Apostila de estudo para Bioquímica - Laboratório de Biologia

Licenciatura em Ciências Exatas– Biologia IV - Roteiro de estudos – Fundamentos de Bioquímica
Universidade de São Paulo – USP
Instituto de Física de São Carlos – IFSC
Licenciatura em Ciências Exatas
Roteiro de estudos
Fundamentos de Bioquímica
2013
Professora Ilana L. B. C. Camargo
Aluna PAE: Mariana Laureano
[email protected]
Licenciatura em Ciências Exatas– Biologia IV - Roteiro de estudos – Fundamentos de Bioquímica
1 A célula e seus componentes
As células são as menores unidades estruturais e funcionais de todos os organismos vivos. São
capazes, embora limitadamente, de manter as funções básicas para a sobrevivência de um
organismo.
Os organismos vivos são divididos basicamente por dois tipos de células: células procariotas,
que carregam sua informação funcional num genoma circular sem um núcleo definido, e as
células eucariotas que contem um núcleo delimitado, seu genoma possui cromossomos
individuais, e sua estrutura interna é bem organizada.
Toda célula possui membrana plasmática que é uma membrana seletivamente permeável. Ela
permite que os sais e nutrientes necessários entrem na célula e que os produtos de excreção
saiam, mas usualmente exclui a entrada de substâncias não necessárias do ambiente. Dentro
de toda célula há o citoplasma, onde ocorre a maioria das reações catalisadas por enzimas do
metabolismo celular. As células usam a energia química para realizar o trabalho de construção
e manutenção da sua estrutura e para realizar a movimentação e a contração celular. Também
presentes no citoplasma de todas as células estão os ribossomos, pequenos grânulos que
atuam na síntese de proteínas. Todas as células possuem ainda um núcleo onde o material
genético é replicado e armazenado na forma de ácido desoxirribonucleico (DNA).
Entre as células procarióticas a melhor estudada é da Escherichia coli, que está representada
na figura abaixo.
A – Células eucarióticas
A célula eucariótica consiste de citoplasma e núcleo que estão delimitados pela membrana
plasmática. O citoplasma contem um sistema complexo de membranas internas que formam
as estruturas celulares (organelas). As principais organelas são a mitocôndria (nas quais
ocorrem importantes reações químicas liberadoras de energia), o retículo endoplasmático
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(uma série de membranas onde as glicoproteínas e os lipídeos são formados), o complexo de
Golgi (para determinadas funções de transporte) e os peroxissomos (formação e degradação
de algumas substâncias). Células eucarióticas contêm lisossomos, onde numerosas proteínas,
ácidos nucleicos e lipídeos são degradados. Os centríolos, pequenas partículas cilíndricas, são
responsáveis pela formação dos microtúbulos, nas fases de divisão celular. Os ribossomos são
os responsáveis pela síntese de proteínas.
B – Núcleo celular
Na célula eucariótica a informação genética está contida dentro de um núcleo que é
delimitado pela membrana nuclear. Esta membrana contem poros (poros nucleares) que são
responsáveis pelo transporte de substancias entre o núcleo e o citoplasma. O núcleo contem o
nucléolo e a matriz fibrosa com diferentes complexos DNA-proteína.
C – Membrana plasmática
O ambiente celular quer seja sangue ou outros fluídos corporais, é aquoso, e os processos
químicos no interior da célula envolvem moléculas hidrossolúveis. Para a manutenção da sua
integridade, as células devem impedir a água e outras moléculas de fluírem
descontroladamente para dentro ou para fora da célula. Isso é realizado por uma membrana
hidrorresistente composta de moléculas bipartidas de ácidos graxos, a membrana plasmática.
Tais moléculas são fosfolipídios dispostos em uma camada dupla (bicamada) com sua parte
interna lipídica. A própria membrana plasmática contem diversas moléculas que atravessam a
camada biomolecular lipídica uma ou mais vezes para desempenhar funções especiais.
Diferentes de tipos de proteínas de membrana podem ser distinguidos:
(i)
Proteína transmembrana utilizada como canais para o transporte de moléculas de
dentro para fora da célula.
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(ii)
(iii)
(iv)
Proteínas interligadas para fornecer estabilidade.
Moléculas receptoras envolvidas na transdução de sinal
Moléculas com funções enzimáticas para catálise interna de reações químicas em
resposta ao sinal externo.
D – Comparação entre célula animal e vegetal
Células de animais e plantas têm várias características similares. A diferença fundamental é
que a célula de plantas contem cloroplastos para a fotossíntese e são envoltas por uma rígida
camada de celulose e outras moléculas poliméricas. Essas células também possuem vacúolos
para água, íons, açúcar, compostos contendo nitrogênio ou descartes. Vacúolos são
permeáveis à água, mas não a outras substâncias.
