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    Universidade Federal da Paraba Universidade Aberta do Brasil

    UFPB VIRTUAL COORDENAO DO CURSO DE LICENCIATURA EM CINCIAS BIOLGICAS DISTNCIA

    Caixa Postal 5046 Campus Universitrio - 58.051-900 Joo Pessoa

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    UFPB

    Reitor

    Rmulo Soares Polari

    Pr-Reitor de Graduao

    Valdir Barbosa Bezerra

    UFPB Virtual

    Coordenador

    Lucdio dos Anjos Formiga Cabral

    Centro de Cincias Exatas e da Natureza

    Diretor

    Antnio Jos Creo Duarte

    Departamento de Sistemtica e Ecologia

    Chefe

    Juraci Alves de Melo

    Curso de Licenciatura em Cincias Biolgicas Distncia

    Coordenador

    Rafael Angel Torquemada Guerra

    Coordenao de Tutoria

    Mrcio Bernardino da Silva

    Coordenao Pedaggica

    Isolda Ayres Viana Ramos

    Coordenao de Estgio

    Paulo Csar Geglio

    Apoio de Designer Instrucional

    Luizngela da Fonseca Silva

    Artes, Design e Diagramao

    Romulo Jorge Barbosa da Silva

    Apoio udio Visual

    Edgard Adelino Ruiz Sibro

    Ilustraes

    Christiane Rose de Castro Gusmo

    Fotos da contracapa: Rafael Angel Torquemada Guerra

    Arte e Montagem da Contracapa: Romulo Jorge Barbosa da Silva

  • Este material foi produzido pelo curso de Licenciatura em Cincias Biolgicas a Distncia da Universidade Federal da Paraba. A reproduo do seu contedo

    est condicionada autorizao expressa da UFPB.

    C 569 Cadernos Cb Virtual 1 / Rafael Angel Torquemada Guerra ... [et al.].- Joo Pessoa: Ed. Universitria, 2011. 516 p. : II. ISBN: 978-85-7745-678-9 Educao a Distncia. 2. Biologia I. Guerra, Rafael Angel Torquemada. UFPB/BC CDU: 37.018.43

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    INTRODUO

    Futuro professor de Cincias Biolgicas; a Bioqumica uma cincia multidisciplinar muito

    importante, com notvel progresso recente e impacto em outras cincias. A disciplina estuda os componentes qumicos dos organismos e como estes interagem para manter e perpetuar a vida. Nesta primeira etapa de construo de conhecimentos, o enfoque da disciplina dado sobre a estrutura e funo das biomolculas - aminocidos, peptdeos, protenas, enzimas, carboidratos, lipdeos, dentre outros. Tambm dado destaque a importncia biolgica e propriedades fsico-qumicas da gua, alm dos sistemas-tampo e pH.

    A Bioqumica pode parecer desconcertante para o aluno que termina de ingressar em seu universo, sobretudo porque faz uso de explicaes causais e funcionais, que na maioria das vezes provocam conflito com o senso comum. Neste sentido, espera-se que o moderno aprendizado de Bioqumica no seja meramente apresentado na forma de tpicos de Qumica ou de Biologia. Para superar essas dificuldades e conscientizar o alunado, essencial que voc, futuro professor, desperte a curiosidade por um conhecimento mais profundo, que s ser conseguido atravs do hbito de relacionar os conceitos da disciplina com fatos de nosso dia-a-dia. Dessa forma, a disciplina de Bioqumica Estrutural, construda atravs da insero do complemento prtico, possibilita gerar quadros de conhecimentos prvios e descrever processos bioqumicos a partir de produtos e fenmenos corriqueiros, como por exemplo: a ao de limpeza dos sabes e detergente sobre as gorduras; as reaes entre carnes e refrigerantes de cola ou maisena e saliva; efeito do fermento sobre o crescimento da massa do po; a extrao de DNA de cebola, ou morango etc. Sem dvida alguma, a discusso terico-prtica desses processos fornecer bases interdisciplinares para a melhor compreenso dos conhecimentos abordados nas disciplinas de Fisiologia, Gentica, Biotecnologia, Biologia Celular e Molecular; contribuindo para o reconhecimento da disciplina na formao do profissional de Cincias Biolgicas.

