ligações facilmente

Transcrições de BQ
1º Aula
Os organismos vivos são aqueles que conseguem manipular energia para seu proveito e
que se multiplicam, originando descendência fértil. Embora exista uma grande diversidade
ao nível dos organismos macroscópicos, em termos bioquímicos, eles são bastante idênticos
pois partilham o mesmo tipo de moléculas e reacções. Na vida em geral, e nos seres
humanos em particular, poucos são os átomos da Tabela Periódica que constituem as
nossas células. Os maioritários são o C, H, O e N, existindo ainda vestígios de alguns metais
como o Na, S, Ca, etc. (diapositivo 3/37 da aula 1). Os três principais tipos de
macromoléculas orgânicas reactivas no nosso organismo são as proteínas, os lípidos e os
glúcidos. As proteínas são as macromoléculas mais reactivas, enquanto que os outros dois
apresentam sobretudo funções estruturais e energéticas. Existem ainda os ácidos nucleicos
que possuem funções de armazenamento e transporte de informação e que participam em
poucas reacções. Todas estas moléculas (à excepção dos lípidos) são constituídas pelo
somatório dos monómeros que as constituem. Os monómeros das proteínas são os
aminoácidos, dos glúcidos são os monossacáridos e dos ácidos nucleicos são os nucleótidos.
No caso dos lípidos, a família mais importante é a dos trigliceróis, cuja estrutura é formada
por três ácidos gordos e uma molécula de glicerol a juntá-los.
Todas estas moléculas exercem uma função específica não só devido à sua composição
química mas também à sua estrutura. É a estrutura que vai condicionar o tipo de ligações
que as moléculas podem estabelecer, influenciando a sua reactividade. Estas interacções
podem agrupar-se em ligações fortes, como as covalentes (ligação C-C e hidrólise do ATP),
ou ligações fracas, como as interacções de van der Waals (pontes de H são as mais
importantes) e as iónicas. As ligações fracas, como têm origem em dipolos variam muito de
molécula para molécula e até consoante a estrutura. Por exemplo, ao variar o ângulo da
ponte de H, a sua energia também varia (diapositivo 16/37). Existe ainda a ligação
hidrofóbica que se forma quando zonas apolares querem “fugir” à água. Um exemplo disso
são os triglicéridos, cuja cauda formada por ácidos gordos é hidrofóbica. Quando se
encontram em água, como não reagem com ela, estas moléculas vão contribuir para um
aumento da entalpia do sistema. Quando se encontram muitas destas moléculas, elas
tendem a agrupar-se formando as micelas (diapositivo 22/37). Mas não são as moléculas de
triglicéridos que se “atraem” umas às outras. Elas apenas tomam esta disposição por forma
a aumentar a entalpia do sistema. Esta formação de micelas constitui o princípio base da
formação das membranas celulares.
Em bioquímica, é importante ter sempre em atenção as limitações impostas pelos
sistemas vivos. As reacções ocorridas no meio intracelular possuem três parâmetros que
deverão permanecer quase constantes: temperatura, pressão e pH. O caminho que todos os
seres vivos dão à energia que produzem (plantas, bactérias) ou que consomem (animais) é
para produzir trabalho. A energia é essencial à maior parte das reacções bioquímicas
necessárias à vida do organismo. A forma como os humanos adquirem energia é oxidando o
carbono presente nos alimentos. Essa energia é armazenada no ATP. Como a temperatura é
um dos parâmetros que não pode variar muito na célula, as reacções que se dão dentro da
célula, normalmente não se fazem só de uma vez, pois libertariam muita energia,
aquecendo a célula em demasia. Estas reacções processam-se antes através de vias
metabólicas, ou seja, através de vários passos onde produzem menos calor a cada passo. É
ainda importante salientar que existem várias moléculas que o nosso corpo não é capaz de
produzir e que precisam de ser ingeridas através da alimentação.
Outro facto importante é a percentagem de água nas células, 70%, valor que não varia
muito de célula para célula. De facto, a água possui uma série de características que a
tornam perfeita para as reacções bioquímicas. A sua geometria angular faz com que exista
um dipolo e a formação de ligações fracas, as pontes de hidrogénio. Assim, as moléculas
polares serão solúveis na água (ex. glúcidos) ao passo que as moléculas apolares não o serão
(ex. lípidos). É também devido às pontes de H que a água possui um ponto de ebulição e
fusão bastante elevado quando comparado com outras moléculas semelhantes (NH3 e CH3)
. Esta variação é perfeita para os organismos, pois encontra-se dentro das temperaturas
terrestres, mas também porque sendo o ΔT=100, permite a existência de formas de vida
muito diferentes. Outra característica importante da água são os seus calores latentes de
vaporização e fusão, que são bastante elevados em relação ao calor específico. Isto permite,
por exemplo, diminuir a temperatura corporal através do suor gastando pouca quantidade
de água. A água funciona então como um termóstato, mantendo as células à temperatura
óptima (37ºC nos humanos). A tensão superficial da água, isto é, a força necessária para
quebrar a “barreira” que a água faz à passagem de moléculas, está relacionada com o facto
de a célula ser basicamente uma membrana com água lá dentro [o Prof. não chegou a
mencionar especificamente qual a importância disto].
Por último, outro dos factores que não pode variar numa célula é o pH. Toda as moléculas
tendem a dissociar-se em água. O pH da água é 7 a 25ºC mas é apenas um valor tido como
referência para o que é ácido ou básico. Os aminoácidos, em contraste, só são considerados
ácidos para pH<3. O pH do nosso corpo é cerca de 7,4. uma variação de 0,2 é o suficiente
para morrermos. Uma vantagem das células eucariotas em relação às procariotas, é que as
primeiras possuem sistemas membranares dentro de si, o que possibilita a criação de
diferentes ambientes químicos (diferente pH) dentro da mesma célula, conferindo-lhes uma
adaptabilidade muito superior à das células procariotas. Fórmula <tex> ph = pKa + log10([A^
{-}]/[HA])</tex> HA é um ácido.
2º Aula
As moléculas de que falaremos seguidamente são moléculas cujas características se
devem ao facto de estarem em água. Começamos com uma revisão dos tipos de ligações
químicas, em termos de força, que existem:
- ligações covalentes, que são muito fortes;
- interacções não covalentes (entre átomos e/ou moléculas) que são mais fracas:
• Iónicas ( é um erro pensar que as interacções iónicas são obrigatoriamente ligações
atractivas porque estas podem, tanto referir-se a uma interacção atractiva, como repulsiva.)
• Van de Waals
• Pontes de Hidrogénio
• Ligações Hidrofóbicas (ligações entre moléculas apolares, sem carga e que estão em
água. As ligações dão-se exactamente pelo facto de todas as moléculas repelirem a água, o
que contribui para a junção das mesmas umas às outras. Se alterarmos o pH da água ou
mesmo o meio envolvente das moléculas, podemos alterar a força destas, separando-as
umas das outras, quebrando uma ligação que esteja já fortemente estabelecida.)
Apesar de as ligações covalentes serem mais fortes, são as últimas (todas as nãocovalentes) as responsáveis pelo funcionamento de uma célula e até da existência de vida.
A água e as suas características são os grandes responsáveis pelo facto de a água ser um
dipolo, e é por ser um dipolo muito forte que tem estas características. A água faz um dipolo
com um ângulo de ligação muito acentuado o que faz com que estabeleça pontes de
hidrogénio. Do lado do átomo de oxigénio a molécula é mais negativa e do outro lado é mais
positiva ( Aparte a água estabelece ligações com outras moléculas pelo facto de ser um
dipolo e não o contrário ). A água tem uma constante de ionização (Kw) e é por isso que, por
vezes vemos a água com um ião H+ e outro HO- separados. O pH é dado por pH= - log[H+]. O
nosso corpo costuma ter pH máx = 7,6 e pH min=7,2, mas isso não quer dizer que não hajam
zonas do nosso organismo que tenham valores de pH muito diferentes, como por exemplo o
estômago, onde o pH é muito mais ácido. Por que é que se o pH variar 0,2 faz toda a
diferença? É que variar 0,2 de pH significa variar brutalmente a concentração de todos os
iões H+ - a escala de pH é logarítmica – portanto, quando se varia 1 valor na escala de pH
estamos a variar 10 vezes a concentração de H+. Exemplo de uma solução ácida: vinagre.
Exemplo de uma solução básica: lixívia. O facto de uma solução ser muito básica ou muito
ácida não significa que estes sejam ácidos ou bases fortes. Existem ácidos muito fracos e
ácidos muito fortes e o mesmo acontece com as bases. Ser forte ou fraco nada tem a ver
com a capacidade de se comportar como ácido ou como base em si. O facto de ser um ácido
fraco significa que tem uma menor tendência a fornecer protões H+. Por exemplo, os ácidos
fracos, normalmente, têm uma boa capacidade tampão, ou seja, não permitem que hajam
grandes variações de pH. O ácido acético é um ácido fraco, o que indica que tem pouca
tendência para se dissociar, para fornecer os seus hidrogénios ao meio ambiente. Se, em
solução formos adicionando HO-, ele consegue fazer com que o valor de pH não se altere
significativamente. (Análise de uma curva de titulação)Tal pode ser perfeitamente
visualizado numa curva de titulação típica. Há uma zona em que existe a molécula no seu
estado mais positivo e outra onde existe a molécula neutra.Por adição de HO- verifica-se
que o pH do meio varia pouco. A zona de equilíbrio entre essas duas zonas é chamado pKa.
Os ácidos fortes não são, por definição, elementos bons tamponantes.Tal deve-se ao
facto de, estes ácidos, em solução, se dissociarem completamente nos seus H+. Estes são
imediatamente libertados para o meio ambiente, de forma a que todos os HO- que forem
adicionados façam variar o pH da solução. O mesmo acontece com as bases. As bases mais
fracas têm maior poder tampão. Terminada esta introdução, vamos começar com a matéria
propriamente dita .
Proteínas
A vida na Terra é possível graças à existência de protéinas, são quem faz a “maquinaria”
funcionar. Por exemplo, existem reacções que só se realizam no nosso organismo, por
serem catalizadas por enzimas, que são proteínas. A contracção e o relaxamento muscular
são dois processos efectuados por enzimas, também. As proteínas também podem
constituir os ossos do esqueleto do nosso corpo, o transporte de substâncias para dentro da
célula é efectuado por proteínas. Como é fácil concluir, as proteínas tanto podem ser
meramente estruturais, como participar num ciclo enzimático e as proteínas podem ser
reactivas como é o caso das enzimas, ou não reactivas como as proteínas mediadoras. Além
disso, ha uma variedade enorme de proteínas, desde umas muitas pequeninas que
funcionam como neurotransmissores a proteínas muito grandes. As proteínas são
polipéptidos e estes polipéptidos são, constituídos por uma subunidade - os aminoácidos.
Existem 20 classes de aminoácidos diferentes, mas todos eles têm em comum a estrutura
de base. Os aminoácidos são estruturalmente muito semelhantes entre si.
• Estrutura de um aminoácido
Todos eles são constituídos por um grupo amino (NH3+) e um grupo carboxilo (grupo
ácido COO-)), sendo os seus pKa muito alto e muito baixo respectivamente. O único grupo
que varia de um aminoácido para o outro é o grupo R, o grupo radical, em cadeia lateral. Os
aminoácidos podem apresentar estruturas diferentes daquelas a que estamos habituados(
em pó ), quando estão em solução ( água pura pH=7 ). Podem reagir, entre si, causando uma
reacção ácido-base, de forma a que o grupo que se comporta como ácido fornece um H+ e o
grupo base aceita esse protão (A reter – definição de ácido base mais correcta para o
professor). Desta forma, em solução aquosa, pode dizer-se que temos sempre aminoácidos
ionizados – com as suas cadeias laterais ionizadas. Os aminoácidos podem ter diferentes
cargas totais. Para calcular a carga total de um aminoácido, basta ver as cargas parciais e se
a sua soma se anula ou não.Lá por estarem ionizados nao quer dizer que, no total, tenham
carga. Existem aminoácidos com carga nula, mas também existem outros, por exemplo,
com carga +1.
• Nomenclatura utilizada ( 2 tipos )
1. O carbono central denomina-se Carbono-alfa. Se chamarmos alfa ao carbono central
temos de ter o cuidado de chamar beta, epsilon, delta ..etc.. aos carbonos das cadeias
laterais. ou
2. Numera-se os carbonos a partir do grupo carboxilo e assim sucessivamente.
O carbono central é que determina as características da proteína quanto ao tipo de
ligação aos outros grupos funcionais. A estrutura das moléculas é essencial e influencia
muito. Mesmo que o aminoácido seja constituído pelos mesmos grupos funcionais, se estes
mudarem de sítio, a estrutura é alterada e o aminoácido é semelhante quimicamente mas
diferente estruturalmente. Tal faz com que, duas moléculas que incorporem aminoácidos
quimicamente idênticos mas com estruturas diferentes tenham obrigatoriamente funções
distintas. Existem aminoácidos que são a imagem espelhada um do outro (enateófilos). Na
realidade não ha maneira de os sintetizar separadamente em laboratório. Obtém-se sempre
uma mistura dos dois. Nota importante: A representação de uma molécula em cruz tem um
significado. A linha horizontal molécula quer dizer que a molécula se prolonga para além
daquele plano e a vertical que a molécula se orienta para trás do plano. Nos livros aparece
frequentemente uma representação mais simples: as projecções de Fisher ( a horizontal
está para o nosso lado e a vertical está para trás, mas na realidade elas não estão no mesmo
plano).
Existe uma molécula, o gliceraldeído, que é o precursor de todos os áçúcares. O
Gliceraldeído não é um aminoácido! Apesar de este ser semelhante, não tem um grupo
amina.É uma molécula muito estável. Roda à luz para a esquerda (l – lógico) ou roda à luz
para a direita (d - estrógico.) Os aminoácidos são todos classificados por comparação com a
molécula de gliceraldeído correspondente. Se o grupo amina tiver para o lado
correspondente ao gliceral chama-se l senão chama-se d. Contudo, l e d em aminoácidos não
tem correlação nenhuma com a direcção para a qual eles rodam à luz. Se vos derem um
aminoácido e vos perguntarem para que direcção é que roda, é impossível saber, a não ser
por comparação com o respectivo gliceraldeído.
Todos os aminoácidos são quirais ( devido ao carbono), em comparação com o
gliceraldeído. O interessante é que, se forem retirado aminoácidos de uma planta ou de um
humano eles são sempre l, nós não produzimos aminoácidos d. Existem excepções mas são
muito muito raras. Apesar de não conseguirmos sintetizar só uma forma em laboratório, não
os conseguimos separar, o nosso corpo consegue pois elimina a outra forma. Se comermos
aminoácidos d, podemos morrer por envenenamento. O nosso corpo não funciona com
aminoácidos d. As bactérias, à vezes, em raras excepções conseguem sintetizar aminoácidos
d.
A maneira mais fácil de classificar aminoácidos, em bioquímica, é classificar é com base a
capacidade da cadeia lateral formar ligações ou não. Tal deriva do facto de terem carga ou
não. A glicina é o aminoácido mais simples e é o único que não consegue ter imagem no
espelho – não tem um enateófilo. Por mais que a rodemos, a cadeia continua a ser a
mesma.
Existem aminoácidos polares e não polares: Os aminoácidos não polares são os que têm
mais tendência para formar ligações hidrofóbicas, pelo facto de repelirem a água. Há
algumas características essenciais destes aminoácidos: cada um deles tem reactividade
específica ( por exemplo os aromáticos, a metionina que na cadeia lateral contém átomos de
enxofre..). A nomenclatura a utilizar pode ser o nome completo do aminoácido como
leucina, prolina, ou pode ser um nomenclatura de três letras ou a nomenclatura de uma só
letra (corresponde sempre à primeira letra do nome – (Aparte: o professor não aconselha a
utilização desta regra.)
Os aminoácidos polares são aqueles cuja cadeia lateral tem carga, ainda que se trate de
uma densidade de carga temporária. Pode estabelecer facilmente ligações de Van der Waals
ou interacções iónicas fracas. Estes ainda se dividem em dois tipos: aminoácidos básicos e
aminoácidos ácidos. Quando em solução, ou se comporta como um ácido e cede
hidrogénios ou então como uma base, recebendo protões H+.
• A reactividade dos aminoácidos
Os aminoácidos puros são tóxicos porque são facilmente ionizados. E além disso, têm
poder tamponante, apesar de serem ácidos e bases fracos, podem alterar o pH do meio
ambiente. Os aminoácidos que têm cadeias laterais em anel como os aromáticos captam a
luz na zona do ultra-violeta. Tal é facilmente observado com um espectrofotómetro. Esta
característica é muito utilizada para determinar a concentração de uma solução dessa
proteína.
A reactividade das histerinas (que tem um grupo lateral com um átomo de enxofre) é
enorme. Esta tem muita facilidade em estabelecer ligações com outro aminoácido
formando uma ligação disulfureto ou disulfito ( termo mais correcto), sendo esta uma
ligação covalente muito estável. Dentro das células do nosso corpo existem moléculas que
impedem que esta reacção se dê quando não é necessário que esta se dê. Chamam-se
agentes redutores e tal como nas reacções de oxidação-redução, para reduzir esta ligação
estes cedem electrões à molécula. Se a quiser oxidar faz-se o contrário.
Os 20 aminoácidos diferentes existente, no entanto, não são suficientes. A maior parte
dos organelos do corpo humano contém uma série de aminoácidos derivados, porque o
nosso código genético só codifica 20 aminoácidos. Um aminoácido derivado é sintetizado de
outra maneira que não codificado pelo genoma. Há aminoácidos destes que, apesar de
derivados, são absolutamente essenciais para o corpo humano.Por exemplo, o aminoácido
que auxilia na coagulação do sangue é essencial na medida em que, na ausência do mesmo
é impossível estancar o sangue nas feridas.
A reactividade dos aminoácidos dá-se através da ionização do aminoácido no grupo
carboxilo ou no grupo amina. A ph=7, o aminoácido tem sempre duas cargas, o que significa
que o aminoácido é reactivo. Na região mais ácida, os aminoácidos têm sempre, pelo
menos, uma carga positiva. Na zona básica, há sempre uma carga negativa por perda de um
hidrogénio. (Análise de Curva de Titulação) Os aminoácidos possuem curvas de titulação(
como as apresentadas nos acetatos ) muito específicas. Ao contrário da curva de titulação
de, por exemplo, o ácido acético CH3COOH, os aminoácidos não podem ter curvas desse
tipo porque possui dois grupos que podem ser titulados, ou seja, dois equilíbrios. Na curva
de titulação de um aminoácido há um ponto que corresponde ao grupo ácido, ao grupo
COOH, seguida da zona de equilíbrio entre o COOH e COO- (pKa) e lá em cima, um novo
ponto de equilíbrio entre o grupo amina e NH2. Nestas duas zonas, os aminoácidos têm
poder tampão, apesar de não muito eficiente. Algures no meio destas duas zonas, encontrase pI - ponto isoeléctrico - o valor para o qual, em solução, a soma de todas as cargas das
moléculas no aminoácido é nula, ou seja o aminoácido é neutro. O ponto isoleléctrico
diverge de aminoácido para aminoácido. ( Aparte, palavras acabadas em mate significa que
nos referimos ao ião do átomo. Exemplo: ácido glutâmico em solução ioniza-se e forma
glutamate.)
É necessário reparar que todos os aminoácidos têm um grupo carboxilo e um grupo
amina, mas estes não têm o mesmo valor de pKa em todos os aminoácidos. Tal deve-se ao
facto de a nuvem electrónica de uma molécula ser influenciada por todos os átomos que
estão nessa molécula e, logo, a força da ligação O-H é diferente em cada aminoácido. Apesar
de variar, varia mais ou menos sempre à volta do mesmo valor.
Não existem aminoácidos livres no nosso corpo, nós armazenamos aminoácidos sempre
sob a forma de proteínas.
Não armazenamos aminoácidos. Vocês não têm dentro das vossas células aminoácidos
livres. Temos é aminoácidos sobre a forma de proteínas. Há múltiplas razões para isso,
quanto mais não seja a pressão osmótica. Como é que fazemos uma proteína? Pegando
num aminoácido e noutro aminoácido e fazendo ligações entre um grupo amina e um grupo
carboxilo. Eles reagem facilmente um com o outro, é uma reacção de condensação, solta-se
uma molécula de água. É o q nós chamamos uma ligação peptídica. É uma ligação covalente,
muito estável e bastante forte. Podemos fazer a hidrólise desta ligação, adicionando água
num meio bastante ácido e aquecendo muito.
Por definição representamos sempre as proteínas com o grupo amina do lado esquerdo e
o grupo carboxilo do lado direito. Todas as proteínas têm pontos de carga. Se todos os
aminoácidos que a constituem fossem apolares tínhamos, pelo menos, dois pontos de
carga, um em cada extremidade (com pH=7). As cadeias laterais podem ser carregadas ou
não, consoante a composição. A soma de todas as cargas diz-nos o ponto isoeléctrico. Por
exemplo, a hemoglobina tem um ponto isoelectrico à volta de 6,8, é basicamente uma
proteína neutra. Algumas delas têm pontos isoeléctricos extremos sendo na maior parte dos
casos moléculas muito reactivas. Tanto a lisozima como a pepsina são enzimas que
degradam outras moléculas. As proteínas podem variar em carga e em tamanho.
Normalmente a massa molecular, o peso das proteínas, é dado em Dalton. É muito raro as
proteínas terem menos de 10 Da. A quitina é a maior que se conhece e é muito pouco
solúvel (intervém na descontracção muscular).
As proteínas, para além de todas as características inatas do conjunto de aminoácidos,
podem estar ligadas covalentemente a outras coisas. As classes mais simples e as mais
óbvias são:
• Lipoproteínas: proteínas ligadas a uma molécula lipídica.
• Glicoproteínas: proteínas ligadas a uma molécula de açúcar.
Para além destas existem:
• Fosfoproteínas: têm grupos fosfato.
• Metaloproteínas: têm uma série de outros átomos metálicos associados, p.e., zinco,
cálcio. A hemoproteina é um caso específico de uma metaloproteína.
• Hemoproteínas: por exemplo, a hemoglobina tem um grupo heme, que é uma molécula
complexa com um átomo de ferro no meio.
Todos estes grupos conjugados à proteína têm o nome de grupos prostéticos. Qual é a
vantagem destes grupos? Cada um destes átomos aumenta as capacidades de reacção da
molécula, ou seja, a adição de iões metálicos torna normalmente as proteínas muito mais
reactivas. As valências dos iões metálicos são muito mais fortes.
Nem todas as proteínas são constituídas só por uma cadeia polipeptídica. No caso da
insulina (caso clássico, foi a primeira proteína a ser sequenciada) existem duas cadeias
polipeptídicas ligadas. A ligação é estabelecida por cisteínas e é muito estável. O facto de
termos duas cadeias permite que tenhamos proteínas com funções novas.
Para conseguirmos estudar as proteínas na maior parte dos casos necessitamos de as ter
puras. Há muitas maneiras de purificar proteínas. As maneiras mais básicas, mais simples
são separá-las por tamanho ou com base na sua carga.