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2 Ligações químicas
Ligações iônicas: são formadas por ganho e perda de elétrons. Por exemplo, o sódio (Na) doa
um elétron para o átomo de cloro (Cl). O casamento entre o sódio, um metal de alta
reatividade, com o cloro, um gás verde tóxico, é o sal de cozinha (NaCl).
Cloreto de sódio (NaCl)
Ligação covalente: são formadas pelo compartilhamento de elétrons. Por exemplo, temos a
molécula de água, amônia, dióxido de carbono e a molécula de metano.
Exemplos de ligações covalentes
Ligações de hidrogênio: é um tipo de interação intermolecular que confere certa estabilidade
nas ligações com átomos de alta eletronegatividade (F, O, N).
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Representação de ligações de hidrogênio
Interações hidrofóbicas: Ocorrem entre moléculas hidrofóbicas que buscam interagir
entre si, evitando assim, o contato com a água quando possível.
3 Grupos funcionais
Uma célula viva é basicamente composta de carbono (C), hidrogênio (H), nitrogênio (N) e
oxigênio (O), quase que na seguinte distribuição: 50% de átomos de hidrogênio, 25% de
carbono e 25% oxigênio. Exceto a água, quase todos os componentes são compostos de
carbono.
O carbono é um pequeno átomo com quatro elétrons em sua última camada, podendo formar
quatro fortes ligações covalentes com outros átomos. Porém, mais notavelmente, os átomos
de carbono podem combinar-se entre si para construir cadeias e anéis e, dessa maneira,
grandes moléculas complexas com propriedades biológicas específicas.
Os grupos funcionais determinam as propriedades químicas das moléculas. Entre os principais
grupos funcionais temos álcool, amina, aldeído, cetona e os ácidos carboxílicos.
A - Compostos de hidrogênio, oxigênio e carbono
Quatro simples combinações entre esses átomos ocorrem frequentemente em moléculas
biologicamente importantes: grupo hidroxila (-OH; alcoóis), metila (-CH3), carboxila (-COOH) e
carbonila (C=O; aldeídos e cetonas). Eles conferem as moléculas propriedades químicas
características, inclusive possibilidades para formarem compostos.
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B - Ácido e ésteres
Muitas substâncias biológicas contem uma ligação carbono-oxigênio com propriedades ácidas
ou básicas (alcalinas). O grau de acidez é expresso pelo valor do pH, o qual indica a
concentração de íons de H+ na solução, variando de 10-1 mol/L ( pH = 1, extremamente ácido)
até 10-14 mol/L (extremamente básico). A água pura contem 10-7 mol/L de H+ (pH 7,0). Um
éster é formado quando um ácido reage com um álcool. Ésteres são frequentemente
encontrados em lipídeos e compostos de fosfatos.
C - Ligações carbono-nitrogênio (C-N)
Ligações entre carbono e nitrogênio ocorrem em muitas moléculas biologicamente
importantes: grupos amino, aminas e amidas, especialmente em proteínas. As amidas são
formadas pela combinação de um ácido e de uma amina. Diferentemente das aminas, as
amidas não possuem carga quando em água. A ligação peptídica que liga dois aminoácidos nas
proteínas serve como um dos exemplos. Um ácido carboxílico reage com uma amina,
formando uma amida (aminoácido) e liberando água.
Ácido carboxílico
Amina
Ligação peptídica
Amida (Aminoácido)
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Os aminoácidos, que são as subunidades das proteínas tem importância fundamental. Todas as
proteínas tem um papel específico no funcionamento de um organismo.
D - Compostos de fosfato
Os compostos fosfáticos ionizados desempenham um papel biológico essencial. O grupo
HPO42- é um íon fosfato inorgânico estável oriundo do acido fosfórico (H3PO4) ionizado.
Normalmente ele é representado por Pi.
Grupo fosfato
Entre um íon fosfato e um grupo hidroxila livre pode-se formar um éster fosfático.
Frequentemente os grupos fosfato são ligados a proteínas deste modo.
Éster fosfático
Forma
abreviada
A combinação de dois grupos fosfato dá origem a um grupo difosfato.
Formação de um grupo difosfato
Os compostos fosfáticos desempenham um papel importante em moléculas ricas em energia e
várias macromoléculas que podem armazenar energia.
E - Compostos de enxofre
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Muitas vezes o enxofre serve para ligar moléculas biológicas, especialmente quando dois
grupos sulfidrilas (-SH) reagem para formar uma ponte de sulfeto (-S-S-). O enxofre é o
componente de dois aminoácidos (cisteína e metionina) e de alguns polissacarídeos e
açúcares. As pontes de sulfeto desempenham papel em muitas moléculas complexas, servindo
para estabilizar e manter as estruturas tridimensionais específicas.
