Ligações peptídicas: definição, ocorrência e importância biológica

A ligação peptídica é uma ligação amida covalente que une os resíduos de aminoácidos nos péptidos e nas proteínas. Estas ligações formam uma estrutura molecular contínua das cadeias peptídicas, mantendo uma determinada sequência de aminoácidos e, ao mesmo tempo, permitindo que toda a cadeia assuma diferentes estruturas tridimensionais.

As ligações peptídicas são um dos elementos fundamentais da estrutura peptídeos. Compreender a sua química ajuda a explicar como é que os aminoácidos individuais podem formar moléculas maiores com uma sequência e uma estrutura rigorosamente definidas.

Embora a definição básica seja relativamente simples, a química da ligação peptídica apresenta algumas características importantes. Os eletrões na grupo amida estão distribuídos de tal forma que a ligação carbono-azoto se assemelha, em parte, a uma ligação dupla. Isto limita a possibilidade de rotação livre em torno da ligação peptídica, mas não faz com que todo o péptido ou proteína se torne uma molécula rígida. Outras ligações na estrutura mantêm uma maior liberdade de rotação, o que permite que as cadeias peptídicas se curvem e se dobram.

As ligações peptídicas podem ser analisadas a partir de várias perspetivas científicas diferentes. Os químicos estudam a sua estrutura eletrónica e geometria. Os biólogos moleculares analisam a forma como são formadas pelos ribossomas e outros sistemas biológicos. Os biólogos estruturais investigam como a geometria destas ligações influencia a arquitetura das proteínas. Os bioquímicos, por sua vez, estudam como as enzimas rompem seletivamente as ligações peptídicas durante o processamento e a degradação das proteínas.

Estas distinções ajudam a compreender como as proteínas podem, simultaneamente, manter uma determinada sequência de aminoácidos, assumir estruturas complexas, formar-se em processos biológicos controlados e, posteriormente, ser transformadas ou degradadas. Estudos sobre a estrutura eletrónica, a geometria dos péptidos, a catálise ribossómica, a síntese de proteínas e a hidrólise enzimática fornecem informações complementares sobre estes processos. [1] [2] [3]

O que é a ligação peptídica?

Definição química da ligação peptídica

A ligação peptídica é ligação amídica entre o grupo derivado do grupo carboxilo de um aminoácido e o grupo derivado do grupo amino de outro aminoácido. Numa estrutura típica de uma proteína, o átomo de carbono do grupo carbonilo e o átomo de azoto do resíduo de aminoácido seguinte são ligados.

O fragmento mais frequentemente apresentado tem a seguinte forma:

–C(=O)–NH–

O fragmento C=O é grupo carbonilo, enquanto a ligação C–N é a ligação a que normalmente nos referimos quando falamos especificamente da ligação peptídica. Em conjunto, estes átomos e o seu entorno imediato formam a chamada grupo peptídico ou grupo amida.

Esta distinção é importante, uma vez que a fórmula estrutural completa do grupo peptídico contém várias ligações diferentes. A ligação carbono-oxigénio não é a ligação que une dois resíduos de aminoácidos. Essa função é desempenhada pela ligação amida carbono-azoto.

Quando um aminoácido se liga a outro, o átomo de carbono do grupo carbonilo ligado a uma cadeia é ligado covalentemente ao átomo de azoto ligado à cadeia seguinte. A repetição deste esquema conduz à formação da estrutura típica de uma cadeia peptídica.

Os estudos da estrutura eletrónica analisam, entre outros aspetos, a interação do par de eletrões livres do azoto com o sistema carbonílico adjacente, o que permite explicar por que razão esta ligação difere da ligação simples carbono-azoto habitual, que roda livremente. [1]

Por que razão a ligação peptídica é uma ligação covalente?

A ligação peptídica é covalentes, uma vez que os átomos ligados partilham eletrões.

Não se trata de uma interação iônica entre dois aminoácidos carregados e separados, nem de uma ligação de hidrogénio que mantenha próximas as diferentes partes da cadeia ondulada.

É precisamente esta ligação covalente que assegura a continuidade química da sequência de aminoácidos. Os resíduos permanecem parte da mesma cadeia enquanto a reação química não alterar a forma como estão ligados.

Esta distinção torna-se particularmente importante quando se fala do dobramento e do desdobramento das proteínas. A cadeia peptídica pode dobrar-se, alterar a sua conformação, perder parte das interações que estabilizam a sua estrutura e até mesmo desdobrar-se significativamente, sem que seja necessário romper as ligações peptídicas que mantêm a sua sequência primária.

No entanto, «covalente» não significa «indestrutível».

As enzimas e as condições químicas adequadas podem provocar a clivagem das ligações peptídicas. No entanto, essa clivagem é uma reação química que altera a forma como os átomos se ligam, e não apenas uma alteração da forma da molécula.

Estudos estruturais de uma das proteinases aspartílicas mostram como a enzima consegue organizar adequadamente o substrato, que contém uma ligação peptídica e uma molécula de água, de forma essencial para a hidrólise. [4]

A natureza parcial da ligação dupla e a ressonância

A ligação peptídica C–N é frequentemente representada nas fórmulas como uma linha simples, mas a distribuição real dos eletrões é mais complexa.

O par de eletrões livres do átomo de azoto pode participar no sistema eletrónico adjacente do grupo carbonílico. A deslocalização dos eletrões faz com que a ligação C–N adquira a natureza parcial da ligação dupla.

Este fenómeno é frequentemente explicado através de estruturas ressonantes.

As estruturas ressonantes são formas alternativas de representar a distribuição dos eletrões na mesma molécula. Não devem ser interpretadas como formas distintas da molécula que se transformam rapidamente umas nas outras.

Da mesma forma, o facto de a ligação dupla ser parcial não significa que a ligação peptídica seja uma ligação simples durante uma determinada percentagem do tempo e uma ligação dupla normal durante o tempo restante.

A estrutura eletrónica real resulta da deslocalização dos eletrões em toda a grupo amida.