    O propsito deste livro prover o graduando de Bioqumica de uma base educativa facilmente assimilvel de conhecimentos fundamentais. Para isso, os contedos abordados no texto foram propositalmente dispostos numa forma simples, direta e objetiva. Esperamos que o livro alm de ser til na fase acadmica, seja uma fonte de consulta auxiliar no seu cotidiano profissional.

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    BIOQUMICA ESTRUTURAL Prof. Carlos Alberto de Almeida Gadelha

    UNIDADE 1

    BIOQUMICA, BIOMOLCULAS, GUA, PH E SISTEMA TAMPO

    1. LGICA MOLECULAR DA VIDA, BIOMOLCULAS E BIOQUMICA

    Voc j parou pr pensar que existe um universo molecular dinmico que torna sustentvel a vida das diferentes espcies biolgicas? Os complexos organismos vivos so formados a partir de elementos simples como carbono (C), hidrognio (H), oxignio (O) e nitrognio (N). Combinaes de carbono, hidrognio e oxignio formam os carboidratos, de onde obtemos nossa energia. Com a adio do nitrognio, so formados os aminocidos que unidos so os blocos construtivos das protenas, fundamentais para a manuteno da vida. A adio do fsforo completa os ingredientes necessrios para a montagem dos cidos nuclicos, capazes de manter e perpetuar a vida. Estes mesmos tomos compem os lipdeos, que juntamente com carboidratos e protenas, estruturam as membranas da unidade bsica e fundamental da vida a clula. Todas as clulas so capazes de metabolizar os compostos formados por estes elementos bsicos, transformando-os em energia ou em compostos capazes de armazenar energia ou informao gentica, sendo capazes de autoperpetuarem-se e de adaptar-se s modificaes impostas pelo ambiente. Apesar da grande diversidade dos seres vivos, seus componentes e processos ao nvel molecular so extraordinariamentesemelhantes. Neste contexto, a Bioqumica procura explicar a vida no nvel molecular, descrevendo como a interao entre os compostos contribui para a manuteno do estado vital.

    Agora, imagine a seguinte situao: Numa misso exploratria a um novo planeta os potentes instrumentos de uma sonda espacial no tripulada foram projetados para deteco precisa de indcios de qualquer forma de vida. Que tipos de experimentos poderiam ser feitos visando confirmar a existncia de vida bacteriana nesse planeta ? Uma boa resposta a essa pergunta seria o fato de que, apesar da matria inanimada ser formada pelos mesmos elementos (C, H, O e N), difere da matria viva por no possuir compostos que podem ser degradados gerando energia ou sintetizados consumindo energia, atravs de um processo inerente aos seres vivos - o metabolismo. Voc pode ainda argumentar, quanto a presena de gua, molculas orgnicas complexas, etc.

    Os seres vivos, com exceo dos vrus, so formados por clulas, podendo ser classificadas em procariticas ou eucariticas. As clulas so constitudas por molculas, das quais a mais abundante a gua, mas no se trata apenas de um amontoado de partculas. Em funo destas afirmaes, quais caractersticas bioqumicas voc utilizaria para diferenciar os seres vivos da matria inanimada?

    Por serem formados por molculas que desempenham funes especficas, como protenas, carboidratos, lipdeos e cidos nuclicos, os seres vivos so complexos e altamente organizados. Cabem s protenas com funo cataltica as enzimas, a tarefa de montar e desmontar as biomolculas, macromolculas biolgicas que reunidas formam a clula viva. As enzimas so as operrias do metabolismo, uma vez que por meio delas que no catabolismo se degradam compostos produzindo energia, que ser utilizada no anabolismo para a sntese de novas molculas biolgicas. nos compartimentos celulares que os seres vivos desempenham a

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    tarefa de extrair, transformar e usar energia do seu ambiente para realizar trabalho, quer seja na forma dos nutrientes orgnicos ricos em energia presentes nos alimentos que ingerimos ou na energia solar captada das plantas que em ltima instncia ser usada na sntese de acares (carboidratos). Por fim, os organismos vivos so capazes de se autoperpetuar devido capacidade de autorreplicao precisa atravs do cdigo gentico contido nos cidos nuclicos, que possibilita manter e passar esta informao para seus descendentes.

