QBQ-0215

Bioqumica do Metabolismo Farmcia Noturno

Os princpios da vida e da bioqumica.

A mais ou menos 15 bilhes de anos, o universo se formou num instante, conhecido com o big-bang.

Uma erupo cataclsmica de calor e energia formou num instante o universo que conhecemos.

Em segundos, elementos simples (como Hidrognio e Hlio) foram formados e a medida em que o universo se expandiu e esfriou, a matria se condensou na forma de estrelas.

Algumas dessas estrelas se tornaram enormes e explodiram na forma de supernovas, propiciando a fuso de tomos e a formao de elementos mais pesados (carbono, nitrognio e oxignio, por exemplo).

Assim, foram formados ao longo de bilhes de anos, planetas como a terra e os elementos aqui encontrados.

Os princpios da vida e da bioqumica

A aproximadamente 4 bilhes de anos, a vida surgiu na terra.

Ela surgiu inicialmente como organismos simples, capazes de extrair energia de compostos qumicos, e mais tarde, da luz, energia esta utilizada para produzir uma gama de compostos biolgicos complexos a partir dos simples elementos encontrados na terra.

A bioqumica, portanto, procura entender como a interao desses milhares de compostos biolgicos pode resultar nas propriedades fantsticas da vida como conhecemos.

O estudo da bioqumica nos mostra como uma coleo de molculas inanimadas que compem um organismo vivo, interage para manter e perpetuar a vida, utilizando as mesmas leis da qumica e fsica que governam o universo inanimado.

Os princpios da vida e da bioqumica.

1) Alto grau de complexidade qumica e organizao (microscpica).

2) Sistemas capazes de extrair, transformar e utilizar energia do ambiente.

3) Funes denidas para cada componente de um organismo vivo, assim como interao regulada entre esses componentes.

4) Mecanismos para sentir e responder as alteraes ambientais.

5) Capacidade de auto-replicao e auto-montagem.

6) Capacidade de mudar ao longo do tempo (evoluo).

A gua e a vida

A gua um dos componentes (essenciais) da vida como conhecemos.

A gua a substncia mais abundante em sistemas biolgicos, perfazendo 70% ou mais em peso de um organismos.

Sem dvida, a primeira forma de vida se originou num meio aquoso, e o curso da evoluo tem sido moldada em funo das propriedades da gua.

As foras de atrao entre molculas de gua e a (leve) tendncia de se ionizar so propriedades importantes para a estrutura e funo da molculas biolgicas.

Nesta aula, vamos abordar temas como a constante de equilbrio da gua, pH, e titulao de cidos e bases, e como estas propriedades inuenciam a solubilidades e a interao.

A gua e a vida

A gua como solvente

A gua uma das substncias com maior ponto de congelamento, fuso e evaporao.

Isso porque as molculas de gua atraem umas as outras.

A estrutura da gua e a ligao de hidrognio

Analisando a estrutura da molcula de gua, podemos entender o porqu destas propriedades.

Cada tomo de hidrognio compartilha um par de eltrons com o tomo central de oxignio, formando um tetraedro (a).

Como oxignio mais eletronegativo que hidrognio, os pares de eltron so atrados para prximo do ncleo do tomo central de oxignio.

Isto faz com que haja a formao de um dipolo ao longo das ligaes H-O;

A estrutura da gua e a ligao de hidrognio

Cada Hidrognio carrega uma carga positiva parcial (+) enquanto o tomo de Oxignio apresenta uma carga negativa parcial cuja soma equivalente s duas ligaes H-O (2-).

Isto permite a formao da chamada ligao de hidrognio.

A ligao de hidrognio relativamente fraca: a energia necessria para rompe-la de apenas 23 kJ/mol (compare com 470 kJ/mol para a ligao O-H ou 348 kJ/mol para a ligao C-C).

A ligao de hidrognio aproximadamente 10% covalente (devido sobreposio de orbitais) e 90% eletrosttica.

A estrutura da gua

O arranjo em tetraedro dos orbitais do tomo de oxignio permite a formao de ligaes de hidrognio com at 4 molcula de gua .

No estado lquido, temperatura ambiente e presso atmosfrica, as molculas de gua encontram-se desorganizadas e em movimento contnuo, formando apenas, em mdia, 3.4 ligaes de hidrognio com outras molculas de gua.

J no estado slido (gelo), elas encontram-se imveis e formam todas as 4 ligaes de hidrognio possveis.

A ligao de hidrognio no exclusiva da gua

A formao de ligaes de hidrognio no exclusiva da molcula de gua.

Ligaes de hidrognio se formam entre quaisquer tomos eletronegativos (geralmente, oxignio ou nitrognio) e hidrognios ligados a tomos eletronegativos.

A formao de ligaes de hidrognio importante na solubilidade de vrias biomolculas.

lcoois, cetonas, aldedos, e compostos com ligaes N-H, forma ligao de hidrognio com a gua.