Num estudo computacional, Fedorov analisou o papel da ressonância na determinação da ordem da ligação peptídica. Os valores numéricos específicos dependem do método utilizado para a análise da estrutura eletrónica. No entanto, para uma compreensão geral, o mais importante é a conclusão de que a interação entre o sistema eletrónico do azoto e o do grupo carbonilo é responsável por parte das propriedades atípicas da ligação C–N. [1]

Por que razão a rotação em torno da ligação peptídica é limitada?

O caráter parcial da ligação dupla tem uma consequência estrutural importante: a rotação em torno da ligação amida C–N é mais limitada do que a rotação em torno de uma ligação simples típica de carbono-azoto.

Isso não significa, no entanto, que as proteínas não possam dobrar-se nem formar pregas.

A estrutura peptídica contém também outras ligações em torno das quais é possível a rotação. A cadeia proteica é, portanto, constituída por grupos peptídicos repetitivos e relativamente rígidos, ligados por outras ligações da estrutura que se caracterizam por uma maior elasticidade conformacional.

A combinação destas restrições e das possibilidades de rotação contribui para a enorme diversidade de estruturas tridimensionais que os peptídeos e as proteínas podem assumir.

A planicidade aproximada não significa que a estrutura seja perfeitamente plana

A delocalização dos eletrões favorece na geometria aproximadamente plana do grupo peptídico e limita a rotação em torno da ligação amida C–N.

No entanto, as estruturas moleculares reais podem desviar-se ligeiramente do plano matemático ideal.

Improta e os seus colaboradores combinaram cálculos de mecânica quântica com a análise das estruturas cristalinas de péptidos e proteínas. Os resultados revelaram pequenos desvios sistemáticos dependentes da geometria local do esqueleto. [2]

Por isso, é correto afirmar que os grupos peptídicos são aproximadamente plano, pelo que afirmar que todas as ligações peptídicas em todos os péptidos ou proteínas são perfeitamente planas seria uma simplificação excessiva.

Este é um bom exemplo da diferença entre um modelo educativo útil e a representação mais detalhada do comportamento das estruturas moleculares reais.

Onde se encontram as ligações peptídicas?

Na estrutura dos péptidos e das proteínas

As ligações peptídicas ocorrem entre resíduos de aminoácidos adjacentes nas cadeias peptídicas e proteicas típicas.

Juntamente com os átomos que os rodeiam, formam um padrão repetitivo esqueleto da molécula. As cadeias laterais dos aminoácidos projetam-se para fora deste esqueleto e conferem às diferentes resíduos propriedades químicas adicionais.

Uma proteína pode ser constituída por uma única cadeia peptídica ou por várias cadeias ligadas entre si, formando um complexo molecular maior. Cada uma delas possui as suas próprias ligações estruturais.

Diferentes cadeias podem ligar-se através de interações não covalentes ou de ligações covalentes adicionais. Estas ligações não devem ser automaticamente consideradas ligações peptídicas.

A síntese química do inibidor da tripsina pancreática bovina, ou BPTI, ilustra bem a diferença entre a formação da estrutura peptídica e a formação de pontes dissulfuretas adicionais. Os investigadores obtiveram, em primeiro lugar, um material linear e, posteriormente, procederam à sua oxidação e caracterização. O estudo distingue, assim, a construção da cadeia da organização estrutural posterior. [5]

As ligações peptídicas determinam a continuidade da sequência primária

A sequência de resíduos de aminoácidos num péptido ou numa proteína é designada como a sua estrutura primária.

As ligações peptídicas asseguram a continuidade covalente fundamental que mantém esta sequência.

Por exemplo, a sequência:

Ala–Gly–Ser

contém os mesmos três tipos de aminoácidos que:

Ser–Gly–Ala

No entanto, não se trata das mesmas sequências peptídicas.

A localização de cada um dos resíduos em relação às ligações peptídicas é diferente.

Por isso, a simples lista dos aminoácidos presentes na amostra não é suficiente para identificar o péptido. É também necessário conhecer a sua sequência e a forma como estão ligados.

Em péptidos lineares e cíclicos

Uma cadeia peptídica aberta típica tem duas extremidades, designadas por Extremidade N i C-final.

A extremidade N corresponde a uma das extremidades da estrutura peptídica, enquanto a extremidade C corresponde à outra. As sequências peptídicas são normalmente escritas da extremidade N em direção à extremidade C.

Peptídeo cíclico do tipo «head-to-tail», ou seja, fechado pela ligação das extremidades da cadeia, contém uma ligação adicional na estrutura que forma um anel.

No entanto, nem todos os peptídeos cíclicos formam o anel da mesma maneira. O anel também pode ser formado com a participação de uma cadeia lateral, e algumas moléculas contêm mais do que um tipo de ligação transversal.

Definição cíclico descreve, portanto, uma característica da arquitetura da molécula, e não uma única forma universal de a ligar.

A Kalata B1 é um exemplo concreto de um péptido cuja estrutura cíclica foi confirmada, entre outros métodos, através de estudos de clivagem enzimática, análise de sequência e estrutura molecular. A molécula contém também pontes dissulfuretas. Estas ligações enxofre-enxofre adicionais diferem quimicamente das ligações amídicas que unem os resíduos no esqueleto do péptido. [6]

Ligações peptídicas e ligações isopeptídicas

Numa estrutura típica de uma proteína, as ligações peptídicas unem os grupos amina principais e os grupos derivados dos grupos carboxilo.

Ligação amida, na qual participa grupo funcional da cadeia lateral de um aminoácido, é frequentemente designada como ligação isopeptídica.

A regra mais importante é, portanto, determinar quais os átomos que foram efetivamente ligados entre si.

A mera presença de uma ligação amida não significa automaticamente que esta se encontre numa estrutura peptídica típica. Ao mesmo tempo, nem todas as ligações transversais num péptido ou numa proteína são ligações amida — as pontes dissulfureto e outras modificações covalentes apresentam uma química diferente.

Para os principiantes, o ponto de partida mais útil são as ligações peptídicas comuns presentes na estrutura. As ligações mais especializadas podem, posteriormente, ser consideradas como variantes diferentes da organização molecular.

