1. Com a clula, a biologia descobriu seu tomo... Dessa forma,para caracterizar a vida, essencial estudar a clula e analisarsua estrutura: escolher os denominadores comuns necessriospara a vida de cada clula, assim como identificar diferenas 1associadas com o desempenho de funes especiais. Franois Jacob, La logique du vivant: une histoire de lhrdit (A Lgica da Vida: Uma Histria da Hereditariedade), 1970Fundamentos da Bioqumica1.1Fundamentos celulares2(Fig. 1-1a). Elas incluem polmeros muito longos, cada um com sua sequncia caracterstica de subunidades,1.2Fundamentos qumicos 11 sua estrutura tridimensional nica e sua seleo alta- mente especfica de parceiros de interao na clula.1.3Fundamentos fsicos 19 Sistemas para extrair, transformar e utilizar a1.4Fundamentos genticos27 energia do ambiente (Fig. 1-1b), permitindo aos orga- nismos construir e manter suas intrincadas estruturas,1.5Fundamentos evolutivos 29 assim como realizar trabalho mecnico, qumico, osm- tico e eltrico, o que neutraliza a tendncia de toda a matria de decair para um estado mais desorganizado,C erca de quinze bilhes de anos atrs, o universo surgiu como uma erupo cataclsmica de partculas subat- entrando assim em equilbrio com seu ambiente. micas quentes e ricas em energia. Os elementos mais Funes definidas para cada um dos componen-simples (hidrognio e hlio) se formaram em segundos. tes de um organismo e interaes reguladas en-medida que o universo se expandia e esfriava, o material tre eles. Isto vlido no somente para as estruturascondensava sob a influncia da gravidade para formar es- macroscpicas, como as folhas e os ramos ou coraestrelas. Algumas estrelas se tornaram enormes e explodirame pulmes, mas tambm para estruturas intracelularescomo supernovas, liberando a energia necessria para a fu- microscpicas e compostos qumicos individuais. Aso de ncleos atmicos mais simples em elementos mais interao entre os componentes qumicos de um orga-complexos. Desta maneira foram produzidos, no decurso de nismo vivo dinmica; mudanas em um componen-bilhes de anos, a prpria Terra e os elementos qumicos en- te causam mudanas coordenadas ou compensatriascontrados nela hoje. Cerca de quatro bilhes de anos atrs,em outro, com o todo manifestando uma caractersticasurgiu a vida micro-organismos simples com a capacida- alm daquelas de suas partes individuais. O conjunto dede de extrair energia de compostos qumicos e, mais tarde, molculas realiza um programa, cujo resultado final ada luz solar, que era usada por eles para produzir um vastoreproduo e a autopreservao do conjunto de mol-conjunto de biomolculas mais complexas a partir dos ele-culas em resumo, vida.mentos simples e compostos encontrados na superfcie daTerra. Mecanismos para sentir e responder s altera- es no seu ambiente, com ajustes constantes a es- A bioqumica questiona como as extraordinrias pro- sas mudanas por adaptaes de sua qumica internapriedades dos organismos vivos se originaram a partir de ou sua localizao no ambiente.milhares de biomolculas diferentes. Quando estas molcu-las so isoladas e examinadas individualmente, elas esto de Capacidade de autorreplicao e automontagemacordo com todas as leis fsicas e qumicas que descrevem oprecisas (Fig. 1-1c). Uma clula bacteriana isolada co-comportamento da matria inanimada assim como todoslocada em um meio nutritivo estril pode dar origem,os processos que ocorrem nos organismos vivos. O estudoem 24 horas, a um bilho de filhas idnticas. Cadada bioqumica mostra como o conjunto de molculas ina- clula contm milhares de molculas diferentes, mui-nimadas que constitui os organismos vivos interage paratas extremamente complexas; mas cada bactria umamanter e perpetuar a vida exclusivamente pelas leis fsicas ecpia fiel da original, sendo sua construo totalmentequmicas que regem o universo inanimado. direcionada a partir da informao contida no material Os organismos, no entanto, possuem atributos extra- gentico da clula original.ordinrios, propriedades que os distinguem de outros con- Capacidade de se alterar ao longo do tempo porjuntos de matria. Quais so estas caractersticas peculiares evoluo gradual. Os organismos alteram suas es-dos organismos vivos? tratgias de vida herdadas, em graus muito pequenos,Um alto grau de complexidade qumica e organi- para sobreviver em condies novas. O resultado dezao microscpica. Milhares de molculas diferen- eras de evoluo uma enorme variedade de formas detes formam as intrincadas estruturas celulares internasvida, muito diferentes superficialmente (Fig. 1-2), mas

2. 2 David L. Nelson & Michael M. CoxNeste captulo introdutrio feito um resumo dos co- nhecimentos celulares, qumicos, fsicos e genticos para a bioqumica e o importante princpio da evoluo o de- senvolvimento das propriedades das clulas vivas ao longo das geraes. medida que voc avanar na leitura do livro, perceber a utilidade de retornar a este captulo de tempos em tempos, para refrescar sua memria sobre esses conhe- cimentos bsicos. 1.1 Fundamentos celulares(a) (b)A unidade e a diversidade dos organismos se tornam apa- rentes mesmo no nvel celular. Os menores organismos con- sistem em clulas isoladas e so microscpicos. Os organis- mos multicelulares maiores possuem muitos tipos celulares diferentes, os quais variam em tamanho, forma e funo es- pecializada. Apesar dessas diferenas bvias, todas as clu- las dos organismos, desde o mais simples ao mais complexo, compartilham determinadas propriedades fundamentais, que podem ser vistas no nvel bioqumico. As clulas so as unidades estruturais e funcionais de todos os organismos vivos Todos os tipos de clulas compartilham determinadas ca- ractersticas estruturais (Fig. 1-3). A membrana plasm- tica define o contorno da clula, separando seu contedo(c)do ambiente. Ela composta por molculas de lipdeos e protenas que formam uma barreira fina, resistente, flexvelFIGURA 1-1 Algumas caractersticas da matria viva. (a) A com-plexidade microscpica e a organizao so aparentes nesse cortecolorido de tecido muscular de vertebrado, visto ao microscpioeletrnico. (b) Um falco da campina capta nutrientes consumindouma ave menor. (c) A reproduo biolgica ocorre com uma fide-lidade quase perfeita.fundamentalmente relacionadas por sua ancestralidadecompartilhada. Esta unidade fundamental dos organis-mos vivos se reflete na similaridade das sequncias g-nicas e nas estruturas proteicas. Apesar dessas propriedades comuns, e da unidade fun-damental da vida que elas mostram, difcil fazer generali-zaes sobre os organismos vivos. A Terra tem uma enormediversidade de organismos. A variao de habitats, das fon-tes termais tundra do rtico, dos intestinos animais aosdormitrios das universidades, se combina com uma amplavariao de adaptaes bioqumicas especficas, alcanadasdentro de uma estrutura qumica comum. Neste livro, parauma maior clareza s vezes so feitas determinadas genera-lizaes, as quais, embora no perfeitas, se mostram teis;tambm com frequncia so apresentadas excees, asquais podem se mostrar esclarecedoras. A bioqumica descreve em termos moleculares as estru- FIGURA 1-2 Diferentes organismos vivos compartilham caracte-turas, os mecanismos e os processos qumicos compartilha-rsticas qumicas comuns. Aves, animais selvagens, plantas e mi-dos por todos os organismos e estabelece princpios de or- cro-organismos do solo compartilham com os humanos as mesmas unidades estruturais bsicas (clulas) e os mesmos tipos de macro-ganizao que so a base da vida em todas as suas diversas molculas (DNA, RNA, protenas) compostas dos mesmos tipos deformas, princpios esses referidos como a lgica molecular subunidades monomricas (nucleotdeos, aminocidos). Eles uti-da vida. Embora a bioqumica proporcione importantes in- lizam as mesmas vias para a sntese dos componentes celulares,formaes e aplicaes prticas na medicina, na agricultura, compartilham o mesmo cdigo gentico, e provm dos mesmosna nutrio e na indstria, sua preocupao final com oancestrais evolutivos. Na figura mostrado um detalhe do Jardimmilagre da vida em si. do den, por Jan van Kessel Junior (1626-1679). 3. Princpios de Bioqumica de Lehninger 3e hidrofbica ao redor da clula. A membrana uma barrei- O volume interno envolto pela membrana plasmtica, ora para a passagem livre de ons inorgnicos e para a maioria citoplasma (Fig. 1-3), composto por uma soluo aquosa,de outros compostos carregados ou polares. Protenas de o citosol, e uma grande variedade de partculas em sus-transporte na membrana plasmtica permitem a passagem penso com funes especficas. O citosol uma soluode determinados ons e molculas; protenas receptorasaltamente concentrada que contm enzimas e as molculastransmitem sinais para o interior da clula; e enzimas de de RNA que as codificam; os componentes (aminocidos emembrana participam em algumas reaes. Como os lip- nucleotdeos) que formam estas macromolculas; centenasdeos individuais e as protenas da membrana no esto co- de molculas orgnicas pequenas chamadas de metabli-valentemente ligados, toda a estrutura extraordinariamen- tos, intermedirios em rotas biossintticas e degradativas;te flexvel, permitindo mudanas na forma e no tamanho da coenzimas, compostos essenciais em muitas reaes catali-clula. medida que a clula cresce, novas molculas desadas por enzimas; ons inorgnicos; e estruturas macromo-protenas e de lipdeos so inseridas na membrana plasm- leculares como os ribossomos, stios de sntese proteica,tica; a diviso celular produz duas clulas, cada uma com e os proteassomos, que degradam protenas que a clulasua prpria membrana. O crescimento e a diviso celular no necessita mais.