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A Bioquímica e a Química Orgânica

Departamento de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto

ruifonte@med.up.pt

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Os compostos orgânicos mais simples são os hidrocarbonetos: oshidrocarbonetos são constituídos apenas por átomos de carbono e hidrogénio.

O carbono tem 4 eletrões de valência.

No metano um átomo de carbono liga-se a 4 hidrogénios…

Os átomos de carbono podem ligar-se por ligações simples uns aos outros formando os alcanos.

CH3CH2CH3

propano

CH3CH2CH2CH3

n-butano

Fórmula molecular = C4H10

3

As cadeias carbonadas podem ser ramificadas como no isobutano (2-metil-propano).

CH3 CH3

CH3

As cadeias podem ser cíclicas como no ciclopentano

CH2

CH2

CH2

CH2CH2

Os alcenos são hidrocarbonetos que contêm, pelo menos, uma ligação dupla (são insaturados).

Eteno CH2=CH2

2-cis-penteno 2-trans-penteno

… são isómeros cis-trans

H

HH

H

H

H

H H

H

H

C

C C

CCH

HH

H H

H

H

H

HH

Fórmula molecular = C4H10

o n-butano e o isobutano são isómerosporque têm a mesma fórmula molecular.

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O tetradecano é um alcano

O 7-trans-tetradeceno é um alceno

O 7-cis-tetradeceno é um alceno

Sou um alcano e estou saturado…de hidrogénios

Se perder hidrogénios

oxido-me e fico insaturado

Os alcanos são hidrocarbonetos saturados; os alcenos são insaturadospodendo ser isómeros cis ou trans.

XH2

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O benzeno é um hidrocarboneto aromático: é um anel com 6 carbonos e 3 duplas ligações conjugadas.

Os hidrocarbonetos costumam classificar-se em

Aromáticos: com um ou mais anéis benzénicos

Alifáticos: cadeias carbonadas lineares ou ramificadas (ou cíclicas mas sem duplas ligações conjugadas)

Fenantreno

Colesterol: ciclopentano-perhidro-fenantrenohidroxilado no carbono 3, dupla ligação no carbono 5,dois grupos metilo (nos carbonos 10 e 13) e uma cadeia alifática ramificada com 8 carbonos no carbono 17.

A fenilalanina contém um anel benzénico: é um aminoácido aromático.

perhidro-fenantreno

ciclopentano

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Tal como o colesterol também o metanole o etanol contêm um grupo hidroxilo: são álcoois.

O glicerol é um poliálcool e contém 2 hidroxilos primáriose 1 secundário.

Os éteres (R1-O-R2) podem ser entendidos como resultando da ligação de 2 álcoois com perda de água: o éter etílico é formado por 2 resíduos de etanol.

Alguns lipídeos complexos contêm uma ligação éter entre o resíduo de um álcool gordo e o resíduo de glicerol

No éter etílico (R1-O-R2), R1 e R2 são grupos etilo Um plasmalógeno

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Se substituirmos o átomo de O por um átomo de S num grupo hidroxilo (-OH) obtemos um grupo tiol (-SH).

Coenzima A (CoA ou CoASH)

Cisteína

Glutatião (forma reduzida); GSH

Dissulfureto do glutatião (forma oxidada); GSSG

Grupo (ou ligação) dissulfureto

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Estou oxidado porque perdi hidrogénios

Quando dois compostos que contêm grupos tiol reagem entre si com perda de átomos de hidrogénio (oxidação) e ficam ligados pelos átomos de enxofre, a ligação resultante diz-se dissulfureto (R-S-S-R).

Na metionina (um aminoácido) um grupo metilo liga-se à restante molécula por uma ligação sulfureto (R-S-R).

XH2GSH

GSH

GSSG

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A oxidação de hidroxilos primários dá origem a aldeídos .A oxidação do etanol dá origem ao etanal (ou acetaldeído).

A oxidação de hidroxilos secundários dá origem a cetonas .A oxidação do 2-propanol dá origem à propanona (ou acetona ).

grupos aldeído e cetónico = grupo carbonilo (nome coletivo )

Com a perda de hidrogénios

fiquei mais oxidado que o

etanol

Com a perda de hidrogénios

fiquei mais oxidado que o

2-propanol

Os aldeídos têm grupos C=O;o aldeído mais simples é o metanal, cujo nome vulgar é “formol”.