Quantas ligações peptídicas existem na cadeia?

Uma única cadeia aberta e não ramificada que contém Cada resíduo de aminoácido tem n − 1 ligações peptídicas na estrutura principal.

Isto significa que:

• um dipeptídeo tem 2 resíduos e 1 ligação peptídica;
• um tripeptídeo tem 3 resíduos e 2 ligações peptídicas;
• o tetrapéptido tem 4 resíduos e 3 ligações peptídicas;
• um pentapéptido tem 5 resíduos e 4 ligações peptídicas;
• Uma cadeia aberta composta por 10 resíduos tem 9 ligações peptídicas.

Esta relação decorre diretamente da forma como as moléculas se ligam: cada resíduo subsequente alonga a cadeia existente através de uma ligação esquelética adicional.

Correspondente a ele cadeia cíclica do tipo «head-to-tail» contém n ligações peptídicas na estrutura, uma vez que a ligação adicional fecha o anel.

No entanto, estas premissas são importantes. As ramificações, as ligações atípicas das cadeias laterais, a presença de várias cadeias, as ligações isopeptídicas ou outros elementos da estrutura que não sejam amida exigem uma análise mais detalhada.

O próprio número de resíduos nem sempre é suficiente para determinar todas as ligações covalentes presentes num péptido ou numa proteína complexa.

Como é que as ligações peptídicas unem os aminoácidos?

Dos aminoácidos livres às unidades de aminoácidos

Um aminoácido livre e o resíduo correspondente presente num péptido estão relacionados entre si, mas não descrevem exatamente o mesmo estado químico.

Quando um aminoácido é incorporado num péptido, as suas grupos funcionais participam nas ligações que formam a cadeia.

Por exemplo, a ligação da glicina e da alanina numa determinada sequência leva à formação de glicilalanina. A inversão da ordem leva à formação de alanilglicinas.

Os tipos de aminoácidos são os mesmos, mas a sua localização e o seu ambiente químico diferem.

Isto demonstra por que razão a sequência de um péptido contém mais informação do que uma simples lista dos seus componentes.

A formação de ligações pode ser estudada diretamente. Stachelhaus e os seus colaboradores analisaram componentes do sistema de síntese de péptidos não ribossómico e demonstraram que a alteração do resíduo localizado no local catalítico proposto impedia a reação de condensação em estudo. A experiência associa, assim, a formação de um determinado produto peptídico ao funcionamento de um mecanismo molecular específico. [7]

A equação de condensação é um modelo de balanço de reações

Na química básica, a formação de um péptido é frequentemente representada através da seguinte equação:

aminoácido + aminoácido → dipéptido + água

A equação mostra a diferença na composição entre as moléculas livres iniciais e o produto resultante da reação.

É útil para compreender a relação química entre os substratos e o produto.

No entanto, não se deve interpretá-lo como um mecanismo completo de síntese de proteínas no interior de uma célula viva.

Os aminoácidos livres não se dispõem simplesmente uns ao lado dos outros na água, não libertam espontaneamente moléculas de água e não formam por si próprios uma sequência específica de proteínas.

A síntese biológica requer substratos ativados, uma maquinaria molecular organizada, informação que defina a sequência e processos preparatórios que exigem energia.

É, portanto, importante distinguir entre equação química resumida a mecanismo de reação.

A equação descreve a composição inicial e final. O mecanismo explica as etapas moleculares reais e os produtos intermédios que conduzem à reação.

As experiências com ribossomas investigam precisamente esses pormenores mecânicos, em vez de se limitarem a reproduzir a equação de condensação já conhecida. [3]

Como é que o ribossoma forma ligações peptídicas?

Durante a tradução, os ARN de transporte, ou seja, tRNA, transportam aminoácidos e a cadeia peptídica em formação no interior do ribossoma.

O grupo amínico do aminoácido recém-fornecido reage com a extremidade ativada da cadeia existente ligada ao tRNA, o que leva à transferência do péptido em formação para o resíduo ligado ao novo tRNA.

A cadeia peptídica é normalmente alongada a partir do lado Extremidade C.

A ativação dos aminoácidos e a sua ligação ao ARNt são processos que dependem de energia. Por isso, descrever cada ligação peptídica ribossómica como surgindo diretamente entre dois aminoácidos livres ou como uma simples „remoção de água” pelo ribossoma seria uma simplificação excessiva.

Weinger e colegas modificaram um grupo químico no substrato de tRNA e observaram uma redução significativa na formação de ligações peptídicas, sem que isso fosse acompanhado por uma diminuição correspondente na ligação do substrato. Este resultado forneceu provas de que catálise assistida pelo substrato, na qual as propriedades químicas dos próprios substratos participam no decorrer da reação. [3]

A experiência aponta, portanto, para o papel mecanicista da química do tRNA, e não apenas para a sua função como transportador passivo.

A formação de ligações peptídicas tem uma direção específica

A síntese de proteínas é um processo direcional.

Uma vez que a cadeia em crescimento é alongada a partir da extremidade C, a sequência desenvolve-se numa orientação específica.

Isto está relacionado com a convenção comum de escrever as sequências de péptidos e proteínas a partir de Da extremidade N à extremidade C.

No entanto, a orientação não é apenas uma convenção de notação. A inversão da sequência conduz normalmente à formação de uma molécula diferente, uma vez que cada resíduo ocupa então uma posição diferente em relação aos restantes elementos da cadeia.

Outras formas de criar ligações semelhantes

As ligações peptídicas também podem formar-se fora do ribossoma.

Especializadas sistemas enzimáticos não ribossomais sintetizam alguns peptídeos, enquanto a síntese laboratorial de peptídeos recorre a componentes ativados e a reações de ligação controladas.

Estas vias diferem na sua organização, substratos, condições de reação e mecanismos catalíticos.

Não se deve considerar que se trata de processos idênticos apenas pelo facto de os produtos finais conterem ligações amídicas.

