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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ

CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS

CAMPUS CINOBELINA ELVAS - BOM JESUS - PI

Introdução à Bioquímica - (Prof. Fábio)

ROTEIRO DE ESTUDOS – AULAS 1 e 2 “A lógica da Vida, Funções orgânicas, água, pH e soluções-tampão”

1. A LÓGICA DA VIDA 1.1. O que distingue todos os organismos vivos de todos os objetos inanimados? Os organismos vivos são compostos de moléculas destituídas de vida. Quando estas moléculas são isoladas e examinadas individualmente, elas obedecem a todas as leis físicas e químicas que descrevem o comportamento da matéria inanimada. Os organismos vivos são estruturalmente complicados e altamente organizados, possuindo estruturas internas intrincadas e muitas espécies de moléculas complexas. Em contraste, a matéria inanimada (terra, areia, rochas etc.) usualmente consiste de misturas de compostos químicos relativamente simples. Os seres vivos são capazes de extrair, transformar e usar a energia que encontram no meio ambiente, usualmente na forma de nutrientes químicos ou da energia radiante da luz solar. Esta energia torna os seres vivos capazes de construir e manter suas próprias estruturas intrincadas, e de realizar trabalho mecânico, químico, osmótico e de vários outros tipos. A última grande característica dos seres vivos, e talvez a mais significativa, é a capacidade de auto-replicação e automontagem. 1.2. A Bioquímica procura explicar a vida em termos químicos As moléculas das quais os organismos vivos são compostas obedecem a todas as leis familiares da Química, porém elas interagem entre si de acordo com um outro conjunto de princípios. Esses princípios são um conjunto de relacionamentos característicos da natureza, função e interação das biomoléculas. A maioria dos constituintes moleculares dos sistemas vivos é composta de átomos de carbono unidos covalentemente a outros átomos de carbono e a átomos de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. [Rever os ciclos de C, O e N na natureza]. Os compostos orgânicos de massa (Mr) menor que aproximadamente 500, como aminoácidos, nucleotídeos e monossacarídeos, servem como subunidades monoméricas de proteínas, ácidos nucléicos (DNA, RNA) e polissacarídeos, respectivamente. Purificar e caracterizar exatamente todas essas moléculas seria um trabalho insuperável se não fosse o fato de cada classe de macromoléculas (proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos) ser composta de um pequeno conjunto de subunidades monoméricas comuns. Assim:

a) Todos os organismos vivos têm os mesmos tipos de subunidades monoméricas; b) A estrutura das várias macromoléculas biológicas revelam a existência de modelos

subjacentes comuns; c) A identidade de cada organismo é preservada pela posse de conjuntos característicos de

ácidos nucléicos (DNA, RNA) e proteínas.

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1.3. A produção de energia e seu consumo no metabolismo (processo) A energia é um tema central em Bioquímica: as células e os organismos dependem de um suprimento constante de energia para poderem se opor à tendência inexorável da natureza de queda para níveis menores de estado energético (“tudo o que está lá em cima pode cair....”). Os organismos vivos não estão em equilíbrio com o meio ambiente. A morte e a decomposição restabelecem o equilíbrio.

Durante o crescimento, a energia dos alimentos é empregada na construção de moléculas complexas e na concentração de íons existentes no ambiente. Quando o organismo morre, este perde a capacidade de obter energia a partir dos alimentos. Sem energia, o cadáver não pode manter gradientes de concentração e os íons passam para o ambiente.

Nas reações químicas em sistemas fechados o processo também ocorre espontaneamente, até que o equilíbrio seja atingido. A variação de Energia Livre ( G∆ ) para uma reação química é a expressão quantitativa de quão afastado o sistema está do equilíbrio químico:

G H T∆ = ∆ − ∆S ,

Lê-se, energia livre de Gibbs é igual à variação de entalpia, mais a temperatura absoluta (K) vezes a variação de entropia de um sistema;

As reações que ocorrem com a liberação de energia livre são exergônicas, e, pelo fato de os

produtos destas reações possuírem menos energia livre do que os reagentes, o é negativo. Reações químicas nas quais os produtos têm mais energia livre do que os reagentes são denominadas

G∆

endergônicas. Assim os organismos vivos criam e mantêm suas estruturas complexas e ordenadas (baixa

entropia) às expensas da energia livre do seu ambiente. As reações químicas ou fotoquímicas exergônicas são acopladas a processos endergônicos através de intermediários químicos compartilhados, direcionando a energia livre para a produção de trabalho.

