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Licenciatura em Ciências Exatas – Biologia IV - Roteiro de estudos  – Fundamentos de Bioquímica B ioquímica

Universidade de São Paulo  – USP Instituto de Física de São Carlos  – IFSC Licenciatura em Ciências Exatas

Roteiro de estudos

Fundamentos de Bioquímica 2013

Professora Ilana L. B. C. Camargo Aluna PAE: Mariana Laureano [email protected]

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A célula e seus componentes

As células são as menores unidades estruturais e funcionais de todos os organismos vivos. São capazes, embora limitadamente, de manter as funções básicas para a sobrevivência de um organismo. Os organismos vivos são divididos basicamente por dois tipos de células: células procariotas, que carregam sua informação funcional num genoma circular sem um núcleo definido, e as células eucariotas que contem um núcleo delimitado, seu genoma possui cromossomos individuais, e sua estrutura interna é bem organizada. Toda célula possui membrana plasmática que é uma membrana seletivamente permeável. Ela permite que os sais e nutrientes necessários entrem na célula e que os produtos de excreção saiam, mas usualmente exclui a entrada de substâncias não necessárias do ambiente. Dentro de toda célula há o citoplasma, onde ocorre a maioria das reações catalisadas por enzimas do metabolismo celular. As células usam a energia química para realizar o trabalho de construção e manutenção da sua estrutura e para realizar a movimentação e a contração celular. Também presentes no citoplasma de todas as células estão os ribossomos, pequenos grânulos que atuam na síntese de proteínas. Todas as células possuem ainda um núcleo onde o material genético é replicado e armazenado na forma de ácido desoxirribonucleico (DNA). Entre as células procarióticas a melhor estudada é da Escherichia coli , que está representada na figura abaixo.

A  – Células eucarióticas A célula eucariótica consiste de citoplasma e núcleo que estão delimitados pela membrana plasmática. O citoplasma contem um sistema complexo de membranas internas que formam as estruturas celulares (organelas). As principais organelas são a mitocôndria (nas quais ocorrem importantes reações químicas liberadoras de energia), o retículo endoplasmático

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(uma série de membranas onde as glicoproteínas e os lipídeos são formados), o complexo de Golgi (para determinadas funções de transporte) e os peroxissomos (formação e degradação de algumas substâncias). Células eucarióticas contêm lisossomos, onde numerosas proteínas, ácidos nucleicos e lipídeos são degradados. Os centríolos, pequenas partículas cilíndricas, são responsáveis pela formação dos microtúbulos, nas fases de divisão celular. Os ribossomos são os responsáveis pela síntese de proteínas. B  – Núcleo celular Na célula eucariótica a informação genética está contida dentro de um núcleo que é delimitado pela membrana nuclear. Esta membrana contem poros (poros nucleares) que são responsáveis pelo transporte de substancias entre o núcleo e o citoplasma. O núcleo contem o nucléolo e a matriz fibrosa com diferentes complexos DNA-proteína.

C  – Membrana plasmática O ambiente celular quer seja sangue ou outros fluídos corporais, é aquoso, e os processos químicos no interior da célula envolvem moléculas hidrossolúveis. Para a manutenção da sua integridade, as células devem impedir a água e outras moléculas de fluírem descontroladamente para dentro ou para fora da célula. Isso é realizado por uma membrana hidrorresistente composta de moléculas bipartidas de ácidos graxos, a membrana plasmática. Tais moléculas são fosfolipídios dispostos em uma camada dupla (bicamada) com sua parte interna lipídica. A própria membrana plasmática contem diversas moléculas que atravessam a camada biomolecular lipídica uma ou mais vezes para desempenhar funções especiais. Diferentes de tipos de proteínas de membrana podem ser distinguidos: (i)

Proteína transmembrana utilizada como canais para o transporte de moléculas de dentro para fora da célula.

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(ii) (iii) (iv)

Proteínas interligadas para fornecer estabilidade. Moléculas receptoras envolvidas na transdução de sinal Moléculas com funções enzimáticas para catálise interna de reações químicas em resposta ao sinal externo.

D  – Comparação entre célula animal e vegetal Células de animais e plantas têm várias características similares. A diferença fundamental é que a célula de plantas contem cloroplastos para a fotossíntese e são envoltas por uma rígida camada de celulose e outras moléculas poliméricas. Essas células também possuem vacúolos para água, íons, açúcar, compostos contendo nitrogênio ou descartes. Vacúolos são permeáveis à água, mas não a outras substâncias.