Podemos usar as zonas de carga para tentar separar as proteínas umas das outras. Um
caso clássico é conseguirmos sintetizar com muita facilidade grãos de agarose, em que
temos cargas expostas, no caso sódio. Vamos supor que temos o sódio na região mais
extrema e aqui temos (…). Se vocês passaram através deste (…) e passarem numa solução
de aminoácidos, todos aqueles que tiverem uma carga positiva têm tendência a ligar-se à
matriz por deslocamento do sódio. Nós conseguiríamos ligar a estes grãos todos os
aminoácidos que fossem positivos ou que tenham regiões polares positivas, porque
competem com o sódio. Agora como é que os soltamos? Neste caso, como é um fenómeno
de competição, se eu começar a aumentar a concentração de sódio no meio, passa a haver
tantos átomos de sódio soltos que eles começam a deslocar os aminoácidos que estão
colados à matriz. Primeiro saem aqueles que têm uma carga mais baixa. Neste caso a
aspartase, que é o mais simples de todos, é o primeiro a soltar-se. O segundo, à medida que
se aumenta a concentração de sódio, seria a serina e, finalmente, a lisina, que é o mais
forte, só quando a concentração de sal é muito elevada é que nós o soltamos. Isto é um
método de purificação, funciona bem para estes três aminoácidos, não funciona bem para
todos os outros porque os outros não se ligam à matriz. Além disso, não temos que usar um
produto químico complexo, basta uma solução salina, NaCl, e o sódio compete e solta estes
aminoácidos.
O mesmo princípio funciona para proteínas. Se em vez de ligar a estes grãos uma mistura
de aminoácidos, eu ligasse uma mistura complexa de proteínas, as que tivessem carga
positiva ligar-se iam directamente. À medida que eu aumento o sódio elas sairiam. Quanto
mais forte a carga das proteínas, mais retardadas são, até que chega a um ponto em que
têm uma carga tão grande que ficam lá coladas dentro. Primeiro saem as que não têm
carga, depois as que começam a ser ligeiramente carregadas, até que deixam de sair
proteínas de todo. Depois começamos a passar sal. Se começarmos a passar NaCl as que
estão coladas e as que estiverem com menos força saem primeiro. É o que nós chamamos
uma cromatografia troquionica, ou seja, estamos a trocar os iões colados à coluna.
Basicamente o princípio de separação é uma separação por carga total da proteína.
Nós conseguimos separar uma gama de proteínas de todas as outras, mas ainda continua
a ser uma mistura complexa. O que podemos fazer a seguir é uma outra cromatografia, em
que vamos separar as moléculas com base no tamanho. Não há correlação entre a carga e o
tamanho. As proteínas não é pelo facto de serem maiores ou menores que têm mais ou
menos carga. São dois parâmetros completamente independentes um do outro, o que
interessa é a composição em aminoácidos. Nós podemos pôr uma coluna troquionica
acoplada a uma coluna que separa por tamanho, o processo físico de separação é
completamente diferente. Neste caso o que nós temos na coluna é uma série de grãos que
são porosos, ou seja, estas esferas não são absolutamente sólidas, têm canais através delas.
Qual é a vantagem de termos estes canais através destes poros? É que se colocarmos uma
mistura complexa de proteínas em que há moléculas muito grandes e moléculas muito
pequenas, as moléculas grandes não conseguem entrar nestes canais, elas só conseguem
andar à volta das esferas. Se vocês puserem aqui uma molécula muito grande ela circula as
esferas e sai rapidamente por baixo. Moléculas muito pequenas têm tendência a entrar
dentro das esferas e a atravessar os canais, ou seja, fazem um percurso muito maior.
Portanto se nós tivermos uma mistura de moléculas grandes e pequenas, as primeiras que
saem são as grandes, que têm um percurso menor através da coluna, a seguir saem as de
tamanho intermédio e por último as pequenas.
As proteínas para funcionarem dependem da sua estrutura. Como é que uma proteína
está disposta em solução? Até agora estamos a dizer que os aminoácidos estão em cadeia,
estabelecida por ligações peptídicas. Mas uma proteína nunca é uma cadeia linear de
aminoácidos. O que as proteínas têm é o que nós chamamos níveis estruturais de
organização. Não se esqueçam que quando mergulhamos uma proteína em solução ela está
a interagir com as moléculas da água. E para deslocar as moléculas da água é preciso
energia. Portanto, se mergulharem uma proteína numa solução aquosa ela vai adoptar uma
estrutura, uma conformação em que o grau de energia é mínimo, ou seja, é a forma mais
estável que ela consegue adoptar. O nível mais básico é o que nós chamamos uma
conformação local, ou seja, em vez de estar linear, pode estar, por exemplo, em forma de
hélice (estrutura secundária). Normalmente a função das proteínas está dependente da
estrutura terciária. Finalmente, algumas proteínas são constituídas por mais do que uma
cadeia polipeptídica – têm estrutura quaternária (é o caso da hemoglobina). Todas as
proteínas têm estrutura primária, que é uma sequência linear de aminoácidos. Todas têm
estrutura secundária, que é um arranjo local dos aminoácidos da cadeia, todas têm uma
estrutura terciária, que é o arranjo estrutural da molécula toda em solução e algumas
podem ter estrutura quaternária. Todas elas são definidas por um estado de energia mínima
quando estão a ser sintetizadas dentro do organismo.
O que distingue organismos vivos de seres inanimados é a maneira de manipular energia.
Os seres vivos manipulam energia de uma forma controlada com o único objectivo aparente
de criar outro ser igual a si. Embora haja formas de vida díspares, a um nível bioquímico
pouco profundo, elas são difíceis de distinguir.
A maior parte dos elementos existentes no corpo humano são o oxigénio, hidrogénio,
carbono e azoto. Temos traços de outros elementos, como o enxofre e o ferro. No entanto, a
quantidade de metais presentes no corpo é muito baixa. A quantidade de carbono nas
plantas é muito superior.
Há 2 tipos de ligações que vamos considerar: as ligações fortes e as ligações fracas. As
ligações fortes são as covalentes e, no nosso organismo, a grande maioria (95% das ligações)
há-de estar numa destas 16 categorias (ver acetatos bbm 1 – intro). As ligações fracas, nãocovalentes, variam muito em número e em tipo.
Há duas limitações enormes a toda a bioquímica:
• Todas as moléculas e reacções ocorrem num meio aquoso.
• Todas as reacções se dão dentro de uma célula.
Uma célula define-se em meio aquoso. A noção mais simples de uma célula é ela ter uma
área limitada por uma membrana, e as membranas biológicas só existem porque estão em
ambiente aquoso. Se se tirar a célula do ambiente aquoso a membrana desagrega-se.
O facto de as reacções se passarem no interior de uma célula limita o número de
variáveis. Um dos parâmetros que não pode variar muito é a temperatura (não pode subir a
valores extremos senão a célula explode nem pode descer a valores extremos ou a
membrana perde a flexibilidade). Outro dos parâmetros é a pressão: não podemos variar
muito a pressão no interior de uma célula. Um parâmetro que não pode variar de todo, pelo
facto de as reacções se darem em água, é o pH.
Classes de compostos: lípidos, proteínas, glúcidos e ácidos nucleicos. No entanto, a vasta
maioria dos ácidos nucleicos que estão no interior da célula não participam em reacções,
estão lá para armazenar informação ou para transportar informação do núcleo para o
citoplasma. A maioria das reacções no interior de uma célula são levadas a cabo pelas
proteínas. Os lípidos e os glúcidos têm uma função estrutural e de reserva, quer de energia
quer de moléculas que vão ser usadas noutras reacções.
Uma característica que os distingue muito facilmente é o grau de solubilidade em água:
• Os lípidos são muito pouco solúveis;
• Os glícidos (a maior parte dos casos) são muito solúveis;
• Quanto às proteínas, a solubilidade depende de proteína para proteína.
Distinção entre célula eucariota e procariota: a primeira tem membrana celular à sua
volta e no seu interior há uma série de organelos e estruturas, todas elas com uma
membrana à volta. As procariotas não têm sistemas membranares no interior. Quanto às
macromoléculas (glícidos, proteínas e lípidos) nos 2 sistemas, a diferença reside no grau de
organização interna.
[Slide 6 – BBM%201-%20intro.pdf]
As bactérias são muito semelhantes. É mais fácil representar a composição de uma célula
de bactéria do que uma do nosso organismo porque existem vários tipos de células com
diferentes composições (eg. Tecido muscular ou sistema nervoso). A percentagem de água é
o factor que menos varia de célula para célula. Aliás, a variação é mínima.
Quase todas as macromoléculas que se referiu têm uma característica em comum: são
todas feitas a partir de sub-unidades básicas que se somam umas às outras, dando origem a
um polímero.
Macromoleculas
Sub-unidades
Proteínas
Aminoácidos, aa
ADN, RNA (ácidos nucleicos) Nucleotidos
Glícidos (polissacaridos)
Açúcar simples (monossacárido)
[Acetato 7 - BBM%201-%20intro.pdf] Em todas as reacções de polimeralização em
Bioquímica há libertação de uma molécula de água. Diz-se que a reacção é de condensação.
Se em vez de se libertar água, se consome, a reacção denomina-se de hidratação. Estes tipos
de reacções são as mais simples e as mais frequentes.
[Acetato 8 - BBM%201-%20intro.pdf]
Os lípidos, embora tenham uma estrutura repetitiva (ver ácido oleico ou o esteárico), são
uma classe muito diversificada, podendo ser muito diferentes uns dos outros. A sua
comprida cauda é apenas composta de Carbono e de Hidrogénio. A química dos lípidos é um
pouco diferente da das outras macromoléculas pois não ocorre a simples adição de
monómeros todos iguais. Como se observa existe sempre uma molécula de glicerol ligada a
cadeias de C e de H. Pode, ainda, estar presente um grupo polar ligado ao glicerol.
Todas as macromoléculas têm uma função e exercem-na por causa da sua estrutura. Uma
alteração na sua estrutura leva à modificação da sua reactividade e da sua função biológica.
Portanto, é a estrutura que define a função das moléculas em Bioquímica. Não é só a
composição química, mas a sua estrutura. Dois isómeros (mesma composição química) têm
disposições de átomos diferentes logo têm funções diferentes. Na maior parte dos casos a
alteração da estrutura da molécula leva à sua destruição. Por exemplo, o aumento da
temperatura do corpo faz aumentar a energia vibracional das moléculas, o que altera a sua
estrutura, logo a molécula perde a função e morre.
[Acetato 10 - BBM%201-%20intro.pdf]
As moléculas têm zonas carregadas e zonas não carregadas. As primeiras (hidrofílicas)
têm tendência a interagir com a água por estarem em contacto. As não carregadas
(hidrofóbicas) têm tendência a estar no interior. Isto é válido para todas as macromoléculas
e são estas regiões que vão definir a estrutura da molécula. [Acetatos 11 & 12 - BBM%201-%
20intro.pdf]
Como é que as células manipulam a energia? Quase todos os organismos devem a vida ao
facto de haver sol que é onde vão buscar a energia, em última análise. Claro que essa
energia é convertida e armazenada pelas plantas sob a forma de açúcares. As plantas fixam
a energia solar em moléculas que contenham carbono. Nós, seres humanos, dependemos
de outros organismos: eg. comemos as plantas. Mas há organismos que não vão buscar
energia ao sol, como as bactérias que vivem com base em energia térmica ou em energia
química derivada da quebra de ligações de certos compostos.
[Acetato 13 - BBM%201-%20intro.pdf]
A única função que uma célula tem é manter-se viva até ser capaz de gerar outra igual. O
facto da célula ter vários sistemas membranares permite que existam vários ambientes
químicos. Inclusive, dentro de cada organelo, existem diferentes ambientes químicos,
nomeadamente, diferentes valores de pH no seu hialoplasma. Variando o pH, variamos a
reactividade de certas moléculas. Portanto, uma célula eucariota tem muito mais
probabilidade e facilidade de adaptação ao meio ambiente do que uma procariota. De facto,
as bactérias são muito pouco versáteis. A única vantagem que elas têm face às eucariotas é
a rapidez de multiplicação. A eucariota é muito mais variada nas regiões químicas porque
possui diferentes ambientes.
[Acetatos 14 & 16 - BBM%201-%20intro.pdf]
Como nós não podemos fazer uma reacção em que varie muito a pressão ou que liberte
muita energia, as células pegam numa reacção fortemente exergónica (liberta muita
energia) e quebra-a em várias reacções menores, em que cada uma delas liberta uma
pequena parte dessa energia. Claro que o somatório dessas energias repartidas é igual à
quantidade de energia libertada pela reacção inicial, fortemente exergónica. As reacções
químicas no interior de uma célula não se dão sempre só por existirem x tipos de moléculas
que possam reagir entre si e formar produtos. Todas as células controlam as reacções que
se dão e esse controlo é feito, normalmente, por enzimas (classe de proteínas que define
toda a actividade de uma célula).
Diz-se que a energia que podemos usar para executar trabalho é a Energia Livre (G).
Quando ∆G < 0, a reacção diz-se exergónica e a reacção tem tendência a dar-se. Duas
reacções que se dão simultaneamente dizem-se acopladas. No acetato podemos verificar
que a reacção 1 se dá por absorção de energia, isto é, ∆G (1) > 0. Mas simultaneamente, a
reacção 2 dá-se por libertação de energia, isto é, ∆G (2) < 0. No entanto, como as reacções
são simultâneas, a energia que é libertada em 2 é absorvida em 1. Como |∆G (2)| >> |∆G (1)
|, então, ∆G (3) = ∆G (2) + ∆G (1) < 0 que é a energia livre da reacção global, 3, que tem
tendência a dar-se. Note-se que a presença de catalizadores diminui a energia livre das
reacções (acetato 16). Claro que a dependência dos seres humanos (eg.) face a outros (eg.
as plantas) também acontece dentro das células em termos das reacções químicas. Como
nós nunca criamos energia, temos de a ir buscar. Cada vez que se realiza uma reacção
química (eg. ao realizar trabalho), perde-se alguma dessa energia para o meio ambiente.
3º Aula
Métodos de separaçao e identificaçao de proteinas.
Métodos para separaçao de proteinas. Actualmente, a maioria dos métodos de separaçao
proteica baseia-se em duas propriedades das proteinas - o seu tamanho / massa e o seu
ponto isoeléctrico. Um tubo com sds (anulaçao das cargas) sujeito a uma focagem
isoeléctrica sobre o gel de poliacramidada permite orientar as proteinas sobre dois "eixos" horizontal correspondente à carga e vertical correspondente à massa.
Após extracçao da proteina do gel, posterior ionizaçao e calculo do tempo de voo da
proteina apos lançamento é possivel determinar a massa da proteina com niveis de
exactidao elevadissimos. A computaçao desses valores e devoluçao das combinaçoes
possiveis de aminoácidos constituintes da proteina permite determinar com uma incerteza
muito baixa, possiveis composiçoes da proteina. Este método permite apenas a
determinaçao da composiçao e nao da sequenciaçao da proteina.
Sabendo a sequencia do genoma humano (aminoácidos codificados por tripletos) e
sabendo a correspondencia entre cada tripleto e cada aminoácido, é possivel saber a que
sequencia de dna corresponde a composiçao anteriormente determinada. Cortando várias
vezes segmentos de proteina e medindo a sua massa, é possivel determinar possiveis
sequencias de dna equivalentes e determinar a sequencia de aminoácidos nessa porçao de
proteina.Espectrometria de massa associada a sequenciaçao de genoma implica que a partir
do momento que se tenha uma proteina e à qual se possa aplicar o método, há elevada
probabilidade de saber qual a proteina.
Microssequenciaçao da proteinas O processo só resulta com proteinas com elevado grau de pureza.A regulaçao génica
reflecte-se na regulaçao das proteinas.Para o estudo das propriedades e funçoes das
proteinas é fundamental saber os aminoácidos envolvidos. Sabe-se que são as proteinas
responsáveis pelo metabolismo logo sabendo as proteinas afectadas é possivel estudar o
metabolismo. uma mutaçao num aminoácido apenas é capaz de causar o mau
funcionamento da proteina.
Mutaçoes pontuais - alteraçao de um dos aminoáciados - a proteina no gel migra para o
mesmo sítio mas a funçao está alterada. a alteraçao de um aminoácido ou na sequencia/
ordem a proteina deixa de funcionar. Casos : anemias - anemia falcifore - alteraçao na
hemoglobina, deixa de funcionar devido a uma mutaçao pontual.
Nao só é necessário saber qual a composiçao das proteinas mas tb a sequencia dos
aminoácidos visto a existencia de várias proteinas com iguais composiçoes e diferentes
sequencias de aminoácidos. não é composiçao quimica que define a funçao da aminoácido
mas sim a disposiçao dos aminoácidos na cadeia. Há proteinas em que pode ocorrer alguma
variabilidade - mudança nos residuos que nao provocam nenhuma alteraçao na funçao.
Alteraçao de outros residuos - residuos conservados invariaveis. que significa ser
conservado invariavel e como permite estudar aevoluçao das proteinas? Estudo das
proteinas pela estrutura - representaçao por densidade de carga.
Ligaçao peptidica - covalente forte. quando se estabelece a ligaçao, os grupos laterais
ficam alternados - estrutura primária da proteina. Outros niveis de estrutura dependem da
primária. Grupo carboxilo quando ligado a uma grupo anima nao obtem muitos graus de
liberdade. ligaçao dupla e simples passa a 2 ligaçoes 1.5 . No espaço, considerando todas as
possibilidades de rotaçao há milhoes de opçoes.
Ligaçao carbono - azoto : 1 chama-se phi e a outra qsi. Nem todos os angulos de rotaçao
sao permitidos. há angulos proibidos em virtude do possivel colisao entre o carbono
oxigenio e azoto. há angulos que noa podem ser de 360 gruas. no entanto o facto de
poderem rodar oxigenios e hidrogenios tem muita facilidade a estabelecer pontes de
hidrogenio. se os oxigenios de uma cadeia de uma proteina interagirem com hidrogénios da
mesma cadeia nao estao a interagir com átomos de água (soluçao aquosa). As moleculas da
água que estariam ligadas à proteina, teriam de estar na água - aumento da entropia do
sistema. a proteina tem tendencia a estabelecer o máximo de ligaçoes por ponte de
hidrogénio para minimizar a sua energia libertando o maior numero demoleculas de água
possivel. tem tendencia a aumentar o numero de pontes de hidrogénio. 2 tipos de formas
estaveis nas proteinas. hélice alfa - todos os átomos dos oxigenios estao envolvidos numa
ponte de hidrogenio. muito estável.grupos sempre a apontar para o interior.
há que ter necessidade de calcular os grupos laterais. um grupo lateral muito carregado
leva a que a estrutura nao seja tao favoravel. 2nda alternativa - folha Beta. (estrutura beta).
folha permite maximizar o numero de pontes de hidrog´nio. todos os oxigenios estao em
pontes de hidrogénio.folhas pregueadas na heilce as ligaçoes entre pontes de hidrogénio
sao entre aminoácidos muito proximos enquanto que na folha nao. grupos laterais
alternados / intercalados.
arranjos locais da proteina- estrutura secundária - tendem a ser repetitivos.folha paralela
- todas as cadeias na mesma direcçao, antiparalela - uma cadeia para um lado, outra para
outro lado. quanto maior o angulo da ponte de hidrogénio, menos estavel é.
Estrutura secundária - arranjo local - curva Beta (angulo de cotovelo) Beta relacionado
com o tipo de aminoácido - prolina favorece muito a formaçao de um angulo acentuado. a
nivel computacional, é possivel ter em conta a probabilidade de pertencer a uma helice,
folha ou cotovelo.
proteinas que têm funcoes identicas, tem sequencias identicas noutros organismos.há
partes da sequencia que nunca variam, o que leva a concluir que os aminoácidos sao
fundamentais para a funçao da proteina. Modificaçao conserva - subsituiçao de um
aminoácido por outro diferente com capacidade quimica semelhante.
Taxa fixa de mutaçao ao longo dos anos - possibilidade de construçao de arvore
filogenética com base na sequencia das proteinas.
estrutura primária - sequencia de aminoácidos estrutura secundária - quais as
conformaçoes adoptadas para minimizaçao de energia - arranjos locais estrutura terciária arranjo espacial da proteina (funçao)
Proteinas - fibrosas muito pouco soluveis e resistentes; hélices alfa - funçoes estruturais globulares - muito soluveis. muito flexiveis queratina - helice alfa, molécula muito pouco sólida, a sua estrutura permitem que duas
moléculas se enrolem. os filamentos podem-se agregar entre si. rígida mas flexivelaumento da rigidez com aumento do numero de ligaçoes entre cada fibra - pontes de sulfito.
Uma fibra deste género é muito estavel. o aumento do numero de ligaçoes leva a um
aumento de rigidez.
Colagénio - estrutura - 3 moléculas (hélice alfa - que enrola para direita) enroladas sobre
si. glicina - cadeia lateral é o hidrogénio. glicina virada para dentro - os 3 filamentos estao o
mais colados possivel. maior grau de aproximaçao. cadeia muito compacta em que os
filamentos fazem microfilamentos que se enrolam e cada filamento está ligado a outros por
ponte de enxofre.
Estrutura terciária - como se monta uma proteina. áreas locais com folha beta, hélice alfa,
ou se estrutura definida. a proteina enrola-se numa conformaçao para minimizar a
interacçao com a água. certas proteinas dentro da célula nao conseguem adquirir uma
estrutura terciária - necessitam de outras proteinas (chaperónios / xaperónios acompanhante)
proteinas que acompanham outras, e protegem da água. a água interfere com o
estabelicimento de comunicaçao de proteinas. competiçao com moleculas de água.
interações fracas no maior caso das vezes. Iónicas, pontes de hidrogénio, waals, ligaçoes de
enxofre, hidrofobicas. A vasta maioria das ligaçoes que estabilizam a proteina sao interaçao
fracas. proteinas plasticas - alteram forma com alteraçao do ph ou concentraçao do meio.
uma cadeia polipeptidica tem tendencia a enrolar-se a manter no meio todos os grupos
apolares e hidrofobicos e no exterior polares e ionicos. quanto maior a proteina, mais dificil
é arranjar a conformaçao. Nao há água no interior para que mudanças de estrutura possam
ocorrer.
Como desnaturar proteinas?
aquecer - aumenta a energia vibracional das moleculas e quebra de ligaçoes fraca.
agentes tropicos -ureia. produto secundário do metabolismo dos aminoácidos.
A água interfere sempre. Lembrem-se que há sempre interacções com agua. Há sempre o
fenómeno de competição com moléculas de água. Neste tipo de ligações que as proteínas
estabelecem para ficar com esta estrutura na maior parte dos casos são ligações fracas.
Todo o estabelecer e manter desta estrutura no pH fisiológico são sempre interacções
fracas. E são as clássicas que nos já começamos a falar: interacções iónicas, pontes de
hidrogénio, van der waals, ou aqui por exemplo este pocket, concavidade dentro da
proteína, tem de estar afastada da água. Não está representado também ligações de
enxofre, mas estas são importantes na estrutura terciária. Portanto de vez em quando as
pontes de disulfito também são formadas. No entanto a vasta maioria das ligações que se
estabelecem e que estabilizam a proteína são ligações fracas: pontes de H, interacções
iónicas, van der waals, ou hidrofóbicas. As proteínas podem mudar de forma com grande
facilidade, se se modificar a concentração iónica do meio, se se modificar o pH porque este
interfere nestas ligações. Se nós tivermos uma cadeia polipeptídica com os diferentes
grupos laterais com as suas capacidades químicas, a proteína tem tendência a enrolar-se
sobre si mesma e a manter no interior todos os grupos apolares ou hidrofóbicos. Para o lado
de fora tão os grupos polares ou ionizados, que tem facilidade de interacção com a agua.
Quanto maior for a proteína mais difícil é ela adquirir a sua conformidade.
Nos queremos que as moléculas se movam, e que mudem de forma com uma certa
facilidade.
Nos não queremos aqui água porque queremos interacções entre os átomos para que as
modificações de estrutura possam vir a ocorrer. Senão as proteínas eram lineares. A
estrutura das proteína, em geral, e especialmente se forem pequenas, é estável e elas
adoptam um estado de conformação (livre?). A experiencia foi realizada de duas maneiras.
