível. Estas moléculas armazenam o “software” da célula – as instruções que governam sua função, processos e estrutura. O código é composto por sequências de quatro bases-adenina, citosina, guanina e timina (uracil no RNA). Estes estão dispostos em conjuntos de três chamados trigêmeos. Cada trigêmeo especifica um aminoácido, que por sua vez é um componente de uma macromolécula proteica. Toda a complexidade intrincada do corpo humano surge da informação codificada por apenas quatro químicos em uma única macromolécula longa de DNA.

Em humanos, erros nas estruturas do DNA e do RNA causam doenças, incluindo anemia falciforme, hemofilia, coréia de Huntingdon e alguns tipos de câncer. Mesmo um pequeno erro pode resultar em um efeito dramático. A doença falciforme é causada quando apenas um aminoácido na sequência base do ADN é alterado. Através de processos químicos diretos, os ácidos nucléicos instruem as células a se diferenciarem em vários órgãos. Durante o desenvolvimento, conjuntos inteiros de sequências de ADN são desligados ou activados para impulsionar processos específicos. Estes processos levam a diferentes tipos de células que formam órgãos como o coração, fígado, pele e cérebro.

Com a célula, os ácidos nucléicos são, por sua vez, organizados em estruturas de nível superior chamadas cromossomos. Você pode ver cromossomos com um microscópio de luz, usando uma mancha apropriada. O estudo precoce dos cromossomos ajudou os cientistas a descobrir e entender o papel dos ácidos nucléicos na reprodução celular. Erros na estrutura cromossômica levam ao mau funcionamento dos processos vitais. Por exemplo, em humanos, um cromossomo 21 extra resulta na Síndrome de Down.

A Espinha dorsal

Nosso código genético é determinado por apenas quatro bases no DNA (G, C, A, T), que são repetidas e dispostas em uma ordem especial. Por exemplo, o código genético,

1 agccctccag gacaggctgc atcagaagagc gccatcaagc agatcactgt ccttctgcca

61 tggccctgtg gatgcgctc ctgcccccctgc tggcgctgctgctgctgctgctgctgctggcccccccccccca

121 cagccgcagc ctttgtgaac caacacctctggag gcggctcaca cctggtggaa gctctctctacc

181 tagtgtgcgg ggaacgaggc ttcttctaca cacccaagac ccgccgccgaggag gcaggacc

241 tgcaggtggg gcaggtggggg ctgggcgggg gccctgtgc aggcagcctg cagcccttgg

301 ccctggaggg gtccctgcag aagcgtggca ttgtggaaca atgctgtacc agcatctgctgctgctgct

361 ccctctacccca gctggagaac tactgcaact agacgcagcc cgcaggcagc cccacccg

421 ccgcctcctcctg caccgagaga gatggaataa agcccttgaa ccagcaaaa

Esta pode parecer uma sequência aleatória de G, C, A, T, mas estes códigos de ADN para insulina humana. O DNA é organizado em um polímero linear em uma dupla hélice e mantém a ordem herdada das bases ou código genético. Os “degraus” da escada de ADN têm o código que, em última análise, dirige a síntese das nossas proteínas. Este polímero linear de código genético é mantido quando o DNA de cadeia dupla é transcrito para RNA de cadeia única.

A unidade fundamental do DNA é o nucleotídeo. O nucleotídeo contém um grupo fosfato (mostrado em laranja), que eventualmente dará ao polímero de DNA sua carga e interconectará os nucleotídeos na espinha dorsal. O grupo do açúcar furanose é um açúcar de cinco lados (mostrado em roxo). A base nitrogenada (mostrada em amarelo) determina o tipo de nucleotídeo formado.

A numeração das posições nos anéis de açúcar furanose do DNA e RNA segue uma convenção que usa ‘ (o símbolo principal) para denotar as posições de açúcar. Assim, a ribose tem uma base nitrogenada ligada à posição 1′ e aos grupos hidroxila (OH) nas posições 2′, 3′ e 5′. Usando esta nomenclatura, a deoxirribose é formalmente chamada 2′-deoxirribose (2 prime deoxirribose) para denotar a perda do hidroxil na posição de 2’ de ribose.

A maior diferença nos backbones do polímero entre o DNA e o RNA é o açúcar utilizado na formação do polímero. No DNA (Ácido desoxirribo-nucleico) a posição 2′ da furanose tem um hidrogênio. No RNA (Ácido Ribo-Nucleico), a posição 2′ da furanose tem um OH (hidroxila) e o açúcar é a ribose monossacarídeo na conformação da furanose.