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Ligações químicas

Ligações iônicas: são formadas por ganho e perda de elétrons. Por exemplo, o sódio (Na) doa um elétron para o átomo de cloro (Cl). O casamento entre o sódio, um metal de alta reatividade, com o cloro, um gás verde tóxico, é o sal de cozinha (NaCl).

Cloreto de sódio (NaCl)

Ligação covalente: são formadas pelo compartilhamento de elétrons. Por exemplo, temos a molécula de água, amônia, dióxido de carbono e a molécula de metano.

Exemplos de ligações covalentes

Ligações de hidrogênio: é um tipo de interação intermolecular que confere certa estabilidade nas ligações com átomos de alta eletronegatividade (F, O, N).

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Representação de ligações de hidrogênio Interações hidrofóbicas: Ocorrem entre moléculas hidrofóbicas que buscam interagir entre si, evitando assim, o contato com a água quando possível.

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Grupos funcionais

Uma célula viva é basicamente composta de carbono (C), hidrogênio (H), nitrogênio (N) e oxigênio (O), quase que na seguinte distribuição: 50% de átomos de hidrogênio, 25% de carbono e 25% oxigênio. Exceto a água, quase todos os componentes são compostos de carbono. O carbono é um pequeno átomo com quatro elétrons em sua última camada, podendo formar quatro fortes ligações covalentes com outros átomos. Porém, mais notavelmente, os átomos de carbono podem combinar-se entre si para construir cadeias e anéis e, dessa maneira, grandes moléculas complexas com propriedades biológicas específicas. Os grupos funcionais determinam as propriedades químicas das moléculas. Entre os principais grupos funcionais temos álcool, amina, aldeído, cetona e os ácidos carboxílicos.

A - Compostos de hidrogênio, oxigênio e carbono Quatro simples combinações entre esses átomos ocorrem frequentemente em moléculas biologicamente importantes: grupo hidroxila (-OH; alcoóis), metila (-CH3), carboxila (-COOH) e carbonila (C=O; aldeídos e cetonas). Eles conferem as moléculas propriedades químicas características, inclusive possibilidades para formarem compostos.

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B - Ácido e ésteres Muitas substâncias biológicas contem uma ligação carbono-oxigênio com propriedades ácidas ou básicas (alcalinas). O grau de acidez é expresso pelo valor do pH, o qual indica a concentração de íons de H+ na solução, variando de 10 -1 mol/L ( pH = 1, extremamente ácido) até 10-14  mol/L (extremamente básico). A água pura contem 10 -7  mol/L de H+ (pH 7,0). Um éster é formado quando um ácido reage com um álcool. Ésteres são frequentemente encontrados em lipídeos e compostos de fosfatos.

C - Ligações carbono-nitrogênio (C-N) Ligações entre carbono e nitrogênio ocorrem em muitas moléculas biologicamente importantes: grupos amino, aminas e amidas, especialmente em proteínas. As amidas são formadas pela combinação de um ácido e de uma amina. Diferentemente das aminas, as amidas não possuem carga quando em água. A ligação peptídica que liga dois aminoácidos nas proteínas serve como um dos exemplos. Um ácido carboxílico reage com uma amina, formando uma amida (aminoácido) e liberando água.

Ácido carboxílico

Amina Ligação peptídica

Amida (Aminoácido)

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Os aminoácidos, que são as subunidades das proteínas tem importância fundamental. Todas as proteínas tem um papel específico no funcionamento de um organismo.

D - Compostos de fosfato Os compostos fosfáticos ionizados desempenham um papel biológico essencial. O grupo HPO42- é um íon fosfato inorgânico estável oriundo do acido fosfórico (H 3PO4)  ionizado. Normalmente ele é representado por P i.

Grupo fosfato Entre um íon fosfato e um grupo hidroxila livre pode-se formar um éster fosfático. Frequentemente os grupos fosfato são ligados a proteínas deste modo.

Éster fosfático

Forma abreviada

A combinação de dois grupos fosfato dá origem a um grupo difosfato.

Formação de um grupo difosfato Os compostos fosfáticos desempenham um papel importante em moléculas ri cas em energia e várias macromoléculas que podem armazenar energia.

E - Compostos de enxofre

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Muitas vezes o enxofre serve para ligar moléculas biológicas, especialmente quando dois grupos sulfidrilas (-SH) reagem para formar uma ponte de sulfeto (-S-S-). O enxofre é o componente de dois aminoácidos (cisteína e metionina) e de alguns polissacarídeos e açúcares. As pontes de sulfeto desempenham papel em muitas moléculas complexas, servindo para estabilizar e manter as estruturas tridimensionais específicas.