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1.4. As Células As células são unidades estruturais e funcionais de todos os organismos vivos. Apesar das muitas diferenças entre os organismos vivos, células de todas as espécies compartilham certas características estruturais. Todas as reações anabólicas e catabólicas ocorrem nas células. A membrana plasmática define a periferia da célula, separando seu conteúdo da circunvizinhança. Ela é composta de grande número de moléculas de lipídios e proteínas, mantidas juntas principalmente por interações hidrofóbicas não-covalentes, formando uma bicamada fina, resistente e flexível. O volume interno limitado pela membrana plasmática, o citoplasma, é composto de uma solução aquosa, o citossol, e de uma variedade de partículas insolúveis suspensas. Dissolvidas no citossol gelatinoso estão muitas enzimas e as moléculas de RNA que as codificam; as subunidades monoméricas (aminoácidos e nucleotídeos) a partir das quais estas macromoléculas são montadas; centenas de moléculas orgânicas pequenas chamadas de intermediários metabólicos etc. [Revisar Célula, procariótica, eucariótica, animal, vegetal, organelas e suas funções]. 2. FUNÇÕES ORGÂNICAS DAS BIOMOLÉCULAS 2.1. As biomoléculas são compostos de carbono; A química dos organismos vivos está organizada ao redor do elemento carbono, o qual representa mais da metade do peso seco das células. No metano (CH4) um átomo de carbono compartilha 4 pares de elétrons com 4 átomos de hidrogênio, formando 4 ligações covalentes simples. [Revisar]. O carbono pode também estabelecer ligações simples e duplas com átomos de oxigênio e nitrogênio. Além disso o carbono é capaz de formar grandes cadeias de ligações C-C, sendo da maior importância para a biologia, pois disso se possibilita a formação das biomoléculas (produtos) envolvidos na bioquímica dos seres vivos. Os átomos de carbono unidos covalentemente podem formar cadeias lineares, ramificadas, cíclicas e estruturas na forma de caixa ou gaiola. Outros grupos de átomos, chamados grupos funcionais, são adicionados as estes esqueletos carbônicos, conferindo propriedades químicas específicas à molécula assim formada. As moléculas

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contendo esqueletos orgânicos são chamadas compostos orgânicos; eles ocorrem em uma variedade quase ilimitada na maquinaria celular. Abaixo alguns grupos funcionais frequentemente encontrados nas biomoléculas. Todos os grupos estão mostrados em sua forma neutra (não ionizada). [Rever o que são íons] 2.2. Cada biomolécula tem uma estrutura tridimensional característica As biomoléculas têm tamanho e estrutura tridimensional característicos, estes derivam do esqueleto carbônico e dos grupos funcionais a eles agregados. A conformação 3D das biomoléculas é da maior importância para suas interações, por exemplo, na ligação de um substrato (reagente) ao sítio catalítico de uma enzima, as 2 moléculas (substrato + enzima) precisam se encaixar perfeitamente uma na outra, de maneira complementar, para que ocorra a reação biológica. Esta complementaridade é requerida também, por exemplo, na ligação de uma molécula com seu hormônio (interação receptor + ligante/efetor), ou no reconhecimento de um antígeno por um anticorpo específico. 2.3. Simetria A disposição tetraédrica das ligações simples ao redor do átomo de carbono confere a alguns compostos orgânicos uma determinada importância biológica. Quando 4 átomos diferentes são ligados a um átomo de carbono em uma molécula orgânica, o átomo de carbono é dito ser assimétrico (C*), podendo existir em duas formas isoméricas diferentes no espaço (estereoisômeros). Uma classe especial de estereoisômeros chamados enantiômeros são imagens de espelho um do outro e não superponíveis. Compostos com carbono assimétrico (C*) podem ser vistos como ocorrendo em formas orientadas à direita ou à esquerda, e são, por isso, chamados de compostos quirais (do grego chiros – “mão”, em alusão à falta de superposição da mão esquerda sobre a mão direita). Os 2 enantiômeros (D- e L-) de uma molécula com carbono assimétrico