(fisso) ocorrem sem perda da integridade da membrana. Todas as clulas possuem, pelo menos em alguma par-te de sua vida, ou um ncleo ou um nucleoide, onde ogenoma o conjunto completo de genes composto porNcleo (eucariotos) ou nucleoideDNA armazenado e replicado. O nucleoide, em bac-(bactrias, arquibactrias)Contm material gentico DNA etrias e em arquibactrias, no separado do citoplasmaprotenas associadas. O ncleo por uma membrana; o ncleo, nos eucariotos, consistecircundado por uma membrana.no material nuclear envolto por uma membrana dupla, oenvelope nuclear. As clulas com envelope nuclear com-Membrana plasmticapem o grande grupo dos Eukarya (do grego eu,verdade,Bicamada lipdica resistente, flexvel. Seletivamente permevele karyon, ncleo). Os micro-organismos sem envelope a substncias polares. Incluinuclear, antigamente agrupados como procariotos (do protenas de membrana quegrego pro, antes), so agora reconhecidos como perten- atuam no transporte, centes a dois grupos muito diferentes, Bacteria e Archaea,na recepo de sinale como enzimas. descritos a seguir.As dimenses celulares so determinadas pela difusoA maioria das clulas microscpica, invisvel a olho nu.As clulas dos animais e das plantas tm um dimetro de50 a 100 m, e muitos micro-organismos tm comprimentode 1 a 2 m (veja no verso da capa as informaes sobre asunidades e suas abreviaturas). O que limita as dimenses deuma clula? O limite inferior provavelmente determinadoCitoplasmapelo nmero mnimo de cada tipo de biomolcula requeridoContedo celular aquoso pela clula. As menores clulas, certas bactrias conhecidase partculas e organelascomo micoplasmas, tm dimetro de 300 nm e um volumeem suspenso.de cerca de 10-14 mL. Um nico ribossomo bacteriano possui20 nm na sua dimenso mais longa, de forma que poucoscentrifugao a 150.000 g ribossomos ocupam uma frao substancial do volume deuma clula de micoplasma.Sobrenadante: citosol O limite superior de tamanho celular provavelmente Soluo concentrada determinado pela taxa de difuso das molculas de solutode enzimas, RNA,nos sistemas aquosos. Por exemplo, uma clula bacteria-subunidades monomricas,na que depende de reaes de consumo de oxignio parametablitos, onsinorgnicos.produo de energia deve obter oxignio molecular, pordifuso, a partir do meio ambiente atravs de sua mem-Sedimento: partculas e organelasbrana plasmtica. A clula to pequena, e a relao en-Ribossomos, grnulos de tre sua rea de superfcie e seu volume to grande, quearmazenamento, mitocndrias,cada parte do seu citoplasma facilmente alcanada pelocloroplastos, lisossomos, retculoO2 que se difunde para dentro dela. Com o aumento doendoplasmtico.tamanho celular, no entanto, a relao superfcie-volumeFIGURA 1-3 As caractersticas universais das clulas vivas. Todas diminui, at que o metabolismo consuma O2 mais rapida-as clulas tm um ncleo ou nucleoide, uma membrana plasmticamente do que o que pode ser suprido por difuso. Assim, oe o citoplasma. O citosol definido como sendo a parte do cito-metabolismo que requer O2 torna-se impossvel quando oplasma que permanece no sobrenadante aps rompimento suavetamanho da clula aumenta alm de um determinado pon-da membrana plasmtica e centrifugao do extrato resultante ato, estabelecendo um limite superior terico para o tama-150.000 g por 1 hora. nho das clulas. 4. 4David L. Nelson & Michael M. Cox EukaryaAnimaisBactrias EntamebasBacteriaverdes noMusgossulfurosas ArchaeaFungosBactriasgram-Methanosarcina Plantas MethanobacteriumProtobactrias positivasHalfilos Ciliados(bactrias prpura)Thermoproteus MethanococcusCianobactrias Pyrodictium Thermococcus celer Flagelados Flavobactrias Tricomonados ThermotogalesMicrospordeos DiplomonadosFIGURA 1-4 Filogenia dos trs domnios da vida. As relaes filo- ser construdas a partir de similaridades na sequncia de amino-genticas so frequentemente ilustradas por uma rvore geneal-cidos de uma nica protena entre as espcies. Por exemplo, asgica deste tipo. A base para esta rvore a similaridade na sequn- sequncias da protena GroEL (uma protena bacteriana que atuacia nucleotdica dos RNAs ribossomais de cada grupo; a distnciano dobramento proteico) so comparadas para gerar a rvore daentre os ramos representa o grau de diferena entre duas sequn-Fig. 3-32. A rvore da Figura 3-33 uma rvore consenso, quecias, sendo que, quanto mais similar for a sequncia, mais prximausa vrias comparaes como essas para fazer a melhor estimativa a localizao dos ramos. As rvores filogenticas tambm podemdo relacionamento evolutivo de um grupo de organismos.Existem trs domnios distintos de vida lagos salgados, fontes termais, pntanos altamente cidos eas profundezas ocenicas. As evidncias disponveis suge-Todos os organismos vivos se incluem em trs grandes gru-pos (domnios) que definem trs ramos evolutivos a partir rem que Bacteria e Archaea divergiram cedo na evoluo.de um ancestral comum (Fig. 1-4). Dois grandes grupos Todos os organismos eucariticos, que formam o terceirode micro-organismos unicelulares podem ser distinguidos domnio, Eukarya, evoluram a partir do mesmo ramo queem bases genticas e bioqumicas: Bacteria e Archaea. Asdeu origem s Archaea; por isso, os eucariotos so mais re-bactrias habitam o solo, as guas de superfcie e os tecidos lacionados s arquibactrias do que s bactrias.de organismos vivos ou em decomposio. Muitas das arqui-Dentro dos domnios Archaea e Bacteria existem sub-bactrias, reconhecidas na dcada de 1980 por Carl Woesegrupos identificados por seus habitats. No habitat aerbicocomo um domnio distinto, habitam ambientes extremos com suprimento pleno de oxignio, alguns organismos re-Todos os organismos Combustvelreduzido FototrficosQuimiotrficosCombustvelFonte de(energia da luz)(energia da oxidao de combustveis qumicos) oxidado energia Litotrficos Organotrficos (combustveis (combustveisinorgnicos) orgnicos)Fonte deHeterotrficosAutotrficos(carbono de carbono(carbono do CO2)compostos orgnicos) Cianobactrias Bactrias prpuraBactrias sulfurosas A maioria das bactrias Plantas vascularesBactrias verdes Bactrias hidrognicasTodos os eucariotosno fototrficosExemplosFIGURA 1-5 Os organismos podem ser classificados de acordo com a fonte de energia (luz solar ou compostos qumicos oxidveis) e a fontede carbono usadas para a sntese do material celular. 5. Princpios de Bioqumica de Lehninger 5sidentes obtm energia pela transferncia de eltrons dascos de massa molecular menor do que 1.000 (metablitosmolculas de combustvel para o oxignio. Outros ambien- e cofatores), e uma grande variedade de ons inorgnicos.tes so anaerbios, praticamente desprovidos de oxignio,e os micro-organismos adaptados a esses ambientes obtmRibossomos Os ribossomos bacterianos so menoresenergia pela transferncia de eltrons para o nitrato (for-do que os eucariticos, mas tm a mesma funo mando N2), o sulfato (formando H2S) ou o CO2 (formando sntese proteica a partir de uma mensagem de RNA.CH4). Muitos organismos que evoluram em ambientes ana- Nucleoide Contm umaerbios so anaerbios obrigatrios: eles morrem quandonica molcula de DNA,expostos ao oxignio. Outros so anaerbios facultativos,simples, longa e circular.capazes de viver com ou sem oxignio. Podemos classificar os organismos de acordo com a Pili Produzmaneira como obtm a energia e o carbono que necessi-pontos detam para sintetizar o material celular (conforme resumidoadeso na Fig. 1-5). Existem duas amplas categorias com basesuperfcie de outras clulas.nas fontes de energia: fototrficos (do grego trofe, nu-trio), que captam e usam a luz solar, e quimiotrfi-cos, que obtm sua energia pela oxidao do combustvel FlagelosPropulsionamqumico. Alguns quimiotrficos, os litotrficos, oxidam a clula no 0os combustveis inorgnicos por exemplo, HS a S (en-seu ambiente.0 2 3xofre elementar), S a SO 4, NO 2 a NO 3, ou Fe a Fe . Osorganotrficos oxidam uma ampla gama de compostosorgnicos disponveis em seu ambiente. Os fototrficos eos quimiotrficos tambm podem ser divididos naquelesque obtm todo o carbono necessrio do CO2 (autotr-ficos) e nos que requerem nutrientes orgnicos (hete-rotrficos). Envelope celular A estrutura varia com o tipo deA Escherichia coli a bactria melhor estudadabactria.As clulas bacterianas compartilham determinadas caracte-rsticas estruturais comuns, mas tambm mostram especia-lizaes grupo-especficas (Fig. 1-6). E. coli usualmenteum habitante inofensivo do trato intestinal humano. A clu-la de E. coli tem 2 m de comprimento e um pouco menosde 1 m de dimetro, possuindo uma membrana externaprotetora e uma membrana plasmtica interna que envol-ve o citoplasma e o nucleoide. Entre a membrana internae a externa existe uma fina, mas resistente, camada de umpolmero (peptidoglicano) que confere clula sua formaMembrana externaCamada dee rigidez. A membrana plasmtica e as camadas externas a Camada depeptidoglicanosela constituem o envelope celular. Pode ser notado aquipeptidoglicanosMembrana internaMembrana internaMembrana internaque, nas arquibactrias, a rigidez conferida por um tipodiferente de polmero (pseudopeptidoglicano). A membra-na plasmtica das bactrias consiste em uma bicamada finade molculas lipdicas impregnadas de protenas. As mem-branas das arquibactrias tm uma arquitetura semelhante,Bactrias gram-negativas Bactrias gram-positivasmas os lipdeos so surpreendentemente diferentes daque- Membrana externa; Sem membrana externa; camada de peptidoglicanos camada de peptidoglicanosles das bactrias (veja a Fig. 10-12). mais espessa O citoplasma da E. coli contm cerca de 15.000 ribos-somos, nmeros variados de cpias (de 10 a milhares) de1.000 diferentes enzimas, talvez 1.000 compostos orgni-FIGURA 1-6 Caractersticas estruturais comuns das clulas bacte-rianas. Devido a diferenas na estrutura do envelope celular, algu-mas bactrias (gram-positivas) retm o corante de Gram (introdu-zido por Hans Christian Gram em 1882), e outras (gram-negativas)no. E. coli gram-negativa. As cianobactrias so distinguidas por Cianobactrias Arquibactrias Gram-negativas; camada Sem membrana externa;seu extenso sistema de membranas internas, onde se localizam osde peptidoglicanos maiscamada de peptidoglicanospigmentos fotossintticos. Embora os envelopes das arquibactriasrgida; extenso sistemado lado de fora dae das bactrias gram-positivas paream semelhantes ao microsc-de membranas internasmembrana plasmticapio eletrnico, a estrutura dos lipdeos de membrana e dos polissa-com pigmentoscardeos muito diferente (veja a Fig. 10-12).fotossintticos 6. 6 David L. Nelson & Michael M. CoxO nucleoide contm uma nica molcula de DNA circular, ee antibiticos ambientais. No laboratrio, estes segmentoso citoplasma (como na maioria das bactrias) contm seg-de DNA so sensveis manipulao experimental e somentos circulares de DNA chamados de plasmdios. Na ferramentas poderosas para a engenharia gentica (veja onatureza, alguns plasmdios conferem resistncia a toxinasCaptulo 9).(a) Clula animalOs ribossomos so mquinasde sintetizar protenas O peroxissomo oxida cidos graxosO citoesqueleto sustenta as clulas eauxilia no movimento das organelas O lisossomo degrada restos intracelularesO transporte de vesculas faz otrnsito de protenas e lipdeosentre o RE, o complexo de Golgie a membrana plasmticaO complexo de Golgi processa,empacota e envia protenas paraoutras organelas ou para exportao O retculo endoplasmtico liso (REL) o local de sntese de lipdeos e de metabolismo de drogasO envelope nuclear separa aO nuclolo o local de sntesecromatina (DNA protena) de RNA ribossomaldo citoplasma O ncleo contm os O retculo endoplasmtico rugoso (RER) o local de muita genes (cromatina) A membrana plasmtica separa asntese proteica clula do meio e regula o movimento Envelope dos materiais para dentro e para nuclearRibossomosCitoesqueleto fora da clula A mitocndria oxida os combustveis para produzir ATP Complexo de GolgiO cloroplasto absorve a luz solare produz ATP e carboidratosOs grnulos de amido armazenamtemporariamente os carboidratosproduzidos na fotossnteseAs tilacoides so locais desntese de ATP movida pela luz A parede celular d forma e rigidez, protegendo a clula da intumescncia osmtica O vacolo degrada e recicla macromolculas e armazena metablitos Parede celular de O plasmodesma permite clulas adjacentes a comunicao entre duas clulas vegetaisO glioxissomo contm enzimas do ciclo do glioxilato(b) Clula vegetalFIGURA 17 Estrutura da clula eucaritica. Ilustraes esquem-As estruturas marcadas em vermelho so exclusivas das clulasticas dos dois principais tipos de clula eucaritica: (a) uma clula animais ou vegetais. Os micro-organismos eucariticos (como pro-animal representativa e (b) uma clula vegetal representativa. As tistas e fungos) tm estruturas semelhantes s das clulas animais eclulas vegetais geralmente tm um dimetro de 10 a 100 m vegetais, mas muitos tambm possuem organelas especializadas,maiores do que as clulas animais, que variam entre 5 e 30 m.no ilustradas aqui. 