bioquimica e quimica organica

A Bioqumica e a Qumica Orgnica Rui Fontes e Nuno Alada

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A Bioqumica e a Qumica Orgnica

Sendo a Bioqumica um ramo interdisciplinar da cincia que utiliza princpios e mtodos da Qumica na investigao da composio e das transformaes que ocorrem nos seres vivos, compreende-se que algumas noes de Qumica Orgnica (estudo da composio qumica, das propriedades e reaces de compostos que contm cadeias de carbono) sejam imprescindveis para o trabalho em Bioqumica. Com o texto que a seguir se apresenta pretende-se rever algumas noes de Qumica Orgnica de importncia fundamental para o estudo da Bioqumica.

ndice

1. Os hidrocarbonetos alifticos saturados e insaturados (isomeria cis-trans) .............................................................. 1 2. Os hidrocarbonetos aromticos ................................................................................................................................. 3 3. Os lcoois e os teres. ............................................................................................................................................... 4 4. Os grupos que contm enxofre: os tiis, os sulfuretos e os dissulfuretos.................................................................. 5 5. Os aldedos e as cetonas............................................................................................................................................ 6 6. Os semiacetais e os acetais........................................................................................................................................ 7 7. Os cidos carboxlicos, os steres, as lactonas e os tiosteres................................................................................... 9 8. Os grupos fosfato, sulfato e as ligaes fosfoster, fosfodister e sulfoster .......................................................... 12 9. Os anidridos e os fosfoanidridos ............................................................................................................................. 14 10. Os grupos azotados: as aminas, as amidas, o grupo guanidina e os sais de amnio substitudo ............................. 14 11. Os heterociclos ........................................................................................................................................................ 18 12. A isomeria ptica (ou quiral) .................................................................................................................................. 19

1. Os hidrocarbonetos alifticos saturados e insaturados (isomeria cis-trans) Os compostos orgnicos mais simples so os hidrocarbonetos: os hidrocarbonetos so constitudos

apenas por carbono e hidrognio. O hidrocarboneto mais simples o metano (CH4; ver Fig. 1): a sua molcula contm um nico tomo

de carbono ligado a 4 tomos de hidrognio. O etano (CH3CH3), o propano (CH3CH2CH3), o butano (CH3CH2CH2CH3), o pentano (CH3CH2CH2CH2CH3) e o hexano (CH3CH2CH2CH2CH2CH3) tambm so hidrocarbonetos. Nestes casos, os compostos so constitudos por cadeias alifticas (no aromticas; ver Captulo 2) saturadas (s ligaes simples) e tm o nome colectivo de alcanos. Os alcanos acima referidos so todos no ramificados mas quando tm mais de 3 carbonos podem ser ramificados: um tomo de carbono pode ligar-se a 3 (ou 4) tomos de carbono.

Fig. 1: Modelos tridimensionais e representaes do metano, de uma cadeia aliftica linear saturada com 14 carbonos e de duas insaturadas tambm com 14 carbonos (em baixo). Uma destas um ismero trans ( esquerda) e outra cis ( direita).


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As cadeias alifticas saturadas podem ser cclicas como no caso do ciclopentano, cuja frmula molecular C5H10; no ciclopentano cada tomo de carbono est ligado por ligaes simples a outros dois

carbonos e a dois hidrognios. (C

C

CC

C

H

H

H H

H

H

HH

HH

)

Quando, num hidrocarboneto, h uma ou mais ligaes duplas (ligando tomos de carbono) os compostos em questo dizem-se alcenos: so exemplos o eteno ( CH2 CH2), o propeno ( CH2 CH CH3), o 1-buteno ( CH2 CH CH2CH3), o 1-penteno ( CH2 CH CH2CH2CH3) e o 1-hexeno ( CH2 CH CH2CH2CH2CH3). (Nos alcenos, os carbonos so numerados de forma a que os carbonos que contm duplas ligaes tenham o nmero mais baixo possvel). Nestes casos as cadeias dizem-se insaturadas porque podem, aceitando tomos de hidrognio (ou seja, sofrendo reduo), converter-se em alcanos.

Na Fig. 2 representam-se as frmulas estruturais do eteno e de dois ismeros1 do 2-buteno. De notar que o 2-buteno pode ser descrito como um eteno em que dois dos hidrognios (um em cada carbono) foram substitudos por grupos metilo (-CH3). Ao contrrio do que acontece nas ligaes simples, quando h ligaes duplas deixa de haver rotao em torno das ligaes: assim os compostos 2-cis-buteno e 2-trans-buteno so compostos distintos (so um par de ismeros cis-trans; ver Fig. 2). Na Fig. 2, o buteno da esquerda diz-se cis porque ambos os substituintes do hidrognio (neste caso, os metilos) esto voltados para o mesmo lado; o da direita diz-se trans porque os substituintes do hidrognio esto voltados para lados opostos. Dois ismeros cis-trans diferem entre si nas posies dos tomos relativamente a um plano especfico que contm os tomos considerados em posies rgidas. Para este tipo de isomeria devem existir, pelo menos, dois tomos (ou grupos de tomos) iguais de cada lado da ligao dupla2 no caso dos isobutenos em anlise existem dois pares iguais (um H e um CH3 de cada lado da ligao dupla).

C1

C2

H

H

H

H

C3

C2

CH31

H

CH34

H

C3

C2

CH31

H CH34

H Fig. 2: Modelos tridimensionais e frmulas estruturais do eteno, do 2-cis-buteno e do 2-trans-buteno. Na linha de baixo e direita est representado o 2-trans-buteno numa maneira que muito comum em Qumica Orgnica e em Bioqumica: foram omitidos os hidrognios e as suas ligaes; os carbonos esto representados como os extremos das linhas que representam ligaes simples ou duplas.

Nos alcanos no ramificados cada tomo de carbono est ligado por ligaes simples a hidrognios e (exceptuando o caso do metano) a, pelo menos, um tomo de carbono. Se considerarmos um qualquer tomo de carbono como estando no centro de um tetraedro, os outros tomos a ele ligados ocupam os vrtices do tetraedro: os ngulos entre as diferentes ligaes so, em todos os casos, de 109,5 (ver Fig. 1). Por isso comum representar-se uma cadeia aliftica que s contm ligaes simples como uma linha quebrada como a mostrada na Fig. 1. Quando h ligaes duplas, os trs tomos ligados ao carbono que contm a ligao dupla esto no mesmo plano e os ngulos entre as 3 ligaes (a dupla e as duas simples) so de 120. Os ismeros de tipo cis ( direita e em baixo na Fig. 1) so estruturalmente muito diferentes dos alcanos que tm

1 Ismeros so compostos que, tendo a mesma frmula molecular, no tm a mesma estrutura. Por exemplo, o n-butano (cadeia aliftica linear saturada com 4 carbonos) um ismero (ismero de cadeia) do isobutano (ou 2-metilpropano; propano com um grupo metilo no carbono 2). Em ambos os casos a frmula molecular C4H10. 2 Quando tal no ocorre pode usar-se outra nomenclatura (Z-E) que ignorada no presente texto.


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o mesmo nmero de carbonos; pelo contrrio, no caso dos ismeros trans ( esquerda e em baixo na Fig. 1) a diferena estrutural relativamente aos hidrocarbonetos saturados correspondentes no to marcada.

Os grupos qumicos derivados dos alcanos por perda de um tomo de hidrognio chamam-se, genericamente, grupos alquilo (-CnHn*2+1). O grupo metilo (-CH3) o grupo alquilo mais simples. O grupo qumico derivado do eteno designa-se de vinilo ( CH2CH ).

O isopreno um hidrocarboneto ramificado no saturado com cinco carbonos ( um butadieno metilado no carbono 2; ver Fig. 3). Muitos compostos de origem animal e vegetal contm na sua constituio polmeros do isopreno (terpenos) ou de unidades isopreno que foram reduzidas, no contendo, por isso, duplas ligaes. So exemplos de compostos que contm unidades isopreno ou os seus derivados saturados a vitamina A, os carotenides, a vitamina K, a vitamina E, a ubiquinona e os precursores do colesterol. Unidades repetidas de isoprenos so tambm encontradas ligadas a muitas protenas membranares (denominadas de protenas preniladas). A presena de polmeros do isopreno confere propriedades hidrofbicas s substncias que os contm.

OH

CH3

CH3CH3 CH3 CH3

CH2CH2

CH3

O

H3CO

CH3H3CO

O

H

CH36-10

CH2

CCH

CH2

CH3

Fig. 3: Estruturas do isopreno (a unidade isoprenide que habitualmente aparece repetida) e de substncias que contm polmeros de isopreno (terpenos): uma forma de vitamina A, o retinol e a ubiquinona.