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(composto quiral) possuem propriedades químicas idênticas, porem diferem em uma propriedade física característica, a capacidade de girar a luz plano-polarizada. A solução de um enantiomero gira a luz plano-polarizada para a direita (dexter, D-) e a solução de outro para a esquerda (laevus, L-). Os compostos sem um átomo de carbono assimétrico não giram a luz plano-polarizada. A figura abaixo mostra a configuração do ácido fumárico, um intermediário no metabolismo dos carboidratos, e seu isômero, o ácido maléico, que ocorre em algumas plantas: Estes compostos são isômeros geométricos ou isômeros cis-trans [Rever isomeria]; eles diferem no arranjo dos seus grupos funcionais com respeito à dupla ligação (C=C), a qual é capaz de girar. O ácido fumárico é o isômero trans e o ácido maléico é o isômero cis. Cada um deles é um composto bem definido e pode ser isolado e purificado. Estes dois compostos são estereoisômeros, porém não enantiômeros, pois não são imagens especulares um do outro. O termo conformação refere-se ao arranjo espacial dos grupos substituintes que são livres para assumir diferentes posições no espaço, sem quebra de qualquer ligação, devido à liberdade de rotação de ligações simples. Além dos aminoácidos, muitas biomoléculas são quirais contendo um ou mais átomos de carbono assimétricos. As moléculas quirais nos organismos vivos estão geralmente presentes em apenas uma (1) de suas formas quirais. Por exemplo, os aminoácidos que ocorrem nas proteínas, o fazem apenas como isômeros L-. A glicose (monossacarídeo), a subunidade monomérica do amido (polímero polissacarídico), tem 5 carbonos assimétricos, porém biologicamente ocorre em apenas uma de suas formas quirais, o isômero D-. 2.4. Transformações químicas A maioria das células tem a capacidade de realizar milhares de reações específicas, enzimaticamente catalisadas como, por exemplo, a transformação de nutrientes simples como a glicose em aminoácidos, nucleotídeos ou lipídios; a extração de energia dos alimentos por oxidação ou a polimerização de subunidades (monômeros) em macromoléculas (polímeros). A maioria das reações nas células vivas cai em um de cinco (5) tipos (categorias) gerais: a) transferência de grupos funcionais; b) oxidações e reduções; c) reações que rearranjam a estrutura das ligações ao redor de um ou mais átomos de carbono (rearranjo); d) reações que formam ou quebram ligações C-C; e) reações nas quais 2 moléculas condensam-se, com a eliminação de uma molécula de água. As reações dentro de uma categoria geral ocorrem através de mecanismos similares. 2.5. Os principais constituintes dos organismos são macromoléculas As proteínas, longos polímeros de aminoácidos, constituem, ao lado da água, a maior fração das células. Algumas proteínas possuem atividade catalítica e funcionam como enzimas, outras servem como elementos estruturais e, ainda, outras transportam sinais específicos para o interior e exterior das células. Os ácidos nucléicos, DNA e RNA, são polímeros de nucleotídeos. Eles armazenam, transmitem e transcrevem a informação genética. Os polissacarídeos, polímeros de açucares simples como a glicose têm duas funções principais: eles servem como armazenadores de alimentos, liberadores de energia e como elementos estruturais extracelulares. Os lipídios, derivados oleosos (longas cadeias carbônicas) dos hidrocarbonetos [Revisar], servem como componentes

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estruturais das membranas, como forma de armazenamento de alimento muito rico em energia, e em outros papéis. Estas quatro classes de grandes biomoléculas são todas sintetizadas em reações de condensação. É extremamente improvável que os aminoácidos em uma mistura venham se condensar espontaneamente em uma proteína com uma seqüência única. Isto representaria um aumento da ordem em uma população de moléculas; porém, de acordo com a 2ª lei da Termodinâmica [Pesquisar], a tendência é em direção a um universo em que a desordem (entropia) sempre aumenta. É, portanto, necessário fornecer-se energia livre ( 0G∆ > ) ao sistema. Peptídeo (seqüência de 4 aminoácidos)

Ácido graxo (lipídio)

Ácido nucléico (RNA) – seq. de 3 nucleotídeos

glicose (carboidrato)