CH2O

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Os glicídeos (= hidratos de carbono) são derivados aldeídicos (aldoses) ou cetónicos (cetoses) de poliálcoois.

O gliceraldeído (aldotriose)

e a dihidroxiacetona (cetotriose)

são os monossacarídeos mais simples

A glicose (uma aldohexose) e

a frutose (uma cetohexose)

também

são monossacarídeos

CH2OH

CH

C

O

HOH

CH2OH

CH2

C

OH

O

CH

C

C

C

C

CH2OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

C

C

C

CH2OH

OH H

H OH

H OH

C O

CH2

OH

C3H6O3

C6H12O6

…e são isómeros entre si; isómeros “de posição” pois diferem na posição do grupo carbonilo.

…e também são isómeros entre si; isómeros de posição.

gliceraldeído dihidroxiacetona

glicose frutose

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Os monossacarídeos (ou oses) com número de carbonos superior a 4 são mais estáveis quando formam estruturas cíclicas que nas formas lineares.

grupo (ou ligação) semiacetal

O rearranjo molecularque resulta da reação entre um grupo carbonilo e um grupo hidroxilo chama-se:

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Ligação acetal

Os acetais podem ser compreendidos como resultando da reação entre um semiacetal e um álcool com perda de água.

A hidrólise (a reação inversa da reação representada) da ligação acetal (ou glicosídica tipo O) da maltose leva à libertação de duas moléculas de glicose: a maltose é formada por dois resíduos de glicose.

Maltose (342 g / mol)

Glicose(180 g / mol)

um resíduo de glicose → ← outro resíduo

de glicose

Glicose(180 g / mol)

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A oxidação de grupos aldeído origina grupos carboxilo. Os compostos que têm grupos carboxilo são ácidos carboxílicos.

Reação deoxidação

Reação de dissociação protónica (ou protólise).

Os grupos carboxílicosque sofreram dissociação protónica chamam-se grupos carboxilato .

ácido acético

acetaldeído

acetato

Ao ganhar um oxigénio fiquei

oxidado

Ao perder um protão fiquei desprotonado; neste caso tb fiquei com carga elétrica: fiquei ionizado

Em Bioquímica , se não estivermos a falar de reações ácido-base (como as de dissociação protónica), podemos dizer ácido acético (ou acetato ) para nos referirmos coletivamente ao conjunto ácido acético + acetato .

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Em Bioquímica, se não estamos a tratar de reações ácido base , pode dizer-se palmitato (ou ácido palmítico) para nos referirmos coletivamente ao conjunto:

+ palmitato

ácido palmíticoC

CH3

O

OH

CCH3

O

O-

Ácido propiónico ou propionato Ácido pirúvico ou piruvato Ácido láctico ou lactato

Ácido succínico ou succinatoÁcido cítrico ou citrato

…a mesma regra se aplica a todos os ácidos e respetivas bases (ou sais).

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Quando um ácido carboxílico é dissolvido em água tende a ionizar-se (sofrer protólise) libertando protões e o despectivo sal (ou base).

Quando uma base é dissolvida num meio que contém protões tende a ligar protões convertendo-se no ácido correspondente.

CH3CHOHCOOH → CH3CHOHCOO- + H+ CH3CHOHCOO- + H+ → CH3CHOHCOOH

Quando o pH do meio é mantido a um determinado valor a proporção relativa das formas dissociada (desligada do protão) e não dissociada (ligada ao protão) depende da força do ácido e do valor do pH. O pKa do ácido láctico é 3,7…

=

pH = 3,7 pH = 7

>

pH = 1

< 16

Resumindo. Quando um álcool se oxida gera-se um aldeído (ou uma cetona). Quando um aldeído se oxida gera-se um ácido carboxílico. Quando um ácido carboxílico sofre protólise gera-se o sal (ou base) correspondente.

etanol ácido acéticoacetaldeído acetato

A ligação de um grupo semiacetal a um álcool com perda de águagera uma ligação acetal .