Uma das maneiras de fazer com que uma proteína desnature é aquecer. A outra e usar
agentes (…) como a ureia. A ureia quebra as ligações fracas. E por isso que n s pode
acumular ureia no corpo. Ela não é tóxica por si só. A ureia é muito parecida com a água,
com oxigénio no meio e hidrogénio nas pontas, e por isso vai formar pontes de hidrogénio
com os aminoácidos. Uma proteína pode retomar a conformação original depois de ser
retirada a ureia do meio. Isto não é verdade para todos os casos. Há proteínas que não
podem ser renaturadas. No final, ela adquiriria uma conformação diferente da inicial. Porque
há muitos factores dentro da célula que ajudam a que uma proteína se enrole na
conformação correcta, como por exemplo as (sarpraminas??). O ovo cozido, por exemplo,
fica branco porque a proteína (albumina) desnatura e precipita. E nunca mais volta a forma
original. Portanto há processos de desnaturação reversíveis e irreversíveis. É por isso que
nós não podemos aquecer muito. Variações drásticas de pH também desnaturam proteínas.
Se se variar o pH, a proteína pode perder a conformação. Quando se fala de desnaturação
não é necessário que seja a proteína toda. Basta que seja uma área da proteína mais
sensível à variação de temperatura ou pH. É suficiente para a proteína deixar de funcionar.
No organismo, a variação de pH é grave, porque normalmente é por inteiro, ou seja, afecta
todas as proteínas. Se houver uma modificação numa proteína (troca de aminoácido por
outro) numa zona "não funcional" da proteína e que não altere a estrutura, o mais provável
é não acontecer nada. No entanto, podem-se fazer alterações à proteína, que não só
mantenham as funções, mas também acrescentem outras. Isto permite evolução. A função
das proteínas é absolutamente dependente da estrutura. Tudo o que desnature proteínas e
potencialmente perigoso para a saúde. No entanto, se baixar a temperatura, as proteínas
vibram menos. Como a proteína precisa de ser plástica, ou seja alterar a forma, para
funcionar, baixar a temperatura, leva a que a proteína deixe de funcionar, mas não
desnatura. Se aquecer de novo, ela volta a funcionar. Por isso é que se pode congelar
proteínas e depois subir a temperatura e usá-las de novo. Conservam-se alimentos dessa
forma. Por isso se se congelar comida, as enzimas responsáveis por degradar os restos
mortais não funcionam, porque são proteínas e estão inactivas.
Alguns dos arranjos tridimensionais das proteínas são repetitivos. Um dos arranjos
tridimensionais típicos e uma folha beta. Arranjo em barril também e típico. Arranjos betaalfa-beta também são muito comuns. Nós conseguimos muitas vezes determinar a
estrutura duma proteína que nunca se viu através de similaridade com outras já conhecidas.
4º Aula
Esta Aula não foi gravada pelo que se trata de uma reconstrução a partir de
apontamentos tirados em aula.
-Estrutura terciária (cont da aula 3): td o arranjo espacial k a prot pode ter, estabilizada por
interacções entre os radicais da cadeia polipeptídica, sendo entre radicais próximos ou
longínquos. As interacções são geralment fracas (iónicas, van der Waals, pontes de H,
hidrofóbicas) e mais raramente S-S. As interacções hidrófobas permitem o enrolamento da
proteína, pois devido à competição da prot. c/a água, os resíduos hidrófobos tendem a ficar
no interior da prot, e as partes hidrofílicas no exterior, interagindo com a água. Algumas
prot. possuem grps prostéticos (espécie de "prótese" ligada à proteína k faz c/q esta
funcione de diferente forma). Exºs: -mioglobina- possui grp heme, cuja função é fixar o
oxigénio. -citocrómios-transportadores de electrões para a síntese de proteínas. Grupo
heme -lisozima- enzima q degrada os açúcares da parede bacteriana. está presente nas
lágrimas. -ribonuclease- enzima mt importante na síntese de RNA.
Há doenças k se devem n a mutações do cód.genético, mas sim a mau enrolamento de
prot. estas são as doenças priónicas. A resolução destas é ainda incerta, pois a terapia génica
n resulta (a prot n é mutante, ms sim c/má conformação)
Estrutura quaternária- resulta da associação de duas ou mais cadeias polipeptídicas
(subunidades) c/estrut. terciária. São proteínas oligoméricas, p/possuirem +q 1 unidade
funcional. É assegurada p/lig fracas entre cadeias (ionicas, pontes H, hidrofóbicas, van der
Waals), e tb lig. dissulfito. Quanto maior o nº de lig entre as cadeias, mais estável é a
proteína. No entanto, há prot propositadament instáveis, pois é bom p/algumas funções k
se liguem e desliguem c/mta facilidade. Exºs de prot c/estrutura quaternária: -Hemoglobinaconstit p/2 cadeias alfa e 2 cadeias beta, estabiliz. p lig fracas. Possui grp heme. Trans de oxi.
no sangue. -Anticorpos- constit p/2 cadeias leves e 2 cadeias pesadas. lig. dissulfito dentro
da msm cadeia e entre cadeias. -Insulina- 2 cadeias ligadas entre si p/lig dissulfito entre
radicais de resíduos de cisteína.
Vantagens da estrut. quaternária: -economia e ef. genéticas; -aprox. centros catalíticos; redução da relação sup./ vol, ok confere estabilidade; -cooperatividade (a ligação de 1 subst
a 1 subunidade facilita a ligação do subst à subunidade seguinte). No entanto, pode ocorrer
o contrário, coop negativa.
As prot começam a enrolar pelas regiões hidrofóbicas. Qt maiores forem, mais difícil é
estabelecer a conformação. N se quer k as prot interajam c/a água, se n a água pode alterar
ligações fracas na prot e destruir as suas funções.
A estrut das proteínas é determinada p cristalixação em raio X. Nem tds as prot. são
crsitalizáveis. Ao incidir o feixe de r-X sobre o cristal, este é difractado de cd x k bate num
núcleo de 1 átomo. Um filme detector recebe as rad e, p/sim computacional, permite
simular a estrut da proteína.
As moléculas n são estáticas, mov. simulável p/computador.
Modelos p/representação de proteínas: -esqueleto Calfa; -"ball and stick" tds os átomos
da prot, mt confusa; -"ribbons"- estrut em fita; -estrut da superfície electrónica acessível ao
solvente.
O esqueleto Calfa vibra c/mta velocidade, vibrações aumentam c/a temperatura.
Módulos em proteínas: -mts prot são construídas cm 1 composição de 2 ou + módulos ou
domínios; -cd 1 destes é 1 dom funcional conservado k se pode encontrar noutras proteínas;
-p/xs, os modulos são usados repetitivamentena msm molécula proteica; -há 1 base
genética p/existencia de módulos na Natureza.
As proteínas podem ter diferentes seq. de a.a, ms possuir a msm estrutura tridimensional
e ter a msm função.
Enzimas: -as enzimas são proteínas mt grandes, pois têm k rodear o substrato. -kd duas
enzimas catalisam a msm reacção, estams perante evolução convergente. Isto é mt raro,
sendo mais comum k a msm prot catalise várias reacções, evol. divergente. -a activação/
inactivação de enzimas pode ser realizada p/fosforilação; -a estrutura tem k estabelecer
ligações fracas com o ligando, q têm k se desligar rapidamente para k a proteína possa
catalisar rapidamente mais reacções. No entanto, se estas forem fracas de mais e n se
estabelecerem adequadamente, a função fica comprometida.
Análise de proteínas: Esta pode ser feita com base nas propriedades espectropicas das
proteína. Todos os aminoácidos, à excepção da fenilalanina, triptofano e tirosina que
absorvem no UV, absorvem radiações nos infravermelhos. Fazendo incidir luz sobre a
amostra em análise e analisando a diferença entre a intensidade incidente e transmitida
pode-se determinar a absorvância da espécie. Como cada resíduo (aminoácido) apresenta
uma absorvância específica é possível determinar a estrutura tri-dimensional de uma
proteína. Outros métodos de análise são a electroforese, a separação por carga, a
separação por tamanho, a centrifugação e a cromatografia por afinidade.
-Centrifugação: -Centrifugação diferencial - permite diferenciar as proteínas através da
sua densidade. Ao se vcerter uma amostra com proteínas para um tubo e colocar numa
centrifugadora, as partículas distribuem-se de acordo com a sua massa (as mais densas no
fundo, as menos densas mais acima, e as menos densas k a água em suspensão). Em
seguida, decanta-se o tubo para obter a fracção c/densidade pretendida; -Centrifugação p/
zona - coloca-se a solução de proteínas no topo de uma solução com um gradiente de
sacarose. Em seguida, centrifuga-se, e as partículas mais pequenas ficam no topo do
gradiente, e as maiores mais para o fundo. Em seguida, colhem-se as fracções p/ ordem
decrescente da massa das proteínas.
-Cromatografia: Já foi referida noutras aulas a cromatografia de troca-iónica (separação
por carga) e a cromatografia de exclusão moleclar (separação por tamanho). Porém, há
outros tipos de cromatografia para seapração de proteínas, entre os quais: -Cromatografia
por afinidade - baseia-se na capacidade das proteínas reconhecerem ligandos, moléculas
biológicas com as quais interagem especifica e reversivelmente (exemplo: anticorposantigénios). A fase estacionária é composta por matrizes inertes com o ligando imobilizado
nela. No entanto, deve estar imobilizado a uma certa distância da matriz, para que a lig. por
afinidade não seja obstruida fisicamente (braço de intercalagem). Durante a aplicação, a
proteína que reconhece o ligando fica na fase estacionária, enquanto que as outras que não
se ligam são eluídas. A proteína que reconheceu o ligando pode ser removida por mudanças
de temperatura, pH, eluentes ou agentes caotrópicos. Por exemplo, na cromatografia
anticorpo-antigénio, o anticorpo é o ligando da fase estacionária, e a separação do
complexo anticorpo-antigénio específico faz-se por diminuição brusca do pH. Cromatografia de pseudo-afinidade - é um processo mais barato que a cromatografia de
afinidade e usa ligandos não biológicos, como corantes e metais. O procedimento é o
mesmo que o já referido. No entando, o uso de metais é pouco frequente, pois há muita
dificuldade em imobilizar os metais.
Determinação da sequência de proteínas: Os resultados de Sanguer aquando da
sequenciação das duas cadeias de insulina permitiram determinar que todas as moléculas
de uma determinada proteína apresentam a mesma sequência de aminoácidos. A
sequenciação pode ser feita de duas maneiras: - sequenciação real da cadeia polipeptidica; sequenciação do DNA do gene correspondente. A determinação da sequência proteica
segue uma estratégia de 8 passos: 1- Caso seja uma proteína Oligomérica separar as várias
cadeias; 2- Provocar a redução das ligações sulfito; 3- Determinar a composição de cada
cadeia; 4- Determinar os resíduos no N- e C- terminais; 5- Cortar cada cadeia em fragmentos
menores e sequenciar cada um desses fragmentos; 6- Repetir o passo 5, utilizando um novo
método de fragmentação de modo a gerar fragmentos diferentes; 7- Reconstruir a
sequência a partir dos fragmentos; 8- Determinar as posições das ligações dissulfito. Síntese
laboratorial de péptidos É possível sintetizar péptidos em laboratório, fazendo-se referência
para o marco historio que foi a síntese da oxitocina em 1953. As estratégias para esta
síntese são complexas pois é necessário controlar as reacções com os grupos laterais. È
portanto necessário adicionar grupos bloqueantes que serão removidos mais tarde. Com o
método da fase sólida esta síntese conheceu um avanço muito mais significativo. Nesta
técnica o terminal carboxi da cadeia nascente estabelece uma ligação covalente com uma
resina insolúvel, de seguida vão sendo adicionados os vários resíduos constituintes do
péptido em formação. Terminda a cadeia, as partículas de resina são removidas. Este
método é actualmente controlado por um computador, que permite gerar cadeias com mais
de 30 péptidos. (estudar o power point 37, onde o método vem exemplificado)
5º Aula
Açúcares
Uma triose é um hidrato de carbono três vezes, portanto tem três carbonos centrais;
Os nomes dos açúcares acabam quase sempre em – ose, exemplo a glucose. Como
características biológicas são conhecidos como sendo facilmente solúveis em água, e
podemos tê-los no nosso corpo porque não são tóxicos.
O gliceraldeído além de ser um gás é tóxico, da mesma maneira que a acetona também
não é muito saudável; Dihidroxiacetona é também uma triose e a principal diferença entre
este dois é que uns vão dar origem à classe completa de açúcares na natureza mas tem a ver
com o grupo químico; Na classe dos aldeídos o grupo químico é o grupo aldeído e nas
acetonas o grupo químico é um grupo cetona; (grupos a cor-de-rosa no acetato)
Só a partir da existência de mais de 3 carbonos centrais é que chamamos açúcares;
Existem: Trioses-3 carbonos centrais (não são açúcares) Tetroses-4 carbonos centrais
Pentoses-5 carbonos centrais Hexoses – 6 carbonos centrais. As hexoses mais comuns são a
glucose e a frutose, e a grande diferença entre estas duas é a localização do grupo químico,
que se encontra ou na extremidade da molécula (aldeído) ou no segundo carbono (cetona).
Como se dá o nome a estes compostos? Todos os derivados dos aldeídos chamam-se
aldoses e os derivados do hidróxido de acetona chamam-se cetoses.
Qualquer carbono na estrutura central é sempre carbono quiral, tal e qual como o alfacarbono nos aminoácidos, o que lhes vai alterar uma série de características depois a nível
biológico.
Para determinar se um aminoácido é L ou D, compara-se com a molécula de gliceraldeído
e verifica-se a localização do grupo – OH, se este estiver no lado direito chamamos D, se
estiver no lado esquerdo chamamos L.
O que vai dar a nomenclatura aos açúcares (D ou L) vai ser sempre o carbono quiral +
afastado do grupo químico, portanto se estiver para o mesmo lado que o OH do
gliceraldeído-D chamamos-lhe D. Para passar de um açúcar para o seguinte, acrescenta-se
um grupinho CH20 (H-C-OH). A importância de serem D ou L tem a ver com o facto de
quando se está a fazer uma síntese química a probabilidade do grupo – OH ir para um lado
ou para o outro ser exactamente a mesma, ao contrário da natureza, onde isto não
acontece. Na natureza, ou seja no nosso corpo, eles só existem na forma D, exactamente o
oposto dos aminoácidos, o que significa que existe algo nas nossas células capaz de eliminar
os açúcares na forma L. As possibilidades de combinações, de cada vez que se aumenta o
tamanho da cadeia são inúmeras. Da árvore representada no acetato nós apenas
sintetizamos alguns dos açúcares. Até aqui só se falou de derivados do aldeído. Para os
derivados das acetonas, existe também uma família complexa de açúcares e a nomenclatura
é exactamente a mesma. O grupo do carbono espiral + afastado do químico é que vai dar a
nomenclatura, portanto se estiver para o lado direito em comparação com gliceraldeído é D,
se estiver para o outro lado é L.
Como se relacionam estes compostos?
No acetato em que estão representados manose, glucose e galactose podem ver que
diferem apenas pela posição do OH num dos carbonos quirais. A estes compostos iguais
entre si chamamos epímeros, (Manose-Glucose, epímeros no C-2; Glucose-Galactose,
epímeros no C-4). O facto dos compostos terem uma estrutura diferente implica que eles
tenham funções biológicas completamente distintas uns dos outros, não havendo nenhuma
semelhança entre eles, embora quimicamente (reactivamente) muitos deles até possam ser
semelhantes. Além disso, como na maior parte dos casos a estrutura não é assim tão
simples, sendo falsa uma representação linear, tendo tendência a formar estruturas na
forma de anel. Se tivermos uma pentose, ela tem tendência a formar uma estrutura em
forma de anel, sendo + estável nessa forma, podendo o OH estar em cima, no carbono 1, ou
em baixo. Esta molécula pode ter duas formas diferentes no espaço, quando na forma
linear, e uma chamar-se-á alfa (em baixo) e a outra chamar-se-á beta (em cima) Portanto,
para cada forma D, temos uma alfa e uma beta. Os açucares com seis carbonos são ainda
mais complexos do que os de 5. Os de 5 formam sempre um anel singular, os de 6 podem
fazer anéis de 6 ou 5 lados, sendo que no último caso um dos grupos fica + exposto.
Portanto, a partir da glucose, quando esta se enrola sob a forma de anel, vai dar origem a
duas estruturas completamente distintas que têm reactividades completamente distintas.
Os derivados têm nomes distintos conforme derivam de um anel de 5 lados ou de um anel
de 6 lados. Aos que derivam de um anel de 5 lados chamamos furanoses, e aos que derivam
de um anel de 6 lados chamamos piranoses. Esta nomenclatura refere-se apenas à estrutura
da molécula, não se refere à composição química. Quimicamente são todos idênticos,
portanto a fórmula química é idêntica para qualquer um. Se pegarmos na glucose e a
pusermos em solução, ela espontaneamente adopta as 4 diferentes conformações
(furanose/piranose, alfa/beta) todas ao mesmo tempo, o que não quer dizer que as adopte
na mesma percentagem. Por exemplo, a forma D-Betaglucose existe em 62%, portanto
predomina largamente sobre as outras formas todas, no entanto todas as formas
coexistem. O nosso metabolismo está preparado para trabalhar com uma dada
concentração desta molécula, mas há enzimas que preferem outra concentração, que não
pode ser muito elevada. A proporção destas diferentes moléculas é importante para o nosso
funcionamento. As nossas células armazenam a glucose sob a forma de glicogénio,
mantendo um nível X de glucose em circulação.
Existe ainda um detalhe estrutural que não está contemplado quando se vê os anéis
representados num papel, onde parece que o anel é plano. No entanto, ele tem uma
conformação em ângulo. Há quatro formas diferentes desta molécula estar representada no
espaço: em forma de cadeira ou em forma de sela, havendo duas diferentes em cada uma
delas. Se não tiver a forma apropriada a molécula não interage com enzimas.
O corpo humano armazena glucose de diferentes formas (derivados), como por exemplo,
glucose fosforilada, ou 6-fosfato-glucose (grupo fosfato adicionado), a glucosamina (grupo
amina adicionado), existindo ainda diversos derivados da glucose, resultantes de
modificações químicas de diversos grupos. Há ainda outros açúcares presentes no nosso
corpo que também apresentam estes derivados. Falem baixinho, malta.
Como é que sintetizamos açúcares complexos?
Nós temos tendência a não guardar as moléculas simples de açúcares, mas sim polímeros
destes. Ou seja, várias moléculas desse açúcar associadas. Por exemplo, duas moléculas de
glucose ligam-se entre si não com ligações peptídicas mas com ligações glicosídicas. Estas
ligações são estabelecidas sempre a partir do 1º carbono, e se a representação das
moléculas for a alfa a ligação chama-se alfa 1-4. (os carbonos numeram-se a partir do
oxigénio). O ângulo de ligação é essencial para a estrutura do açúcar e para as características
físicas que este irá ter, sendo também essencial para sabermos se podemos digeri-lo ou
não. Existem imensas possibilidades de ligação entre duas moléculas de glucose, como por
exemplo: ligação beta 1-6, beta 1-4, beta 1-3, beta 1-2, beta 1, beta-alfa 1…Todas estas
ligações existem no nosso corpo, e pelo facto das ligações químicas serem diferentes, as
características químicas de cada um destes compostos já é diferente, não só a reactividade
com enzimas. Devido a este facto, ao contrário do que acontecia com os aminoácidos, nos
açúcares com o mesmo monómero podemos criar uma enorme variedade de compostos
químicos no nosso corpo. Aos polímeros que são sintetizados sempre a partir da mesma
subunidade chama-se homopolissacáridos, portanto são homogéneos. No entanto,
podemos ter açúcares complexos, ou seja, polímeros em que as subunidades são diferentes
umas das outras, que se denominam heteropolímeros. Estes dois tipos de polímeros podem
ter ramificações ou não, sendo o nº de ramificações muito importante, por exemplo,
distingue o glicogénio (animal) do amido (vegetal), pois este apresenta muitas ramificações.
Não existe nenhuma de correlação entre o número de ramificações e o número diferente de
monómeros que constituem o polímero. Os ângulos de ligação e o tipo de ligação entre cada
um dos açúcares pode variar, e portanto sintetizar um polímero que tivesse 7 ou 8 açúcares
já nos permitia “quase milhares” de combinações diferentes. Não existe nenhuma previsão
sobre qual a ligação mais útil, se a que se dá entre homopolissacáridos ou entre
heteropolímeros. As ligações não têm todas a mesma energia, e todo o ambiente químico
que está para trás vem influenciar a força da ligação, assim como os ângulos.
A frutose é o açúcar mais comum da fruta e a lactose é o açúcar mais abundante do leite.
É necessária uma enzima específica para separar a ligação que existe na lactose (entre
glucose e galactose), e esta ligação não é fácil de quebrar. A enzima responsável por quebrar
esta ligação, a lactase, é perdida ao longo da vida, portanto as pessoas mais velhas têm mais
dificuldade em poderem ingerir o açúcar do leite, existindo crianças que já nascem com
deficiência na produção dessa enzima, não podendo beber leite. A capacidade de digerir a
ligação glicosídica está intimamente relacionada com o ângulo de ligação entre os açúcares.
Qual a diferença entre o amido e glicogénio?
As células animais armazenam glucose sob a forma de pequenas gotículas de glicogénio
no citoplasma, enquanto que as plantas armazenam-na sob a forma de grãos enormes de
amido. Uma das diferenças entre estes dois açúcares é o número de ramificações. Quanto
mais abundantes forem as ramificações, menos espaço vai ocupar a molécula. O tipo de
ligações é idêntico, quer no amido quer no glicogénio. A ligação é sempre alfa 1-4, excepto
no ponto de ramificação. Portanto a única diferença entre as duas moléculas é o número de
ramificações, e, em alguns casos, o comprimento de cada um dos ramos. O glicogénio e o
amido são polímeros extraordinariamente longos de glucose, tendo mais de 1500 moléculas
de glucose.
Porque é que armazenamos açúcar sob a forma de Glicogénio e não sob a forma de
monómeros de Glucose?
O processo de obtenção de energia pelo nosso corpo tem início em moléculas de glucose,
o que significa que temos que ter esta molécula no corpo. O facto das células guardarem
polímeros de glucose em vez de monómeros, está relacionado com a pressão osmótica. A
pressão osmótica está relacionada com a concentração de qualquer substância em solução
aquosa. Para que a concentração de glucose dentro da célula não seja muito elevada, para
evitar o rebentamento desta, a célula sintetiza um polímero, denominado glicogénio, cuja
concentração é muito baixa.
(Comparação entre açúcares e sais - a elevada pressão osmótica do açúcar ou sal puro
impede o desenvolvimento de quaisquer seres vivos, sendo por isso um bom conservante).
O glicogénio é um polímero muito longo ramificado de glucose e a ligação é alfa 1-4, e tem
um ângulo específico. Se o polímero for muito comprido, como é o caso do glicogénio, vai
fazer espirais. Portanto, a molécula vai ter tendência a enrolar-se sobre si mesma, tornandose facilmente solúvel. Existe um outro polímero de glucose, em tudo semelhante ao
glicogénio, que se chama Celulose, polímero mais abundante à face da terra.
Qual a diferença entre Celulose e Glicogénio?
Na celulose, as ligações entre as glucoses são beta 1-4, sendo também diferente o ângulo
de ligação. O facto do ângulo ser diferente, permite que haja ligações por pontes de
hidrogénio ao longo da cadeia, o que a torna numa molécula muito mais estável, com
tendência a ser linear e não enrolar. Além disso, passamos a ter grupos expostos
alternadamente, o que permite a formação de pontes de hidrogénio entre cadeias
adjacentes. Ao contrário do glicogénio (ou do amido), a celulose é completamente insolúvel.
