UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO 

ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA LUIZ DE QUEIROZ - ESALQ

DEPTO. CIENCIAS BIOLOGICAS

LCB    BIOQUIMICA

Prof. Dr. LUIZ ANTONIO GALLO

 

AMINOÁCIDOS E PROTEINAS 

Características Gerais dos Amino Ácidos:
 

São as unidades fundamentais das PROTEÍNAS

Todas as proteínas são formadas a partir da ligação em seqüência com 20 tipos de aminoácidos

Existem, além destes 20 tipos de aminoácidos principais, alguns aminoácidos especiais, que só aparecem em alguns tipos de proteínas

 

Estrutura Química Geral
 

Os 20 tipos de aminoácidos possuem características estruturais em comum, tais como:

 

 A presença de um carbono central α (alfa), quase sempre assimétrico; nas proteínas encontramos apenas "L" aminoácidos.

Ligados a este carbono central, um grupamento CARBOXILA, um grupamento AMINA e um átomo de hidrogênio;

O quarto ligante é um radical chamado genericamente de "R", responsável pela diferenciação entre os 20 AA. É a cadeia lateral dos AA.

É o radical "R" quem define uma série de características dos AA, tais como polaridade e grau de ionização em solução aquosa.

É a polaridade do radical "R" que permite a classificação dos aminoácidos em classes:

 

 AMINO ACIDOS ESSENCIAIS: são aqueles que não são sintetizados pelos humanos, e devem ser absorvidos diariamente através dos alimentos.

fenilalanina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptofano, histidina e valina

 

A arginina é considerada como um aminoácido semiessencial por alguns autores. (em Belitz, H. D; Grosch, W,; Schieberle, P John M. Food Chemistry (em inglês). 4ª ed. Berlin Heidelberg: Springer, 2009. Capítulo: 1. Amino Acids, Peptides, Proteins, 1070 p. p. 8-34. ISBN 978-3-540-69933-0)

 

 Classificação dos Aminoácidos
 

 Segundo a polaridade dos seus radicais "R": 

 

 

 Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\aminoacido12.jpg                                        Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image00a4.gif 

 


Aminoácidos com Radical "R" Apolar:

 

Possuem radical "R" geralmente formado exclusivamente por carbono e hidrogênio - grupamentos alquila

São hidrofóbicos e em número de 8:

 

Alanina

Valina

Leucina

Isoleucina

Prolina - Forma anel imina

Fenilalanina

Triptofano

Metionina - "R" contém enxofre 

 

Aminoácidos com Radical "R" Polar Não-Carregado:

 

São aminoácidos com radicais "R" contendo hidroxilas, sulfidrilas e grupamentos amida;

São hidrofílicos e em número de 7:

 

   Glicina - o mais simples dos AA

   Serina - "R" com função alcoólica

   Treonina - "R" com função alcoólica

   Cisteína - possui um radical sulfidrila

   Tirosina - "R" com grupamento fenol

   Asparagina - "R" com função amida

   Glutamina - "R" com função amida

 

 Aminoácidos com Radical "R" Polar Carregado:
 

2 subclasses:

"R" Carregado Positivamente:

 

São AA diamino e monocarboxílicos, em número de 3:

 

        Lisina

        Arginina

        Histidina

 

"R" Carregado Negativamente:

 São AA monoamino e dicarboxílicos, em número de 2:

 

  Ácido Aspártico

  Ácido Glutâmico

 

Tabela 1. Nome e abreviações dos 20 aminoácidos essenciais presentes nas proteínas.

Aminoácido

Abreviação de três letras

Abreviação de uma letra

Alanina

Ala

A

Arginina

Arg

R

Asparagina

Asn

N

Ácido aspártico

Asp

D

Ácido glutâmico

Glu

E

Cisteína

Cys

C

Glicina

Gly

G

Glutamina

Gln

Q

Histidina

His

H

Isoleucina

Ile

I

Leucina

Leu

L

Lisina

Lys

K

Metionina

Met

M

Fenilalanina

Phe

F

Prolina

Pro

P

Serina

Ser

S

Tirosina

Tyr

Y

Treonina

Thr

T

Triptofano

Trp

W

Valina

Val

V

Fonte: Lehninger, 2004.

Descrição: Descrição: http://esg-www.mit.edu:8001/esgbio/lm/proteins/aa/aminoacids.gif

Funções dos Amino ácidos

 

Valina

Leucina

Isoleucina

Todos estes 3 aminoácidos são chamados aminoácidos de cadeia ramificada (BCAA´s). Eles desempenham funções importantes no aumento das proteínas e atuam como fonte de energia durante os exercícios. (aminoácidos essenciais)

Alanina

 

É um aminoácido importante que atua como fonte de energia para o fígado.

Arginina

É um aminoácido necessário para manter as funções normais das vias sanguíneas e da resposta imunológica contra infecções.

Glutamina

É um aminoácido necessário para manter as funções normais do trato intestinal e dos músculos, bem como da defesa imunológica.

Lisina

É um aminoácido essencial representativo e tende a ser insuficiente em dietas concentradas em trigo e arroz.

Ácido aspártico

Presente em grandes quantidades no aspargo. É uma fonte de energia de rápida atuação.

Ácido glutâmico

Presente em grandes quantidades no trigo e soja. É uma fonte de energia de rápida atuação.

Prolina

É o principal componente do “colágeno”, que constitui a pele e outros tecidos. Atua como fonte de energia de rápida atuação.

Cisteína

Sua deficiência é comum em crianças.

Treonina

É um aminoácido essencial usado para suplementação de proteínas de cereais.

Metionina

É um aminoácido essencial que é usado para produzir diversas substâncias necessárias à nutrição, à resposta imunológica e à defesa contra agressões.

Histidina

É um aminoácido essencial usado para produzir histamina e outros componentes.

Fenilalanina

É um aminoácido essencial usado para produzir diversos aminoácidos úteis.

Tirosina

É usado para produzir diversos aminoácidos úteis e é chamado aminoácido aromático, junto com a fenilalanina e o triptofano.

Triptofano

É um aminoácido essencial usado para produzir diversos aminoácidos úteis.

Asparagina

É um aminoácido localizado próximo ao ciclo do Ácido Tricarboxílico (local de geração de energia) junto com o ácido aspártico.

Glicina

É usado para produção da glutationa e porfirina, um componente da hemoglobina.

Serina

É usado para produção de fosfolipídios e ácido glicérico.

 

 


Aminoácidos em Solução Aquosa: Propriedades Químicas e Elétricas

 

  Os aminoácidos são ANFÓTEROS pois, em solução aquosa, comportam-se como ácido E como base, formando ÍONS DIPOLARES, a saber:

  O grupamento carboxila ioniza-se em solução aquosa liberando próton, e adquirindo carga negativa;

  O grupamento amina ioniza-se em solução aquosa aceitando próton e adquirindo carga positiva.

  Este comportamento depende do pH do meio aquoso em que o aminoácido se encontra:

  Em meio ácido, os AA tendem a aceitar prótons, comportando-se como base e adquirindo carga positiva - ionizam em seus radicais amina

  Em meio básico, os AA tendem a doar prótons, comportando-se como ácidos e adquirindo carga negativa - ionizam-se em seus radicais carboxila.

  O valor de pH onde as cargas elétricas do aminoácido se igualam e se anulam chama-se PONTO ISOELÉTRICO, ou pH ISOELÉTRICO.

 

Curva de Titulação de Um Aminoácido
 

Ao titularmos um aminoácido monoamino e monocarboxílico, temos o seguinte comportamento:

Ponto 1: +NH3CHRCOOH = AA totalmente protonado

Ponto 2: [+NH3CHRCOOH] = [+NH3CHRCOO-]

Ponto 3: +NH3CHRCOO- = Ponto Isoelétrico = Íon Dipolar ou "Zwitterion".

Ponto 4: [+NH3CHRCOO-] = [NH2CHRCOO-]

Ponto 5: NH2CHRCOO- = AA totalmente desprotonado

 

 


 


 

OUTROS PEPTÍDEOS E A.A.

 

AMANITINA                              PEPTÍDEO TÓXICO EXTRAÍDO DE FUNGOS

GRAMICIDINA                          ANTIBIÓTICO

ORNITINA                                 CICLO DA URÉIA

a d -DIAMINOBUTÍRICO        NEUROLATIRISMO

CITRULINA                               MELANCIA

 

Aminoácidos incomuns em algumas proteínas

 

 Só ocorre raramente em proteínas. Como exemplo tem-se a hidroxiprolina e hidroxilisina que ocorre no colágeno e gelatina; ácido aminoadípico que ocorre em proteínas de milho; N-metilarginina e N-acetilisina que ocorrem em histonas.

 

Aminoácidos não encontrados em proteínas

 

Epinefrina ou adrenalina derivada da tirosina, que é um hormônio importante; penicilamina, que é um constituinte da penicilina; citrulina, precursor da arginina; serotonina, derivado do Trp e é um neurotransmissor; histamina, derivado da His e também é um neurotransmissor. A epinefrina, serotonina e a histamina não são aminoácidos, porém, muito relacionados.

 

Os grupos NH2  e COOH possuem reatividade química similar. No entanto, os radicais laterais possuem reatividades específicas. Esses últimos determinam as funções biológicas das proteínas.

 Um grande número de reações com os radicais laterais permitem identificar os aa funcionais nos sítios ativos das enzimas.

 

Algumas propriedades dos aa

 

1.   Atividade ótica dos aa.

Toda substância que possui um carbono com quatro radicais diferentes, elas ocorrem na forma de dois isômeros óticos, isto é a atividade ótica da molécula de girar o plano de polarização da luz para direita (horário) ou para a esquerda (anti-horário).

    Além disso todos os aa encontrados em proteínas são da configuração L. Configuração L e D é a estrutura em relação à configuração L e D do gliceraldeído. Essas configurações são semelhantes às representações da molécula e da sua imagem em um espelho.

 

2. Propriedade espectroscópica. São propriedades de absorção e emissão de energia de diferentes freqüências. Como exemplo a maioria dos aa absorve diferentes freqüências  da luz UV e todos absorvem a luz infra vermelha, porém, nenhum absorve a luz visível.

 

2.   Propriedade de separação. Os aa podem ser separados por cromatografia de vários tipos em especial através de HPLC (Cromatografia líquida de alta precisão), cromatografia de troca iônica, gasosa, em papel, eletroforese, etc.

 

PROTEÍNAS

 

Texto alternativo 1                         Texto alternativo 2                                                                 Texto alternativo 3

 

            É a classe de substância mais abundante das células, representando mais de 50% do peso seco e é responsável pela imensa variedade de todas as funções celulares.

            São polímeros lineares de aa. Formado pela união do grupo carboxila do primeiro aa com o amina do segundo seguida da liberação de uma molécula de água. 

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image0a07.gif

 

 

Classificação dos peptídeos

 

            Quando o número de aa é até 12, são classificadas em dipeptídeo, tripeptídeo, etc. Cadeias com 12 a 20 aa são denominadas de oligopeptídeos. Cadeias maiores são chamadas de polipeptídeos.

 

Classificação das proteínas

 

            As proteínas podem ter uma ou mais cadeias polipeptídicas. Com uma cadeia são chamadas de monoméricas. Com mais de uma cadeia são chamadas de multiméricas ou polimericas.

