A Bioquímica e a Química Orgânica

Os compostos orgânicos mais simples são os hidrocarbonetos: os
hidrocarbonetos são constituídos apenas por átomos de carbono e hidrogénio.
O carbono tem 4 electrões de
valência.
No metano um átomo de carbono
liga-se a 4 hidrogénios…
Os átomos de carbono podem ligar-se por ligações
simples uns aos outros formando os alcanos.
A Bioquímica e
a Química Orgânica
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CH3CH2CH3
1
Laboratório de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto
H 3C
CH3
Fórmula molecular =
C4H10
2
H2C
CH3
CH2
CH2
o n-butano e o isobutano são isómeros
porque têm a mesma fórmula molecular.
CH2
H
C
H
H
C
H
C H
Os
hidrocarbonetos
costumam
classificar-se em
C
H
H
C
H
H H
H
H
Aromáticos: com um ou mais anéis benzénicos
Alifáticos: cadeias carbonadas lineares ou ramificadas
A fenilalanina contém um anel benzénico: é um aminoácido
aromático.
H
H
H
2
n-butano
O benzeno é um hidrocarboneto aromático: é um anel
com 6 carbonos e 3 duplas ligações conjugadas.
Os alcenos são hidrocarbonetos que contêm, pelo menos, uma ligação dupla
H
(são insaturados).
H
H
Fórmula molecular =
C4H10
As cadeias carbonadas podem ser ramificadas como no isobutano (2-metil-propano).
As cadeias podem ser cíclicas como no
ciclopentano
CH
propano
CH3CH2CH2CH3
perhidro-fenantreno
H
H
ciclopentano
Eteno CH2=CH2
2-cis-penteno
Colesterol: ciclopentano-perhidro-fenantreno
2-trans-penteno
3
… são isómeros cis-trans
Fenantreno
hidroxilado no carbono 3, dupla ligação no carbono 5
dois grupos metilo (nos carbonos 10 e 13) e
uma cadeia alifática ramificada no carbono 17.
4
Tal como o colesterol também o metanol
e o etanol contêm um grupo hidroxilo:
são álcoois.
Se substituirmos o átomo de O por um átomo de S num grupo hidroxilo (-OH)
obtemos um grupo tiol (-SH).
O glicerol é um poliálcool e
contém 2 hidroxilos primários
e 1 secundário.
Os éteres (R1-O-R2) podem ser
entendidos como resultando da ligação de
2 álcoois com perda de água: o éter etílico
é formado por 2 resíduos de etanol.
Glutatião (forma reduzida)
Alguns lipídeos complexos contêm uma
ligação éter entre o resíduo de um
álcool gordo e o resíduo de glicerol
Cisteína
Coenzima A (CoA ou CoASH)
Grupo (ou ligação) dissulfureto
5
6
Dissulfureto do glutatião (forma oxidada)
A oxidação de hidroxilos primários dá origem a aldeídos.
A oxidação do etanol dá origem ao etanal (ou acetaldeído).
Os glicídeos são derivados aldeídicos (aldoses) ou cetónicos
(cetoses) de poliálcoois.
O
HC
2
e-
HO
2 H+
C
H2C
gliceraldeído
2 e-
OH
H2C
e a di-hidroxiacetona (cetotriose)
H
OH
…e são isómeros entre si.
C3H6O3
HC
HO
A oxidação de hidroxilos secundários dá origem a cetonas.
A oxidação do 2-propanol dá origem à propanona (ou acetona).
7
aldeído e cetónico = grupo carbonilo (nome colectivo)
C
C
H2C
di-hidroxiacetona OH
OH
a frutose (uma cetohexose)
H
também
C
OH
H
C
OH
H2C
glicose
OH
H2C
A glicose (uma aldohexose) e
H
OH
O
C
são os monossacarídeos mais simples
O
2 H+
H
grupos
O gliceraldeído (aldotriose)
são monossacarídeos
…e também são isómeros entre si.
C6H12O6
C
O
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H2C
frutose
OH
8
Os monossacarídeos (ou oses) com número de carbonos superior a 4
são mais estáveis quando formam estruturas cíclicas que nas formas
lineares.
O rearranjo molecular
que resulta da
reacção entre um
grupo carbonilo e um
grupo hidroxilo
chama-se:
Os acetais podem ser compreendidos como resultando da
reacção entre um semiacetal e um álcool com perda de água.
glicose
glicose
grupo (ou ligação)
semiacetal
maltose
Ligação acetal
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A oxidação de grupos aldeído origina grupos carboxilo. Os
compostos que têm grupos carboxilo são ácidos carboxílicos.