7. Princpios de Bioqumica de Lehninger 7 A maioria das bactrias (incluindo E. coli) existe como bm possuem vacolos e cloroplastos (Fig. 1-7). No citoplas-clulas individuais, mas as clulas de algumas espcies bacte- ma de muitas clulas esto presentes tambm grnulos ourianas (p.ex., as mixobactrias) mostram um comportamentogotculas contendo nutrientes armazenados como amido esocial simples, formando agregados multicelulares. gordura.Em um avano importante na bioqumica, AlbertAs clulas eucariticas possuem uma grande variedade Claude, Christian de Duve e George Palade desenvolveram mtodos para separar as organelas do citosol e umas dasde organelas membranares, que podem ser isoladas paraoutras uma etapa essencial na investigao de suas estru-estudo turas e funes. Em um processo de fragmentao tpicoAs clulas eucariticas tpicas (Fig. 1-7) so muito maiores (Fig. 1-8), as clulas ou os tecidos em soluo so suave-do que as bactrias em geral de 5 a 100 m de dimetro,mente rompidos por cisalhamento fsico. Este tratamentocom um volume de mil a um milho de vezes maior do que rompe a membrana plasmtica, mas deixa intacta a maioriao das bactrias. As caractersticas que distinguem os euca-das organelas. O homogeneizado ento centrifugado; or-riotos so o ncleo e uma grande variedade de organelas en-ganelas como ncleo, mitocndria e lisossomos diferem emvoltas por membranas com funes especficas: mitocndria, tamanho e por isso sedimentam em velocidades diferentes.retculo endoplasmtico, complexo de Golgi, peroxissomos eA centrifugao diferencial resulta em um fracionamen-lisossomos. Alm dessas organelas, as clulas vegetais tam-to preliminar do contedo citoplasmtico, que pode ser pos-FIGURA 1-8 Fracionamento subcelular de tecidos. Um tecidocomo o heptico homogeneizado mecanicamente para romperas clulas e dispersar seu contedo em um tampo aquoso. Omeio com sacarose tem uma presso osmtica semelhante dasorganelas, equilibrando assim a difuso da gua para dentro epara fora das organelas, as quais intumesceriam e estourariamem uma soluo de osmolaridade mais baixa (veja a Fig. 2-12).(a) As partculas grandes e pequenas em suspenso podem serseparadas por centrifugao em diferentes velocidades, ou (b) aspartculas de diferentes densidades podem ser separadas por cen-trifugao isopcnica, na qual se enche o tubo de centrfuga com(a) Centrifugao uma soluo cuja densidade aumenta do topo para o fundo; umdiferencial soluto como a sacarose dissolvido em diferentes concentraespara produzir o gradiente de densidade. Quando uma misturaHomogeneizaode organelas for colocada no topo do gradiente de densidade e do tecidoo tubo for centrifugado a alta velocidade, as organelas sedimen-tam at que sua densidade de flutuao se iguale do gradiente. Centrifugao a baixa velocidade (1.000 g, 10 min)Cada camada pode ser coletada separadamente.(b) Centrifugao isopcnica (em densidade de sacarose)Sobrenadante centrifugado a velocidade mdia (20.000 g, 20 min) Centrifugao Sobrenadante centrifugado a velocidade alta Homogeneizado (80.000 g, 1 h)de tecido Sobrenadante centrifugado a velocidade muito alta Sedimento contmclulas inteiras, (150.000 g, 3 h)ncleos, citoesqueleto, membrana Amostra plasmtica SedimentoGradientecontmde sacarosemitocndrias, lisossomos,Sobrenadanteperoxissomos contm Componente protenas menos densoSedimento solveiscontm Fracionamento microssomosComponente (fragmentos de RE),mais densopequenas vesculas Sedimento contmribossomos, macromol- culas grandes8 7 6543 2 1 8. 8 David L. Nelson & Michael M. Coxteriormente purificado por centrifugao isopcnica (mesmae forma clula. Os filamentos de actina e os microtbulosdensidade). Neste procedimento, as organelas com diferen- tambm auxiliam na produo de movimento das organelastes densidades de flutuao (resultantes de razes diferentese da clula inteira.entre lipdeo e protena em cada tipo de organela) so sepa-Cada tipo de componente do citoesqueleto compos-radas por centrifugao por meio de uma coluna de solven-to por subunidades proteicas simples que se associam dete com gradiente de densidade. Pela remoo cuidadosa do forma no covalente para formar filamentos de espessuramaterial de cada regio do gradiente e observao ao micros- uniforme. Estes filamentos no so estruturas permanentes,cpio, o bioqumico pode estabelecer a posio de sedimen- sendo submetidos a constante desmontagem em suas subu-tao de cada organela e obter organelas purificadas paranidades e remontagem novamente em filamentos. Sua loca-estudo posterior. Esses mtodos foram utilizados para esta-lizao na clula no fixa, podendo mudar drasticamen-belecer, por exemplo, que os lisossomos contm enzimas de- te com a mitose, a citocinese, o movimento ameboide ougradativas, as mitocndrias contm enzimas oxidativas, e osmudanas na forma celular. A montagem, a desmontagem ecloroplastos contm pigmentos fotossintticos. O isolamentoa localizao de todos os tipos de filamentos so reguladasde uma organela enriquecida em determinada enzima compor outras protenas, as quais servem para ligar ou reunirfrequncia a primeira etapa na purificao dessa enzima. os filamentos ou para mover as organelas citoplasmticas ao longo deles. O quadro que emerge desta breve viso daO citoplasma organizado pelo citoesqueleto e estrutura da clula eucaritica o de uma clula com uma trama de fibras estruturais e um sistema complexo de com-altamente dinmico partimentos envoltos por membranas (Fig. 1-7). Os filamen-A microscopia de fluorescncia revela vrios tipos de fi-tos se desmontam e se remontam em outro lugar. As vescu-lamentos proteicos atravessando a clula eucaritica emlas membranares brotam de uma organela e se fundem comvrias direes, formando uma rede tridimensional inter- outra. As organelas se movem pelo citoplasma ao longo deligada, o citoesqueleto. Existem trs tipos gerais de fila-filamentos proteicos, e seu movimento impulsionado pormentos citoplasmticos filamentos de actina, microtbu-protenas motoras dependentes de energia. O sistema delos e filamentos intermedirios (Fig. 1-9) que diferem emendomembranas segrega processos metablicos especfi-largura (de 6 a 22 nm), composio, e funo especfica. To- cos e prov superfcies sobre as quais ocorrem determina-dos os tipos conferem estrutura e organizao ao citoplasmadas reaes catalisadas por enzimas. A exocitose e a endo-(a) (b)FIGURA 1-9 Os trs tipos de filamentos do citoesqueleto: fila- vermelho; os microtbulos, irradiando a partir do centro da clu-mentos de actina, microtbulos e filamentos intermedirios. As la, esto marcados em verde; e os cromossomos (no ncleo) estoestruturas celulares podem ser marcadas com um anticorpo (quemarcados em azul. (b) Uma clula de pulmo de salamandra emreconhea uma determinada protena) covalentemente ligado a um mitose. Os microtbulos (em verde) ligados a estruturas chamadascomposto fluorescente. As estruturas marcadas so visveis quan- de cinetcoros (em amarelo) sobre os cromossomos condensadosdo a clula observada sob um microscpio de fluorescncia. (a) (em azul) puxam os cromossomos para polos opostos, ou centros-Clulas endoteliais da artria pulmonar bovina. Feixes de filamen- somos (em magenta), da clula. Os filamentos intermedirios, for-tos de actina denominados fibras de estresse esto marcados em mados de queratina (em vermelho), mantm a estrutura da clula. 9. Princpios de Bioqumica de Lehninger9citose, mecanismos de transporte (para fora e para dentro As interaes entre o citoesqueleto e as organelas so noda clula, respectivamente) que envolvem fuso e fisso decovalentes, reversveis e sujeitas regulao em resposta amembranas, produzem vias entre o citoplasma e o meio cir- vrios sinais intra e extracelulares.cundante, permitindo a secreo de substncias produzidasna clula e a captao de materiais extracelulares. As clulas constroem estruturas supramolecularesEsta organizao do citoplasma, embora complexa, estlonge de ser aleatria. O movimento e o posicionamento dasAs macromolculas e suas subunidades monomricas di-organelas e dos elementos do citoesqueleto esto sob umaferem muito em tamanho (Fig. 1-10). Uma molcula deregulao firme, e uma clula eucaritica submetida, em alanina tem menos de 0,5 nm de comprimento. Uma mol-determinados estgios da vida, a reorganizaes dramti-cula de hemoglobina, a protena transportadora de oxigniocas conduzidas com exatido, como nos eventos da mitose.dos eritrcitos (clulas vermelhas do sangue), consiste emsubunidades contendo cerca de 600 resduos de aminoci-dos em quatro longas cadeias, dobradas em forma globular(a) Alguns dos aminocidos das protenase associadas em uma estrutura de 5,5 nm de dimetro. Asprotenas, por sua vez, so muito menores do que os ribos-COOCOOCOO somos (cerca de 20 nm de dimetro), os quais, por sua vez, H 3N C H H 3N CHH 3N CHso menores do que organelas como as mitocndrias, quetm 1.000 nm de dimetro. um grande salto das biomol-CH3CH2OHCH2 culas simples s estruturas celulares que podem ser vistas ao microscpio ptico. A Figura 1-11 ilustra a hierarquiaAlaninaSerina COOestrutural na organizao celular. AspartatoAs subunidades monomricas das protenas, dos ci- COO dos nucleicos e dos polissacardeos so unidas por ligaesCOO COO H 3N C H H 3N CHFIGURA 1-10 Os compostos orgnicos a partir dos quais formada H 3N CHa maior parte dos materiais celulares: o ABC da bioqumica. EstoCH2CH2NHCH2 mostrados aqui (a) seis dos 20 aminocidos que formam todas as C CH protenas (as cadeias laterais esto sombreadas em cor-de-rosa); (b)SHas cinco bases nitrogenadas, os dois acares de cinco carbonos eHC NH Cistena os ons fosfato que formam os cidos nucleicos; (c) os cinco compo-OHHistidina nentes dos lipdeos de membrana; e (d) D-glicose, o acar simplesTirosinaque origina a maioria dos carboidratos. Observe que o fosfato umcomponente dos cidos nucleicos e dos lipdeos de membrana.(b) Os componentes dos cidos nucleicos(c) Alguns componentes dos lipdiosO ONH2COOCOO CH2OHC C CH3CH2 CH2CHOH HN CH HNC N CH CH2 CH2CH2OHC CHCCHC CH Glicerol ONONONCH2 CH2H H H CH2 CH2UracilTimina CitosinaCH3 CH2 CH2 CH3 N CH2CH2OHNH2O CH2 CH2 CH3CC OCH2 CH2Colina NNNCHN C CHCH2 CH CHHO P OHHC C C C CHCH2NNH2NNNO HH Fosfato CH2 CH2AdeninaGuanina (d) O acar de origem CH2 CH2Bases nitrogenadas CH2 CH2 HOCH2 O HHOCH2 OCH2 CH2 CH 2OHHHH CH2 CH2O H H HHHOHH HOH CH2 CH3 OH HOH OHOHHPalmitato HOOH CH2-D-Ribose HOH2-desoxi--D-riboseCH3 Acares de cinco carbonosOleato-D-Glicose 10. 