Semiacetal + hidroxilo

H2O

A ligação de um grupo carbonilo a um grupo hidroxilo com rearranjo molecular gera uma ligação semiacetal

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Os ésteres podem ser entendidos como resultando da reação entre um álcool e um ácido com perda de água: a hidrólise de um éster liberta os resíduos constituintes do éster, ácido + álcool .

Um triacilglicerol

glicerol + 3 ácidos gordos

ácido gordo

colesterol

Um éster de colesterol é formado por um resíduo de colesterol e um resíduo de um ácido.

Os ésteres são muito mais hidrofóbicos que os álcoois e os ácidos que os constituem.18

A hidrólise de um tioéster liberta ácido + tiol : a acetil-coenzima A contém coenzima A ligada ao ácido acético (acetato) por uma ligação tioéster.

Acetil-CoA + H2O → CoA + ácido acético

Ao contrário dos grupos ésteres (e tioésteres) que são apró ticos (não ligam nem libertam protões) um dos produtos da sua hidrólise é um ácido.

H2O

hidrólise protólise

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Quando, num éster, o ácido é o ácido fosfórico (ou o seu sal, o fosfato) a ligação diz-se fosfoéster . A hidrólise da ligação

fosfoéster que existe na glicose-6-fosfato leva à libertação de glicose + fosfato (ou Pi) ;

a glicose-6-fosfato contém um resíduo de glicose e outro resíduo de fosfato.

Ácido fosfórico; Pi

glicose

Glicose-6-fosfato

A glicose-3-sulfato contém um resíduo de glicose e outro de sulfato ligados por uma ligação sulfoéster

Glicose-3-sulfato

Ácido sulfúrico

glicose

Quando, num éster, o ácido é o ácido sulfúrico (ou o seu sal, o sulfato) a ligação diz-se sulfoéster .

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As ligações que podem ser entendidas como resultando da reação entre dois ácidos (ou sais) com perda de água designam-se de ligações anidrido.

A hidrólise da ligação fosfoanidrido (liga dois fosfatos) do pirofosfato (ou difosfato) gera fosfato inorgânico: PPi + H2O →→→→ 2 Pi. O pirofosfato contém dois resíduos de fosfato.

A hidrólise da ligação fosfoanidrido que liga os fosfatos beta (ββββ) e gama (γγγγ ) do ATP gera fosfato inorgânico + ADP: ATP + H2O →→→→ ADP + Pi .

ααααββββγγγγ

ATPADP

Pi PiPPi

ligação anidrido

grupocarboxilo

ácido fosfórico; fosfato inorgânico; Pi

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Resumindo. Quando um éter sofre hidrólise libertam-se dois álcoois.

éster + H2O → ácido + álcool

fosfoéster + H2O →ácido fosfórico (fosfato) + álcool

acetal + H2O →semiacetal + álcool

anidrido + H2O → 2 ácidos (sais)

fosfoanidrido + H2O →2 ácido fosfórico (fosfatos)

sulfoéster + H2O →ácido sulfúrico (sulfato) + álcool

tioéster + H2O → ácido + tiol

E também:

amida + H2O →ácido + amina ou amoníaco (amónio)

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O amoníaco (NH 3)é uma base que, quando aceita um protão, se converte no ião amónio (NH 4

+).

As aminas resultam da substituição de um ou mais hidrogénios do amoníaco (ou do ião amónio) por cadeias carbonadas.

O

H

HH

H

OH

OH

H N

OH

OH

H H

GlicosaminaGlicosamina com o grupo amina protonado

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Os aminoácidos são compostos orgânicos que contém, pelo menos, um grupo carboxílico e um grupo amina. Nos aminoácidos que fazem parte das proteínas existe sempre um grupo amina no carbono 2 (ou α) e um grupo carboxílico que contém o carbono 1. São exemplos:

glicina , o aminoácido mais simples

lisina

(também contém um grupo amina no carbono 6)

glutamato ou ácido glutâmico(contém grupo carboxilo no carbono 5)

prolina

(contém amina secundária = azoto liga-se a 2 carbonos)

triptofano (contém anel indol …que é um heterociclo aromático )

histidina (contém anel imidazol… que é um heterociclo aromático )

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CO

RN

H

H

Os grupos amida podem ser compreendidos como sendo o resultado da reação entre um ácido e o amoníaco (ou de um ácido e um grupo amina) com perda de água. amida

amoníaco ácido carboxílico

H+NH4

+

A hidrólise de uma amida gera um ácido e amoníaco...

