apostila de estudo para bioquímica

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

Universidade de São Paulo – USP Instituto de Física de São Carlos – IFSC

Licenciatura em Ciências Exatas

Roteiro de estudos

Fundamentos de Bioquímica

2013

Professora Ilana L. B. C. Camargo

Aluna PAE: Mariana Laureano

[email protected]


1 A célula e seus componentes

As células são as menores unidades estruturais e funcionais de todos os organismos vivos. São

capazes, embora limitadamente, de manter as funções básicas para a sobrevivência de um

organismo.

Os organismos vivos são divididos basicamente por dois tipos de células: células procariotas,

que carregam sua informação funcional num genoma circular sem um núcleo definido, e as

células eucariotas que contem um núcleo delimitado, seu genoma possui cromossomos

individuais, e sua estrutura interna é bem organizada.

Toda célula possui membrana plasmática que é uma membrana seletivamente permeável. Ela

permite que os sais e nutrientes necessários entrem na célula e que os produtos de excreção

saiam, mas usualmente exclui a entrada de substâncias não necessárias do ambiente. Dentro

de toda célula há o citoplasma, onde ocorre a maioria das reações catalisadas por enzimas do

metabolismo celular. As células usam a energia química para realizar o trabalho de construção

e manutenção da sua estrutura e para realizar a movimentação e a contração celular. Também

presentes no citoplasma de todas as células estão os ribossomos, pequenos grânulos que

atuam na síntese de proteínas. Todas as células possuem ainda um núcleo onde o material

genético é replicado e armazenado na forma de ácido desoxirribonucleico (DNA).

Entre as células procarióticas a melhor estudada é da Escherichia coli, que está representada

na figura abaixo.

A – Células eucarióticas

A célula eucariótica consiste de citoplasma e núcleo que estão delimitados pela membrana

plasmática. O citoplasma contem um sistema complexo de membranas internas que formam

as estruturas celulares (organelas). As principais organelas são a mitocôndria (nas quais

ocorrem importantes reações químicas liberadoras de energia), o retículo endoplasmático


(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.


(ii) Proteínas interligadas para fornecer estabilidade.

(iii) Moléculas receptoras envolvidas na transdução de sinal

(iv) 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.


2 Ligações químicas

Ligações iônicas: são formadas por ganho e perda de elétrons. Por exemplo, o sódio (Na) doa

um elétron para o átomo de cloro (Cl). O casamento entre o sódio, um metal de alta

reatividade, com o cloro, um gás verde tóxico, é o sal de cozinha (NaCl).

Cloreto de sódio (NaCl)

Ligação covalente: são formadas pelo compartilhamento de elétrons. Por exemplo, temos a

molécula de água, amônia, dióxido de carbono e a molécula de metano.

Exemplos de ligações covalentes

Ligações de hidrogênio: é um tipo de interação intermolecular que confere certa estabilidade

nas ligações com átomos de alta eletronegatividade (F, O, N).


Representação de ligações de hidrogênio

Interações hidrofóbicas: Ocorrem entre moléculas hidrofóbicas que buscam interagir

entre si, evitando assim, o contato com a água quando possível.

3 Grupos funcionais

Uma célula viva é basicamente composta de carbono (C), hidrogênio (H), nitrogênio (N) e

oxigênio (O), quase que na seguinte distribuição: 50% de átomos de hidrogênio, 25% de

carbono e 25% oxigênio. Exceto a água, quase todos os componentes são compostos de

carbono.

O carbono é um pequeno átomo com quatro elétrons em sua última camada, podendo formar

quatro fortes ligações covalentes com outros átomos. Porém, mais notavelmente, os átomos

de carbono podem combinar-se entre si para construir cadeias e anéis e, dessa maneira,

grandes moléculas complexas com propriedades biológicas específicas.

Os grupos funcionais determinam as propriedades químicas das moléculas. Entre os principais

grupos funcionais temos álcool, amina, aldeído, cetona e os ácidos carboxílicos.

A - Compostos de hidrogênio, oxigênio e carbono

Quatro simples combinações entre esses átomos ocorrem frequentemente em moléculas

biologicamente importantes: grupo hidroxila (-OH; alcoóis), metila (-CH3), carboxila (-COOH) e

carbonila (C=O; aldeídos e cetonas). Eles conferem as moléculas propriedades químicas

características, inclusive possibilidades para formarem compostos.