10David L. Nelson & Michael M. CoxNvel 4: Nvel 3:Nvel 2: Nvel 1: A clula eComplexosMacromolculas Unidades suas organelas supramolecularesmonomricasNH2 Nucleotdeos N DNA OO N O P O CH2 OOH HH HOH H Cromatina AminocidosH H3N CCOO ProtenaCH3Membranaplasmtica Celulose OH CH 2 OH HH OHOH HO OHH Acares CH2 OHH Parede celular OFIGURA 1-11 Hierarquia estrutural na organizao molecular das clulas. O ncleo desta clula vegetal uma organela que contmvrios tipos de complexos supramoleculares, incluindo cromatina. A cromatina consiste em dois tipos de macromolculas, DNA e muitasprotenas diferentes, sendo cada uma delas formada por subunidades simples.covalentes. Nos complexos supramoleculares, contudo, asgo da clula. Em resumo, uma dada molcula pode ter ummacromolculas so unidas por interaes no covalentescomportamento muito diferente na clula e in vitro. Um de- individualmente muito mais fracas do que as covalentes.safio central na bioqumica entender as influncias da orga-Entre estas interaes esto as ligaes de hidrognio (en-nizao celular e das associaes macromoleculares sobre atre grupos polares), as interaes inicas (entre grupos car-funo das enzimas individuais e outras biomolculas pararegados), as interaes hidrofbicas (entre grupos apolaresentender a funo in vivo assim como in vitro.em soluo aquosa) e as interaes de van der Waals (forasde London) todas elas com energia muito menor do que asRESUMO 1.1Fundamentos celularesligaes covalentes. Essas interaes so descritas no Cap- Todas as clulas so delimitadas por uma membranatulo 2. O grande nmero de interaes fracas entre as ma-plasmtica, tendo um citosol contendo metablitos, co-cromolculas em complexos supramoleculares estabilizam enzimas, ons inorgnicos e enzimas, possuindo um con-essas agregaes, gerando suas estruturas singulares.junto de genes contidos dentro de um nucleoide (bact- rias e arquibactrias) ou de um ncleo (eucariotos).Estudos in vitro podem omitir interaes importantes Os fototrficos usam a luz do sol para realizar trabalho;entre molculasos quimiotrficos oxidam combustveis, transferindo eltrons para bons aceptores: compostos inorgnicos,Uma abordagem para o entendimento de um processo biol- compostos orgnicos ou oxignio molecular.gico o estudo in vitro de molculas purificadas (no vidro no tubo de ensaio), sem a interferncia de outras molcu- As clulas de bactrias e de arquibactrias contm cito-las presentes na clula intacta isto , in vivo (no vivo). sol, um nucleoide e plasmdeos. As clulas eucariticasEmbora esta abordagem seja muito esclarecedora, deve-setm um ncleo e so multicompartimentalizadas, comconsiderar que o interior de uma clula totalmente diferen-determinados processos segregados em organelas es-te do interior de um tubo de ensaio. Os componentes inter-pecficas; as organelas podem ser separadas e estuda-ferentes eliminados na purificao podem ser crticos para adas isoladamente.funo biolgica ou para a regulao da molcula purificada. As protenas do citoesqueleto se organizam em longosPor exemplo, estudos in vitro de enzimas puras so comu- filamentos que do forma e rigidez s clulas e servemmente realizados com concentraes muito baixas da enzimacomo trilhos ao longo dos quais as organelas celularesem solues aquosas sob agitao. Na clula, uma enzimase deslocam por toda a clula.est dissolvida ou suspensa em um citosol com consistncia Complexos supramoleculares so mantidos unidos porgelatinosa junto com milhares de outras protenas, sendo que interaes no covalentes e formam uma hierarquiaalgumas delas se ligam enzima e influenciam sua atividade. de estruturas, algumas delas visveis ao microscpioAlgumas enzimas so componentes de complexos multienzi-ptico. Quando molculas individuais so removidasmticos nos quais os reagentes passam de uma enzima para destes complexos para serem estudadas in vitro, al-a outra, sem interagir com o solvente. A difuso dificultada gumas interaes, importantes na clula viva, podemno citosol gelatinoso, e a composio citoslica varia ao lon- ser perdidas. 11. Princpios de Bioqumica de Lehninger 111 2FIGURA 1-12 Elementos essenciais para aHHe vida e a sade animal. Os elementos princi-34 Elementos principais5678910 pais (em laranja) so componentes estruturaisLiBe Elementos-trao B C NOF Ne das clulas e dos tecidos e so requeridos na11 1213 14 15 16 17 18 dieta em uma quantidade de vrios gramas Na Mg Al Si P S Cl Ar por dia. Para os elementos-trao (em amarelo19 20 2122 2324 252627 28293031 32 33 34 35 36 brilhante) as quantidades requeridas so mui-K Ca ScTiVCrMn Fe CoNiCuZnGaGe As Se Br Kr to menores: para humanos, alguns miligramas37 38 3940 4142 4344 4546474849 50 51 52 53 54 por dia de ferro, cobre e zinco so suficientes, RbSrY Zr NbMo TcRu RhPdAgCd In Sn SbTe I Xe e quantidades ainda menores dos demais ele-55 56 72 7374 757677 78798081 82 83 84 85 86 mentos. As necessidades mnimas para plan-CsBa Hf TaW Re OsIr PtAuHg Tl Pb BiPoAtRn tas e micro-organismos so similares s mos-87 88FrRa Lantandeos tradas aqui; o que varia so as maneiras pelas Actindeosquais eles adquirem estes elementos.1.2 Fundamentos qumicos so hidrognio, oxignio, nitrognio e carbono, que juntos constituem mais de 99% da massa das clulas. Eles so osA bioqumica tenta explicar as formas e as funes biol-elementos mais leves capazes de formar eficientementegicas em termos qumicos. No final do sculo XVIII, os qu-uma, duas, trs e quatro ligaes; em geral, os elementosmicos concluram que a composio da matria viva im-mais fracos formam as ligaes mais fortes. Os elemen-pressionantemente diferente daquela do mundo inanimado.tos-trao (Fig. 1-12) representam uma frao minsculaAntoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) percebeu a relativado peso do corpo humano, mas todos so essenciais vida,simplicidade do mundo mineral e contrastou-a com a com-geralmente por serem essenciais para a funo de prote-plexidade dos mundos animal e vegetal. Estes ltimos ele nas especficas, incluindo muitas enzimas. A capacidade desabia serem constitudos de compostos ricos nos elementostransporte de oxignio da hemoglobina, por exemplo, to-carbono, oxignio, nitrognio e fsforo. talmente dependente de quatro ons de ferro, que somados Durante a primeira metade do sculo XX, investigaes representam somente 0,3% da massa total.bioqumicas conduzidas em paralelo sobre a oxidao da gli-cose em leveduras e clulas de msculo animal revelaramsimilaridades qumicas marcantes nestes dois tipos celulares Biomolculas so compostos de carbono com uma grandeaparentemente muito distintos, indicando que a queima da variedade de grupos funcionaisglicose em leveduras e clulas musculares envolve os mesmosA qumica dos organismos vivos est organizada em torno10 intermedirios qumicos e as mesmas 10 enzimas. Estudos do carbono, que contribui em mais da metade do peso secosubsequentes de muitos outros processos qumicos em dife-das clulas. O carbono pode formar ligaes simples comrentes organismos confirmaram a generalidade desta observa-tomos de hidrognio, assim como ligaes simples e duplaso, resumida em 1954 por Jacques Monod: O que vale paracom tomos de oxignio e nitrognio (Fig. 1-13). A capaci-a E. coli tambm vale para um elefante. A atual compreenso dade dos tomos de carbono de formar ligaes simples es-de que todos os organismos tm uma origem evolutiva comumtveis com at quatro outros tomos de carbono de grandetem como base em parte esta observao, de que todos parti-importncia na biologia. Dois tomos de carbono tambmcipam dos mesmos processos e intermedirios qumicos, o quepodem compartilhar dois (ou trs) pares de eltrons, for-muitas vezes denominado unidade bioqumica.mando assim ligaes duplas (ou triplas). Menos de 30 entre os mais de 90 elementos qumicos As quatro ligaes simples que podem ser formadasde ocorrncia natural so essenciais para os organismos. A pelo tomo de carbono se projetam a partir do ncleo for-maioria dos elementos da matria viva tem um nmero at- mando os quatro vrtices de um tetraedro (Fig. 1-14), commico relativamente baixo; somente dois possuem nmeros um ngulo de aproximadamente 109,5 entre duas ligaesatmicos maiores que o selnio, 34 (Fig. 1-12). Os quatroquaisquer e tendo um comprimento mdio de ligao deelementos qumicos mais abundantes nos organismos vivos, 0,154 nm. A rotao livre em torno de cada ligao sim-em termos de porcentagem do total de nmero de tomos, ples, a menos que grupos muito grandes ou altamente car-C HC HCH C NCN CNC OC OCO C CC CC C FIGURA 1-13 A versatilidade do carbono em formar ligaes. OC OCOCOC CCC CCcarbono pode formar ligaes co- valentes simples, duplas e triplas (indicadas em vermelho), particu-C NC NCN C CC CC C larmente com outros tomos de carbono. Ligaes triplas so raras em biomolculas. 12. 12 David L. Nelson & Michael M. Cox (a)(b) (c) X A120109,5CC CC CY 109,5BFIGURA 1-14 Geometria da ligao do carbono. (a) Os tomos de(CH3CH3). (c) Ligaes duplas so mais curtas e no permitemcarbono tm um arranjo tetradrico bem caracterstico para suasrotao. Os dois carbonos ligados por ligao dupla e os tomosquatro ligaes simples. (b) A ligao simples carbono-carbono designados por A, B, X e Y esto todos no mesmo plano rgido.tem liberdade de rotao, como mostrado para o composto etano H HH MetilRC HterR1 OR2Guanidina RNCN HN HH H H H Etil RC C Hster R1 C OR2ImidazolRCCH H H O HN N:C H H H C CH FenilRC CH AcetilRO CC H Sulfidril RS H C C OH H HCarbonilRC HAnidridoR1 C OCR2 DissulfetoR1 S SR2(aldedo) (dois cidos O OOcarboxlicos) HCarbonilR1 C R 2AminoR N H TiosterR1 C S R2(cetona) (protonado) O H O H O Carboxil RC O AmidaR CN FosforilR OPOH O H O O H N OO 1 21 Hidroxil RO HImina RCR Fosfoanidrido R OPOPO R2 (lcool) O O O H HO R3EnolRC CImina N-Anidrido mistoRC O P OHsubstitudaN(de cido carboxlico HHOO(base dee cido fosfrico;R1 CR2Schiff) tambm chamadode acil-fosfato)FIGURA 1-15 Alguns grupos funcionais comuns de biomolcu-de hidrognio, mas tipicamente ser um grupo contendo carbono.las. Nesta figura e em todo o livro, ser usado R para representar Quando dois ou mais substituintes so mostrados em uma molcu-qualquer substituinte. Ele pode ser to simples como um tomola, sero designados como R1, R2 e assim por diante. 13. Princpios de Bioqumica de Lehninger13regados estejam ligados aos tomos de carbono. Neste caso, aquosa (citosol) das clulas, que so os metablitos centraisa rotao pode ser limitada. J a ligao dupla mais curta das rotas metablicas principais que ocorrem em quase to-(cerca de 0,134 nm) e rgida, permitindo somente uma rota- das as clulas isto , os metablitos e as rotas que foramo limitada em torno do seu eixo. conservados durante o curso da evoluo (veja o Quadro tomos de carbono covalentemente ligados em bio-1-1 para uma explicao das vrias maneiras de se referir aomolculas podem formar cadeias lineares, ramificadas e peso molecular). Esta coleo de molculas inclui os amino-estruturas cclicas. Aparentemente a versatilidade de liga-cidos comuns, nucleotdeos, acares e seus derivados fos-o do carbono, consigo mesmo e com outros elementos,forilados e cidos mono, di e tricarboxlicos. As molculasfoi o principal fator na seleo dos compostos de carbonoso polares ou carregadas, solveis em gua e presentes empara a maquinaria molecular das clulas durante a origem e concentraes de micromolar a milimolar. Elas esto apri-a evoluo dos organismos vivos. Nenhum outro elemento sionadas no interior das clulas porque a membrana plas-qumico consegue formar molculas com tanta diversidademtica impermevel a elas embora transportadores dede tamanhos, formas e composio.membrana especficos possam catalisar o deslocamento de A maioria das biomolculas pode ser considerada comoalgumas molculas para dentro e para fora da clula ou en-derivada dos hidrocarbonetos, tendo tomos de hidrognio tre compartimentos nas clulas eucariticas. A ocorrnciasubstitudos por uma grande variedade de grupos funcionais universal dos mesmos conjuntos de compostos nas clulasque conferem propriedades qumicas especficas molcula, vivas reflete a conservao evolutiva das rotas metablicasformando vrias famlias de compostos orgnicos. Exemplosque se desenvolveram nas clulas primitivas.tpicos