Grupo sulfídrila 4

Ponte dissulfeto

Carboidratos

São substâncias biorgânicas encontradas em sistemas biológicos e possuem diversas funções, como componentes estruturais essenciais das células, também atuam como sítios de reconhecimento da superfície da célula e servem como principal fonte de energia metabólica.

Carboidratos

Monossacarídeos

Pentoses (Ribose Desoxirribose)

Hexoses (Glicose Galactose Frutose)

Oligossacarídeos

Polissacarídeos

Dissacarídeos

(Amido(amilose e amilopectina)

(Maltose Lactose)

Glicogênio, Celulose)

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A - Monossacarídeos Os monossacarídeos (açúcares simples) são aldeídos (-C=O, -H) ou cetonas (>C=O) com dois ou mais grupos hidroxilas [fórmula geral (CH 2O)n]. O grupo aldeído ou cetona pode reagir como um dos grupos hidroxilas para formar um anel. Essa é a configuração usual dos açúcares que têm cinco ou seis átomos de carbono (C) (pentoses e hexoses). Os átomos C são numerados. As formas D- e L- de açúcares são isômeros especulares da mesma molécula. As formas que ocorrem naturalmente são as D-(dextro) formas. Estas incluem, adicionalmente, as formas β e α como estereoisômeros. Nas formas cíclicas, os átomos C dos açúcares não estão em um plano, mas tridimensionalmente tomam a forma de uma cadeira ou de um barco. A configuração β-D-glicopiranose (glicose) é favorecida energeticamente, já que todas as posições axiais são ocupadas por átomos H. O arranjo dos grupos  –OH pode diferir, de modo a se formarem estereoisômeros como a manose ou a galactose.

As formas α e β da glicose diferem pela configuração no carbono anomérico

β-D-glicose α -D-glicose estereoisômeros

Glicose Conformação tipo cadeira

Isômeros da glicose

B - Dissacarídeos Os dissacarídeos são formados pela união de dois monossacarídeos, e seus representantes mais conhecidos são a sacarose e a lactose. Os dissacarídeos são solúveis em água. 

Sacarose: formado por uma molécula de glicose e uma molécula de frutose. A sacarose é o açúcar que consumimos em casa, que usamos em nosso café, sucos,

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

doce. Esse carboidrato pode ser encontrado principalmente na cana-de-açúcar e na beterraba. Lactose: formado por uma molécula de glicose e uma molécula de galactose. É o açúcar encontrado no leite, e é a principal fonte de energia para o bebê durante a amamentação.

C - Derivados de açúcares Quando determinados grupos hidroxilas são substituídos por outros, formam-se os derivados de açúcar. Estes ocorrem especialmente em polissacarídeos. EM um grande grupo de síndromes determinadas geneticamente, os polissacarídeos complexos não podem ser degradados, devido à função enzimática reduzida ou ausente (mucopolissacarídeos, mucolipidoses). Exemplos dos derivados de açúcares são o ácido glicurônico, glicosamina e a N-acetilglicosamina.

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Oxidação no carbono C6 da glicose → ácido glicurônico

Hidroxila no carbono C2 substituída por amina→ glicosamina β-D-glicose

Responsável pelo mecanismo de desintoxicação da célula quando se conjuga com a bilirrubina

Construção de cartilagem; Lubrificação das articulações

N-acetilGlicosamina

D  – Polissacarídeos Os polissacarídeos são formados pela união de centenas, e até mesmo milhares, de monossacarídeos e não são solúveis em água. Os exemplos mais conhecidos de polissacarídeos são: 

 

Amido: principal fonte de energia em nossa alimentação. As plantas utilizam o amido como reserva de energia, e por isso podemos encontrá-lo no interior de caules, mas principalmente nas raízes, tubérculos e sementes. Celulose: a celulose é o principal componente da parede celular dos vegetais. Quitina: principal constituinte do exoesqueleto (esqueleto externo) dos artrópodes, como os insetos, aracnídeos, crustáceos.