A investigação sobre a formação de ligações não ribossomais e a síntese química do BPTI constituem exemplos desses diferentes métodos de produção. [7] [5]

O método de produção, por si só, também não determina se uma determinada molécula é um péptido ou uma proteína. A síntese química pode conduzir à obtenção de um material correspondente a um péptido ou a uma proteína que ocorre naturalmente, desde que a sua sequência e outras características estruturais relevantes sejam corretamente determinadas.

Ligações peptídicas e outras ligações nas proteínas

Ligações esqueléticas e interações responsáveis pela dobragem

As ligações peptídicas mantêm unida a sequência de aminoácidos.

Outras interações, por sua vez, ajudam a determinar a forma como essa sequência se organiza no espaço tridimensional ou como as diferentes cadeias peptídicas interagem entre si.

As ligações de hidrogénio formam-se entre os respetivos doadores e aceitadores de hidrogénio. No interior da estrutura peptídica, os átomos de oxigénio dos grupos carbonilo podem funcionar como aceitadores, enquanto muitos grupos amida N–H podem atuar como doadores.

O azoto amídico não é normalmente considerado um aceitador de ligações de hidrogénio, uma vez que o seu par de eletrões livres participa na estrutura eletrónica do grupo amídico.

Os grupos peptídicos que contêm prolina também merecem especial atenção, uma vez que o azoto na estrutura não possui, nesse caso, o hidrogénio N–H típico.

Um grupo que contenha uma ligação peptídica pode, portanto, participar na formação de ligações de hidrogénio, mas A ligação peptídica e a ligação de hidrogénio são tipos diferentes de ligações.

Um deles liga covalentemente os resíduos de aminoácidos. O outro participa em interações no interior da molécula ou entre moléculas.

Os estudos sobre o peptídeo curto e dobrado CLN025 analisaram a estrutura estabilizada, entre outros fatores, por ligações de hidrogénio e outras interações intramoleculares. Isto demonstra que a dobragem pode ocorrer sem a formação de uma nova sequência de esqueleto. [8]

As pontes dissulfuro ligam cadeias laterais que contêm enxofre

As pontes dissulfuretas são ligações covalentes enxofre-enxofre que se formam, na maioria das vezes, entre as cadeias laterais da cisteína.

Podem ligar segmentos distantes da mesma cadeia peptídica ou cadeias diferentes.

Não são ligações peptídicas e não estão presentes em todas as proteínas.

A formação ou a quebra de uma ponte dissulfeto pode alterar significativamente a organização espacial da molécula sem que seja necessário cortar a sua estrutura peptídica.

Num estudo sobre a síntese do BPTI, foram preparadas uma sequência natural e análogos concebidos para alterar a capacidade de formação de pontes dissulfuretas. O material com a sequência natural foi comparado com o BPTI natural através de métodos analíticos e funcionais. O resumo da publicação não confirmava todas as consequências estruturais relativas aos análogos, pelo que as diferenças propostas não devem ser apresentadas como resultados totalmente comprovados. [5]

Interações iônicas e hidrofóbicas

Os grupos carregados podem atrair-se ou repelir-se, influenciando a organização espacial da molécula.

Por outro lado, as regiões não polares interagem com o meio aquático de uma forma que pode favorecer a sua ocultação no interior da estrutura, associação ou agregação. Este fenómeno é frequentemente abordado no contexto efeito hidrofóbico.

Estas interações podem ter uma enorme importância para o dobramento das proteínas; no entanto, a interação hidrofóbica não é uma nova ligação covalente entre aminoácidos.

Por isso, não é correto designar todas as forças que estabilizam a proteína como ligações peptídicas.

Os diferentes tipos de interações podem também reagir de forma distinta à temperatura, ao solvente, à acidez, às condições iónicas e a outras alterações ambientais. Determinar qual o tipo de ligação ou interação que sofre alterações permite compreender com maior precisão o resultado da experiência.

A desnaturação não é o mesmo que a hidrólise

Desnaturalização altera a organização estrutural típica da proteína.

Pode perturbar o dobramento ou a associação das moléculas, mantendo, ao mesmo tempo, a maioria ou todas as ligações peptídicas intactas.

Hidrólise em vez disso, altera as ligações químicas através da quebra de uma ligação frágil numa reação em que intervém a água.

Em determinadas condições, ambos os processos podem ocorrer na mesma amostra, mas não são sinónimos.

A hidrólise de uma proteína não implica, portanto, automaticamente a sua transformação em péptidos mais curtos ou em aminoácidos livres.

Esta distinção é também visível nos estudos estruturais. Em experiências com colagénio termicamente desdobrado, foram identificadas várias configurações cis e trans das ligações peptídicas associadas à prolina. A alteração da configuração da estrutura é um fenómeno diferente da sua clivagem química. [9]

Formação, propriedades e hidrólise das ligações peptídicas

A estabilidade depende do tipo de reação analisada

As ligações peptídicas são suficientemente duradouras para manter as cadeias biológicas e, ao mesmo tempo, os organismos conseguem formá-las e quebrá-las de forma seletiva.

Não há qualquer contradição nisso.

A rapidez da reação depende, entre outros fatores, de barreiras de ativação e presença de catalisadores, pelo que o facto de uma determinada reação ser termodinamicamente favorável constitui uma questão à parte.

O processo pode ser quimicamente possível, mas, sem a catálise adequada, decorre de forma extremamente lenta.

Por outro lado, uma enzima pode acelerar significativamente uma determinada reação, proporcionando uma via de reação mais favorável.

A enzima não transforma a ligação peptídica num tipo de ligação completamente diferente. Altera o caminho pelo qual a reação química decorre.

Também seria incorreto atribuir um tempo de estabilidade único e universal a todas as ligações peptídicas, peptídeos ou proteínas presentes na água.

A sequência, a estrutura local, a acessibilidade da ligação, os grupos químicos adjacentes, a temperatura, o pH, a composição da solução e a presença de catalisadores podem influenciar o comportamento observado.

O que é que a hidrólise altera?

A hidrólise utiliza água numa reação de clivagem química da ligação amida, levando à formação de novas extremidades derivadas de grupos carboxílicos e amínicos.