Grupo sulfídrila
Ponte dissulfeto
4 Carboidratos
São substâncias biorgânicas encontradas em sistemas biológicos e possuem diversas funções,
como componentes estruturais essenciais das células, também atuam como sítios de
reconhecimento da superfície da célula e servem como principal fonte de energia metabólica.
Carboidratos
Monossacarídeos
Pentoses
(Ribose
Desoxirribose)
Oligossacarídeos
Hexoses
(Glicose
Galactose
Frutose)
Dissacarídeos
(Maltose
Lactose)
Polissacarídeos
(Amido(amilose e
amilopectina)
Glicogênio,
Celulose)
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A - Monossacarídeos
Os monossacarídeos (açúcares simples) são aldeídos (-C=O, -H) ou cetonas (>C=O) com dois ou
mais grupos hidroxilas [fórmula geral (CH2O)n]. O grupo aldeído ou cetona pode reagir como
um dos grupos hidroxilas para formar um anel. Essa é a configuração usual dos açúcares que
têm cinco ou seis átomos de carbono (C) (pentoses e hexoses). Os átomos C são numerados.
As formas D- e L- de açúcares são isômeros especulares da mesma molécula.
As formas que ocorrem naturalmente são as D-(dextro) formas. Estas incluem, adicionalmente,
as formas β e α como estereoisômeros. Nas formas cíclicas, os átomos C dos açúcares não
estão em um plano, mas tridimensionalmente tomam a forma de uma cadeira ou de um barco.
A configuração β-D-glicopiranose (glicose) é favorecida energeticamente, já que todas as
posições axiais são ocupadas por átomos H. O arranjo dos grupos –OH pode diferir, de modo a
se formarem estereoisômeros como a manose ou a galactose.
As formas α e β da glicose diferem pela configuração no carbono anomérico
β-D-glicose
α -D-glicose
estereoisômeros
Glicose
Conformação tipo
cadeira
Isômeros da glicose
B - Dissacarídeos
Os dissacarídeos são formados pela união de dois monossacarídeos, e seus representantes
mais conhecidos são a sacarose e a lactose. Os dissacarídeos são solúveis em água.

Sacarose: formado por uma molécula de glicose e uma molécula de frutose.
A sacarose é o açúcar que consumimos em casa, que usamos em nosso café, sucos,
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
doce. Esse carboidrato pode ser encontrado principalmente na cana-de-açúcar e na
beterraba.
Lactose: formado por uma molécula de glicose e uma molécula de galactose. É
o açúcar encontrado no leite, e é a principal fonte de energia para o bebê durante a
amamentação.
C - Derivados de açúcares
Quando determinados grupos hidroxilas são substituídos por outros, formam-se os derivados
de açúcar. Estes ocorrem especialmente em polissacarídeos. EM um grande grupo de
síndromes determinadas geneticamente, os polissacarídeos complexos não podem ser
degradados, devido à função enzimática reduzida ou ausente (mucopolissacarídeos,
mucolipidoses). Exemplos dos derivados de açúcares são o ácido glicurônico, glicosamina e a
N-acetilglicosamina.
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Oxidação no carbono
C6 da glicose → ácido
glicurônico
Hidroxila no carbono
C2 substituída por
amina→ glicosamina
β-D-glicose
Responsável pelo mecanismo
de desintoxicação da célula
quando se conjuga com a
bilirrubina
Construção de
cartilagem;
Lubrificação das
articulações
N-acetilGlicosamina
D – Polissacarídeos
Os polissacarídeos são formados pela união de centenas, e até mesmo milhares, de
monossacarídeos e não são solúveis em água. Os exemplos mais conhecidos
de polissacarídeos são:



Amido: principal fonte de energia em nossa alimentação. As plantas utilizam o amido
como reserva de energia, e por isso podemos encontrá-lo no interior de caules, mas
principalmente nas raízes, tubérculos e sementes.
Celulose: a celulose é o principal componente da parede celular dos vegetais.
Quitina: principal constituinte do exoesqueleto (esqueleto externo) dos artrópodes,
como os insetos, aracnídeos, crustáceos.
Exemplos de distúrbios humanos hereditários no metabolismo de carboidratos
Diabete melito: um grupo heterogêneo de distúrbios caracterizado por elevados níveis
sanguíneos de glicose, com aspectos genéticos e clínicos complexos.