Hidrognios ligados a tomos de carbono (ligao C-H) no participam de ligaes de hidrognio.

O carbono apenas um pouco mais eletronegativo que o hidrognio, formando um dipolo muito fraco.

A orientao da ligao de hidrognio contribui para a estrutura de biomolculas

As ligaes de hidrognio so mais fortes quando formadas na mesma orientao dos trs tomos envolvidos.

Por isso, as ligaes de hidrognio so importantes na estrutura e funo de diversas molculas biolgicas.

A ligao de hidrognio auxiliam no posicionamento no espao de protenas e cidos nuclicos (DNA e RNA).

A gua com solvente

A gua um solvente polar e dissolve boa parte das molculas biolgicas, que geralmente contm grupamentos polares ou carregados (tambm chamados de compostos hidroflicos do grego, amigo da gua).

Em contraste, solventes apolares (tais como clorofrmio ou benzeno) no solubilizam biomolculas polares, mas solubilizam prontamente compostos hidrofbicos (molculas apolares, tais como lipdios e gorduras).

Por exemplo, a gua dissolve sais como NaCl por hidratar e estabilizar os ons Na+ e Cl-, enfraquecendo a associao entre eles.

Gases no polares so pouco solveis em gua

Gases biologicamente importantes como CO2, O2 e N2 so apolares.

Combinada diminuio de entropia, faz com que esses gases sejam muito pouco solveis.

Gases no polares so pouco solveis em gua

Por isso, organismos vertebrados tem molculas carregadores para absorver e transportar O2 (hemoglobina e mioglobina).

CO2 forma cido carbnico (H2CO3) que se dissocia em ons carbonato/bicarbonato, solveis.

Difuso Transporte

Exemplos de molculas biolgicas

Compostos hidrofbicos

Os compostos hidrofbicos (do grego, com medo da gua) no conseguem interagir com as molculas da gua.

Como as molculas hidrofbicas no formam ligaes de hidrognio ou inicas com a gua elas so segregadas.

Assim, as molculas hidrofbicas interagem com elas mesmas (p.ex., efeito hidrofbico, van der waals).

Por isso, elas so insolveis.

Compostos anpticos

Compostos anpticos contm regies polares (hidroflicas) e regies apolares (hidrofbicas).

Muitos compostos biolgicos so anpticos, tais como protenas, pigmentos, algumas vitaminas, esteris e fosfolpides de membranas.

A gua pode ainda favorecer a formao de complexos

A gua pode ainda ser uma das foras envolvidas na formao de complexos biolgicos, com por exemplo, enzima-substrato.

A ligao do substrato a uma enzima desloca a gua de solvatao, aumentando a entropia do sistema e favorecendo termodinamicamente a formao do complexo.

As interaes fracas so essenciais para a estrutura e funo de macromolculas

gua

Ionizao da gua: cidos e bases fracas

A gua tem uma (fraca) tendncia a se dissociar.

Como prtons no existem sozinhos em soluo, eles imediatamente se associam a outra molcula de H2O formando o on hidrnio (H3O+).

A ionizao da gua pode ser conrmada dada sua (baixa) condutividade eltrica.

Ionizao da gua: Kw

A constante de equilbrio da gua :

Considerando que gua pura a 25oC tem uma concentrao de 55.5 M (1.000 g/L divido por 18,015 g/mol), ento:

Rearranjando a equao, temos o produto inico da gua (Kw):

Sabendo-se que o Keq da gua a 25oC de 1,8x10-16 M, ento:

Assim, o produto inico da gua Kw ([H+].[OH-]) ser sempre igual a 10-14 M2.

A escala de pH e as concentraes de H+ e OH-

O produto inico da gua (Kw) a base para a escala de pH, que uma forma conveniente de expressar a concentrao de H+ (e portanto, de OH-) em qualquer soluo, na faixa de 1M de H+ e 1M de OH-.

O smbolo p representa o logaritmo negativo de. Para uma concentrao de 1x10-7 M de H+, teremos:

A escala de pH

Portanto, o valor de 7 para pH neutro no um valor arbitrrio, mas sim um valor absoluto derivado do produto de ionizao da gua.

Por coincidncia e convenincia, um valor inteiro.

importante notar ainda que um escala logartmica e no aritmtica.

Ou seja, coca-cola (pH 3) e vinho tinto (pH 3,7) tm aproximadamente 10.000 vezes mais H+ do que o sangue (pH 7,4).

cidos e bases, fortes e fracas: pKa

HCl, H2SO4, HNO3, NaOH, KOH, so cidos ou bases fortes, e se ionizam completamente em gua.

Porm, os cidos e bases fracas (aquelas que no se ionizam por completo em gua) so de maior interesse para a bioqumica.

cidos so denidos com doadores de prtons, e as bases de aceptoras de prtons.

O conjunto do doador e do aceptor de prtons conhecido como cido-base conjugada.