A sua forma iônica exata depende das condições da solução circundante.

A quebra de uma ligação na estrutura não conduz automaticamente à formação de aminoácidos livres.

Se a ligação peptídica interna numa cadeia aberta mais longa for rompida, os produtos diretos serão normalmente dois fragmentos peptídicos mais curtos.

São necessárias mais reações de clivagem para encurtar gradualmente esses fragmentos e, por fim, libertar aminoácidos individuais.

Estudos estruturais da penicilopepsina analisaram a forma como a protease aspartílica pode organizar a água e os grupos do substrato no processo de hidrólise. O modelo de reação proposto baseou-se em observações cristalográficas e em modelização. Este modelo fornece informações sobre um mecanismo enzimático específico, mas não prova que todas as proteases utilizem um modo idêntico de catálise. [4]

A hidrólise pode ser seletiva

As proteases e as peptidases diferem no que diz respeito às ligações que reconhecem e aos ambientes moleculares.

Algumas enzimas rompem as ligações no interior da cadeia, enquanto outras removem os resíduos das suas extremidades.

A sequência, a estrutura local, a acessibilidade e os grupos químicos circundantes podem influenciar o facto de um local potencialmente suscetível vir a ser efetivamente clivado.

Davidson e Hutton estudaram uma enzima associada aos grânulos secretores de insulina. A preparação purificada removia os resíduos básicos dos substratos derivados da proinsulina e, no teste realizado, não provocava a decomposição adicional da insulina madura. [10]

Isto demonstra que tratamento biológico seletivo, e não a quebra aleatória de todas as ligações peptídicas.

A clivagem seletiva reveste-se de grande importância biológica, uma vez que as moléculas precursoras de maior tamanho podem ser processadas em locais específicos, levando à formação de produtos maduros concretos, em vez de uma degradação aleatória.

As condições são importantes: dois exemplos experimentais

Kenley e Warne estudaram a interleucina 11 humana recombinante em condições de stress criadas propositadamente, que incluíam temperatura elevada e diferentes valores de pH.

Num ambiente ácido, identificaram uma clivagem num local específico entre Asp e Pro. Os resultados mostram uma degradação dependente da sequência e das condições, mas não devem ser interpretados como uma regra universal que descreva o comportamento de todas as proteínas em condições biológicas típicas. [11]

Noutro estudo, observou-se a fragmentação do péptido intestinal vasoativo radioiodado numa solução diluída com pH neutro. Fragmentos relacionados, mais curtos, não apresentaram degradação mensurável nas mesmas condições experimentais, e os aditivos adicionados à solução influenciaram o resultado. [12]

Ambos os estudos demonstram por que razão a estabilidade das ligações peptídicas deve ser analisada em relação a de uma molécula específica, de uma sequência, do ambiente e das condições experimentais, em vez de partir do princípio de que um determinado pH ou temperatura provocará o mesmo comportamento em todos os peptídeos.

Por que razão as ligações peptídicas são biologicamente importantes?

As ligações peptídicas mantêm a sequência de resíduos de aminoácidos que define a cadeia peptídica ou proteica.

A sua geometria limita as possíveis disposições espaciais da cadeia, enquanto os grupos carbonílicos e os grupos que contêm azoto, presentes no esqueleto peptídico, participam em interações moleculares.

A formação controlada de ligações peptídicas permite a síntese de peptídeos e proteínas.

A quebra controlada destas ligações, por sua vez, participa na transformação dos precursores, na digestão, no metabolismo das proteínas, nas vias reguladoras e na degradação final das moléculas.

Este mesmo tipo básico de ligação química está, portanto, presente em vários níveis de organização biológica.

A sua criação determina a continuidade da sequência.

A sua estrutura eletrónica influencia a geometria do esqueleto.

Os grupos químicos nele presentes participam nas interações moleculares.

A sua clivagem seletiva permite que os sistemas biológicos transformem e eliminem proteínas e péptidos.

Estas funções combinam a química molecular com a biologia. As evidências provêm, entre outras fontes, de cálculos da estrutura eletrónica, medições estruturais, estudos enzimáticos, síntese química e experiências que envolvem sistemas biológicos completos. Cada uma destas métodos revela um elemento diferente do mecanismo e não deve ser utilizada para tirar conclusões que vão além do processo efetivamente estudado. [2] [3] [10]

Perguntas mais frequentes

1. A ligação peptídica é covalente?

Sim. A ligação peptídica é uma ligação amida covalente entre grupos derivados de aminoácidos. O átomo de carbono e o átomo de azoto partilham eletrões, o que assegura a continuidade química da cadeia peptídica. Os estudos da estrutura eletrónica analisam como esta partilha de eletrões é influenciada pelo grupo carbonilo adjacente e de que forma este contribui para as propriedades características da ligação amida. O termo „covalente” não significa, contudo, que a ligação não possa ser quebrada. Em condições químicas adequadas ou com a participação de enzimas, esta pode sofrer hidrólise. O mais importante é distinguir que a ligação peptídica une quimicamente os resíduos numa única molécula, e não se limita a provocar uma atração entre moléculas separadas ou fragmentos da mesma molécula. [1]

2. Por que razão a ligação peptídica tem o caráter parcial de uma ligação dupla?

O caráter parcial da ligação dupla resulta da interação do par de eletrões livres do azoto com o sistema eletrónico adjacente do grupo carbonílico. Graças a isso, a densidade eletrónica sofre uma deslocalização no seio do grupo amida. Estudos computacionais analisaram a contribuição deste fenómeno na cadeia de ligações peptídicas. As estruturas de ressonância utilizadas para a sua explicação são formas alternativas de representar a mesma estrutura eletrónica, e não moléculas distintas que se transformam umas nas outras. Além disso, os valores numéricos que descrevem a ordem da ligação podem depender do método analítico utilizado. A consequência estrutural mais importante é a restrição da rotação em torno da ligação C–N, em comparação com uma ligação simples típica, que roda livremente. [1]