2. Os hidrocarbonetos aromticos O hidrocarboneto aromtico mais simples o benzeno (ver Fig. 4): tem 6 tomos de carbono e 3

duplas ligaes conjugadas (intervaladas de ligaes simples). Por razes que tm que ver com a forma de partilha dos electres das ligaes duplas do benzeno (e doutras estruturas aromticas) costume representar-se o benzeno como um hexgono que tem inscrita uma circunferncia (ver Fig. 4). O grupo qumico correspondente ao benzeno o grupo fenilo. Na Fig. 4 mostram-se as estruturas de dois aminocidos: direita, a da alanina e ao seu lado esquerdo a da fenilalanina. A fenilalanina pode ser entendida como a alanina em que um dos hidrognios do carbono 3 foi substitudo por um grupo fenilo.

Fig. 4: Trs formas frequentes de representar o benzeno ( esquerda) e estruturas dos aminocidos fenilalanina e alanina.

Um outro composto aromtico , por exemplo, o fenantreno (ver Fig. 5). Na Fig. 5, para alm da estrutura do fenantreno, est tambm representada a estrutura do colesterol. As estruturas dos compostos com relevncia biolgica so, muitas vezes, complexas e, por isso, frequente no se usarem as regras da nomenclatura sistemtica nem na sua nomeao nem na numerao dos seus carbonos. O colesterol, por exemplo, normalmente descrito como sendo constitudo por um ncleo de ciclopentanoperhidrofenantreno contendo um grupo hidroxilo no carbono 3, uma ligao dupla no carbono 5 (quer dizer, entre o 5 e o 6), dois grupos metilo (carbonos 18 e 19) ligados nos carbonos 13 e 10 e uma cadeia aliftica ramificada com 8 carbonos (grupo alquilo) ligada no carbono 17. A designao do ncleo ciclopentanoperhidrofenantreno resulta do facto de este ncleo poder ser entendido como um ciclopentano ligado a um fenantreno saturado (perhidrofenantreno). Para alm do colesterol, existem muitos outros compostos que esto presentes nos seres vivos e que contm o ncleo ciclopentanoperhidrofenantreno. Tal como no caso do colesterol o ncleo pode estar parcialmente insaturado e a denominao genrica destes compostos a de esterides. Quando os esterides possuem pelo menos um grupo hidroxilo (como tambm acontece com o colesterol) denominam-se esteris.


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13

149

810

1712

11

15

16

75 6

CH20CH3

18

CH319

1

CH223

CH222

4

CH321

CH224

2

3

CH25

CH327

CH326

OH Fig. 5: Ao lado esquerdo est representado o fenantreno e, ao lado direito, a estrutura de uma substncia muito importante em Bioqumica: o colesterol.

3. Os lcoois e os teres. O colesterol (ver Fig. 5) um lcool porque tem um grupo hidroxilo (-OH) no carbono 3. Os lcoois

so compostos orgnicos com um ou mais grupos hidroxilo. Os lcoois mais simples so o metanol (um carbono) e o etanol (dois carbonos; ver Fig. 6). Como norma, quando um lcool tem apenas um grupo hidroxilo os carbonos so numerados de tal forma que o carbono ligado ao grupo hidroxilo tenha o nmero mais baixo possvel. No caso do etanol, por exemplo, o carbono 1 o que est ligado ao hidroxilo e o carbono 2 do grupo metilo.

C OH

H

H H

C OC

H

H H

H

H

O

H

C OC

H

H H

H

H

H

Fig. 6: Modelos tridimensionais e frmulas estruturais do metanol, do etanol e do etilenoglicol.

O etilenoglicol (ou 1,2-etanodiol) o polilcool mais simples (ver Fig. 6). Um dos polilcoois com maior importncia em Bioqumica o glicerol (1,2,3-propanotriol): contm 3 carbonos e 3 grupos hidroxilo sendo que dois deles so primrios (os das extremidades) e o outro secundrio (ver Fig. 7). Outros polilcoois com alguma importncia em Bioqumica so o inositol e o sorbitol (ver Fig. 7).


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Fig. 7: Frmulas estruturais do glicerol, do inositol e do sorbitol. O glicerol um polilcool com 3 grupos hidroxilo. Os grupos hidroxilo das extremidades dizem-se primrios porque o carbono a que esto ligados contm apenas uma ligao C-C. O grupo hidroxilo do carbono 2 diz-se secundrio porque o carbono a que est ligado contm duas ligaes C-C. A estrutura do inositol pode ser descrita como um ciclo-hexano em que cada um dos 6 carbonos est ligado a um grupo hidroxilo (todos secundrios). O sorbitol tambm um polilcool com 6 carbonos mas a sua estrutura linear: 2 dos grupos hidroxilo so primrios e 4 so secundrios.

Quando duas molculas de um lcool reagem entre si com libertao de uma molcula de gua forma-se um ter (ver Fig. 8). Um ter pode ser descrito como contendo a estrutura R-O-R, sendo R e R grupos alquilo (ou fenilo). Os epxidos so teres intramoleculares: ou seja, o tomo de oxignio um dos tomos de um anel em que os restantes tomos so carbonos; eventualmente, pode haver mais que uma ligao epxido no mesmo anel e nestes casos haver mais de um tomo de oxignio no anel. Um exemplo o 2,3-epoxiesqualeno, um composto que se forma durante a sntese endgena do colesterol (ver Fig. 8).

C OC

H

H H

H

H

H C OC

H

H

H

H

H C C

H

H

H

H

H

OH2

OH2

2

O Fig. 8: Reaco de desidratao do etanol com formao do ter dietlico ( esquerda) e frmula estrutural do 2,3-epoxiesqualeno ( direita). O 2,3-epoxiesqualeno contm um grupo epxido (ter intramolecular) e forma-se durante a sntese do colesterol.

4. Os grupos que contm enxofre: os tiis, os sulfuretos e os dissulfuretos Algumas substncias importantes em biologia tm grupos tiol (-SH) que podem ser entendidos como

grupos hidroxilo em que o oxignio foi substitudo por enxofre (da a denominao tio tiol ou tioalcool). Dois exemplos so a coenzima A (CoA) e o aminocido cistena (ver Fig. 9). Frequentemente, para pr em evidncia a existncia de um grupo tiol na molcula da coenzima A, escreve-se: CoASH.

Quando o hidrognio de um grupo tiol est substitudo por um grupo alquilo estamos em presena de um sulfureto orgnico: o caso do aminocido (ou cido aminado) metionina que contm um metilo ligado por uma ligao sulfureto (R-S-R) restante molcula (ver Fig. 9).

Duas molculas de cistena podem reagir entre si formando uma de cistina (ver Fig. 9): o processo envolve uma oxidao formando-se uma ligao dissulfureto (R-S-S-R). Nalgumas protenas existem ligaes dissulfureto dentro da mesma cadeia aminoacdica ou ligando cadeias aminoacdicas distintas: estas ligaes dissulfureto resultam da oxidao (e ligao) catalisada enzimicamente de dois resduos de cistena e ocorre aps a traduo. O mesmo acontece no caso do glutatio, um peptdeo que contm um resduo de cistena.


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COO-

C HNH3+

CH2

CH2

S

CH3

COO-

C HNH3+

CH2

SH

COO-

C NH3+

H

CH2

S

COO-

C HNH3+

CH2

S

CC C C

O

NN

O

OH

CH3

CH2

CH3

O

O-

O

O P

O-

O

O P

O

H

N

H

OH

H

O

CH2

H

O

O-

O-

P

N

NN

NH2

SH

HH

H Fig. 9: Por ordem esto representadas a coenzima A e os aminocidos cistena, metionina e cistina. Os dois primeiros contm grupos tiol. O aminocido metionina contm um grupo sulfureto em que um tomo de enxofre serve de ponte entre um grupo metilo e a restante molcula. A cistina formada pela ligao e oxidao (perda de dois electres e dois protes, ou seja, perda de H2) simultnea de duas cistenas e contm um grupo dissulfureto.

5. Os aldedos e as cetonas Quando um grupo hidroxilo primrio oxidado (ver Fig. 10) perdendo dois electres (e dois protes,

ou seja, dois tomos de hidrognio) d origem a um grupo aldedo (-CHO ou CH

O). No caso de ser um

grupo hidroxilo secundrio forma-se uma cetona ( C O ). Um dos aldedos mais simples3 o etanal

(tambm chamado de acetaldedo ou aldedo actico; CH3CHO), um composto que se forma no organismo durante a oxidao do etanol da dieta (ver Fig. 10). A cetona mais simples a acetona (CH3COCH3; ver Fig. 10). Os grupos aldedo e cetnicos so colectivamente designados de grupos carbonilo.

