Bioquímica

INTRODUÇÃO AO ESTUDO DA BIOQUÍMICA

AULA 01

CURSO – ENGENHARIA AGRONÔMICA UNIPAR

INTRODUÇÃO AO CURSO – AULA 02Professor: João Valdir Miranda

Professor: João Valdir Miranda

1 – INTRODUÇÃO AO CURSO- O que a Bioquímica estuda?- A Bioquímica estuda como as moléculas que compõem os organismos vivosInteragem para manter e perpetuar a vida .

- Características dos organismos vivos: - Possuem um alto grau de complexidade química e organização microscópica;

- Sistemas para extrair, transformar, e utilizar a energia do meio ambiente;

- A capacidade precisa de auto-replicação ou auto-reprodução;

- Mecanismos de perceber e responder às alterações no meio que os circundam;

- Funções definidas para cada um de seus componentes e regulação das interações entre eles;

- Uma história de mudanças evolutivas.

Algumas Características dos organismos vivos

C – A reprodução biológica ocorre com quaseperfeira fidelidade.

A – complexidade microscópica e organização. Ex: fibra muscular

B – Um falcon adquire nutrientes se alimentando de um pássaro menor

“O jardim do Édem”de Jan van Kessel (1626-1679)

Uma diversidade de organismos vivosCompartilham características em comum

Os diferentes organismos possuem uma mesma base estrutural (a célula)e os mesmos tipos de macromoléculas,(DNA, RNA, proteínas, etc.) as quais são constituídas pelas mesmas subuni-dades (nucleotídeos, aminoácidos).

Os organismos vivos utilizam os mesmospassos para a síntese dos componentescelulares, compartilham o mesmo códigogenético e derivam dos mesmos ances-trais evolutivos.

Portanto a Bioquímica descreve em termos moleculares as estruturas, mecanismos, e processos químicos compartilhados por todos os organismos vivos e fornece um conhecimento sobre os princípios de organização que fundamentam a vida em todas as suas diversas formas, denominado de “lógica molecular da vida”.

Células A unidade e diversidade de organismos se torna aparente, mesmo

ao nível celular;

O menor organismo consiste de uma única célula (ex. bactérias), o qual é microscópico;

Os organismos multicelulares possuem diferentes tipos de células, as quais variam em tamanho, forma, e funções especializadas;

A despeito das diferenças obvias, todas as células, de um organismo mais simples ao mais complexo, compartilham propriedades fundamentais, as quais podem ser vistas ao nível bioquímico.

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

Características universais das células

Todas as células (eucariontes) possuem um núcleo , uma membrana plasmática e um citoplasma.

CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS CÉLULAS

Células procariontes

Procariotos atuais: Arqueobactéria e Bactéria (Eubactéria e Cianobactéria)

Modelo de célula bacteriana: Escherichia coli – Gram-negativa

1 mm = 10−3 m 1 μm = 10−6 m 1 nm = 10−9 m

Célula Eucarionte

Característica:

Presença de organelas subcelulares circundadas por membranas

1 mm = 10−3 m 1 μm = 10−6 m 1 nm = 10−9 m

grego (eu) verdadeiro(Karyon) núcleo

1. As células constituem as unidades morfológicas e fisiológicas de todos os organismos vivos;

2. As propriedades de um determinado organismo dependem das propriedades das suas células isoladas;

3. As células se originam unicamente de outras células e sua continuidade se mantém através do seu material genético;

4. A menor unidade de vida é a célula.

REFERÊNCIA:

LIVRO - PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA (LEHNINGER) - 4ª EDIÇÃO LEHNINGER, ALBERT L. , COX , NELSON, KAY YARBOROUGH. Ed. Sarvier.

Cap. 1

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INTRODUÇÃO AO CURSO – AULA 02Professor: João Valdir Miranda

A lógica Molecular da Vida – Biomoléculas  - Todos os organismos vivos (animais, vegetais, microrganismos) e as células das quais são constituídos apresentam diferentes níveis de complexidade e diversidade;- No entanto, todos os organismos são compostos por moléculas, denominadas de “Biomoléculas”.