3. Que átomos formam a ligação peptídica?

Numa estrutura peptídica típica, a ligação peptídica une o átomo de carbono do grupo carbonilo de uma cadeia à um átomo de azoto da cadeia seguinte. O átomo de oxigénio permanece como parte do grupo carbonilo e não constitui uma ligação direta entre dois resíduos de aminoácidos. Os estudos eletrónicos e estruturais analisam estes átomos como parte de um grupo amídico interligado, distinguindo simultaneamente as suas ligações individuais. Ao identificar uma ligação peptídica típica numa fórmula estrutural, um ponto de partida útil consiste, portanto, em localizar a ligação C–N diretamente adjacente ao grupo carbonilo. [2]

4. Onde se encontra a ligação peptídica na proteína?

As ligações peptídicas encontram-se no esqueleto de cada cadeia proteica e ligam os resíduos de aminoácidos adjacentes. Distinguem-se das ligações transversais entre as cadeias laterais e das interações entre cadeias separadas. A síntese química da BPTI ilustra esta distinção ao separar a construção do esqueleto da formação posterior das pontes dissulfuretas. A estrutura tridimensional completa de uma proteína pode conter vários tipos de interações covalentes e não covalentes, pelo que a identificação das ligações peptídicas requer o rastreio da estrutura do esqueleto de aminoácidos, em vez da contagem de todas as linhas ou ligações representadas no modelo da molécula. [5]

5. Será que todas as ligações amídicas são ligações peptídicas?

Não. As ligações amídicas estão presentes em muitos compostos orgânicos diferentes, enquanto o termo „ligação peptídica” se refere a ligações específicas derivadas de aminoácidos em péptidos e proteínas. A ligação peptídica típica no esqueleto é um dos tipos de ligação amida. A ligação amida que envolve a cadeia lateral de um aminoácido não deve, portanto, ser automaticamente classificada como uma ligação esquelética comum. Os estudos sobre a geometria dos péptidos centram-se num grupo amídico definido do esqueleto, não considerando todos os amídeos possíveis como química e estruturalmente idênticos. A denominação adequada depende dos grupos envolvidos e da sua localização na molécula. [2]

6. Quantas ligações peptídicas existem num tripeptídeo?

Um tripéptido típico, aberto e sem ramificações, contém duas ligações peptídicas, uma vez que os três resíduos requerem duas ligações para formar uma cadeia aberta contínua. Isto decorre da relação geral n − 1 para uma cadeia aberta típica que contenha n resíduos. Trata-se de um cálculo resultante da estrutura da molécula, e não de um resultado experimental ou de informação sobre a sua função biológica. A resposta será diferente se uma ligação adicional do esqueleto fechar a molécula num anel. As ligações das cadeias laterais e outras ligações covalentes devem, por sua vez, ser contadas separadamente. Antes de aplicar a regra geral, é, portanto, necessário determinar a arquitetura da molécula em análise.

7. Os peptídeos cíclicos têm uma ligação peptídica adicional?

Um péptido cíclico do tipo «head-to-tail» tem mais uma ligação na estrutura do que a cadeia aberta correspondente, uma vez que a ligação amida adicional une ambas as extremidades e fecha o anel. No entanto, outros péptidos cíclicos podem formar um anel com a participação de cadeias laterais, pelo que esta regra não se aplica automaticamente a todas as moléculas designadas como cíclicas. Estudos sobre a calata B1 confirmaram um caso específico de esqueleto cíclico que contém, adicionalmente, pontes dissulfuretas. O fechamento da estrutura em anel e a formação de ligações entre as cadeias laterais devem, portanto, ser descritos separadamente durante a contagem de ligações e a apresentação da arquitetura molecular. [6]

8. As ligações peptídicas são sempre perfeitamente planas?

Não. Os grupos peptídicos são aproximadamente planos, mas são possíveis desvios mensuráveis em relação à geometria ideal. Um estudo que combinou cálculos de mecânica quântica com a análise de dados estruturais de péptidos e proteínas revelou pequenas distorções relacionadas com a disposição local do esqueleto. Estas observações complementam o modelo simplificado dos manuais, mas não o tornam inútil. A planicidade continua a ser uma preferência estrutural importante, resultante da configuração eletrónica do grupo amida; no entanto, uma análise estrutural rigorosa deve ter em conta as diferenças locais características de cada molécula específica. [2]

9. Será que a proteína pode dobrar-se, uma vez que a rotação em torno da ligação peptídica é limitada?

Sim. A estrutura da proteína contém outras ligações em torno das quais podem ocorrer alterações nos ângulos de torção. A rotação limitada em torno da ligação amida C–N não imobiliza, portanto, toda a cadeia. As análises estruturais distinguem os ângulos de rotação em torno das ligações adjacentes da estrutura da ligação associada à própria ligação peptídica. As restrições estéricas, as interações químicas locais e o tipo de resíduos adjacentes influenciam adicionalmente quais as configurações que são energeticamente e fisicamente viáveis. As proteínas não são, portanto, nem barras rígidas, nem cadeias compostas por elementos que rodam com total liberdade. A sua estrutura resulta da combinação de graus de liberdade limitados e relativamente flexíveis do esqueleto. [2]

10. O que são as ligações peptídicas cis e trans?

Os termos «cis» e «trans» descrevem diferentes disposições espaciais dos grupos situados de ambos os lados da ligação peptídica. Nas estruturas proteicas típicas, predomina a configuração «trans». As ligações peptídicas envolvendo a prolina merecem especial atenção, uma vez que a configuração cis ocorre, neste caso, com maior frequência do que em muitas outras combinações de resíduos. Em estudos de RMN de colagénio termicamente desdobrado, foram detetadas ambas as configurações. No entanto, estes resultados referem-se a uma proteína específica em condições experimentais específicas e não devem ser generalizados como valores percentuais universais aplicáveis a todos os péptidos e proteínas. Os termos «cis» e «trans» descrevem a geometria da ligação peptídica e não diferentes tipos de ligações químicas. [9]