C CC

O H

H

H

H

H

HC OC

H

H H

H

H

H C

O

C

H

H

H

HNAD

+NADH + H

+

Fig. 10: A oxidao do etanol pelo NAD+ (que o oxidante) leva formao do etanal (ou acetaldedo) que contm um grupo aldedo (lado esquerdo). A acetona (lado direito) contm um grupo cetnico.

Os monossacardeos (tambm designados de oses) so, frequentemente, definidos como derivados aldedicos ou cetnicos de polilcoois. Na Fig. 11 mostra-se a estrutura de diferentes oses. O gliceraldedo (uma triose), a eritrose (uma tetrose), a ribose (uma pentose) e a glicose (uma hexose) so aldoses porque contm um grupo aldedo; a di-hidroxiacetona (triose) e a frutose (hexose) so cetoses porque contm um grupo cetnico. No caso das aldoses o carbono 1 o que contm o grupo aldedo. No caso das cetoses naturais o grupo cetona est sempre no carbono 2.

A di-hidroxiacetona e o gliceraldedo tm a mesma frmula molecular (C3H6O3) mas as suas estruturas moleculares so diferentes so ismeros (ver Fig. 11). No ser por isso de estranhar que, baseando-se a interaco das molculas nos seres vivos (nomeadamente a ligao especfica a enzimas ou a receptores de membrana) na complementaridade estrutural, a di-hidroxiacetona e o gliceraldedo sejam reconhecidos como substncias diferentes pelos seres vivos. Neste caso, porque a diferena se deve diferente posio que um grupo carbonilo e um grupo hidroxilo ocupam na estrutura molecular, o gliceraldedo e a di-hidroxiacetona

3 O aldedo mais simples o metanal (CH2O) tambm designado de formol (ou formaldedo), um conservante usado para preservar cadveres ou material biolgico obtido por biopsia em estudos de Anatomia, Histologia e Anatomopatologia.


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dizem-se ismeros de posio. Tambm so exemplos de ismeros de posio a glicose e a frutose (ver Fig. 11).

C

C

C

C

OH H

H OH

H OH

C

C

OH

H

H

OH

H

H

O

C

C

C

C

C

C

H OH

OH H

H OH

H OH

H O

OH

H

H

C

C

C

C

H OH

H OH

H O

OH

H

H

C

C

C

C

C

H OH

H OH

H OH

H O

OH

H

H

C

C

C

HO

OH

H OH

H

H

C

C

C

H

OH

O

H OH

H

H

Fig. 11: Estrutura de diferentes monossacardeos (ou oses). Por ordem esto representados o gliceraldedo, a di-hidroxiacetona, a eritrose, a ribose, a glicose e a frutose. A di-hidroxiacetona e a frutose so cetoses enquanto as restantes so aldoses. O gliceraldedo e a di-hidroxiacetona assim como a glicose e a frutose so ismeros de posio.

6. Os semiacetais e os acetais Os monossacardeos (ou oses) com nmero de carbonos superior a 4 so mais estveis quando formam

estruturas cclicas que nas formas lineares representadas na Fig. 11. O processo de ciclizao envolve um rearranjo molecular em que o grupo carbonilo reage com um grupo hidroxilo formando-se uma ligao semiacetal (ver Fig. 12). Um semiacetal facilmente identificado tendo em conta que temos um carbono com um grupo hidroxilo ligado a outro carbono atravs de um tomo de oxignio (ver Fig. 12 e Fig. 13).

C R1OH

H

H

C

H

O

H

R1C

H

O

R

H

C

O

R

H

+

Fig. 12: Representao esquemtica da formao de uma ligao semiacetal. Os oxignios e o hidrognio envolvidos no processo esto representados a cores para se perceberem melhor as modificaes estruturais ocorridas durante o processo. R e R1 representam o resto da molcula.

Na Fig. 13 mostra-se como pode ser compreendido o processo de ciclizao da glicose. O carbono 1

da glicose, que na forma linear contm o grupo aldedo, na forma cclica contm um grupo hidroxilo ligado atravs de um tomo de oxignio a um outro tomo de carbono (mais frequentemente o carbono 5). O carbono que constitui o grupo carbonilo nas formas lineares das oses (o 1, no caso das aldoses, ou o 2, no caso das cetoses) passa a designar-se de carbono anomrico quando falamos das estruturas cclicas (o carbono ligado a dois tomos de oxignio no semiacetal).

C1

C2

C3

C4

C5

CH2OH6

H OH

OH H

H OH

H OH

H O

O

C1

C2

C3

C4

C5

CH2OH6

H OH

OH H

H OH

H

H OH

5 O

1

23

4

O

H

H

H

OH

OH

H OH

H

6

OH

H

Fig. 13: A glicose na sua representao linear de acordo com a conveno de Fischer ( esquerda; ver Captulo 12). A mesma glicose representada na forma cclica de acordo com a conveno de Fischer modificada (no centro) e na forma como habitualmente representada nos livros de texto de Bioqumica (conveno de Haworth; direita). A formao da forma cclica envolve a formao de um semiacetal. O carbono que, na forma linear, constitui o grupo carbonilo chama-se, na forma cclica, carbono anomrico.


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Os acetais podem ser compreendidos como resultando da reaco entre um semiacetal e um lcool

com perda de gua4 (ver Fig. 14; podemos entender os acetais como estruturas do tipo R1-O-CHR2-O-R3).

C

H

O

H

R1 C

H

OH

R2

O

C

HH

R3H

OH2

C

H

O

H

R1 C

H

O

R2

C

HH

R3

Fig. 14: Uma ligao acetal pode ser entendida (ver nota de rodap n 4) como resultando da ligao entre um grupo semiacetal e um grupo hidroxilo com perda de H2O.

Os dissacardeos (como a maltose; ver Fig. 15) so formados por dois resduos5 de oses (no caso da maltose por dois resduos de glicose). No caso dos dissacardeos, o tomo de carbono ligado a dois tomos de oxignio o carbono anomrico da ose que contribuiu para a ligao acetal com o grupo semiacetal. No contexto do estudo dos glicdeos, a ligao acetal tambm se designa de glicosdica de tipo O. Nas ligaes glicosdicas de tipo O existe um tomo de oxignio a ligar o carbono anomrico de uma ose com um outro resduo; no caso da maltose este outro resduo tambm um resduo de glicose (ver Fig. 15). Como estudaremos frente, as ligaes glicosdicas de tipo O, envolvendo sempre o carbono anomrico de uma ose, podem ligar esta ose a um grupo fosfato (ver Captulo 8). As ligaes glicosdicas tambm podem ser de tipo N e o seu estudo ser feito no Captulo 10. As relaes entre as ligaes glicosdicas e a isomeria ptica dos glicdeos sero sumariamente abordadas no Captulo 12.

As ligaes glicosdicas podem sofrer hidrlise (rotura por reaco com a gua) libertando como produtos a ose que contribua com o semiacetal para a ligao e a outra substncia a ela ligada. No caso da hidrlise da maltose geram-se, como produtos, glicose + glicose (a reaco inversa da indicada na Fig. 15).

O

OH

HH

OH

OH

H OH

H

OH

H

O

OH

HH

H

OHOH

H OH

H

OH

O

OH

HH

H

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

OH2

Fig. 15: Representao esquemtica (no real; ver nota de rodap n 4) da formao da maltose. Quando um monossacardeo se liga a outro envolvendo na ligao o carbono anomrico do primeiro, os dois resduos ficam, no dissacardeo resultante, ligados por uma ligao acetal. Esta ligao , em Bioqumica, designada como ligao glicosdica de tipo O.

4 De facto, a reaco de formao de acetais com perda de gua , termodinamicamente, muito desfavorecida e o que termodinamicamente possvel nas condies habituais nos seres vivos a reaco inversa: a hidrlise do grupo acetal. Uma situao semelhante acontece nos casos das ligaes ster, tioster, anidrido, amina e amida que sero tratadas noutros Captulos deste texto. 5Quando se fala de polmeros as partes constituintes dizem-se resduos. Por exemplo, a maltose constituda por dois resduos de glicose, uma protena constituda por resduos de aminocidos, etc.