A hidrólise (a inversa da reacção representada) da ligação acetal (ou glicosídica tipo
10
O) da maltose leva à libertação de duas moléculas de glicose:
a maltose é formada por dois resíduos de glicose.
Em Bioquímica, se não estamos a tratar de reacções ácido base, pode dizer-se
palmitato (ou ácido palmítico) para nos referirmos colectivamente ao conjunto:
ácido palmítico
C
H3C
ácido
acético
acetaldeído
O
+ palmitato
acetato
O
OH
C
H3C
O
-
…a mesma regra se aplica a todos os ácidos e respectivas bases (ou sais).
2
e-
2 H+
Reacção de oxidação
Reacção de dissociação
protónica (ou protólise).
Os grupos carboxílicos
que sofreram
dissociação protónica
chamam-se grupos
carboxilato.
Em Bioquímica, se não estivermos a falar de reacções ácido-base (como as
de dissociação protónica), podemos dizer ácido acético (ou acetato) para11nos
referirmos colectivamente ao conjunto ácido acético + acetato.
Ácido propiónico ou propionato
Ácido succínico ou
Ácido pirúvico ou piruvato
Ácido láctico ou lactato
succinato
Ácido cítrico ou
citrato
12
Os ésteres podem ser entendidos como resultando da reacção entre um álcool
e um ácido com perda de água: a hidrólise de um éster liberta ácido + álcool.
Quando, num éster, o ácido é o ácido fosfórico (ou o seu sal, o
fosfato) a ligação diz-se fosfoéster.
A hidrólise da ligação
Ácido fosfórico
fosfoéster que
existe na glicose-6fosfato leva à
libertação de glicose
+ fosfato;
Glicose6-fosfato
Um triacilglicerol
glicerol + 3 ácidos gordos
…. a hidrólise de um tioéster liberta ácido + tiol: a acetil-coenzima A contém
coenzima A ligada ao ácido acético (acetato) por uma ligação tioéster.
glicose
a glicose-6-fosfato
contém um resíduo
de glicose e outro
resíduo de fosfato.
Quando, num éster, o ácido é o ácido sulfúrico (ou o seu sal, o sulfato) a ligação diz-se
sulfoéster.
Ácido sulfúrico
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Acetil-CoA
CoA
+ ácido acético
Glicose3-sulfato
glicose
As ligações que podem ser entendidas como resultando da reacção entre dois
ácidos (ou sais) com perda de água designam-se de ligações anidrido.
O amoníaco (NH3)
é uma base que quando
aceita um protão se
converte no
ião amónio (NH4+).
A hidrólise da ligação fosfoanidrido do pirofosfato (ou difosfato) gera fosfafo
inorgânico: PPi + H2O → 2 Pi. O pirofosfafo contém dois resíduos de fosfato.
Pi
Pi
PPi
A hidrólise da ligação fosfoanidrido que liga os fosfatos beta (β) e gama (γ ) do ATP
ATP + H2O → ADP + Pi.
gera fosfato inorgânico + ADP:
ADP
ATP
A glicose-3sulfato contém
um resíduo de
glicose e outro
de sulfato; a
ligação diz-se14
sulfoéster
As aminas resultam da substituição de um ou mais hidrogénios
do amoníaco (ou do ião amónio) por cadeias carbonadas.
OH
O OH
H
H
OH
γ
β
H
HO
α
H
H
A hidrólise da ligação fosfoanidrido que liga os fosfatos alfa (α) e beta (β) do ATP gera
pirofosfato + AMP:
15
ATP + H2O → AMP + PPi.
H
Glicosamina
N
H
16
Glicosamina com o grupo amina protonado
Os grupos amida podem ser compreendidos como sendo o resultado da
reacção entre um ácido e o amoníaco (ou de um ácido e um grupo amina) com
perda de água.
Os aminoácidos são compostos orgânicos que contém pelo menos um grupo
carboxílico e um grupo amina.
Nos aminoácidos que fazem parte das proteínas existe sempre um grupo
amina no carbono 2 (ou α) e um grupo carboxílico que contém o carbono 1.
São exemplos:
prolina
(contém amina
secundária =
azoto liga-se a
2 carbonos)
lisina
glicina,
o aminoácido mais
simples
(também
contém
grupos
amina no
carbono
6)
A hidrólise de uma
amida gera um
ácido carboxílico e
amoníaco...