- As biomoléculas, são as moléculas consideradas como “responsáveis” pela vida;- Normalmente são grandes e por isso denominadas de “macromoléculas”;- As biomoléculas são constituídas por um número reduzido de elementos químicos, e os principais são carbono, oxigênio, nitrogênio e hidrogênio, onde representam cerca de 97% da massa viva;- Estes elementos se organizam para formar longas cadeias de átomos de carbono, constituindo macromoléculas como as proteínas, lipídios e carboidratos.

A lógica Molecular da Vida – Biomoléculas

- O Conjunto de macromoléculas diferentes, ou seja, proteínas, carboidratos, lipídios, ácidos nucléicos, etc. irão constituir a célula, os tecidos, os órgãos e toda a constituição do organismo (como as plantas e animais).

Figura – Exemplos de estruturas macromoleculares: Os filamentos de actina (a), microtúbulos (b), e os filamenos intermediários (c), que compõem o citoesqueleto de diferentes tipos celulares.

- As macromoléculas como as proteínas, lipídios, carboidratos (açúcares) e ácidos nucléicos (DNA e RNA) são constituídos de subunidades estruturais:

Macromolécula Subunidade estrutural

Proteína Aminoácidos (20 tipos diferentes)

Carboidratos (ex. açúcares)

Monossacarídeos – ex. glicose

Ácidos nucléicos (DNA e RNA)

Nucleotídeos – adenina, timina, guanina, citosina e uracila (RNA)

Lipídios Ácidos graxos: Oleato, palmitato, Colina

Figura – Componentes estruturais de algumas macromoléculas: (a) aminoácidos, componentes estruturais das proteínas; (b) nucleotídeos, componentes estruturais dos ácidos nucléicos (DNA e RNA); (c) Ácidos graxos, componentes estruturais dos lipídeos.

- As diferentes macromoléculas, como as proteínas, lipídios, carboidratos e ácidos nucléicos, se organizam formando uma hierarquia estrutural para constituir as estruturas celulares:

Figura – Diferentes níveis de organização celular: Nível 1 – Unidades monoméricas; Nível 2 – Macromoléculas; Nível 3 – Complexos supramoleculares; Nível 4 – A célula e suas organelas.

Figura – Diferentes moléculas e macromoléculas que compõem a célula.

Figura – Exemplo da organização das macromoléculas para compor componentes celulares, por exemplo, a membrana plasmática.

As biomoléculas são compostas de átomos de carbono com uma variedade de grupos funcionais.

 - A química dos organismos vivos está organizada em torno dos átomos de carbono (C), os quais compreendem mais do que a metade do peso seco das células; - Os átomos de carbono podem formar pontes simples com átomos de hidrogênio e, pontes simples ou duplas com átomos de oxigênio e nitrogênio: 

Figura – Versatilidade do átomo de carbono em estabelecer ligações. O átomo de carbono pode estabelecer ligações covalentes simples, duplas ou triplas, particularmente com outros átomos de carbono.

- A propriedade dos átomos de carbono de formarem pontes muito estáveis entre si, formando longas cadeias de carbono é de grande importância na biologia.  - Na composição das biomoléculas, os átomos de carbono estão ligados covalentemente entre si formando cadeias lineares, ramificadas ou estruturas cíclicas.

- Aos esqueletos de carbono são adicionados grupos de outros átomos, denominados de grupos funcionais, os quais conferem propriedades químicas às diferentes macromoléculas. - Os grupos funcionais conferem características específicas às biomoléculas, como solubilidade e diferenças no pH em soluções aquosas;

Muitas biomoléculas são polifuncionais, contendo dois ou mais diferentes tipos de grupos funcionais, cada um com sua característica

química e reações.

A “personalidade” química de uma biomolécula é determinada pela química de seus grupos funcionais e sua disposição no espaço tridimensional.

Figura – Relação entre os grupos funcionais e as propriedades químicas das proteínas. Ex. A conformação das estruturas primária, secundária e terciária das proteínas e determinada em grande parte pela interação entre os diferentes grupos funcionais existentes ao longo da cadeia peptídica das proteínas.

A estrutura tridimensional é definida pela configuração e conformação

- Além das ligações covalentes e grupos funcionais das moléculas, a conformação tridimensional dos átomos (esterioisomeria) também é importante para função que elas exercem.