Distúrbios do metabolismo da frutose: são conhecidos três distúrbios hereditários: frutosúria
benigna, intolerância hereditária à frutose com hipoglicemia e vômitos e deficiência
hereditária de frutose 1,6-bifosfato com hipoglicemia, apneia, acidose láctica e
frequentemente, resultado letal em recém-nascidos.
Doenças do armazenamento do glicogênio: um grupo de distúrbios do metabolismo do
glicogênio que diferem em sintomas clínicos e nos genes e nas enzimas envolvidos.
Metabolismo da galactose: três distúrbios hereditários diferentes, com toxicidade aguda e
efeitos a longo prazo.
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5 Lipídios
Os lipídeos geralmente ocorrem como grandes moléculas (macromoléculas). São componentes
essenciais das membranas e precursores de outras importantes biomoléculas, tais como os
esteroides para a formação de hormônios e outras moléculas para transmitir os sinais
intercelulares. Além dos ácidos graxos, os compostos com carboidratos (glicolipídeos), grupos
fosfatos (fosfolipídeos) e outras moléculas são especialmente importantes. Uma característica
especial é sua acentuada polaridade, com uma região hidrofílica (que atrai água) e outra
hidrofóbica (que repele a água). Isso torna os lipídeos especialmente adequados para
constituir os limites os limites externos da célula (membrana celular).
A – Ácidos graxos
Os ácidos graxos são compostos de uma cadeia de hidrocarbonetos com um grupo ácido
carboxílico terminal. Assim, são polares, com uma extremidade hidrofílica
(-COOH) e
outra hidrofóbica (-CH3), e diferem no comprimento da cadeia e seu grau de saturação.
Quando ocorrem uma ou mais ligações duplas na cadeia, o ácido graxo é classificado como
insaturado. Uma ligação dupla torna a cadeia relativamente rígida e causa uma torção. Os
ácidos graxos formam a estrutura básica de muitas macromoléculas importantes. O grupo
carboxila livre (-COOH) de um ácido graxo PE ionizado (-COO-).
Hidrofílico
Hidrofóbico
Ácido graxo saturado
Sólidos a temperatura ambiente – gordura
animal/tecido adiposo
Ácido graxo insaturado
Líquidos a temperatura ambiente – óleos
vegetais/sementes (amêndoa, castanha)
A margarina é de origem vegetal, mas sofre hidrogênação, e por isso é saturada.
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B – Lipídeos
Os ácidos graxos podem combinar-se com outros grupos de moléculas para formar outros
tipos de lipídeos. Como moléculas insolúveis em água (hidrofóbicas), são solúveis apenas em
solventes orgânicos. O grupo carboxila pode entrar em uma ligação de um éster ou de uma
amida. Os triglicerídeos são compostos ácidos graxos com glicerol.
Os glicolipídeos (lipídeos com resíduos de açúcar) e os fosfolipídeos (lipídeos com um grupo
fosfato ligado a um derivado de álcool) são as bases estruturais de importantes
macromoléculas. Sua degradação intracelular exige a presença de várias enzimas, cujos
distúrbios têm uma base genética e levam a numerosas doenças determinadas geneticamente.
Os esfingolipídeos constituem um notável grupo de moléculas nas membranas biológicas.
Nestas, a esfingosina, em vez do glicerol, é a molécula de ligação com o ácido graxo. A
esfingomielina e os gangliosídeos contêm esfingosina. Os gangliosídeos perfazem 6% dos
lipídeos do sistema nervoso central. São degradados por uma série de enzimas. Distúrbios
geneticamente determinados de seu catabolismo acarretam graves doenças, como por
exemplo, a doença de Tay-Sachs, devida à degradação defeituosa do gangliosídeo GM2
(deficiência de β-N-acetil-hexosaminidase).
Glicerol pode se
ligar a ácidos
graxos para
formar
triglicerídios
Triglicerídios
•
•
•
Encontram-se na forma de gordura na alimentação que consumimos.
Circulam em nossa corrente sanguínea e se armazenam no tecido adiposo.
Um nível alto de triglicerídeo pode causar inúmeros problemas de saúde, incluindo o
desenvolvimento de pancreatite e doenças do coração.
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açúcar
glicerol
ácido graxo
Glicolipídio
Estão presentes na
membrana plasmática
hidrofóbico
Fosfolipídio
Estão presentes
nas membranas
das células e em
lipoproteínas
plasmáticas
C – Agregados lipídicos
Dadas as suas propriedades bipolares, os ácidos graxos podem formar agregrados lipídicos na
água. As extremidades hidrofílicas são atraídas ao seu ambiente aquoso; as extremidades
hidrofóbicas projetam-se da superfície da água e formam uma película superficial. Se
estiverem completamente abaixo da superfície, podem formar membranas com duas camadas
(membrana lipídica biomolecular ou bicamada). Estes são os elementos estruturais básicos das
membranas celulares, os quais impedem que as moléculas da solução aquosa circundante
invadam a célula.
