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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CH3CH2CH2CH3
CH3CH2CH3
1
Laboratório de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto
C4H10
As cadeias carbonadas podem ser ramificadas como no isobutano (2-metil-propano).
H 3C
As cadeias podem ser cíclicas como no
ciclopentano
CH
CH3
Fórmula molecular =
C4H10
2
H2C
CH3
CH2
CH2
o n-butano e o isobutano são isómeros
porque têm a mesma fórmula molecular.
CH2
Os alcenos são hidrocarbonetos que contêm, pelo menos, uma ligação dupla
H
(são insaturados).
H
H
C
H
H
C
H
H
C H
C
H
H
C
H
Os alcanos são hidrocarbonetos
saturados;
os alcenos são insaturados
podendo ser
isómeros cis ou trans.
2
n-butano
O tetradecano é um alcano
Sou um alcano e estou saturado…
de hidrogénios
H
H
H
Fórmula molecular =
propano
O 7-trans-tetradeceno é um alceno
H H
H
H
H
H
Se perder hidrogénios
oxido-me e fico
Eteno CH2=CH2
insaturado
XH2
2-cis-penteno
2-trans-penteno
3
… são isómeros cis-trans
4
O 7-cis-tetradeceno é um alceno
O benzeno é um hidrocarboneto aromático: é um anel
com 6 carbonos e 3 duplas ligações conjugadas.
Os
hidrocarbonetos
costumam
classificar-se em
Tal como o colesterol também o metanol
e o etanol contêm um grupo hidroxilo:
são álcoois.
Aromáticos: com um ou mais anéis benzénicos
O glicerol é um poliálcool e
contém 2 hidroxilos primários
e 1 secundário.
Alifáticos: cadeias carbonadas lineares ou ramificadas
A fenilalanina contém um anel benzénico: é um aminoácido
aromático.
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.
perhidro-fenantreno
Alguns lipídeos complexos contêm uma
ligação éter entre o resíduo de um
álcool gordo e o resíduo de glicerol
ciclopentano
Colesterol: ciclopentano-perhidro-fenantreno
Fenantreno
hidroxilado no carbono 3, dupla ligação no carbono 5
dois grupos metilo (nos carbonos 10 e 13) e
5
uma cadeia alifática ramificada com 8 carbonos no carbono 17.
Se substituirmos o átomo de O por um átomo de S num grupo hidroxilo (-OH)
obtemos um grupo tiol (-SH).
6
No éter etílico (R1-O-R2), R1 e R2 são grupos etilo
Um plasmalógeno
Quando dois compostos que contêm grupos tiol reagem entre si com perda de
átomos de hidrogénio (oxidação) e ficam ligados pelos átomos de enxofre, a
ligação resultante diz-se dissulfureto (R-S-S-R).
Estou oxidado
porque perdi
hidrogénios
Glutatião (forma reduzida); GSH
GSH
XH2
GSSG
GSH
Cisteína
Coenzima A (CoA ou CoASH)
Grupo (ou ligação) dissulfureto
7
Dissulfureto do glutatião (forma oxidada); GSSG
Na metionina (um aminoácido) um grupo
metilo liga-se à restante molécula por uma
ligação sulfureto (R-S-R).
8
A oxidação de hidroxilos primários dá origem a aldeídos.
A oxidação do etanol dá origem ao etanal (ou acetaldeído).
Com a perda de
hidrogénios fiquei
mais oxidado que
o etanol
Os glicídeos são derivados aldeídicos (aldoses) ou cetónicos
(cetoses) de poliálcoois.
O
HC
HO
C
H2C
gliceraldeído
Com a perda de
hidrogénios fiquei
mais oxidado que
o 2-propanol
A oxidação de hidroxilos secundários dá origem a cetonas.
A oxidação do 2-propanol dá origem à propanona (ou acetona).
grupos
9
aldeído e cetónico = grupo carbonilo (nome colectivo)
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:
O gliceraldeído (aldotriose)
OH
H2C
e a di-hidroxiacetona (cetotriose)
H
OH
…e são isómeros entre si.