Figura – Diferentes formas de representar as moléculas

- Uma mesma molécula pode assumir diferentes configurações, dependendo do arranjo espacial dos átomos que a compões. Estas diferentes configurações de uma mesma molécula é denominada de isômeros.

Figura – Alguns grupos funcionais em biomoléculas. (R) – qualquer substituinte, desde um átomo de hidrogênio até uma cadeia de hidrocarboneto.

-As interações entre as biomoléculas são invariavelmente esteroespecíficas, requerendo uma esteroquímica específica entre as moléculas.

Figura – Exemplos de tipos de esteroisômeros.

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA: LIVRO - PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA (LEHNINGER) - 4ª EDIÇÃO LEHNINGER, ALBERT L. , COX , NELSON, KAY YARBOROUGH. Ed. Sarvier. Cap. 1

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Professor: João Valdir Miranda

A ÁGUA

A ÁGUA – O Solvente das Reações Bioquímicas- Praticamente todas as reações químicas da célula envolvem água;- A água é o principal componente da maioria das células.- A água é uma molecular polar.

Propriedades Solventes da água.

- A natureza polar da água determina amplamente suas propriedades solventes. Os compostos iônicos, como o cloreto de potássio (KCl, K+ e Cl- em solução), e os compostos polares com cargas parciais (isto é, dipolos), como o etanol (C2H5OH) ou a acetona [(CH3)2C=O], tendem

a se dissolver em água.;

- O princípio físico envolvido é a atração eletrostática entre cargas opostas.

- Substâncias iônicas polares são chamadas de hidrofílicas (“afinidade por água”) – ex: álcoois, aminas e ácidos carboxílicos;

- Moléculas apolares não se dissolvem em água e são chamadas de hidrofóbicas – ex: moléculas de lipídeos, hidrocarbonetos apolares;

- Uma única molécula pode ter porções polares (hidrofílicas) e apolares (hidrofóbicas). As substâncias deste tipo são chamadas de anfipáticas;

- Um ácido graxo de cadeia longa com um grupo de ácido carboxílico polar e uma longa porção apolar de hidrocarboneto é um ótimo exemplo de substância anfipática.

- As moléculas anfipáticas, como muitos lipídeos, tendem a formar, ma presença de água, estruturas chamadas micelas, nas quais os grupos de cabeças polares estão em contato com o meio aquoso e as caudas apolares são isoladas em contato com a água.

- Pontes de Hidrogênio:- É uma interação covalente que tem origem eletrostática e pode ser considerada um caso especial de interação dipolo-dipolo;

- As pontes de hidrogênio são muito mais fracas que as ligações covalentes normais.

Outras pontes de hidrogênio biológicamente importantes (além daquelas com as moléculas de água):

- As pontes de hidrogênio têm um envolvimento essencial na estabilização da estrutura tridimensional de moléculas biologicamente importantes, incluindo o DNA, RNA e as proteínas.

- As pontes de hidrogênio entre as bases complementares são uma das características mais marcantes da estrutura da dupla hélice do DNA;

- O RNA transportador também tem uma estrutura tridimensional complexa caracterizada por regiões com pontes de hidrogênio;

- A ponte de hidrogênio em proteínas origina duas estruturas importantes, as conformações de α-hélice e folha β pregueada, sendo ambas as conformações amplamente encontradas nas proteínas.

Ácidos e Bases: - O comportamento bioquímico de diversos compostos importantes depende de suas propriedades ácido-básicas;

- Um ácido pode ser definido como uma molécula que age como doador de elétrons (íons de hidrogênio);

- Uma base é semelhantemente definida como um aceptor de prótons;

- A velocidade com que ácidos ou bases doam ou recebem prótons depende da natureza química dos compostos envolvidos;

- O grau de dissociação dos ácidos na água, por exemplo, varia entre a dissociação completa para um ácido forte e praticamente nenhuma dissociação para um ácido muito fraco, e qualquer valor intermediário é possível;

- É muito útil ter uma medida numérica para indicar a força de um ácido, que é a quantidade de íons de hidrogênio liberada por um ácido quando uma determinada quantia dele é dissolvida em água. Tal expressão, chamada de constante de dissociação de ácido, ou Ka, pode ser escrita para qualquer