11. Ao formar uma ligação peptídica, é sempre libertada água diretamente?

Não. A equação conhecida que descreve a libertação de água apresenta a relação global de condensação entre grupos funcionais livres, mas não descreve cada mecanismo real de formação de ligações peptídicas. A síntese ribossómica utiliza substratos ativados ligados ao tRNA, e estudos experimentais apontam para o papel da química do substrato na catálise. O desenrolar direto da reação é, portanto, mais complexo do que a simples remoção de água de dois aminoácidos em solução livre. A distinção entre o balanço global da reação e o mecanismo biológico real evita que uma equação educativa útil se transforme numa descrição incorreta da síntese de proteínas. [3]

12. A mistura de aminoácidos com água leva à formação de proteínas?

Não. Uma mistura de aminoácidos livres não forma automaticamente uma sequência proteica específica. A formação controlada de péptidos requer uma química adequada e, nas células, também um mecanismo de síntese organizado, capaz de controlar a sequência dos aminoácidos e de formar ligações. Experiências relativas à montagem não ribossómica de péptidos demonstraram que a perturbação de um determinado elemento catalítico pode impedir a formação do produto peptídico em estudo. Os resultados referem-se a um sistema biossintético específico, mas ilustram um princípio mais amplo: a mera presença de componentes moleculares de construção não é suficiente. A formação de uma sequência definida requer a formação controlada de ligações moleculares. [7]

13. A ligação peptídica é o mesmo que a ligação de hidrogénio?

Não. A ligação peptídica é uma ligação covalente na estrutura da molécula, enquanto a ligação de hidrogénio é uma interação entre um doador e um aceitador de hidrogénio adequados. Os grupos químicos presentes na estrutura do péptido podem participar na formação de ligações de hidrogénio sem que se formem ligações peptídicas adicionais. Os estudos sobre o decapéptido dobrado CLN025 analisaram as ligações de hidrogénio e outras interações que contribuem para a estabilização da sua estrutura. Esta distinção separa as ligações que definem a sequência covalente básica da cadeia das interações que ajudam a cadeia já formada a organizar-se no espaço tridimensional. [8]

14. A ponte dissulfureto é um tipo de ligação peptídica?

Não. A ponte dissulfureto é uma ligação covalente enxofre-enxofre, que normalmente se forma entre as cadeias laterais da cisteína. A ligação peptídica, por sua vez, é uma ligação amida que une grupos derivados de aminoácidos na estrutura do péptido. Os estudos sobre a síntese do BPTI trataram a construção do esqueleto e a formação das pontes dissulfuretas como processos distintos. Ambos os tipos de ligações podem ter uma importância significativa para a estrutura da molécula, mas ligam átomos diferentes e participam noutras reações químicas. A ruptura de uma ponte dissulfeto não tem, portanto, de cortar a estrutura do peptídeo, ao passo que a clivagem da ligação peptídica altera diretamente a continuidade da sequência da cadeia. [5]

15. A desnaturação das proteínas provoca a quebra das ligações peptídicas?

Isso não é necessário. A desnaturação implica a alteração da estrutura típica ondulada ou em conjugados da proteína e, por definição, não requer a quebra das ligações peptídicas. Dependendo das condições aplicadas, a degradação química pode ocorrer simultaneamente com a desnaturação, mas não se deve equiparar automaticamente ambos os processos. Em estudos sobre o colagénio desdobrado termicamente, continuaram a ser analisadas várias configurações das suas ligações peptídicas. A cadeia desdobrada e a cadeia submetida a hidrólise são, portanto, estados moleculares distintos: o primeiro diz respeito sobretudo à organização tridimensional, enquanto o segundo se refere à alteração das ligações covalentes. [9]

16. A hidrólise conduz imediatamente à formação de aminoácidos livres?

Nem sempre. A hidrólise de uma ligação peptídica interna numa cadeia aberta mais longa conduz, normalmente, à formação de dois fragmentos peptídicos mais curtos. São necessárias reações de clivagem adicionais para reduzir gradualmente o comprimento desses fragmentos e, por fim, libertar aminoácidos individuais. Em estudos experimentais, foram identificados fragmentos específicos resultantes da clivagem de ligações peptídicas, nomeadamente durante estudos sobre a degradação da interleucina 11 e do péptido intestinal vasoativo. O tipo de produtos depende dos locais que foram clivados e do grau de avanço da hidrólise. O termo „hidrolisado” não significa, portanto, automaticamente que o péptido ou a proteína tenha sido totalmente transformado em aminoácidos livres. [11] [12]

17. Será que todas as ligações peptídicas se decompõem à mesma velocidade?

Não. A velocidade de clivagem observada depende da sequência do péptido, da estrutura molecular local, da acessibilidade da ligação, dos grupos químicos adjacentes, da composição da solução, da temperatura, do pH e da presença de catalisadores, tais como enzimas proteolíticas. Estudos sobre a interleucina 11 e o péptido intestinal vasoativo demonstraram uma degradação seletiva e dependente das condições, e não um comportamento uniforme de todas as ligações. Estas experiências não determinam um tempo de estabilidade universal para outros péptidos. A conclusão cientificamente fundamentada é que a estabilidade de uma ligação peptídica deve ser avaliada em relação a uma molécula, um ambiente e uma reação específicos, e não prevista exclusivamente com base no nome da ligação. [11] [12]

18. Em que difere a ligação peptídica da ligação isopeptídica?

A ligação peptídica típica na estrutura geralmente une o grupo principal derivado do grupo carboxilo de uma unidade ao grupo amínico principal de outra unidade. A ligação isopeptídica também é uma ligação amídica, mas na sua formação participa pelo menos um grupo funcional situado fora da estrutura típica da cadeia principal, por exemplo, um grupo correspondente na cadeia lateral de um aminoácido. Ambos os tipos de ligações baseiam-se, portanto, numa química amídica semelhante, mas ocupam posições diferentes na arquitetura molecular. A distinção é importante, uma vez que a simples deteção de uma ligação amídica não é suficiente para concluir que esta pertence a uma estrutura peptídica comum.