    Para trazer resposta aos fenmenos biolgicos que sustentam a vida que existe a

    cincia Bioqumica. A Bioqumica simplesmente o estudo da base molecular da vida. Seu objetivo bsico determinar como uma coleo de molculas inanimadas, que constituem os organismos vivos, interage entre si para manter e perpetuar o estado vital. E voc, o que pretende descobrir com o uso dos conhecimentos fundamentais da Bioqumica?

    J foi descoberto uma srie de princpios bioqumicos que constituem a lgica

    molecular da vida, so exemplos: as clulas eucariticas funcionam em conjunto e a evoluo dos organismos multicelulares depende da expresso da sua informao de formas distintas. A matria viva obedece a princpios bsicos que so chamados de princpios da lgica molecular da vida. Estes princpios esto baseados na entropia mxima que significa tendncia desorganizao, e da economia mxima (parcimnia) da clula onde todos os compostos que chegam at o interior de uma clula somente so convertidos (degradados) para gerar energia quando necessrio; caso contrrio, sero armazenados. As macromolculas encontradas nos organismos vivos possuem uma simplicidade bsica por serem formadas pelos quatro elementos simples: carbono, oxignio, nitrognio e hidrognio. A formao de biomolculas a partir dessas unidades fundamentais, faz com que cada clula seja capaz de desempenhar sua funo de forma especfica e manter suas estruturas complexas ordenadas e diferenciadas. Para manter estas estruturas, as clulas precisam de molculas denominadas enzimas que so catalisadores biolgicos capazes de degradar compostos, produzindo energia e de sintetiz-los utilizando a energia liberada pela degradao. Alm disso, para manuteno da organizao celular, tambm ocorrem trocas de energia menos til (calor) e de matria (CO2 e H2O) com o meio ambiente. Todas essas transformaes so realizadas de forma coordenada a temperatura constante. Os organismos vivos so capazes de preservar as suas caractersticas que ficam armazenadas em dimenses submoleculares nos nucleotdeos que compem os cidos nuclicos. A posse destes distintos conjuntos de biomolculas responsvel pela identidade de cada espcie de organismo.

    Em resumo, uma clula viva um sistema isotrmico de molculas orgnicas

    automontadas, autocontroladas e autoperpetuveis, que extrai energia livre e matria-prima do meio ambiente; a clula realiza muitas reaes orgnicas consecutivas, promovidas por catalisadores orgnicos que ela prpria produz; a clula se mantm num estado de equilbrio dinmico e funciona sob o princpio de economia mxima; a quase precisa autorreplicao da clula, atravs de muitas geraes, garantida por um sistema linear de codificao autorreplicvel. 2. ESTRUTURA E PROPRIEDADES DA GUA

    Voc j ouviu dizer que gua vida. No a toa que a gua a substncia mais abundante nos seres vivos, perfazendo muitas vezes mais que 70% do peso da maioria das

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    formas de vida; pois ela o meio onde ocorrem todas as reaes dos organismos vivos. Ela participa de diversas transformaes qumicas e interage com outras molculas tornando-as solveis ou parcialmente solveis. A molcula de gua pode sofrer dissociao (H2O H+ + -

    OH ) formando os ons H+ (hidrognio) e OH (hidroxila) que influenciam profundamente as estruturas das macromolculas e o pH das solues biolgicas. A gua pode interagir com compostos no interior das clulas. Na reao de sntese de um peptdeo, uma molcula de gua produzida por desidratao (Figura 1A) e na digesto de um dissacardeo, por hidrlise so produzidas duas molculas de glicose (Figura 1B).

    Figura 1. Reaes de desidratao (A) e de hidrlise (B) onde participam a molcula da gua

    Todos os aspectos estruturais e funcionais das biomolculas (carboidratos, lipdeos,

    protenas, cidos nuclicos) esto adaptados de acordo com as propriedades fsicas e qumicas da gua. A proporo da gua no interior da clula vai variar de acordo com o organismo, rgo ou tecido (Tabela 1). A gua pode ser eliminada dos organismos atravs de vrias vias. Geralmente nos animais atravs da pele, pulmes, rins e intestino e nos vegetais, atravs da evaporao, sendo feita principalmente pelos estmatos. Outra forma de eliminao nos vegetais por meio da sudao ou gutao, na qual a gua eliminada na forma de gotculas por aberturas especiais encontradas principalmente nas bordas e nas pontas das folhas.

