Determinação do grau de ionização de aminoácidos polares carregados

Proteins and peptides are composed of subunits structurally simpler called amino acids. An important property of these is that, depending on the medium characteristics (such pH and ionic concentration), its ionizable groups may provide protons and thereby acquire a nonzero electric charge. Such charge will affect the formation of peptide bond and protein-ligand interactions, for example. Assuming that the difference between pK values of the isolates ionizable groups and of these as constituents parts of an amino acid is mainly due to the extra electrostatic interaction attributed to the presence of neighboring groups, was developed a structure-based model that employs the linearized form of the Poisson-Boltzmann equation for the study of physicochemical properties of molecules with three ionizable groups. In this work it was applied to the amino acids: aspartate, glutamate, cysteine, tyrosine, arginine, lysine and histidine. The pK values and respective mean electric charges were calculated. As the calculated values agreed with those from experimental studies, the theoretical model has been expanded to the treatment of di, tetra, pentapeptides and Staphylococcal Nuclease residues. The Pearson Correlation Factor calculated for both proteins and peptides are above 0.99, what points to the effectiveness and versatility of the model to reproduce pK values reported by other works. Key-words: pK of biomolecules, Mean field approximation, Poisson-Boltzmann equation, Mean electric charge. Lista de Tabelas e Figuras: Figura 1.1: Representação de um aminoácido. A cadeia lateral é designada por R. 20 Figura 1.2: Pro, Val, Ala, Gly, Ile e Leu, respectivamente da esquerda para a direita. Átomos de carbono em preto, oxigênio em vermelho, nitrogênio em azul e hidrogênio em branco. Correspondência mantida em todas as figuras. 211 Figura 1.3: Ser e Thr, respectivamente da esquerda para a direita.211 Figura 1.4: Trp, Tyr e Phe, respectivamente da esquerda para a direita.222 Figura 1.5: His, Lys e Arg, respectivamente da esquerda para a direita. 222 Figura 1.6: Glu e Asp, respectivamente da esquerda para a direita.222 Figura 1.7: Gln e Asn, respectivamente da esquerda para a direita.233 Figura 1.8: Cys e Met, respectivamente da esquerda para a direita. Átomo de Enxofre em amarelo. 233 Tabela 1.1: Valores das concentrações iônicas para os meios intra e extracelular. Adaptada de Alberts . 244 Figura 1.9: Aminoácidos estudados e respectivos valores de pK. 277 Tabela 1.2: pK e estrutura dos grupos amina e ácido carboxílico. 277 Figura 2.1:Representação da modelagem dos aminoácidos: ε1 é a constante dielétrica do meio 1 (com valor igual a 2,0) ε2, é a constante dielétrica da água, cujo valor é dado pela eq. (2.1). Os outro parâmetros serão explicados logo a seguir.30 Figura 2.2: Variação da ε2 com a temperatura para duas distintas concentrações de NaCl.31 Tabela 2.1: Valores de pK1 e pK2 intrínsecos para os grupos 1 e 2.322 Tabela 2.2: Aminoácido na forma completamente ionizada e tratamento dado a suas cadeias laterais com os respectivos valores de pK intrínseco. Em verde, cadeias ácidas e, em rosa, cadeias básicas. 333 Tabela 2.3: Aminoácidos com os respectivos valores de raios dos grupos ionizáveis e distâncias entre tais. Os índices seguem a notação definida nesta mesma seção. Valores calculados pelo PyMOL. 344 Figura 2.3: Esfera que engloba cada para de grupos ácido e base e delimita dois meios distintos. No meio 2 há água e íons em solução. 35 Figura 3.1:Distâncias entre um ponto P qualquer e os centros dos grupos ácido e base. 433 Figura 4.1: Representaçao de um sistema de duas cargas dentro de uma esfera de raio R. A carga q1 dista a da origem e, a carga q2, b.51