C3H6O3
H2C
di-hidroxiacetona OH
O
HC
OH
H
C
OH
a frutose (uma cetohexose)
HO
C
H
também
C
OH
H
C
OH
H2C
glicose
H2C
A glicose (uma aldohexose) e
H
OH
O
C
são os monossacarídeos mais simples
são monossacarídeos
…e também são isómeros entre si.
C6H12O6
C
O
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H2C
frutose
OH
10
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
11
A hidrólise (a inversa da reacção representada) da ligação acetal (ou glicosídica tipo
12
O) da maltose leva à libertação de duas moléculas de glicose:
a maltose é formada por dois resíduos de glicose.
A oxidação de grupos aldeído origina grupos carboxilo. Os
compostos que têm grupos carboxilo são ácidos carboxílicos.
Ao perder um protão fiquei
desprotonado; neste caso tb fiquei
com carga eléctrica: fiquei ionizado
Ao ganhar um
oxigénio fiquei
oxidado
ácido palmítico
ácido
acético
O
C
H3C
+ palmitato
O
OH
C
H3C
acetato
acetaldeído
Em Bioquímica, se não estamos a tratar de reacções ácido base, pode dizer-se
palmitato (ou ácido palmítico) para nos referirmos colectivamente ao conjunto:
O
-
…a mesma regra se aplica a todos os ácidos e respectivas bases (ou sais).
Reacção de dissociação
protónica (ou protólise).
Ácido propiónico ou propionato
Ácido pirúvico ou piruvato
Ácido láctico ou lactato
Os grupos carboxílicos
que sofreram
dissociação protónica
chamam-se grupos
carboxilato.
Reacção de
oxidação
Em Bioquímica, se não estivermos a falar de reacções ácido-base (como as
de dissociação protónica), podemos dizer ácido acético (ou acetato) para13nos
referirmos colectivamente ao conjunto ácido acético + acetato.
Ácido succínico ou
succinato
Ácido cítrico ou
14
citrato
Quando um ácido
carboxílico é
dissolvido em água
tende a ionizar-se
(sofrer protólise)
libertando protões e
o respectivo sal (ou
base).
Quando uma
base é dissolvida
num meio que
contém protões
tende a ligar
protões
convertendo-se
no ácido
correspondente.
Resumindo. Quando um álcool se oxida gera-se um aldeído (ou uma cetona).
Quando um aldeído se oxida gera-se um ácido carboxílico. Quando um ácido
carboxílico sofre protólise gera-se o sal (ou base) correspondente.
CH3CHOHCOOH → CH3CHOHCOO- + H+
CH3CHOHCOO- + H+ → CH3CHOHCOOH
A ligação de um grupo carbonilo
a um álcool com rearranjo
molecular gera uma ligação
semi-acetal
etanol
Quando o pH do meio é mantido a um determinado valor a proporção relativa das
formas dissociada (desligada do protão) e não dissociada (ligada ao protão) depende
da força do ácido e do valor do pH.
acetaldeído
ácido acético
acetato
A ligação de um grupo semiacetal a um álcool com perda de
água gera uma ligação acetal.
Semi-acetal + hidroxilo
H2O
pH = 1
>
pH = 3,7
=
pH = 7
<
15
16
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 os resíduos
constituintes do éster, ácido + álcool.
A hidrólise de um tioéster liberta ácido + tiol: a acetil-coenzima A contém
coenzima A ligada ao ácido acético (acetato) por uma ligação tioéster.
éster de colesterol
colesterol
ácido gordo
Acetil-CoA
+ H 2O
→
CoA
+ ácido acético
Ao contrário dos grupos ésteres (e tioésteres) que são aprótidos (não ligam nem
libertam protões) um dos produtos da sua hidrólise é um ácido.