destas biomolculas so os lcoois, que tm um ou Existem outras biomolculas pequenas, especficasmais grupos hidroxil; aminas, com grupos amina; aldedos para certos tipos de clulas ou organismos. Por exemplo,e cetonas, com grupos carbonil; e cidos carboxlicos, com plantas vasculares contm, alm dos conjuntos comuns, mo-grupos carboxil (Fig. 1-15). Muitas biomolculas so poli- lculas pequenas chamadas de metablitos secundrios,funcionais, contendo dois ou mais tipos de grupos funcionais que exercem papis especficos para a vida da planta. Estes(Fig. 1-16), cada qual com suas caractersticas qumicas e metablitos incluem compostos que conferem s plantasde reao. A personalidade qumica de um composto de-seus aromas caractersticos e compostos como a morfina, aterminada pela qumica de seu grupo funcional e pela sua quinina, a nicotina e a cafena, que so importantes devidodisposio no espao tridimensional. aos seus efeitos fisiolgicos em humanos, mas usados para outras finalidades nas plantas.O conjunto de pequenas molculas em uma dada clulaAs clulas contm um conjunto de pequenas molculastem sido chamado de metaboloma da clula, em analogiaExiste uma coleo de aproximadamente mil molculasao termo genoma (definido anteriormente e explicado naorgnicas diferentes (Mr ~100 a ~500) dissolvidas na faseSeo 1-5). aminoNH2Atipo imidazolfosfoanidrido C N E NHCH3OO C Ntioster amidaAAA A amidaHC B A CH3OC OSOCH2OCH2ONHOCOCH2OCH2ONHOCOCOOCO CH2OOOPOOOPOOOCH2C CH N H K B BB AAB B N O OO OH CH3O O O HC CHhidroxil HC CHOOHAOOP POA fosforilOHAcetil-coenzima AFIGURA 1-16 Vrios grupos funcionais comuns em uma nica cionais podem existir nas formas protonadas ou no protonadas,biomolcula. Acetil-coenzima A (frequentemente abreviada comodependendo do pH. No modelo de volume atmico, N azul, C acetil-CoA) uma carreadora de grupos acetil em algumas reaes preto, P laranja, O vermelho e H branco. O tomo amarelo noenzimticas. Os grupos funcionais so mostrados na frmula es- lado esquerdo o enxofre da ligao tioster, que importante natrutural. Como ser visto no Captulo 2, alguns destes grupos fun- mediao entre a parte acetil e coenzima A. 14. 14David L. Nelson & Michael M. Cox QUADRO 11 Peso molecular, massa molecular e suas unidades corretasH duas maneiras comuns (e equivalentes) para descrever mas-Considere, por exemplo, uma molcula com uma massa desa molecular, e ambas so usadas neste texto. A primeira peso1.000 vezes a da gua. Pode-se dizer que esta molcula possuimolecular, ou massa molecular relativa, denominada Mr. O Mr 18.000 ou m 18.000 dltons. Pode-se tambm descre-peso molecular da substncia definido como a relao da mas- v-la como uma molcula com 18 kDa. Entretanto, a expres-sa da molcula da substncia para um-duodcimo da massa do so Mr 18.000 dltons incorreta. 12carbono-12 ( C). Visto que Mr uma razo, ela adimensional Outra unidade conveniente para descrever a massa de um no tem unidades associadas. A segunda a massa molecu- nico tomo ou molcula a unidade de massa atmica (an-lar, denotada por m, que simplesmente a massa da molcu- teriormente denominada u.m.a., agora geralmente descritala, ou a massa molar, dividida pelo nmero de Avogadro. Esta como u). Uma unidade de massa atmica (1 u) definida comomassa molecular, m, expressa em dltons (abreviado Da). Um um-duodcimo da massa do tomo do carbono-12. Experimen-dlton equivalente a um-duodcimo da massa do carbono-12;talmente, a medida da massa de um tomo de carbono-12 1,9926 10 g, ento 1 u 1,6606 10 g. A unidade de 2324um kilodlton (kDa) 1.000 dltons; um megadlton (MDa) um milho de dltons.massa atmica conveniente para descrever a massa do pico ob- servado em espectrometria de massas (veja o Quadro 3-2).As macromolculas so os principais constituintes dasmolculas; um catlogo de suas mais variadas funes seria bem extenso. O conjunto das protenas em funcionamentoclulasem uma dada clula chamado de proteoma da clula. OsMuitas molculas biolgicas so macromolculas, polme-cidos nucleicos, DNA e RNA, so polmeros de nucleot-ros com peso molecular acima de ~5.000, que so montadas a deos. Eles armazenam e transmitem a informao gentica,partir de precursores relativamente simples. Polmeros maise algumas molculas de RNA apresentam tambm funocurtos so chamados de oligmeros (oligos do grego, pou-estrutural e cataltica em complexos supramoleculares. Oscos). Protenas, cidos nucleicos e polissacardeos so ma- polissacardeos, polmeros de acares simples como acromolculas feitas de monmeros cujos pesos moleculares glicose, apresentam trs funes principais: reservatriosso 500 ou menos. A sntese de macromolculas a atividadede combustvel de alto contedo energtico, componentesque mais consome energia nas clulas. As macromolculasestruturais rgidos da parede celular (em plantas e bact-podem ainda sofrer processamentos adicionais que resultamrias) e elementos no reconhecimento extracelular que seem complexos supramoleculares, formando unidades funcio- ligam a protenas de outras clulas. Polmeros mais curtosnais como os ribossomos. A Tabela 1-1 mostra as principais de acares (oligossacardeos) ligados a protenas ou lip-classes de biomolculas em uma clula de E. coli.deos na superfcie da clula servem como sinais celulares As protenas, que so polmeros longos de aminoci- especficos. Os lipdeos, derivados de hidrocarbonetos in-dos, constituem a maior frao (alm da gua) da clula. solveis em gua, servem como componentes estruturaisAlgumas protenas possuem atividade cataltica e funcio- das membranas, depsitos de combustvel de alto contedonam como enzimas; outras servem como elementos estrutu-energtico, pigmentos e sinais intracelulares.rais, receptores de sinal, ou transportadores que carregamProtenas, polinucleotdeos e polissacardeos apresen-substncias especficas para dentro ou para fora das clulas.tam um grande nmero de subunidades monomricas eAs protenas so talvez as mais versteis de todas as bio- como consequncia alto peso molecular na faixa de 5.000 at mais de 1 milho para protenas, at vrios bilhes para cidos nucleicos e milhes para polissacardeos como o ami- do. Molculas de lipdeos individuais so muito menores (MrComponentes moleculares de uma entre 750 e 1.500) e no so classificadas como macromol- TABELA 1-1clula de E. coliculas, mas podem associar-se no covalentemente forman- do estruturas muito grandes. Membranas celulares so for- Nmero aproximado madas por grandes agregados no covalentes de molculas Porcentagemde espciesde lipdeos e protenas. do peso totalmoleculares Dadas as suas sequncias caractersticas de subunida- de clula diferentesdes ricas em informao, protenas e cidos nucleicos sogua 701 muitas vezes referidos como macromolculas informa- cionais. Alguns oligossacardeos, como observado anterior-Protenas153.000 mente, tambm servem como molculas informacionais.cidos nucleicos DNA1 1-4 RNA6 > 3.000A estrutura tridimensional descrita pela configurao ePolissacardeos 3 10 pela conformaoLipdeos2 20 As ligaes covalentes e os grupos funcionais das biomol-Subunidades monomri- 2500 culas so, obviamente, essenciais para o seu funcionamento, cas e intermediriascomo tambm o arranjo dos constituintes atmicos dasons inorgnicos1 20 molculas no espao tridimensional isto , sua estereo- qumica. Um composto contendo carbono normalmente 15. Princpios de Bioqumica de Lehninger 15existe como estereoismeros, molculas com as mesmasligaes qumicas, mas com diferentes configuraes. In-O Oteraes entre biomolculas so invariavelmente estereo-Cespecficas, requerendo configuraes especficas nas in-teraes moleculares. H3 NC H A Figura 1-17 mostra trs maneiras de ilustrar a este-HC Hreoqumica, ou configurao, das molculas simples. O dia-grama em perspectiva especifica a estereoqumica de forma Hinequvoca, mas o ngulo das ligaes e os comprimentosdas ligaes centro-a-centro so melhor representados pe-los modelos de esfera e vareta. No modelo de volume at-(a)(b)(c)mico, o raio de cada tomo proporcional ao seu raio deFIGURA 117 Representaes de molculas. Trs maneiras paravan der Waals, e os contornos do modelo definem o espaorepresentar a estrutura do aminocido alanina (mostrado na formaocupado pela molcula (o volume do espao no qual os to- inica encontrada em pH neutro). (a) Frmula estrutural em pers-mos das outras molculas esto excludos).pectiva: uma cunha slida ( ) representa uma ligao na qual o A configurao conferida pela presena de (1) liga-tomo se projeta para fora do plano do papel, na direo do lei-es duplas, em torno das quais no h liberdade de rota- tor; a cunha tracejada ( ) representa a ligao estendida para trso, ou pela presena de (2) centros quirais, em torno dosdo plano do papel. (b) o modelo de esfera e vareta, mostrando osquais grupos substituintes so arranjados em uma orien- comprimentos relativos das ligaes e os ngulos das ligaes. (c)tao especfica. A caracterstica que permite identificarmodelo de volume atmico, no qual cada tomo mostrado comestereoismeros o fato de no poderem ser interconver-seu raio de van der Waals relativo correto.tidos sem quebrar temporariamente uma ou mais ligaescovalentes. A Figura 1-18a mostra a configurao do cidomaleico e seu ismero, cido fumrico. Estes compostos solado grupos com mesmo lado de ligaes duplas; trans,ismeros geomtricos, ou ismeros cis-trans, que di-atravs de grupos em lados opostos). O cido maleicoferem no arranjo de seus grupos substituintes com respei- (malato no pH neutro do citoplasma) o ismero cis, e oto ligao dupla rgida (no rotante) (do latim cis, neste cido fumrico (fumarato), o ismero trans; cada um doscompostos bem definido e eles podem ser separados umdo outro, cada um possuindo propriedades qumicas nicas.Um stio de ligao (em uma enzima, p.ex.) que comple-mentar a uma destas molculas no ser complementar FIGURA 118 Configurao de ismeros geomtricos. (a) Isme-ros como o cido maleico (maleato em pH 7) e o cido fumrico(fumarato) no podem ser interconvertidos sem quebrar ligaesH HHOOC H covalentes, o que requer o gasto de muito mais energia do queG D G D a mdia da energia cintica das molculas a temperaturas fisiol- CPC CPCD G D G gicas. (b) Na retina dos vertebrados, o evento inicial na detecoHOOCCOOHH COOHde luz a absoro da luz visvel pelo 11-cis-retinal. A energia da cido maleico (cis) cido fumrico (trans)luz absorvida (em torno de 250 kJ/mol) converte 11-cis-retinal em(a) retinal todo trans, provocando mudanas na clula da retina, o quedesencadeia o impulso nervoso. (Note que os tomos de hidrog-nio so omitidos nos modelos de esfera e vareta.) CH3CH3CH3OCH3 CH3 CH3 CH3J GDGD 11119 luz 9C 12 G101012HCH3CH3CH3 CJ GOH11-cis-RetinalRetinal todo trans (b) 16. 