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Agregados lipídicos
Grandes agregados
unidos por forças
hidrofóbicas
Membrana plasmática
em duas camadas
(bicamada fosfolipídica)
D – Outros lipídeos: esteróides
Os esteróides são pequenas moléculas que consistem em quatro diferentes anéis de átomos
de carbono. O colesterol é o precursor das cinco principais classes de hormônios esteroides:
prostágenos, glicocorticoides, mineralocorticoides, andrógenos e estrógenos. Cada uma dessas
classes hormonais é responsável por importantes funções biológicas, tais como manutenção
da gravidez, metabolismo das gorduras e das proteínas, manutenção do volume e da pressão
sanguíneos e desenvolvimento das características sexuais.
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Outros lipídios: esteroides
Colesterol
Derivados de colesterol
Testosterona
Estradiol
Exemplos de distúrbios humanos hereditários no metabolismo lipídico e lipoprotéico:
Hipercolesterolemia familiar, a deficiência de lípase lipoproteica familiar, a
disbetalipoproteinemia e os distúrbios da lipoproteína de alta densidade (LDL).
6 Aminoácidos
Os aminoácidos são as unidades estruturais básicas das proteínas. Uma sequência linear
definida dos aminoácidos e uma estrutura tridimensional específica atribuem propriedades
físico-químicas a cada proteína. Um aminoácido consiste em um carbono “central” com uma
ligação a um grupo amino (-NH2), outra a um grupo carboxila (-COOH), a terceira a um átomo
de hidrogênio e a quarta a uma cadeia lateral variável. Os aminoácidos são ionizados em
soluções neutras, uma vez que o grupo amino adquire um próton (-NH3+) e o grupo carboxila
dissocia-se (-COO-). A cadeia lateral determina as características distintas de um aminoácido,
incluindo tamanho, forma, carga elétrica ou capacidade de ligação com o hidrogênio e a
reatividade química específica total. Os aminoácidos podem ser diferenciados conforme sejam
neutros ou não neutros (básicos ou ácidos) e possuam uma cadeia lateral polar ou não polar.
Cada aminoácido tem suas próprias abreviaturas de três letras e de uma letra. Os aminoácidos
essenciais em vertebrados são: His, Ile, Leu, Lis, Met, Fen, Ter, Tir e Val.
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Estrutura geral dos aminoácidos
A – Aminoácidos são classificados de acordo com sua cadeia lateral
Todos os aminoácidos neutros têm um grupo –COO- e um grupo -NH3+. Os aminoácidos mais
simples apresentam uma cadeia lateral alifática (ou acíclica) simples. Para a glicina, esta
consiste meramente em um átomo de hidrogênio (-H); para a alanina, em um grupo metila (CH3). Cadeias laterais maiores ocorrem na valina, na leucina e na isoleucina. Tais cadeias são
hidrofóbicas (hidrorrepelentes) e tornam seus respectivos aminoácidos menos solúveis em
água que as cadeias hidrofílicas (com afinidade pela água). A prolina tem uma cadeia lateral
alifática que, diferentemente do que se observa em outros aminoácidos, sua cadeia lateral
está ligada tanto ao carbono central quanto ao grupo amino, de modo que se forma uma
estrutura em anel. Cadeias laterais aromáticas (ou cíclicas) ocorrem na fenilalanina (um grupo
fenil ligado ao carbono central por meio de um grupo metileno –CH2–) e no triptofano (um
anel indol ligado ao carbono central por meio de um grupo metileno). Esses aminoácidos são
muito hidrofóbicos. Dois aminoácidos contêm átomos de enxofre (S). Na cisteína, este está sob
a forma de um grupo sulfidrila (-SH); na metionina, é um tioéster (-S-CH3). Ambas são
hidrofóbicas. Na cisteína, o grupo silfidrila é muito reatico e participa da formação de pontes
de sulfeto (-S-S). Tais ligações desempenham um importante papel na estabilização da forma
tridimensional das proteínas.
A serina, a treonina e a tirosina contêm grupos hidroxilas (-OH). Assim, são formas hidrolisadas
de glicina, alanina e fenilalanina, respectivamente. Os grupos hidroxilas as tornam hidrofílicas
e mais reativas do que as formas não hidrolisadas. Tanto a asparagina como a glutamina
contêm um grupo amino e um grupo amida. No pH fisiológico, suas cadeias laterais
apresentam carga negativa.