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7. Os cidos carboxlicos, os steres, as lactonas e os tiosteres

A oxidao de grupos aldedo origina grupos carboxilo (-COOH ou CO

OH

). As substncias com

grupos carboxilo so cidos fracos e a libertao do proto origina a base (ou sal6) correspondente. O cido carboxlico mais simples o cido frmico (HCOOH). Outros cidos monocarboxlicos (s com um grupo carboxlico) com relevncia biolgica e que contm cadeias alifticas saturadas lineares so o actico (CH3COOH), o propinico (CH3CH2COOH), o butrico (CH3CH2CH2COOH), o mirstico (CH3(CH2)12COOH), o palmtico (CH3(CH2)14COOH) e o esterico (CH3(CH2)16COOH). As formas ionizadas (as bases ou sais respectivos) designam-se, respectivamente, como formato, acetato, propionato, butirato, miristato, palmitato e estearato.

Em Bioqumica, usam-se frequentemente as expresses que designam as formas salinas para incluir colectivamente as formas cidas no ionizadas e as formas ionizadas (as formas com o proto desligado).

Assim, tambm comum usar a expresso grupo carboxilato (-COO- ou ) quer para designar o grupo

carboxlico ionizado quer as duas formas (ionizada e no ionizada) no seu conjunto. Este facto no de estranhar j que, tendo em conta o pKa dos cidos carboxlicos (cerca de 3 a 5) e o pH das clulas e do meio extracelular (prximo de 7), a maioria das molculas dos cidos carboxlicos encontra-se, no meio interno, desligada do proto7. No entanto, tambm no infrequente usar, por exemplo, a expresso cidos gordos para incluir colectivamente os cidos gordos e os respectivos sais. S o contexto poder indicar-nos se a expresso palmitato se refere ao conjunto cido palmtico+palmitato (a esmagadora maioria das vezes) ou ao sal dissociado do proto (quando se discutem reaces cido-base). Tambm s o contexto nos permitir distinguir se, por exemplo, as expresses grupo carboxlico e cido palmtico se referem ao conjunto das formas dissociadas e no dissociadas ou s formas cidas no dissociadas do proto. Ao contrrio do que acontece na maioria das reaces que ocorrem nos seres vivos as reaces de protlise e de ligao a protes (reaces cido-base) no so catalisadas enzimicamente mas so muito rpidas e as formas cidas e bsicas encontram-se em equilbrio dinmico.

Com a excepo do cido frmico, todos os cidos (e respectivos sais) referidos no primeiro pargrafo deste Captulo podem ser entendidos como uma cadeia aliftica no ramificada ligada a um grupo carboxlico por uma ligao C-C simples (ver Fig. 16). Os cidos gordos tm uma enorme importncia em biologia e so assim designados porque a cadeia aliftica hidrofbica. O grupo carboxlico (ou carboxilato) , pelo contrrio, hidroflico o que confere propriedades anfipticas8 a estes cidos. Quando a cadeia aliftica muito curta (como no cido actico e no propinico) o adjectivo gordo poder ser considerado, em termos estritos, inadequado mas no infrequente incluir estes cidos no conjunto dos cidos gordos.

12

34

56

78

910

1112

1314

15 CH316

O

O-

234 156 Fig. 16: A estrutura do palmitato mostrando o grupo carboxilato ligado a uma cadeia aliftica linear saturada com 15 carbonos. Mais frequentemente os carbonos so numerados de tal maneira que o carbono do grupo carboxlico o 1. Uma forma tambm frequente designar por (alfa) o carbono da cadeia aliftica que se liga directamente ao carbono do grupo carboxlico, por (beta) o seguinte e por (mega) o ltimo. No contexto do estudo dos cidos gordos insaturados frequente nomearem-se os carbonos por ordem inversa: neste caso o ltimo carbono ser o 1 e os seguintes, 2, 3, etc. Nos cidos gordos 3 a ltima dupla ligao entre os carbonos 3 e 4; nos 6 a ltima dupla ligao entre os carbonos 6 e 7. 6 Embora a libertao do proto dos cidos carboxlicos origine bases, a sua afinidade para os protes pode, em muitos contextos, no ter relevncia sendo, por isso, frequentemente, designados de sais. frequente dizer-se que o palmitato , por exemplo, o sal resultante da protlise do cido palmtico: CH3(CH2)14COOH CH3(CH2)14COO- + H+. Os sais dos cidos gordos designam-se de sabes: o palmitato um sabo. 7 Quando um determinado cido AH que tem um pKa de valor X est num meio aquoso em que o pH X significa que metade das molculas do cido esto ionizadas (forma salina; A-) e metade esto no ionizadas (forma cida; AH): quando o pH do meio coincide com o pKa de um cido este encontra-se hemidissociado. Quando o pHpKa, a maioria das molculas encontra-se na forma ionizada (A-). 8 Dizem-se anfipticas as substncias que contm, simultaneamente, regies hidroflicas e regies hidrofbicas na sua estrutura molecular.


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Para alm dos cidos referidos acima tambm so cidos gordos com enorme importncia biolgica os

cidos gordos que contm duplas ligaes na cadeia aliftica. Na Fig. 17 mostra-se a estrutura de trs cidos gordos insaturados naturais. Na esmagadora maioria dos cidos gordos insaturados naturais os ismeros so de tipo cis de tal forma que a cadeia aliftica tem uma estrutura muito diferente da dos cidos gordos saturados (ver Fig. 17 e Fig. 1). Porque existe um maior nmero de ligaes intermoleculares (frequentemente designadas, em Bioqumica, de hidrofbicas) entre as diferentes molculas de um cido gordo saturado (devido a um empacotamento mais extenso) que as ligaes entre as estruturas mais desordenadas dos cidos gordos insaturados naturais, os cidos insaturados tm pontos de fuso mais baixos que os saturados com igual nmero de carbonos. Por exemplo, enquanto o cido esterico (18:0) um slido temperatura ambiente, o oleico (18:1;9) um lquido quando acima dos 7 C.

Fig. 17: O oleato, o linoleato e o -linolenato (de cima para baixo na figura) so os sais dos cidos oleico, linoleico e -linolnico. Todos tm 18 carbonos mas ao contrrio do cido esterico (18:0) que saturado, estes tm duplas ligaes (so insaturados). O cido oleico (18:1;9) tem uma dupla ligao no carbono 9 (ou, tambm se pode dizer, no 9). O cido linoleico (18:2;9,12) tem duas ligaes duplas, uma no carbono 9 e outra no 12 (ou nos carbonos 9 e 6). O cido -linolnico (18:3:9,12,15) tem trs duplas ligaes, nos carbonos 9, 12 e 15 (ou nos carbonos 9, 6 e 3).

Muitas substncias com enorme importncia biolgica contm grupos carboxlicos. Na Fig. 18 esto representados alguns destes compostos (ou, mais propriamente, os respectivos sais). Dois deles j foram referidos acima: o acetato (2:0) e o propionato (3:0). O lactato e o piruvato so produtos da gliclise. O acetoacetato uma substncia que se forma no fgado durante o jejum. O succinato, o fumarato, o malato, o oxalacetato, o -ceto-glutarato (ou -oxo-glutarato uma vez que, por vezes, em vez de ceto usa-se o termo oxo), o citrato e o isocitrato so intermedirios do ciclo de Krebs e o glutamato um aminocido que faz parte das protenas e um metabolito em variadas vias metablicas. De facto, como ser discutido no Captulo 10, todos os aminocidos contm, pelo menos, um grupo carboxlico.

COO-

CH2

CH2

COO-

COO-

C

C

COO-

H

H

COO-

C

CH2

OH H

COO-

COO-

C

CH2

COO-

O

COO-

C

CH2

CH2

O

COO-

COO-

C

CH2

CH2

H

COO-

NH3+

COO-

CH2

C

CH2

COO-OH

COO-

COO-

CH2

C

C

COO-H

HOH

COO-

COO-

CH3

COO-

C

CH3

HH

COO-

COH H

CH3

COO-

C O

CH3

COO-

CH OH

CH2OH

COO-

CH2

C O

CH3

Fig. 18: Estrutura de sais de cidos carboxlicos com grande importncia biolgica. Na linha de cima representam-se sais de cidos monocarboxlicos. Por ordem: acetato, propionato, lactato, piruvato, glicerato e acetoacetato. Na linha do meio esto quatro sais de cidos dicarboxlicos: succinato, fumarato, malato e oxalacetato. Na linha de baixo mais dois sais de cidos dicarboxlicos (-ceto-glutarato e glutamato) e dois sais de cidos tricarboxlicos (citrato e isocitrato). De notar que o citrato e isocitrato so ismeros de posio.


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Os steres podem ser entendidos como resultando da reaco entre um lcool e um cido com perda de

gua. Na Fig. 19 est representado o ster do cido palmtico com o colesterol (um colesterdeo) e na Fig. 20 o glicerol esterificado com trs estearatos (o triestearil-glicerol, que um triacilglicerol ou, tambm se pode dizer, um triglicerdeo). Quando a formao de uma ligao pode ser entendida como resultando da reaco de um tiol com um cido diz-se que estamos em presena de um tioster: na Fig. 21 est representada uma substncia que contm coenzima A e acetato ligados por uma ligao tioster: a acetil-coenzima A (acetil-CoA).