A celulose é um açúcar estrutural, qualquer planta (célula vegetal) tem uma parede de
celulose à volta. Outra diferença entre o glicogénio e a celulose é que existem enzimas que
cortam a ligação alfa 1-4, no entanto, para realizar a digestão de uma molécula com a
ligação beta 1-4 existem muito poucas enzimas à face da Terra, existindo poucos animais
que consigam digerir esta última. Este último facto impede o corpo humano de poder ingerir
celulose. A maior parte dos animais que se alimentam de ervas também não conseguem
digerir a celulose, no entanto, vivem em simbiose com bactérias que têm enzimas capazes
de digerir a celulose, que mesmo assim são muito lentas.
Existem açúcares estruturais, como é o caso da celulose ou da quitina presente no
exoesqueleto dos insectos. Os açúcares estão presentes na maior parte das moléculas
biológicas, como é o caso da desoxirribose (presente no DNA) e da ribose (presente no RNA),
os nucleótidos são então constituídos por um açúcar ligado a um grupo fosfato de um lado e
uma base azotada do outro (implica que a química dos açúcares surgiu antes do código
genético). Temos ainda coenzimas derivados dos açúcares, o NAD e o FAD, assim como o
coenzima A que é uma das vitaminas essenciais no metabolismo celular derivada do ácido
pantoténico.
Existem açúcares associados a cadeias polipeptídicas. A sua importância não é estrutural
mas sim de comunicação inter-celular. Os aminoácidos podem fazer dois tipos de ligação
com os açúcares: ligações do tipo O, sempre com um grupo cerina, e do tipo N, com a amina.
O mais vulgar exemplo de açúcares que se encontram ligados a uma cadeia polipetidica é o
grupo sanguíneo. O grupo sanguíneo é determinado pela presença de um grupo de açúcar,
de dois tipos diferentes, ou pela não existência deste. Também existem glicolípidos
(açúcares associados a lípidos).
Existem açúcares estruturais que nós não possuímos no nosso corpo, como os
peptidoglicanos, que são açúcares associados a péptidos presentes nas bactérias. Para
atacar as bactérias o nosso corpo ataca a parte açucarada, pois é o açúcar que cobre a
bactéria, lhe dá resistência e confere rigidez. De referir que estas bactérias são uma
excepção à regra possuindo a.a. L e D alternados o que dificulta a quebra das ligações (já
que a maioria dos organismos possui apenas a.a. L e enzimas especializadas para as ligações
entre estes).
Alguns açúcares têm muita facilidade em absorver a água (como o ácido hialurónico).
Moléculas capazes de acumular muita água são abundantes nas articulações, onde é preciso
líquido para lubrificar a ligação entre ossos, e têm que ser capazes de estar sujeitas a
grandes pressões contínuas, podendo depois regenerar a forma. Um exemplo destas
moléculas é o ácido hialurónico, um proteoglicano. Os proteoglicanos são complexos de
polissacáridos, os glicosaminoglicanos, e proteínas específicas.
A razão pela qual as células do corpo humano têm identidade própria, está relacionada
com o facto de o tipo de açúcar que cobre cada célula ser diferente. Os açúcares encontramse do lado de fora da membrana. Quando se tem glicoproteínas associadas à membrana, o
que acontece é que a parte glicosilada está no exterior da célula, e a parte não glicosilada
está no interior da célula. A existência de açúcares no exterior das células, protege-as de
uma série de impactos do meio exterior, tal como acontece nas bactérias. O facto das
células terem à superfície um açúcar específico é aproveitado por organismos parasitas,
como, por exemplo, os vírus. Os vírus têm na sua superfície receptores que identificam
glicoproteínas específicas. Se conseguirmos reconhecer certos grupos específicos de
identidade das células, poderá ser útil para o tratamento de doenças, ao conseguir
reconhecer as glicoproteínas que identificam as células podemos fazer com que um
medicamento específico para um determinado órgão seja apenas recebido nas células desse
órgão introduzindo por isso uma dosagem muito menor. Hoje em dia pensa-se que 90% dos
constituintes das membranas têm uma ligação glicosídica (glicolípidos ou glicoproteínas).
Os lípidos
Os lípidos são uma classe muito heterogénea de compostos, que têm uma característica
comum a todos: são insolúveis em água. Existem diferentes classes de lípidos, como é o caso
dos ácidos gordos.
Ácidos Gordos
Os ácidos gordos têm um grupo ácido, denominado grupo carboxilo (HO-C=O, em solução
aquosa perde o H+, daí ser um ácido), associado a uma cadeia hidrocarbonada (CH’s). A
razão pela qual eles são insolúveis deve-se à impossibilidade dos carbonos formarem pontes
de hidrogénio. A nomenclatura dos ácidos gordos é muito simples. Existem dois tipos de
ácidos gordos: os saturados e os insaturados. A diferença entre eles reside nas ligações
entre os carbonos. Se as ligações entre os carbonos forem todas simples chama-se um ácido
gordo saturado, se de vez em quando existir uma ligação dupla, chama-se insaturado. A
existência de uma ligação dupla numa cadeia de ácido gordo, modifica-lhe a química. O facto
de haver uma ligação dupla vai permitir que haja duas conformações no espaço, sendo uma
delas em – cis, a outra em – trans (depende da orientação da perninha).
A nomenclatura dos ácidos gordos baseia-se no número de carbonos no citoesqueleto. Se
o ácido gordo for saturado, a seguir ao número de carbonos vem o nº 0, o que significa que
não há nenhuma ligação dupla. Se for insaturado com uma ligação dupla, aparecerá o nº 1 a
seguir ao número de carbonos. A seguir ao nº de ligações duplas indica-se o nº do 1º
carbono que está na ligação dupla, e representa-se por delta seguido do nº de carbono
(exemplos na pág. 7 do pdf dos lípidos).
A importância das ligações duplas nas características dos ácidos gordos é que se os
colocarmos em água eles têm tendência a afastar-se desta, pois são pouco solúveis. Os
ácidos gordos têm tendência a empacotar, pois estabelecem interacções hidrofóbicas. À
medida que o tamanho da cauda vai aumentando, o ponto de fusão dos ácidos gordos vai
também aumentando, pois é preciso mais energia para os separar, o que implica que eles
sejam sólidos à temperatura ambiente. Se houver ligações duplas, o ângulo a que a cauda se
encontrar pode variar, o que não permite o empacotamento da molécula com as outras. Se
com o mesmo comprimento de cauda um ácido for insaturado, o ponto de fusão deste vai
ser mais baixo em relação ao saturado, o que implica que à temperatura ambiente os ácidos
gordos insaturados tenham tendência a ser líquidos (insaturados -> azeite, saturados ->
manteiga).
Em termos de funcionalidade biológica, os ácidos gordos insaturados e saturados são
completamente distintos. As nossas membranas têm muitos ácidos gordos insaturados. A
concentração de ácidos gordos na membrana varia consoante a temperatura ambiente
onde vive o animal. Os ácidos gordos são armazenados no nosso corpo sob a forma de
triglicéridos (e não livremente tal como os a.a.). A síntese de um triglicérido consiste em
juntar uma molécula de glicerol com três ácidos gordos (com o grupo carboxilo a reagir com
o ácido gordo), que não necessitam de ser idênticos entre si (se forem são simples, se não
forem são complexos). A digestão de um triglicérido é extremamente fácil em meio ácido,
sendo realizada no estômago. A reacção de síntese de triglicéridos é uma reacção de
condensação, libertando-se água, enquanto que a digestão do mesmo é uma reacção de
hidrólise, necessitando de água.
6º Aula
Lípidos + Cinética enzimatica
A noção principal sobre glúcidos, não é a nomenclatura em detalhe, mas ter algumas
noções essenciais das bases de glúcidos que há, e as funcionalidades em termos
bioquímicos para aquele tipo de moléculas. Uma das função dos glúcidos é armazenar
energia (glucose), mas não é a sua função exclusiva. A maioria das funções são estruturais.
Alguns exoesqueletos que existem na natureza são feitos de polissacáridos, como a celulose
( derivado de um polissacárido: glucose). Também há moléculas que servem para
sinalização, como os tipos de sangue. Portanto os glúcidos tem uma série de funcionalidades
para além de servirem como molécula de armazenamento de energia. Polissacáridos ou
derivados de polissacáridos directamente fazem parte de uma série de compostos como coenzimas, fazem parte dos ácidos nucléicos, sendo moléculas de interesse bioquímico muito
diversas. Da mesma maneira os lípidos tem uma série de funções diversificadas. Na
nomenclatura das classes de lípidos há uma certa dificuldade em estudar bioquimicamente
pois são muitos diversos. Ácidos gordos, triglicéridos ou trigliceróides ( 3 moléculas de ácido
gordos associadas a uma molécula de glicerol, sendo nesta forma que temos mais lípidos no
corpo humano) e uma segunda classe muito parecida com esta que são os lípidos que fazem
parte das membranas. Para a vida tal como vocês a conhecem a face da terra, está
completamente dependente de haver membranas biológicas. Portanto todas as células sem
excepção têm uma membrana biológica a rodeá-las. E essas membranas são compostas por
lípidos. Os lípidos que fazem parte das membranas , invariavelmente estão aqui nestas
famílias: fosfolípidos. Para falar destes lípidos temos de saber que existem açúcares (
glicolípidos: molécula de ácido gordo associada a uma molécula de açúcar). Nestes aqui os
fosfolípidos típicos da membrana já não precisam da tal molécula açucarada, mas precisam
deste composto inorgánico, desta molécula que é um fosfato e que depois pode estar
associada a uma outra molécula de interesse biológico, seja ele um álcool ou um grupo
colina. Portanto todos eles fazem parte das membranas.
Quais são as características essenciais destas famílias de lípidos?
Têm duas caudas de ácido gordo e depois uma terceira cauda, se partirmos o triglicérido,
as duas caudas têm de estar associadas a um grupo que pode ser polar ou não. Mas este
grupo aqui vai conferir uma série de características químicas muito interessantes. Estas
caudas podem ser 2 ácidos gordos idênticos, como podem não ser. Podendo ser saturados
ou insaturados. No caso dos fosfolípidos o grupo é invariavelmente polar, ou seja há de ter
carga. Vamos ver aqui classes típicas de fosfolipidos. Há muitos tipos de fosfolipidos. A única
implicação é que tem obrigatoriamente de ter um grupo fosfato. O fosfolipido mais simples
é basicamente uma molécula de um glicerol a que tiramos uma molécula de ácido gordo e
substituímo-la por uma molécula de um grupo fosfato. Este grupo fosfato é reactivo. Neste
caso se tivermos um etanolamina ficamos com uma fosfanolamina , derivado de um ácido
gordo. Continua a ter uma cabeça polar, ou seja continuamos a ter aqui carga. O grupo
fosfato se tiver ligado a uma ose, monossacárido ou um polissacárido, passamos a ter um
grupo químico completamente distinto deste aqui que normalmente é apolar, ou seja não
tem carga e não é reactivo. Quando é substituído pela colina tem um interesse especial em
certas vias metabólicas e em certas membranas. Neste caso a esfinomiulina é um ácido
gordo, fosfolípido muito frequente em membranas , em particular em membranas das
células nervosas. Todos estes fosfolípidos existem em quantidades variáveis dependente de
célula para célula e de membrana para membrana. Estão aqui representados os mais
vulgares. A nomeclatura de ácidos gordos têm nomes clássicos, portanto não tem de
decorar um a um. Normalmente chama-se ácido mistílico, ácido palmílico, ácido estiárico.
Neste composto a cauda álquilo tem 14 carbonos e é um ácido gordo saturado, pois tem
zero a seguir. Se o número que estiver a seguir, que é o número de carbonos na cauda
alquilo for 18 com 1, quer dizer que há uma ligação insaturada na cauda. Neste caso já há
duas e aqui já a 4. Ligações triplas nunca há, portanto normalmente é sempre 2.
Porque é que os lípidos são tão essenciais nas membranas?
Os lípidos, por causa da cauda ( a cauda alquilo), não interagem facilmente com a água,
portanto tem tendência a fugir dela. Se puséssemos moléculas destas todas juntas, as
caudas tem tendência a manter-se juntas, elas no entanto não interagem entre si
directamente, elas não se atraem, mas estão todas a fugir da água. Numa estrutura deste
tipo, não há nenhuma força em particular que esteja a unir estas moléculas, elas não se
estão a atrair entre si, não é como as pontes de hidrogénio nas proteínas. A única coisa que
mantêm esta estrutura coesa é a repulsão da água, portanto se mudarmos o solvente, para
um solvente que tenhas características diferentes, esta estrutura pode-se desagregar
completamente com muita facilidade. Nesta estrutura presente na membrana como não há
pontos de atracção entre os diferentes grupos, todas as moléculas aqui tem muitos graus de
liberdade e podem-se mover-se à vontade. A única coisa que elas não podem fazer, é sair
desta estrutura para a água assumindo que estamos sempre a falar de um ambiente
aquoso. As membranas biológicas mantêm-se como estão deste que estejam em água,
portanto se houver desidratação, a membrana perde toda a sua estrutura.
Porque é que é importantes nós termos fosfolípidos?
Estão aqui representadas moléculas de um ácido gordo ( tem uma cabeça polar e uma
cauda, e aqui já temos um fosfolipidos que à cabeça polar estão associadas duas caudas.
Quando é só com uma cauda (ácido gordo normal) ele nunca faz lipossomas, é incapaz de
fazer uma estrutura dupla. Considerando uma molécula deste tipo, a nuvem electrónica
pode representar-se como um cone. Este pode associar-se a outro e no final há uma misela.
No fosfolipido com duas caudas, representar a nuvem electrónica há-de ser algo deste tipo,
nunca fazendo uma curva. Estas estruturas em lipossomas como vesículas podem ter agua
aqui no meio. Se forem muitos grandes ( não há um limite), o tamanho das miselas é
definido pelo tamanho das caudas dos ácidos gordos. Uma membrana biológica é no fundo
uma lipossoma gigantesco porque pudemos aumentar. A única coisa que não podemos
fazer é quebras. Não pudemos ter uma camada tal como está aqui representada em agua,
porque este lado não pode estar em contacto com a agua. Isto tinha obrigatoriamente de
continuar ou esta ligado a qualquer coisa, a proteger o contacto dos lipidos com a agua.
Outra classe de lipidos que é importante, são colesterois ou moléculas esterois derivados
delas. O coleterol é um dos compostos das membranas. A estrutura desta molécula não tem
nada de semelhante com os fosfolipidos ou com um ácido gordo, não sendo nem sequer um
derivado de um ácido gordo. Portanto as vias de síntese de colesterol são completamente
independentes. Estas duas hormonas são bastante semelhantes ao coleterol. A
testosterona e o estadiol são duas hormonas que existem nos seres humanos ( testosterona
mais nos homens mas também nas mulheres, e o estadiol presente no ciclo mentrual).
Porque é que o colesterol é importante?
O colesterol tem uma cabeça polar ( representada a vermelho) e uma cauda também
alquilo que não é semelhante a um acido gordo, mas é ramificada. Ele tem a capacidade de
interferir por entre os fosfolipidos. Consoante a percentagem de colesterol na membrana,
esta membrana há de ser mais fluida ou menos fluida, modificando em diversos aspectos as
suas propriedades de fluidez. Nos necessitamos de ter colesterol. Há um nível de colesterol
mínimo. Não pode haver uma alimentação zero em colesterol. A percentagem de
fosfolipidos e colesterol na membrana varia bastante consoante estamos a falar de uma
bactéria ou de um eritrocito. A composicao lipidica de um eucariota na membrana varia
brutalmente enquanto a de ecoli é bastante mais simples.
A percentagem de lipidos na membrana varia, e é isso que nos confere características
biológicas.
Os lipidos também servem para armazenar energia. Na degradação de ATP degradamos
lipidos para aproveitarmos a energia.
Alem destas funções estruturais, de fazerem parte de membranas ( fazendo parte das
membranas e tendo funções nas membranas) servem também para sinalização entre
células. Outra função que eles têm é de servirem como co-enzimas, servem para ajudar as
enzimas a executar as suas funções. Por exemplo a vitamina D, que vocês tem aqui
representada a via de síntese. A partir de uma molécula de um colesterol, e usando raios UV
proveniente do sol há uma quebra de uma ligação e depois há uma via metabólica que
acaba na produção da vitamina D3. Portanto para o primeiro passo é necessário apanhar luz.
A vitamina D é importante para o metabolismo do cálcio. Raquitismo esta associado com
falta de vitamina D. O metabolismo está programado para apanhar sol.
Já para a síntese da vitamina A, esta é feita a partir do beta-caroteno. A falta de vitamina
A durante o desenvolvimento das células da retina não permite o desenvolvimento do
retinal (essencial na transmissão da informação visual ao nervo óptico.
Duas funções diferentes para moléculas lipidicas ou derivados imediatos de lipidos: serem
co-enzimas (servirem para auxiliar certas vias metabólicas, que são necessárias ao
desenvolvimento) ou moléculas sensoras a algo no meio ambiente ( neste caso à luz visível,
sendo necessário uma série de moléculas para sentirem diferentes comprimentos de onda,
para haver esta mudança electrónica é necessário uma certa quantidade de energia).
Co-enzimas e enzimas
Com as 3 classes de compostos que já falamos: lipidos, açucares e proteínas, como é que
pomos uma célula a funcionar? As proteínas são importantes pois são as classes
trabalhadoras, que põem tudo a funcionar (produção de moléculas biológicas). Uma das
classes das proteínas que é essencial pois controla e executa uma série de reacções são as
enzimas. Há muitos mais proteínas para algumas enzimas. Enzimas por definição catalizam
reacções. Aceleram as reacções a um nível extraordinário. Por exemplo na reacção
catalizada pela uriase a diferença é muito grande, quando não participa a enzima a reacção
praticamente não se dá.
O que é ser catalizador?
Todas as reacções para se darem, se partirmos de um certo grau de energia livre, no final
os produtos tem de ter menos energia, sendo o balanço total energético negativo. Temos
menos energia nos produtos finais do que no substrato inicial, a não ser que se forneça
energia. A diferença normalmente é libertada para o meio ambiente sobre a forma de calor.
No entanto a reacção não acontece de uma maneira directa, passando de substrato a
produto. Há sempre um estado intermédio, que exige um certo grau de energia. Este pico,
estado de transição é necessário ultrapassar. Quanto maior for esta barreira mais difícil é
que a reacção aconteça em condições normais, menos espontânea a reacção é. Se for baixa
esta barreira, mais espontânea é a reacção. Muitos dos compostos que nós temos no corpo
são estáveis, ou seja a barreira é muito elevada, portanto a reacção não acontece em
condições normais. O que o catalizador faz é baixar a energia do estado de transição, sendo
que a reacção se dá mais rapidamente. Um catalizador no entanto não participa na reacção,
no sentido em que no final ele está inalterado. Ou seja um catalizador começa e acaba a
reacção da mesma maneira. O catalizador baixa esta barreira mas não altera o equilíbrio (o
equilíbrio químico nunca é alterado), o catalizador só permite que este seja atingido mais
rapidamente. A vantagem que as enzimas tem é que são extraordinariamente específicos,
ou seja as reacções que eles catalizam são muito especificas. Por exemplo para deslocar
grupos fosfatos de umas moléculas para as outras o grupo só é transferido para uma
molécula especifica. O catalizador sabe escolher o substrato e para onde ele vai. Uma
enzima que tem de ter muita especificidade é o DNA polimerasse. Tendo numa cadeia de
DNA um cromossoma, para fazer uma copia, a enzima tem de ser muito especifica ,
reconhecer a sequencia e que seja muito exacta na síntese que está a fazer. As enzimas
normalmente funcionam muito bem, tem capacidades e velocidades de reacção muito
elevadas. Basicamente uma enzima reconhece o seu substrato, e este é especifico por causa
da forma, tendo capacidade de se moldar bem ao substrato, o que lhe confere a
especificidade. Na maior parte dos casos a velocidade aumenta com a concentração de
substrato. Se aumentarmos a concentração de substrato, ele tem mais capacidade para
interagir com a molécula na orientação correcta e chega a um ponto em que a reacção fica
saturada. Por muitas moléculas de substrato que existam no meio ambiente, ele já não tem
capacidade para se ligar.
Uma curva deste tipo é uma implicação física do estado das moléculas, tem de haver
tempo para as moléculas ligarem-se e desligarem-se. Se tivermos mais moléculas mais
facilidade terá a enzima de encontrar o substrato.
As enzimas tradicionalmente (havendo muito poucos tipos de reacção dentro das células,
a bioquímica é muito repetitiva) podemos classificá-las em 6 classes ( IUPAC). Todas as
reacções catalizadas por enzimas dentro do nosso corpo estão dentro das oxidaçõesreduções, que basicamente implica a transferência de electrões, a transferase em que se
transferem grupos químicos de uma molécula para outra, as hidrolases onde se libertam
moléculas de água, as liases – formação de ligações duplas, as isomerases que é transformar
uma molécula no seu isómero, ou seja tipo uma imagem no espelho ( os grupos químicos
são idênticos, só muda a ordem deles) e as ligases que envolvem ligações com átomos de
carbono.
Os dois modelos que normalmente são utilizados implicam sempre um ajuste da
molécula da enzima à molécula do substrato. Tem de se estabelecer contactos estáveis no
espaço químico onde se dá a reacção. No primeiro modelo a enzima é mais rígida e o
substrato encaixa-se directamente, portanto é denominado por modelo chave-fechadura, o
modelo do ajuste induzido, em que a molécula da enzima vai ter que se adaptar à molécula
de substrato. Muitas enzimas, não é só uma ligação de uma enzima ao substrato, a maior
parte deles cataliza reacções com muitas moléculas que funcionam como substrato. Para
que esta reacção se dê, normalmente consome-se ATP, e este tem de passar a ADP. O ATP é
um substrato pois saiu alterado ( normalmente chama-se co-substrato porque a enzima na
reacção principal não é só estar a gastar ATP).
O local de ligação da enzima pode ser muito grande, ou pode ser uma região da enzima
que rodeia uma parte do substrato a ser reconhecido, que é muito pequeno onde as vezes
só cabe um grupo químico. A quimiotripsina é uma molécula que corta proteínas, e se nos
tivermos aqui uma cadeia polipeptídica, a quimiotripsina reconhece o grupo estinina?? E é
capaz de cortar esta ligação. A capacidade de isto acontecer esta ligação tem de ser perfeita,
dá-nos uma noção do que é que se pode sintetizar para inibir esta enzima. Para isto
acontecer a maneira mais simples é darmos à célula um inibidor ou pormos num meio
ambiente onde haja uma molécula equivalente a este grupo. Se tivermos este grupo
químico solto em solução, ele tem tendência a ocupar o espaço no centro activo da enzima,
e o substrato não pode entrar para lá, e chamamos a isto um inibidor, se a ligação for muito
estável ele é irreversível. Ficando a bloquear a enzima esta nunca mais funciona. No entanto
as vezes pode entrar e sair, havendo uma situação reversível. Este é o mecanismo mais
vulgar dos inibidores, que bloqueiam o centro activo do local de ligação com o substrato.
Neste caso temos aqui representado estas duas bolsas de enzima, uma hidrofóbica ( não
tem carga), sendo suficiente sair a água. O tipo de interacções entre moléculas de enzima e
substrato são semelhantes às interacções entre as proteínas. Ligações fracas, interacções
iónicas, hidrofóbicas e van der waals. Convém que sejam pouco fortes. Se forem muito
fortes, o substrato fica bloqueado e a enzima não pode passar para a molécula seguinte. As
enzimas também são conhecidas como catalizadores biológicos. São mais eficazes que os
catalizadores inorgânicos.