…que aceitando um protão se converte em amónio.

A glutamina é um aminoácido com um grupo amida no carbono 5; a hidrólise do grupo amida gera amónio e glutamato...

glutamina

ácido glutâmico

amoníaco

(ao contrário do amoníaco e das aminas, os grupos amida não aceitam nem cedem protões: são apróticos ) amónio

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Nos peptídeos e nas proteínas os resíduos dos aminoácidos estão ligados por ligações amida. Quando a ligação amida envolve o grupo α-amina de um aminoácido e o grupo carboxílico do carbono 1 doutro aminoácido a ligação diz-se peptídica.

glicil-glicina

ligação amida; neste caso tb se diz peptídica

glicina + glicina

H2O

A hidrólise completa de uma proteína (das suas ligações peptídicas) liberta os aminoácidos constituintes dessa proteína.

n H2O

αααα

αααα

Nas proteínas as ligações aminoácido-aminoácido são ligações peptídicas.

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Uma molécula diz-se quiral quando a sua imagem num espelho plano não é sobreponível consigo própria mesmo se a rodarmos e fizermos rodar as ligações simples.

O gliceraldeído-L e o gliceraldeído-D são moléculas quirais; entre si são enantiómeros(um tipo de isómeros óticos ).

“As nossas mãos são enantiómeros. “

Todas as moléculas quirais têm, pelo menos, um carbono assimétrico: um carbono ligada a quatro átomos (ou grupos de átomos) todos diferentes .

O único carbono assimétrico do(s) gliceraldeído(s) é o carbono 2.

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Ao contrário dos gliceraldeídos L e D, a glicina e a dihidroxiacetona não são moléculas quirais (não têm nenhum carbono assimétrico).

NN

O O

O

O

A identidade dos dois modelos fica evidente se fizermos rodar a ligação (simples ) assinalada.

Estes dois modelos representam a mesma molécula: a glicina, o único aminoácido “relevante” que não tem carbonos assimétricos.

Tal como a glicina também a dihidroxiacetona não tem carbonos assimétricos.

Estes dois modelos representam a mesma molécula: a dihidroxiacetona (a cetose mais simples).

A identidade dos dois modelos fica evidente se fizermos rodar as ligações (simples ) assinaladas.

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De acordo com a convenção de Fischer, quando se representam no plano do papel estruturas com carbonos assimétricos, os carbonos alinham-se por ordem numérica na vertical e os carbonos a ele ligados estão, na estrutura tridimensional, atrás do plano do papel. Sempre o mesmo gliceraldeído-D

gliceraldeído-L gliceraldeído-D

Os gliceraldeídos L e D têm configurações invertidas no último (neste caso, o único) carbono assimétrico. Orientados de acordo com a convenção de Fischer, o hidroxilo deste carbono fica à esquerda no gliceraldeído-L e à direita no gliceraldeído-D.

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As enzimas distinguem os isómeros D e L porque (em geral) apenas uma delas tem uma estrutura que é complementar e “encaixa” no centro cativo da enzima.

Isto permite compreender que na esmagadora maioria dos casos só exista na natureza um dos enantiómeros de uma determinada substância.

Por isso, num contexto bioquímico, é desnecessário dizer gliceraldeído-D, glicose-D, lactato-L ou alanina-L

todo o gliceraldeído é gliceraldeído-Dtoda a glicose é glicose-Dtodo o lactato é lactato-Ltoda a alanina é alanina-L

…nos seres vivos

Gliceraldeído-DGliceraldeído-L

Enzima que liga o gliceraldeído-D

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A glicose-L e a glicose-D são enantiómeros e distinguem-se por terem uma configuração invertida em todos os carbonos assimétricos (os carbonos 2, 3, 4 e 5).

As moléculas das glicoses L e D são a imagem em espelho uma da outra.

A glicose-L sintetiza-se no laboratório

As plantas e os animais sintetizam glicose-D.