Ao contrrio dos grupos carboxilo que tm a capacidade de libertar protes (so cidos) os grupos ster e tioster so aprtidos, ou seja, no funcionam nem como cidos nem como bases.

CH3

O

OH

CH3

CH3

CH3

O

CH3

CH3

H

CH3

CH3

CH3

O

CH3

CH3

CH3

O

OH2

Fig. 19: Representao esquemtica (no real; ver nota de rodap n 4) da formao do palmitil-colesterol, um ster de colesterol (ou colesterdeo).

Fig. 20: Representao esquemtica (no real; ver nota de rodap n 4) da formao do triestearil-glicerol, um trister de glicerol com 3 estearatos. Os tristeres de glicerol designam-se, genericamente, de triacilgliceris (ou triglicerdeos).


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O

NN

O

OH

CH3CH3

O

O-

O

O P

O-

O

O P

O

H

N

H

OH

H

O

H

O

O-O

- P

N

NN

NH2

SH

HH

HO

NN

O

OH

CH3

CH3

O

O-

O

O P

O-O

O P

O

H

N

H

OH

H

O

H

O

O-O

- P

N

NN

NH2

S

HH

HC

CH3

O

C

CH3

OH O

OH2 Fig. 21: Representao esquemtica (no real; ver nota de rodap n 4) da formao do acetil-coenzima A, um tioster de acetato e coenzima A.

Os resduos correspondentes aos cidos carboxlicos nos steres e tiosteres chamam-se, genericamente, acilos. Um acil-colesterol e um acil-CoA so, respectivamente, steres de colesterol e CoA em que no se especifica a natureza do cido ligado ao lcool ou ao tiol. Uma situao semelhante acontece no caso dos triacilgliceris (tambm chamados de triglicerdeos). Quando se quer especificar o cido envolvido substitui-se a terminao -ico do cido (ou -ato do sal correspondente) por -il. Assim, por exemplo, diz-se acetil-CoA, propionil-CoA, 1-butiril-2-linolel-3-palmitil-glicerol (um triacilglicerol em que os resduos acilo derivam do butirato, do linoleato e do palmitato).

A hidrlise das ligaes ster (reaces inversas s representadas na Fig. 19 e na Fig. 20) gera como produtos os cidos e os lcoois; no caso das ligaes tioster os produtos so cidos e tiis (reaco inversa representada na Fig. 21).

Os grupos hidroxilo e os grupos carboxilo tm natureza polar e conferem molcula algum grau de hidrossolubilidade, mas quando se formam as ligaes steres esta natureza polar desaparece na quase totalidade: por isso os triacilgliceris e os steres de colesterol so muitssimo mais hidrofbicos que os cidos e os lcoois de onde derivam.

Na Fig. 22 est representado, esquerda, um cido carboxlico que deriva da glicose por oxidao do grupo aldedo: o cido glicnico. As lactonas so steres intramoleculares, resultando (pelo menos teoricamente) da reaco entre um grupo carboxlico e um grupo hidroxlico da mesma molcula. Na mesma Fig. 22 est representada, direita, a gliconolactona.

C

C

C

C

C

CH2OH

H OH

OH H

H OH

H O

OH O

H

O

OHH

H

OH

OH

H OH

CH2OH

OH2

Fig. 22: Representao esquemtica (no real; ver nota de rodap n 4) da formao da gliconolactona, um ster interno derivado do cido glicnico.

8. Os grupos fosfato, sulfato e as ligaes fosfoster, fosfodister e sulfoster O cido sulfrico (H2SO4) forma-se no metabolismo dos mamferos mas sendo um cido forte, existe,

no meio interno, na sua forma totalmente dissociada (salina), ou seja, na forma de sulfato (SO42-). Uma situao com algumas semelhanas acontece no caso do cido fosfrico (H3PO4) mas, neste caso, as formas predominantes no meio interno so as formas mono- e di-dissociadas (H2PO4- e HPO42-; o di- e o mono-hidrogenofosfato, respectivamente) que se designam, colectivamente, por fosfato inorgnico (Pi).

Nos sistemas biolgicos, existem muitos compostos orgnicos que esto ligados atravs dos seus grupos hidroxilo a grupos fosfato ou sulfato e essas ligaes so de tipo ster. Porque o cido envolvido na ligao o fosfrico ou o sulfrico, as ligaes designam-se de fosfoster ou de sulfoster, respectivamente. Na Fig. 23 esto representadas a glicose-6-fosfato (linha de cima) e a glicose-3-sulfato (linha de baixo) que


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contm, respectivamente, ligaes fosfoster e sulfoster tpicas. Na linha do meio da mesma Fig. 23 est representada a glicose-1-fosfato que, de acordo com a nomenclatura, contm uma ligao fosfoster; neste caso o grupo semiacetal da glicose que est ligado ao cido fosfrico e esta ligao, em Bioqumica, diz-se glicosdica de tipo O.

Na coenzima A (ver Fig. 9), um resduo de ribose liga-se por ligaes fosfoster a dois resduos de fosfato: um est ligado no carbono 3 e outro no carbono 5 da ribose. A ligao de um outro fosfato ao grupo hidroxilo do cido pantotnico (constituinte da coenzima A) tambm de tipo fosfoster (ver Fig. 9).

H OH

O

H

HH

H

OH

OH

OH

O

OHOH

O

POH

OH

OH

O

P

OH2

O

H

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

O

H

HH

H

OH

OH

H OH

O

OH

OH

OH

O

P

OH

OH

OH

O

P

OH2

O

H

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

OH2

OH

O

OH

O

S

O

HH

HH

OH

OH

H OH

OH

OH

O

H

HH

H

OH

O

H OH

OH

OH

OHO

OS

Fig. 23: Representao esquemtica (no real; ver nota de rodap n 4) da formao da glicose-6-fosfato (linha de cima), da glicose-1-fosfato (linha do meio) e da glicose-3-sulfato (linha de baixo). Os cidos fosfrico e sulfrico tambm se podem ligar a grupos hidroxilo formando ligaes ster que, nestes casos, se designam de fosfoster ou sulfoster, respectivamente. No caso da glicose-1-fosfato est envolvido o grupo semiacetal da glicose (o carbono anomrico) e a ligao glicosdica de tipo O. Ao contrrio do que est representado nesta figura, nos livros de Bioqumica representam-se as formas ionizadas do cido fosfrico e do cido sulfrico quer quando esto isolados quer quando esterificados.

Em alguns casos, como nos cidos nucleicos e nos fosfolipdeos, o cido fosfrico serve como ponte entre dois resduos que continham grupos hidroxilo e a ligao sempre de tipo fosfoster (ver Fig. 24). Nestes casos costume dizer-se que existe uma ligao fosfodister.

C COO-

H

NH3+

HOH2C

C

C

CH2

O

O

O

H

H

HO

O

CH3

CH3

O

O-

O

P C COO-

H

NH3+

CH2

O N

OHO

O

O-

O

O

P

O

O-

O PO N

OHO

O

O-

O P

N

NN

NH2

N

NH2

O

Fig. 24: Nos cidos nucleicos ( esquerda) cada grupo fosfato est ligado, simultaneamente, a dois resduos de ribose por duas ligaes ster e, por isso, costume designar-se esta ligao como fosfodister. Nos glicerofosfolipdeos (lipdeos contendo resduos de glicerol, de fosfato e de cidos gordos) acontece uma situao semelhante; por exemplo, na fosfatidilserina ( direita e em baixo) o fosfato liga-se aos resduos de glicerol e de serina ( direita e em cima) por ligaes fosfoster.


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9. Os anidridos e os fosfoanidridos As ligaes que podem ser entendidas como resultando da reaco entre dois cidos (ou sais) com

perda de gua designam-se de ligaes anidrido. Na Fig. 25 so apresentados vrios exemplos: a ligao entre o fosfato e o carbono 1 do 3-fosfoglicerato no 1,3-bisfosfoglicerato, a ligao entre os resduos de fosfato no ATP (adenosino-trifosfato) e a ligao entre o resduo de sulfato e um dos fosfatos do PAPS (3-fosfo-adenosil-5-fosfossulfato). Na coenzima A (ver Fig. 9) a ligao entre os dois fosfatos tambm , obviamente, de tipo anidrido. Quando esto envolvidos dois resduos de fosfato (casos do ATP e da coenzima A) a ligao diz-se fosfoanidrido.