H
R
N C
H amida O
ácido
carboxílico
amoniaco
…que aceitando um protão se converte em
amónio. (pelo contrário, os grupos amida não
H+
aceitam protões)
NH4+
glutamina
amoniaco
glutamato
ou ácido
glutâmico
(contém
carboxilo
no carbono
6)
ácido
glutâmico
17
histidina (contém anel imidazol)
triptofano (contém anel indol)
A glutamina é um aminoácido com um grupo amida no carbono 5; a hidrólise do grupo
18
amida gera glutamato e amoníaco...
Ao contrário dos
gliceraldeídos L e D, a
glicina e a di-hidroxiacetona O
não são moléculas quirais
(não têm nenhum carbono
assimétrico).
Uma molécula diz-se quiral quando a sua imagem num espelho plano não
é sobreponível consigo própria mesmo se a rodarmos e fizermos rodar as
ligações simples.
O
O
O
N
“As nossas mãos são enantiómeros.
O único carbono assimétrico do(s)
gliceraldeído(s) é o carbono 2.
Todas as moléculas quirais
têm, pelo menos, um
O gliceraldeído-L
e o gliceraldeído-D são
moléculas quirais; entre si são enantiómeros
(um tipo de isómeros ópticos).
carbono assimétrico: um
carbono ligada a quatro
átomos (ou grupos de
19 .
átomos) todos diferentes
“
Estes dois modelos
representam a mesma
molécula: a glicina, o único
aminoácido que não tem
carbonos assimétricos.
N
A identidade dos dois modelos é evidente se fizermos rodar
a ligação (simples) assinalada.
Tal como a glicina também a dihidroxiacetona não tem carbonos
assimétricos.
Estes dois modelos representam a
mesma molécula: a di-hidroxiacetona
(a cetose mais simples).
20
De acordo com a convenção
de Fischer, quando se
representam no plano do papel
estruturas com carbonos
assimétricos, os carbonos
alinham-se por ordem
numérica na vertical e os
carbonos a ele ligados estão,
na estrutura tridimensional,
atrás do plano do papel.
As enzimas distinguem os isómeros D e L porque (em geral) apenas uma
delas tem uma estrutura que é complementar e “encaixa” no centro activo da
enzima.
Enzima que liga o
gliceraldeido-D
Sempre o mesmo gliceraldeido-D
Gliceraldeido-D
Gliceraldeido-L
Isto permite compreender que na esmagadora maioria dos casos só exista na natureza
um dos enantiómeros de uma determinada substância.
gliceraldeido-L
gliceraldeido-D
Por isso, num contexto bioquímico, é desnecessário dizer gliceraldeído-D,
glicose-D, lactato-L ou alanina-L
…nos seres vivos
Os gliceraldeidos L e D têm configurações invertidas no último (neste caso, o único)
21
carbono assimétrico. Orientados de acordo com a convenção de Fischer, o hidroxilo
deste carbono fica à esquerda no gliceraldeido-L e à direita no gliceraldeido-D.
A glicose-L e a glicose-D são enantiómeros e distinguem-se por terem uma
configuração invertida em todos os carbonos assimétricos (os carbonos 2, 3,
4 e 5).
A glicose-L
sintetizase no
laboratório
As plantas
e os
animais
sintetizam
glicose-D.
A galactose, a glicose e a manose são monossacarídeos distintos e
todos têm 4 carbonos assimétricos. São todos de tipo D porque no
último carbono assimétrico (o carbono 5) o OH está virado para a
direita.
A galactose e a
glicose são
epímeros entre si
A glicose e a
manose são
epímeros entre si
A galactose
Último
carbono
assimétrico
com OH
virado para
a esquerda.
todo o gliceraldeído é gliceraldeído-D
toda a glicose é glicose-D
todo o lactato é lactato-L
22
toda a alanina é alanina-L
e
são diasteroisómeros.
a manose
Último
carbono
assimétrico
com OH
virado para
a direita.
23
As moléculas das glicoses L e D são a imagem em espelho uma da outra.
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Quando as oses assumem a forma cíclica (formação do semi-acetal) passa a
haver mais um carbono assimétrico (o que na forma linear era o do grupo
carbonilo) que passa a designar-se de carbono anomérico.
A glicose α e a glicose β são um tipo particular de isómeros ópticos:
são anómeros.
Glicose β
Glicose α
A glicose α e a glicose β estão em equilíbrio químico (não enzímico)
interconvertendo-se uma na outra via forma linear.
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