19. Por que razão as ligações peptídicas são importantes para a estrutura das proteínas?

As ligações peptídicas mantêm uma sequência covalente ordenada de resíduos de aminoácidos e, ao mesmo tempo, impõem restrições geométricas à estrutura da molécula. A sua natureza parcialmente dupla limita a rotação em torno da ligação amida C–N e favorece uma geometria aproximadamente plana do grupo peptídico. Ao mesmo tempo, os grupos carbonilo e N–H no esqueleto podem participar em padrões de ligações de hidrogénio importantes para as estruturas de ordem superior. As ligações peptídicas não se limitam, portanto, a unir aminoácidos — as suas propriedades eletrónicas e geométricas ajudam a determinar as possibilidades estruturais de toda a cadeia. [1] [2]

20. As enzimas podem quebrar ligações peptídicas?

Sim. As proteases e as peptidases podem catalisar a hidrólise das ligações peptídicas, mas não têm de cortar todas as ligações indiscriminadamente. Cada enzima reconhece sequências específicas, ambientes estruturais ou posições nas cadeias peptídicas. Estudos estruturais da penicilopepsina analisaram a forma como a protease aspartílica organiza o substrato e a água durante a hidrólise, enquanto Davidson e Hutton demonstraram a processamento seletivo de substratos relacionados com a proinsulina. Estes exemplos mostram como os sistemas biológicos podem clivar, de forma controlada, ligações peptídicas específicas durante o processamento e a degradação de moléculas. [4] [10]

Limitações na interpretação dos estudos sobre ligações peptídicas

Ao passar da química básica das ligações peptídicas para as conclusões relativas a peptídeos e proteínas reais, é importante ter em conta algumas limitações.

Em primeiro lugar, o grupo peptídico idealizado apresentado nos manuais é modelo de uma disposição estrutural típica. As estruturas moleculares reais podem apresentar desvios mensuráveis em relação à planicidade e à geometria ideais. [2]

Em segundo lugar, a estabilidade da ligação peptídica depende do contexto. Os resultados de experiências realizadas a temperaturas elevadas, com valores de pH atípicos, concentrações muito baixas ou na presença de determinados catalisadores não devem ser automaticamente utilizados para prever o comportamento da molécula em condições completamente diferentes. [11] [12]

Em terceiro lugar, as diferentes enzimas utilizam mecanismos catalíticos distintos. As evidências que descrevem a hidrólise mediada por uma única protease aspartílica não significam que todas as proteases clivem as ligações peptídicas exatamente da mesma forma. [4]

Em quarto lugar, as ligações peptídicas podem formar-se através de vários mecanismos. A tradução ribossómica, a biossíntese não ribossómica e a síntese química em laboratório podem conduzir à formação de ligações amídicas, apesar de utilizarem substratos e mecanismos moleculares diferentes. [3] [7]

Em quinto lugar, as alterações na estrutura da proteína não devem ser interpretadas automaticamente como a quebra de ligações peptídicas. A desnaturação, as alterações conformacionais, as transições cis-trans, a perturbação das ligações de hidrogénio, a redução das pontes dissulfuretas e a hidrólise das ligações peptídicas descrevem diferentes fenómenos moleculares.

Estas distinções são importantes, uma vez que o termo ligação peptídica descreve um tipo específico de ligação covalente. Para compreender o que realmente acontece ao péptido ou à proteína, é necessário determinar qual a ligação química ou interação molecular que sofreu alteração.

Resumo

As ligações peptídicas são ligações covalentes de tipo amida que unem os resíduos de aminoácidos em cadeias peptídicas e proteicas. Embora sejam frequentemente representadas simplesmente como ligações C–N num fragmento recorrente do esqueleto –C(=O)–NH–, a sua química é mais complexa do que a de uma ligação simples comum, que roda livremente.

A deslocalização dos eletrões no seio do grupo amida confere à ligação C–N um caráter parcial de ligação dupla, limitando a sua rotação e favorecendo uma geometria aproximadamente plana do grupo peptídico. Ao mesmo tempo, a possibilidade de rotação em torno das ligações adjacentes da estrutura permite que as cadeias peptídicas assumam estruturas tridimensionais muito variadas. [1] [2]

As ligações peptídicas estão presentes na estrutura de péptidos e proteínas típicos, mas é importante distingui-las das ligações de hidrogénio, das pontes dissulfuretas, das interações iônicas, do efeito hidrofóbico e das ligações especializadas entre cadeias laterais, tais como as ligações isopeptídicas.

Podem ser formadas em resultado de vários processos. Os ribossomas formam ligações peptídicas durante a tradução, utilizando substratos ativados ligados ao tRNA; os sistemas não ribossomais utilizam uma maquinaria enzimática especializada; por sua vez, a síntese laboratorial baseia-se em reações controladas de acoplamento químico. [3] [7]

A sua clivagem é igualmente importante. A hidrólise pode dividir a cadeia peptídica em fragmentos mais curtos, e as proteases e peptidases permitem que os organismos realizem este processo de forma seletiva. Estudos sobre as proteinases, a processamento da proinsulina, a degradação da interleucina 11 e do péptido intestinal vasoativo demonstram que a clivagem depende do contexto molecular e das condições experimentais. [4] [10] [11] [12]

A regra mais importante é, portanto, simples:

As ligações peptídicas garantem a continuidade covalente das cadeias de aminoácidos, enquanto a sua estrutura eletrónica, a formação controlada e a clivagem seletiva ligam a química fundamental à biologia dos peptídeos e das proteínas.

Aviso legal

Este artigo tem caráter exclusivamente educativo e científico-informativo. Explica a química das ligações peptídicas, a sua estrutura molecular, a sua formação, a hidrólise e apresenta exemplos retirados de estudos publicados. Não constitui aconselhamento médico, orientação sobre tratamento, instruções laboratoriais, recomendação de produto nem aconselhamento sobre a utilização de qualquer péptido ou proteína. Os resultados de estudos computacionais, estruturais, bioquímicos, estudos em animais e outras experiências devem ser interpretados dentro dos limites e restrições de cada estudo específico.

Referências

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