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1VALTER T. MOTTA

Captulo

BIOQUMICA BSICA

Introduo bioqumica

1Introduo Bioqumica

Objetivos1 2 3 4 5 6 7 Relacionar a importncia da gua a suas propriedades fsicas e qumicas. Definir pH, pK, tampo e seu significado biolgico. Descrever as propriedades biologicamente importantes do carbono. Descrever a estrutura tridimensional das molculas biolgicas. Descrever as macromolculas como polmeros de pequenas molculas. Descrever as molculas hbridas como conjugados de diferentes classes de molculas biolgicas. Diferenciar as clulas procariticas das clulas eucariticas

A bioqumica estuda as estruturas moleculares, os mecanismos e os processos qumicos responsveis pela vida. Os organismos vivos continuamente efetuam atividades que permitem a sua sobrevivncia, crescimento e reproduo. Para realizar as suas funes, os seres vivos dependem da capacidade de obter, transformar, armazenar e utilizar energia. Sem energia ocorre a perda da vitalidade e a morte celular. A maioria dos constituintes moleculares apresenta formas tridimensionais que executam inmeras reaes qumicas entre si para manter e perpetuar a vida. Em bioqumica, a estrutura, a organizao e as atividades potenciais dessas molculas so examinadas na tentativa de elucidar que aspectos promovem as indispensveis contribuies manuteno da vida. Os organismos vivos so estruturalmente complexos e diversificados. Todavia, muitas caractersticas so comuns a todos eles. Todos fazem uso das mesmas espcies de molculas e extraem a energia do meio ambiente para as suas funes. Quando as molculas que compem os seres vivos so isoladas, esto sujeitas a todas as leis da qumica e da fsica que regem o universo no vivo. Apesar da grande diversidade dos processos bioqumicos que envolvem a integrao funcional de milhes de molculas para manter e perpetuar a vida, a ordem biolgica conservada por vrios processos: (1) sntese de biomolculas, (2) transporte de ons e molculas atravs das membranas biolgicas, (3) produo de energia e movimento e (4) remoo de produtos metablicos de excreo e substncias txicas.

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Motta Bioqumica Laboratrio Autolab Ltda.

A quase totalidade das reaes qumicas que ocorre nos seres vivos so catalisadas por enzimas protenas com funes catalticas. As reaes celulares, conhecidas coletivamente como metabolismo, resultam de atividades altamente coordenadas. Os tipos mais comuns de reaes encontradas nos processos bioqumicos so: (1) substituio nuclefila, (2) eliminao, (3) adio, (4) isomerizao e (5) oxidao e reduo. Os seres vivos so formados por uma grande variedade de molculas, tais como: carboidratos, lipdeos, protenas, cidos nuclicos e compostos relacionados. Alm dessas, outras substncias esto presentes em pequenas quantidades: vitaminas, sais minerais, hormnios, etc. Muitos desses compostos se caracterizam por um ou mais grupos cidos ou bsicos em suas molculas e ocorrem em soluo aquosa como espcies ionizadas. A ionizao tem lugar em gua, sendo este um pr-requisito para muitas reaes bioqumicas. O grau de dissociao ou a extenso da ionizao de um grupo qumico em particular e, portanto, a reatividade bioqumica da molcula, amplamente influenciada pela concentrao do on hidrognio da soluo. Isto aplicvel tanto para as vias metablicas, como tambm para os catalisadores biolgicos (enzimas), que controlam as reaes celulares.

1.2 gua: o meio da vidaA gua compe a maior parte da massa corporal do ser humano. o solvente biolgico ideal. A capacidade solvente inclui ons (ex.: Na + , K + e Cl ), acares e muitos aminocidos. Sua incapacidade para dissolver algumas substncias como lipdeos e alguns aminocidos, permite a formao de estruturas supramoleculares (ex.: membranas) e numerosos processos bioqumicos (ex.: dobramento protico). Nela esto dissolvidas ou suspensas as molculas e partculas necessrias para o bom funcionamento celular. Reagentes e produtos de reaes metablicas, nutrientes, assim como produtos de excreo, dependem da gua para o transporte no interior das clulas e entre as clulas. As interaes fracas so os meios pelos quais as molculas interagem entre si enzimas com seus substratos, hormnios com seus receptores, anticorpos com seus antgenos. A fora e a especificidade das interaes fracas so grandemente dependentes do meio onde ocorrem, sendo que a maioria das interaes biolgicas tem lugar na gua. Duas propriedades da gua so especialmente importantes para a existncia dos seres vivos: A gua uma molcula polar. A molcula de gua no-linear com distribuio da carga de forma assimtrica. A gua altamente coesiva. As molculas de gua interagem entre si por meio de pontes de hidrognio. A natureza altamente coesiva da gua afeta as interaes entre as molculas em soluo aquosa.