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 Amida (Aminoácido)

Ligação peptídica


Os aminoácidos, que são as subunidades das proteínas tem importância fundamental. Todas as

proteínas tem um papel específico no funcionamento de um organismo.

D - Compostos de fosfato

Os compostos fosfáticos ionizados desempenham um papel biológico essencial. O grupo

HPO42- é um íon fosfato inorgânico estável oriundo do acido fosfórico (H3PO4) ionizado.

Normalmente ele é representado por Pi.

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.

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

Os compostos fosfáticos desempenham um papel importante em moléculas ricas em energia e

várias macromoléculas que podem armazenar energia.

E - Compostos de enxofre

Grupo fosfato

Éster fosfáticoForma

abreviada

Formação de um grupo difosfato


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.

4 Carboidratos

São substâncias biorgânicas encontradas em sistemas biológicos e possuem diversas funções,

como componentes estruturais essenciais das células, também atuam como sítios de

reconhecimento da superfície da célula e servem como principal fonte de energia metabólica.

Grupo sulfídrila Ponte dissulfeto

Carboidratos

Monossacarídeos

Pentoses

(Ribose

Desoxirribose)

Hexoses

(Glicose

Galactose

Frutose)

Oligossacarídeos

Dissacarídeos

(Maltose

Lactose)

Polissacarídeos

(Amido(amilose e amilopectina)

Glicogênio,

Celulose)


A - Monossacarídeos

Os monossacarídeos (açúcares simples) são aldeídos (-C=O, -H) ou cetonas (>C=O) com dois ou

mais grupos hidroxilas [fórmula geral (CH2O)n]. O grupo aldeído ou cetona pode reagir como

um dos grupos hidroxilas para formar um anel. Essa é a configuração usual dos açúcares que

têm cinco ou seis átomos de carbono (C) (pentoses e hexoses). Os átomos C são numerados.

As formas D- e L- de açúcares são isômeros especulares da mesma molécula.

As formas que ocorrem naturalmente são as D-(dextro) formas. Estas incluem, adicionalmente,

as formas β e α como estereoisômeros. Nas formas cíclicas, os átomos C dos açúcares não

estão em um plano, mas tridimensionalmente tomam a forma de uma cadeira ou de um barco.

A configuração β-D-glicopiranose (glicose) é favorecida energeticamente, já que todas as

posições axiais são ocupadas por átomos H. O arranjo dos grupos –OH pode diferir, de modo a

se formarem estereoisômeros como a manose ou a galactose.

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,

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

α -D-glicoseβ-D-glicose

estereoisômeros

Isômeros da glicose

GlicoseConformação tipo

cadeira


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.


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.

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

bilirrubina

Hidroxila no carbono C2 substituída por

amina→ glicosamina

N-acetil-Glicosamina

β-D-glicose

Oxidação no carbono C6 da glicose → ácido

glicurônico

Construção de cartilagem;

Lubrificação das articulações


5 Lipídios

Os lipídeos geralmente ocorrem como grandes moléculas (macromoléculas). São componentes

essenciais das membranas e precursores de outras importantes biomoléculas, tais como os

esteroides para a formação de hormônios e outras moléculas para transmitir os sinais

intercelulares. Além dos ácidos graxos, os compostos com carboidratos (glicolipídeos), grupos

fosfatos (fosfolipídeos) e outras moléculas são especialmente importantes. Uma característica

especial é sua acentuada polaridade, com uma região hidrofílica (que atrai água) e outra

hidrofóbica (que repele a água). Isso torna os lipídeos especialmente adequados para

constituir os limites os limites externos da célula (membrana celular).

A – Ácidos graxos

Os ácidos graxos são compostos de uma cadeia de hidrocarbonetos com um grupo ácido

carboxílico terminal. Assim, são polares, com uma extremidade hidrofílica (-COOH) e

outra hidrofóbica (-CH3), e diferem no comprimento da cadeia e seu grau de saturação.

Quando ocorrem uma ou mais ligações duplas na cadeia, o ácido graxo é classificado como

insaturado. Uma ligação dupla torna a cadeia relativamente rígida e causa uma torção. Os

ácidos graxos formam a estrutura básica de muitas macromoléculas importantes. O grupo

carboxila livre (-COOH) de um ácido graxo PE ionizado (-COO-).

Sólidos a temperatura ambiente – gordura animal/tecido adiposo

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

Ácido graxo saturado Ácido graxo insaturado

Hidrofílico

Hidrofóbico

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


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).

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.