            As multiméricas são classificadas em homomultiméricas quando as cadeias polipeptídicas possuem apenas um tipo de polipeptídeo, e de heteromultimérica quando possuem mais de um tipo.

            As multiméricas são designadas por letras gregas com índices para indicar a composição. Por exemplo, A 2 corresponde a um homodímero. A ribonuclease A bovina é do tipo A1. Já a hemoglobina humana é do tipo A2 B2.

            O comprimento das cadeias polipeptídica varia de 100 aa até 1800 aa (miosina). Normalmente pelo menos um dos 20 aa ocorre nas proteínas. Só em algumas pequenas que pode faltar um dos 20 aa.

            Cada proteína tem uma sequência única de aa que é determinada pela sequência de bases do DNA que lhe deu origem. A leitura da sequência de aa é feita a partir do aa  N terminal para o aa C terminal, ( C).

 

Arquitetura das moléculas de proteínas

 

1. Estrutura das proteínas.

            a. Estrutura primária. Corresponde à seqüência de aa. Considerando que 20 aa diferentes podem participar das proteínas, é praticamente infinito o número potencial de proteínas diferentes. Para se ter idéia desse número, ele é dado por 20n arranjos possíveis, para proteínas com n aa. Para proteínas com n = 100, um número relativamente pequeno de aa,  20100 = 10130 arranjos. O peso molecular médio de uma proteína com n = 100 aa = 13.800 Da. Se considerarmos a massa de todas as proteínas com 100 aa, com uma molécula cada, ela seria 1,38 x 104 da x 10130 = 1,38 x 10134 Da. A massa estimada do universo é de 1080 Da e, evidentemente, ela contém muitas outras substâncias além de proteínas. No entanto, devemos considerar que todas as proteínas são provenientes de DNA e, portanto, o número de arranjos de proteínas depende do DNA.

 

            b. Estrutura secundária. É proporcionada por pontes de H, entre os radicais C=O e N-H, entre aa adjacentes. A ligação peptídica fundamental das proteínas gera uma interação C-N de forma a forçar todos os átomos (C, N, O, H  e os C a adjacentes) a ficarem no plano. É necessário energia para girar a estrutura. Os planos C-N (C da carboxila de um aa e N da amina do adjacente) podem girar no C a. Segundo Stryer(1987) a estrutura secundária é formada por pontes de H de aa próximos.

 

 

A primeira estrutura descoberta foi chamada de  ALFA HELICE. A cadeia assume uma estrutura helicoidal pelas interações C=O com N-H, formando pontes de H. Cada volta da cadeia tem 3,6 resíduos de aa e ocupa um espaço de 5,4Å (3,6 x 1,5Å =1 aa). A hélice tem 6Å de diâmetro desconsiderando as cadeias laterais. O C=O de 1o aa forma ponte com o N-H do 4o aa à frente para formar a ponte de H. Todos os C=O apontam para uma direção e os H-N para a direção oposta na hélice, formando a ponte de H paralela a hélice.

            O número de aa em cada segmento de a- hélice varia de proteína para proteína. Em média ocorrem 10 aa por segmento.

            Uma segunda estrutura também muito comum e a segunda a ser descoberta é a folha pregueada b (ou lamina beta). Neste caso a cadeia peptídica dispõe-se em zigue-zague, com o Ca nos ângulos e o Cb (cadeia lateral) saindo desses ângulos. Daí folha pregueada b.  Cada cadeia em zigue-zague associa-se com outras semelhantes que são unidas por pontes de H. A estrutura típica pode ser esquematizada se cada cadeia for representada numa fita de papel em zigue-zague, e as fitas forem colocadas lado a lado.

 

            A cadeia em zigue-zague dispõe-se ao lado de outras de forma paralela ou antiparalela. Na paralela as cadeias adjacentes são N-->C ou C-->N. Um detalhe importante é que as pontes de H são somente inter-cadeias.

            O arranjamento paralelo das cadeias é mais regular do que o anti-paralelo (situação angular dos átomos). Além disso a estrutura paralela é maior, geralmente com mais de cinco peptídeos. A antiparalela pode ter até dois peptídeos.

            Na paralela as cadeias laterais hidrofóbicas ficam dos dois lados da cadeia. Já na antiparalela as hidrofóbicas só ficam de um lado, o que requer a disposição alternada de resíduos hidrofílicos e hidrofóbicos na estrutura primária.

            A antiparalela é a estrutura básica da seda e a cadeia dispõe-se paralela à fibra. Assim, as propriedades da fibra são semelhantes à da cadeia, isto é, são muito flexíveis porém, não é elástica.

            Uma terceira estrutura é a curva b. Como há muitas proteínas globulares a cadeia tem de dobrar para ficar globular. Nesse caso, o C da carboxila do primeiro aa (C-O) forma ponte de H com radical amida do terceiro aa à frente, dando estabilidade a estrutura. Com isso a cadeia inverte a orientação e forma uma folha pregueada b anti-paralela. O aa glicina (sem cadeia lateral) é um dos mais adaptados para a curva.

            Uma quarta estrutura é a protuberância que corresponde a uma irregularidade na estrutura b (folha pregueada) antiparalela. A protuberância ocorre entre duas pontes de H da estrutura BETA e corresponde a um aa extra em uma cadeia. Nessa cadeia mais longa forma uma ligeira curvatura na folha pregueada.

 

            c. Estrutura terciária. É o dobramento de uma cadeia polipeptídica no espaço tridimensional. A sequência de aa é quem determina o tipo de estrutura terciária. Além disso, a estrutura terciária é a responsável pela maior estabilidade das proteínas, como conseqüência de um grande número de pontes de H intramolecular, entre radicais distantes de aa da seqüência linear. Tal estrutura contribui para reduzir superfície acessível à solventes.

            Tem sido notado que uma dada estrutura terciária tem a possibilidade de assumir várias formas alternativas, no entanto, só uma, a forma nativa, é a correta e é termodinamicamente a estrutura mais estável. Um exemplo dessa fato foi verificado com a ribonuclease bovina, que possui 124 aa e 4 pontes S-S. Quando se desnatura a proteína com   mercaptoetanol e uréia e, em seguida promove-se a oxidação da cadeia desnaturada no ar, ocorre a sua renaturação na forma nativa (enzima ativa), do seguinte modo:

 

Ribonuclease +  beta- mercaptoetanol + uréia 8M cadeia polipeptídica sem as pontes S-S (reduzida ou desnaturada ) (diálise para retirar a uréia e o beta - mercaptoetanol)  (oxidação no ar)  renaturação da forma nativa (enzima ativa).

 

            As oito Cys da ribonuclease podem se combinar em 105 formas diferentes para formar as quatro pontes S-S, porém, destas só uma é a enzimaticamente correta.    

 

           

 

 

 

 

 

 

d. Estrutura quaternária. Muitas proteínas são formadas de mais de uma unidade e forma um oligômero. Se a unidade do oligômero é de um só tipo tem-se um homomultímero, porém, se for de mais de um tipo, tem-se um heteromultímero. Como exemplo, a proteína do TMV (17), proteína da capa do vírus do nanismo do tomate (180), álcool desidrogenase (2), hemoglobina (2+2), etc.

            As subunidades primeiro adquirem a estrutura terciária globular, após, elas se associam por interações hidrofóbicas polares, pontes de H e interações de Van der Waals.

            Nos oligômeros as associações dos peptídeos podem ser entre subunidades idênticas e entre não idênticas.

            As interações entre idênticas podem ser homólogas e heterólogas.

            As interações homólogas correspondem às associações de subunidades com superfícies idênticas gerando uma estrutura dimérica (fechada) com duplo eixo simétrico.

            As interações heterólogas correspondem às associações de subunidades com superfícies diferentes. Elas são complementares mas não simétricas e com finais abertos. Pode ocorrer a formação de polímeros longos ou cilíndricos (mais comuns).

            As associações de subunidades na estrutura quaternária são devidas a interações de Van der Waals, pontes  de H, pontes iônicas e interações hidrofóbicas.

            Interações de Van der Waals são forças de repulsão e atração geradas por indução instantânea de dipolos, que surgem por causa das flutuações na distribuição de carga dos elétrons de átomos vizinhos não ligados.

            Pontes de H ocorre na presença de radicais C=O e N-H quando próximos C-O-..H..-.-N.

            Pontes iônicas ou interações eletrostáticas são atrações entre cargas diferentes ou repulsões entre cargas iguais. Como exemplo, as extremidades do peptídeo têm NH2 e COOH ionizados como NH3+ e COO-. Também os radicais laterais dos aa podem ocorrer ionizados.

            Interações hidrofóbicas ocorrem com os radicais laterais não polares dos aa, que preferem se associar em ambientes não polares, do que ficar no solvente polar como a água. Nas proteínas os aa e radicais não polares orientam-se para o interior da estrutura protéica.

            Um fator importante que contribui para a maior estabilidade de associação das subunidades são as pontes S-S (covalente). Como exemplo, todos os anticorpos são do tipo A e B sendo duas cadeias pesadas A e duas leves B. As pontes S-S ocorrem dentro das cadeias (intracadeias, sendo quatro em cada pesada e duas em cada leve) e também entre as cadeias (intercadeias sendo duas entre as pesadas e uma entre cada par pesada leve).

            Vantagens da estrutura quaternária:

 

Menor superfície por volume, proteção de radicais hidrofóbicos e maior estabilidade energética devido a interação externa com a água ser energeticamente desfavorável.

Economia e eficiência genética porque é gasto menos DNA para codificar um monômero que se associa num homomultímero, do que um grande  polipeptídeo com a mesma massa molecular. Além disso, evita erros na associação quando ocorre uma subunidade mutante.

Associam sítios catalíticos. Muitas enzimas possuem mais de um sítio catalítico graças a união de monômeros, cada um com seu sítio. Como exemplo, a DNA polimerase III da E. coli possui nove subunidades e várias funções; a DNA polimerase a (pol a) e DNA polimerase b (pol b), entre outras, que participam da replicação em eucariontes.

Cooperativismo. Muitas enzimas oligoméricas, possuem vários sítios ativos e a ligação de um sítio com o substrato afeta a afinidade de outros sítios. Se a afinidade é aumentada, tem-se o cooperativismo positivo e, se é diminuída, tem-se o cooperativismo negativo.

Outros níveis de estrutura. Estudos de conformação, função e evolução das proteínas têm determinados mais dois níveis de estrutura (Stryer, 1995, p.31). Um deles é a estrutura supersecundária que é intermediária entre a secundária e terciária. Como exemplo, a estrutura bab de uma cadeia polipeptídica, composta de um primeiro segmento com a estrutura secundária folha Beta pregueada, um segundo segmento do tipo alfa hélice e um terceiro segmento do tipo folha b pregueada. Outro nível de estrutura também considerado é o domínio, que são regiões compactadas de uma cadeia polipeptídica as quais são unidas por segmentos flexíveis (semelhante a colar de pérola). Cada domínio tem de 100-400 aa e é sintetizado nos eucariontes por um exon.

 

PROTEÍNAS

Estrutura quaternaria de proteina globular

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image008.gif


Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\GA_all.gif
Enzima de fungo (estrutura terciaria especial)

 

 

ESTRUTURAS QUATERNARIAS DE VARIAS PROTEINAS

 

2 - FORMA

As proteínas podem ser fibrosas e globulares.

