Estudo esclarece como as cadeias laterais de aminoácidos e a estrutura secundária do peptídeo alteram o transporte de elétrons

Relatório de 15 de julho de 2015

por Heather Zeiger, Phys.org

(Phys.org) —Em um esforço para entender como fundir a eletrônica com a bioquímica, conhecida como bioeletrônica, vários grupos de pesquisa estudaram como as cargas eletrônicas viajam através dos peptídeos. As proteínas são feitas de peptídeos e os peptídeos são feitos de aminoácidos. Um grupo de experimentalistas e teóricos do Instituto Weizmann de Ciência investigou como as cadeias laterais de aminoácidos, o comprimento do peptídeo e a estrutura secundária do peptídeo afetam o transporte de elétrons, ancorando variedades de cadeias peptídicas entre dois eletrodos de ouro. Eles descobriram que a cadeia lateral, bem como a estrutura secundária, afetam diretamente o transporte de elétrons. Seu trabalho aparece no Journal of the American Chemical Society.

Normalmente, a transferência de elétrons é estudada em proteínas usando métodos eletroquímicos ou espectroscópicos. Em vez disso, Sepunaru et al. usaram uma junção molecular de estado sólido entre dois eletrodos de ouro na qual eles fizeram monocamadas de homopeptídeos, ou peptídeos consistindo em números variados de aminoácidos repetidos. Eles investigaram a condutância em função da tensão de polarização e da temperatura para três sistemas diferentes: 1) homopeptídeos de comprimento semelhante, mas cadeias laterais diferentes, 2) homopeptídeos de comprimentos diferentes (ou seja, diferentes números de aminoácidos) e 3 ) homopeptídeos de comprimento semelhante, mas estruturas secundárias diferentes. Além disso, em cada um desses experimentos, eles observaram os orbitais moleculares da fronteira da fase gasosa usando cálculos de DFT híbridos separados por intervalo otimizados nas conformações dos peptídeos que foram otimizados pela dinâmica molecular, para compreender as diferentes propriedades de transporte de elétrons. Todos os peptídeos foram funcionalizados com ácido mercaptopropiônico para fornecer um ligante químico ao eletrodo de ouro.

Em seu primeiro experimento, Sepunaru et al. testaram quatro homopeptídeos diferentes compostos por sete aminoácidos. Especificamente, eles analisaram a alanina, o ácido glutâmico, o triptofano e a lisina. Todos os peptídeos tinham comprimento semelhante (aproximadamente 25 Å).

Seus resultados mostraram que o transporte de elétrons muda com diferentes cadeias laterais de aminoácidos. O triptofano foi considerado o melhor condutor, seguido pela lisina, depois pelo ácido glutâmico e pela alanina. Há uma diferença significativa entre os quatro peptídeos, com a taxa de transporte de elétrons do triptofano sendo quase vinte vezes maior que a da alanina. Os autores atribuem isso às diferenças entre os níveis de energia HOMO para cada uma das cadeias peptídicas.

Todos os peptídeos eram neutros quando testados. Os autores se perguntaram se a protonação da lisina e a desprotonação do ácido glutâmico, produzindo assim um peptídeo carregado, afetariam as taxas de transporte de elétrons. Eles descobriram que o peptídeo de hepta-lisina protonado tinha uma condutância muito maior, enquanto o peptídeo de ácido hepta-glutâmico desprotonado tinha uma condutância mais baixa que era comparável à alanina. Eles também descobriram que as energias dos orbitais moleculares ocupados e desocupados da fase gasosa diminuíram com a protonação e aumentaram com a desprotonação, confirmando a importância dos níveis de energia de fronteira para o transporte de elétrons.

Em seu segundo experimento, Sepunaru et al. investigou como o comprimento da cadeia peptídica afeta o transporte de elétrons. Eles usaram cadeias peptídicas de homotriptofano compostas por quatro, cinco, seis e sete aminoácidos. Eles descobriram que a taxa de transporte de elétrons diminuiu gradualmente com um aumento no comprimento do peptídeo, o que é típico para sistemas eletrodo-monocamada. No entanto, após uma inspeção mais detalhada, a taxa de transporte de elétrons diminui exponencialmente com o aumento do comprimento e não depende da temperatura. Ambos os fatores significam que o transporte de elétrons pode ser devido a efeitos de tunelamento.

Finalmente, o último experimento foi verificar se a estrutura secundária do peptídeo afeta o transporte de elétrons. Comparações foram feitas entre peptídeos de alanina e lisina estendidos e helicoidais. Ambos tenderão a formar uma hélice quando o peptídeo tiver vinte aminoácidos de comprimento, então as versões estendidas e helicoidais de 20 meros de alanina e lisina foram comparadas entre si e estas foram comparadas com os peptídeos heptâmeros correspondentes.