(exemplo do livro mostrado na aula)
Quebra de uma ligação peptídica. As proteases são enzimas que actuam nas proteínas de
grandes dimensões e que são absolutamente essenciais, pois estas proteínas fazem parte
da nossa alimentação e é necessário cortá-las para se obter os aminoácidos que o organismo
consegue absorver. È o primeiro passo na via metabólica das proteínas.
Como se quebra uma ligação peptídica desses aminoácidos?
Portanto em água o grupo peptídico é muito estável ( ligação covalente que não se
quebra com facilidade). Colocando a proteína num meio ácido, o que o ácido faz é deslocar a
nuvem electrónica desta ligação no sentido do oxigénio, portanto o carbono fica fragilizado
ficando com menos electrões que estão a ser atraídos pelo ácido. Se reage com a água
sendo ela polar o oxigénio pode reagir com facilidade com este carbono e ocorreria a
hidrolise, quebrando-se a ligação peptidica. Isto é o que faz um catalizador ácido – corta a
ligação e de forma rápida. Colocando a proteína num meio básico muito concentrado
também se consegue quebrar as ligações peptidicas mas é o oposto do que foi descrito em
cima. Neste caso a base tem tendência a segurar os electrões ou a empurrá-los, a base puxa
os protões, o oxigénio fica com mais electrões, e se fica com muitos electrões tem tendência
a atacar este carbono e portanto quebrar-se-ia esta ligação.
O que não se consegue fazer num tubo de ensaio é colocar um ácido e uma base fortes
em simultâneo. Pois reagem um com o outro e neutralizam-se e voltava-se ao estado inicial.
No entanto uma enzima consegue fazer isso. Supondo que este grupo ácido representado
faz parte de uma cadeira polipeptídica que dá a volta e vem ter aqui a baixo, portanto é a tal
bolsa dentro de uma proteína. O que implica que os aminoácidos que estão aqui em cima
também têm carácter ácido, ou seja fazem um ataque ácido aqui a este grupo e depois a
proteína dá a volta e temos o aminoácido básico que empurra a água e ataca este grupo
aqui em baixo. Ou seja esta reacção é um ataque ácido e básico em simultâneo, que nós não
conseguimos fazer a não ser que criemos um ambiente favorável e a reacção passa então a
ser extraordinariamente mais rápida do que com um catalizador inorgânico. Isso também
está representado, mas em vez de se cortar uma proteína, estamos a cortar um açúcar. È
exactamente o mesmo tipo de catálise, ácida de um lado e básica do outro. E cortamos
assim a ligação entre o carbono e o oxigénio. Estas reacções são distintas embora o
substrato seja completamente distinto (neste caso é um açúcar mas no caso anterior era
uma proteína), mas o ataque ácido e básico continua a ter o mesmo princípio.
Próximo exemplo
Neste exemplo há uma interacção directa entre os aminoácido que fazem parte de uma
enzima, como a transferência deste hidrogénio aqui para baixo, e depois ele tem de ir buscar
o hidrogénio à água, sendo possível observar os diferentes passos da reacção. O importante
é que no final a enzima esta exactamente como no inicio, inalterada.
A única coisa que ainda não referi é que podemos fazer com que o enzima funcione ou não
alterando a sua estrutura, sem interferir com o seu centro activo.
Temos aqui um substrato que interage com o centro activo. Se nós ligarmos seja o que for à
proteína que lhe modifique a forma e ela passe a funcionar pior ou melhor, é o que chamamos
uma modificação alostéria, ou seja estamos a modificar a sua alosteria, estamos a modificar
a estrutura, estamos a modificar a sua configuração espacial. Neste caso o seu centro
activo deixava de estar à disposição do substrato. Mas esta acção não tem de ser sempre
inibidora, pode ser um activador alostéreo .
Os enzimas são muito sensíveis a variações de temperatura, na maior parte dos casos. Se
escolherem um enzima e forem alterando a temperatura a que se está a dar uma reacção
(num tubo de ensaio), vêm que a velocidade da reacção aumenta até um ponto x e partir daí
decai abruptamente. A partir de alguns graus acima desse ponto, ela deixa de funcionar por
completo, porque desnatura. Ou seja, conseguimos aumentar facilmente a energia de
vibração e de interacção com a molécula do enzima, mas a partir de um ponto x ela perde a
estrutura ficando disfuncional. Também é verdade que se baixarmos a temperatura a
enzima não funciona, e este é princípio da congelação dos alimentos. No entanto se a
voltarmos a aquecer degradam-se de igual forma (as proteases voltam a funcionar).
Cada enzima tem pontos de funcionamento diferentes. Até há enzimas no nosso corpo
com temperatura óptima de funcionamento a 50 graus. O que acontece é que a 37 ainda
mantêm um grau de actividade bom para manter o nosso corpo em homeostase. De igual
forma, os valores óptimos de pH também não são os mesmos para todos os enzimas. Temos
aqui o exemplo de 3 enzimas diferentes, uma funcionando muito bem em pH ácido e outra
em pH básico. Porém no nosso corpo, na maior parte dos casos, eles não estão em pH’s tão
extremos. Os enzimas que funcionam muito bem em pH ácido (ex. pepsinas) ou estão no
estômago, lágrimas ou dentro de lisossomas – pequenos organelos dentro das células. No
entanto têm todas esta curva em forma de sino típica. Isto porque para o enzima ter a
estrutura que deve, precisa de um certo pH no meio. Se variarem o pH as pontes de
hidrogénio necessárias e as interacções iónicas variam. Assim tanto para um lado como para
o outro o enzima tem tendência a desnaturar-se. Isto é diferente do efeito da temperatura,
porque nesse caso só se desnatura aquecendo. Os enzimas em termos metabólicos não
funcionam na maior parte dos casos isoladamente. Não temos um enzima a “boiar” dentro
da célula. Muitas vezes fazem agregados (que não têm de ser exclusivamente de enzimas),
como os que têm aqui representados, em que vocês vêem um complexo de 3 enzimas, que
faz parte de uma reacção metabólica (glicólise – conversão do piruvato). Por agora só tem
interesse perceber-se que há um interesse em ter este tipo de estruturas, porque na maior
parte dos casos uma reacção metabólica não é suficiente para termos o produto final
pretendido. (como se pode observar neste slide). Isto tem duas vantagens essenciais: • A
transferência dos produtos que passam a ser substrato do enzima seguinte é muito mais
rápida. • Se um produto intermédio for tóxico para a célula, a sua deriva dentro do citosol
pode fazer com que reaja com algo indesejadamente. Se for imediatamente captado pelo
enzima 2, a regulação deste processo funciona melhor.
Coenzimas ou Cofactores
Existem algumas moléculas (como as vitaminas) que ajudam certas reacções a dar-se –
cofactores, sendo muitas vezes também designados por grupo prostético - sendo necessária
a sua ligação ao enzima para este funcionar. (nem todas as vitaminas cumprem função de
cofactor.) O que vemos aqui é que esta molécula liga-se num local que não é o centro activo
e não contacta com o substrato. Nunca perturba a reacção directamente. Qual é a vantagem
de um cofactor se ligar a um enzima e modificar a maneira de ele funcionar? • Pode não ser
desejável que o enzima esteja sempre a funcionar (caso das fibras musculares) – controlo
devido à libertação ou não do cofactor. • A maior parte dos enzimas que nós temos no
corpo não funcionam num sistema de ligar e desligar. Na maior parte dos casos em que
dizemos que está desactivado, por exemplo sem o cofactor, ele apresenta uma actividade
baixa (1%) e depois passa a funcionar a 96%. Podemos querer apenas que ele funcione
melhor ou pior. • Um cofactor pode também fazer com que um enzima tenha preferência
por um dado substrato em detrimento de outro (altera a sua especificidade) contudo mais
uma vez ele continua a ter sempre alguma especificidade para o outro substrato, estamos
sempre a falar numa questão de percentagem.
Os cofactores não são específicos para uma enzima, podendo ligar-se a vários. O último
caso é o de cofactores que se ligam directamente no centro activo, podendo ser
importantes não só para o reconhecimento do substrato como para a catálise. Ele pode
participar na reacção, estando inalterado no final. Neste caso chamamos-lhe coenzima,
porque participa na reacção. O que temos aqui representado são coenzimas, moléculas que
participam em muitas reacções (NAD). Deste quadro ainda conhecem as vitaminas B1 B2 B6.
Os cofactores não têm que ser moléculas orgânicas complexas, podem ser iões metálicos,
que com as suas valências fortes alteram a reactividade dos grupos livres dos aminoácidos.
Como trabalhamos a cinética enzimática? Em laboratório dizemos que a enzima é tanto
melhor quanto mais rápido catalisar a reacção (é o que interessa em engenharia…) e não
tanto a especificidade. Um exemplo típico é o das enzimas dos detergentes completamente
modificados, que têm de ter a capacidade de estar expostas aos mais diferentes ambientes
(nódoas do dia-a-dia). Em bioquímica isto não funciona assim. Há casos em que o nosso
organismo está interessado em que as coisas funcionem muito devagar, ou que funcionem
rápido, que seja possível parar imediatamente uma reacção (sinais de neurónios). Temos de
medir estes dois parâmetros: o que é ser rápido (velocidade da recção biológica) e quanto
tempo é que eu demoro a chegar à velocidade máxima, quão rápido o enzima reconhece o
seu substrato. Aqui os temos representados, velocidade (moléculas por segundo que
consegue catalizar) e quanto tempo se demora a acelerar para chegar lá. Cá está
representado a concentração do substrato. O ideal é que tivéssemos uma curva que subisse
muito rapidamente logo a baixas concentrações de substrato e chegasse à velocidade
máxima. Estes dois parâmetros são independentes. Pode fazer-se a analogia com um carro.
Podemos ter um carro que acelera muito rápido mas que não tem grande velocidade de
ponta e também um que acelera devagar, mas depois atinge muito altas velocidades. O que
isto implica em termos biológicos? Este factor de aceleração é a especificidade para o
substrato, quer dizer que o enzima reconhece muito facilmente o substrato. Velocidade
máxima quer dizer que catalisa logo a reacção. Isto tem implicações estrondosas em termos
do funcionamento das vias metabólicas do nosso organismo.
Como calculamos estes dois parâmetros? Este tipo de curva (Michaelis-Menten), que não
é único, considera só um substrato, a concentração de enzima é constante e altera-se
apenas a de substrato, e depois vamos medindo quanto produto se forma, ou por
alternativa, quanto substrato desaparece. Michaelis e Menten definiram que o que
interessa é a formação do complexo enzima-substrato, quão rápido se liga e durante quanto
tempo é que este estado vai perdurar. Na cadeira não é necessário estudar a cinética
enzimática em detalhe… o que eu quero que percebam é o que significa o Km. Km –
afinidade enzima-substrato (aceleração) e é uma estimativa da constante de dissociação de
E com S. (que é o mesmo que dizer da constante de associação, porque sõ inversamente
proporcionais)
Km pequeno – ligação ao substrato é muito forte Km muito elevado – ligação é muito
fraca É um parâmetro inverso. Quanto maior for a afinidade mais baixo é o Km.
Em termos numéricos, calcular a velocidade máxima é muito simples. O Km é calculado a
partir desse valor. Vamos ao gráfico e vemos a que valor de concentração de substrato
corresponde metade da velocidade máxima. As unidades de Km é concentração!! Atenção
porque sai muita vez… não é metade da velocidade máxima! É a concentração a que
corresponde esse valor.
Se quisermos um enzima que reaja muito rapidamente isto é importante, porque dentro
das células a concentração de substrato nunca é muito elevada. Queremos que o nosso
enzima reconheça o substrato com muita facilidade. Convém Km muito baixo. Há no entanto
situações em que tal não é necessário, como por exemplo quando comemos um bife, a
concentração das suas proteínas no nosso estômago é muito elevada e portanto podemos
ter enzimas (quimiotripsina) com Km mais elevado. Os parâmetros variam de enzima para
enzima brutalmente.
A velocidade máxima é uma constante para cada enzima. É uma velocidade teórica.
Porque mais uma vez isto é um conceito que deriva da nossa interpretação das moléculas.
Temos x moléculas a boiar que se ligam ao substrato, dá-se a reacção e soltam-se. A
velocidade máxima seria o ponto em que os enzimas estavam sempre a catalisar, com
substrato ligado. É impossível porque tem de haver um período em que se solta para ligar
outra molécula.
Para se calcular o Km, pode-se linearizar as curvas. A maneira mais fácil é usar a
representação de Lineweaver-Burk. Pegamos na curva e invertemos os parâmetros. Para
cada ponto calcula-se o inverso da velocidade, e também os valores da concentração de
substrato são invertidos. Pode traçar-se uma recta e, a velocidade máxima é encontrada na
intersecção com o eixo dos y. O valor de Km é tirado a partir da intersecção com o eixo dos x.
É esta a vantagem deste traçado.
No entanto sempre que estamos a falar nestes parâmetros (constantes) estamos a
pensar em determinadas condições de pH e de temperatura.
Dentro do nosso corpo, porém, as coisas não se processam assim, o enzima não está
sempre a funcionar, dependendo da concentração do substrato. Os nossos enzimas estão
sempre a ser regulados. Inibidores Vamos assumir que a ligação da enzima ao inibidor é
reversível. Se ele estabelecer ligações covalentes, “mata” o enzima, é irreversível, não
diminui a velocidade, ela vai a zero. No caso de ser reversível há varias hipóteses consoante
o efeito que o inibidor tem. Neste caso temos um inibidor que só é capaz de se ligar à forma
do enzima livre. Há uma constante de associação e de dissociação, um equilíbrio entre o
estado do enzima mais inibidor e enzima mais substrato. Tanto o substrato como o inibidor
estão os dois a competir para o enzima. O que estiver em maior concentração há-de ganhar
a competição. Na maior parte dos casos eles estão os dois a competir para o centro activo
do enzima. Se nós tivermos um enzima inibido desta forma, a maneira que a célula tem de
contornar esta inibição é aumentar a concentração do substrato. A este tipo de inibição dáse o nome de inibição competitiva. Um caso típico são os gases tóxicos que os bombeiros
inalam, e a maneira de competir é beber leite. Num gráfico, se tiverem a curva padrão da
enzima, se tivermos sempre a mesma concentração de inibidor no meio, se formos
aumentando a concentração de substrato, a enzima vai-se aproximando do seu valor de
velocidade máxima normal. Em termos de parâmetros cinéticos, a velocidade máxima acaba
por ser atingida – mantém-se - mas a afinidade é menor – maior Km. Inibição competitiva.
Em alguns casos o inibidor tem tanta facilidade em ligar-se a um enzima livre como a um já
ligado ao substrato. Em representação molecular, normalmente dizemos que ele se liga a
um ponto diferente do enzima. Na realidade, não está a competir com o substrato. Por
muito que aumentemos a concentração de substrato, nunca atingimos a velocidade máxima
porque há sempre moleculares às quais está ligado o inibidor. Neste caso a vmáx diminui.
No entanto o Km está inalterado, pois sendo o local de ligação diferente, não se altera a
afinidade da enzima pelo substrato. Inibição não competitiva. Temos ainda o caso de alguns
inibidores que só se ligam ao complexo enzima-substrato, ou seja, ao estado de transição da
reacção – são dependentes do enzima já estar ligado ao substrato – inibição anticompetitiva. Assiste-se à diminuição dos 2 parâmetros. É um pouco contra intuitivo a
diminuição do Km, porque isto significa que o enzima liga-se mais ao substrato no universo.
Isto é porque quando se tira uma fotografia à solução, dá a ideia que o enzima está mais
ligado ao substrato, pois este tanto se pode ligar com o inibidor como sem o inibidor. ES +
ESI A constante catalítica, isto é, a velocidade a que a enzima consegue catalisar a reacção
varia brutalmente, temos enzimas extraordinariamente rápidos, um dos mais rápidos é a
catalase, no entanto Km é muito alto. Consegue catalisar 40 milhões por segundo. Isto é
essencial para o nosso corpo porque o peróxido de hidrogénio é altamente tóxico, que nós
produzimos como resultado do metabolismo. Este ataca DNA e é um factor de
envelhecimento. Por outro lado há enzimas que nem uma molécula por segundo consegue
catalisar.
8º Aula
Nas últimas aulas falamos das condições básicas da acção enzimática, falámos do
funcionamento essencial das enzimas e qual o padrão de comportamento MichaelisMenten, se têm forma rectangular ou não e, com base nesse comportamento, detectar
inibidores e qual o tipo de inibição que produz efeitos reversíveis (se for irreversível poderá
fazer uma inibição completa havendo 3 tipos distintos de que já vos falei). Hoje vamos
continuar não na linha das enzimas mas de como as células funcionam. Todas as moléculas
que estivemos a falar: lípidos, proteínas, glúcidos, como os podemos integrar para pôr uma
célula a funcionar, como pomos as enzimas a funcionar catalisando reacções na célula
dentro de um espaço de vida de uma célula. Isto é uma experiência muito básica que mostra
que as células são dependentes de haver uma menbrana citoplasmática. Aqui representada
temos uma membrana que há-de rodear a célula e lá dentro temos reacções metabólicas a
processarem-se. Alguns organismos, como os eucariotas superiores, dentro da membrana
têm outro sistema de aparelhos que está aqui simplificado: começa do retículo
endoplasmático que está associado à membrana nuclear (membrana dupla) mas a partir
deste sistema membranar formam-se vesículas que hão-de dar origem ao complexo de golgi
que formam outras vesículas que se irão fundir com a membrana citoplasmática.
Qual o interesse disto? Se não houver membranas não temos um sistema celular
(conceito essencial), já agora, não há células vivas que não tenham membrana
citoplasmática, pode ter um sistema interno mais ou menos complexo mas é essencial haver
membrana.
Em que consiste e o que ela permite nos seres vivos? Um conceito que referimos nos
lípidos é: classe de lípidos, os fosfolípidos que têm capacidade de se manter numa camada
bilipídica (já vamos ver isto outra vez), na qual estão inseridas uma série de proteínas. Numa
membrana estão presentes todas as classes de compostos principais de que falamos:
lípidos, proteínas e açúcares. As membranas são muito complexas em termos de
composição quimica.
O que as mantém coesas e o que lhes confere funcionalidade? Barreira selectiva (separam
interior do exterior celular) se estivermos a falar numa célula eucariota também tem
sistemas membranares internos, no entanto a maior parte dos organelos que temos no
interior das células têm uma membrana à volta, portanto é como se houvese mini-células
dentro de uma célula, são ambientes fechados por uma membrana que são encarregues de
uma função específica. Funções metabólicas específicas podem variar quanto ao pH,
concentração de enzimas ou de substractos mas têm funções determinadas que não podem
ser executadas na maior parte dos casos dentro do citoplasma. Aqui temos o núcleo,
organelo clássico onde está incorporado o material genético mais importante para uma
célula. Não são só os núcleos que têm DNA mas que também podem encontrar DNA nas
mitocôndrias, cloroplastos, e que também é essencial para a vida da célula, não podemos
eliminar esse DNA se não as células morrem. Sistemas enzimáticos essenciais importantes
da célula, há uma série de metabolismos que se processam sobre a membrana (detalhes na
respiração e na fotossíntese). Sistemas de transporte que permitem passagem de moléculas
de um lado para o outro. Locais de reconhecimento específico (= as nossas células têm que
se identificar como fazendo parte do mesmo corpo e enviarem sinais umas às outras) são
estes sinais de reconhecimento que permitem os organismos funcionarem como um todo e
não como um agregado de células independentes.
Componentes básicos das membranas – lípidos e proteínas integradas nesses lípidos.
Lípidos Classe principal dos lípidos integrados na membrana são fosfolípidos (recordem-se
que um fosfolípido é constituido por duas caudas hidrofóbicas (= não gostam de estar num
ambiente aquoso) e uma cabeça hidrofílica (= interage com a água)). Há uma série enorme
de fosfolípidos. Numa bicamada a proporção destes componentes não é homogénea, ou
seja, não temos os quatros tipos de fosfolípidos referidos distribuidos homogeneamente ao
longo da membrana, a membrana interna é muito rica em lípidos polares e no lado externo
temos lípidos neutros ou cabeças fosfolipídicas ligadas a grupos de carbohidratos associados
podendo ser mais ou menos complexa. Para que haja uma certa assimetria, para
conseguirem colocar no lado interno um certo tipo de lípidos e no lado externo outro tipo de
lípidos tem que haver enzimas para que durante o processo de síntese das membranas se
consiga uma disposição específica dos lípidos. As proporções relativas de cada uma das
classes de fosfolípidos são diferentes. Em determinados tipos de células torna as
membranas mais ou menos fluidas (colestrol e glicolípidos fazem parte das membranas).
Membranas mais simples são sempre as dos procariontes. Para além dos lípidos uma parte
muito importante das membranas são as proteinas (ate 70% proteínas). Uma coisa que não
falamos muito porque está muito pouco estudada é o papel dos açucares nas membranas.
Para além de comunicação entre células têm uma componente de proteção (ex: terminais
do sistema sanguíneo ABO) Características dos lípidos das membranas Se tivermos uma
cauda constituida por dois ácidos gordos conseguimos fazer uma membrana dupla sem
grande esforço (Nota: não há nada que esteja a “prender” estes lípidos eles sustêm-se
meramente por forças de repulsão com a água). Como não estão ligados uns aos outros isto
significa que têm muitos graus de liberdade podem mover-se com muita facilidade, não há
nada que impeça uma molecula de trocar de posição com outra ou de rodar sobre si mesma.
Se não houvesse àgua nem H+, se fosse tudo exactamente idêntico e não houvesse
proteinas, o único parâmetro que restringe os graus de liberdade de qualquer molécula da
membrana são parâmetros físicos como por exemplo a temperatura (ponto de fusão dos
lípidos) a membrana pode ficar mais/menos rígida, pode ser mais fluida ou mais viscosa, e a
pressão para além de que estamos sempre a assumir que estamos num meio aquoso. Em
termos de lípidos, consoante as caudas sejam constituidas por ácidos gordos saturados ou
insaturados, e como as características dos graus de liberdade dependem da temperatura, se
a membrana for constituida por mais ácidos gordos saturados é mais viscosa porque os
fosfolípidos têm mais tendencia para se empacotarem, mas se tiver mais quantidade de
ácidos gordos insaturados as caudas não têm tendência a estarem tão bem ordenadas e
portanto esta membrana será mais fluida. Os seres vivos usam estes parâmetros para fazer
com que as membranas sejam mais ou menos fluidas, isto é, a componente lipídica é
importante para defenir a fluidez ou viscisidade das membranas (se os ácidos gordos forem
saturados têm estrutura ordenada e como tal posso arrumar todos com grande facilidade e
se diminuir a temperatura facilmente se agregam, mas se forem insaturados, em vez de as
caudas andarem em zigue-zague chegam a um ponto que as têm ligação dupla e nesse local
vai ser mais difícil empacotar todos os fosfolípidos já que as caudas vão ficar desordenadas.
Assim temos uma estrutura irregular que, mesmo que a temperatura seja menor eles
continuam a abanar e assim são menos viscosas (a ligação dupla não afecta características
qumicas do àcido gordo o que afecta é o empacotamento da estrutura). Quando falamos de
ligações duplas podemos referir-nos a diferentes tipos de ácidos gordos e ao local da ligação
dupla ao longo da cauda, temos então uma estrutura altamente caótica. Outro aspecto
importante é o comprimento das caudas, uma delas pode ser saturada e a outra insaturada
e além disso podem ter comprimentos diferentes.
Proteínas Componente proteica numa membrana A componente proteica numa
membrana é demasiado importante para ser ignorada. Temos vários tipos de proteinas que
podem ser classificadas de várias maneiras consoante estejam associadas à membrana.