Os aminoácidos carregados têm dois grupos amino ionizados (básico) ou dois grupos carboxilas
ionizados (ácidos). Os aminoácidos básicos (de carga positiva) são a arginina, a lisina e a
histidina. A histidina tem um anel imidazol e pode ser de carga negativa ou positiva,
dependendo do meio. Ela é frequentemente encontrada nos centros reativos das proteínas,
onde toma parte em ligações alternantes (por exemplo, na região da hemoglobina que se liga
ao oxigênio). O ácido aspártico e o ácido glutâmico têm, cada um, dois grupos carboxilas (COOH) e são, assim (via de regra), ácidicos.
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Sete dos 20 aminoácidos têm cadeias laterais fracamente ionizáveis, tornando-os bastante
reativos (Asn, Glu, His, Cis, Tir, Lis, Arg).
Exemplos de distúrbios humanos hereditários no metabolismo dos aminoácidos
Os aminoácidos glicina, fenilalanina, tirosina, histidina, prolina e lisina e os aminoácidos de
cadeia ramificada valina, leucina e isoleucina estão predominantemente envolvidos em vários
distúrbios que acarretam sintomas metabólicos tóxicos, decorrentes de um aumento ou de
uma diminuição de sua concentração plasmática.
Fenilcetonúria: os distúrbios da hidroxilação da fenilalanina resultam em sinais clínicos
variáveis, dependendo da gravidade, causados por um espectro de mutações no gene
responsável.
Doença de urina em xarope de bordo: um distúrbio variável devido à deficiência da
desidrogenase do α-cetoácido de cadeia ramificada, que acarreta o acúmulo de valina, leucina
e isoleucina. A forma grave clássica resulta em sérios danos neurológicos à crianças.
Apolares (hidrofóbicos), grupo R alifático
Glicina
Gln (G)
Alanina
Ala (A)
Leucina
Leu (L)
Prolina
Pro (P)
Isoleucina
Ile (I)
Valina
Val (V)
Metionina
Met (M)
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Grupo R aromático
Fenilalanina
Phe (F)
Tirosina
Tyr (Y)
Triptofano
Trp (W)
Polares (hidrofílicos) sem carga
Serina
Ser (S)
Treonina
Thr (T)
Asparagina
Asn (N)
Cisteína
Cys (C)
Glutamina
Gln (Q)
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Grupo R carregado positivamente
Arginina
Arg (R)
Histidina
His (H)
Lisina
Lys (K)
Grupo R carregado positivamente
Arginina
Arg (R)
Histidina
His (H)
Lisina
Lys (K)
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7 Proteínas
As proteínas estão envolvidas em praticamente todos os processos químicos dos organismos
vivos. Sua significância é evidente, visto que, como enzimas digerem as reações químicas nas
células vivas. Sem a catálise enzimática, as macromoléculas envolvidas não reagiriam
espontaneamente. Todas as enzimas são produtos de um ou mais genes. As proteínas também
servem para transportar pequenas moléculas, íons ou metais. Elas exercem importantes
funções na divisão celular, durante o crescimento, e na diferenciação das células e tecidos.
Controlam a coordenação de movimentos por meia da regulação das células musculares e da
produção e da transmissão de impulsos dentro das células nervosas e entre elas. As proteínas
controlam a homeostase (coagulação sanguínea) e a defesa imune. Realizam, ainda, funções
mecânicas na pele, nos ossos, nos vasos sanguíneos e em outras áreas.
A – Ligações peptídicas
As unidades essenciais das proteínas, os aminoácidos, podem ser mantidas juntas facilmente
devido à sua ionização dipolar (zwitteríons). O grupo carboxila de um aminoácido liga-se ao
grupo amino do adjacente (uma ligação peptídica, às vezes também referida como ligação
amídica). Quando muitos aminoácidos são unidos por ligações peptídicas, forma-se uma
cadeia polipeptídica. Cada cadeia polipeptídica tem um sentido definido, determinado pelo
grupo amino (-NH2) em uma extremidade e pelo grupo carboxila (-COOH) na outra. Por
convenção, o grupo amino representa o inicio, e o grupo carboxila, o término da cadeia
polipeptídica.
Ligação peptídica
Aminoácido 1
Aminoácido 2
Formação de um peptídeo
B – Estrutura primária de uma proteína
A determinação da estrutura da insulina por Frederick Sanger foi um fato marcante. Mostrou,
pela primeira vez, que uma proteína, em termos genéticos um produto gênico, tem uma
sequência de aminoácidos precisamente definida. A sequência de aminoácidos fornece
informações importantes sobre a função e a origem evolutiva de uma proteína.
A estrutura primária de uma proteína é sua sequência de aminoácidos em um plano
unidimensional.
