ATUALIDADES EM QUÍMICA - qnesc.sbq.org.br · PDF fileum grupo amino, em preto, um grupo...

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    QUMICA NOVA NA ESCOLA N 16, NOVEMBRO 2002

    A seo Atualidades em Qumica procura apresentar assuntos que mostrem como a Qumica uma cincia viva, sejacom relao a novas descobertas, seja no que diz respeito sempre necessria reviso de conceitos.

    Recebido em 31/10/02, aceito em 16/11/02

    ATUALIDADES EM QUMICA

    Todos os seres vivos, desde vruse bactrias at seres superiorescomo plantas e animais, soconstitudos de macromolculas res-ponsveis pela grande maioria dassuas funes vitais. A hereditariedade,uma das principais caractersticas dosseres vivos, transmitida de geraoem gerao por intermdio de polme-ros de cidos nuclicos, denominadoscido ribonuclico (RNA) e cidodesoxirribonuclico (DNA). As informa-es contidas nos cidos nuclicosso operacionalizadas por meio da ex-presso de protenas (polmeros deaminocidos), que tm funes de ca-talisar as mais variadas reaes nossistemas biolgicos, como as opera-es de digesto dos alimentos, divi-so celular, leitura e cpia dos cidosnuclicos, entre milhares de outras rea-es. As protenas tambm tm funode transporte de substncias e eltrons(por exemplo, a hemoglobina quetransporta oxignio e gs carbnico),funo de sustentao (por exemplo,o colgeno dos tendes), funo mo-tora nos msculos, funo protetora doorganismo (por exemplo, os anticor-pos), entre muitas outras funes vitais.

    Outras macromolculas presentes nosseres vivos so os polmeros de a-cares, como a celulose que d susten-tao s plantas, o amido que fontede reserva para as sementes e larga-mente usado na alimentao humana,entre muitos outros polissacardeos.

    Os estudos dos genomas tm le-vado ao conhecimento da composiodos cidos nucli-cos e dos genes queeles codificam. Ca-da gene pode geraruma protena. Essesestudos esto bemavanados e vriosseres vivos j tmseus genes conheci-dos ou seqencia-dos. O assinalamen-to dos genes se d por intermdio daleitura do DNA, procurando os sinaisde iniciao e terminao. Dessa formadelimita-se os quadros abertos deleitura (sigla ORF, do ingls, open read-ing frames). Os ORF no necessaria-mente so expressos como protenas.Pode ocorrer que ORF no sejam ex-pressos ou que muitos ORF juntos for-mem uma protena, por meio de jun-

    es alternativas. Muitos genes tam-bm s so expressos durante certafase da vida ou quando o ser vivo estsujeito a estresse. Isto significa que apresena de um gene no neces-sariamente leva produo da respec-tiva protena. Assim, para conhecertodos os mecanismos celulares torna-se necessria a anlise global de todas

    as protenas expressasem uma clula. Esseestudo conhecido co-mo proteoma (em ana-logia ao genoma).

    Uma outra importan-te rea de estudo deprotenas a determi-nao de sua estruturatridimensional, para queseja possvel a correla-

    o entre a estrutura e sua funo bio-lgica. As protenas tm uma estruturatridimensional nica e pequenas mu-danas estruturais podem levar per-da ou reduo de sua atividadebiolgica.

    Pela breve introduo acima pode-se ver que os estudos dos proteomasdas vrias espcies e de como as pro-tenas funcionam so o grande desafiodo nosso tempo. Esses estudos estotornando-se viveis e cada vez maisrpidos graas aos mtodos analticos

    Luiz Alberto Colnago, Fbio C.L. Almeida e Ana Paula Valente

    O Prmio Nobel de Qumica de 2002 foi outorgado ao qumico John B. Fenn e ao engenheiro Koichi Tanakapelo desenvolvimento da espectrometria de massa para anlise de macromolculas biolgicas e ao qumico KurtWthrich pelo desenvolvimento de aplicaes da ressonncia magntica nuclear (RMN) multinuclear e multidi-mensional para determinao da estrutura tridimensional de protenas. As contribuies desses pesquisadorestornaram a Bioqumica a grande cincia do nosso tempo, permitindo a rpida identificao das protenas presentesem uma amostra em soluo, bem como das suas estruturas tridimensionais.

    Prmio Nobel, ressonnica magntica nuclear, espectrometria de massa, protenas, macromolculas biolgicas

    As informaes contidasnos cidos nucleicos sooperacionalizadas pormeio da expresso de

    protenas (polmeros deaminocidos), que tm

    funes de catalisar as maisvariadas reaes nossistemas biolgicos

    Espectrometria de massa e RMN no estudo de macromolculas biolgicas

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    QUMICA NOVA NA ESCOLA N 16, NOVEMBRO 2002Espectrometria de massa e RMN no estudo de macromolculas biolgicas

    desenvolvidos pelos pesquisadoreslaureados com o Prmio Nobel deQumica de 2002. A seguir apresen-tada uma rpida reviso sobre prote-nas para ajudar a entender a impor-tncia do trabalho desses laureados.