Exemplos de distúrbios humanos hereditários no metabolismo de carboidratos Diabete melito: um grupo heterogêneo de distúrbios caracterizado por elevados níveis

sanguíneos de glicose, com aspectos genéticos e clínicos complexos. Distúrbios do metabolismo da frutose: são conhecidos três distúrbios hereditários: frutosúria

benigna, intolerância hereditária à frutose com hipoglicemia e vômitos e deficiência hereditária de frutose 1,6-bifosfato com hipoglicemia, apneia, acidose láctica e frequentemente, resultado letal em recém-nascidos. Doenças do armazenamento do glicogênio: um grupo de distúrbios do metabolismo do

glicogênio que diferem em sintomas clínicos e nos genes e nas enzimas envolvidos. Metabolismo da galactose: três distúrbios hereditários diferentes, com toxicidade aguda e

efeitos a longo prazo.

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Lipídios

Os lipídeos geralmente ocorrem como grandes moléculas (macromoléculas). São componentes essenciais das membranas e precursores de outras importantes biomoléculas, tais como os esteroides para a formação de hormônios e outras moléculas para transmitir os sinais intercelulares. Além dos ácidos graxos, os compostos com carboidratos (glicolipídeos), grupos fosfatos (fosfolipídeos) e outras moléculas são especialmente importantes. Uma característica especial é sua acentuada polaridade, com uma região hidrofílica (que atrai água) e outra hidrofóbica (que repele a água). Isso torna os lipídeos especialmente adequados para constituir os limites os limites externos da célula (membrana celular).

A  – Ácidos graxos Os ácidos graxos são compostos de uma cadeia de hidrocarbonetos com um grupo ácido carboxílico terminal. Assim, são polares, com uma extremidade hidrofílica (-COOH) e outra hidrofóbica (-CH3), e diferem no comprimento da cadeia e seu grau de saturação. Quando ocorrem uma ou mais ligações duplas na cadeia, o ácido graxo é classificado como insaturado. Uma ligação dupla torna a cadeia relativamente rígida e causa uma torção. Os ácidos graxos formam a estrutura básica de muitas macromoléculas importantes. O grupo carboxila livre (-COOH) de um ácido graxo PE ionizado (-COO -).

Hidrofílico

Hidrofóbico  Ácido graxo saturado Sólidos a temperatura ambiente – gordura animal/tecido adiposo

Ácido graxo insaturado Líquidos a temperatura ambiente – óleos vegetais/sementes (amêndoa, castanha)

A margarina é de origem vegetal, mas sofre hidrogênação, e por isso é saturada.

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B  – Lipídeos Os ácidos graxos podem combinar-se com outros grupos de moléculas para formar outros tipos de lipídeos. Como moléculas insolúveis em água (hidrofóbicas), são solúveis apenas em solventes orgânicos. O grupo carboxila pode entrar em uma ligação de um éster ou de uma amida. Os triglicerídeos são compostos ácidos graxos com glicerol. Os glicolipídeos (lipídeos com resíduos de açúcar) e os fosfolipídeos (lipídeos com um grupo fosfato ligado a um derivado de álcool) são as bases estruturais de importantes macromoléculas. Sua degradação intracelular exige a presença de várias enzimas, cujos distúrbios têm uma base genética e levam a numerosas doenças determinadas geneticamente. Os esfingolipídeos constituem um notável grupo de moléculas nas membranas biológicas. Nestas, a esfingosina, em vez do glicerol, é a molécula de ligação com o ácido graxo. A esfingomielina e os gangliosídeos contêm esfingosina. Os gangliosídeos perfazem 6% dos lipídeos do sistema nervoso central. São degradados por uma série de enzimas. Distúrbios geneticamente determinados de seu catabolismo acarretam graves doenças, como por exemplo, a doença de Tay-Sachs, devida à degradação defeituosa do gangliosídeo GM2 (deficiência de β-N-acetil-hexosaminidase).

Glicerol pode se ligar a ácidos graxos para formar triglicerídios Triglicerídios •

•

•

Encontram-se na forma de gordura na alimentação que consumimos. Circulam em nossa corrente sanguínea e se armazenam no tecido adiposo.

Um nível alto de triglicerídeo pode causar inúmeros problemas de saúde, incluindo o desenvolvimento de pancreatite e doenças do coração.

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açúcar  glicerol

Glicolipídio Estão presentes na membrana plasmática

ácido graxo

hidrofóbico

Fosfolipídio

Estão presentes nas membranas das células e em lipoproteínas plasmáticas

C  – Agregados lipídicos Dadas as suas propriedades bipolares, os ácidos graxos podem formar agregrados lipídicos na água. As extremidades hidrofílicas são atraídas ao seu ambiente aquoso; as extremidades hidrofóbicas projetam-se da superfície da água e formam uma película superficial. Se estiverem completamente abaixo da superfície, podem formar membranas com duas camadas (membrana lipídica biomolecular ou bicamada). Estes são os elementos estruturais básicos das membranas celulares, os quais impedem que as moléculas da solução aquosa circundante invadam a célula.