H2O
Um triacilglicerol
glicerol + 3 ácidos gordos
17
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; Pi
fosfoéster que
existe na glicose-6fosfato leva à
libertação de glicose
+ fosfato (ou Pi);
Glicose6-fosfato
glicose
a glicose-6-fosfato
contém um resíduo
de glicose e outro
resíduo de fosfato.
hidrólise
18
protólise
As ligações que podem ser entendidas como resultando da reacção entre dois
ácidos (ou sais) com perda de água designam-se de ligações anidrido.
grupo
carboxilo
ligação
anidrido
ácido fosfórico;
fosfato inorgânico; Pi
A hidrólise da ligação fosfoanidrido (liga dois fosfatos) do pirofosfato (ou difosfato)
gera fosfafo inorgânico: PPi + H2O → 2 Pi. O pirofosfafo contém dois resíduos de
fosfato.
Quando, num éster, o ácido é o ácido sulfúrico (ou o seu sal, o sulfato) a ligação diz-se
sulfoéster.
Pi
Pi
PPi
Ácido sulfúrico
Glicose3-sulfato
glicose
A glicose-3-sulfato
contém um
resíduo de glicose
e outro de sulfato
ligados por uma
19
ligação sulfoéster
A hidrólise da ligação fosfoanidrido que liga os fosfatos beta (β) e gama (γ ) do ATP
ATP + H2O → ADP + Pi.
gera fosfato inorgânico + ADP:
ATP
γ
β
α
ADP
20
O amoníaco (NH3)
é uma base que,
quando aceita um
protão, se converte
no
ião amónio (NH4+).
Resumindo. Quando um éter sofre hidrólise libertam-se dois álcoois.
acetal + H2O →
semiacetal + álcool
éster + H2O → ácido + álcool
tioéster + H2O → ácido + tiol
As aminas resultam da substituição de um ou mais hidrogénios
do amoníaco (ou do ião amónio) por cadeias carbonadas.
fosfoéster + H2O →
ácido fosfórico (fosfato) + álcool
OH
sulfoéster + H2O →
ácido sulfúrico (sulfato) + álcool
H
anidrido + H2O → 2 ácidos (sais)
OH
amida + H2O →
ácido + amina ou amoníaco (amónio)
21
prolina
(contém amina
secundária =
azoto liga-se a
2 carbonos)
lisina
H
N
H
Glicosamina
22
Glicosamina com o grupo amina protonado
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:
histidina (contém anel
imidazol… que é um
heterociclo aromático)
H
H
E também:
(também
contém
um grupo
amina no
carbono
6)
H
HO
fosfoanidrido + H2O →
2 ácido fosfórico (fosfatos)
glicina,
o aminoácido mais
simples
O OH
H
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.
amida
A hidrólise de uma
amida gera um
ácido e amoníaco...
R
N C
H
amoníaco
O
…que aceitando um protão se converte em amónio.
(ao contrário do amoníaco e das aminas, os grupos
amida não aceitam nem cedem protões, são aprótidos)
glutamina
glutamato
ou ácido
glutâmico
(contém
grupo
carboxilo
no carbono
5)
H
H+
ácido
carboxílico
NH4+
amoníaco
ácido
glutâmico
triptofano (contém anel indol
23
…que é um heterociclo
aromático)
A glutamina é um aminoácido com um grupo amida no carbono 5;
a hidrólise do grupo amida gera amónio e glutamato...
24
Nos peptídeos e nas proteínas os resíduos dos aminoácidos estão ligados por
ligações amida. Quando a ligação amida envolve o grupo α-amina de um
aminoácido e o grupo carboxílico do carbono 1 doutro aminoácido a ligação
diz-se peptídica.
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.
ácido aspártico
α
aspartame
H2O
α
ligação éster
Fenilalanina esterificada com
metanol
ligação amida
“As nossas mãos são enantiómeros.
“
O único carbono assimétrico do(s)
gliceraldeído(s) é o carbono 2.
n H2O
A hidrólise completa de
uma proteína (das suas
ligações peptídicas)
liberta os aminoácidos
constituintes dessa
proteína.
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).
25
Ao contrário dos
gliceraldeídos L e D, a
glicina e a di-hidroxiacetona O
não são moléculas quirais
(não têm nenhum carbono
assimétrico).
Estes dois modelos
representam a mesma
molécula: a glicina, o único
aminoácido “relevante” que não
tem carbonos assimétricos.