Fig. 25: O 1,3-bisfosfoglicerato ( esquerda, em baixo) pode ser entendido como formado pela reaco entre o 3-fosfoglicerato (em cima esquerda, com uma ligao fosfoster no carbono 3) e o fosfato com perda de gua. Na ligao intervm um cido carboxlico e o cido fosfrico e, por isso, o anidrido misto. No ATP (em cima, direita) as ligaes entre os vrios resduos de fosfato so de tipo fosfoanidrido ao contrrio da ligao entre o primeiro fosfato e a ribose que de tipo ster (entre um cido, no caso o fosfato, e um lcool, o hidroxilo da ribose). Tambm a ligao entre os dois resduos de fosfato no pirofosfato (PPi) de tipo fosfoanidrido. No 3-fosfo-adenosil-5-fosfossulfato ( direita, em baixo) a ligao entre o resduo de sulfato e o de fosfato ligado no carbono 5 da ribose de tipo anidrido. As ligaes anidrido so, termodinamicamente, instveis e, na presena de hidrlases adequadas sofrem hidrlise.

10. Os grupos azotados: as aminas, as amidas, o grupo guanidina e os sais de amnio substitudo

O amonaco (NH3) uma base que, aceitando um proto, origina o io amnio (NH4+). Porque o pKa do amnio (cerca de 9,3) muito superior aos pHs que podem ser observados nas clulas e no lquido extracelular a maior parte das molculas est, nos seres vivos, na forma protonada (ou seja, na forma NH4+).

Pode dizer-se que as aminas resultam da substituio de um ou mais hidrognios do amonaco por cadeias carbonadas; dependendo do nmero de tomos de hidrognio substitudos dizem-se aminas primrias, secundrias ou tercirias.

Algumas molculas com relevncia biolgica contm grupos amina (-NH2) que, tal como no caso do amonaco esto no meio interno maioritariamente na forma protonada (-NH3+). Na Fig. 26 esto representadas trs substncias que contm grupos amina no carbono 2: a glicosamina, o glutamato e a glutamina. Nesta Fig., ao contrrio do que costume, quer os grupos amina quer os grupos carboxlicos esto representados na forma no ionizada. Na Fig. 27 estes mesmos grupos qumicos esto representados na forma como so normalmente representados nos livros de texto de Bioqumica, ou seja nas suas formas ionizadas (grupos carboxlicos sem o proto e grupos amina protonados). Os aminocidos que fazem parte das protenas tm todos um grupo amina no carbono 2 (ou da a denominao -aminocido) e um grupo carboxlico que contm o carbono 1 (ver Fig. 27). A lisina, para alm deste grupo amina, contm outro grupo amina no carbono 6 (ver Fig. 27). Quando o tomo de azoto do grupo amina se liga a apenas um tomo de carbono diz-se que uma amina primria e quando se liga a dois diz-se secundria: com excepo da prolina (amina secundria) todos os grupos -amina dos aminocidos que fazem parte das protenas so grupos amina primrios (ver Fig. 27).


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O

H

HH

H

OH

OH

H OH

OH

OH

O

H

HH

H

OH

OH

H NH2

OH

OH

O

H

HH

H

OH

OH

H NH

OH

OH

CH3

O

NH3

OH2

OH2

C CH3OH

O

C

C

CH2

CH2

C

HNH2

OHO

O OH

OH2

C

C

CH2

CH2

C

HNH2

OHO

O NH2

Fig. 26: Representao esquemtica (no real; ver nota de rodap n 4) da formao da glicosamina (ao centro) a partir de glicose e amonaco, da N-acetil-glicosamina (em baixo) a partir de glicosamina e cido actico e da glutamina (em cima, direita) a partir de amonaco e glutamato. O glutamato e a glutamina tm um grupo amina no carbono 2 (ou ) mas s a glutamina tem um grupo amida no carbono 5.

Fig. 27: Exemplos de aminocidos que fazem parte das protenas. Na linha de cima esto representados a glicina, a treonina, a leucina, a isoleucina e a lisina. Na de baixo a prolina, o aspartato, a asparagina, o glutamato e a glutamina. De notar que a leucina e a isoleucina so ismeros de cadeia.

Os grupos amina podem ser entendidos como resultando (pelo menos teoricamente; ver nota de rodap n 4) da reaco entre o amonaco e grupos hidroxilo com perda de gua (ver Fig. 26). Pelo contrrio, os grupos amida resultam (pelo menos teoricamente) da reaco entre um cido e o amonaco ou entre um cido e um grupo amina com perda de gua. Na Fig. 26 e na Fig. 27 mostra-se que, enquanto o glutamato contm


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um grupo carboxlico no carbono 5, a glutamina contm um grupo amida (-CONH2 ou CO

NH2

) no mesmo

carbono. Uma situao semelhante, neste caso relativa ao carbono 4, acontece nos casos do aspartato e da asparagina (ver Fig. 27).

Quando um cido (como o cido actico; ver na Fig. 26 a representao esquemtica da formao da N-acetil-glicosamina) se liga a um grupo amina diz-se que a ligao de tipo amida. Nos esfingolipdeos (como a esfingomielina; ver Fig. 28) os cidos gordos tambm se ligam ao esfingol (um lcool com 18 carbonos, dois grupos hidroxlicos nos carbonos 1 e 3 e um grupo amina no carbono 2) por uma ligao amida.

Fig. 28: Estruturas do esfingol (ou esfingosina; em cima e esquerda), da colina (em cima e direita) e de uma esfingomielina (em baixo) que contm palmitato ligado ao esfingol por uma ligao amida (assinalada com uma seta).

Uma situao semelhante acontece no caso das protenas e dos peptdeos em que os resduos aminoacdicos se ligam entre si por ligaes que envolvem os grupos carboxlicos (carbonos 1) e os grupos -amina e que os qumicos designam por ligaes amida. Em Bioqumica , contudo, mais frequente designar as ligaes amida que envolvem os grupos -amina e carboxlicos dos resduos aminoacdicos das protenas e peptdeos como peptdicas. A hidrlise das ligaes peptdicas leva libertao dos aminocidos constituintes (ver Fig. 29).

Ao contrrio dos grupos carboxlicos (que tm carcter cido) e dos grupos amina (que tm carcter bsico) de onde derivam, os grupos amida (tal como os ster) so aprtidos.

Fig. 29: A hidrlise de ligaes amida leva formao de cidos e aminas. A hidrlise das ligaes peptdicas do pentapeptdeo glicil-leucil-lisil-glutamil-prolina leva formao dos aminocidos glicina, leucina, lisina, glutamina e prolina.


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Quando o grupo semiacetal de uma ose se liga a um tomo de azoto a ligao diz-se glicosdica de tipo N. Um exemplo deste tipo de ligao est representado na Fig. 30 onde a parte glicdica de uma glicoprotena se liga parte proteica atravs de uma ligao glicosdica que envolve o carbono anomrico da N-acetil-glicosamina e o grupo amida da asparagina. Na Fig. 9, na Fig. 24 e na Fig. 25 mostram-se outras ligaes glicosdicas de tipo N envolvendo em todos os casos o carbono anomrico da ribose e um tomo de azoto de bases azotadas pricas ou pirimdicas.

C

C

CH2

C

HNH

NHO

ONH2

C

C

H

H

NHO

C

C

CH2

H

O

OHO

H

NH

H

CH3

O

O

O

H

HH

H

OH

H NH

OH

OH

CH3

O

O

H

NH

H

CH3

O

O

O

H

HH

H

OH

H NH

NH

OH

CH3

O

C

C

CH2

C

HNH

NHO

O

C

C

H

H

NHO

C

C

CH2

H

O

OHOH2

Fig. 30: Representao esquemtica (no real; ver nota de rodap n 4) da formao de uma ligao glicosdica de tipo N numa glicoprotena. Neste tipo de ligao um resduo de N-acetil-glicosamina (ligado ao resto da cadeia glicdica por uma ligao glicosdica de tipo O) liga-se ao grupo amida de um resduo de asparagina da parte proteica por uma ligao glicosdica de tipo N. O grupo semiacetal (e o carbono anomrico) da N-acetil-glicosamina est envolvido na ligao.

Nalgumas substncias os trs tomos de hidrognio e o proto que fazem parte do io amnio esto substitudos. O exemplo mais relevante em Bioqumica a colina, uma amina quaternria. Como se mostra na Fig. 28, a colina pode ser vista como um io amnio (NH4+) em que os hidrognios e o proto foram substitudos por 3 grupos metilo e por um etanol (da a denominao destes compostos como sais de amnio quaternrio).