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Agregados lipídicos

Grandes agregados unidos por forças hidrofóbicas

Membrana plasmática em duas camadas (bicamada fosfolipídica)

D  – Outros lipídeos: esteróides Os esteróides são pequenas moléculas que consistem em quatro diferentes anéis de átomos de carbono. O colesterol é o precursor das cinco principais classes de hormônios esteroides: prostágenos, glicocorticoides, mineralocorticoides, andrógenos e estrógenos. Cada uma dessas classes hormonais é responsável por importantes funções biológicas, tais como manutenção da gravidez, metabolismo das gorduras e das proteínas, manutenção do volume e da pressão sanguíneos e desenvolvimento das características sexuais.

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Outros lipídios: esteroides

Colesterol

Derivados de colesterol

Testosterona

Estradiol

Exemplos de distúrbios humanos hereditários no metabolismo lipídico e lipoprotéico: Hipercolesterolemia familiar, a deficiência de lípase lipoproteica familiar, a disbetalipoproteinemia e os distúrbios da lipoproteína de alta densidade (LDL).

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Aminoácidos

Os aminoácidos são as unidades estruturais básicas das proteínas. Uma sequência linear definida dos aminoácidos e uma estrutura tridimensional específica atribuem propriedades físico-químicas a cada proteína. Um aminoácido consiste em um carbono “central” com uma ligação a um grupo amino (-NH2), outra a um grupo carboxila (-COOH), a terceira a um átomo de hidrogênio e a quarta a uma cadeia lateral variável. Os aminoácidos são ionizados em soluções neutras, uma vez que o grupo amino adquire um próton (-NH 3+) e o grupo carboxila dissocia-se (-COO-). A cadeia lateral determina as características distintas de um aminoácido, incluindo tamanho, forma, carga elétrica ou capacidade de ligação com o hidrogênio e a reatividade química específica total. Os aminoácidos podem ser diferenciados conforme sejam neutros ou não neutros (básicos ou ácidos) e possuam uma cadeia lateral polar ou não polar. Cada aminoácido tem suas próprias abreviaturas de três letras e de uma letra. Os aminoácidos essenciais em vertebrados são: His, Ile, Leu, Lis, Met, Fen, Ter, Tir e Val.

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Estrutura geral dos aminoácidos

A  – Aminoácidos são classificados de acordo com sua cadeia lateral Todos os aminoácidos neutros têm um grupo  –COO- e um grupo -NH 3+. Os aminoácidos mais simples apresentam uma cadeia lateral alifática (ou acíclica) simples. Para a glicina, esta consiste meramente em um átomo de hidrogênio (-H); para a alanina, em um grupo metila (CH3). Cadeias laterais maiores ocorrem na valina, na leucina e na isoleucina. Tais cadeias são hidrofóbicas (hidrorrepelentes) e tornam seus respectivos aminoácidos menos solúveis em água que as cadeias hidrofílicas (com afinidade pela água). A prolina tem uma cadeia lateral alifática que, diferentemente do que se observa em outros aminoácidos, sua cadeia lateral está ligada tanto ao carbono central quanto ao grupo amino, de modo que se forma uma estrutura em anel. Cadeias laterais aromáticas (ou cíclicas) ocorrem na fenilalanina (um grupo fenil ligado ao carbono central por meio de um grupo metileno  –CH2 –) e no triptofano (um anel indol ligado ao carbono central por meio de um grupo metileno). Esses aminoácidos são muito hidrofóbicos. Dois aminoácidos contêm átomos de enxofre (S). Na ci steína, este está sob a forma de um grupo sulfidrila (-SH); na metionina, é um tioéster (-S-CH 3). Ambas são hidrofóbicas. Na cisteína, o grupo silfidrila é muito reatico e participa da formação de pontes de sulfeto (-S-S). Tais ligações desempenham um importante papel na estabilização da forma tridimensional das proteínas. A serina, a treonina e a tirosina contêm grupos hidroxilas (-OH). Assim, são formas hidrolisadas de glicina, alanina e fenilalanina, respectivamente. Os grupos hidroxilas as tornam hidrofílicas e mais reativas do que as formas não hidrolisadas. Tanto a asparagina como a glutamina contêm um grupo amino e um grupo amida. No pH fisiológico, suas cadeias laterais apresentam carga negativa. Os aminoácidos carregados têm dois grupos amino ionizados (básico) ou dois grupos carboxilas ionizados (ácidos). Os aminoácidos básicos (de carga positiva) são a arginina, a lisina e a histidina. A histidina tem um anel imidazol e pode ser de carga negativa ou positiva, dependendo do meio. Ela é frequentemente encontrada nos centros reativos das proteínas, onde toma parte em ligações alternantes (por exemplo, na região da hemoglobina que se liga ao oxigênio). O ácido aspártico e o ácido glutâmico têm, cada um, dois grupos carboxilas (COOH) e são, assim (via de regra), ácidicos.