 

            As proteínas fibrosas têm a estrutura simples e linear. Elas possuem cadeias polipeptídicas organizadas em paralelo a um eixo, produzindo longas fibras. São mecanicamente resistentes e difícil de dissolver em água e soluções salinas. Têm papel estrutural nas células. Como  exemplo tem-se a fibroina da seda que é composta de pilhas antiparalelas da folha BETA - pregueada. Outro caso é a a-queratina que ocorre em unha, chifre e cabelo. Ela é formada de cadeias em a-hélice. Entre as cadeias ocorrem pontes de H e ligação covalente, que são as pontes dissulfídricas entre aa Cys. No caso do cabelo, quando ele é molhado e enrolado com "bobs" e após secado, ocorre só em um rearranjamento das pontes H. Porém, quando se faz permanente, as pontes S-S são quebradas e após reorganizadas, muda o grau de curvatura do cabelo.

                As proteínas globulares constituem-se na maioria das proteínas e são aproximadamente esféricas. Isso ocorre porque a cadeia polipeptídica é dobrada. Os aa hidrofóbicos localizam-se internamente e os hidrofílicos ocupam a superfície externa. Geralmente são solúveis em soluções aquosas. Existe uma grande variedade de estruturas tridimensionais, mas todas têm ALFA hélices e folha BETA- pregueada. A mais típica é a lisozima (129 aa) que tem poucas pequenas ALFA hélices, poucas folhas BETA pregueadas e vários segmentos peptídeos sem estrutura secundária definida.

            As proteínas globulares são classificadas com base no arranjamento das estruturas secundárias em quatro tipos: ALFA hélices antiparalelas; folha  BETA pregueada paralela ou mista; folha BETA-pregueada antiparalela; e proteínas ricas em metal e pontes S-S.

            A ALFA hélice antiparalela corresponde a proteína do TMV, hemoglobina e mioglobina.

            A folha BETA pregueada paralela ou mista é a segunda maior classe de proteínas. A folha folha BETA pregueada paralela (aa hicrofóbicos nos dois lados) forma o core da proteína, porque assim ela não fica exposta a solventes. Outra estrutura é a ocorrência de oito cadeias de folha BETA pregueada paralela,na forma de barril e cada cadeia é flanqueada por ALFA hélice.

            A folha BETA pregueada antiparalela, que possui aa hidrofóbicos em um só lado da folha, pode existir no mínimo com duas camadas (cadeias) de fibras. Os lados hidrofóbicos são justapostos e os hidrofílicos ficam expostos a solventes.

            As proteínas ricas em metais pontes S-S são geralmente pequenas (possuem menos de 100 aa) e possuem vários metais ligados (ferrodoxina) pontes S-S (insulina e fosfolipase A2).

           

FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS

 

            Toda atividade celular é dependente de uma ou mais proteínas. Quanto a função as proteínas são classificadas em :

            a. Regulatórias. Não realizam transformações químicas e sim regulam as atividades de outras proteínas. Como exemplo a insulina regula o metabolismo da glicose; existem aquelas que regulam a expressão gênica ligando-se ao DNA ou ativando ou inibindo a transcrição, ligando-se ao RNA (no caso do operon lac em  E. coli a repressão da transcrição se dá pela proteína repressora e a sua ativação pela proteína CAP).

            b. Transportadoras. Transportam substâncias. Por exemplo a hemoglobina que transporta O2, proteínas que transportam substâncias, como glicose e aa, de um lado para outro da membrana plasmática.

            c. Armazenamento. Muitas proteínas são usadas como reservatório de aa essenciais como a ovoalbumina, caseina, zeina e faseolina.

            d. Contráteis e móveis. Promovem movimentos na célula, como a tubulina que participam da divisão celular movimentando os cromossomos e a miosina, que é responsável por contração muscular.

            e. Estruturais. São as proteínas responsáveis pelas estruturas biológicas entre elas as proteínas fibrosas insolúveis como a queratina e o colágeno, e a fibroína da seda e teia de aranha.

            f. Protetoras. Como exemplo tem-se as imunoglobulinas ou anticorpos; as toxinas como a da difteria, da cólera e a ricinina em algumas plantas; e as líticas como o veneno de cobra e de abelhas.

            g. Exóticas. As proteínas anti-congelamento que ocorrem no sangue de peixes árticos e antárticos são desse grupo.

            h. Enzimas. Corresponde à maior classe de proteínas sendo conhecidas mais de 2000. São substâncias que catalisam reações acelerando sua taxa em até 1016 vezes. São específicas em função e quanto a reação metabólica.

 

           Enzimas

 

Pode-se caracterizar as enzimas com base na:

 

a.   Força catalítica. Corresponde a intensidade que ela acelera a reação (até 1016) em meio com temperatura e pH amenos;

b.   Especificidade. Que significa que elas são seletivas com a substância (substrato) que ela interage e com a reação que catalisa. Numa reação catalisada todo substrato é utilizado sem perda de nenhuma substância e gera  um produto específico. O reconhecimento do substrato pela enzima se faz por complementariedade estrutural das moléculas. A enzima é considerada uma fechadura e o substrato é a chave;

c.    Regulação. Da quantidade de produto, da velocidade de reação e interação com outros metabólitos.

           

Classificação das enzimas.

As enzimas são denominadas e classificadas de acordo com  a reação que ela catalisa: 

a. Oxidorredutases. Reações de oxidação e redução. Oxidação corresponde a perda de elétrons (O2) e redução correponde a ganho de elétrons (H2); 

b. Transferases. Transferem grupos funcionais (metil, carboxila, acetil); 

c. Hidrolases. Realizam hidrólises; 

d. Liases. Adiciona dupla ligação; 

e. Isomerases. Forma isômeros

f. Ligases. Forma ligações com a quebra de ATP.

Muitas enzimas realizam sua função catalítica usando só a estrutura protéica. Outras enzimas requerem estruturas não protéicas chamadas co-fatores os quais são íons metálicos ou moléculas orgânicas e são chamadas de co-enzimas.

 Muitas co-enzimas são vitaminas. Elas são fortemente ligadas à proteína (as co-enzimas) e quando ligadas são chamadas de grupo prostético.

 O complexo ativo proteína + grupo prostético é chamado holoenzima. A proteína sem o grupo prostético é chamada apoenzima.

 

            Unidade da enzima. Em muitos casos a quantidade molar de uma enzima não é conhecida. Assim a sua quantidade é expressa em função da atividade. De acordo com convenção internacional 1U equivale a quantidade de enzima que catalisa e a formação de um micromol do produto em um minuto.

            Isoenzimas. Algumas enzimas existem em mais de uma forma quaternária. Depende da proporção dos polipeptídeos que ocorre na molécula. Embora todas formas sejam estruturalmente equivalentes, elas são funcionalmente diferentes. Como exemplo a lactotodesidrogenase (LDH) ocorre como 5 isoenzimas diferentes, dependendo da associação tetramérica de duas subunidades diferentes (A e B): A4; A3 B; A2 A2 ;  AB3 ; B4.

 

SEQUENCIAMENTO DE PROTEÍNAS

 

            Em 1953, Frederick Sanger sequenciou a insulina, que é formada por duas cadeias polipeptídicas, uma com 21 aa e outra com 30 aa. Este trabalho foi um marco por estabelecer que as proteínas são polímeros lineares com uma seqüência de aminoácidos definida.

            Hoje cerca de 20.000 proteínas diferentes já foram seqüenciadas. Algumas usando-se o método de Sanger e a maioria determinada a partir da seqüência de nucleotídeo do alelo que codifica a proteína.

 

            Passos para o sequenciamento de uma proteína:

1. Em proteínas com mais de uma cadeia polipeptídica, elas são separadas e purificadas. No caso de heteromultímeros, as subunidades sempre são unidas por ligações não covalentes tipo ponte de hidrogênio. Elas são dissociadas pela exposição à pH extremos (uréia 8M) ou soluções salinas com alta concentração. Em seguida as cadeias polipeptídicas são separadas com base no tamanho ou carga;

2. Clivagens de pontes S-S intracadeia (Cys-Cys). Se for intercadeia, elas são eliminadas no primeiro passo com ácido perfórmico ou 2-betamercaptoetanol;

3. Determinação da composição de aa de cada cadeia;

4. Identificação do aa N terminal e C terminal;

5. Clivagem da cadeia polipeptídica em pequenos fragmentos e determinação da composição e seqüência de aa (método de Edman);

6. Idem quinto porém, com procedimento diferente de clivagem para se obter diferentes grupos de fragmentos e fazer sobreposições;

7. Determinação da seqüência de aa da proteína a partir das seqüências dos fragmentos imbricados;

8. Localização das pontes S-S entre as Cys-Cys.

 

Método de degradação de Edman.

Fenil isotiocianato reage com NH2 do N terminal + ácido amIno  composto com o primeiro aa o qual é identificado por cromatografia. Determina-se a seqüência de fragmento com até 50 aa.

 

Síntese de proteína in vitro, quimicamente. A síntese é feita no sentido COOH  -->NH2 em fase sólida como suporte.

 

REVISÃO   - LEITURA IMPORTANTE

 

Aminoácidos e Proteínas

 

INTRODUÇÃO

 

Proteínas são as macromoléculas mais abundantes nas células vivas e constituem 50% ou mais de seu peso seco. Elas se encontram em todas as células e em todas as partes das células. As proteínas também ocorrem em grande diversidade; centenas de diferentes tipos podem ser encontradas em uma única célula. Mais ainda, as proteínas têm diferentes papéis biológicos por serem instrumentos moleculares através dos quais se expressa a informação genética (Lehninger, 1984; Lehninger, 1991).

A chave da estrutura das milhares de proteínas diferentes entre si é o grupo de moléculas de unidades fundamentais relativamente simples com as quais as proteínas são construídas. Todas as proteínas, sejam das mais antigas linhagens de bactérias ou das formas de vida mais evoluídas, são construídas com o mesmo conjunto de 20 aminoácidos, unidos covalentemente em seqüências características. Devido a cada um desses aminoácidos ter uma cadeia lateral que lhes confere individualidade química, este grupo de vinte moléculas de unidades fundamentais pode ser considerado como o alfabeto da estrutura protéica (Lehninger, 1984; Lehninger, 1991).

É notável que as células podem juntar os 20 tipos de aminoácidos em variadas combinações e seqüências para obter peptídeos (pequena cadeia de dois ou mais aminoácidos) e proteínas com propriedades e atividades muito diferentes entre si. Com estas mesmas unidades fundamentais organismos diferentes podem construir produtos amplamente diversos como enzimas, hormônios, proteínas do cristalino ocular, penas, teias de aranhas, casca de tartarugas, proteínas nutritivas do leite, encefalinas, antibióticos, venenos de fungos e muitas outras substâncias que têm atividade biológica característica (Lehninger,2004; Lehninger, 1991).

Todos os 20 aminoácidos encontrados em proteínas têm em comum um grupo carboxila e um grupo amino, ligados ao mesmo átomo de carbono. Eles diferem um do outro por suas cadeias laterais, ou grupos R, as quais variam em estrutura, tamanho, carga elétrica e solubilidade em água. Os 20 aminoácidos de proteínas são freqüentemente referidos como os aminoácidos padrão, primários ou normais, para distingui-los de outros tipos de aminoácidos, presentes em organismos vivos, mas não em proteínas. Os aminoácidos primários receberam abreviações de 3 letras, ou um símbolo de uma única letra (Tabela 1), que são usados para indicar a composição e sequência dos aminoácidos em cadeias polipeptídicas.