ácido, HA, que reaja de acordo com a equação:

- Nessa expressão os colchetes se referem à concentração molar – isto é, a concentração em moles por litro;

- Para cada ácido, a quantidade Ka tem um valor numérico fixo a uma

dada temperatura. Tal valor é maior para os ácidos mais completamente dissociados: quanto maior o valor de Ka, mais forte

será o ácido.- Rigorosamente falando, a reação ácido-básica é uma reação de transferência de prótons, na qual a água atua como uma base e também como solvente:

- (aq) – solutos em solução aquosa;- (l) – água em estado líquido.

pH e sua relação com as propriedades da água:- As propriedades ácido-básicas da água têm um papel importante nos processos biológicos, graças à função fundamental da água como solvente;- O grau de autodissociação da água em íons de hidrogênio e hidroxila é pequeno, mas o fato de que ela ocorre determina as importantes propriedades de diversos solutos.

- Tanto o íon de hidrogênio (H+) como a hidroxila (OH-) estão associados a várias moléculas de água, assim como todos os íons em solução aquosa, e a própria molécula de água na equação faz parte de um agrupamento de tais moléculas:

Há uma ampla gama de concentrações possíveis de íons hidrogênio e íons hidroxila em solução aquosa, o que torna desejável definir um valor para expressar tais concentrações. Essa quantidade é chamada de pH e é definida como:

pH = - log10[H+]

A água pura com pH 7 é neutra, as soluções ácidas têm valores de pH inferiores a 7 e as soluções básicas têm valores de pH superiores a 7.

Uma quantidade semelhante, o pKa= - log10Ka

O pKa é uma outra medida que indica a força do ácido – quanto menor seu valor, mais forte será o ácido. A situação é o reverso da observada em ka, em que maiores valores implicam ácidos mais fortes.

Monitorando o pH em soluções biológicas:

Muitas reações não ocorrem se o pH não estiver no seu valor ideal. As macromoléculas biológica importantes perdem atividade em extremos de pH. Além disso, algumas conseqüências fisiológicas drásticas podem ser resultantes de flutuações do pH no organismo.

Equação de Henderson-Hasselbalch

Curvas de Titulação:

Titulação é o processo empregado em Química para se determinar a quantidade de substância de uma solução pelo confronto com outra espécie química, de concentração e natureza conhecidas. A substância de interesse em qualquer determinação recebe o nome de analito. A espécie química com concentração definida recebe o nome de titulante, que é, em geral, uma solução obtida a partir de um padrão primário, podendo ser um sal ou uma substância gerada na solução que se deseja valorar. A solução a ter sua concentração determinada recebe o nome de titulado.

Existem vários tipos de titulação, entre elas destacam-se a titulação ácido-base, titulação de oxidação-redução e titulação de complexação

Titulação àcido – base: Neste processo faz-se reagir um ácido com uma base para que se atinja o ponto de equivalência. À medida que é adicionado o titulante ao titulado, o pH da solução (titulante+titulado) vai variar, sendo possível construir um gráfico desta variação, ao qual se dá o nome de curva de titulação. O ponto de equivalência pode variar dependendo da concentração incial do titulante e do titulado.

Tampões e sua importância:

Uma solução-tampão consiste em uma mistura de ácido fraco e sua base conjugada;

As soluções-tampão tendem a resistir a mudanças no pH na adição de pequenas quantias de ácido ou base fortes.

Tampões Biológicos

- Os seres vivos mantêm constante o seu pH interno;

- Os tampões biológicos são aqueles encontrados nos seres vivos; na espécie humana, por exemplo, há tampões capazes de manter o pH do sangue muito próximo de 7,4. Sendo os principais o tampão fosfato, as proteínas e o bicarbonato;

- O sistema tampão fosfato (H2PO4-/HPO4

2-) tem pKa igual a 6,8, constituindo

um tampão apropriado para valores de pH entre 5,8 e 7,8. No plasma, entretanto, a concentração deste tampão é muito baixa, tornando sua eficiência muito reduzida. Intracelularmente (pH do citosol é em torno de 7), sua concentração é maior e sua eficácia é considerável;

- O efeito tamponante das proteínas é devido a grupos ionizáveis dos aminoácidos (-COO-, -NH3

+ etc.), que são ácidos fracos. Entretanto, os valores

de pKa da maioria desses grupos estão muito distantes de 7,4, tornando-os

ineficazes como tampões neste pH

- O bicarbonato (HCO3-): é o sistema mais eficiente na manutenção do pH

plasmático.