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Sete dos 20 aminoácidos têm cadeias laterais fracamente ionizáveis, tornando-os bastante reativos (Asn, Glu, His, Cis, Tir, Lis, Arg).

Exemplos de distúrbios humanos hereditários no metabolismo dos aminoácidos Os aminoácidos glicina, fenilalanina, tirosina, histidina, prolina e lisina e os aminoácidos de cadeia ramificada valina, leucina e isoleucina estão predominantemente envolvidos em vários distúrbios que acarretam sintomas metabólicos tóxicos, decorrentes de um aumento ou de uma diminuição de sua concentração plasmática. Fenilcetonúria: os distúrbios da hidroxilação da fenilalanina resultam em sinais clínicos

variáveis, dependendo da gravidade, causados por um espectro de mutações no gene responsável. Doença de urina em xarope de bordo: um distúrbio variável devido à deficiência da

desidrogenase do α-cetoácido de cadeia ramificada, que acarreta o acúmulo de valina, leucina e isoleucina. A forma grave clássica resulta em sérios danos neurológicos à crianças.

Apolares (hidrofóbicos), grupo R alifático

Glicina Gln (G)

Alanina Ala (A)

Leucina Leu (L)

Prolina Pro (P)

Isoleucina Ile (I)

Valina Val (V)

Metionina Met (M)

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Grupo R aromático

Fenilalanina Phe (F)

Tirosina Tyr (Y)

Triptofano Trp (W)

Polares (hidrofílicos) sem carga

Serina Ser (S)

Treonina Thr (T)

Asparagina Asn (N)

Cisteína Cys (C)

Glutamina Gln (Q)

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Grupo R carregado positivamente

Arginina Arg (R)

Histidina His (H) Lisina Lys (K)

Grupo R carregado positivamente

Arginina Arg (R)

Histidina His (H) Lisina Lys (K)

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Proteínas

As proteínas estão envolvidas em praticamente todos os processos químicos dos organismos vivos. Sua significância é evidente, visto que, como enzimas digerem as reações químicas nas células vivas. Sem a catálise enzimática, as macromoléculas envolvidas não reagiriam espontaneamente. Todas as enzimas são produtos de um ou mais genes. As proteínas também servem para transportar pequenas moléculas, íons ou metais. Elas exercem importantes funções na divisão celular, durante o crescimento, e na diferenciação das células e tecidos. Controlam a coordenação de movimentos por meia da regulação das células musculares e da produção e da transmissão de impulsos dentro das células nervosas e entre elas. As proteínas controlam a homeostase (coagulação sanguínea) e a defesa imune. Realizam, ainda, funções mecânicas na pele, nos ossos, nos vasos sanguíneos e em outras áreas.

A  – Ligações peptídicas As unidades essenciais das proteínas, os aminoácidos, podem ser mantidas juntas facilmente devido à sua ionização dipolar (zwitteríons). O grupo carboxila de um aminoácido liga-se ao grupo amino do adjacente (uma ligação peptídica, às vezes também referida como ligação amídica). Quando muitos aminoácidos são unidos por ligações peptídicas, forma-se uma cadeia polipeptídica. Cada cadeia polipeptídica tem um sentido definido, determinado pelo grupo amino (-NH2) em uma extremidade e pelo grupo carboxila (-COOH) na outra. Por convenção, o grupo amino representa o inicio, e o grupo carboxila, o término da cadeia polipeptídica. Ligação peptídica

Aminoácido 1

Aminoácido 2

Formação de um peptídeo

B  – Estrutura primária de uma proteína A determinação da estrutura da insulina por Frederick Sanger foi um fato marcante. Mostrou, pela primeira vez, que uma proteína, em termos genéticos um produto gênico, tem uma sequência de aminoácidos precisamente definida. A sequência de aminoácidos fornece informações importantes sobre a função e a origem evolutiva de uma proteína. A estrutura primária de uma proteína é sua sequência de aminoácidos em um plano unidimensional.