Glicerol pode se

ligar a ácidos graxos para

formar

triglicerídios


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.

GlicolipídioEstão presentes na

membrana plasmática

hidrofóbico

ácido graxoglicerol

açúcar

Fosfolipídio

Estão presentes

nas membranas

das células e em

lipoproteínas

plasmáticas


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.

Agregados lipídicos

Membrana plasmática

em duas camadas

(bicamada fosfolipídica)

Grandes agregados

unidos por forças

hidrofóbicas


Exemplos de distúrbios humanos hereditários no metabolismo lipídico e lipoprotéico:

Hipercolesterolemia familiar, a deficiência de lípase lipoproteica familiar, a

disbetalipoproteinemia e os distúrbios da lipoproteína de alta densidade (LDL).

6 Aminoácidos

Os aminoácidos são as unidades estruturais básicas das proteínas. Uma sequência linear

definida dos aminoácidos e uma estrutura tridimensional específica atribuem propriedades

físico-químicas a cada proteína. Um aminoácido consiste em um carbono “central” com uma

ligação a um grupo amino (-NH2), outra a um grupo carboxila (-COOH), a terceira a um átomo

de hidrogênio e a quarta a uma cadeia lateral variável. Os aminoácidos são ionizados em

soluções neutras, uma vez que o grupo amino adquire um próton (-NH3+) e o grupo carboxila

dissocia-se (-COO-). A cadeia lateral determina as características distintas de um aminoácido,

incluindo tamanho, forma, carga elétrica ou capacidade de ligação com o hidrogênio e a

reatividade química específica total. Os aminoácidos podem ser diferenciados conforme sejam

neutros ou não neutros (básicos ou ácidos) e possuam uma cadeia lateral polar ou não polar.

Cada aminoácido tem suas próprias abreviaturas de três letras e de uma letra. Os aminoácidos

essenciais em vertebrados são: His, Ile, Leu, Lis, Met, Fen, Ter, Tir e Val.

Outros lipídios: esteroides

Colesterol

Testosterona Estradiol

Derivados de colesterol


Estrutura geral dos aminoácidos

A – Aminoácidos são classificados de acordo com sua cadeia lateral

Todos os aminoácidos neutros têm um grupo –COO- e um grupo -NH3+. Os aminoácidos mais

simples apresentam uma cadeia lateral alifática (ou acíclica) simples. Para a glicina, esta

consiste meramente em um átomo de hidrogênio (-H); para a alanina, em um grupo metila (-

CH3). Cadeias laterais maiores ocorrem na valina, na leucina e na isoleucina. Tais cadeias são

hidrofóbicas (hidrorrepelentes) e tornam seus respectivos aminoácidos menos solúveis em

água que as cadeias hidrofílicas (com afinidade pela água). A prolina tem uma cadeia lateral

alifática que, diferentemente do que se observa em outros aminoácidos, sua cadeia lateral

está ligada tanto ao carbono central quanto ao grupo amino, de modo que se forma uma

estrutura em anel. Cadeias laterais aromáticas (ou cíclicas) ocorrem na fenilalanina (um grupo

fenil ligado ao carbono central por meio de um grupo metileno –CH2–) e no triptofano (um

anel indol ligado ao carbono central por meio de um grupo metileno). Esses aminoácidos são

muito hidrofóbicos. Dois aminoácidos contêm átomos de enxofre (S). Na cisteína, este está sob

a forma de um grupo sulfidrila (-SH); na metionina, é um tioéster (-S-CH3). Ambas são

hidrofóbicas. Na cisteína, o grupo silfidrila é muito reatico e participa da formação de pontes

de sulfeto (-S-S). Tais ligações desempenham um importante papel na estabilização da forma

tridimensional das proteínas.

A serina, a treonina e a tirosina contêm grupos hidroxilas (-OH). Assim, são formas hidrolisadas

de glicina, alanina e fenilalanina, respectivamente. Os grupos hidroxilas as tornam hidrofílicas

e mais reativas do que as formas não hidrolisadas. Tanto a asparagina como a glutamina

contêm um grupo amino e um grupo amida. No pH fisiológico, suas cadeias laterais

apresentam carga negativa.