REFERÊNCIAS: Livros:

Bioquímica - volume 1 (bioquímica básica). Autores: Mary K. Campbell e Shawn Farrel. Editora – Thomson. Ano 2007. Quinta edição. Capítulo 2 – Água: O Solvente das Reações Químicas.

Bioquímica Básica – Autores: Anita Marzzoco e Bayardo B. Torres. Editora Guanabara Koogan. Terceira Edição. Ano 2007. Capítulo 1 – Sistemas Tampão.

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AMINOÁCIDOS E PEPTÍDEOS INTRODUÇÃO:- As proteínas são macromoléculas contendo um número variável de L-aminoácidos, unidos por ligações peptídicas.

As proteínas são, portanto, polímeros de aminoácidos. As cadeias assim constituídas chamam-se cadeias polipeptídicas e, ao atingirem certa dimensão, recebem o nome de proteína;

É comum considerar proteínas os polipeptídeos com peso molecular a partir de 6.000 dáltons (6 kDa). Embora existam mais de 150 aminoácidos, somente 20 tipos são encontrados nas proteínas:

ESTRUTURA DOS AMINOÁCIDOS:

A estrutura tridimensional dos aminoácidos inclui um grupo amina e um grupo carboxila, ambos ligados ao carbono α:

O grupo R determina a identidade do aminoácido específico;

Forma tridimensional ou esterioquímica:Formas esteroisoméricas dos aminoácidos: (L) esquerda ou (D) direita;Os dois esteroisômeros de cada aminoácido são designados de L- e D-aminoácidos.

Classificação dos aminoácidos:- Os aminoácidos são classificados de acordo com a polaridade do grupo R, em duas grandes categorias: aminoácidos apolares (grupo R hidrofóbico) e aminoácidos polares (grupo R hidrofílico). - Os aminoácidos apolares têm grupos R constituídos por cadeias com caráter de hidrocarboneto, que não interagem com a água. Têm geralmente uma localização interna na molécula de proteína. Pertencem a este grupo: glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina, prolina, fenilalanina e triptofano. - Os aminoácidos classificados como polares são os que têm, nas cadeias laterais, grupos com carga elétrica líquida ou grupos com cargas residuais, que os capacitam a interagir com a água. São geralmente encontrados na superfície da molécula protéica. - Os aminoácidos polares são subdivididos em três categorias, segundo a carga apresentada pelo grupo R em pH7: aminoácidos básicos (lisina, arginina e histidina), se a carga for positiva; aminoácidos ácidos (aspartato e glutamato), se a carga for negativa; e aminoácidos polares sem carga (serina, treonina, tirosina, asparagina, glutamina e cisteína), se a cadeia lateral não apresentar carga líquida.

LIGAÇÃO PEPTÍDICA: Aminoácidos individuais podem ser unidos uns aos outros pela formação de ligações covalentes; A ligação é formada entre o grupo α-carboxila de um aminoácido e o grupo α-amina do seguinte; Uma molécula de água é eliminada no processo e os resíduos do aminoácido ligado permanecem após essa eliminação:

- Os peptídeos são compostos formados pela união de um pequeno número de aminoácidos, que podem variar de dois a várias dezenas; - Em uma proteína, muitos aminoácidos (normalmente mais de cem) são unidos por ligações peptídicas para formar uma cadeia polipeptídica.

REFERÊNCIAS: Livros:- Bioquímica - volume 1 (bioquímica básica). Autores: Mary K. Campbell e Shawn Farrel. Editora – Thomson. Ano 2007. Quinta edição. Capítulo 3 – Aminoácidos e Peptídeos.- Bioquímica Básica – Autores: Anita Marzzoco e Bayardo B. Torres. Editora Guanabara Koogan. Terceira Edição. Ano 2007. Capítulo 2 – Aminoácidos e Proteínas.

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