    Tabela 1. Variao no percentual de gua em organismos, rgos e tecidos* Organismo, rgo ou tecido Teor de gua (%) Homem Adulto 65 Feto 94 Crebro 80 Tecido Adiposo 20 Clulas sseas 20

    * Varia conforme organismo, atividade metablica, idade, estado fisiolgico.

    Para melhor compreender as virtudes da molcula da gua importante o conhecimento da estrutura da molcula de gua. A molcula da gua consiste na ligao covalente de dois tomos de hidrognio com um tomo de oxignio. Dessa forma, a molcula da gua apresenta arranjo geomtrico quase tetradrico, onde o tomo de oxignio se dispe de forma central e os tomos de hidrognio em dois de seus vrtices. Como o oxignio presente na molcula de gua mais eletronegativo (ou seja, possui maior tendncia em atrair para si os eltrons em uma ligao

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    qumica) que o hidrognio, esta diferena gera duas cargas positivas parcialmente localizadas (+) distribudas para cada um dos tomos de hidrognio e duas cargas negativas parcialmente localizadas (-) em torno do tomo de oxignio. A presena dessas cargas explica a natureza dipolar da gua (Figura 2).

    Figura 2. Estrutura, distribuio das cargas parciais e formao das pontes de hidrognio entre molculas de

    gua

    A polaridade da molcula de gua confere a ela vrias propriedades fsicas. Pode-se evidenciar a orientao do tomo de oxignio parcialmente negativo de uma molcula de gua com o tomo de hidrognio parcialmente positivo de uma molcula de gua vizinha. Essa interao, de natureza eletrosttica, que ocorre entre essas duas molculas chamada de pontes de hidrognio.

    Por apresentar um arranjo de duas cargas parciais negativas e duas cargas parciais positivas, uma molcula de gua pode interagir, atravs de pontes de hidrognio, com at quatro outras molculas de gua, como ocorre em um cristal de gelo. Estas ligaes so

    feitas e desfeitas a cada 10-12s, e geram uma estrutura semelhante a um anel hexagonal (Figura 3).

    Figura 3. Pontes de hidrognio entre molculas de gua no cristal de gelo.

    Devido estrutura quase tetradrica apresentada pela

    molcula de gua e pelo seu carter dipolar, esta molcula possui um ponto de fuso, ebulio e calor de vaporizao maior que os apresentados pelos demais lquidos comuns (Tabela 2), isto ocorre

    como consequncia da possibilidade de realizar um maior nmero de pontes de hidrognio. Tabela 2. Pontos de fuso, ebulio e calor de vaporizao de alguns lquidos.

    Solvente Ponto de fuso (oC)

    Ponto de ebulio (oC)

    Calor de vaporizao (cal/g)*

    gua 0 100 540 Metanol -98 65 263 Etanol -117 78 204 Propanol -127 97 264

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    Hexano -98 69 101 *Quantidade de energia calorfica necessria para converter 1g de um lquido, no seu

    ponto de ebulio, ao seu estado gasoso. Tambm por causa da capacidade de formao das pontes de hidrognio, a gua

    apresenta alta coeso e mnima distenso; caractersticas estas que permitem que alguns insetos consigam andar sobre ela (tenso superficial), e explica porque ela permanece lquida a temperatura de 25C enquanto que compostos como o CH4 e H2S, so gases nessa mesma temperatura.

    A natureza polar da gua que faz com que muitos compostos sejam nela dissolvidos com facilidade, sendo por isso mesmo considerada como o solvente universal. Compostos que se dissolvem facilmente na gua so ditos hidroflicos e os que no se dissolvem em gua so ditos hidrofbicos.

    Os compostos que apresentam cargas, chamados de compostos inicos, como o cloreto de sdio (NaCl) e cloreto de potssio (KCl) se dissociam facilmente em gua formando os ons Na+ e Cl e K+ e Cl-, respectivamente. Este tipo de dissociao ocorre devido atrao eletrosttica que ocorre entre as cargas negativas do oxignio presentes na molcula de gua com as cargas positivas do Na+, K+; bem como com as cargas positivas do hidrognio da molcula de gua com as cargas negativas do Cl- (Figura 4).

    Figura 4. Dissoluo do cloreto de sdio (NaCl) em gua.