A ligação dos nucleotídeos individuais é feita por uma molécula de fosfato em ponte entre dois grupos hidroxil, um em cada anel de furanose. O polímero resultante é uma cadeia de moléculas de furanose ligadas por ligações fosfodiéster em uma macromolécula muito longa.

A seguir está uma lista de características estruturais do espinha dorsal do polímero DNA/RNA.

• Fosfato-ribose(deoxirribose)-fosfato-sequência de ribose(deoxirribose)
• Ligada por ligações covalentes de fosfodiester
• 3′ posição de uma ribose(deoxirribose) ligada a 5′ posição de ribose(deoxirribose) adjacente através de fosfodiester bridge
• Chain tem 3′ end e 5′ end

Ligação de hidrogênio entre bases

A dupla hélice de DNA é mantida no lugar com a ligação de hidrogênio de purinas a pirimidinas.

Exemplo de purinas e pirimidinas. http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase

Recorde que as ligações de hidrogênio são interações fracas, não como as ligações covalentes da espinha dorsal fosfato-furanose. Assim, o DNA é mantido junto, mas pode ser separado para transcrição para RNA ou para replicação de DNA.

Para manter a mesma distância entre os dois fios de DNA, os purinas maiores devem se ligar com as pirimidinas menores. Especificamente, A liga-se sempre com T e G liga-se sempre com C no ADN. Um dispositivo de memória útil é que A e T são letras angulares e G e C são ambos curvados.

DNA Transcription

DNA replication: Cada vez que uma célula se divide, todo o DNA do genoma é duplicado (chamado de replicação) para que cada célula após a divisão (chamada de célula filha) tenha o mesmo DNA que a célula original (chamada de célula mãe).

transcrição do DNA: Para o código genético se tornar uma proteína, ele passa por uma etapa de transcrição. O DNA é transcrito em RNA (um ácido nucleico de cadeia única). O RNA é então fechado do DNA para a região de síntese protéica.

Tradução do RNA: O RNA é traduzido de um código de ácido nucleico para a sequência de aminoácidos de uma proteína.

Assim, o código do gene do DNA é capaz de duplicar para manter a consistência em todo o corpo da pessoa e durante toda a vida da pessoa. O DNA também é usado para fazer proteínas através do uso de um intermediário de RNA.

Lípidos

Lípidos incluem gorduras e ceras. Várias vitaminas, tais como A, D, E e K, são solúveis em lipídios. Talvez o papel mais importante dos lipídios seja na formação das membranas das células e organelas. Desta forma, os lípidos permitem o isolamento e controle dos processos químicos. Eles também desempenham um papel no armazenamento de energia e sinalização celular.

As moléculas lipídicas formando membranas celulares são compostas de uma “cabeça” hidrofílica e “cauda” hidrofóbica (lembre-se, “hidro” significa água e “philos” significa amor; “hidro” significa água, “fóbico” significa medo). Um bilayer fosfolípido é formado quando as duas camadas de moléculas fosfolípidas se organizam com as caudas hidrofóbicas que se encontram no meio. Os cientistas acreditam que a formação de glóbulos celulares de lipídios foi um precursor vital para a origem da vida celular, uma vez que as membranas separam fisicamente os componentes intracelulares do ambiente extracelular. Assim, as membranas lipídicas envolvem outras macromoléculas, confinam volumes para aumentar a possibilidade de reação e protegem os processos químicos. As proteínas com regiões hidrofóbicas flutuam dentro da camada lipídica. Estas moléculas regem o transporte de moléculas carregadas ou lipofóbicas dentro e fora da célula, tais como moléculas de energia e produtos residuais. Alguns destes lípidos também têm moléculas de hidratos de carbono ligadas que saltam para fora da membrana são importantes para o reconhecimento celular como mencionado anteriormente.

Lípidos são também moléculas de armazenamento de energia vital. Os carboidratos podem ser usados imediatamente, e os lípidos fornecem armazenamento de energia a longo prazo. Os lípidos acumulam-se nas células adiposas (células gordurosas) do corpo. Como parte do processo catabólico, a partir dos dias em que os humanos tinham de forragear alimentos, o excesso de carboidratos pode ser convertido em lípidos, que são depois armazenados em tecido adiposo. Em última análise, demasiados hidratos de carbono ingeridos e lípidos levam à obesidade.