Podem fazer parte integrante da membrana atravessando-a de lado a lado ou podem só
estar associados à superfície (proteinas periféricas) tanto do lado externo como do interno o
que implica que as proteinas que atravessam a membrana têm que ter características
hidrofóbicas e hidrofílicas. A parte que está em contacto a cauda hidrocarbonada dos
fosfolípidos terá que ser hidrofóbica e a parte que está em contacto com asolução aquosa
tem que ser hidrofílica. A proteína que está integrada na membrana não precisa de ser só
polipeptido pode também ser um polipeptido associado a um açucar (= glicoproteina), pode
ser uma proteína associada ao fosfolipido (= lipoproteina) ou ainda um grupo hidrofóbico
que integra com facilidade na proteína que faz parte da membrana mas que não é uma
lipoproteina (ex: grupo fenilo que é hidrofóbico, integra-se com facilidade na membrana e
temos assim a nossa cauda polipeptidica). Há diferentes grupos a que as proteinas têm que
estar ligadas para pertencerem à membrana e a ligação das proteinas periféricas é muito
mais fraca do que uma que integre a membrana de lado a lado - regiões proteicas que
atravessam a membrana não podem ser muito ricas em aminoácidos carregados têm que
ter características hidrofóbicas (ex: hélice-α que atravessa a membrana de lado a lado é rica
em leucinas, isoleucinas e valinas que são aminoacidos apolares e portanto têm facilidade
em estar numa região de hidrofobisidade elevada). Uma vez no meio aquoso, ou seja, no
citosol, meio interior das celulas já existem aminoacidos carregados que facilmente
estabelecem ligação com a cabeça polar dos fosfolípidos (= a proteina não só está ligada à
membrana através da região que atravessa a membrana de lado a lado como também por
uma série de grupos polares carregados que interagem com os fosfolípidos). Assim tivermos
uma sequência de aminoacidos numa proteina nova, como é relativamente fácil calcular a
estrutura espacial das proteinas (se é uma hélice-α ou folha-β), se calcularmos p.ex. na
hélice-α com tamanho específico equivalente à espessura membranar e se for muito rica em
aminoacidos hidrofóbicos (índice de hidrofobicidade = tendência dos aminoacidos entrarem
em contacto com regiões aquosas ou não) então existe alta probabilidade de esta ser uma
hélice-α que esteja a atravessar uma membrana (regiões transmembranares). Dependendo
da representação podemos tanto saber se é proteína transmembranar mas também a sua
conformação no espaço, se tiver regiões hidrofóbicas essas regiões têm a tendencia a estar
no interior das proteinas mas não estando associados a uma membrana podem ser
globulares e assim as regiões hidrofóbicas têm tendencia a ficar no interior. Há proteinas
que atravessam a membrana que não são como uma hélice-α podem ter uma conformação
complexa, p.e. várias hélices que atravessam membranas multiplas vezes (picos
hidrofóbicos e regiões hidrofilicas repetidas várias vezes que dá vantagens de formação de
poros, canais que atravessam a membrana que podem permitir passagem de moleculas de
água ou de moleculas carregadas). Assim na estrutura hélice-α os grupos voltados para o
exterior do poro, têm de ser aminoacidos apolares (em contacto com lípidos) e no interior
podem ser hidrofílicos. Portanto as hélices-α podem permitir passagem moléculas
carregadas com relativa facilidade (trocas aquosas entre o interior e o exterior da
membrana). Como tal, dada uma proteina com estas caracteristicas seria possível que ela
fosse uma proteina com este tipo de estrutura, formando um poro. Estes poros podem
servir para passagem de iões moleculares ou de H2O mas é muito difícil medir passagem de
água para dentro de uma célula uma vez que ela já possui um ambiente aquoso no citosol.
No caso de um sal é fácil, tenho uma concentração inicial no exterior, e ao fim de x tempo
meço a concentração final no interior da célula, ao contrário da água.
É importante perceber que as moléculas que atravessam as membranas não têm que ter
somente conformação em hélice-α, podem ser folha-β e até um conjunto de subunidades.
As estruturas quaternárias podem ser extraordinariamente estáveis ex:anticorpos (são
proteinas livres - poderiam reagir mas são muito estáveis). Estruturas secundárias são
menos estáveis que as estruturas primárias porque os aminoacidos são unidos por pontes
de hidrogénio. A estabilidade só depende da natureza das ligações.
As proteinas integrantes podem desagregar-se mas não se desligam da membrana,
porque têm uma zona hidrofóbica e como tal não vão para junto da água, podem é formar
complexos com outras proteinas, o que quer dizer que cada uma destas moléculas pode ter
algum grau de liberdade dentro da membrana (verifica-se que muitas proteinas se podem
mover ao longo da membrana mas também há outras que estão fixas ou têm a condição de
se moverem em direções específicas) assim há algo mais que define as membranas - ligação
interna feita por proteinas integrantes e rede interna. Em zonas específicas onde as
proteinas se movem numa região limitada existe uma espécie de barreira selectiva na rede
interna. As proteinas que estão fixas estão associadas a uma rede interna imóvel.
Como é que uma proteína se fixa ou não?
Só os lípidos não são suficientes para fixar uma proteína (tem que haver algo mais). Na
região interna da membrana lipídica há uma rede complexa de proteínas que estabelece
uma malha que suporta os lípidos. No interior da membrana lipídica há regiões altamente
carregadas que facilmente se associam às proteínas específicas, estabelecendo uma rede de
proteínas através de interacções iónicas.
Como é que se estabelecem as zonas específicas para as proteínas?
As proteínas não têm livre circulação entre as células. Por exemplo, as células da zonal
apical e da zona basal encontram-se unidas não deixando as proteínas da parte superior da
células migrar para a parte lateral, ou seja, existem zonas específicas nas quais só podem
circular determinado tipo de proteínas; existe uma barreira selectiva entre as diversas
zonas. Para além disso, pode existir uma proteína numa zona com ligação a uma molécula
externa (lípido ou outra proteína), fixando-a a essa zona da célula.
Existem experiências que analisam a mobilidade de uma proteína numa membrana:
Marco uma determinada proteína com um marcador fluorescente (possível devido à
descoberta da proteína GFP - green fluorescent protein - que permite a fluorescência verde
em alguns seres vivos) e coloco esta mesma proteína no interior de uma célula. Devido ao
marcador é possível observar as movimentações da proteína na célula (se a proteína estiver
em todo o lado observamos uma célula verde ao microscópio, se virmos a zona verde a
movimentar-se significa que a proteína está móvel, etc.).
Para criar esta proteína de fusão (proteína + o marcador) apenas tem que se pegar numa
sequência do DNA, retirar-se o codão-stop (codão que pára a tradução dos ribossomas) e
colocamos os codões (codão é uma sequência de 3 nucleótidos que codifica um aminoácido)
que identificam a GFP, colocando novamente no fim o codão-stop. A função da sequência de
DNA original não vai ser alterada na maioria dos casos, pois o GFP não é uma proteína tóxica.
Actualmente já se realizam mutações na GFP, tendo assim a mesma a fluorescer em várias
cores, tornando possível a observação da mobilidade de várias proteínas em simultâneo na
mesma célula.
Existe o conceito de Jangada Lipídica, ou seja, os lípidos também podem estar restringidos
na célula. As zonas da célula que possuem uma composição proteica específica podem estar
associadas a uma composição lipídica específica também. As camadas lipídicas não são
homogéneas do ponto de vista físico, pois os fosfolípidos associam-se a outros fosfolípidos
com a parte hidrofóbica (cauda) de tamanhos semelhantes, fazendo com que a espessura
da membrana lipídica varie ao longo da mesma, assim, existem proteínas que só se
integram bem em regiões com uma determinada espessura; criando consequentemente
classes de proteínas, devido à (in)capacidade de se integrarem ou não em determinadas
zonas da barreira lipídica. Concluindo, a composição lipídica vai influenciar a composição em
proteínas e em açúcares numa célula.
As proteínas numa célula têm diversas funções: -transporte; -tradução de sinais de célula
para célula; -ligação intracelular.
Proteínas da classe de transporte
Há uma família enorme de proteínas que são transportadoras nas membranas, conforme
a classe de moléculas que estamos a falar estas proteínas podem circular mais livremente
ou não. Há muitas moléculas que atravessam livremente a membrana, enquanto que outras
não (ex: a glucose – proteína essencial – não atravessa a membrana).
O transporte através das membranas pode ser: - passivo (não há gasto de energia) ou activo
(há gasto de energia); - mediado (as moléculas atravessam a membrana através de um canal
que possibilita ou não o transporte da molécula) ou não mediado (atravessam directamente
a membrana).
Como exemplo de transporte mediado é um canal no qual as moléculas se movimentam a
favor do gradiente a partir do momento que está aberto, ou seja, o canal apenas possibilita
a passagem de moléculas da zona com maior concentração para a zona com menor
concentração. Este tipo de transporte implica uma conformação do canal (que pode exigir
uma quantidade de energia), sendo desta forma um tipo de transporte muito mais lento e
que satura com muito mais facilidade.
O que determina o fluxo de moléculas de um lado para o outro do canal é: - o diâmetro do
canal; - concentração relativa de moléculas no interior e exterior do canal.
Um caso específico de transporte activo é, por exemplo, o transporte de hidrogénio
contra o gradiente de concentração numa membrana de uma célula (do sítio com menor
concentração de hidrogénio para o sítio com maior concentração), que faz com que haja um
consumo de ATP para mudar a conformação da molécula; esta energia é adquirida através
da hidrólise de ATP em ADP, que tem como um dos produtos o trifosfato que é utilizado
como fonte de energia.
Outro processo utilizado para o transporte de moléculas contra o gradiente de
concentração é o transporte simultâneo de duas moléculas, tendo uma das moléculas muita
tendência a entrar. Este transporte pode ser feito com as 2 moléculas na mesma direcção –
simporte - ou então com as duas moléculas em direcções opostas - antiporte. A energia que
é aproveitada nestes dois tipos de transporte é só a energia do gradiente.
Ao observar um gráfico de concentração de uma molécula durante um transporte, se a
concentração da mesma aumentar linearmente estamos perante um transporte passivo;
por outro lado, se observarmos uma curva, significa que estamos a saturar o transporte,
assim a molécula vai sendo transportada até atingir o limite máximo.
Para além do ATP, a energia utilizada pode ser também energia solar (este processo
ocorre, por exemplo, nos cloroplastos), muito vulgar nas plantas.
A abertura dos canais pode ocorrer devido: - As diferenças de potencial (modificação
química interna), ou seja, uma membrana possui um potencial positivo no seu exterior e um
potencial negativo no seu interior e ao haver um aumento ou diminuição da diferença de
potencial, fazemos com que os canais reajam, abrindo ou fechando;
- Outro tipo de canais, são os canais que abrem ou fecham devido à interacção com outras
moléculas (intracelulares ou extracelulares); um exemplo disso são os neurotransmissores
nas sinapses, que vão permitir a abertura de canais na mesma. Este tipo de canais também
vão ser facilmente saturados, senão após a sua abertura nunca mais voltariam a fechar e o
sinal estaria sempre activado. Esta abertura e encerramento dos canais nas sinapses é um
processo muito rápido e o que muitas das drogas fazem é prolongar o tempo de abertura, e
ao fim de um determinado tempo as células adaptam-se e entram em curto-circuito.
Para que os neurotransmissores sejam libertados para a sinapse a membrana das vesículas
que os contêm tem que sucumbir com a membrana citoplasmática. No entanto, esta fusão
tem que ser controlada, pois as vesículas não se fundem todas espontaneamente; este
mecanismo de controlo é feito ao nível das proteínas que estão associadas a esta
membrana, sendo as jangadas lipídicas determinantes para a fusão das vesículas com a
membrana citoplasmática.
Como é que uma célula nervosa transmite o sinal ao longo do axónio?
Para que o sinal seja transmitido com rapidez tem que haver a abertura de canais devido
a inversões de diferenças de potencial. Quando invertemos o potencial normal da célula, o
canal abre havendo imediatamente a passagem de uma série de moléculas através desse
mesmo canal. Mas a conformação deste canal/molécula é muito instável, voltando a fechar
em poucos milissegundos, levando ao bloqueamento da passagem de moléculas e à
reposição do potencial inicial da célula.
Conforme o sentido da passagem da molécula numa célula, o processo é mais ou menos
rápido.
Num axónio, com a abertura de um canal de sódio, passa a haver a passagem de sódio
para o interior da célula e ocorre, consequentemente, uma inversão da polaridade (cria uma
zona positiva no interior e negativa no lado externo da membrana) da zona da membrana da
célula em causa na qual o canal de sódio foi aberto. Ao haver a inversão de polaridade nessa
zona, vai fazer com que o canal seguinte também se abra invertendo a polaridade dessa
zona, e assim sucessivamente ao longo do axónio. Devido à rapidez com que os canais
abrem e fecham é possível a transmissão do sinal numa grande extensão com muita
rapidez.
O sinal transmitido num axónio é um sinal eléctrico mas não ocorre nenhuma descarga
eléctrica no neurónio, apenas uma inversão de potenciais ao longo do axónio devido ao
transporte de sódio entre o interior e exterior da membrana.
Se o pH do meio for alterado, ou seja, se alterarmos as condições iónicas do meio, a
transmissão do sinal vai ser anulada no terminal nervoso, pois esta transmissão de sinal
apenas funciona se a membrana se mantiver polarizada e se essa polaridade for constante.
A célula nervosa tem que ser capaz de voltar às condições iniciais para conseguir enviar
um segundo impulso idêntico ao primeiro. É esta capacidade de resposta para voltar às
condições iniciais que vai determinar a velocidade do sinal na célula nervosa.
9º Aula
Na aula anterior já tivemos algumas noções de metabolismo, nomeadamente como é que
as células transportam substâncias através da membrana. Até agora, podemos encarar as
células como um reactor do qual temos falado sobre as “pecinhas” que o constituem, o que
lá está dentro, nomeadamente proteínas, lípidos, glúcidos e mais algumas moléculas.
Falamos também do que é que contém o seu “motor”, isto é, dos lípidos de membrana, das
suas características, mas agora o que nos interessa esclarecer é como a célula se mantém
viva, e como é que ela e capaz de manter todas as reacções e no final ela é capaz de fazer
uma cópia de si mesma, uma vez que este é o objectivo da vida.
Uma célula tem milhares de reacções a acontecer em simultâneo, e consegue fazê-lo em
condições “muito suaves”, isto é, em condições de temperatura muito baixa, a uma pressão
muito baixa e com pouca variabilidade tanto destas condições como de pH. A isto é que nós
chamamos metabolismo, ao conjunto de todas as reacções químicas que estão a acontecer
dentro da célula e as variações de energia a elas acopladas. O que queremos então estudar
é como é que a célula consegue organizar estas reacções enzimáticas, pois as reacções que
se dão dentro das células são quase na sua totalidade catalisadas por enzimas, são estas que
as regulam; na maior parte dos casos são reacções em série, isto é, é uma cadeia de
reacções em que cada passo é catalisado por uma enzima. Estas são reacções complexas e a
estas vias dá-se o nome de vias enzimáticas.
A forma como as células organizam estas reacções e como são catalisadas pode parecer
um processo muito complexo se o tentarmos entender de uma só vez. No entanto se o
virmos do ponto de vista de uma das moléculas envolvidas ou do ponto de vista energético o
processo fica muito mais simples para ser estudado.
Para que se dêem reacções dentro da célula é necessário que exista: matéria-prima
(precisamos de uma fonte de carbono que é o constituinte básico das nossas moléculas; no
caso dos organismos autotróficos, estes conseguem ir “buscar” este carbono directamente
ao carbono inorgânico, nomeadamente da atmosfera, CO2; no caso dos heterotróficos este
carbono tem que ser ingerido, sendo a fonte de carbono outro ser vivo); para além disto,
para haver metabolismo têm que haver variações de energia, energia essa que tem que ser
absorvida de algum lado (as fontes de energia também classificam os seres vivos, sendo os
seres autotróficos os seres vivos cuja fonte de energia é a luz, ou quimiotróficos, que vão
buscar a energia a compostos orgânicos e inorgânicos, como é o caso do Homem que utiliza
a energia da glicose entre outros…). Esta diversidade de seres vivos existe apenas tendo em
conta a fonte de carbono e energia utilizada por cada ser vivo. No entanto outro factor
fundamental para que haja metabolismo é a existência de azoto, que normalmente és
esquecido quando se fala em metabolismo, mas que é um dos mais importantes
constituintes dos aminoácidos. Todos os organismos sem excepção precisam de azoto, no
entanto muito poucos organismos são capazes de utilizar o azoto inorgânico, algumas
bactérias e outros microrganismos, todos os outros dependem deste que fixam
primordialmente o azoto.
• Em suma, os parâmetros essenciais para que haja metabolismo são: a existência de uma
fonte de carbono, energia e azoto.
As vias metabólicas mais essenciais são muito semelhantes para todos os tipos de
organismos e os seus componentes são muito parecidos, este facto sugere que a origem da
vida foi comum e depois se foi diversificando a partir de certo ponto. Nós vamos encarar
como ponto primordial de vida, a fonte de energia sendo o sol. Todos já sabemos que o Sol é
necessário para que as plantas façam fotossíntese, isto é, sintetizem a energia sob a forma
de carbonatos, isto é, sintetizem açúcares, açúcares esses que fornecem a energia
necessária para que nós tenhamos o nosso próprio metabolismo. Para além disto, para
fixarem a energia elas fixam ao mesmo tempo o dióxido de carbono para sintetizar os
hidratos de carbono, sendo este o princípio básico. Nós, os seres heterotróficos fazemos a
reacção oposta, ou seja, nós ingerimos os açúcares e oxidamo-los degradando-os em
dióxido de carbono e em água. Portanto as vias metabólicas na realidade são muito simples
e repetitivas. O que nós fazemos é, primeiramente degradar as moléculas que ingerimos e
depois vamos aproveitar os produtos dessas reacções e a energia libertada para
sintetizarmos as nossas próprias moléculas.
Basicamente nós podemos dividir o metabolismo geral em duas metades: uma delas são
as reacções catabólicas, as reacções de catabolismo, isto é, a partir de moléculas complexas
vamos obter produtos mais simples e usualmente há libertação de energia; outras são as
reacções anabólicas ou o anabolismo que é a reacção inversa, ou seja, a partir de moléculas
mais simples vamos sintetizar moléculas mais complexas. Uma reacção anabólica básica é,
por exemplo, a síntese de um ácido gordo, uma reacção catabólica pode ser a degradação
desse mesmo ácido gordo. A energia libertada nas reacções catabólicas é a energia que a
célula vai ter que utilizar na síntese de outras moléculas, no entanto a energia não anda livre
na célula, pois a célula não utiliza a energia sob a forma de calor na maior parte dos casos, a
energia está então sob a forma de ligações químicas. É aquilo a que se chama energia
química. Quando nós degradamos, por exemplo, o açúcar a energia vai ficar acumulada sob
a forma de moléculas de ATP ou de NAD ou de NADPH. Esta energia fica então contida, ou
sob a forma de uma ligação, que é a ligação do fosfato no ATP ou sob a forma de electrões
com alta energia no caso do NADPH é que vai ser usada para as células, a partir de
compostos mais simples, sintetizarem moléculas mais complexas. Todo o metabolismo de
que nós vamos falar tem como base como é que há o aproveitamento energético das
biomoléculas e como é que nós conseguimos fazer a degradação e a síntese de moléculas.
Um problema óbvio que se põe é como é que a célula consegue equilibrar estes dois
processos em simultâneo. Temos que ter em conta que todas estas reacções obedecem as
leis da termodinâmica, o equilíbrio químico tem sempre que ser obedecido. Assim sendo
como é que é possível termos uma via que está a degradar glucose e ao mesmo tempo,
dentro da mesma célula uma via que está a sintetizar glucose? A célula tem que ter uma
forma de regular estes processos, além disso muitos dos compostos que estão a ser
formados nas vias catabólicas também podem ser usados nas vias anabólicas, estamos
assim a falar de produtos comuns a processos completamente diferentes. Normalmente o
catabolismo tem produtos convergentes enquanto que o anabolismo divergentes.
• O processo básico do catabolismo de açúcares é: a partir açúcares (ou da glucose)
podemos fazer a glicólise, o Ciclo de Krebs e depois a fosforilação oxidativa.
O mesmo princípio é utilizado, não só para os açúcares, mas também para proteínas e
para os lípidos, que são os compostos de que falamos.
Para a célula conseguir ter vias catabólicas e anabólicas em simultâneo tem que ser capaz
de as regular e para as regular o controlo tem que residir nas enzimas que são responsáveis
pela execução destas vias. Todas as enzimas de uma via metabólica podem estar associadas
a uma zona específica de uma membrana. Uma via metabólica que se dá toda no mesmo
espaço físico é mais rápida. Podemos encontrar complexos enzimáticos associados a
membranas, todos dentro do citoplasma ou todas as enzimas dentro de um organelo
específico, por exemplo dentro de mitocôndrias, dentro do núcleo, de um lisossoma sendo
esta uma das formas que nós temos para regular uma via enzimática. As vias anabólicas e
catabólicas, isto é, de degradação e de síntese da glucose não podem ser rigorosamente
idênticas, pois se fossem idênticas, obedecendo as regras dos princípios da termodinâmica,
a lei do equilíbrio químico, apenas uma delas de daria. Isto é, o equilíbrio ou favoreceria a
síntese ou favoreceria a degradação, sendo impossível favorecer as duas em simultâneo. O
que implica que as vias de síntese e degradação, podendo ter passos comuns, podem ter
alguns compostos intermediários comuns, tem necessariamente que ter passos específicos.
Para que a célula consiga, através da ausência de uma determinada enzima, por exemplo,
favorecer mais uma reacção que não depende desta e desfavorecer a reacção que usa
especificamente esta enzima. Muitas vezes a regulação das vias metabólicas é uma
combinação de factores, há enzimas específicos para uma determinada via, esta ocorre uma
localização específica da célula, e há uma variação da concentração de produto/substrato
que varia consoante o sítio da célula e que, portanto, vai favorecer a reacção ora numa
orientação ora noutra. O passo limitante de uma determinada via é geralmente o passo mais
lento dessa via.
Estas vias metabólicas, para obtenção de energia, seguem o princípio geral de oxidação de
moléculas de carbono.