O
O
O
N
N
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.
carbono assimétrico: um
carbono ligada a quatro
átomos (ou grupos de
26 .
átomos) todos diferentes
Sempre o mesmo gliceraldeído-D
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).
A identidade dos dois modelos é evidente se
fizermos rodar as ligações (simples) 27
assinaladas.
gliceraldeído-L
gliceraldeído-D
Os gliceraldeidos L e D têm configurações invertidas no último (neste caso, o único)
28
carbono assimétrico. Orientados de acordo com a convenção de Fischer, o hidroxilo
deste carbono fica à esquerda no gliceraldeído-L e à direita no gliceraldeído-D.
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
gliceraldeído-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).
As plantas
e os
animais
sintetizam
glicose-D.
A glicose-L
sintetizase no
laboratório
Gliceraldeído-D
Gliceraldeído-L
Isto permite compreender que na esmagadora maioria dos casos só exista na natureza
um dos enantiómeros de uma determinada substância.
Por isso, num contexto bioquímico, é desnecessário dizer gliceraldeído-D,
glicose-D, lactato-L ou alanina-L
…nos seres vivos
todo o gliceraldeído é gliceraldeído-D
toda a glicose é glicose-D
todo o lactato é lactato-L
29
toda a alanina é alanina-L
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.
Último
carbono
assimétrico
com OH
virado para
a esquerda.
Último
carbono
assimétrico
com OH
virado para
a direita.
30
As moléculas das glicoses L e D são a imagem em espelho uma da outra.
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.
A galactose e a
glicose são
epímeros entre si
A glicose e a
manose são
epímeros entre si
A galactose
e
são diasteroisómeros.
a manose
Glicose β
31
Glicose α
A glicose α e a glicose β estão em equilíbrio químico (não enzímico)
interconvertendo-se uma na outra via forma linear.
32
Na maltose o resíduo de glicose que contribuí para a ligação acetal (glicosídica tipo O)
com o grupo semi-acetal é o anómero α e a ligação diz-se α (1→4).
Resumindo isomerias:
Na celobiose o resíduo de glicose que contribuí para a ligação acetal (glicosídica tipo
O) com o grupo semi-acetal é o anómero β e a ligação diz-se β (1→4).
a) isómeros de cadeia como no caso do n-butano e do 2-metil-propano.
Isómeros são substâncias diferentes com a mesma fórmula molecular. Podem ser:
b) isómeros de posição como no caso do gliceraldeído (D ou L) e da hi-hidroxiacetona.
c) isómeros cis-trans como no caso do 2-trans-buteno e do 2-cis-buteno.
d) isómeros ópticos (diferem na configuração dos “substituintes” ligados aos carbonos
assimétricos)
(dois isómeros ópticos são sempre compostos quirais,
compostos com, pelo menos, um carbono assimétrico,
como os casos da glicose-D ou da alanina-L)
enantiómeros como no caso das glicoses D e L
Isómeros
ópticos
α(1→4)
diasterisómeros
β(1→4)
diasteroisómeros que não são epímeros como o
caso da glicose-D e da manose-D
(não enantiómeros)
epímeros como o caso da glicose-D e galactose-D
33
Bibliografia
1. Chang, R. (1994) Química, 5ª edn, McGraw-Hill, Lisboa.
2. Meisenberg, G. & Simmons, W. H. (1998) Principles of Medical
Biochemistry, Mosby, St. Louis.
3. Murray, R. K., Granner, D. K. & Rodwell, V. W. (2006) Harper's Illustrated
Biochemistry, 27th edn, Lange, Boston.
4. Vargas, J. J. & Macarulla, J. (1979) Fisiquimica fisiologica, 5ª edn,
Interamerica, Madrid.
5. Morrison, R. & Boyd, R. (1992) Química Orgânica, 13ª edn, Fundação
Caloust Gulbenkian, Lisboa.
6. Fontes R., Alçada M.N. (2009) A Bioquímica e a Química Orgânica.
35
anómeros são um caso particular dentro dos epímeros; 34
caso da glicose-D-α e da glicose-D-β