    Protenas: da seqncia deaminocidos estrutura quaternria

    As protenas so compostas deunidades estruturais bsicas de mol-culas orgnicas denominadas amino-cidos. Os 20 aminocidos mais co-muns encontrados na natureza e codifi-cados pelo DNA so: glicina (gly),alanina (ala), valina (val), leucina (leu),isoleucina (ile), metionina (met), prolina(pro), fenilalamina (phe), triptofano(trp), serina (ser), treonina (thr), aspa-ragina (asp) glutamina (gln), tirosina(tyr) cistena (cis), lisina (lys), arginina(arg), histidina (his) cido asprtico(asp) e cido glutmico (glu). Na Figura1 est a frmula estrutural bsica deum aminocido, que constitudo deum grupo amino, em preto, um grupocarboxila, em azul, um tomo de hi-drognio, em verde, e uma cadeia late-ral (R), que diferencia os vinte amino-cidos, em roxo. Esses grupos soligados a um carbono assimtrico (me-nos para glicina, na qual a cadeia late-ral tambm um tomo de hidrognio),conhecido como carbono- (C), emvermelho.

    Os aminocidos ligam-se entre sipara formar peptdeos ou protenas por

    meio dos grupos amino e carboxila, for-mando uma ligao peptdica pela eli-minao de molculas de gua, con-forme mostrado na Figura 2.

    Uma protena composta de deze-nas a centenas de aminocidos e a se-qncia de ligao determinadapelos cidos nuclicos (cido desoxirri-bonuclico-DNA ou cido ribonuclico-RNA) responsveis pela hereditarie-dade.

    A estrutura das protenas descritaem quatro nveis de organizao (Fi-gura 3):

    1- Estrutura primria - seqncia deaminocidos da cadeia polipeptdica.

    2- Estrutura secundria - arranjo es-pacial bsico de parte de uma cadeia

    polipeptdica na forma de hlices,folhas, voltas etc.

    3- Estrutura terciria - estrutura tri-dimensional de uma protena, com adisposio espacial das unidades deestruturas secundrias e das cadeiaslaterais.

    4- Estrutura quaternria - algumasprotenas so compostas de mais deuma cadeia polipeptdica (subunida-de). O arranjo espacial dessas subuni-dades conhecido como estruturaquaternria de uma protena. Uma pro-tena pode consistir de cadeias poli-peptdicas idnticas e no idnticas. Ahemoglobina, por exemplo, constitu-da de cadeias polipeptdicas no idn-ticas.

    Figura 1: Frmula estrutural bsica de umaminocido, destacando os diferentescomponentes: em preto, grupo amino; emazul, grupo carboxila; em verde, tomo dehidrognio; em roxo, cadeia lateral (R), quediferencia os vinte diferentes aminocidos;em vermelho, carbono assimtrico (menospara glicina, na qual a cadeia lateral tam-bm um tomo de hidrognio), conhecidocomo carbono- (C).

    Figura 3: Nveis de organizao das estruturas da protenas: a) estrutura primria; b) estruturasecundria (hlice ); c) estrutura terciria da -hemoglobina e d) estrutura quaternria dahemoglobina.

    Figura 2: Reao de formao de um dipeptdeo a partir de dois aminocidos, destacando-se a ligao peptdica em vermelho. Note que em uma das pontas do dipeptdeo h umgrupo amino livre e na outra um grupo carboxila. Portanto esse dipeptdeo pode se combinarcom outros aminocidos, formando cadeias mais longas chamadas polipeptdeos; protenasso polipeptdeos.

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    QUMICA NOVA NA ESCOLA N 16, NOVEMBRO 2002Espectrometria de massa e RMN no estudo de macromolculas biolgicas

    Como mostrado a seguir, os traba-lhos de Fenn e Tanaka esto relacio-nados determinao da massa mo-lecular de protenas e os de Wthrich determinao das estruturas tridi-mensionais de protenas em soluo.

    Espectrometria de massa demacromolculas biolgicas

    Em 1912, J. J. Thompson demons-trou que era possvel separar molcu-las na fase gasosa por diferenas demassa e carga, que o princpio defuncionamento dos espectrmetros demassa. H vrios tipos de espectr-metros de massa, mas todos eles re-querem a gaseificao e ionizao daamostra, acelerao da molcula car-regada por um campo eltrico, disper-so dos ons de acordo com a razomassa/carga (razo m/z) e a detecodos ons e registro do sinal.

    A espectrometria de massa (EM) uma tcnica largamente utilizada pelosqumicos na anlise de molculas pe-quenas ou de tamanho mdio. O m-todo to sensvel que hoje usadorotineiramente na anlise de substn-cias em baixa concentrao, como nocaso de doping, controle de alimentos,contaminao ambiental, entre muitasoutras reas de aplicao.

    A aplicao da EM na anlise de ma-cromolculas s comeou a ter sucessona dcada de 70, quando se conseguiulevar macromolculas forma de gsionizado. O grande avano nessa reaocorreu com o desenvolvimento datcnica de ionizao por spray eletros-ttico (ESI - do ingls electrospray ioni-zation), por Fenn, e da tcnica dedessoro suave por laser (SLD - doingls soft laser desorption), por Tanaka.Com esses desenvolvimentos, a EMpassou a ser largamente usada noestudo de macromolculas biolgicas,principalmente no estudo de protenas.

    Contribuio de John B. FennO grande desafio de ionizar macro-

    molculas foi tema de estudo de mui-tos pesquisadores, mas muitas dastcnicas desenvolvidas produziramons muito grandes ou ons difceis deserem vaporizados sem decomposi-o substancial. Fenn trabalhou comuma dessas tcnicas, a ESI. A Figura4 apresenta o diagrama de um espec-

    trmetro de massa com ESI, que con-siste em submeter a amostra a um fluxoem uma pequena agulha em um com-partimento contendo nitrognio seco.A diferena de potencial entre a agulhae as paredes do compartimento dequilovolts; assim, entre a sada da agu-lha e o compartimento h