 

As proteínas, cujo nome significa “primeiro” ou “o mais importante” são as macromoléculas mais importantes das células e constituem mais da metade do peso seco de muitos organismos.

As proteínas são instrumentos através dos quais é expressa a informação genética. Assim como existem milhares de genes no núcleo celular, cada um especificando uma característica distintiva do organismo existem, correspondentemente, milhares de diferentes espécies de proteínas na célula, cada uma executando uma função específica determinada por seu gene. As proteínas, dessa forma, não são apenas as macromoléculas mais abundantes, mas também são extremamente versáteis em suas funções.

É extraordinário que todas as proteínas em todas as espécies, independentes de sua função ou atividade biológica, sejam construídas com o mesmo grupo de 20 aminoácidos primários, os quais por si mesmos não têm atividade biológica intrínseca. O que, então, conferem a uma proteína atividade enzimática, a outra atividade hormonal, e função de anticorpo a ainda outras? Como elas diferem quimicamente? Muito simples, as proteínas diferem uma das outras porque cada uma delas tem uma sequência distinta de unidades de aminoácidos. Os aminoácidos são o alfabeto da estrutura proteica, pois eles podem ser agrupados em um número quase infinito de sequências para formar um número quase infinito de diferentes proteínas.

As proteínas podem ser divididas em várias grandes classes de acordo com seus papéis biológicos, conforme exemplificado na tabela 2.

 

Tabela 2. Classificação das proteínas de acordo com a função biológica.

Classe

Exemplo

Enzimas

Ribonuclease

Tripsina

Proteínas transportadoras

Hemoglobina

Albumina do soro

Mioglobina

b1-lipoproteína

Proteínas nutritivas e de reserva

Gliadina (trigo)

Ovoalbumina (ovo)

Caseína (leite)

Ferritina

Proteínas contráteis ou de movimento

Actina

Miosina

Tubulina

Dineína

Proteínas estruturais

Queratina

Fibroína

Colágeno

Elastina

Classe

Exemplo

Proteínas de defesa

Anticorpos

Fibrinogênio

Trombina

Toxina botulínica

Veneno de serpentes

Proteínas reguladoras

Insulina

Hormônio de crescimento

Corticotrofina

Repressores

Fonte: Lehninger (2004).

 

            As sementes de muitas plantas têm proteínas nutrientes necessárias para o crescimento do embrião da planta. Exemplos particularmente familiares são as proteínas das sementes do trigo, do milho e do arroz.

            As proteínas também podem ser classificadas de acordo com a forma. As proteínas também podem ser divididas em duas grandes classes com base em sua forma e certas características físicas: proteínas globulares e proteínas fibrosas. Nas proteínas globulares a cadeia, ou cadeias, polipeptídica(s) está (ão) fortemente enrolada(s) em uma forma globular ou esférica. As proteínas globulares usualmente são solúveis em sistemas aquosos e se difundem facilmente; a maioria tem função móvel ou dinâmica. Quase todas as enzimas são proteínas globulares, como também são as proteínas sanguíneas de transporte, os anticorpos e as proteínas de reserva nutritiva. As proteínas fibrosas são moléculas insolúveis em água, compridas e filamentosas, com a cadeia polipeptídica estendida ao longo de um eixo ao invés de enroladas em forma globular. A maioria das proteínas fibrosas tem função estrutural ou protetiva. Proteínas fibrosas típicas são a a-queratina do cabelo e da lã, a fibroína da seda e o colágeno dos tendões (Lehninger, 1984; De Robertis e De Robertis Jr., 1993).

            As unidades que constituem as proteínas são os aminoácidos. Um aminoácido é um ácido orgânico no qual o carbono próximo ao grupo –COOH (chamado de carbono alfa) está unido também a um grupo –NH2. Além disso, o carbono alfa que se liga a uma cadeia lateral (R) é diferente em cada aminoácido.

            Os aminoácidos diferem entre si somente na cadeia lateral; por exemplo, na alanina, R tem apenas um carbono, enquanto a leucina tem quatro. As propriedades dos diversos aminoácidos dependem da composição química da cadeia lateral. Assim, a lisina e a arginina são aminoácidos básicos porque a cadeia lateral contêm um grupo amino extra; nos aminoácidos ácidos há grupos carboxila adicionais (ácido glutâmico e aspártico). A união de aminoácidos para formar uma molécula protéica se dá de tal modo que o grupo ácido de um aminoácido combina com o grupo básico do aminoácido adjacente, com a perda simultânea de uma molécula de água. A união grupo –NH CO- é conhecida como ligação peptídica ou ponte peptídica. Quando vários aminoácidos se unem, formam uma cadeia peptídica.

            Comumente se diferenciam quatro níveis na estrutura das proteínas.

            A estrutura primária é a sequência de aminoácidos que forma uma cadeia unida por ligações peptídicas. A sequência linear de aminoácidos de uma proteína determina o nível mais importante na estrutura da molécula. A importância biológica da sequência de aminoácidos é exemplificada na enfermidade humana hereditária, a anemia falciforme, na qual profundas alterações biológicas são produzidas pela substituição de apenas um aminoácido na molécula da hemoglobina.

            A estrutura secundária é a organização espacial de aminoácidos que se encontram próximos entre si na cadeia peptídica. Algumas regiões podem apresentar uma estrutura sob a forma de cilindro, ou estrutura a-hélice (chamada alfa porque foi a primeira estrutura descoberta por Pauling e Corey, no início da década de 50). Na a-hélice, a cadeia peptídica está enrolada em torno de um cilindro imaginário e é estabilizada por pontes de hidrogênio entre o grupo amino de um aminoácido situado quatro resíduos à frente, na mesma cadeia polipeptídica. Na estrutura em folha pregueada b , os aminoácidos assumem a configuração de uma folha de papel pregueada, e a estrutura está estabilizada por pontes de hidrogênio entre os grupos amino e carboxila de diferentes cadeias polipeptídicas. Outros segmentos da proteína não apresentam estas ligações transversais e assumem, por sua vez, uma configuração ao acaso (randon coil); isto se deve, em parte, ao fato de certos aminoácidos, como a prolina, romperem a estrutura helicoidal.

             A estrutura terciária  é a forma pela qual as regiões helicoidais e de randon coil se dispõem entre si. Isto é, é a relação tridimensional dos segmentos de aminoácidos que podem estar muito separados entre si numa seqüência linear.

            A estrutura quartenária é a disposição de subunidades protéicas em proteínas complexas formadas por duas ou mais destas subunidades. Por exemplo, a molécula de hemoglobina é composta por quatro cadeias polipeptídicas, duas delas denominadas a e duas b. A separação e associação das subunidades é suscetível de ocorrer espontaneamente. A molécula de hemoglobina pode dissociar-se, por ação da uréia, em duas metades (duas a e duas b). Quando se retira a uréia do meio, as metades se reassociam formando moléculas funcionais completas.

            A disposição de uma molécula protéica é predeterminada pela seqüência de aminoácidos (estrutura primária). Isto pode ser demonstrado por meio de experimentos nos quais se produz a desnaturação, ou desorganização, da estrutura terciária de uma proteína submetendo-a a altas temperaturas ou a outras condições não fisiológicas. A desnaturação de uma proteína provoca, geralmente, a perda de sua atividade biológica.

            Os diferentes tipos de ligações servem para manter os quatro níveis da estrutura da proteína. As ligações covalentes são de dois tipos. A primeira é a ligação peptídica, que une as subunidades de aminoácidos da seqüência primária. A segunda é a ponte dissulfeto (ponte S-S, a qual se estabelece entre os grupos –SH de dois resíduos de cisteína, sendo responsáveis por vários aspectos da estrutura terciária).

            Além destas, existem vários tipos de interações fracas que são importantes para estabelecer a estrutura secundária e terciária. Todas essas ligações fracas são do tipo não-covalente, e as principais são as seguintes:

 

Ligações iônicas ou eletrostáticas, que são o resultado da força de atração entre grupos ionizados de carga contrária;

Ligações ou pontes de hidrogênio, formadas quando um próton (H+) é compartilhado entre dois átomos eletronegativos muito próximos. OH+ pode ser partilhado entre átomos de hidrogênio ou de oxigênio próximos entre si. São essenciais para o pareamento específico entre as bases de ácidos nucléicos, proporcionando a força que mantém unidas as duas cadeias do DNA e permite a codificação específica do DNA em RNA.

Interações hidrofóbicas, que correspondem à associação de grupos não polares, que a fazem de modo a excluir o contato com a água. Nas proteínas globulares, as cadeias laterais dos aminoácidos mais hidrofóbicos tendem a agregar-se no interior da molécula, e os grupos hidrofílicos sobressaem na superfície das mesmas. Os resíduos hidrofóbicos repelem as moléculas de água que envolve a proteína e determinam que a estrutura globular torne-se mais compacta.

Interações de Van der Waals, que só produzem quando os átomos estão mais próximos. Esta proximidade de duas moléculas pode induzir flutuações de carga, produzindo atrações mútuas à curta distância.

A diferença fundamental entre ligações covalentes e não-covalentes está na quantidade de energia necessária para romper esta ligação. Em geral as ligações são rompidas pela intervenção de enzimas, enquanto as não-covalentes se dissociam com facilidade através de forças físico-químicas.

 

Proteínas nas sementes

 

            Copeland (1976), cita que o conhecimento da composição química da semente é essencial por várias razões, principalmente porque contém materiais de reservas e substâncias de crescimento que influenciam na germinação, vigor das sementes, no armazenamento e longevidade, bem como no seu uso medicinal e agronômico. Além dos constituintes químicos normais encontrados no tecido de toda planta, as sementes contém uma quantidade extra de substâncias químicas armazenadas como reserva de alimento para auxiliar na germinação. Essas reservas são armazenadas primeiramente como carboidratos, óleo e proteínas. Em adição, as sementes contêm outras substâncias químicas as quais estão presentes em uma menor taxa de armazenamento, mas servem na maioria das vezes como substâncias de crescimento e como controladoras do metabolismo. Comparando com as outras partes da planta, o conteúdo mineral de muitas sementes é notavelmente baixo e tende a ser centralizado nos tecidos estruturais e no tegumento. A composição química da semente é basicamente determinada pelos fatores genéticos, porém o meio ambiente e as práticas culturais, como época de semeadura, a quantidade de água disponível e adubação também influencia na composição química. Por causa dos fatores genéticos, a composição química da semente varia largamente entre as espécies e às vezes entre as variedades.

            Sementes com alto teor de proteína e amido são mais higroscópicas do que as sementes oleaginosas e consequentemente mostram uma maior curva de equilíbrio de umidade. Portanto, sementes de milho e outros cereais pequenos apresentam um teor de umidade maior em uma dada umidade relativa do ar comparado com sementes de oleaginosas como linho, girassol e soja. Talvez a incapacidade de sementes oleaginosas de absorver umidade e mantê-la firmemente, causa uma adição no teor de água que se torna rapidamente excessiva e contribui para uma deterioração mais rápida das mesmas em comparação com as amiláceas em níveis de umidade comparáveis.

 

             As proteínas são os componentes básicos de toda célula viva. São polímeros de aminoácidos sintetizados biologicamente na célula e funcionam como enzimas, componentes estruturais e materiais de reserva.