    As interaes on-dipolo,

    dipolo-dipolo que ocorrem entre molculas de gua e molculas orgnicas (protenas, carboidratos) que contenham enxofre (S-H), nitrognio (N-H) e oxignio (O-H), permitem que estas sejam facilmente dissolvidas pela gua. As molculas capazes de se dissolver em gua so denominadas de hidroflicas, por serem molculas inicas no polares (Figura 5).

    Figura 5. Pontes de hidrognio entre aceptores e doadores de hidrognio.

    Molculas como os lipdeos cujas

    interaes on-dipolo, dipolo-dipolo no so estabelecidas com a molcula de gua, so insolveis, portanto,

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    hidrofbicas. Podem ocorrer algumas interaes induzidas de dipolo-dipolo entre um composto apolar e a molcula de gua, no entanto, este tipo de interao menos estvel que as ligaes feitas entre as molculas de gua. Em meio aquoso as molculas ou grupos que apresentam uma poro hidrofbica e uma hidroflica so denominadas de anfipticas ou anfiflicas como o caso dos cidos graxos. Estas em soluo aquosa tendem a agregar-se devido ao fato das molculas de gua possuir uma forte tendncia para unir-se, e no devido atrao entre os grupos das molculas hidrofbicas. Esta propriedade da gua a base da formao das micelas (Figura 6).

    Figura 6. Por serem anfipticos, os cidos graxos em contato com a gua agregam-se e formam as micelas.

    Algumas das propriedades fsicas da gua so alteradas

    quando se adiciona um soluto (molculas ou ons que se dissolvem na gua). Estes efeitos so conhecidos como propriedades coligativas da gua e dependem unicamente do nmero total de partculas do soluto adicionadas por unidade de volume do solvente, ou seja, da concentrao. Essas alteraes incluem diminuio do ponto de fuso, aumento do ponto de ebulio, diminuio da presso de vapor e efeitos sobre a presso osmtica. Se considerarmos a diminuio do ponto de fuso, um exemplo que ilustra bem esta alterao o da gua salgada dos Plos rtico e Antrtico, que no congela a 0o C. Quanto presso osmtica, altas concentraes de soluto dissolvidos so um srio problema para as clulas; por isso, bactrias e clulas vegetais possuem fortes e rgidas paredes celulares para conter essas altas presses. Por outro lado, as clulas animais como no possuem paredes celulares fortes e rgidas, minimizam a presso osmtica criada pelos contedos de seu citossol, armazenando biomolculas como aminocidos e carboidratos na forma de polmeros.

    :: HORA DE TRABALHAR!!! ::

    Baseado no que voc viu sobre a estrutura e propriedades da molcula da gua, responda as questes a seguir:

    - Por que as molculas da gua podem dissolver a maioria dos compostos?

    - Por que no h pontes de hidrognio entre molculas de CH4 ? D duas funes biolgicas da gua e correlacione com a sua

    polaridade. Por que as biomolculas polares, mas no carregadas, como os

    acares, por exemplo, dissolvem-se facilmente em gua? Mudanas bruscas de temperatura so menos percebidas pelos

    organismos marinhos. Baseado nos seus conhecimentos sobre a molcula da gua, explique essa afirmativa.

    Explique como mamferos utilizam o alto calor de vaporizao da gua para estabilizar sua temperatura corporal.

    Por que a gua salgada que circunda os icebergs no congela facilmente apesar das baixas temperaturas presentes no rigoroso inverno dos plos norte e sul?

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    3. IONIZAO DA MOLCULA DE GUA E PH Neste tpico, voc ir constatar porque a ionizao da gua a base da escala do pH.

    Para isso, vamos rever alguns conceitos. Voc se lembra que para uma reao qumica ser considerada reversvel os produtos formados devem ser capazes de reagir espontaneamente entre eles para formar o sistema inicial. Assim, a ionizao, considerada uma reao reversvel, explicada segundo a Lei da Ao das Massas.

    Substncias que em soluo aquosa dissociam-se completamente em partculas carregadas (ons), so consideradas eletrlitos (cidos ou bases) fortes, enquanto que as substncias parcialmente dissociadas (pois ionizam-se muito pouco) em soluo aquosa, isto , tanto molculas, como ons, esto presentes em soluo, so consideradas eletrlitos fracos. Estas ltimas so bastante comuns na composio dos seres vivos, por desempenhar um importante papel na manuteno das condies necessrias para a vida.