No entanto nós não conseguimos aproveitar directamente a energia contida nas moléculas
de carbono. Para isto as células começam por armazenar a energia contida nos compostos
de carbono numa molécula que é o ATP (Adenosina Trifosfato) e a energia fica contida de
uma forma utilizável na ligação entre cada um dos fosfatos. Na realidade não há nenhum
motivo específico para o ATP ser a molécula mais popular em termos de transporte de
energia, há muitas outras moléculas que têm ligações altamente energéticas e igualmente
quebráveis, por exemplo os 3 derivados do ATP, o GTP, o CTP e o TTP, qualquer um desses
nucleótidos tem uma ligação do grupo fosfato idêntica. A vantagem de ser uma única
molécula a ser usada por uma serie de enzimas para produzir diferentes substratos pode
assemelhar-se à vantagem de, por exemplo, havendo milhares de modelos de automóveis
no mundo, todos usam os mesmos tipos de gasolina. Não seria lógico sintetizar uma
molécula energética específica para sintetizar cada reacção química que se pretende
realizar. No entanto é importante reter a ideia de que o ATP não tem nenhum valor especial
face a outras moléculas, pois muitas outras poderiam fazer o mesmo “trabalho”
armazenando e transportando energia. A segunda molécula mais utilizada no transporte de
energia nas células é o NAD ou o NADP cuja grande diferença do ATP é, enquanto que no
ATP é uma ligação covalente que contém a energia, o NAD é um transportador de electrões
e vai-se ligar a dois electrões que vão ter um alto nível energético. No entanto este electrões
muito energéticos são igualmente muito reactivos, o que significa que reagem facilmente
com qualquer coisa, o que implica que o NADH (NAD reduzido) existe em muito pequena
quantidade dentro das nossas células. O NADP é exactamente igual ao NAD só que contem
mais um grupo fosfato, este grupo fosfato é grande e tem carga negativa, este factor não
influencia minimamente a energia que é transportada nem os sítios onde é transportada na
molécula, vai provocar uma diferença no que respeita ao tipo de enzimas a que uma e outra
se ligam. Algumas enzimas possuem um centro activo preparado para se ligarem ao NAD, no
entanto esse centro activo não é suficientemente grande para se ligar ao NADP que é uma
molécula maior devido à presença do grupo fosfato. As células usam bastante NAD nas
reacções de catabolismo e nas reacções anabólicas é mais utilizado o NADP, esta é uma das
formas que a célula tem de catalisar as reacções num sentido ou noutro, a presença de um
tipo de molécula armazenadora de energia ou de outra. Atenção que estas moléculas não
são as únicas que armazenam energia, apesar de serem as mais utilizadas!!! As vias
metabólicas são caracterizadas por terem muitos passos, umas das principais razões para
este facto é que se fizermos uma reacção química de síntese ou degradação, num caso
específico, se quisermos libertar toda a energia contida numa molécula de glucose para
usarmos noutras reacções, se libertássemos toda essa energia num só passo essa energia
seria demasiado elevada, e não podemos esquecer que nós perdemos sempre energia sob a
forma de calor. O que a célula faz para regular este passo é ter vias metabólicas com muitos
passos onde cada um deles pode ser regulado, e as transferências de energia envolvidas em
cada um dos passos são mais fáceis de controlar. Ou seja, se em cada um dos passos a célula
começasse a libertar muito calor, ela pode parar para arrefecer e depois continuar o
processo, que é o que acontece na maior parte dos casos.
A celulose é basicamente moléculas de glucose associadas umas as outras.
Estarem a queimar açúcar ou uma folha de papel é exactamente a mesma coisa. A
energia de activação é que é diferente, porque as estruturas das mesmas não são iguais. O
papel tem muita tendência a perder energia. Se pegarmos num fósforo aceso, dando assim
energia ao papel, energia de activação, o processo e espontâneo e a partir daí ele tem
imensa tendência a dar-se. O passar da barreira é que determina quão espontâneas vão ser
as reacções, mas, obviamente, se a reacção tiver tendência a libertar energia apenas
determina se ela e mais ou menos espontânea ou caso contrário a barreira vai limitar o
iniciar ou não da reacção. Não se pretende que dentro da célula haja grandes libertações de
energia. A energia contida na molécula de ATP, por exemplo, é uma quantidade
determinada, pequena, fácil de lidar, e se precisarmos de mais energia queimam-se 2
moléculas de ATP. Basicamente estes (ATP) são energia em troca, tem-se aquilo em
“moedinhas” pequeninas e escusa-se de gastar muito de uma só vez. Como já foi referido
anteriormente, a maneira da célula fazer reacções que necessitam de energia, ou seja que
não tem tendência a dar-se, reacções endogornicas e exogornicas, em simultâneo, é
aproveitar-se a energia que se liberta de uma molécula, para ao mesmo tempo fazer uma
reacção acoplada. Para tal acontecer precisa-se de uma variação positiva de energia livre e
um fluxo de energia assim como 1 variação de energia negativa superior, assim é possível
dar-se esta reacção. Tudo o resto e perdido sobre a forma de calor.
Agora o que se tem aqui apresentado neste esquema e como há transferência de energia,
já que não se esta a queimar ATP, de um lado liberta-se calor e esse calor e aproveitado
noutro lado. Quando se dá o corte de um grupo fosfato, vai utilizar-se a tal energia de modo
a obter-se um composto intermediário. Na realidade, o fosfato vai-se ligar ao grupo do
açúcar que formará um composto intermediário de alta energia que depois se vai ligar com a
amónia para dar o (glutamina??)..
Nas duas reacções acopladas, tem-se ATP a passar a ADP e (glutamar??) a passar a
glutamina e em nenhum passo as reacções estiveram separadas uma da outra, não se deu
primeiro uma e a energia foi aproveitada para a outra. A energia normalmente é
aproveitada para gerar os compostos intermediários para os estados de transição com alta
energia. Este 2º passo vai ter tendência a perder o fosfato com facilidade e a substituí-lo por
uma molécula de NH3.
Vias básicas do aproveitamento de energia.
A glicolise é o processo mais elementar de aproveitamento de energia a partir da glicose.
Tem grandes desvantagens do ponto de vista humano, já que a quantidade de energia que
conseguimos sintetizar ou aproveitar, a partir da glucose, é muito baixa, ou seja é um
processo de aproveitamento da energia pouco eficiente. Basta para muitas bactérias, basta
para microrganismos mas para o ser humano e largamente insuficiente. Basicamente a
glicolise é uma via da utilização da glucose que vai terminar em piruvato e ao mesmo tempo
libertam-se 4 electrões. Estes têm muita energia e têm de ter alguma finalidade já que não
podemos ter electrões livres dentro da célula. Os seres humanos vão aproveitar os electrões
em 3 processos distintos que são os seguintes: ciclo de Krebs, cadeia de transporte
electrónico e aproveitar a energia para sintetizar ATP. A glicólise esta antes, e estas 4 etapas
são independentes umas das outras apesar de normalmente se falar delas em contínuo.
Assim, pode-se executar qualquer uma delas sem se considerar o que esta tem para trás e
sem nos interessar o que está à frente, as vias começam e acabam.
A única coisa que é importante é que para fazer este conjunto de reacções é necessário
um organelo específico, neste caso, do mitocôndrio, a maioria das reacções ou se dão no
interior do complexo da matriz mitocondrial ou se dão associadas à membrana interna da
mitocôndria.
Como e que se pode aproveitar a energia contida nos alimentos? O primeiro passo de
todos dá-se no estômago, tem-se de degradar a maior parte dos alimentos a moléculas mais
simples que possam ser transportadas no sangue e que possam entrar nas células. Por
exemplo o amido, se comermos uma batata o amido não chega as células, o nosso
estômago vão degradar o amido a glucose e é essa que entra no sangue e assim vai chegar
às células para que elas possam aproveitar essa energia. Ou seja, todo esse passo vai ser
ignorado (todas a reacções do estômago). O importante é que mesmo já estando a glucose
dentro da célula como e que se tira a energia? Há-de ser um processo simples já que todas
as células vivas fazem glicolise, o que sugere que este deve ser um processo metabólico
muito primitivo, há-de ser um dos primordiais que esta conservado ao longo da evolução, e
consiste em 10 reacções, via metabólica muito simples, em que basicamente o que temos
de ter é o seguinte: temos a glucose, uma molécula estável, temos de lhe dar energia de
activação, temos de iniciar a reacção.
Há uma fase em que vamos iniciar a via metabólica e na 2ª fase vamos aproveitar a energia
pronta a ser libertada para sintetizar 2 moléculas de piruvato. O que se faz depende do
organismo e das condições em que nos encontramos, ou seja, há 3 destinos possíveis para
este piruvato, sendo um, em certos organismos e células, a produção de etanol. Uma reacção
considerada benéfica pela maior parte da população estudantil já que e assim que se produz
o álcool. Trata-se de uma fermentação alcoólica levada a cabo (em grandes quantidades)
pelas leveduras. Há imensos processos, via tecnologia, que se dedicam a trabalhar com as
tais 10 enzimas de modo a fazerem glicose com maior rendimento.
Outro dos processos, é derivar o lactato, já que quando se realiza muito esforço o
oxigénio inalado é insuficiente e acaba-se por realizar fermentação láctea e dar-se-á a
formação de lactase (produto final desta via). Na presença do oxigénio (oxigénio suficiente
para chegar aos mitocôndrios) a via preferencial é esta, em que se realiza uma respiração
normal e no final obtém-se dióxido de carbono e água. As células dão-se ao trabalho de ter
estas 3 vias, na realidade não tão preocupadas com o piruvato, mas sim com o destino
incerto dos electrões livres. Em ambos os casos( fermentação alcoólica ou láctea), há uma
maneira de se consumir os tais electrões livres, já que estes vão ser novamente injectados
no piruvato, podendo libertar-se num caso, dióxido de carbono, mas no caso da
fermentação láctea não.
Contudo, o grande problema continua a ser os electrões livres, já que estes não podem
estão em circulação.
Assim, o importante (para o professor) é perceber que por cada molécula de glucose
consome-se 2 moléculas de ATP, a tal energia de activação, para activar a via metabólica.
Uma das reacções mais importantes é a seguinte:
- Primeiro a síntese de 2 moléculas de ATP em que “saem” duas moléculas de NADH
(transportadores de oxigénio e os tais electrões encontram-se nestas 2 moléculas). Os
passos finais da via apenas se realizam para se voltar ao estado normal, ou seja,
regeneração das moléculas de ATP. Assim, por cada molécula de açúcar produzimos 2
moléculas de ATP. Este rendimento é baixo e grande parte da energia vai estar contida nos
tais electrões livres. Assim caso não se aproveite NADH perde-se grande parte da energia. O
passo mais importante (segundo o professor) é a síntese das 2 primeiras moléculas de ATP,
que é uma reacção em que se diz que o ATP se sintetiza a nível do substrato. Numa reacção
completamente diferente, há uma enzima que “pega” no ADP e directamente lhe vai
transferir um fosfato que é chamada reacção a nível do substrato. E esta reacção ocorre em
2 pontos diferentes da glicólise. Um dos passos que acontece é a hhexocinase a catalisar o
mesmo. A hexocinase é importante nos primeiro passos e na circulação da glicose, ou seja, o
fósforo inicial faz a reacção, ou seja a hexocinase em grande parte é que transforma a
glucose em glucose-fosfato, o que inicia o processo todo. Trata-se de uma enzima que tem
de ser altamente regulada, porque se o ATP não for necessário, não houver necessidade de
ocorrer consumo de energia, o processo mais fácil de não acontecer é o 1º, porque assim o
resto também não se dá. A hexocinase e capaz de usar hexoses, não tem de ser a glucose
(também usa maltose, etc). Nós temos, no nosso corpo, uma série de hexocinases, há
muitas enzimas, isoformas.
Qual e a importância de termos varias hexocinases no nosso organismo? É que é graças a
esta que somos capazes de regular, ou não, os níveis de açúcar.
A afinidade que a enzima tem com o substrato e definida pelo Km. O Km da hexocinase
num musculo, para a glucose, é mais ou menos 0.1mmol (sem esquecer que o Km tem em
consideração o substrato).
O açúcar normal nas nossas células, em circulação, anda a volta dos 4mmol, quer dizer
que o substrato ta muito acima do Km, ou seja, uma enzima terá de funcionar a velocidade
máxima. Significa que o nível de açúcar que se consume nas células é determinado pela
concentração de enzima. Se há substrato em excesso, o enzima está sempre saturado e o
Km é muito baixo e assim a afinidade é muito grande, portanto as vossas células estão
sempre com açúcar em excesso e não têm problemas energéticos.
Contudo, se temos energia em excesso, este substrato tem a capacidade de diminuir esse
número, ou seja, o enzima é inibido pelo próprio produto de reacção. Esta é uma maneira de
se abrandar e deixar-se de consumir glucose, e além disso as várias hexocinases são
diferentes. Por exemplo, as do fígado são diferentes das dos músculos, no fígado o Km é
muito mais elevado, ou seja, a enzima não está a funcionar à velocidade máxima. Tal é
vantajoso já que a nível do sangue se o açúcar subir muito(o que não pode) tem de haver
control de açucares a nível do sangue, e a função do fígado é usar o excesso de açúcar e é aí
que actua essa hexocinase do fígado.
Considerando uma célula (temos organelos), músculos e fígado, temos enzimas
diferentes e um tem mais capacidade de usar o açúcar em baixas concentrações que o
outro. Isto é uma maneira de se regular as vias metabólicas. Na célula acontece a mesma
coisa. Há organelos que têm isoformas de enzimas com diferentes afinidades com o
substrato, ou seja, o Km varia. Tal permite fornecer uma via metabólica sobre outra graças à
afinidade com o substrato. Também se pode regular a entrada e a saída da glucose dentro
das células, nesta altura, mesmo que ela esteja desregulada ou não. Ou seja a hexocinase,
que é quem cataliza este passo, pode impedir a glucose de sair.
Mas o grande problema continua a ser o que se vai fazer ao NADH e aos tais electrões
livres. O piruvato não é muito grave, mas esta molécula é bastante agressiva, se nos
tivessemos O2 poderia obter-se ATP, contudo as bactérias não o podem fazer já que não
têm essas 3 vias metabólicas. Em condições anaeróbicas, em que não existe ATP suficiente,
faz-se lactase, vamos produzir uma fermentação láctea. Temos uma enzima específica, que
é a lactase hidrogenase, que vai reoxigenar essa molécula. Ácido pirubico ou piruvato vai
conseguir e a lactase-hidrogenase vai conseguir o nadH transformando o pirobato
directamente em acido lácteo. Deixando assim os electrões livres de serem agentes
reactivos na célula mas sim agora tendo acido lácteo
Muito ácido lácteo no organismo provoca cãibras, espasmos musculares e há certos
organismos que não aguentam isso.
O fígado usa a lactase para voltar a regenerar a glucose, se for lento os animais não se
mexem. Animais de grande porte andam devagarinho, porque se andarem muito depressa
não conseguem acompanhar tal com o consumo de O2 e é quando este acaba que
produzem lactase e têm de se ver livres dele. Portanto têm de andar mais devagar.
As reacções que envolvem a lactase e glucose são reversíveis, porém, há uma que tem
mais tendência a acontecer, por exemplo, a tendência no músculo é vir de glucose para
lactase.
A fermentação alcoólica é basicamente o consumo de NADH para produzir etanol, e esta
tem muitas vantagens e desvantagens. Nós não podemos ter muito no sangue, temos de
nos ver livre dele.
Pode-se aproveitar energia a partir de muitos outros açúcares, ex. galactose, frutose, etc,
e todos estes entram na glicose, seja no fosfato seja no 1º passo na glicolise. No nosso
corpo, nas células, não guardamos glucose nessa forma pois poderia ter-se um problema de
concentração osmótica. Enquanto que as plantas guardam sobre a forma de amido, nos era
sob a forma de hidrogénio, obtendo um polímero de glucose.
Podemos consumir vários açúcares a partir de diferentes locais. Os enzimas principais da
via metabólica e as concentrações de cada produto intermediário, não são iguais, vê-se que
há uma variação do produto, as concentrações não são idênticas e consegue ver-se que há
um passo limitante, já que há acumulação de substrato. Sendo assim é o enzima que limita,
é o limitante.
Saber as concentrações dos produtos intermediários permite saber onde e que as células
estão a acumular cada um deles. A concentração de ATP tem de ser sempre baixa e
constante, não pode variar. Se variasse todas as reacções que o consumem teriam mais
tendência a dar-se, assim, o que se passa, é que a célula tem de regular a concentração de
ATP.
É fácil saber que a concentração de ATP é baixa, porque nos produzimos ATP a partir de
oxigénio, e se tivéssemos muito ATP não havia necessidade de respirar tanto, não temos
sensores para o O2 mas temos de ATP. Quer dizer que as células têm maneiras simples de
regular os níveis de ATP, por exemplo, muitas vezes é o ATP que vai inibir os enzimas que
estão envolvidos na reacção. O produto final tem a capacidade de inibir um dos produtos
inicias, neste caso um enzima. O cérebro teoricamente é o órgão mais activo no corpo
humano e está tão exposto para arrefecer, pois consume muita energia.
Sintetizar glucose, é basicamente a glicolise, a glucose a chegar a piruvato, onde se
consume, e se sintetiza, a via inversa é a glucogénese, sintetiza glucose a partir de piruvato.
Entre estas há muitos dos passos em comum. Mas há passos que como é óbvio têm de ser
obrigatoriamente diferentes( são 3, têm de ser regulados) Nós temos de sintetizar a glucose,
não temos açúcar suficiente durante o dia.
O nosso cérebro consome preferencialmente glucose, portanto nos temos de conseguir
glucose. O cérebro não tem energia quase nenhuma. O nosso corpo está a alimentar o nosso
cérebro. O cérebro não da ordens a órgãos internos. O fígado não é de maneira nenhuma
regulado pelo cérebro.
10º Aula
Obtenção de energia por parte das células
Como vimos, as células obtêm energia através dos açúcares.
O processo inicial é a catálise da glucose (glicólise), obtendo-se piruvato no fim. Este
processo pode também evoluir no sentido inverso, ou seja, a partir do piruvato obtermos
glucose, processo chamado neoglucogénese/gluconeogénese. Ambas as vias têm passos
idênticos e diferentes (actuação de enzimas diferentes, por exemplo).
A evolução, ou não, num sentido é manipulada pelos equilíbrios dos produtos, quer finais
quer das etapas. Por exemplo, para que se dê a neoglucogénese ( ver PP) é necessario
degradar ATP, ou seja, o processo só acontecerá se o sentido do equilíbrio for diminuir o ATP
do meio. Nota: glicólise é termodinamicamente favorável e neoglucogénese desfavorável
(degrada ATP, necessita de energia).
No nosso corpo, quando em esforço, fazemos glicólise, obtendo piruvato que depois, se
não houver oxigenação suficiente, se transforma em lactase, que vai ser reaproveitada e
transformada em glucose de novo, no fígado. Ou seja, estas vias de sentidos inversos nem se
chegam a dar nos mesmo sítios do organismo.
Porém, a obtenção de ATP não pode ser apenas assegurada pela glicólise, não seria
suficiente. Vamos então reaproveitar o piruvato para obter ainda mais, através de 3
processos ( ciclo de Krebs, cadeia transportadora de electrões, fosforilação oxidativa).
Ciclo de Krebs/ do ácido citrico. Aqui, o piruvato, transformado já em Acetil-CoA, vai reagir
com o oxaloacetato e formar citrato, e assim por diante, não é preciso saber as etapas. A
nível energético (e apenas a esse nível, pois o ciclo de Krebs não sintetiza apenas isto), o que
se produz e aproveita é novamente NADH, como na glicólise, e também FADH2, molécula
semelhante em termos de utilidade. Esta síntese traduz-se na obtenção de electrões com
alta energia, que serão aproveitados posteriormente. No ciclo de Krebs forma-se e liberta-se
ainda CO2. Este é também um processo regulado por equilíbrios à semelhança com a
glicólise: se o nível de ADP for alto, o ciclo evolui no sentido directo de maneira a formar ATP,
e vice-versa. É deste ciclo que vem a maior parte da energia útil, e é também a partir deste
ciclo que a célula vai aproveitar metabolismos intermediários para sintetiza os vários
nutrientes. Portanto, este ciclo vai ser central ao metabolismo da célula, o que se pode ver
no “PP dos 500 pontinhos”.
Aqui, podemos ver que todas as vias metabólicas estão interligadas, existindo
principalmente 2 pontos de convergência: o piruvato e a acetil-CoA. O que se conclui e que
existem várias vias pelas quais podemos sintetizar o mesmo produto. Um exemplo é a via “a
amarelo” em que temos a degradação da acetil-Coa em colesterol, ou seja, nem sempre o
caminho a seguir será o mesmo, pode não se dar o ciclo de Krebs e sim uma outra via
metabólica, dependendo dos equilíbrios. No caso de não possuir-mos glucose, a célula pode
formar acetil-CoA a partir do colesterol para utilização no ciclo de Krebs, por exemplo. Todas
as vias são, portanto bidireccionais, e podemos assim transformar um glícido num lípido, um
lípido numa proteína, em suma, um nutriente em qualquer um outro.
Voltando ao tema da obtenção de energia, concluímos atrás que tanto a glicólise como o
ciclo de Krebs levam á obtenção de NADH e também FADH2, ou seja, um excesso de
electrões altamente energéticoss os quais a célula terá que eliminar, utilizando-os para
sintetizar mais ATP. A maneira mais simples de o fazer será transferi-los para o oxigénio,
formando água. Mas produzir água não gera energia. Veremos então como é que a célula o
faz, nos processos seguintes.
O Ciclo de Krebs dá-se dentro da mitocôndria espaço intermitocondrial e a glicólise dá-se
no citoplasma.
Como é que as células fazem isto?
Em termos evolutivos a primeira necessidade foi de criar algo que transportasse os
electrões que estava no NAD e ao se processar esse transporte com energia o que a célula
faz é que cria uma série de moléculas que tem sucessivamente mais afinidade para os
electrões e se tem mais afinidade cada vez sugam esses mesmos electrões que a anterior
(sucessivamente mais electrofílicas). Como vocês sabem, a mais electrofílica no final é o
oxigénio que é a que capta mais electrões. Se os electrões ficam mais estáveis quer dizer
que perdem energia. Se perdem energia, o que a célula fez foi aproveitar a energia para
bombear protões de um lado para outro da membrana, ou seja, um electrão transportado
de A para C perdeu energia e essa energia foi usada no transporte de H+ de um lado para o
outro. Portanto, como podemos ver, já estamos a usar conhecimentos das aulas anteriores,
ou seja, necessidade de uma membrana, necessidade de moléculas integradas na
membrana e há um potencial através da membrana (potencial de protões- variação de pH).
As moléculas aqui envolvidas são complexos proteicos muito grandes e se nós os tirarmos
têm tendência a desagregar-se..pois então integrados na membrana e têm uma tendência a
ficar num meio hidrofóbico.
Esta é a representação sumária de todo o esquema em que a célula se viu livre dos
electrões e usa essa energia, ou seja, o NAD vai ceder os electrões ao 1º complexo e vai
passar a um complexo que chamamos 3 e que depois complementa-se com a transferência
para o complexo 4.
Qual é que é a diferença entre estes 3 complexos em termos funcionais?
O primeiro capta os electrões e o ultimo cede os electrões para a água. E 3 pontes desta
via foram bombeados protões. Portanto vocês vêem que por cada electrão que passa são
bombeados protões dum lado para outro da membrana. A célula vai tentar manter um
desequilíbrio em termos de protões de um lado para outro. Vai estar sempre a bombeá-los
numa determinada direcção.
Há vários transportadores de electrões de moléculas orgânicas. O esquema mostrado
denota que o mesmo tem a ver com carga eléctrica. Não é a mesma coisa que num cabo
eléctrico. Se puser a carga dum lado ela atravessa para o outro lado. Isto não é nada fixo.
Estamos a falar de uma membrana. Estas proteínas são muito abundantes nesse mar de
lípidos que não estão em linha. Portanto, este complexo de proteínas para ceder electrões
tem que estar muito próximo. (Lembrando: as membranas têm diferentes composições em
lipidos e proteínas. Referimos também que a membrana interna das mitocôndrias é
composta em 75% por proteínas) Portanto, temos lá muitas proteínas e elas têm que ter
muita mobilidade porque tem que haver uma proximidade suficiente para os electrões
serem transferidos (não queremos que os electrões escapem para poderem reagir com
outras moléculas).
Isto é um complexo muito grande e a mobilidade relativamente baixa.
Então, como é que transferimos electrões de um para os outros?
Temos que ter moléculas que sejam muito móveis e transportem os electrões (quinona,
citocrómio-c que não está associado à membrana).
Para além dos complexos (1,3 e 4) existe o sucinato. É aqui que o FADH vai ceder os
electrões. O NADH cede electrões a este complexo e o FADH ao complexo 2, mas com uma
diferença! Como ele cede os electrões aqui, os electrões também vão ser transportados
para a água mas a partir do FADH nós bombeamos menos protões (no final o FADH não é
tão energético, ou seja, não vai dar origem a tantas moléculas de ATP). A quinona é muito
abundante na membrana. (ver esquema da quinona nos Acetatos).
Resolvemos então metade do problema, que consiste em: dar um destino aos electrões.