            As sementes caracterizam-se por apresentarem uma parte das proteínas metabolicamente ativa, como as enzimas e as nucleo-proteínas, e outra, metabolicamente inativa. Esta segunda parte representa as proteínas de reserva, cuja composição varia de acordo com as espécies. As sementes dos cereais apresentam, em geral, menor teor de proteína, quando comparadas às leguminosas e às sementes ricas em óleo (tabela 3). Observa-se que, dentre os componentes químicos da semente, as proteínas sempre se apresentam em menor proporção do que os carboidratos ou os lipídios, exceção feita à soja.

 

Tabela 3. Composição química (%) de sementes de algumas espécies.

 

Espécie

Água

Proteínas

Lipídios

Carboidratos

 

Total

Fibra

Cinzas

Feijão

branco

10,9

22,3

1,6

61,3

4,3

3,9

Feijão

vermelho

10,4

22,5

1,5

61,9

4,2

3,7

Milho

13,8

8,9

3,9

72,2

2,0

1,2

Amendoim

5,6

26,0

47,5

18,6

2,4

2,3

Arroz

(não

brunido)

12,0

7,5

1,9

77,4

0,9

1,2

Centeio

11,0

12,1

1,7

73,4

2,0

1,8

Gergelim

5,4

18,6

49,1

21,6

6,3

5,3

Sorgo

11,0

11,0

3,3

73,0

1,7

1,7

Soja

10,0

34,1

17,7

33,5

4,9

4,7

Girassol

4,8

24,0

47,3

19,9

3,8

4,0

Trigo

branco

11,5

9,4

1,8

75,4

1,9

1,7

Adaptado de Watt e Merril (1963).

 

 

            O teor e a composição de proteínas (aminoácidos) variam em função das condições do ambiente e das técnicas de cultivo que afetam o estado nutricional das plantas. Deve-se salientar, neste aspecto, a boa correlação entre a adubação nitrogenada e o teor de proteínas das sementes para uma série de culturas.

            As proteínas são encontradas em todos os tecidos das sementes, apresentando-se em maiores concentrações no embrião (tabelas 4 e 5). Nas sementes de cereais, as maiores concentrações são encontradas no embrião e na camada de aleurona do que no endosperma, pericarpo e tegumento sendo que, no endosperma, as concentrações diminuem da periferia para o centro (Kent, 1971). Entretanto, netas espécies, como o endosperma representa a maior porcentagem em peso da semente, a maior quantidade de proteínas é encontrada nesta parte (tabela 4), diferindo, portanto, das espécies em que os materiais de reserva são acumulados nos cotilédones (tabela 5).

 

Tabela 4. Distribuição do porcentual de proteína nas diferentes partes da semente de milho.

Parte

Proteína*

Peso da semente

como um todo

Proporção do total

Da semente, da

fração específica.

Endosperma

9,4

81,9

74,8

Embrião

18,8

11,9

22,4

Casca

3,7

5,3

2,0

Cobertura da ponta

9,3

0,8

0,8

Semente inteira, intacta

10,3

99,9

-

(*) Proteína = N x 6,25

Adaptado de Earle et al. (1946).

 

Tabela 5. Distribuição do porcentual de proteína nas diferentes partes da semente de soja.

Partes

Proteína

Tegumento

8

Cotilédones

43

Hipocótilo

41

Semente inteira

40

Adaptado de National Soybean Processors Association (1969/1970).

 

            Segundo a classificação de Osborne, as proteínas das sementes podem ser divididas em quatro classes segundo a sua solubilidade: (1) albuminas - solúveis em água; (2) globulinas - solúveis em soluções salinas, porém, insolúveis em água; (3) glutelinas - solúveis em soluções de ácidos fracos ou em soluções alcalinas; (4) prolaminas - solúveis em soluções de álcoois (70 - 90%). Tal classificação foi proposta na virada do século e está longe de ser considerada como ideal, devendo ainda sofrer modificações e estudos mais detalhados para tanto. Ressalta-se que para a solubilização dessas proteínas são necessários procedimentos extremos, como por exemplo, fervura em solução tampão contendo o detergente sódio dodecyl sulfeto (SDS), (Bewley & Black, 1994). A maioria das investigações conduzida para a definição dessas classes protéicas foi feita com várias espécies de sementes dentre as plantas cultivadas, contudo, dar-se-á destaque às leguminosas e aos cereais, dadas a sua importância tanto na nutrição humana como na animal.

As glutelinas e prolaminas são, na maioria dos cereais (arroz, centeio, cevada, milho, sorgo, trigo), os componentes mais abundantes das proteínas (em torno de 80 a 90%), enquanto que as albuminas e globulinas contribuem, nestas espécies referidas, com menores porcentuais, em torno de 20% ou menos. Na aveia, entretanto, as globulinas são as predominantes, representando em torno de 56% da proteína de reserva (Bewley e Black, 1985). Também, Mayer e Poljakoff-Mayber (1978), dizem que a divisão das proteínas de armazenamento em prolaminas e glutelinas é arbitrária, dado o método de obtenção, sendo, portanto mais interessante referir-se às proteínas bem conhecidas, cujas propriedades estão bem investigadas. Desta forma, no caso das prolaminas, tem-se a gliadina no trigo, hordeína na cevada, a zeína no milho, a kafirina no sorgo, a avenina na aveia e a orizina no arroz, enquanto para as glutelinas, existe a glutelina no trigo, a hordenina na cevada e a orizinina no arroz.

            Nas dicotiledôneas, as prolaminas, em muitos casos, estão ausentes ou em baixo teor, enquanto as glutelinas ocorrem em níveis superiores aos daquelas. As globulinas são, nas leguminosas, as principais proteínas armazenadas, representando acima de 70% do total de N da semente (Bewley e Black, 1985). Estas proteínas estão bem definidas para estas espécies, das quais as principais são a legumina e a vicilina. A glicinina na soja, a araquina e a conaraquina no amendoim e faseolina, no feijão, são globulinas específicas.

            No embrião das sementes de milho predominam as albuminas e globulinas, e no endosperma, as zeínas e glutelinas (Reines et al., 1973). Existem diferenças marcantes na composição das proteínas presentes no endosperma do milho e, no ponto de vista nutricional para o homem, a zeína é de baixa qualidade em relação às demais devido a sua deficiência em lisina e triptofano (tabela 6).

 

 

Tabela 6. Composição (mg/100g) em termos de aminoácidos do endosperma do milho.

Aminoácidos

Albumina

Globulina

Zeína

Glutelina

Lisina

44

41

1

18

Histidina

16

25

8

18

Amônia (glutamina e asparagina)

84

80

148

202

Arginina

43

72

10

30

Ácido aspártico

73

58

41

49

Treonina

45

28

24

34

Serina

48

53

52

47

Aminoácidos

Albumina

Globulina

Zeína

Glutelina

Ácido glutâmico (glutamina)

86

114

166

131

Prolina

45

33

94

73

Glicina

93

73

17

62

Alanina

85

60

110

79

Valina

50

49

31

45

Metionina

10

7

10

25

Isoleucina

28

23

31

29

Leucina

49

45

151

85

Tirosina

49

17

31

31

Fenilalanina

21

28

43

27

Triptofano

6

4

0

3

Fonte: Reines et al. (1973).

 

            Durante o desenvolvimento das sementes, verifica-se que o teor de proteína apresenta comportamento distinto, em função da espécie. Madison et al. (1976) constataram, desta forma, que o teor de proteína mantém-se relativamente constante durante o desenvolvimento das sementes de “kidney bean”, enquanto, em sementes de ervilha, amendoim e soja este teor aumenta durante o desenvolvimento. Yazdi-Samadi et al. (1977), por sua vez, observaram que havia também variações no teor dos aminoácidos durante o desenvolvimento da semente, havendo alguns que aumentaram (como exemplo: serina, valina, isoleucina) e outros que diminuíram (histidina, alanina), em função da cultivar estudada.

A porcentagem de proteínas nos cereais é tida como suficiente para satisfazer as necessidades dos seres humanos, desde que, quantidades adequadas de calorias sejam consumidas, contudo é insuficiente para suportar o crescimento de animais domésticos. Ainda, a composição de aminoácidos, tanto em proteínas de cereais como de leguminosas, não se completam perfeitamente para satisfazer as necessidades de humanos ou de animais.

            As proporções das diferentes classes de proteínas em cereais são mostradas na tabela 7, de acordo com Payne & Rhodes (1982).

 

Tabela 7. Composição protéica aproximada de alguns cereais (em porcentagem) e o nome comum de algumas proteínas de reserva.

Cereal

Albumina

Globulina

Prolamina

Glutelina

Trigo

9

5

40(gliadina)

46(glutenina)

Milho

4

2

55 (zeína)

39

Cevada

13

12

52(hordeína)

23(hordenina)

Aveia

11

56

9 (avenina)

23

Arroz

5

10

5 (oryzina)

80 oryzenina)

Sorgo

6

10

46 (kafirina)

38

Fonte: Payne & Rhodes (1982).

   

Nos endospermas de milho, cevada e sorgo a maior porcentagem de proteínas de reserva é constituída pelas prolaminas, as quais são encontradas somente em monocotiledôneas; no trigo são as glutelinas e na aveia são as globulinas que predominam. As globulinas são proteínas de reserva do embrião dos cereais e é por esse motivo que elas representam uma pequena fração das proteínas de reserva, quando se considera  a demais parte da semente.

            A fração de aminoácidos presentes no total da fração protéica dos cereais (tabela 8) é fortemente influenciada, como não poderia deixar de ser, pela natureza da maior fração de proteína de reserva presente (Earle & Hubbard, 1946).

            Albuminas e globulinas não são seriamente deficientes em aminoácidos específicos e, portanto, do ponto de vista nutricional, a aveia é uma boa fonte de proteína na dieta, sobretudo para animais em reprodução. Em grão de cevada e milho, entretanto, onde as prolaminas são elevadas, a lisina é seriamente limitante; além, o triptofano é baixo e os níveis de treonina são nutricionalmente limitantes. Prolaminas contêm teores elevados de prolina e ácido glutâmico (Frey, 1977; Bewley & Black, 1994). Tentativas têm sido feitas para modificar a composição de aminoácidos de cereais ricos em prolaminas, como a cevada e o milho, em particular com o objetivo de aumentar o conteúdo de lisina. Cita-se a existência de mutantes de milho e cevada ricos nesse aminoácido, como verificado na tabela 8. Ressalta-se que esses mutantes contêm menores níveis de prolaminas e mais glutelinas ricas em lisina, resultando em alteração da composição total dos aminoácidos (Weber, 1980).

 

Tabela 8. Porcentagem de aminoácidos em proteínas de grãos de aveia, milho normal e opaco - 2 e cevada normal e hiprolótica.

Milho

Cevada

Aveia

Aminoácido

Normal

Opaco2

Normal

Hiprolítica

Alanina

10.0

7.2

3.8

4.3

5.0

Arginina

3.4

5.2

4.6

4.9

6.9

Ac.Aspártico

7.0

10.8

6.0

6.8

8.9

Cisteinab

1.8

1.8

1.1

0.9

1.6

Ác.Glutâmico

26.0

19.8

26.8

23.9

23.9

Glicina

3.0

4.7

3.6

3.9

4.9

Histidina

2.9

3.2

2.1

2.2

2.2

Isoleucinab

4.5

3.9

3.7

3.9

3.9

Leucinab

18.8

11.6

6.7

7.1

7.4

Lisinab

1.6

3.7

3.4

4.2

4.2

Metioninab

2.0

1.8

1.2

1.5

2.5

Fenilaninab

6.5

4.9

5.9

5.9

5.3

Prolina

8.6

8.6

12.6

11.3

4.7

Serina

5.6

4.8

4.3

4.4

4.2

Treoninab

3.5

3.7

3.4

3.6

3.3

Triptofanob

0.3

0.7

___

___

___

Tirosina

5.3

3.9

2.8

2.8

3.1

Valina

5.4

5.3

4.8

5.3

5.3

bAminoácidos essenciais, que devem ser providos à dieta animal, pois os mesmos não são capazes de sintetizá-los.