Os aminoácidos carregados têm dois grupos amino ionizados (básico) ou dois grupos carboxilas

ionizados (ácidos). Os aminoácidos básicos (de carga positiva) são a arginina, a lisina e a

histidina. A histidina tem um anel imidazol e pode ser de carga negativa ou positiva,

dependendo do meio. Ela é frequentemente encontrada nos centros reativos das proteínas,

onde toma parte em ligações alternantes (por exemplo, na região da hemoglobina que se liga

ao oxigênio). O ácido aspártico e o ácido glutâmico têm, cada um, dois grupos carboxilas (-

COOH) e são, assim (via de regra), ácidicos.


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.

GlicinaGln (G)

AlaninaAla (A) Valina

Val (V)

LeucinaLeu (L)

IsoleucinaIle (I)

ProlinaPro (P)

MetioninaMet (M)

Apolares (hidrofóbicos), grupo R alifático


FenilalaninaPhe (F)

TriptofanoTrp (W)

TirosinaTyr (Y)

Grupo R aromático

Cisteína

Cys (C)Treonina

Thr (T)

Serina

Ser (S)

Glutamina

Gln (Q)

Asparagina

Asn (N)

Polares (hidrofílicos) sem carga


Arginina Arg (R) Lisina

Lys (K)

HistidinaHis (H)

Grupo R carregado positivamente

Arginina Arg (R) Lisina

Lys (K)

HistidinaHis (H)

Grupo R carregado positivamente


7 Proteínas

As proteínas estão envolvidas em praticamente todos os processos químicos dos organismos

vivos. Sua significância é evidente, visto que, como enzimas digerem as reações químicas nas

células vivas. Sem a catálise enzimática, as macromoléculas envolvidas não reagiriam

espontaneamente. Todas as enzimas são produtos de um ou mais genes. As proteínas também

servem para transportar pequenas moléculas, íons ou metais. Elas exercem importantes

funções na divisão celular, durante o crescimento, e na diferenciação das células e tecidos.

Controlam a coordenação de movimentos por meia da regulação das células musculares e da

produção e da transmissão de impulsos dentro das células nervosas e entre elas. As proteínas

controlam a homeostase (coagulação sanguínea) e a defesa imune. Realizam, ainda, funções

mecânicas na pele, nos ossos, nos vasos sanguíneos e em outras áreas.

A – Ligações peptídicas

As unidades essenciais das proteínas, os aminoácidos, podem ser mantidas juntas facilmente

devido à sua ionização dipolar (zwitteríons). O grupo carboxila de um aminoácido liga-se ao

grupo amino do adjacente (uma ligação peptídica, às vezes também referida como ligação

amídica). Quando muitos aminoácidos são unidos por ligações peptídicas, forma-se uma

cadeia polipeptídica. Cada cadeia polipeptídica tem um sentido definido, determinado pelo

grupo amino (-NH2) em uma extremidade e pelo grupo carboxila (-COOH) na outra. Por

convenção, o grupo amino representa o inicio, e o grupo carboxila, o término da cadeia

polipeptídica.

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.

Aminoácido 1 Aminoácido 2 Formação de um peptídeo

Ligação peptídica


Níveis de organização das proteínas

B – Estrutura secundária de proteínas

A estrutura secundária descreve as estruturas regulares bidimensionais formadas por

segmentos da cadeia polipeptídica. Quando ocorre o enrolamento da cadeia ao redor de um

eixo chamamos de α-hélice. Quando ocorre interação lateral de segmentos de uma cadeia

polipeptídica chamamos de folha – β.

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

Estrutura Primária Estrutura

Quaternária

Estrutura Terciária

Estrutura Secundária

Cadeia polipeptídicaResíduos de aminoácidos

α -hélice

Subunidades protéicas


Um conjunto de estruturas secundárias fornece domínios proteicos. Esses domínios são

responsáveis pela formação da estrutura tridimensional das proteínas.

Principais funções das proteínas

– Estrutural e dinâmica: colágeno e elastina

– Transporte de moléculas: hemoglobina e mioglobina

– Mecanismos de defesa: imunoglobulinas

– Controle global do metabolismo: insulina

– Mecanismos contrateis: actina e miosina

8 Enzimas

Definição: catalisadores de reações bioquímicas

As enzimas aumentam várias ordens de grandeza a velocidade das reações diminuindo a

energia de ativação. Algumas reações celulares que têm como catalisadores moléculas

especiais de RNA que são chamadas de Ribozima.