    Na prtica, uma forma de expressar o grau de ionizao de uma substncia em termos quantitativos atravs da determinao de sua constante de ionizao. Dessa forma, para uma reao reversvel do tipo A B, a constante de ionizao para essa reao pode ser definida em termos da concentrao de reagente (A) e de produto (B) presentes no equilbrio, conforme descrito na equao Keq = [B] / [A]. Onde, por ser uma constante, tem valor fixo e caracterstico para uma dada reao qumica a uma dada temperatura.

    As molculas de gua possuem pequena tendncia para ionizar-se reversivelmente e liberar o on H+ e o on OH-, conforme descrito no equilbrio pela reao H2O H+ + OH-. Apesar disso, quando cidos ou bases fracos so dissolvidos em gua, eles podem produzir H+ por ionizao (se cidos) ou consumir H+ (se bases). Embora possua baixa tendncia de ionizao, um olhar mais atento a constante de equilbrio para a ionizao reversvel da gua, dada pela equao Keq = [H+ ] . [OH-] / [H2O], permite compreender porque a ionizao da molcula de gua a base da escala do pH.

    Na gua pura, a 25oC, a concentrao de gua [H2O] de 55,5M (produto de gramas de H2O em um litro de gua ou seja, 1000/18), que substituindo-se na equao da constante de equilbrio torna-se Keq = [H+ ] . [OH-] / [55,5]. O qual rearranjando-se para resolver a equao quanto formao dos ons H+ e OH-, resulta em Kw = [55,5]. Keq = [H+ ] . [OH-]. Onde, Kw designa o produto [55,5] . Keq, que corresponde ao produto inico da gua a 25o C. O valor da Keq (1,8 x 10-16M) foi determinado por medidas de condutividade da gua (na qual apenas ons originrios da dissociao da gua podem conduzir corrente). Assim, adicionando-se o mesmo ao valor da Keq, obtem-se que Kw = [55,5M]. [1,8 x 10-16M] = [H+ ] . [OH-], cujo produto obtido Kw = [1 x 10-14M] = [H+ ] . [OH-].

    O valor do produto Kw = [H+ ] . [OH-] a 25o C sempre igual a (1 x 10-14M). Quando as concentraes de [H+ ] e [OH-] so iguais, como na gua pura, a soluo dita estar em pH neutro. Dessa forma, pode-se dizer que [H+ ] = [OH-] = 1 x 10-7M.

    O produto inico da gua (Kw) a base da escala do pH. Trata-se de uma forma conveniente de designar as concentraes de [H+] (e portanto de [OH-]) em qualquer soluo aquosa entre 1M de H+ e 1M de OH- (Figura 7). A concentrao total do on hidrognio originrio

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    de todas as fontes expressa como pH da soluo. Da mesma forma, a concentrao total do on hidroxila originrio de todas as fontes expressa como pOH da soluo.

    O termo definido pela expresso: pH = log 1 / [H+ ] => pH = - log [H+ ]

    O smbolo p denota logaritmo negativo de. Para uma soluo exatamente neutra a 25oC, na qual a concentrao de ons hidrognio 1 x 10-7M e a concentrao de ons hidroxila 1 x 10-7M, o pH ser igual a 7,0 e o pOH ter o mesmo valor. Baseado nisto, pode-se dizer que pH + pOH = 14,0.

    Figura 7. A escala do pH e suas implicaes no meio ambiente e seres vivos.

    A escala do pH logartmica, no aritmtica. Dessa forma, duas solues que diferem

    por uma unidade de pH, significa na prtica que uma dessas solues tem uma concentrao de H+ 10 vezes maior que a outra. O pH de uma soluo pode ser medido por meio de um aparelho denominado potencimetro ou pHmetro, equipado com um eletrodo sensvel a ons hidrognio; ou de forma menos precisa, por uma fita de papel impregnada por corantes indicadores, os quais alteram seu estado de ionizao medida que entram em contato com solues de diferentes pH, resultando em mudanas de colorao (figura 8).

    :: SAIBA MAIS... ::

    Para saber mais sobre a determinao do pH, consulte o site http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/PH.html).