Fonte: Frey (1977).

            Caracteristicamente, as proteínas de armazenamento (holo - proteínas) são oligômeras, isto é, elas são feitas de duas ou mais subunidades que podem ser separadas, usando condições de dissociação adequadas. Essas subunidades, por sua vez, podem ser constituídas de determinado número de cadeias de polipeptídeos, as quais variam na composição de aminoácidos entre as subunidades "homólogas". Esta variação resulta em considerável heterogeneidade entre as proteínas nativas. Por exemplo, a fração prolamina do milho (zeína) consiste de duas grandes subunidades de massa molecular de 23 e 21 kDa e uma subunidade menor de 13,5 kDa; a separação dessas subunidades, com base em suas cargas moleculares (separação isoelétrica), mostra que, juntas, elas se constituem de aproximadamente 30 polipeptídeos. Complexidade similar é mostrada pela prolamina do trigo (gliadina), a qual é separável em quatro grandes subunidades (a, b, d e w), compostas aproximadamente de 46 polipeptídeos. As glutelinas do trigo são ainda mais complexas, sendo polímeros compostos de proteínas que vão desde 11 até 133 x 102 kDa. Portanto, a maioria das proteínas de armazenamento deve ser encarada não como uma única proteína, mas como um complexo de proteínas individuais ligadas por grupos dissulfito, pontes de hidrogênio, ligações iônicas e hidrofóbicas (Bewley & Black, 1994).

            De acordo com Shewry & Tatham (1990) algum entendimento vem sendo obtido sobre a relação evolucionária entre as prolaminas e as glutelinas de cereais. No trigo e na cevada há três tipos de prolaminas: ricas em enxofre, pobres em enxofre e as de alto peso molecular (HMW). As quais possuem domínios (regiões de sequencias de aminoácidos) semelhantes. Por exemplo, ambas as ricas e pobres em enxofre, contêm domínios ricos em prolina, então, estas duas proteínas provavelmente compartilharam a mesma origem evolucionária. Outras três regiões conservadas A, B e C, contendo a maior parte da cisteína, também foi encontrada, mas com diferentes extensões, nos três tipos de proteínas (figura 1a). Essas regiões são flanqueadas e interrompidas por outra, variável em seqüência, que devido às suas similaridades na composição de aminoácidos, são tidas como tendo uma origem comum. As prolaminas ricas em enxofre e as HMW apresentam A, B e C, mas as prolaminas pobres em enxofre apenas apresentam um vestígio de C. Ambas as três proteínas podem ter se originado de uma subunidade protéica ancestral de aproximadamente 90 aminoácidos contendo A, B e C, como mostra a figura 1b. Durante a evolução, as maiores mudanças nas prolaminas ricas em enxofre e HMW, foram a inserção de repetidas sequencias entre A, B e C e  regiões de flanqueamento. Tais seqüências foram amplificadas na prolamina pobre em enxofre, a qual perdeu A e B, restando apenas uma parte de C.

 


Figura 1a*. Relações entre prolaminas de cereais e outras proteínas. Domínio de aminoácidos de diversas proteínas. Os números se referem à posição do aminoácido na cadeia de polipeptídeos.

 

            Similaridades vêm sendo evidenciadas entre as citadas prolaminas em trigo e cevada com outras proteínas. Por exemplo, b zeína também possui as regiões A, B e C, mas nenhuma das sequencias repetidas: ao invés, uma região rica em metionina está inserida entre B e C (figura 1a). A proteinase/aamilase inibidora, em cevada, consiste quase que exclusivamente de A, B e C. E, das duas subunidades proteína 2S em feijão, uma possui a seqüência A e, a outra, as regiões B e C. Finalmente, a albumina 2S, no girassol, possui as regiões B e C, apesar do cDNA dessa proteína possuir a seqüência de bases para codificar a região A; a razão para essa discrepância é desconhecida.   

            O número de genes codificando as diferentes proteínas varia consideravelmente entre as diferentes prolaminas. Por exemplo, há uma grande família, mais de 100, genes da gliadina do trigo, mais ou menos o mesmo número para a-zeína no milho, enquanto que as outras zeínas (b, d e d) possuem apenas um ou dois genes.


Figura 1b*. Esquema mostrando as possíveis mudanças evolucionárias que ocorreram nas prolaminas e proteínas correlatas. * Extraídas de Shewry & Tatham (1990)

            Os grãos de leguminosas são a segunda maior fonte de proteínas, após os cereais. Nutricionalmente, eles são deficientes em aminoácidos sulfurados (cistina e metionina), mas ao contrário dos grãos de cereais, o conteúdo de lisina é adequado (tabela 9). A maior reserva de proteínas são as globulinas, as quais contribuem para 70% do nitrogênio total presente nos grãos. As globulinas podem ser distintas em duas grandes famílias de proteínas, as quais diferem em massa molecular e, durante a ultracentrifugação, sedimentam com coeficientes de sedimentação (S) de aproximadamente 7 (média de 7 - 8) e 11 (média de 11 - 13). Estas são as proteínas 7 S (grupo vicilina) e a 11 S (o grupo legumina). Ambas são holoproteínas que formam uma série de polímeros relacionados, contudo, cada tipo (vicilina ou legumina) pode diferir quantitativamente ou qualitativamente na composição com relação às subunidades (Derbyshire et al., 1976).

            As globulinas11S ocorrem na forma de complexos hexaméricos de 320 - 400 kDa, compostas de 6 subunidades (52 - 65 kDa) não-idênticas. Cada subunidade contém um polipeptídeo ácido (pI~6.5) de 33 - 42 kDa e um polipeptídeo básico (pI~9) de 19 - 23 kDa. Os polipeptídeos ácido e básico são ligados por uma única ligação dissulfito (figuras 2 e 3). Comparadas com as proteínas 11 S, as globulinas 7 S têm estruturas mais variadas. Elas estão presentes nas sementes como um complexo trimérico de 145 - 190 kDa, compostos de três polipeptídeos não-idênticos de 48 - 83 kDa. Em alguns legumes, como por exemplo, a ervilha, os polipeptídeos sofrem uma série de clivagens proteolíticas, de forma a apresentar tamanhos variando entre 12 a 75 kDa (tabela 10). Em outras espécies, incluindo soja e feijão, nenhum processo proteolítico ocorre. Na maior parte, senão no total, as proteínas 7 S são completamente deficientes em cisteína e conseqüentemente, os polipeptídeos não são ligados por ligações dissulfídicas (Larkins, 1981; Shewry & Tatham, 1990; Bewley & Black, 1994).

            Para esclarecer a complexidade das proteínas de armazenamento nas sementes de leguminosas, tomar-se-á como exemplo apenas uma espécie, a soja. Dentre as globulinas, a maior fração presente em sementes maduras é a gliacinina (legumina), a qual provavelmente possui quatro subunidades básicas e quatro subunidades ácidas, tornando-se uma holoproteína 12.3 S de 330 kDa. A fração 7 S, b- e g-conglicinina, também contêm grupos heterogêneos de proteínas. b-Conglicinina que é a forma predominante de vicilina, possui massa média de 160 kDa e é composta de três subunidades: a e a' de 57 kDa e b de 42 kDa. Estas podem se combinar em seis diferentes formas isoméricas, de diferentes composições de subunidades (por exemplo: ab, a'b, ab, aa, aa'b, ab e a), cada uma variando pouco com relação à composição de aminoácidos e carboidratos (os carboidratos presentes são geralmente glucose, manose ou glucosamino, de 0,5 a 1,5%, porque muitas subunidades das proteínas 7 S são glicosidadas durante a sua deposição). As proteínas de reserva da soja também contêm a forma 2 S, a a-conglicinina, que são heterogêneas e incluem diversas enzimas, bem como, a que inibe a atividade da tripsina. Proteínas de reserva das demais leguminosas mostram igual complexidade.

Tabela 9. Composição de aminoácidos das proteínas 7 S e 11 S (globulinas) de sementes de soja (expressas como % mol).

Aminoácido

11 S

7 S

Alanina

6.2

3.7

Arginina

5.6

8.8

Ác Aspártico

11.7

14.1

Cistina

0.6

0.3

Ac. Glutâmico

21.4

20.5

Glicina

7.5

2.9

Histidina

1.7

1.7

Isoleucina

4.1

6.4

Lisina

3.9

7.0

Metionina

1.3

0.3

Fenilanina

4.6

7.4

Prolina

6.5

4.3

Serina

6.0

6.8

Treonina

3.8

2.8

Triptofano

0.8

0.3

Tirosina

2.7

3.6

Valina

5.2

5.1

Fonte: Derbyshire et al. (1976).

            Conforme descrito em Krochko & Bewley (1988) e em Bewley & Black (1994), a composição polipeptídica de proteínas de reserva 7 S e 11 S são distinguíveis em eletroforese em gel de poliacrilamida (PAGE), para tanto, as vicilinas e leguminas de alfafa são mostradas na figura 4, como exemplo. 

 

Tabela 10. Composição, em subunidades, das Globulinas de armazenamento de alguns legumes.

Coeficiente de

Sedimentação

Nome da

Espécie

Aproximado (S)

Massa

kDa

Holoproteína

Subunidade (kDa)

Pisum

 sativum

7 - 8

186

Vicilina

12,14,18,24,30,50,75

(ervilha)

12 - 13

360

Legumina

18,20,25,27,37,40

Vicia

 fava

7

150

Vicilina

31,33,46,56

(feijão

 broto)

11 - 14

328

Legumina

20,37

P.vulgaris

6,5 - 7,5

150

Glicoproteína I

43,47,53

(feijão)

11

340

GlicoproteínaII

30,32,34

Medicago

sativa

7

150

Alfina

14,16,20,32,38,50

(alfafa)

11

360

Medicagina

59,63,64,65,67,69

Glycine

max

7 - 8

160

b-conglicinina

42,57

(soja)

12

330

Glicinina

19,37,42

Adaptado de Casey et al. (1986).

            Diversas proteínas de armazenamento são extraídas em soluções tampão de baixa concentração salina, incluindo a maior parte da fração 7 S (uma vicilina chamada de alfina, tabela 4), algumas proteínas de alto peso molecular (HMW) e a proteína 2 S de baixo peso molecular (LMW) (figura 2, faixa A). Esta separação eletroforética ocorre com base no tamanho, as subunidades de alfina vão de 14 até 50 kDa (faixa A). Quando essa fração protéica é tratada com b-mercaptoetanol, um agente redutor, o qual quebra ligações dissulfidicas entre cadeias de polipeptídeos adjacentes, as posições das a unidades no gel permanecem inalteradas (figura 2a e 2b). Isso mostra que nenhuma ligação entre as cadeias foi quebrada e, que os polipeptídeos componentes da proteína 7 S não são unidos por ligações dissulfito. A proteína 11 S (legumina) chamada medicagina, apenas é solúvel em soluções tampão de alta concentração salina. Isto provoca a separação eletroforética com a formação de bandas indo de 59 até 69 kDa (figura 4, faixa C). Após tratamento com b-mercaptoetanol, a proteína 11 S corre pelo gel como grupos de subunidades (A1-7) de 40 até 49 kDa e outro grupo de 20 até 24 kDa (B1-3), na faixa D. Isto porque as ligações dissulfito entre as cadeias foram quebradas pelo agente redutor e os polipeptídeos individuais, componentes de cada subunidade foram liberados.