16 David L. Nelson & Michael M. CoxMolcula Molcula Imagem quiral: a Imagem no quiral:especular A molcula especular A a molculada molcula rotada no da molcula rotada podeoriginalpode ser originalser superpostasuperposta sua imagemA C sua imagem A C especularY especularXMolculaBMolculaB original originalXA XACCY XX X B C BCXB XB(a)Y (b) XFIGURA 1-19 Assimetria molecular: molculas quirais e no qui- somente trs grupos diferentes (isto , o mesmo grupo ocorre duasrais. (a) Quando um tomo de carbono tem quatro grupos substi- vezes), somente uma configurao possvel e a molcula simtri-tuintes diferentes (A, B, X, Y), estes podem estar arranjados de duasca ou no quiral. Neste caso, a molcula tem sua imagem superpostamaneiras, que representam imagens especulares no superponveisna imagem especular: a molcula do lado esquerdo pode girar no(enantimeros). O tomo de carbono assimtrico chamado de to- sentido anti-horrio (quando vista de cima para baixo na direo damo quiral ou centro quiral. (b) Quando um carbono tetradrico temligao de A com C) para formar a molcula vista no espelho.outra, o que explica por que esses dois compostos tm pa-reita est relacionada com a esquerda). Uma molcula compis biolgicos distintos apesar de sua qumica similar. somente um carbono quiral pode ter dois estereoismeros; No segundo tipo de estereoismero, quatro diferentesquando dois ou mais (n) carbonos quirais esto presentes,nsubstituintes ligados a um tomo de carbono tetradricoento podem existir 2 estereoismeros. Estereoismerospodem ser arranjados em duas formas espaciais diferentes que so imagens especulares um do outro so chamados de isto , possuem duas configuraes (Fig. 1-19) pro-enantimeros (Fig. 1-19). Pares de estereoismeros queduzindo dois estereoismeros com propriedades qumicas no so imagens especulares um do outro so chamados desimilares ou idnticas, porm diferindo em certas proprie- diastereoismeros (Fig. 1-20).dades fsicas e biolgicas. Um tomo de carbono com qua-Como Louis Pasteur observou pela primeira vez emtro substituintes diferentes considerado assimtrico, e1848 (Quadro 1-2), os enantimeros tm propriedades qua-carbonos assimtricos so chamados de centros quiraisse idnticas, mas diferem em uma propriedade fsica bem(do grego chiros, mo; alguns estereoismeros esto es-caracterstica: sua interao com a luz polarizada. Em so-truturalmente relacionados da mesma forma que a mo di-lues separadas, dois enantimeros giram o plano da luzEnantimeros (imagens especulares) Enantimeros (imagens especulares)CH3CH3 CH3CH3 XC HH C X X C HH C X YC HH C Y H C YY C HCH3CH3 CH3CH3Diastereoismeros (imagens no especulares)FIGURA 1-20 Dois tipos de estereoismeros. Existem quatro di-esfera e vareta, que foi rotado para a visualizao de todos os gru-ferentes 2,3-butanos dissubstitudos (n 2 carbonos assimtricos, pos. Dois pares de estereoismeros so imagens especulares um doconsequentemente 2n 4 estereoismeros). Cada um mostrado outro, ou enantimeros. Outros pares no so imagens especulares,em um retngulo com a frmula em perspectiva e o modelo de sendo diastereoismeros. 17. Princpios de Bioqumica de Lehninger17 QUADRO 12 Louis Pasteur e atividade ptica: In Vino, VeritasLouis Pasteur descobriu o fenmeno da ativi- Agora ns sabemos. Estudos de cristalografia pordade ptica em 1843, durante sua investigaoraios X em 1951 confirmaram que as formas le-dos sedimentos cristalinos que acumulavamvorrotatria e destrorrotatria do cido tartriconos barris de vinho (uma forma de cido tart- so imagens especulares uma da outra no nvelrico chamado de cido paratartrico tambm molecular e estabeleceram a configurao abso-chamado de cido racmico, do latim racemus, luta de cada um (Fig. Q.1). A mesma abordagemcacho de uvas). Ele usou pinas finas para se- foi usada para demonstrar que, embora o amino-parar dois tipos de cristais idnticos em forma, cido alanina tenha duas formas estereoisomricas (designadas D e L), nas protenas a alanina existemas com imagem especular um do outro. Am- exclusivamente em uma forma (o ismero L; vejabos os tipos provaram ter todas as propriedades o Captulo 3).qumicas do cido tartrico, mas em soluo umtipo gira a luz plano-polarizada para a esquerdaHOOC1 4COOH HOOC1 4 COOH2 32 3(levorrotatrio) e o outro para a direita (des- Louis Pasteur C CC Ctrorrotatrio). Posteriormente, Pasteur descre- 1822-1895 HOH HOH OH H HOHveu o experimento e sua interpretao:(2R,3R)-cido tartrico(2S,3S)-cido tartricoEm corpos isomricos, os elementos e as propores nas (destrorrotatrio)(levorrotatrio)quais eles so combinados so os mesmos, somente o ar-ranjo dos tomos diferente... Sabemos, por um lado, queFIGURA Q.1 Pasteur separou cristais de dois estereoismeros de cidoos arranjos moleculares dos dois cidos tartricos so assi- tartrico e mostrou que solues separadas de cada uma das formasmtricos, e, por outro lado, que estes arranjos so absolu-fazem girar luz polarizada na mesma magnitude, porm em direestamente idnticos, exceto que eles exibem assimetria emopostas. Estas formas destrorrotatria e levorrotatria foram mais tardedirees opostas. Estariam os tomos do cido destro agru- demonstradas como sendo os ismeros (R,R) e (S,S) representados aqui. O sistema RS de nomenclatura explicado no texto.pados em forma de espiral dextrgira? Ou estariam eles co-locados nas arestas de um tetraedro irregular? Ou estariam *Extrado da palestra de Pasteur para a Socit Chimique de Pariseles dispostos em um ou outro arranjo assimtrico citado?em 1883, citado em DuBos, R. (1976) Louis Pasteur: Free Lance ofNs no sabemos. * Science, p. 95, Charles Scribners Sons, New York.polarizada em direes opostas, mas uma soluo contendoconcentraes equimolares de cada enantimero (uma mis- 1 1tura racmica) mostra atividade rotatria nula. Compos- 4 4tos sem centros quirais no causam a rotao do plano daluz polarizada.23 3 2CONVENO-CHAVE: Dada a importncia da estereoqumicanas reaes entre biomolculas (veja a seguir), os bioqu-micos so obrigados a dar nome e representar a estruturade cada biomolcula de forma que sua estereoqumica sejaSentido horrioSentido anti-horrioinequvoca. Para compostos com mais de um centro quiral,(R)(S)a nomenclatura mais usada a do sistema RS. Neste siste-Um outro sistema de nomenclatura para estereoisme-ma, a cada grupo funcional ligado a um carbono quiral de- ros, o sistema D e L, descrito no Captulo 3. A molculasignada uma escala de prioridade. As prioridades de alguns com um centro quiral nico (dois ismeros de gliceraldedo,substituintes comuns so: p. ex.) pode ser nomeada por qualquer um dos sistemas. CHO(2)CHO HO C H H(4) OH (1) Para nomeao no sistema RS, o tomo quiral vistocomo o grupo de mais baixa prioridade (4 no segmento do CH2OH CH2OH (3)diagrama) apontando para trs da pgina a partir do obser-L-Gliceraldedo(S)-Gliceraldedovador. Se a prioridade dos outros trs grupos (1 a 3) de-cresce no sentido horrio, ento a configurao (R) (doDiferente da configurao a conformao molecular,latim rectus, direito); se cresce no sentido anti-horrio, o arranjo espacial dos grupos substituintes que, sem que-ento a configurao (S) (do latim sinister, esquerdo).brar nenhuma ligao, livre para assumir diferentes posi-Desta maneira, cada carbono quiral designado como (R)es no espao por causa da liberdade de rotao em tornoou (S), e a incluso destas designaes no nome do compos- das ligaes simples. Em hidrocarbonetos simples como oto fornece descrio inequvoca da estereoqumica de cadaetano, por exemplo, h quase completa liberdade de rotaocentro quiral. em torno da ligao CC. Muitas conformaes diferentes 18. 18David L. Nelson & Michael M. Coxe interconversveis de etano so possveis, dependendo dorio, ento a reao em geral produz todas as formas quiraisgrau de rotao (Fig. 1-21). Duas conformaes so de es-possveis: uma mistura de formas D e L, por exemplo. Clu-pecial interesse: a escalonada, que mais estvel do quelas vivas produzem somente uma forma quiral de uma dadatodas as outras e portanto predominante, e a eclipsada, quebiomolcula, porque as enzimas que a sintetizam tambm a menos estvel. Estas duas formas conformacionais no so quirais.podem ser isoladas uma da outra, pois so facilmente inter- Estereoespecificidade, a capacidade de distinguir en-conversveis. Entretanto, a substituio de um ou mais to-tre estereoismeros, uma propriedade das enzimas e demos de hidrognio em cada carbono por um grupo funcional outras protenas, sendo um aspecto caracterstico da lgi-que seja muito grande ou carregado eletricamente restringe ca molecular das clulas vivas. Se o stio de ligao de umaa liberdade de rotao em torno da ligao CC. Isto limitaprotena complementar a um ismero do composto quiral,o nmero de conformaes estveis do derivado do etano.ento ele no ser complementar ao outro ismero, da mes- ma forma que a luva para a mo esquerda no se ajusta naAs interaes entre as biomolculas so estereoespecficas mo direita. Alguns exemplos marcantes da capacidade dos sistemas biolgicos de distinguir estereoismeros so mos-Quando biomolculas interagem, o encaixe entre elas trados na Figura 1-23.estereoquimicamente correto. A estrutura tridimensional As classes comuns de reaes, qumicas encontradas nade biomolculas grandes e pequenas a combinao de bioqumica esto descritas no Captulo 13, como uma intro-configurao e conformao de mxima importncia nas duo s reaes do metabolismo.suas interaes biolgicas: reagente com sua enzima, hor-mnio com seu receptor na superfcie da clula, antgenocom seu anticorpo especfico, por exemplo (Fig. 1-22). O RESUMO 1.2 Fundamentos qumicosestudo da estereoqumica biomolecular, com mtodos fsi- Devido a sua versatilidade de ligao, o carbono podecos precisos, uma parte importante da pesquisa modernaproduzir amplas colees de estruturas carbono-car-da estrutura celular e da funo bioqumica.bono com uma grande variedade de grupos funcionais; Nos organismos vivos, as molculas quirais normal- estes grupos conferem s biomolculas as suas proprie-mente esto presentes em somente uma de suas formas dades qumicas e biolgicas.quirais. Por exemplo, nas protenas os aminocidos ocor- Um conjunto universal de aproximadamente algumasrem somente como ismeros L e a glicose ocorre somentecentenas de pequenas molculas encontrado emcomo ismero D. (As convenes para a denominao declulas vivas; a interconverso destas molculas nasestereoismeros de aminocidos esto descritas no Captu- rotas metablicas centrais se conservou ao longo dalo 3, e para acares, no Captulo 7; o sistema RS, descritoevoluo.anteriormente, mais usado para algumas biomolculas.) Protenas e cidos nucleicos so polmeros linearesEm contraste, quando um composto com um tomo de car- feitos de subunidades monomricas simples; suas se-bono assimtrico quimicamente sintetizado em laborat-quncias contm as informaes que fornecem a cada Energia potencial (kJ/mol) 12 812,1 4 kJ/mol 00 60 120 180 240 300 360ngulo de toro (graus) FIGURA 1-22 Encaixe complementar entre a macromolcula eFIGURA 1-21 Conformaes. Muitas conformaes do etano so uma molcula pequena. O segmento de RNA de uma regio re-possveis devido liberdade de rotao em torno da ligao CC. gulatria, conhecida como TAR, do genoma do vrus da imunodefi-No modelo de esfera e vareta, quando o tomo de carbono frontalcincia humana (em cinza) com uma molcula argininamida ligada(sob o ponto de vista do leitor) girado com seus trs hidrognios(em colorido); a argininamida usada para representar um resduoem relao ao tomo de carbono de trs, ento a energia potencialde aminocido de uma protena que se liga regio do TAR. Ada molcula aumenta a um mximo na forma completamente eclip-argininamida encaixa na cavidade da superfcie do RNA, sendosada (nos ngulos de 0o, 120o, etc.), e ento diminui ao mnimo na mantida nesta orientao por vrias interaes no covalentes com o oforma totalmente escalonada (ngulos de toro de 60 , 180 , etc.).o RNA. Esta representao da molcula de RNA produzida comDevido ao fato de as diferenas de energia serem suficientemente o auxlio de um software que pode calcular a forma de superfciepequenas, para permitir uma interconverso muito rpida entre as externa da macromolcula, definida pelo raio de van der Waals deduas formas (milhes de vezes por segundo), as formas eclipsada etodos os tomos da molcula ou pelo volume de excluso do sol-escalonada no podem ser isoladas uma da outra.vente, o volume que uma molcula de gua no pode penetrar. 