Um dos aminocidos que fazem parte das protenas, a arginina, contm ligado no seu carbono 5 um grupo complexo que se denomina guanidina (ver Fig. 31). O grupo guanidina pode ser visto como um grupo imina (-C=NH ou C=NH2+) em que o carbono se liga a dois grupos amina (um primrio e o outro secundrio). O mesmo grupo guanidina tambm existe na creatina e na fosfocreatina9. Na fosfocreatina existe uma ligao fosfamida: um grupo fosfato ligado amina terminal do grupo guanidina.

9 A creatina e a fosfocreatina so aminocidos que, no fazendo parte da estrutura das protenas, tm um papel importante no metabolismo energtico muscular.


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C

C

CH2CH2CH2

HNH3+

O-

O

NH

C NH2+

NH2

C

CH2N

C

O-

O

CH3NH2

+

NH2

C

CH2N

C

O-

O

CH3NH2

+

NH

O-O

-

O

P

O-

O-

OH

O

P

OH2

Fig. 31: Estruturas do aminocido arginina, da creatina e da fosfocreatina. A fosfocreatina contm uma ligao amida em que o cido envolvido na ligao o cido fosfrico e por isso se designa de fosfamida. A ligao fosfamida pode ser vista como resultando da reaco entre um fosfato e uma amina com perda de gua.

11. Os heterociclos Heterociclos so cadeias cclicas que contm, para alm de tomos de carbono, outros tomos como o

oxignio e o azoto. Nas linhas superior e inferior da Fig. 32 esto representados heterociclos com importncia biolgica.

Os anis furano e pirano contm um tomo de oxignio; o primeiro pentagonal e o segundo hexagonal. Olhando para estas estruturas pode entender-se porque se designa de piransica a estrutura cclica da glicose em que o semiacetal envolve os carbonos 1 e 5 (ver Fig. 13) e de furansica a estrutura da ribose em que o semiacetal envolve os carbonos 1 e 4 (ver, por exemplo, a Fig. 9, a Fig. 24 e a Fig. 25).

O anel imidazol contm 3 carbonos e dois azotos e faz parte da estrutura do aminocido histidina (ver Fig. 32). O anel indol pode ser compreendido como sendo constitudo por um anel benznico ligado a um anel pirrol (ou pirrole ou pirrolo) e faz parte da estrutura do triptofano (ver Fig. 32).

O anel pirimidina (ver Fig. 32) hexagonal e contm dois tomos de azoto e faz parte da estrutura das bases pirimdicas como, por exemplo, a citosina (ver Fig. 24, em cima e esquerda). O anel purina (ver Fig. 32) pode ser compreendido como sendo constitudo por um anel pirimidina ligado a um anel imidazol. As bases pricas (como, por exemplo, a adenina; ver Fig. 9 e Fig. 25) contm um anel purina.

NH

N

COO-

NH3+

NH

COO-

NH3+

NHN

N

N

N

N

NH

NH

O NH

N

O

Fig. 32: Na linha de cima ento representados os anis furano, pirano, imidazol e indol; na do meio os aminocidos histidina e triptofano e, na de baixo, os anis pirimidina, purina e pirrol. Em todos os compostos representados os anis tm carcter aromtico (so heterociclos aromticos) e poderiam, tal como no caso do benzeno (ver Fig. 4), ser representados omitindo as duplas ligaes e inscrevendo um crculo dentro dos anis.

O anel pirrol um anel pentagonal que contm um tomo de azoto (ver Fig. 32). Na Fig. 33 est representado o heme que contm quatro anis pirrlicos ligados entre si por pontes metenilo (-CH2=). O heme o grupo prosttico de protenas hemnicas como, por exemplo, a hemoglobina.


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Fe2+

NN

N N

CH3

CH3

CH3

COO-

CH3

COO-

CH2

CH2

III

III IV

Fig. 33: Estrutura do heme. O heme o grupo prosttico da hemoglobina e contm quatro anis pirrol (I a IV) ligados entre si por pontes metenilo (-CH2=). Cada anel pirrol est ligado a dois grupos que substituem tomos de hidrognio. Nos anis I e II esses substituintes so grupos metilo e vinilo; nos anis III e IV so grupos metilo e propionilo. Um tomo de ferro liga-se aos 4 azotos dos anis pirrol.

12. A isomeria ptica (ou quiral) Como j referido, dois compostos orgnicos so ismeros quando tm a mesma frmula molecular e

diferentes frmulas estruturais (ver nota de rodap com o n 1). Para alm do n-butano (CH3CH2CH2CH3) e do isobutano (2-metil-propano) so tambm ismeros os casos do cis-buteno e do trans-buteno (ver Fig. 2), do gliceraldedo e da di-hidroxiacetona, da glicose e da frutose (ver Fig. 11), do citrato e do isocitrato (ver Fig. 18) assim como da leucina e da isoleucina (ver Fig. 27).

Os casos apontados nos pargrafos anteriores distribuem-se entre trs tipos de isomeria de fcil apreenso: isomeria de cadeia, cis-trans e de posio. O tipo de isomeria que ser objecto de anlise sumria neste captulo a isomeria ptica: de compreenso mais difcil porque implica a visualizao das molculas no espao tridimensional. Tal como nos outros casos de isomeria, compreender que, por exemplo, o gliceraldedo-D e o gliceraldedo-L so substncias diferentes (ver Fig. 34 e Fig. 35) relevante para um estudante de Bioqumica porque quando uma enzima (ou uma outra qualquer protena) capaz de interagir com uma das estruturas pode no ser capaz de interagir com a outra10.

Uma molcula diz-se quiral quando a sua imagem num espelho plano no sobreponvel consigo prpria mesmo se a rodarmos e fizermos rodar as ligaes simples. Quiral significa relativo s mos: a imagem no espelho da mo esquerda sobreponvel com a mo direita mas no com a mo esquerda e o mesmo acontece com os casos do gliceraldedo-D e L (ver Fig. 34). Em todas as molculas quirais existe, pelo menos, um carbono assimtrico: um ou mais dos carbonos est ligado a quatro substituintes distintos. Os gliceraldedos-D e L so molculas quirais com um nico carbono assimtrico, o carbono 2 (ver Fig. 34).

De acordo com a conveno de Fischer, quando se representam no plano do papel estruturas com carbonos assimtricos, os carbonos alinham-se por ordem numrica na vertical11 e os carbonos a ele ligados esto, na estrutura tridimensional, atrs do plano do papel. Obviamente que, dada a geometria tetradrica das ligaes (ver Fig. 1 e Fig. 34), os outros dois grupos ligados ao carbono assimtrico se encontram para c do plano do papel. No caso do gliceraldedo-D, quando se coloca o carbono assimtrico (o 2) no plano do papel, o carbono 1 fica acima e atrs do papel, o 3 fica abaixo e atrs do papel, o grupo hidroxilo direita e para c do papel e o hidrognio esquerda e para c do papel (ver Fig. 34). Por conveno, a posio do substituinte do hidrognio (neste caso, o hidroxilo) no ltimo carbono assimtrico (neste caso, o 2) indica-nos se o ismero D (hidroxilo direita) ou L (hidroxilo esquerda).

10 Algumas enzimas, denominadas isomrases, so capazes de interagir com dois ismeros catalisando a sua interconverso. 11 Nas aldoses os carbonos so numerados de forma a que o carbono do grupo aldedo o 1; nas cetoses, numeram-se de forma a que o carbono do grupo cetnico tenha o nmero mais baixo possvel (nas cetoses naturais acaba sempre por ficar com nmero 2). Nos aminocidos o carbono 1 o grupo carboxlico que fica mais perto do grupo -amina.


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C

C

C

H

OH

HOH

H

H O

C

C

C

H

OH

OHH

H

H O

Fig. 34: O carbono 2 do gliceraldedo um carbono que se diz assimtrico porque est ligado a 4 grupos diferentes que ocupam os 4 vrtices do tetraedro. Num dos vrtices do tetraedro est o carbono 1 com o grupo aldedo (-CHO), noutro um hidroxilo, noutro um hidrognio e no quarto um grupo metanol (-CH2OH). O mesmo no acontece no caso do carbono 1 (que tem apenas trs grupos ligados nos vrtices de um tringulo) e no caso do carbono 3 em que duas posies do tetraedro so ocupadas por hidrognios: os carbonos 1 e 3 no so carbonos assimtricos.

Fig. 35: Na imagem da esquerda representam-se os locais de ligao de uma protena para o gliceraldedo-D. No centro mostra-se que no possvel encaixar simultaneamente os grupos aldedo do carbono 1, o grupo hidroxilo do carbono 2 e o grupo metanol (carbono 3) do gliceraldedo-L. Na imagem da direita mostra-se que, no caso do gliceraldedo-D, esse encaixe possvel.