Estrutura

secundária

Polipeptídeo

de domínio

único

Molécula proteica

formada por dois

diferentes domínios

folha – β

α-hélice


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=O-

1.4.atuando em CH-NH2

1.5.atuando em CH-NH-

1.6.atuando em NADH, NADPH

Reagente

produto

Ener

gia

tota

l

Ener

gia

tota

l

Caminho da reação não catalisada

Caminho da reação catalisada por uma

enzima

Reagente

produto

Energia de ativação para a reação Y → X

A enzima diminui a

energia de ativação para a reação Y → X


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=N-

5.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 pré-

existentes, 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.


Cofatores enzimáticos e coenzimas

Cofatores são pequenas moléculas orgânicas ou inorgânicas que podem ser necessárias para a

função de uma enzima. Estes cofatores não estão ligados permanentemente à molécula da

enzima, mas na ausência deles, a enzima é inativa. A fração proteica de uma enzima, na

ausência do seu cofator, é chamada de APOENZIMA. Chamamos de HOLOENZIMA enzimas

ligada ao cofator.

Coenzimas são compostos orgânicos, quase sempre derivados de vitaminas, que atuam em

conjunto com as enzimas. Podem atuar segundo 3 modelos:

• Ligando-se à enzima com afinidade semelhante à do substrato

• Ligando-se covalentemente em local próximo ou no próprio sítio catalítico da

apoenzima

• Atuando de maneira intermediária aos dois extremos acima citados.

Especificidade

As enzimas são muito específicas para os seus substratos. Esta especificidade pode ser

relativa a apenas um substrato ou a vários substratos ao mesmo tempo. Esta

especificidade se deve à existência, na superfície da enzima de um local denominado SÍTIO

DE LIGAÇÃO DO SUBSTRATO. O sítio de ligação do substrato de uma enzima é dado por um

arranjo tridimensional especial dos aminoácidos de uma determinada região da molécula,

geralmente complementar à molécula do substrato, e ideal espacial e eletricamente para a

ligação do mesmo. O sítio de ligação do substrato é capaz de reconhecer inclusive

isômeros óticos "D" e "L" de um mesmo composto. Neste sítio de ligação encontramos o

local onde ocorre a reação enzimática, chamado SÍTIO CATALÍTICO ou SÍTIO ATIVO.

Alguns modelos procuram explicar a especificidade substrato/enzima:

• Modelo Chave/Fechadura : Prevê um encaixe perfeito do substrato no sítio de

ligação, que seria rígido como uma fechadura.

• Modelo do Ajuste Induzido: Prevê um sítio de ligação não totalmente pré-formado,

mas sim moldável à molécula do substrato; a enzima se ajustaria à molécula do

substrato na sua presença.

• Evidências experimentais sugerem um terceiro modelo que combina o ajuste

induzido a uma "torção" da molécula do substrato, que o "ativaria" e o prepararia para

a sua transformação em produto.


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:


Esta equação pode ser expressa graficamente, e representa o efeito da concentração de

substrato sobre a velocidade de reação enzimática.

O KM de um substrato para uma enzima específica é característico, e nos fornece um

parâmetro de especificidade deste substrato em relação à enzima. Quanto menor o KM, maior

a especificidade, e vice-versa.

Principais Fatores que Influenciam na Velocidade de uma Reação Enzimática

1. Temperatura : Quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação, até se atingir

a TEMPERATURA ÓTIMA; a partir dela, a atividade volta a diminuir, por desnaturação da

molécula.

2. pH : Idem à temperatura; existe um pH ÓTIMO, onde a distribuição de cargas elétricas da

molécula da enzima e, em especial do sítio catalítico, é ideal para a catálise.

3. [E], [S] e presença de inibidores.

Inibição Enzimática

Os inibidores enzimáticos são compostos que podem diminuir a atividade de uma enzima. A

inibição enzimática pode ser reversível ou irreversível. Resumimos em dois tipos o modo de

inibição enzimática reversível:

1. Inibição Enzimática Reversível Competitiva:

Ocorre quando o inibidor se liga reversivelmente ao mesmo sítio de ligação do substrato. Esse

efeito é revertido aumentando-se a concentração de substrato. Este tipo de inibição depende

das concentrações de substrato e de inibidor.


2. Inibição Enzimática Reversível Não-Competitiva:

Ocorre quando o inibidor liga-se reversivelmente à enzima em um sítio diferente do substrato.

Sendo assim, a enzima pode estar ligada ao substrato ao mesmo tempo. Este tipo de inibição

depende apenas da concentração do inibidor.

Na inibição enzimática irreversível, há modificação covalente e definitiva no sítio de ligação ou

no sítio catalítico da enzima.

apostila de estudo para bioquímica

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