Último carbono assimétrico com OH virado para a esquerda.

Último carbono assimétrico com OH virado para a direita.

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A galactose, a glicose e a manose são monossacarídeos distintos e todos têm 4 carbonos assimétricos. São todos de tipo D porque no último carbono assimétrico (o carbono 5) o OH está virado para a direita.

A galactose e a glicose são epímeros entre si

A glicose e a manose são epímeros entre si

A galactose e a manose são diasteroisómeros .

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A alanina-L e a alanina-D também são enantiómeros. Mas porque só têm um carbono assimétrico também se dizem epímeros.

alanina- L alanina-D

Com a exceção da glicina (que não é quiral) “todos” os aminoácidos são de tipo L .

Nos seres vivos todo o lactato é

lactato-L.O lactato-D é uma substância que pode ser obtida no laboratório mas não existe nos seres vivos.

Em certas bactérias intestinais, os aminoácidos de tipo D (como a alanina-D)podem existir como substâncias isoladas ou em peptídeos com poucos resíduos (menos de 10).

Só a alanina-L faz parte das proteínas.

lactato- L lactato-D

Nota: moléculas representadas respeitando convenção de Fischer. O grupo amina está voltado para a esquerda no carbono assimétrico (o único) da alanina L; por isso é L.

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Quando as oses (monossacarídeos) assumem a forma cíclica (formação do semiacetal) passa a haver mais um carbono assimétrico (o que na forma linear era o do grupo carbonilo) que passa a designar-se de carbono anomérico.

Glicose β Glicose α

A glicose α e a glicose β são um tipo particular de isómeros óticos:

são anómeros.

A glicose α e a glicose β estão em equilíbrio químico (não enzímico) interconvertendo-se uma na outra via forma linear.

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α(1→4) β(1→4)

Na maltose o resíduo de glicose que contribuí para a ligação acetal (glicosídica tipo O) com o grupo semi-acetal é o anómero α e a ligação diz-se α (1→4).

Na celobiose o resíduo de glicose que contribuí para a ligação acetal (glicosídica tipo O) com o grupo semi-acetal é o anómero β e a ligação diz-se β (1→4).

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Resumindo isomerias:

Isómeros são substâncias diferentes com a mesma fórmula molecular. Podem ser:

a) isómeros de cadeia como no caso do n-butano e do 2-metil-propano.

b) isómeros de posição como no caso do gliceraldeído (D ou L) e da dihidroxiacetona.

c) isómeros cis-trans como no caso do 2-trans-buteno e do 2-cis-buteno.

d) isómeros óticos (diferem na configuração dos “substituintes” ligados aos carbonos assimétricos)

Isómeros óticos

1- O antónimo de enantiómeros ( como no caso das glicoses D e L) é diasteroisómeros ( como o caso da galactose-D e manose-D)

Os anómeros são um caso particular dentro dos epímeros-diasteroisómeros; caso da glicose-D-α e glicose-D-β

(dois isómeros óticos são sempre compostos quirais :compostos com, pelo menos, um carbono assimétrico, como os casos da glicose-D ou da alanina-L)

2- Duas substâncias são epímeros uma da outra quando se distinguem na configuração de apenas um carbono assimétrico.

2a- Simultaneamente epímeros e enantiómeros (caso do lactato-L e lactato-D).

2b-Simultaneamente epímeros e diasteroisómeros (caso do galactose-D e glicose-D; também da manose-D e glicose-D).

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Bibliografia

1. Chang, R. (1994) Química, 5ª edn, McGraw-Hill, Lisboa.2. Meisenberg, G. & Simmons, W. H. (1998) Principles of Medical Biochemistry, Mosby, St. Louis.3. Murray, R. K., Granner, D. K. & Rodwell, V. W. (2006) Harper's Illustrated Biochemistry, 27th edn, Lange, Boston.4. Vargas, J. J. & Macarulla, J. (1979) Fisiquimica fisiologica, 5ª edn, Interamerica, Madrid.5. Morrison, R. & Boyd, R. (1992) Química Orgânica, 13ª edn, Fundação Caloust Gulbenkian, Lisboa.6. Fontes R., Alçada M.N. (2011) A Bioquímica e a Química Orgânica.