19. Princpios de Bioqumica de Lehninger 19 CH3 CH3FIGURA 1-23 Estereoismeros tm di-ferentes efeitos em humanos. (a) Dois O C O Cestereoismeros de carvona: (R)-carvona C CHC CH(isolado do leo de hortel) tem o cheiro H2C CH2 H2C CH2caracterstico da hortel; (S)-carvona (isola- C Cdo do leo de sementes de cominho) tem CH3 C H H C CH2o cheiro de cominho. (b) O aspartame, um CH2 CH3adoante artificial, facilmente distingu-vel, pelos receptores de gosto, do seu es-(R)Carvona (hortel)(S)-Carvona(cominho) tereoismero de gosto amargo, apesar de (a)os dois diferirem apenas pela configuraode um dos seus dois carbonos quirais. (c) O medicamento antidepressivo citalopram NH3 NH3(nome comercial Celexa), um inibidor se- H O H OH Hletivo da recaptao da serotonina, umaOOCC N C OOC C N C CH2CC OCH3CH2 C COCH3mistura racmica dos dois estereoismeros, CH2 H H CH2mas somente (S)-citalopram tem o efeitoOOteraputico. A preparao estereoquimica- C Cmente pura de (S)-citalopram (oxalato de HCCHHCCH citalopram) vendida sob o nome comer- HCCHHCCH cial de Lexapro. Como se pode prever, a C Cdose efetiva de Lexapro a metade da dose H Hefetiva de Celexa.L-Aspartil-L-fenilalaninametil ster L-Aspartil-D-fenilalaninametil ster (aspartame) (doce)(amargo) (b) F F N N O OCC N N (S)-Citalopram(R)-Citalopram (c)molcula sua estrutura tridimensional e suas funes tese em uma fbrica, exigem a entrada de energia. Ener-biolgicas.gia tambm consumida no movimento de uma bactria A configurao molecular pode ser alterada somente ou de um velocista olmpico, no piscar de um vaga-lumemediante quebra de ligaes covalentes. Para um to- ou na descarga eltrica de uma enguia. O armazenamentomo de carbono com quatro substituintes diferentese a expresso de informao requerem energia, sem a qual(um carbono quiral), os grupos substituintes podem ser estruturas ricas em informao inevitavelmente se tornamarranjados em duas diferentes formas, gerando este-desordenadas e sem sentido.reoismeros com propriedades distintas. Somente umNo curso da evoluo, as clulas desenvolveram meca-dos estereoismeros biologicamente ativo. A confor-nismos altamente eficientes para aproveitar a energia, ob-mao molecular a disposio dos tomos no espaotida da luz solar ou de combustveis, em vrios processosque pode ser mudada por rotao em torno de ligaes consumidores de energia que precisam ser realizados. Umsimples, sem quebrar ligaes covalentes.dos objetivos da bioqumica compreender, em termos qu- micos e quantitativos, os meios pelos quais a energia ex- Interaes entre molculas biolgicas so quase in- trada, canalizada e consumida nas clulas vivas. As conver-variavelmente estereoespecficas: elas requerem um ses de energia celular como todas as outras conversesexato pareamento complementar entre as molculas de energia podem ser estudadas no contexto das leis dainteragentes. termodinmica.1.3 Fundamentos fsicosOs organismos vivos existem em um estado estacionrioClulas e organismos vivos tm que realizar trabalho paradinmico e nunca em equilbrio com o seu meiose manter vivos e se reproduzir. As reaes de sntese que As molculas e os ons contidos nos organismos vivos dife-ocorrem dentro das clulas, como algum processo de sn-rem em tipo e concentrao daqueles existentes no meio 20. 20 David L. Nelson & Michael M. Coxcircundante. Um paramcio em uma lagoa, um tubaro nores de energia, capazes de interconverter energia qumica,oceano, uma bactria no solo, uma macieira no pomar to-eletromagntica, mecnica e osmtica com alta eficinciados so diferentes na composio se comparados com seu (Fig. 1-24).meio, e uma vez atingida a sua maturidade, eles mantmuma composio aproximadamente constante, apesar das O fluxo de eltrons prov energia aos organismosconstantes alteraes no meio onde se encontram. Apesar de a composio caracterstica de um orga- Praticamente todos os organismos vivos obtm sua energia,nismo mudar relativamente pouco ao longo do tempo, a direta ou indiretamente, da energia radiante da luz solar. Apopulao de molculas dentro do organismo est muitoruptura da molcula da gua promovida pela luz durante alonge do equilbrio esttico. Pequenas molculas, macro-molculas e complexos supramoleculares so continua-mente sintetizados e degradados em reaes qumicas que Nutrientes do meio (molculas complexasenvolvem um constante fluxo de massa e energia atravs Energia potencial como acares e gorduras)do sistema. As molculas de hemoglobina que carregam Luz solaroxignio dos seus pulmes para o seu crebro neste mo-mento foram sintetizadas no decorrer do ltimo ms; no (a)decorrer do prximo ms, elas sero todas degradadas ecompletamente substitudas por novas molculas de he-Transformaes qumicas dentro das clulasmoglobina. A glicose que voc ingeriu na sua ltima refei-o est agora circulando na sua corrente sangunea; an-Transformaestes do final do dia estas molculas de glicose em particularde energia Trabalho celular:estaro todas convertidas em algo diferente dixido de realizam sntese qumicacarbono ou gordura, talvez sendo substitudas por um trabalho trabalho mecnico gradientes eltrico e osmticonovo suprimento de glicose, de forma que a concentrao produo de luzde glicose sangunea mais ou menos constante ao longo transferncia de informaode todo o dia. As quantidades de hemoglobina e glicose nogenticasangue permanecem quase constantes porque a taxa de (b)sntese ou ingesto de cada uma contrabalana a sua taxade degradao, consumo ou converso em algum outro Calorproduto. A constncia da concentrao o resultado doestado estacionrio dinmico, um estado estacionrio que (c)est fora do equilbrio. A manuteno deste estado requero investimento constante de energia; quando a clula no Desordem (entropia) aumentada no meioconsegue mais gerar energia, ela morre e comea a decairpara o estado de equilbrio com o seu meio. A seguir serO metabolismo produzdiscutido o significado exato de estado estacionrio e compostos mais simples do queequilbrio.as molculas combustveis 2 iniciais: CO2, NH3, H2O, HPO4Organismos transformam energia e matria de seu meio (d)Para as reaes qumicas que ocorrem em soluo, pode-se Desordem (entropia)definir o sistema como sendo todos os reagentes e produ- diminuda no sistematos, o solvente que os contm e a atmosfera imediata emresumo, tudo dentro de uma regio definida do espao. OCompostos simples polimerizamsistema e o seu meio juntos constituem o universo. Se opara formar macromolculas ricas em informao: DNA,sistema no troca nem matria e nem energia com seu meio,RNA, protenasento dito isolado. Se o sistema troca energia, mas notroca matria com seu meio, ento dito fechado; se ele (e)troca energia e matria com seu meio, ento um sistemaaberto.FIGURA 1-24 Algumas interconverses de energia em organis- Um organismo vivo um sistema aberto, ele troca tantomos vivos. Durante a transduo de energia metablica, o grau dematria quanto energia com seu meio. Organismos obtmdesordem do sistema mais o do meio (expresso quantitativamenteenergia do meio de duas formas: (1) consomem combust- como entropia) cresce medida que a energia potencial das mo- lculas nutrientes complexas decresce. (a) Organismos vivos ex-veis qumicos (como glicose) do seu meio e extraem energia traem energia do seu meio; (b) convertem parte dela em formas depela oxidao (veja o Quadro 1-3, Caso 2), ou (2) absorvem energia utilizveis para produzir trabalho; (c) devolvem parte daenergia da luz solar. energia ao meio na forma de calor; e (d) liberam, como produto A primeira lei da termodinmica descreve o princpiofinal, molculas que so menos organizadas do que o combustvelda converso de energia: em qualquer mudana fsicade partida, aumentando a entropia do universo. Um efeito de todasou qumica, a quantidade total de energia no universoessas transformaes (e) o aumento de ordem (aleatoriedade di-permanece constante, contudo a forma da energia pode minuda) do sistema na forma de macromolculas complexas. Omudar. As clulas contm sofisticados processos converso-tratamento quantitativo da entropia ser retomado no Captulo 13. 21. Princpios de Bioqumica de Lehninger 21 QUADRO 13 Entropia: as vantagens de ser desorganizadoO termo entropia, que literalmente significa mudana em seudispersos de forma mais aleatria aps a reao de oxidao,interior, foi usado pela primeira vez em 1851 por Rudolf Clau- passando para um total de 12 molculas (6CO2 6H2O).sius, um dos formuladores da segunda lei da termodinmica.Sempre que uma reao qumica resultar no aumento doUma definio quantitativa rigorosa de entropia envolve consi-nmero de molculas ou quando uma substncia slida con-deraes probabilsticas e estatsticas. Entretanto, sua natureza vertida em produtos lquidos ou gasosos, que permitem maiorpode ser ilustrada qualitativamente por trs exemplos simples,liberdade de movimentao molecular que os slidos a desor-cada um demonstrando um aspecto da entropia. A chave para dem molecular aumenta e, em consequncia, a entropia tam-a descrio de entropia a aleatoriedade e a desordem, mani- bm aumenta.festadas de diferentes maneiras.Caso 3: Informao e entropiaCaso 1: A chaleira e a dissipao do calorA seguinte passagem de Jlio Cesar ato IV, Cena 3, falada porSabemos que o vapor gerado na gua em ebulio pode reali-Brutus, quando ele percebe que precisa enfrentar o exrcito dezar trabalho til. Contudo, suponha que apaguemos a chama Marco Antnio. Ela um arranjo no aleatrio e rico em infor-osob a chaleira cheia de gua a 100 C (sistema) na cozinha (o maes feito de 125 letras do alfabeto ingls:meio) e deixemos esfriar. Na medida em que ela esfria nenhum There is a tide in the affairs of men,trabalho feito, mas o calor passa da chaleira para o meio, au- Which, taken at the flood, leads on to fortune;mentando a temperatura do meio (cozinha) por uma quanti- Omitted, all the voyage of their lifedade infinitesimal at que o equilbrio completo alcanado. Is bound in shallows and in miseries.Neste momento, todas as partes da chaleira e da cozinha estoprecisamente na mesma temperatura. A energia livre que esta-Alm do que esta passagem afirma abertamente, ela possui ova concentrada na chaleira com gua a 100 C, potencialmente muitos significados ocultos, no somente refletindo uma com-capaz de realizar trabalho, desapareceu. O seu equivalente de plexa sequncia de eventos na pea, mas tambm ecoando asenergia calorfica continua presente na chaleira cozinha (istoideias da pea sobre conflito, ambio e a demanda por lide-, universo), mas tornou-se completamente aleatrio. Esta rana. Permeada com a compreenso de Shakespeare sobre aenergia no est mais disponvel para realizar trabalho porquenatureza humana, ela muito rica em informao.no existem mais diferenas de temperatura dentro da cozinha. Contudo, se essas 125 letras que fazem essa citao foremAlm disto, o aumento da entropia da cozinha (o meio) ir- distribudas em um padro completamente aleatrio e catico,reversvel. Sabemos pela experincia do cotidiano que o calor como mostrado no quadro abaixo, ela no ter qualquer signi-nunca passa espontaneamente da cozinha de volta para a cha- ficado. oleira para aumentar novamente a temperatura da gua a 100 C. o t n f aCaso 2: A oxidao da glicoset sEntropia um estado no somente da energia, mas da matria. h h e s e a d l I rrt tOrganismos aerbicos (heterotrficos) extraem energia livre da d W l aglicose obtida do meio pela oxidao da glicose com O2, queia f o f s f i ntambm obtido do meio. Os produtos finais deste metabolis-ete i cmo oxidativo, CO2 e H2O, retornam ao meio. Neste processo os e m adiom a i e b d k r nmeio sofre um aumento de entropia, enquanto o organismo per- n a ghoi o l o n tmanece em estado estacionrio e no sofre mudanas em suat T n t l n oordem interna. Apesar de alguma entropia surgir da dissipao en a i o s el a h y f h t sdo calor, a entropia resulta tambm de um outro tipo de desor- i s l e oi er i l edem, ilustrado pela equao da oxidao da glicose: h if am h wh e ds v dC6H12O6 6O2 6CO2 6H2Oe t e n O u r u f t oi e e Pode-se representar isto esquematicamente como 7 molculas12 molculas Nesta forma, as 125 letras possuiro pouca ou nenhuma in-formao, mas so muito ricas em entropia. Tais consideraes CO2levaram concluso de que a informao uma forma de ener- O2(um gs) gia, tendo sido denominada entropia negativa. De fato, o ramo(um gs)da matemtica denominado teoria da informao, que bsico GlicoseH2O para a programao lgica de computadores, est intimamen- (um slido) (um lquido) te relacionado teoria termodinmica. Organismos vivos soestruturas altamente organizadas, no aleatrias, imensamente Os tomos contidos em 1 molcula de glicose mais 6 mo- ricas em informao e, portanto, pobres em entropia.lculas de oxignio, um total de 7 molculas, passam a ficar 22. 22 David L. Nelson & Michael M. Coxfotossntese libera seus eltrons para a reduo do CO2 e a qumica ocorre a uma tempera-liberao de oxignio na atmosfera: tura constante, a variao daenergia livre, G, determina-Luz da pela variao da entalpia, H,refletindo o tipo e o nmero das6CO2 6H2 OC6 H12 O6 6O2ligaes qumicas e a formao e a(reduo de CO2 mediada pela luz) quebra de interaes no covalen-tes, e a variao da entropia, S, Clulas e organismos no fotossintticos obtm a ener- que descreve a variao da aleato-gia que necessitam da oxidao de produtos ricos em ener- riedade do sistema:gia resultantes da fotossntese, passando ento os eltronsadquiridos ao O2 atmosfrico para formar gua, CO2 e ou- G H TStros produtos finais, que so reciclados no meio ambiente.J. Williard Gibbs,1839-1903 onde, por definio, H ne- C6H12O6 O2 6CO2 6H2O energiagativa para uma reao que libera(oxidao da glicose produtora de energia)energia, e S positiva para uma reao que aumenta a ale-Portanto, auttrofos e hetertrofos participam do ciclo atoriedade do sistema. global de O2 e CO2, propulsionado em ltima instncia pelaluz solar, tornando interdependentes esses dois grandes Um processo tende a ocorrer espontaneamente somen-grupos de organismos. Praticamente toda a transduo de te se G for negativo (se energia livre liberada no proces-energia nas clulas se resume a esse fluxo de eltrons de so). J o funcionamento da clula depende basicamente deuma molcula outra, em um fluxo descendente de energiamolculas, como protenas e cidos nucleicos, para as quaispotencial eletroqumica, de forma anloga ao fluxo de el-a energia livre de formao positiva: as molculas so me-trons em um circuito eltrico acionado por uma pilha. Todas nos estveis e mais altamente ordenadas do que a misturaessas reaes envolvidas no fluxo de eltrons so reaes de seus componentes monomricos. Para que estas rea-de oxi-reduo: um reagente oxidado (perda de el-es, consumidoras de energia (endergnicas) e, portan-trons) enquanto outro reduzido (ganho de eltrons). to, termodinamicamente desfavorveis, ocorram as clulasas acoplam a outras reaes que liberam energia (reaesexergnicas), de forma que o processo como um todo A criao e a manuteno de ordem requerem trabalho e exergnico: a soma da variao da energia livre negativa.energia A fonte usual de energia livre em reaes biolgicasComo notado, DNA, RNA e protenas so macromolculasacopladas a energia liberada pela quebra (de fato hidr-de informao; a sequncia precisa de suas subunidadeslise) da ligao fosfoanidrido como aquelas presentes nomonomricas contm informao, exatamente como as le- trifosfato de adenosina (ATP; Fig. 1-25) e no trifosfato detras desta frase. Alm de usar energia qumica para formarguanosina (GTP). Aqui, cada P representa um grupo fos-ligaes covalentes entre estas subunidades, as clulas pre-foril:cisam investir energia para ordenar as subunidades em sua Aminocidos protenas G1 positiva (endergnica)sequncia correta. extremamente improvvel que amino- ATP AMP G2 negativa (exergnica)cidos em uma mistura venham a se condensar espontanea- [ou ATP ADP ]mente em um nico tipo de protena, com uma sequncianica.Quando estas reaes esto acopladas, ento a soma Isto representa aumento da ordem em uma populaode G1 com G2 negativa o processo como um todo de molculas; contudo, de acordo com a segunda lei da ter-exergnico. Por esta estratgia de acoplamento, as clulasmodinmica, a tendncia na natureza mover-se no sentido conseguem sintetizar e manter os polmeros ricos em infor-oposto, sempre de maior desordem no universo: a entropiamao essenciais para a vida.total do universo est continuamente aumentando. Parasintetizar macromolculas a partir de suas unidades mono- Reaes com ligaes de acoplamentomricas, energia livre precisa ser injetada no sistema (neste energtico na biologiacaso, a clula).A questo central em bioenergtica (estudo da transfor-CONVENO-CHAVE: A aleatoriedade ou a desordem dos com- mao de energia em sistemas vivos) o meio atravs doponentes de um sistema qumico expressa como entro- qual a energia do metabolismo energtico ou captura de luzpia, S (Quadro 1-3). Qualquer alterao na aleatoriedade acoplada s reaes celulares que requerem energia. Aodo sistema expressa como variao de entropia, S, que, pensar em acoplamento energtico, til considerar umpor conveno, possui um sinal positivo quando a aleatorie- exemplo mecnico simples, como mostra a Figura 1-26a.dade aumenta. J. Willard Gibbs, que desenvolveu a teoria da Um objeto no topo de um plano inclinado possui uma certavariao de energia durante as reaes qumicas, demons-quantidade de energia potencial como consequncia de suatrou que a energia livre total, G, de qualquer sistemaelevao. Ele tende a deslizar para baixo ao longo do plano,fechado pode ser definida em termos de trs quantidades:perdendo sua energia potencial de posio na medida ementalpia, H, que expressa o nmero e os tipos de ligaes;que se aproxima do solo. Quando um mecanismo com cordaentropia, S; e a temperatura absoluta, T (em Kelvin). A de- de puxar apropriado acopla o objeto em queda a um outro,finio de energia livre G H TS. Quando uma reaomenor, ento o movimento de deslize espontneo do maior 23. Princpios de Bioqumica de Lehninger 23NH2FIGURA 1-25 Trifosfato de adenosina (ATP) prov energia. Aqui cada P representa um grupo fosforil.NC NA remoo do grupo fosforil terminal (sombreadoOO OHCem rosa) do ATP, pela quebra da ligao fosfoani- C CHO P O PO PO CH2 N Ndrido para gerar difosfato de adenosina (ADP) e on O2O OO fosfato inorgnico (HPO4 ) altamente exergnica, e H H esta reao acoplada a vrias reaes endergnicasH Hnas clulas (como no exemplo da Figura 1-26b). ATPOH OHtambm prov energia para vrios processos celulares pela clivagem que libera os dois fosfatos terminais, PP PAdenosina (Trifosfato de adenosina, ATP) 2 resultando em pirofosfato inorgnico (H2P2O7 ), fre- quentemente abreviado como PPi.OO P OH P P Adenosina (Difosfato de adenosina, ADP)OFosfafo inorgnico (Pi)OHOO P O POH P Adenosina (Monofosfato de adenosina, AMP)O OPirofosfato inorgnico (PPi)pode levantar o menor, realizando uma certa quantidade de A magnitude de G depende da reao qumica em particu-trabalho. A quantidade de energia disponvel para realizarlar e o quo longe do equilbrio o sistema inicialmentetrabalho a variao de energia livre, G, sendo sempreestava. Cada composto envolvido em uma reao qumicaum pouco menor do que a quantidade terica de energia li- contm uma certa quantidade de energia potencial, relacio-berada, porque um pouco de energia dissipado como calor nada ao tipo e ao nmero das suas ligaes. Nas reaes quede frico. Quanto maior a elevao de um objeto grande,ocorrem espontaneamente, os produtos possuem menosmaior ser a energia liberada (G) com o deslizamento e energia livre do que os reagentes, portanto a reao liberamaior a quantidade de trabalho que poder ser realizado.O objeto grande pode levantar o menor somente porque,no incio, o objeto grande estava longe da sua posio deequilbrio: ele foi em algum momento anterior elevado aci-(a) Exemplo mecnicoma do solo, processo que precisou da injeo de energia. Como isso se aplica s reaes qumicas? Em sistemasG > 0 G < 0fechados, as reaes qumicas ocorrem espontaneamenteat que o equilbrio seja alcanado. Quando um sistema trabalhoperda de realizado aoenergiaest em equilbrio, taxa de formao de produtos se igua-levantarpotencialla exatamente taxa na qual os produtos so convertidos o objeto de posioem reagentes. Portanto, no existe uma variao lquida naconcentrao de reagentes e produtos. Quando um sistemase move do estado inicial ao estado de equilbrio, ento avariao de energia dada pela variao de energia livre,G, quando no existe variao de temperatura ou presso. Endergnico ExergnicoFIGURA 1-26 Acoplamento energtico em processos qumicos e(b) Exemplo qumicomecnicos. (a) O movimento de queda do objeto libera energia Reao 2:potencial que pode realizar trabalho mecnico. A energia potencial ATP ADP PiReao 3:disponibilizada pelo movimento de queda espontnea, no processo glicose ATP exergnico (em cor-de-rosa), pode ser acoplada ao processo ender- glicose-6-fosfato ADPEnergia livre, Ggnico representado pelo movimento ascendente de um segundoReao 1:objeto (em azul). (b) Na reao 1, a formao de glicose-6-fosfato glicose Pi a partir da glicose e do fosfato inorgnico (Pi) gera um produto com glicose-6-fosfatoG2G3contedo energtico maior que o dos reagentes. Para esta reaoendergnica, G positivo. Na reao 2, a quebra exergnica dotrifosfato de adenosina (ATP) possui uma grande variao negativaG1de energia livre (G2). A terceira reao a soma das reaes 1 e G3 = G1 G22, e a variao da energia livre, G3, a soma aritmtica de G1e G2. Pelo fato de G3 ser negativo, o processo como um todo exergnico e ocorre espontaneamente. Reao coordenada 24. 24 David L. Nelson & Michael M. Coxenergia livre, que por sua vez est disponvel para realizar aA bB cC dDtrabalho. Essas reaes so exergnicas (ou exotrmicas);o declnio na energia livre dos reagentes para os produtosa constante de equilbrio, Keq, dada por cd expresso como um valor negativo. Reaes endergnicas[C]eq [D] eq(ou endotrmicas) requerem uma injeo de energia, e seus Keq ab [A] eq [B] eqvalores de G so positivos. Assim como no processo mec-nico, somente parte da energia liberada na reao qumicaonde [A]eq a concentrao de A, [B]eq a concentra