            Os polipeptídeos A são ácidos, devido ao seu ponto isoelétrico (pI) estar situado aproximadamente em pH 6 e, os polipeptídeos B são básicos (pI aproximadamente em pH 7,5). A proporção entre os aminoácidos ácidos e básicos em um polipeptídeo determina o pI.

            Verifica-se relativa complexidade com relação à composição das proteínas 11 S, uma vez que, polipeptídeos individuais podem variar o seu conteúdo em aminoácidos e assim, apresentar pequenas variações na carga. Há, por exemplo, de 30 - 40 isômeros carregados de polipeptídeos ácidos em alfafa, com pI indo de 5,4 até 6,5.

            O tamanho da holoproteína 11 S da alfafa é de aproximadamente 360 kDa. As subunidades individuais dessa proteína estão constituídas por um polipeptídeo ácido, ligado por ligação dissulfidica em um polipeptídeo básico. Uma vez que, cada subunidade tem peso molecular de aproximadamente 60 kDa é justificável que a holoproteína seja feita de 6 subunidades.

           A composição típica de uma proteína 11 S e a sua relação com as suas subunidades e com os polipeptídeos correspondentes é detalhada na figura 3.

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Users\Ironman\Documents\Meus documentosX\Disciplinas\LCB-208\AA e Proteinas\AMINOACIDOSPROT_arquivos\image019.jpg

        

Figura 3. Gel de eletroforese (SDS - PAGE) de vicilina e albumina (S-1), solúveis em baixas concentrações do sal e, legumina (S-2) solúvel em altas concentrações do sal. Amostras reduzidas (+ME, B e D) e não reduzidas (A e C) são mostradas em faixas adjacentes. As principais proteínas e os pesos moleculares são indicados. Extraído de Krochko & Bewley (1988).

 

De acordo com Bewley & Black (1994), muitas proteínas de reserva são decodificadas por um grande número de genes e, pequenas variações nos códons resultam em, também, pequenas variações na composição de aminoácidos das proteínas resultantes. Não obstante isso, todos os genes (cDNAs) das globulinas de diferentes espécies que foram seqüenciadas mostram certa similaridade com o tipo legumina ou vicilina. Certas seqüências de bases e, portanto, seqüências de aminoácidos, são conservadas em todas as leguminas e vicilinas, independente da espécie de planta considerada. Portanto, essas proteínas são tidas como originadas de dois genes ancestrais. Corroborando tais relações, esta o fato de que propriedades antigênicas similares são compartilhadas pelas leguminas e vicilinas de diferentes sementes. Durante a evolução, mudanças ocorreram nesses dois genes ancestrais, resultando em vários tipos diferentes de globulinas que agora são reconhecíveis. Algumas perdas gênicas também ocorreram, por exemplo, as vicilinas não ocorrem nas famílias as quais pertencem as Brassicas e o girassol (Brassicaceae e Asteraceae, respectivamente).

        

 

Figura 4. Componentes de uma proteína 11 S de armazenamento quando submetida à extração em alta concentração do sal e ao agente redutor -mercaptoetanol (ME). Extraído de Krochko & Bewley (1988).

 

Nem todas as proteínas de reservas das sementes têm características nutricionais desejáveis. Inibidores enzimáticos podem reduzir a eficiência das hidrolases, etc., no trato digestivo de animais. Lectinas, as quais são usualmente glicoproteínas, têm a capacidade de se ligar com a superfície das células de animais, muitas vezes causando aglutinação (especialmente em eritrócitos), por exemplo, concanavalina A em sementes de jack bean (Canavalia ensiformis) e, algumas vezes, as lectinas são chamadas de fitohemaglutininas. Qualquer efeito tóxico das lecitinas pode ser eliminado através do uso de tratamento com calor. Por exemplo, rações que incluem em sua composição o feijão castor (Ricinus communis), podem ser ministradas ao gado após a extração do óleo de castor e aquecimento.

         Mandelonitrilo liase (MDL) é uma glicoproteína do endosperma de sementes de cereja preta (Prunus serotina) e é uma enzima envolvida na degradação do dissacarídio cianogênico amigdalina. Tal pode ser importante nessa e em outras sementes cianogênicas para a produção de HCN, quando os tecidos são lesionados por patógenos, por exemplo. Muitas sementes possuem proteínas que podem fazer parte de mecanismos de defesa contra pestes e predadores; por exemplo, espécies selvagens de Phaseolus vulgaris contêm a glicoproteína arcelina, a qual confere resistência contra alguns brucídeos, enquanto que espécies domésticas de P. vulgaris, parecem ter essa resistência conferida pela α amilase inibidora. Citinase, uma enzima que confere resistência ao ataque de fungos, foi isolada de sementes secas de diversas mono e dicotiledôneas. Algumas dessas enzimas posem ter o papel duplo de ser proteínas de reserva e de defesa, quando a semente é objeto de predação.

         As proteínas de reserva encontram-se normalmente depositadas em organelas celulares denominadas corpúsculos de proteína. O diâmetro dessa organela varia de 0,1 a 25 µm (Bewley e Black, 1985), e é envolvida, pelo menos durante o seu desenvolvimento, por uma membrana simples. Estes corpúsculos podem ocorrer em todo o embrião ou endosperma, ou, outras vezes, restringem-se a uma camada (camada de aleurona). Têm sido às vezes denominados de grãos de aleurona, termo este não aceito por todos. Em sementes maduras e secas de algumas sementes, por exemplo, em cereais, a membrana é incompleta ou ausente, deixando a proteína dispersa no citoplasma, contudo, isto é incomum. Alguns corpúsculos protéicos são simples em sua estrutura, consistindo de uma matriz protéica circundada por uma membrana. Inclusões freqüentemente ocorrem, particularmente de cristalóides ou globóides e, mais raramente de cristais de oxalato de cálcio. Os cristalóides são inclusões proteináceas insolúveis (em água ou tampão) “acomodadas” na matriz solúvel da proteína. Por exemplo, em feijão castor, o cristalóide é uma proteína insolúvel 11 S e, a matriz é feita de proteínas solúveis 2 S e 7 S, incluindo lecitinas. Globóides são estruturas monocristalinas e globulares e são as inclusões mais comumente encontradas em corpúsculos de proteínas (figura 4 a, b). Contudo, eles variam em tamanho e número. Em algumas espécies os globóides são encontrados em corpúsculos de proteínas em algumas regiões da semente, mas, não em outras (por exemplo, as camadas protéicas de aleurona – grãos de aleurona – em cereais, geralmente contêm globóides, contudo, o endosperma nunca os contêm). Globoídes são sítios de deposição de fitina – sais de magnésio, potássio e cálcio de ácido fítico. A camada protéica de corpúsculos de aleurona em cevada também contêm carboidratos, porém em uma unidade distinta do globóide, conhecida como corpúsculo de proteína-carboidrato (figura 4 b). Muitas enzimas podem ocorrer juntamente aos corpúsculos de proteína e, durante a mobilização de reservas, outras enzimas podem ser adicionadas, de forma que, eventualmente, a estrutura se transforme em um vacúolo autolítico. Como exemplos, nos casos de trigo e cevada (Simmonds e Orth, 1973), α-amilase, α-glucosidase (maltase), protease, dipeptidase, esterase, fitase e nitrito-redutase.

         Corpúsculos de proteína podem conter apenas um tipo de proteína de reserva. Em certos legumes, por exemplo, alguns corpúsculos protéicos contêm apenas albumina, vicilina ou legumina, contudo, muitos contêm vicilina e legumina. Em milho, os pequenos corpúsculos de proteína no endosperma, contêm, proporcionalmente, mais zeína do que em corpúsculos maiores. Corpúsculos de proteína na camada de aleurona deste e de outros cereais, não contêm nenhuma das principais proteínas de reserva.

 

Figura 4a*. Corpúsculo protéico no endosperma de feijão castor mostrando o globóide (G), contendo fitina, a proteína cristalóide (C) envolta pela matriz protéica (M). O corpúsculo de proteína é envolto por corpúsculos de óleo.

 

Figura 4b*. Camada de células de aleurona, em cevada, com os grãos de aleurona (corpúsculos protéicos) contendo a proteína globóide (G) e a proteína -  carboidrato (P) envoltos pela matriz protéica. Os corpúsculos protéicos são cercados por corpúsculos de óleo (O). * Extraídos de Jacobsen (1971).

 

3.      VALOR PROTÉICO DE LEGUMINOSAS E CEREAIS

Como já mencionado, as proteínas são de importância essencial na dieta de humanos e animais. Portanto, quando se considera a dieta do povo brasileiro verifica-se que o feijão é um dos alimentos básicos, sendo considerado a principal fonte de proteína sob o aspecto quantitativo e, ocupando o terceiro lugar em termos de fornecimento de energia (Tabela 11), apenas ultrapassado pelo arroz e o açúcar (Sgarbieri, 1987, citado por Sá e Buzzeti, 1987).

 

Tabela 11. Contribuição protéica e energética dos principais alimentos que compõem a dieta brasileira.

Alimentos

Fonte

protéica (%)

Posição

Fonte

energética (%)

Posição

Feijão

Arroz

Carne Bovina

Açúcar

Pão

LeitePasteurizado

Macarrão

Óleo

Carne Suína

Farinha Mandioca

Fubá de Milho

28.7

17.9

23.6

-

11.6

6.4

3.7

-

-

1.8

3.3

1

3

2

-

4

5

6

-

-

8

7

11.2

24.2

5.3

14.2

9.6

4.1

2.7

8.3

1.7

7.2

4.4

3

1

7

2

4

9

10

5

11

6

8

 

Adaptado de Sgarbieri, citado por Sá e Buzzeti (1987).

 

As leguminosas de grão são capazes de produzir muito mais proteína por unidade de área do que os animais. Porém, por causa de seus rendimentos, nem todas as leguminosas são capazes de suplantar os cereais, conforme se observa na Tabela 12.

 

Tabela 12. Eficiência relativa na produção de proteína de algumas culturas.

Cultura

Rendimento

(t/ha)

Conteúdo

protéico (%)

Rend. médio de nutrição

protéica (Kg/ha)

Soja

1.300

38,0

306,8

Feijão

800

22,1

83,1

Ervilha

1.200

22,5

130,0

Amendoim

Guandu

Caupi

Lentilha

Trigo

Arroz

Milho

Batata

Mandioca

700

600

400

600

1.500

2.200

2.400

13.800

8.700

25,5

20,9

23,4

24,2

12,2

7,5

9,5

2,0

1,6

123,9

51,7

51,9

61,4

121,2

122,6

123,2

151,8

121,8

 

Fonte: Food and Agriculture Organization citado por (Litzenberger, 1973). Adaptado de Vieira (1988).