Quando dois compostos quirais se distinguem entre si por terem, em todos os carbonos assimtricos, os substituintes em posies invertidas dizem-se enantimeros e so a imagem em espelho um do outro. So, obviamente, enantimeros o gliceraldedo-D e o gliceraldedo-L mas tambm so enantimeros a glicose-D e a glicose-L, o lactato-L e o lactato-D assim como a alanina-L e a alanina-D (Fig. 36). O facto de, geralmente, as enzimas envolvidas na sntese das substncias s poderem encaixar uma das formas permite compreender que na esmagadora maioria dos casos s exista na natureza um dos enantimeros de uma determinada substncia. Por isso, num contexto bioqumico, desnecessrio dizer glicose-D, lactato-L ou alanina-L; nos seres vivos toda a glicose D assim como todo o lactato ou toda a alanina (e a esmagadora maioria dos aminocidos) so de tipo L12.

12 Para alm da sua importncia em Bioqumica, tambm poder ter interesse saber que as molculas quirais podem ser submetidas a estudos analticos especficos porque, ao contrrio das no quirais, rodam o plano da luz polarizada. Embora no se compreenda o porqu, um facto que, se o enantimero-D de uma determinada substncia roda o plano da luz polarizada para a esquerda (diz-se que levgira ou -) podemos estar certos que o seu enantimero-L o roda para a direita ( dextrgira ou +). No caso da glicose o enantimero-D (a glicose-D) que dextrgira e, por isso, a glicose natural (a glicose-D) tambm se denomina dextrose. J a frutose-D levgira e, por isso, tambm denominada levulose. sacarose (o acar comum) hidrolisada tambm se chama acar invertido; esta denominao resulta do


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C

C

C

C

C

CH2OH

H OH

OH H

H OH

H OH

H OC

C

CH3

HNH3+

O-

OC

C

CH3

HOH

O-

OC

C

C

C

C

CH2OH

OH H

H OH

OH H

OH H

H OC

C

CH3

OHH

O-

OC

C

CH3

NH3+

H

O-

O

Fig. 36: Representao, respeitando a conveno de Fischer, dos enantimeros glicose-D e glicose-L, lactato-L e lactato-D e tambm alanina-L e alanina-D. Na natureza apenas existem as formas D da glicose e as formas L do lactato e da alanina; as formas L da glicose e as formas D do lactato e da alanina s existem porque podem ser obtidas por sntese qumica. A maioria das oses da natureza existe na forma D (uma excepo , por exemplo, a fucose-L). Com a excepo da glicina (CH2NH2COOH) que no tem carbonos assimtricos (no quiral), todos os aminocidos que fazem parte das protenas so de tipo L: quando representados de acordo com a conveno de Fischer o grupo -amina fica do lado esquerdo.

Quando dois compostos quirais diferem entre si na posio dos substituintes de apenas um dos carbonos assimtricos esses compostos dizem-se epmeros; so epmeros a galactose e a glicose assim como a glicose e a manose (ver Fig. 37). Embora se possam chamar epmeros a dois enantimeros que s tm um carbono assimtrico (casos da alanina-L e D assim como o lactato-L e D) habitualmente reserva-se a expresso para os pares de compostos que tm mais de um carbono assimtrico. A palavra diasteroismeros tem um significado muito abrangente: so diasteroismeros ismeros pticos que no so enantimeros (no diferem em todos os carbonos, logo no esto um para o outro como o objecto e sua imagem no espelho) o que inclu os epmeros galactose e glicose assim como glicose e manose. Contudo, a palavra usa-se mais vezes nos casos de ismeros pticos que no so nem epmeros nem enantimeros: a galactose e a manose so, por exemplo, diasteroismeros (ver Fig. 37).

C

C

C

C

C

CH2OH

H OH

OH H

OH H

H OH

H OC

C

C

C

C

CH2OH

H OH

OH H

H OH

H OH

H OC

C

C

C

C

CH2OH

OH H

OH H

H OH

H OH

H OC2

C4

Fig. 37: Representao, respeitando a conveno de Fischer, da galactose-D, da glicose-D e da manose-D. A galactose e a glicose so epmeros; tambm so epmeros a glicose e a manose. A galactose e a manose dizem-se diasteroismeros.

Quando a molcula de glicose (ou outra qualquer ose) sofre ciclizao (ver Fig. 13) o carbono que, na forma linear continha o grupo carbonilo e no era assimtrico, passa a ser assimtrico e, como j referido, passa a denominar-se anomrico (ver Fig. 38). No caso das aldo-hexoses (como a glicose) o carbono anomrico est ligado a um hidroxilo, a um hidrognio, ao oxignio do anel e ao carbono 2 do anel. Havendo mais um carbono assimtrico passam a poder existir dois ismeros pticos distintos que no existiam na forma linear. Esses ismeros chamam-se anmeros sendo que um deles o (aquele em que o hidroxilo do carbono anomrico fica voltado para o lado oposto do ltimo carbono) e outro o (ver Fig. 38). De notar que, porque apenas se distinguem na configurao de um carbono assimtrico, os dois anmeros e so tambm epmeros entre si. Embora seja impossvel representar no plano as molculas das oses, as representaes dos anmeros e mais frequentemente utilizadas espelham o que se passa na estrutura molecular (ver Fig. 38).

facto de a sacarose ser dextrgira e de o produto da sua hidrlise (uma mistura em partes iguais de glicose e frutose) ser levgiro.


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Fig. 38: Modelos tridimensionais e representao (de Haworth) dos anmeros glicose- e glicose-. O carbono anomrico um carbono assimtrico nas formas cclicas dos glicdeos; na forma linear corresponde ao carbono do grupo carbonilo. Nas formas como so habitualmente representadas, na molcula de glicose-, o hidroxilo ligado ao carbono anomrico (o 1) fica voltado para o mesmo lado do carbono 6 (em geral, os dois para cima); no caso do glicose- o hidroxilo do carbono anomrico fica voltado para o lado contrrio do carbono 6 (em geral, o carbono 6 para cima e o hidroxilo para baixo). Na glicose em soluo, as formas , e linear esto em equilbrio qumico, sendo as formas cclicas muito mais abundantes que a linear.

Na natureza existem as duas formas anomricas (a e a ) que, via desciclizao e ciclizao no

enzmicas, esto em equilbrio qumico entre si (e com a forma linear). No entanto, quando se forma uma ligao glicosdica, o processo de desciclizao e ciclizao no enzmicas do carbono anomrico envolvido na ligao deixa de existir. Assim, por exemplo, a maltose constituda por dois resduos de glicose que se ligam atravs de uma ligao glicosdica que se diz (14): diz-se porque a glicose que se liga atravs do carbono anomrico (o carbono 1) com o outro resduo de glicose (envolvendo o hidroxilo do carbono 4) est estabilizada na forma (ver Fig. 15 e Fig. 39). A celobiose (ver Fig. 39) , como a maltose, um dissacardeo constitudo por dois resduos de glicose mas a ligao glicosdica (14). No tubo digestivo humano existem enzimas capazes de catalisar a hidrlise da maltose (gerando glicose que absorvida) mas no existem enzimas capazes de catalisar a hidrlise da celobiose; se ingerirmos celobiose, esta perde-se nas fezes.


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O

1HH

H

OH

OH

H OH

H

OH

O

O

4

OH

HH

H

OH

H OH

H

OH

O

1

H

HH

H

OH

OH

H OH

OH

O

O

4

OH

HH

H

OH

H OH

H

OH

Fig. 39: Modelos tridimensionais e frmulas estruturais da maltose e celobiose. Na maltose o resduo de glicose que participa na ligao glicosdica a glicose e a ligao glicosdica (14); na celobiose o resduo de glicose que participa na ligao glicosdica a glicose e a ligao glicosdica (14). Embora, em ambos os casos, os resduos de glicose que participam na ligao com o hidroxilo do carbono 4 estejam representados na forma , na verdade sofrem desciclizao e ciclizao no enzmica podendo estar nas formas ou . Bibliografia consultada 1. Chang, R. (1994) Qumica, 5 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, 5 edn, Interamerica, Madrid. 5. Morrison, R. & Boyd, R. (1992) Qumica Orgnica, 13 edn, Fundao Caloust Gulbenkian, Lisboa.

Agosto de 2010; os autores (Rui Fontes e Manuel Nuno Alada) agradecem as crticas e sugestes das professoras Isabel Azevedo, Raquel Soares e Maria Joo Martins. ([email protected] e [email protected] )

bioquimica e quimica organica

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