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Estrutura Primária

Estrutura Quaternária Estrutura Secundária

Estrutura Terciária

α -hélice

Resíduos de aminoácidos

Cadeia polipeptídica

Subunidades protéicas

Níveis de organização das proteínas

B  – Estrutura secundária de proteínas A estrutura secundária descreve as estruturas regulares bidimensionais formadas p or segmentos da cadeia polipeptídica. Quando ocorre o enrolamento da cadeia ao redor de um eixo chamamos de α-hélice. Quando ocorre interação lateral de segmentos de uma cadeia polipeptídica chamamos de folha  – β.

α-hélices e folhas  – β são padrões comuns de enovelamento

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Um conjunto de estruturas secundárias fornece domínios proteicos. Esses domínios são responsáveis pela formação da estrutura tridimensional das proteínas.

α-hélice

folha – β Estrutura secundária

Polipeptídeo de domínio único

Molécula proteica formada por dois diferentes domínios

Principais funções das proteínas  –

 –

 –

 –

 –

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Estrutural e dinâmica: colágeno e elastina Transporte de moléculas: hemoglobina e mioglobina Mecanismos de defesa: imunoglobulinas Controle global do metabolismo: insulina Mecanismos contrateis: actina e miosina

Enzimas

Definição: catalisadores de reações bioquímicas As enzimas aumentam várias ordens de grandeza a velocidade das reações diminuindo a energia de ativação. Algumas reações celulares que têm como catalisadores moléculas especiais de RNA que são chamadas de Ribozima.

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    l    a    t    o    t    a    i    g    r    e    n    E

Energia de ativação para a reação Y → X

Reagente

    l    a    t    o    t    a    i    g    r    e    n    E

A enzima diminui a energia de ativação para a reação Y → X Reagente

produto Caminho da reação não catalisada

produto Caminho da reação catalisada por uma enzima

As enzimas diminuem as barreiras de energia que impedem que as reações químicas ocorram.

•

Nomenclatura

Existem 3 métodos para nomenclatura enzimática: - Nome recomendado: Mais curto e utilizado no dia a dia de quem trabalha com enzimas; Utiliza o sufixo "ase" para caracterizar a enzima. Exs: Urease, Hexoquinase, Peptidase - Nome sistemático: Mais complexo, nos dá informações precisas sobre a função metabólica da enzima. Ex: ATP-Glicose-Fosfo-Transferase - Nome usual : Consagrados pelo uso; Exs: Tripsina, Pepsina, Ptialina •

Classificação

As enzimas são classificadas de acordo com o tipo de reação que catalisam. 1. Oxido-redutases (reações de oxidação-redução ou transferência de elétrons – Desidrogenases e Oxidases) 1.1.atuando em CH-OH 1.2.atuando em C=O 1.3.atuando em C=O1.4.atuando em CH-NH2 1.5.atuando em CH-NH1.6.atuando em NADH, NADPH

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2.Transferases (transferem

grupos

funcionais

como

amina,

fosfato, acil, carboxil –

 Quinases eTransaminases) 2.1.grupos com um carbono 2.2.grupos aldeído ou cetona 2.3.grupos acil 2.4.grupos glicosil 2.7.grupos fosfatos 2.8.grupos contendo enxôfre 3.Hidrolases (reações de hidrólise de ligação covalente - Peptidases) 3.1.ésteres 3.2.ligações glicosídicas 3.4.ligações peptídicas 3.5.outras ligações C-N 3.6.anidridos ácidos 4.Liases (catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e gás carbônico – Dehidratases e Descarboxilases) 4.1. =C=C= 4.2. =C=O 4.3. =C=N5.Isomerases (reações de interconversão entre isômeros óticos ou geométricos - Epimerases) 5.1.racemases 6.Ligases (catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas préexistentes, sempre às custas de energia - Sintetases) 6.1. C-O 6.2. C-S 6.3. C-N 6.4. C-C

Propriedades das enzimas As enzimas são catalisadores biológicos extremamente eficientes, elas aceleram em média 109 a 1012 vezes a velocidade da reação, transformando de 100 a 1000 moléculas de substrato em produto por minuto de reação. Elas atuam em concentrações muito baixas e em condições suaves de temperatura e pH. Possuem todas as características das proteínas e podem ter sua atividade regulada. Estão quase sempre dentro da célula e compartimentalizadas.