O pKa de um cido fraco anlogo ao pH e denido como:

cido base conjugada

cidos e bases conjugadas de interesse biolgico

Curva de titulao e a equao de Hasselbalch

Comparao de 3 curvas de titulao

Importncia do pH em sistemas biolgicos

Os organismos vivos controlam muito bem seus ambiente.

A ionizao da gua e de molculas um fator importantes para as clulas e animais.

Alteraes na ionizao da gua podem ter efeitos devastadores em sistemas biolgicos.

Por qu?

Importncia do pH em sistemas biolgicos

Os organismos vivos controlam muito bem seus ambiente.

A ionizao da gua e de molculas um fator importantes para as clulas e animais.

Alteraes na ionizao da gua podem ter efeitos devastadores em sistemas biolgicos.

Por qu?

Para comear, por exemplo, a solubilidade de uma molcula podem ser alteradas drasticamente em funo do pH do meio.

Importncia do pH em sistemas biolgicos

Os organismos vivos controlam muito bem seus ambiente.

A ionizao da gua e de molculas um fator importantes para as clulas e animais.

Alteraes na ionizao da gua podem ter efeitos devastadores em sistemas biolgicos.

Por qu?

Para comear, por exemplo, a solubilidade de uma molcula podem ser alteradas drasticamente em funo do pH do meio.

Insolvel

Solvel

Importncia do pH em sistemas biolgicos

Os organismos vivos controlam muito bem seus ambiente.

A ionizao da gua e de molculas um fator importantes para as clulas e animais.

Alteraes na ionizao da gua podem ter efeitos devastadores em sistemas biolgicos.

Por qu?

Para comear, por exemplo, a solubilidade de uma molcula podem ser alteradas drasticamente em funo do pH do meio.

Solvel

Insolvel

Como manter o pH de sistemas biolgicos?

O pH de sistemas biolgicos pode variar drasticamente.

Com os organismos mantm o pH constante?

Resposta: sistemas tampes.

Tampes

Tampes so solues aquosas que resistem a alteraes de pH quando pequenas quantidades de cidos (H+) ou bases (OH-) so adicionados ao sistema.

Tampes em sistemas biolgicos Os seres vivos mantm constantes o seu pH interno.

Dois sistemas de tampes so particularmente importantes: o tampo fosfato e o tampo bicarbonato.

O cido fosfrico tm 3 prtons ionizveis:

H3PO4 H2PO4- + H+ HPO4-2 + H+ PO4-3 + H+

H2PO4-/HPO4-2, que apresenta pKa = 6,9 o principal sistema tampo dentro das clulas (citoplasma) e no meio extracelular, onde o pH mantido entre 6,9 e 7,4.

Alguns aminocidos (unidades componentes de protenas) so cidos ou bases fracas, e tambm participam do controle de pH da clula e meio extracelular. Por exemplo, histidinas nas molculas de hemoglobina so importantes para manter o pH das hemcias e do sangue.

Consequncias da alterao do pH

Os diversos componentes da clula precisam estar solveis no no seu ambiente.

Alteraes do pH podem ter consequncias devastadoras para um organismo.

Por exemplo, a adio de suco de limo altera o pH do leite, provocando a precipitao das protenas.

Imagine se isto acontecesse dentro de uma clula ou no sangue.

Tampes em sistemas biolgicos

O oxignio essencial para a vida.

Oxignio e outros gases de importncia biolgica so pouco solveis em gua e precisam ser transportados.

Os seres vivos superiores desenvolveram sistemas para lidar com esse desao.

Em humanos e outros organismos vertebrados, os gases so absorvidos nos pulmes e distribudos pelo organismo por uma sosticado rede vascular.

Clulas e molculas especializadas para esta funo foram selecionadas ao longo da evoluo.

Para que funcione, imprescindvel o controle de pH em todas as etapas do sistema.

O tampo bicarbonato e a respirao

O pH do sangue mantido cuidadosamente em 7,4 e variaes (mesmo pequenas) podem ter consequncias metablicas importantes.

O on bicarbonato um dos principais tampes no plasma e derivado do cido carbnico, formado pela reao do CO2 com a H2O.

O tampo bicarbonato e a respirao

O on bicarbonato resultante permite a transferncia do CO2 (insolvel) formado nos tecidos para os pulmes, onde liberado e excretado.

A concentrao de bicarbonato dependente da concentrao de cido carbnico, que por sua vez, dependente da concentrao de CO2.

Assim, quando [CO2] est elevado, a reao se desloca para a formao de bicarbonato (solvel). Quando a presso parcial de CO2 baixa, a [HCO3-] diminu, formando CO2 que pode ser liberado (pulmes).

Bibliograa

Leiam os captulos 1 (Fundamentos da bioqumica) e 2 (gua) do Lehninger Princpios de Bioqumica

Ou

Captulos 1 (Vida) e 2 (Solues aquosas) do Voet & Voet.