A. Estrutura da gua A gua uma molcula dipolar formada por dois tomos de hidrognio ligados a um tomo de oxignio. Cada tomo de

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hidrognio possui uma carga eltrica parcial positiva (+ ) e o tomo de oxignio, carga eltrica parcial negativa ( ). Assim, o compartilhamento dos eltrons entre H e O desigual, o que acarreta o surgimento de dois diplos eltricos na molcula de gua; um para cada ligao HO. O ngulo de ligao entre os hidrognios e o oxignio (HOH) 104,3 , tornando a molcula eletricamente assimtrica e produzindo diplos eltricos (Figura 1.1). Ao se aproximarem, as molculas de gua interagem, pois a carga eltrica parcial positiva do hidrognio de uma molcula atrai a carga eltrica parcial negativa do oxignio de outra molcula de gua adjacente, resultando em uma atrao eletrosttica denominada ponte de hidrognio. Quatro molculas de gua podem interagir produzindo uma estrutura quase tetradrica estabilizada por pontes de hidrognio (Figura 1.1).+

H O H+

104.3

H H O H O H H

H O H

Figura 1.1 Estrutura da molcula de gua. O ngulo de ligao H-O-H 0 104,3 e tanto os hidrognios como o oxignio possuem cargas eltricas parciais criando um dipolo eltrico. A parte inferior da figura mostra quatro molculas de gua interagindo para formar uma estrutura estabilizada por pontes de hidrognio.

O H H

B. Interaes no-covalentes As interaes no-covalentes so geralmente eletrostticas; elas ocorrem entre o ncleo positivo de um tomo e a nuvem eletrnica de outro tomo adjacente. De modo diferente das ligaes covalentes, as interaes no-covalentes so individualmente fracas e facilmente rompidas (Tabela 1.1). No entanto, coletivamente elas influenciam de modo significativo as propriedades qumicas e fsicas da gua e as estruturas, propriedades e funes das biomolculas (protenas, polissacardeos, cidos nuclicos e lipdeos) pelo efeito cumulativo de muitas interaes. O grande nmero de interaes nocovalentes estabiliza macromolculas e estruturas supramoleculares, de tal modo que essas ligaes sejam rapidamente formadas ou rompidas permitindo a flexibilidade necessria para manter os processos dinmicos da vida. Nos organismos vivos, as interaes no-

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covalentes mais importantes so: pontes de hidrognio, interaes inicas, interaes hidrofbicas e interaes de van der Waals.Tabela 1.1 Energia de dissociao de ligao (energia necessria para romper a ligao) de ligaes encontradas nos seres vivos Tipo de ligao Ligaes covalentes Ligaes nocovalentes Interaes eletrostticas (ligaes inicas) Pontes de hidrognio Interaes hidrofbicas Foras de Van der Waals 480 1230 312 0,39 Energia de dissociao de 1 ligao (kJmol ) >210

C. Propriedades solventes da gua A natureza polar e a capacidade de formar pontes de hidrognio, torna a gua uma molcula com grande poder de interao. A gua solvata facilmente as molculas polares ou inicas pelo enfraquecimento das interaes eletrostticas e das pontes de hidrognio entre as molculas competindo com elas por suas atraes (efeito hidroflico, do grego que gosta de gua).H+

H+

H

O

O

H

+H+

O H

O H

+

H

O H H O+ +

H H+

O

H

H

Figura 1.2 Solvatao de ons. A carga do on orienta os dipolos das molculas da gua.

A gua dissolve sais como o NaCl por hidratao e estabilizao dos ons Na + e Cl , enfraquecendo as interaes eletrostticas, e assim impedindo a associao para formar uma rede cristalina.

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Cl Na Cl Na

Na Na Cl Na Cl Cl Na Cl Na

Cl Na Cl Na Cl Cl Na Cl Na+ Cl Na Cl Na

Figura 1.3 Dissoluo de sais cristalinos. A gua dissolve o NaCl (e outros sais + cristalinos) por meio da hidratao dos ons Na e Cl . medida que as molculas de gua se agrupam ao redor dos ons Cl e Na a atrao eletrosttica necessria para a formao da rede cristalina de NaCl rompida.+

A gua dissolve biomolculas com grupos ionizveis e muitas com grupos funcionais polares, porm nocarregadas, por formar pontes de hidrognio com os solutos. Essas associaes so formadas entre a gua e os grupos carbonila, aldedico, cetnico e hidroxila dos lcoois. As biomolculas ou grupamentos no-polares so insolveis em gua, pois as interaes entre as molculas de gua so mais fortes que as interaes da gua com compostos nopolares. Os compostos nopolares tendem a se aglomerar em gua (efeito hidrofbico, do grego que teme a gua). As interaes hidrofbicas so as principais foras propulsoras no enovelamento de macromolculas (exemplo, protenas). D. Molculas anfiflicas Um grande nmero de biomolculas, denominadas anfiflicas (ou anfipticas), contm tanto grupos polares como grupos no-polares. Essa propriedade afeta significativamente o meio aquoso. Por exemplo, os cidos graxos ionizados so molculas anfipticas porque contm grupos carboxilatos hidroflicos e grupos hidrocarbonetos hidrofbicos. Quando misturados com a gua, as molculas anfiflicas se agregam formando estruturas estveis chamadas micelas. Nas micelas, as regies carregadas (grupos carboxilatos), denominadas cabeas polares, so orientadas pa