Licenciatura em Ciências Exatas – Biologia IV - Roteiro de estudos  – Fundamentos de Bioquímica

Cofatores enzimáticos e coenzimas Cofatores são pequenas moléculas orgânicas ou inorgânicas que podem ser necessárias para a função de uma enzima. Estes cofatores não estão ligados permanentemente à molécula da enzima, mas na ausência deles, a enzima é inativa. A fração proteica de uma enzima, na ausência do seu cofator, é chamada de APOENZIMA. Chamamos de HOLOENZIMA enzimas ligada ao cofator. Coenzimas são compostos orgânicos, quase sempre derivados de vitaminas, que atuam em conjunto com as enzimas. Podem atuar segundo 3 modelos: Ligando-se à enzima com afinidade semelhante à do substrato Ligando-se covalentemente em local próximo ou no próprio sítio catalítico da apoenzima Atuando de maneira intermediária aos dois extremos acima citados. •

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Especificidade As enzimas são muito específicas para os seus substratos. Esta especificidade pode ser relativa a apenas um substrato ou a vários substratos ao mesmo tempo. Esta especificidade se deve à existência, na superfície da enzima de um local denominado SÍTIO DE LIGAÇÃO DO SUBSTRATO. O sítio de ligação do substrato de uma enzima é dado por um arranjo tridimensional especial dos aminoácidos de uma determinada região da molécula, geralmente complementar à molécula do substrato, e ideal espacial e eletricamente para a ligação do mesmo. O sítio de ligação do substrato é capaz de reconhecer inclusive isômeros óticos "D" e "L" de um mesmo composto. Neste sítio de ligação encontramos o local onde ocorre a reação enzimática, chamado SÍTIO CATALÍTICO ou SÍTIO ATIVO. Alguns modelos procuram explicar a especificidade substrato/enzima: Modelo Chave/Fechadura : Prevê um encaixe perfeito do substrato no sítio de ligação, que seria rígido como uma fechadura. •

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Modelo do Ajuste Induzido: Prevê um sítio de ligação não totalmente pré-formado, mas sim moldável à molécula do substrato; a enzima se ajustaria à molécula do substrato na sua presença. Evidências experimentais sugerem um terceiro modelo que combina o ajuste induzido a uma "torção" da molécula do substrato, que o "ativaria" e o prepararia para a sua transformação em produto.

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Cinética enzimática É a parte da enzimologia que estuda a velocidade das reações enzimáticas, e os atores que influenciam nesta velocidade. A cinética de uma enzima é estudada avaliando-se a quantidade de produto formado ou a quantidade de substrato consumido por unidade de tempo de reação. O complexo enzima/substrato (ES) tem uma energia de ativação ligeiramente menor que a do substrato isolado, e a sua formação leva ao aparecimento do estado de transição "Ts". A formação de "P"(produto) a partir de ES é a etapa limitante da velocidade da reação. A velocidade de uma reação enzimática depende das concentrações de ENZIMA e de SUBSTRATO.

Equação de Michaelis-Menten Michaelis e Menten foram pesquisadores que propuseram o modelo acima citado como modelo de reação enzimática para apenas um substrato. A partir deste modelo, estas pesquisadoras criaram uma equação, que nos permite demonstrar como a velocidade de uma reação varia com a variação da concentração do substrato:

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Esta equação pode ser expressa graficamente, e representa o efeito da concentração de substrato sobre a velocidade de reação enzimática.

O KM  de um substrato para uma enzima específica é característico, e nos fornece um parâmetro de especificidade deste substrato em relação à enzima. Quanto menor o K M, maior a especificidade, e vice-versa.

Principais Fatores que Influenciam na Velocidade de uma Reação Enzimática 1. Temperatura : Quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação, até se atingir a TEMPERATURA ÓTIMA; a partir dela, a atividade volta a diminuir, por desnaturação da molécula. 2. pH : Idem à temperatura; existe um pH ÓTIMO, onde a distribuição de cargas elétricas da molécula da enzima e, em especial do sítio catalítico, é ideal para a catálise. 3. [E], [S] e presença de inibidores.

Inibição Enzimática Os inibidores enzimáticos são compostos que podem diminuir a atividade de uma enzima. A inibição enzimática pode ser reversível ou irreversível. Resumimos em dois tipos o modo de inibição enzimática reversível: 1. Inibição Enzimática Reversível Competitiva: Ocorre quando o inibidor se liga reversivelmente ao mesmo sítio de ligação do substrato. Esse efeito é revertido aumentando-se a concentração de substrato. Este tipo de inibição depende das concentrações de substrato e de inibidor.