 

Vale lembrar que, além de menor concentração de proteína em seus grãos, os cereais são deficientes em lisina, que é um aminoácido essencial na alimentação. O conteúdo de lisina é alto nas leguminosas, fato de muita significação nutricional, quando se leva em conta que os grãos das leguminosas são considerados suplemento para os cereais (Adams et al., 1985; Vieira, 1988; Marchini et al., 1994). Por outro lado, os cereais são bem dotados de aminoácidos sulfurados (metionina e cistina), os quais apresenta-se em quantidade relativamente baixa nas leguminosas.

Na Tabela 13 comparam-se os teores de aminoácidos essenciais do arroz e do feijão com os do ovo, geralmente admitido como padrão.

 

Tabela 13. Aminoácidos essenciais no arroz, no feijão e no ovo.

 

Aminoácidos

Teor (mg/g de aminoácidos essenciais)

Essenciais

Arroz

Feijão

Ovo

Isoleucina

94 (73)

100 (78)

129

Leucina

188 (110)

201 (117)

172

Lisina

85 (68)

141 (113)

125

Aromáticos

281 (145)

273 (122)

195

Sulfurados

123 (115)

46 (43)

107

Triptofano

79 (80)

113 (115)

99

Valina

121 (86)

115 (82)

141

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fonte: Souza et al (1973).

 

 

Observa-se que a mistura desses produtos permite que um contrabalance as deficiências do outro. Estudos realizados tanto em animais quanto em crianças, têm confirmado que esta mistura possui melhor valor nutritivo que o arroz ou o feijão sozinho (Souza et al., 1973).

         As leguminosas constituem também importante base energética na alimentação, contendo grande proporção de carboidratos e pequeno teor de óleo. Segundo Crawford (1985) as proteínas também podem ser empregadas como fonte de energia. As leguminosas podem fornecer quantidades variáveis de outros elementos, como por exemplo o caroteno,  tiamina, riboflavina, niacina e ácido ascórbico (Orraca-Tetteh, 1973; Bressani e Elias, 1980). Também são importante fonte de fósforo e ferro. 

Na Tabela 14 encontram-se os constituintes orgânicos e minerais de 28 cultivares americana de feijão.

 

Tabela 14. Média e alcance dos valores dos constituintes químicos em sementes de 28 cultivares de feijão. 

        

 

Quantidade presente

 

Constituintes

Média

Alcance

Óleo (%)

0,58

0,20 – 1,0

Açúcar Total (%)

6,2

4,40 – 9,20

Sacarose (%) **

46,4

33,6 – 57,0

Rafinose (%) **

10,4

2,4 – 16,0

Estaquiose (%) **

43,0

33,6 – 64,0

Zinco (ppm)

22,3

17 – 29

Boro (ppm)

15,1

12 – 18

Ferro (ppm)

92,9

69 – 135

Manganês (ppm)

11,7

6 – 20

Cobre (ppm)

9,75

8 – 12

Magnésio (ppm)

0,16

0,13 – 0,18

Cálcio (ppm)

0,19

0,11 – 0,26

Fósforo Potássio (ppm)

0,40

0,28 – 0,50

Potássio (ppm)

1,47

1,12 – 1,94

Nitrogênio (ppm)

3,70

2,84 – 4,28

 

(Fonte: Walker e Hymowitz, 1972, citado por Adams et al, 1985).

 

         Sem considerar o nitrogênio, as sementes são ricas em potássio (1,47%), enquanto que o ferro, é o micronutriente mais abundante (92,9 ppm). O óleo é o menor constituinte em sementes de feijão, representando não mais que 1% do peso das sementes contendo 3% de umidade.

         Verifica-se de maneira geral que, apesar do feijão ser importante fonte de proteína, fonte energética e fornecer outros elementos essenciais ao organismo, o seu valor nutricional é ainda melhor, quando é consumido juntamente com um cereal. No Brasil, a principal fonte protéica da alimentação é derivada da ingestão de arroz e feijão. Esta mistura tem-se mostrado adequada em teor nitrogenado, fornece os aminoácidos essenciais e possui digestibilidade ao redor de 80% (Marchini et al., 1994).

 

4.      CONSIDERAÇÕES FINAIS

A importância das proteínas reside no fato de serem as macromoléculas mais abundantes nas células vivas e constituem 50% ou mais de seu peso seco. Além do que, encontram-se em todas as células e em todas as partes das células. As proteínas também ocorrem em grande diversidade; centenas de diferentes tipos podem ser encontrados em uma única célula.

Também, não de deve negligenciar os diferentes papéis biológicos das proteínas, por serem instrumentos moleculares através dos quais se expressa a informação genética. Além, da importância capital na nutrição humana e animal.

Finalmente, com relação às sementes, o conhecimento da composição química da semente é essencial por várias razões, principalmente porque contém materiais de reservas e substâncias de crescimento que influenciam na germinação, vigor das sementes, no armazenamento e longevidade, bem como no seu uso medicinal e agronômico. Além, encontram-se reservas que são armazenadas primeiramente como carboidratos, óleo e proteínas, com o intuito de auxílio à germinação. As sementes caracterizam-se por apresentarem uma parte das proteínas metabolicamente ativa, como as enzimas e as nucleo-proteínas, e outra, metabolicamente inativa. Esta segunda parte representa as proteínas de reserva, cuja composição varia de acordo com as espécies.

          Em resumo, proteínas são os componentes básicos de toda célula viva. São polímeros de aminoácidos sintetizados biologicamente na célula e funcionam como enzimas, componentes estruturais e materiais de reserva.

 

 

4.   REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

 

ADAMS, M.W.; COYNE, D.P.; DAVIS, J.H.C.; GRAHAM, P.H.; FRANCIS, C.A. Common bean (Phaseolus vulgaris L.). In: Summerfield, R.J.; Roberts, E.H. Grain Legume Crops. Great Britain: Collins, p.433-476, 1985.

ARF, O. Importância da adubação na qualidade dos produtos agrícolas. In:___ Importância da adubação na qualidade do feijão e caupi. São Paulo: Ed. Ícone, p. 233 – 247 1994.

BEWLEY, J.D.; BLACK, M. Seeds: Physiology of development and germination. New York: Plenum Press, 367p. 1985.

CASEY, R., DOMONEY, C.; ELLIS, N. Oxford Surv. Plant Mol. Cell Biol. (review of legume storage proteins and their genes), 3:1-95, 1986.

COPELAND, L.O. Principles of Seed Science and Technology. Minneapolis: Burgess, 1976. 369p.

CORNER, E. J. H., The Seeds of Dicotyledons. Cambridge University Prees, Cambridge (a comprehensive two volume work on seed anatomy), 1976.

CRAWFORD, A.M. Alimentos: seleção e preparo. 2.ed. Rio de Janeiro: Record, 1985.

DE ROBERTIS, E.D.P.; DE ROBERTIS JR, E.M.F. Bases da Biologia Celular e Molecular. 2.ed.Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan S.A., 1993.

EARLE, F.R.; CURTIS, J.J.; HUBBARD, J.E. Composition of the component parts of the corn kernel. Cereal Chemistry, v.23, p.504-511, 1946.

HOVE, E.L.; KING, S.; HILL, G.D. Composition, protein quality and toxins of seeds of the grain legumes Glycine max, Lupinus spp., Pisum sativum and Vicia faba. New Zealand Journal of Agricultural Research, v.21, n.3, p.457-462, 1978.

 (Agriculture Handbook 8).

KENT, N.L. Composición quimica de los cereales. In: Tecnologia de los cereales. Trad. M. Catalan Calvo e M. Gonzales Alonzo. Zaragoza: Editorial Acribia, p.36-62, 1971.

KROCHKO, J.; BEWLEY, J.D. Electrophoresis (techniches for separation and identification of legume storege proteins). 9:751-763, 1988.

LEHNINGER, A.L. Princípios de Bioquímica. São Paulo: Sarvier, 1984.

MADISON, J.T.; THOMPSON, J.F.; MUENSTER, A.M.E. Deoxyribonucleic-acid, ribonucleic acid, protein and uncombined amino acid content of legume seeds during embryogeny. Annals of Botany, v.40, n.168, p.745-756, 1976.

MARCHINI, J.S.; RODRIGUES, M.M.P.; CUNHA, S.F.C. et al. Cálculo das recomendações de ingestão protéica: aplicação a pré-escolar, escolar e adulto utilizando alimentos brasileiros. Revista Saúde Pública, v.28, n.2, p.146-152, 1994.

MAYER, A.M.; POLJAKOFF-MAYBER, A. Chemical composition of seeds. In: The germination of seeds. Cap.2. 2.ed. Oxford: Pergamon Press Ltd., p.10-20, 1978.

NATIONAL SOYBEAN PROCESSORS ASSOCIATION. Trading rules of soybean meal. Washington, DC. Yearbook and Trading Rules, 1969-1970. p.20-23.

ORRACA- TETTEH, R. The vital role of legumes in human nutrition. In: JAFFÈ, W.G. Nutritional aspects of common beans and other legume seeds as animal and human foods. Proceedings of a Meeting held, Ribeirão Preto. p.297-303, 1973.

PAYNE, P. I.; RHODES, A. P. Cereal proteins: review. In: Encyclopedia of Plant Physiology, New Series, Springer, Berlin, V. 14A, pp. 346-369, 1982.

REINES, R.A.; WALL, J.S.; INGLETT, G.E. Corn proteins: potential for industrial use. In: Pomeranz, Y. (Ed.) Industrial uses of cereals. St. Paul, American Association of Cereal Chemists, p.285-315, 1973.

SATHE, S.K., DESHPANDE, S.S., SALUNKE, D.K. Dry beans of Phaseolus. A review. Part 2. Chemical composition: carbohydrates, fiber, minerals, vitamins and lipids. CRC Crit. Ver. Food Sci. Nutr., v.421, n.1, p.41-93, 1984.

SIMMONDS, D.H.; ORTH, R.A. Structure and composition of cereal protein as related to their potential utilization. In: Pomeranz, Y. (Ed.) Industrial uses of cereals. St. Paul, American Association of Cereal Chemists, p.51-120, 1973.

SOUZA, N.; SANTO, J.E.; OLIVEIRA, J.E.D. Clinical and Experimental studies on common beans. In: JAFFÉ, W.G. Nutritional aspects of common beans and other legume seeds as animal and human foods. Proceedings of a Meeting held, Ribeirão Preto. p. 241-248, 1973.

VIEIRA, C. Perspectiva da cultura do feijão e de outras leguminosas de grão no país e no mundo. In: ZIMMERMANN, M.J.O.; ROCHA, M.; YAMADA, T. A cultura do feijoeiro: fatores que afetam a produtividade. Piracicaba: Associação Brasileira para Pesquisa da Potassa e do Fosfato, p.3-19.1988.

WATT, B.K.; MERRIL, A.L. Composition of foods, raw, processed, prepared. Washington DC., United States Department of Agriculture, 1963.190p. YAZDI

SAMADI, B.; RINNE, R.W.; SEIF, R.D. Components of developing soybean seeds oil, protein, sugars, starch, organic acids and amino acids. Agronomy Journal, v.69, n.3, p.481-486, 1977.

ZUCAS, S.M.; LOURENÇO, E.J.; CAMPOS, M.A.P. Os feijões: valor nutritivo e substâncias indesejáveis. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE FEIJÃO, 1., Anais, Campinas, p.539-570, 1972.