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Estrutura
Primária
Estrutura
Quaternária
Estrutura
Secundária
Estrutura
Terciária
α -hélice
Resíduos de
aminoácidos
Cadeia polipeptídica
Subunidades
protéicas
Níveis de organização das proteínas
B – Estrutura secundária de proteínas
A estrutura secundária descreve as estruturas regulares bidimensionais formadas por
segmentos da cadeia polipeptídica. Quando ocorre o enrolamento da cadeia ao redor de um
eixo chamamos de α-hélice. Quando ocorre interação lateral de segmentos de uma cadeia
polipeptídica chamamos de folha – β.
α-hélices e folhas – β são padrões comuns de enovelamento
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Um conjunto de estruturas secundárias fornece domínios proteicos. Esses domínios são
responsáveis pela formação da estrutura tridimensional das proteínas.
α-hélice
folha – β
Estrutura
secundária
Polipeptídeo
de domínio
único
Molécula proteica
formada por dois
diferentes domínios
Principais funções das proteínas
–
–
–
–
–
Estrutural e dinâmica: colágeno e elastina
Transporte de moléculas: hemoglobina e mioglobina
Mecanismos de defesa: imunoglobulinas
Controle global do metabolismo: insulina
Mecanismos contrateis: actina e miosina
8 Enzimas
Definição: catalisadores de reações bioquímicas
As enzimas aumentam várias ordens de grandeza a velocidade das reações diminuindo a
energia de ativação. Algumas reações celulares que têm como catalisadores moléculas
especiais de RNA que são chamadas de Ribozima.
Energia total
Energia de
ativação para a
reação Y → X
Reagente
Energia total
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A enzima
diminui a
energia de
ativação para a
reação Y → X
Reagente
produto
produto
Caminho da reação
não catalisada
Caminho da reação
catalisada por uma
enzima
As enzimas diminuem as barreiras de energia que impedem que as reações químicas ocorram.
•
Nomenclatura
Existem 3 métodos para nomenclatura enzimática:
- Nome recomendado: Mais curto e utilizado no dia a dia de quem trabalha com enzimas;
Utiliza o sufixo "ase" para caracterizar a enzima. Exs: Urease, Hexoquinase, Peptidase
- Nome sistemático: Mais complexo, nos dá informações precisas sobre a função metabólica da
enzima. Ex: ATP-Glicose-Fosfo-Transferase
- Nome usual : Consagrados pelo uso; Exs: Tripsina, Pepsina, Ptialina
•
Classificação
As enzimas são classificadas de acordo com o tipo de reação que catalisam.
1. Oxido-redutases (reações de oxidação-redução ou transferência de elétrons –
Desidrogenases e Oxidases)
1.1.atuando em CH-OH
1.2.atuando em C=O
1.3.atuando em C=O1.4.atuando em CH-NH2
1.5.atuando em CH-NH1.6.atuando em NADH, NADPH
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2.Transferases (transferem
grupos
funcionais
como
amina,
fosfato, acil, carboxil –
Quinases eTransaminases)
2.1.grupos com um carbono
2.2.grupos aldeído ou cetona
2.3.grupos acil
2.4.grupos glicosil
2.7.grupos fosfatos
2.8.grupos contendo enxôfre
3.Hidrolases (reações de hidrólise de ligação covalente - Peptidases)
3.1.ésteres
3.2.ligações glicosídicas
3.4.ligações peptídicas
3.5.outras ligações C-N
3.6.anidridos ácidos
4.Liases (catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e
gás carbônico – Dehidratases e Descarboxilases)
4.1. =C=C=
4.2. =C=O
4.3. =C=N5.Isomerases (reações de interconversão entre isômeros óticos ou geométricos - Epimerases)
5.1.racemases
6.Ligases (catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas préexistentes, sempre às custas de energia - Sintetases)
6.1. C-O
6.2. C-S
6.3. C-N
6.4. C-C
Propriedades das enzimas
As enzimas são catalisadores biológicos extremamente eficientes, elas aceleram em média
109 a 1012 vezes a velocidade da reação, transformando de 100 a 1000 moléculas de
substrato em produto por minuto de reação. Elas atuam em concentrações muito baixas e
em condições suaves de temperatura e pH. Possuem todas as características das proteínas
e podem ter sua atividade regulada. Estão quase sempre dentro da célula e
compartimentalizadas.
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Cofatores enzimáticos e coenzimas
Cofatores são pequenas moléculas orgânicas ou inorgânicas que podem ser necessárias para a
função de uma enzima. Estes cofatores não estão ligados permanentemente à molécula da
enzima, mas na ausência deles, a enzima é inativa. A fração proteica de uma enzima, na
ausência do seu cofator, é chamada de APOENZIMA. Chamamos de HOLOENZIMA enzimas
ligada ao cofator.