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3. a ÁGUA

A água é a substância mais abundante nos sistemas vivos, perfazendo 70% ou mais da massa da maioria dos organismos. A água permeia todas as porções de todas as células e é o meio no qual ocorrem o transporte de nutrientes, as reações metabólicas catalisadas enzimaticamente e a transferência de energia química. 3.1. Interações fracas As pontes de hidrogênio entre as moléculas de água fornecem as forças coesivas que fazem da água um líquido à temperatura ambiente e que favorecem o ordenamento extremo das moléculas da água cristalizada (gelo). As biomoléculas polares dissolvem-se facilmente na água porque elas podem substituir as interações moleculares água-água energeticamente favoráveis por interações ainda mais favoráveis água-soluto [Revisar], feitas via pontes de hidrogênio e forças eletrostáticas. As pontes de hidrogênio, as interações iônicas, as interações hidrofóbicas (do grego: “que teme a água”) e as interações de Van Der Waals [Revisar], embora individualmente fracas, são muito numerosas nas macromoléculas biológicas e, assim, coletivamente têm uma influência muito significativa na estrutura 3D das proteínas, ácidos nucléicos, polissacarídeos e lipídios de membranas. As pontes de hidrogênio são mais fracas que as ligações covalentes. As PHs na água líquida têm uma energia de ligação (energia necessária para romper a ligação) cerca de apenas 20 kJ/mol, comparada com 460 kJ/mol para a ligação covalente O-H. Ao lado, a natureza dipolar da molécula de água está mostrada em (a) no modelo bola-e-bastão, e em (b) no modelo tipo espaço-cheio. As linhas pontilhadas em (a) representam as orbitais que não formam ligações. Os pares de elétrons da camada externa ao redor do átomo de oxigênio estão arranjados de forma quase tetraédrica; os 2 átomos de hidrogênio têm cargas elétricas parciais positivas localizadas e o átomo de oxigênio tem duas dessas cargas parciais negativas. (c)Duas moléculas de H2O unidas por uma PH (designada por 3 linhas) entre o átomo de oxigênio da molécula que está acima e o átomo de hidrogênio da molécula abaixo. As PHs são mais longas e mais fracas que as ligações covalentes O-H.

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3.2. Propriedades da Água

A partir de suas propriedades físicas e químicas, a H2O favoreceu os sistemas biológicos de diversas maneiras; a) Densidade: A H2O em estado sólido possui uma menor densidade do que em estado líquido. Ex. Permite a formação da camada de gelo superficial no inverno em lagos e oceanos. b) Calor Específico: Quantidade de energia térmica que deve ser fornecida a uma substância para elevar sua temperatura. Para resfriar a água é necessário retirar mais calor, isso torna a água um excelente moderador térmico nos seres vivos. c) Calor de Vaporização: Precisa de uma grande quantidade de energia para passar isotermicamente de líquido a vapor. Ex: Controle da temperatura corporal. d) Tensão superficial: Uma espécie de “superfície” mantida por atrações inter-moleculares que tendem a manter coesas as moléculas de um líquido, com atração para o centro das moléculas das camadas mais externas. A tensão superficial facilitou a compartimentalização dos seres vivos. e) Viscosidade: A água apresenta uma viscosidade muito baixa, apesar do grande número de pontes de H formadas. 3.3. Compostos não-polares forçam mudanças energeticamente desfavoráveis na estrutura da água A água é um solvente polar. Ela dissolve facilmente a maioria das biomoléculas, as quais são, geralmente, compostos carregados eletricamente ou polares. Compostos que se dissolvem facilmente na água são hidrofílicos (do grego: “que gosta da água”). Em contraste, solventes não-polares como o clorofórmio e o benzeno são solventes muito pobres para as biomoléculas polares, mas dissolvem facilmente as biomoléculas não-polares como os lipídios e as ceras [Revisar: “semelhante dissolve semelhante”]. Compostos anfipáticos têm regiões polares (ou carregadas) e regiões não-polares (geralmente com extensas cadeias C-C). Quando compostos anfipáticos são misturados com a água, as duas regiões da molécula do soluto experimentam tendências conflitantes: a região hidrofílica, polar ou carregada, interage favoravelmente com o solvente, que tende a dissolver a molécula, entretanto a região hidrofóbica não-polar tem a tendência oposta, ou seja, de evitar o contato com a água. Assim, as regiões não-polares das moléculas agregam-se para apresentar a menor área hidrofóbica possível ao solvente, e as regiões polares são arranjadas para maximizar a sua interação com o solvente aquoso. Estas estruturas estáveis de compostos anfipáticos na água, chamadas de micelas, podem conter centenas ou milhares de moléculas. As forças que mantêm juntas as regiões não-polares das moléculas são chamadas de interações hidrofóbicas. Ver figura ao lado:

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3.4. Ionização da água, ácidos fracos e bases fracas Embora muitas das propriedades solventes da água possam ser explicadas em função das características da molécula de H2O eletricamente não-carregada, é, também, necessário levar em consideração o pequeno grau de ionização da água em íons hidrogênio (H+) e íons hidroxila (OH-). Como todas as reações reversíveis, a ionização da água pode ser descrita por uma constante de equilíbrio (Keq) [Revisar ‘produto iônico da água’, Kw]. Quando ácidos ou bases fracos são dissolvidos na água, eles podem produzir H+ por ionização (se são ácidos), ou consumir H+ ao serem protonizados (se são bases); esses processos são também governados pelas respectivas constantes de equilíbrio [Revisar conceito de ácido/base de Ahrrenius, Equilíbrio Químico, Ka, Kb]. A concentração total do íon H+ originário de todas as fontes (água, ácidos, solutos dissociáveis). O produto iônico da água é a base para a escala de pH (potencial hidrogênio-iônico). Ela é um meio conveniente de designar a concentração de H+ em solução aquosa. O termo pH é definido

pela expressão: 1log[ ]

pHH

=+

3.5. Ação tamponante contra as variações de pH nos sistemas biológicos Quase todos os processos biológicos são dependentes do pH; uma pequena variação no pH do meio produz uma grande variação na velocidade da maioria dos processos biológicos que se desenvolvem nesse mesmo meio. As células e os organismos mantêm um pH citossólico constante e específico, geralmente próximo de pH 7,0, o que mantém as biomoléculas em seu estado iônico ótimo. Tampões são substâncias (ácidos/bases fracas) que, em solução aquosa, dão a estas soluções a propriedade de resistir às variações do seu pH quando às mesmas são adicionadas quantidades relativamente pequenas de ácido (H+) ou base (OH-). Um sistema tampão consiste de um ácido fraco (o doador de prótons H+) e sua base conjugada (o receptor de prótons). Por exemplo, a mistura de concentrações iguais de ácido acético (CH3COOH) e do íon acetato (CH3COO-), é um sistema tampão, pois, quando cada forma desse ácido (protonada ou não) se encontra 50% presente (quando o pH = pKa) [Revisar Equilíbrio Químico], existem formas 50% capazes de aceitar um próton (a base conjugada do ácido acético, CH3COO-) e 50% capazes de doar um próton à solução aquosa (o próprio ácido acético, CH3COOH). Um exemplo de um sistema tampão natural é o sistema tampão bicarbonato. Nos animais com pulmões, esse sistema é um tampão fisiológico efetivo em valores de pH próximos a 7,4, porque o H2CO3 do plasma sanguíneo está em equilíbrio com um reservatório de CO2(gás) de grande capacidade localizado nos espaços aéreos dos pulmões. Bibliografia Básica LENINGHER, A.L., NELSON, D.L., COX, M.M. 1995. Princípios de Bioquímica. 2.ed., São

Paulo: Savier. 839p. BERG, J. M., TYMOCZKO, J.L., STRYER, L. 2004. Bioquímica. 5ª. ed., Rio de Janeiro:

Guanabara Koogan. 1104 p. CAMPBELL, M. K. Bioquímica. 2001. 3ª. ed., Porto Alegre: Artmed. 752 p. CONN, E.E.; STUMPF, P.K. 1986. Introdução à Bioquímica. 4ª. ed., São Paulo: Edgar Blutcher.

525 p. NELSON, D.L.; COX, M.M., 2000. Lehninger – Princípios de Bioquímica, 3ª. ed., São Paulo:

Sarvier. 975 p.