Fizemos alguma coisa com eles que é bombear protões mas nós ainda não produzimos
energia alguma. O truque é que a célula vai usar estes protões para a síntese de energia! (
ninguém percebia antes como é que as miticôndrias geravam ATP. O que se sabia é que as
mitocôndrias executavam um gradiente protónico entre o lado interno e o lado externo).
ATENÇÃO : O bombear de protões não é para o citoplasma mas sim para o espaço
intermembranas ( que existe em tudo o que tenha membranas duplas).
Então, o que a célula fez foi aumentar o gradiente de pH/variação da concentração de H+
de um lado para o outro da membrana.
Quais as consequências disto?
Se nós tivermos uma membrana que não é condutora (portanto, não permite a passagem
de carga) ela vai servir de barreira. E, se tivermos a aumentar muitos protões dum lado da
membrana e poucos do outro, estamos a criar um potencial eléctrico (diferença de
potencial). Potencial eléctrico não quer dizer que sejam protões! Qualquer outra carga
positiva que esteja aqui fora vai ter tendência a entrar (pode ser sódio, potássio, etc).
Ao mesmo tempo, há um potencial químico pois aumentamos a concentração de H+
(pressão osmótica – os H+ vão ter tendência a entrar para dentro da célula) e, neste caso, é
directamente o H+ e não o potássio, sódio ou outro.
E, portanto, vamos ter dois tipos de potencial a forçar o hidrogénio a entrar dentro da
mitocôndria. Há então uma tendência para os protões entrarem! Então, a maravilha das
células foi inventarem esta macromolécula que é um enzima ( ATP-ase ou ATP-sintase) que
faz 2 coisas: a passagem de protões de um lado para o outro da membrana é feita através
desta parte da molécula que está inserida na membrana e quando força a passagem de um
lado para o outro uma 2ª parte da molécula vai aproveitar a energia da passagem de
protões para sintetizar ATP.
Como é que ela faz isto?
A proteína usa a força da passagem dos protões para modificar a estrutura deste
complexo aqui representado ( Já agora, vocês vêem 6 sub-unidades idêntica 3 a 3, subunidades alfa,beta,alfa,beta..etc não se esqueçam!). Ela tem 3 estados de conformação
diferentes: um estado completamente vazio, um estado em que está ligado ADP e um
estado em que está ligado a ATP. ( Analogia ao balão), quando comprime encaixa um fosfato
no ADP. É uma variação de estrutura que vai acumular energia dentro da ligação! Estas
forças vêem da passagem dos protões! Houve um modelo proposto que nos diz que a
função da passagem de protões é girar esta parte do complexo que está associada à região
onde se dá a reacção ADP->ATP e por contacto com isto vai distorcer a molécula,
(visualização do vídeo e comentário): Básicamente, temos aqui a membrana. Esta zona da
molécula está fixa, este complexo não gira mas a região central vai servir para a distorcer.
Qual é o truque em termos de estrutura desta parte do complexo? Tem que ligar protões
a uma região especifica e tem que ter um canal para soltar do outro lado da membrana (é
basicamente uma turbina de uma barragem). Cada vez que entra uma molécula, ela vai ter
tendência para sair e, para sair, tem que girar, ou seja, não é a entrada que força o girar mas
sim a saída. Portanto, o movimento de protões apenas serve para fazer movimentos desta
parte da molécula. Como é óbvio, aqui o atrito com os lípidos é mínimo pois os lípidos não
estão colados uns aos outros como sabemos.
Agora, à medida que a região roda, vai forçando a mudança de conformação numa parte
da molécula. Como ela não é só uma esfera, vai distorcendo os complexos até um ponto em
que ela encaixa no ATP e acaba por soltá-lo. Basicamente, estamos a criar ATP por
distorção/mudança da conformação (ATENÇÃO: Como estou sempre a dizer, a
conformação é que executa a função!). Os criadores deste modelo tiveram que prová-lo e
para o fazerem, associaram à zona que roda algo que é fluorescente no escuro podendo
então observar o seu movimento.
(pergunta Zamith)
As proteínas da membrana mitocondrial são produzidas pelo DNA motocondrial?
Algumas proteínas mitocondriais são codificadas pelo genoma das mitocôndrias mas
muitas delas são codificadas pelo genoma celular. As mitocôndrias não têm código genético
suficiente. A maioria são codificadas pelo genoma celular e não o mitocondrial.
Conclusão do vídeo:
Modificámos estruturalmente a proteína e vai dar origem a uma reacção química ( pegar
no fosfato inorgânico e juntá-lo a um ADP. Estamos a fazer uma força mecânica com base na
variação de uma concentração que, neste caso, é a concentração de H+. Outro aspecto
fundamental, é o facto de conseguirmos ver que esta molécula funciona desde que tenha
protões mais de um lado do que de outro.
O que nós estivemos a ver até agora foi: como é que chegamos ao ATP no final! Houve 4
processos que, na realidade, são independentes um dos outros. A via começa na glucose e
pode acabar em ATP mas não necessariamente! Já vos disse que a acetil-CoA pode vir dum
lípido! Há muitas maneiras de chegarmos ao ATP. Aliás, se nós variarmos a concentração de
H+ na mitocôndria, seja por que processo for, vamos afectar a síntese de ATP. Da mesma
maneira que a cadeira de transporte electrónico não tem que ir buscar NADH
necessariamente do ciclo do ácido carboxílico. Pode vir de qualquer outro processo celular
que gere NADH. Eles podem ser encadeados mas, na realidade, são processos
independentes.
Este processo todo também pode ser utilizado em organismos como nós, humanos,
principalmente em bebés. Nós produzimos muito NAD, muitos electrões que são usados
para bombear protões.
O que acontece se nós não usarmos aqueles protões para sintetizar ATP? Quer dizer que
queimámos glucose mas não aproveitamos essa energia para nada. Porque é que nós
precisamos de tantos transportadores? Nós queremos que cada salto que os electrões dão,
que se liberte pouca energia. Na realidade, temos sempre a perder algo, ou seja, não
aproveitamos toda a energia para bombear protões. Então, há certos compostos que se
designam desacopuladores/ionófos que são moléculas que pegam no hidrogénio com
capacidade de os levar de um lado para o outro da membrana sem o aproveitarem para
nada. Ou seja, a célula perde imenso tempo a bombear protões para este lado. Se vocês de
repente abrirem um buraco na membrana, os protões vão passar pelo buraco e não pela
ATP-sintase. Se os protões passarem para este lado de cá, a passagem destes não é
aproveitada na síntese de ATP. A única coisa que a célula fez foi: estar a gerar calor. Como
não se gera ATP, as células pensam que os níveis de ATP estão baixos e, se os níveis estão
baixo, ela vai estimular as outras vias que estão para trás! ( a glicólise, o ciclo de Krebs, vai
bombear mais protões, e continua sem sintetizar ATP) – a célula começa a gerar calor.
Qual é o interesse biológico de termos estes tipos de compostos?
Animais do ártico usam isto para se manterem quentes. Os bebés também têm muitos
destes compostos.
Ocorre um dispêndio enorme de massa sem aproveitamento (sem formar ATP).
Usa-se o termo desacopuladores/ionófos pois o que eles estão a desacopular é a cadeia
de transporte electrónico e a desacopular da síntese de ATP.
Portanto, produzimos ATP a partir de açúcar. Agora, a parte mais engraçada é que a
natureza é repetitiva. Não é simples descrever como é que um electrão passa de proteína
para proteína. A nossa energia vem do sol, não vem da glucose. As células que sintetizaram
os carbohidratos tiveram que ir buscar essa energia ao sol. O que vos vou mostrar agora é
que neste processo de síntese, a maior parte das reacções/mecanismos são exactamente
idênticos ao que vos estive a explicar agora excepto o 1º. O 1º é um passo único. Para
fixarmos a energia do sol em carbohidratos, nós precisamos da energia e a matéria prima
para armazenar essa energia que é o CO2 e o H2O. O que as células vegetais fazem (nós não
temos essa capacidade) é : a partir do CO2, vão fixar em 2 moléculas de glicerato que são
moléculas que já ouvimos falar quando estivemos a falar da glicólise. Este já é um composto
intermediário da glicólise. O fosfoglicerato já ouvimos falar dele (está nos esquemas). A
reacção original é a junção destas 2 moléculas. A catálise desta reacção é executada por
uma enzima que se chama rubisco.
- basicamente, consiste na fixação de CO2 em fosfoglicerato. Os passos
importantes são: Capacidade de fixar o CO2 atmosférico ( por incrível que pareça, à face da
Terra, só há um enzima que faça isto que é o rubisco!). Esta enzima é essencial pois sem ele
não fixávamos o CO2. Tem é um defeito que é ter uma velocidade muito baixa de fixação de
CO2. No ciclo de Calvin, estamos a falar na síntese de glucose novamente mas com alguns
passos ligeiramente diferentes (o objectivo é a partir de CO2 chegar a açúcar. Depois em
açúcar, já sabemos que podemos fazer ácidos gordos e aminoácidos).
Ciclo de Calvin
[ultimo ficheiro de Acetatos (47 no total) – Metabolismo]
A partir de açúcar vocês já sabem que se podem fazer ácidos gordos e aminoácidos. Mas
há algo que ainda nos faz falta nesse processo (Acetatos 3, 4..) e que é absolutamente
essencial. A energia! Para este ciclo funcionar nós precisamos de injectar imensa energia.
Esta energia vem sob a forma de ATP e sob a forma de electrões, ou seja, outra vez o NADPH
(e não NADH). Portanto para conseguirmos fixar o CO2 no ciclo de Calvin as células precisam
de ATP e NADPH. A chatice é, onde é que vamos buscar essa energia? Tanto o ATP como o
NADPH são gerados a partir da luz solar, e é isso que vocês aprenderam como a
fotossíntese. Há que distinguir 2 fases (a fase escura e fase clara), que são completamente
distintas, conceito esse que muitos de vocês não tinham no secundário. É possível por
exemplo fazer num tubo de ensaio o ciclo de calvin, desde que se tenham lá todos os
compostos e a tal energia (ou seja não há necessidade dessa fase-fase escura ou de fixação
do CO2- se dar na planta). Já por outro lado, a fase clara, aquela que entra os cloroplastos
tem que se dar mesmo na planta. A fotossíntese dá-se num organelo, também de
membranas duplas (acetato 8), sendo que no seu interior tem também mais sacos
membranares, os tilacóides. Qual o interesse disso? Nestas membranas, que têm uma área
superficial brutal, nós temos uma série de moléculas inseridas, nomeadamente clorofilas
(existem mais que um tipo de clorofila), que se integram muito bem, pois existe uma zona (o
“pytol”) que se insere bem dentro da camada bilípidica, ficando toda a outra zona exposta (
acetato 10). Esta zona que fica exposta tem um anel de ressonância que é capaz de excitar
electrões que ficam aqui numa certa ressonância, portanto a energia é acumulada nestas
zonas, são estas zonas que captam os fotões da luz. Esses fotões luminosos são capazes de
excitar esses electrões, e depois a energia que está nesses electrões tem que ser transferida
para alguma coisa. Não há só clorofila nas membranas tilacóides, há outros compostos que
também são sensíveis à luz, e que têm formas distintas (ex. B-Caroteno, luteína..)(acetato
12). Todos eles têm uma estrutura que faz com que se integrem bem numa membrana
biológica. Reparem nas ligações duplas, são muito insaturados, o que permite que haja mais
uma vez ressonância e que se possa acumular electrões em estados energéticos variáveis.
Nós precisamos assim dessas moléculas todas diferentes, porque cada uma delas é sensível
aos fotões de uma certa energia (ou seja com um certo comprimento de onda) - as clorofilas
são mais sensíveis a comprimentos de onda mais baixos e depois mais altos (análise gráfico
acetato 13). Repare-se que para aproveitarmos toda a luz visível são necessários vários
compostos.
Estas moléculas, que estão associadas entre si e na membrana (acetato 14), recebem luz,
excitam electrões, e estes podem passar para a vizinhança, molécula a molécula, até
chegarem a umas clorofilas especiais, que têm uma estrutura diferente, que fazem a
reacção essencial á vida (centro reactivo) (Acetatos 15, 16, 17). Convêm que a superficie da
unidade fotossintética, que aquela rede, seja muito grande, os fotoes podem ser captados
em diferentes sitios, quanto melhor melhor for a rede mais sensivel é a planta à luz,
portanto a planta vai nascer em zonas com menos luz (há mais facilidade em se por acaso
“passar” um fotão este vá de encontro a uma molécula no sitio certo da rede, que captará a
energia desse mesmo fotao-aparte do prof). Note-se que só há um centro activo. Aqui neste
acetato (18), está representado as 3 maneiras de uma molécula clorofila excitada retornar
ao seu estado original, não excitado:
ou o electrão excitado volta à sua orbital inicial libertando energia( quer sob a forma
de calor,ou luz), perdendo assim essa energia (situaçao sem interesse nenhum).Daí se
observarem plantas que no escuro fluorescem;
ou há transferência da energia para um electrao da molécula adjacente, cujo grau
energético será sempre um pouco inferior (perde-se sempre alguma coisa sob a forma
de calor –não é 100% eficaz a transferência);
ou então a molécula excitada pode simplesmente passar literalmente o electrao para
a molécula adjacente, havendo um dador de electrões, que vai dar um electrao para a
molécula, regenerando-a.
Na fosforização oxidativa, na respiração o dador de electrões é o NAD, e o receptor final é
o oxigénio. O oxigénio recebe os electrões. Na fotossíntese, o processo é exactamente o
mesmo, mas ao contrário, ou seja, temos aqui o centro reactivo (acetato 19, 20), onde é
captada a luz ou é recebida energia vinda de outro lado qualquer, e depois vai transferência
do electrão para um aceitador primário (“Q”-quinona-transportador de electrões). Ele vai
ficar aqui fortemente oxidado, tem que ir buscar esse electrão a algum lado para ficar a zero
outra vez. E onde é que ele vai buscar esse electrão (?) vai buscar à água. Portanto nós na
respiração damos electrões ao oxigénio e formamos a água. O que as plantas estão a fazer é
exactamente o oposto, tão a sugar os electrões da água e está-se a gerar oxigénio. Portanto
esta reacção é exactamente o oposto do que vocês viram na respiração. A molécula
envolvida é completamente distinta, não há aqui nada parecido com o caso da respiração.
Este complexo é que ainda não se sabe bem como é que funciona (como é que este
complexo proteico com segunda membrana e é capaz de captar os electrões da água?).
Sabe-se que há uma molécula de magnésio e manganês aqui envolvidas mas não se sabe
como. Portanto, havendo energia (solar), o que acontece é que este electrão é mandado
para um nível energético muito elevado, depois vai ser transferido em vários passos para
uma série de complexos proteicos na membrana. Alguns destes compostos são idênticos ao
da respiração, à cadeia de transporte da respiração, através da membrana. Há um segundo
complexo que também recebe energia solar, que envia o electrão ainda para um nível mais
elevado, uma cadeia de transporte, e no final esse electrão é transferido para o NADPH. À
bocado na respiração, em vez de termos NADP tínhamos NAD, os anéis são exactamente
iguais mas só que um tem um fosfato e o outro não. À bocado nós estávamos a falar dessa
via oposta, vínhamos de NAD para H2O, aqui vamos de H2O para NADP.
Um detalhe interessante é que este circuito (acetato 22) não tem que funcionar sempre
em “Z”-fotossíntese em “Z”. Há ainda a fotossíntese cíclica, que é só quando se considera o
primeiro fotossistema fechado, em que o electrão sobe e desce, nunca se gerando nada.
Mas este complexo faz uma coisa muito interessante, que é bombear protões através da
membrana (acetato 25). Se ele vai bombear protões, nós temos uma membrana, que é a
membrana dentro dos cloroplastos, que bombeia protões de um lado para o outro e na
membrana do cloroplasto também há ATP sintase, há exactamente a mesma molécula.
Portanto, a membrana do cloroplasto, através da luz, é capaz de tirar electrões à água, que
vão ser transferidos para o NADP. Portanto, temos um transportador de electrões de alta
energia e ao mesmo tempo bombeamos protões e com o bombeamento de protões
geramos o ATP. Portanto, só através da luz geramos ATP, e NADPH que são os 2 complexos
necessários para que se consiga fazer o ciclo de Calvin. Portanto, para o ciclo de calvin há 3
requerimentos essenciais: ATP, NADPH, e CO2 para podermos fixar essas reacções. Portanto
é assim que se fixa a energia solar sob a forma de compostos energéticos, ou seja, fixamos o
CO2 que é necessário para a síntese de moléculas e fixamos energia que é necessário para
executar todo o metabolismo (Ler acetato 29…e ter em conta que os 2 circuitos, são
independentes - a fotofosforilação e a fotofosforilação cíclica).
Existem 2 fotossistemas que rentabilizam mais a captação de luz e a síntese de ATP e
NADPH. Quer se esteja a falar de mitocôndrias, quer de cloroplastos ou mesmo bactérias
(que podem viver em ambientes mais ácidos e aproveitam-se disso para sintetizar energia, o
principio básico é sempre o mesmo: necessitamos de uma membrana, que transporte
electrões e que use esse transporte para bombear protões. E depois precisamos de um
complexo enzimático que usa esses protões para sintetizar ATP. Então, nesses casos, as
mitocôndrias, a partir de moléculas complexas, vamos gerar CO2 porque estamos a tirar os
electrões, estamos sempre a oxidar o carbono para aproveitar a energia, estamos a oxidá-lo,
estamos a tirar-lhe electrões, que depois serão aproveitados no final para se juntarem ao
oxigénio para formar a água. Os cloroplastos fazem exactamente o principio oposto. Pegam
na água, tiram-lhes os electrões e vão usar esses electrões para reduzir o CO2. Vai se formar
as tais moléculas orgânicas que é o CO2, que se pode oxidar no final, nas mitocôndrias.
Basicamente são 2 processos inversos mas quimicamente muito semelhantes. Tem que se
ter componentes específicos, como as clorofilas, mas no geral são muito idênticos.
Para finalizar, vou-vos falar onde entram as outras moléculas. Portanto, nós não
aproveitamos energia só a partir do CO2, entrando agora aqui o metabolismo dos ácidos
gordos. Uma molécula de ácido gordo por exemplo acumula muito mais energia do que uma
molécula de açúcar.
A energia que nós aproveitamos, da qual aproveitamos o máximo rendimento, é quando
fazemos a fosforilação oxidativa, ou seja, precisamos de NAD, H, transporte electrónico,
ATPases…portanto, para chegarmos lá temos é que gerar muito NADH. Para tal, nós
precisamos é de acetil-coenzima A a entrar no ciclo de Krebs e nós podemos sintetizar
acetil-coenzima A a partir de lípidos muito facilmente.
Se repararmos, a partir de uma única molécula de ácido gordo nós geramos imenso acetilcoenzima A, que é o que vai permitir girar o ciclo de Krebs uma série de vezes (acetato 3436).
Basicamente o processo consiste em cortar a cadeia fatia a fatia, reduzindo o
comprimento da cadeia em 2 carbonos. Chama-se a essa via, via espiral, ou seja, não é um
ciclo fechado se vocês repararem bem, pois isto dá uma volta ao ciclo, mas no final, o
produto não é idêntico, tem menos 2 carbonos (37 e 38) Portanto, a partir de uma molécula
destas, nós, em equivalentes, precisaríamos de muitas moléculas de glicose. Será uma
asneira também dizer que a B-oxidação dos ácidos gordos só serve para produzir energia.
Não é verdade! A ß-oxidação serve para produzir acetil-coenzima A que pode ser usada
noutras coisas, lembrem-se disso. Se se estiver a precisar de sintetizar colesterol, por
qualquer razão nas nossas células, fazemos a B-oxidação dum ácido gordo, gera-se acetilcoenzima A, que vai ser aproveitada na síntese de outras moléculas (importante
perceberem a seguinte analogia: Glicólise----B-Oxidação; neoGlicogénio….Síntese dos ácidos
gordos). Resumindo a ß-oxidação do ácido gordo vai ser utilizado para produzir acetilcoenzima A, ciclo de Krebs, transporte electrónico, , síntese de ATP. A síntese dos ácidos
gordos é o esquema exactamente oposto da degradação (acetato 40)-aumenta-se 2 a 2 o
tamanho da cadeia, através da adiçao da acetil-coenzima A, ficando agora a espiral voltada
para fora.
Mas como se faz a regulação nestes 2 processos, como é que se faz o controlo se as
enzimas são idênticas, se são em tudo semelhante?
A resposta é que a célula faz estes 2 processos em sítios diferentes: a degradação dos
ácidos gordos (B-oxidação) dá-se no interior dum mitocondrio, ao passo que a síntese dá-se
no citosol (acetato 41). Só há então necessidade de mudar as concentrações dos produtos
iniciais e finais para a via ter mais tendência em dar-se em determinada direcção.
Esse acetato (42) aqui é importante para que se perceba o mecanismo, ou seja,
inicialmente temos ácidos gordos, depois acetil-coenzima A que pode entrar no ciclo de
krebs, dando oxalacetato. Se se fizer a neoglucogenese podemos sintetizar glucose,
portanto, a partir de ácidos gordos podemos estar a sintetizar açúcar (a transformar uma
molécula biológica noutra, e a partir da glucose, podemos sintetizar aminoácidos também).
Em relação ao metabolismo dos aminoácidos, há organismos preguiçosos, como nós, que
já não temos capacidade de sintetizar todos os aminoácidos. Temos que ingeri-los. Os que
ainda não perdemos as vias de síntese encontram-se aqui (acetato 44). Muitos desses
aminoácidos, se estivermos a falar de um catabolismo, vocês vão ver que vai dar origem a
ácido pirúvico (que é o final da glicólise), e este por sua vez pode ser “transformado” em
acetil-coenzima A e entramos outra vez no ciclo de Krebs para degradar. Como é óbvio, cada
aminoácido que aqui está, é pouco energético porque ele só dá origem a uma molécula de
ácido pirúvico e por isso não gera muito acetil-coenzima A.
Este esquema (acetato 44) é significativo do integrar do metabolismo. Nós chegamos a
esta roda da vida quer seja a partir de açúcares, quer seja a partir de lípidos, quer seja a
partir de aminoácidos. Note-se bem que os aminoácidos podem entrar no ciclo de Krebs não
só através de acetil-coenzima A, mas de muitos outros compostos, pois o seu catabolismo,
ao contrário dos lípidos e dos glícidos pode dar origem não só a acetil-coenzima A para
entrar no ciclo, mas também aos vários compostos que temos aqui na figura, como o ácido
pirúvico (ou seja há mais de uma entrada para os aminoácidos no ciclo de Krebs). A
conclusão óbvia é que para os sintetizarmos, podem-se fazer as reacções opostas – síntese
de aminoácidos (acetato 45).Ou seja, para sintetizarmos por exemplo Lisina e Leucina
bastará utilizarmos apenas um dos intermediários do ciclo de Krebs, nesse caso o
Acetilcoenzima-A.
Na realidade, se vocês tiverem um defeito nas enzimas envolvidas aqui no ciclo Krebs tão
“mortos” porque não há nada no nosso metabolismo básico que se consiga fazer. Na
sequência da integraçao do metabolismo celular o que é que voces concluem?? R: Se houver
problemas de degradaçao de certos aminoácidos, estes vão ficar em excesso.Assim Se
aumentarmos por exemplo a concentraçao num só aminoácido, nós podemos estar a
afectar o metabolismo dos lípidos e dos glícidos, por isso é que defeitos metabólicos são
muito graves. Basta muitas vezes uma variação mínima no metabolismo, que ao fim de
alguns anos pode criar muitos problemas. Aqui nesses quadros (acetatos 46 e 47) encontrase alguns sintomas e efeitos, muitos deles por exemplo dão origem a atrasos mentais,
náuseas, problemas neurológicos, etc.