Coenzimas são compostos orgânicos, quase sempre derivados de vitaminas, que atuam em
conjunto com as enzimas. Podem atuar segundo 3 modelos:
•
Ligando-se à enzima com afinidade semelhante à do substrato
•
Ligando-se covalentemente em local próximo ou no próprio sítio catalítico da
apoenzima
•
Atuando de maneira intermediária aos dois extremos acima citados.
Especificidade
As enzimas são muito específicas para os seus substratos. Esta especificidade pode ser
relativa a apenas um substrato ou a vários substratos ao mesmo tempo. Esta
especificidade se deve à existência, na superfície da enzima de um local denominado SÍTIO
DE LIGAÇÃO DO SUBSTRATO. O sítio de ligação do substrato de uma enzima é dado por um
arranjo tridimensional especial dos aminoácidos de uma determinada região da molécula,
geralmente complementar à molécula do substrato, e ideal espacial e eletricamente para a
ligação do mesmo. O sítio de ligação do substrato é capaz de reconhecer inclusive
isômeros óticos "D" e "L" de um mesmo composto. Neste sítio de ligação encontramos o
local onde ocorre a reação enzimática, chamado SÍTIO CATALÍTICO ou SÍTIO ATIVO.
Alguns modelos procuram explicar a especificidade substrato/enzima:
•
Modelo Chave/Fechadura : Prevê um encaixe perfeito do substrato no sítio de
ligação, que seria rígido como uma fechadura.
•
•
Modelo do Ajuste Induzido: Prevê um sítio de ligação não totalmente pré-formado,
mas sim moldável à molécula do substrato; a enzima se ajustaria à molécula do
substrato na sua presença.
Evidências experimentais sugerem um terceiro modelo que combina o ajuste
induzido a uma "torção" da molécula do substrato, que o "ativaria" e o prepararia para
a sua transformação em produto.
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Cinética enzimática
É a parte da enzimologia que estuda a velocidade das reações enzimáticas, e os atores que
influenciam nesta velocidade. A cinética de uma enzima é estudada avaliando-se a quantidade
de produto formado ou a quantidade de substrato consumido por unidade de tempo de
reação. O complexo enzima/substrato (ES) tem uma energia de ativação ligeiramente menor
que a do substrato isolado, e a sua formação leva ao aparecimento do estado de transição
"Ts". A formação de "P"(produto) a partir de ES é a etapa limitante da velocidade da reação. A
velocidade de uma reação enzimática depende das concentrações de ENZIMA e de
SUBSTRATO.
Equação de Michaelis-Menten
Michaelis e Menten foram pesquisadores que propuseram o modelo acima citado como
modelo de reação enzimática para apenas um substrato. A partir deste modelo, estas
pesquisadoras criaram uma equação, que nos permite demonstrar como a velocidade de uma
reação varia com a variação da concentração do substrato:
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Esta equação pode ser expressa graficamente, e representa o efeito da concentração de
substrato sobre a velocidade de reação enzimática.
O KM de um substrato para uma enzima específica é característico, e nos fornece um
parâmetro de especificidade deste substrato em relação à enzima. Quanto menor o KM, maior
a especificidade, e vice-versa.
Principais Fatores que Influenciam na Velocidade de uma Reação Enzimática
1. Temperatura : Quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação, até se atingir
a TEMPERATURA ÓTIMA; a partir dela, a atividade volta a diminuir, por desnaturação da
molécula.
2. pH : Idem à temperatura; existe um pH ÓTIMO, onde a distribuição de cargas elétricas da
molécula da enzima e, em especial do sítio catalítico, é ideal para a catálise.
3. [E], [S] e presença de inibidores.
Inibição Enzimática
Os inibidores enzimáticos são compostos que podem diminuir a atividade de uma enzima. A
inibição enzimática pode ser reversível ou irreversível. Resumimos em dois tipos o modo de
inibição enzimática reversível:
1. Inibição Enzimática Reversível Competitiva:
Ocorre quando o inibidor se liga reversivelmente ao mesmo sítio de ligação do substrato. Esse
efeito é revertido aumentando-se a concentração de substrato. Este tipo de inibição depende
das concentrações de substrato e de inibidor.
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2. Inibição Enzimática Reversível Não-Competitiva:
Ocorre quando o inibidor liga-se reversivelmente à enzima em um sítio diferente do substrato.
Sendo assim, a enzima pode estar ligada ao substrato ao mesmo tempo. Este tipo de inibição
depende apenas da concentração do inibidor.
Na inibição enzimática irreversível, há modificação covalente e definitiva no sítio de ligação ou
no sítio catalítico da enzima.