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    Figura 8. O pH de uma soluo pode ser mensurado atravs do pHmetro ou do papel indicador universal (caixinhas em acrlico direita do eltrodo azul do aparelho).

    :: ARREGAANDO AS MANGAS!! ::

    4. SISTEMA TAMPO

    Voc sabia que mudanas de pH so capazes de afetar a estrutura e a atividade das

    macromolculas biolgicas ? Por isso mesmo, as vrias formas de vida so dotadas de eficientes mecanismos encarregados de manter o pH dentro de uma estreita faixa adequada as necessidades da manuteno da vida, os sistemas tampes.

    Para definir um sistema tampo e compreender suas propriedades devemos, nesse instante, relembrar o conceito de cido (doador de prtons) e base (receptor de prtons). Assim, com base na reao HA A- + H+, podemos dizer que o que formado pela ionizao de um cido (HA) a sua base conjugada (A-). Inversamente, a protonao de uma base (A-), gera o seu cido conjugado (HA). Dessa forma, o cido (HA) e a sua base conjugada (A-) so considerados um par conjugado cido/base.

    Os cidos e bases fracas (eletrlitos fracos) so de particular interesse para a Bioqumica, pois juntos a seus pares conjugados, constituem os sistemas tampo, capazes de

    Agora que voc j sabe o que o pH de uma soluo, que tal fixar os conceitos atravs da resoluo das seguintes questes:

    A concentrao de H+ de um certo sabo 1 x 10-9 M, qual o seu pH ? Durante o inverno de 2010, verificou-se uma chuva cida de pH = 2,5 na

    praia do Cabo Branco (Joo Pessoa PB). Qual a concentrao de ons H+ na gua dessa chuva?

    O pH do sangue humano varia na faixa de 7,35 a 7,45, isso quer dizer que a [H+] varia em qual faixa ?

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    impedir grandes variaes de pH quando da adio de outros cidos e lcalis. Dessa forma, mantm o pH e evitam que molculas no interior da clula sofram alteraes estruturais que possam vir a influenciar sobre suas atividades biolgicas.

    Cada cido (HA) tem uma tendncia para perder seu prton (H+) e formar sua base conjugada (A-) em soluo aquosa. Quanto mais forte o cido, maior a tendncia para perder seu prton. Esta tendncia definida pela constante de equilbrio da ionizao da reao reversvel Keq = [H+ ] . [A-] / [HA].

    As constantes de equilbrio para reaes de ionizao so usualmente chamadas constantes de dissociao ou de ionizao. Para a dissociao de alguns cidos, geralmente designadas de Ka (Tabela 3). Assim, pode-se dizer que Ka = [H+ ] . [A-] / [HA].

    Tabela 3. Constantes de dissociao de alguns cidos fracos a 25 oC.

    cido Ka (M) pKa* Frmico 1,78 x 10-4 3,75 Actico 1,74 x10-5 4,76 Lctico 1,38 x10-4 3,86 Fosfrico 7,25 x10-3 2,14 Carbnico 1,70 x10-4 3,77 Fosfato Bicido 1,38 x10-7 6,86 Bicarbonato 6,31 x10-11 10,2 Fosfato Monocido 3,98 x10-13 12,4

    *pKa = Log 1 / Ka => pKa = - Log Ka. A titulao de um cido ou base fraca usada para determinar a concentrao de cidos

    e bases em soluo. Na prtica, a titulao de uma cido fraco deve ser feita com adio de uma base forte (NaOH) de concentrao conhecida e vice e versa, ou seja, a titulao de uma base fraca deve ser feita com adio de um cido forte (HCl) de concentrao conhecida. O NaOH deve ser adicionado lentamente em pequenas quantidades at que ocorra a completa dissociao do cido, isso verificado por meio de um corante indicador ou potencimetro. A concentrao do cido na soluo pode ser calculada utilizando os valores do volume e da concentrao da base forte (NaOH) que foram adicionados. Um sistema completo de titulao mostrado na Figura 9.

    Figura 9. Experimento de titulao

    O detalhe mais importante da curva de titulao de um eletrlito fraco aquele que mostra graficamente que um cido fraco e sua base conjugada podem funcionar como um sistema

    tampo. Isto verificado quando as concentraes de cido e sua base conjugadas apresentam-se em quantidades iguais [CH3COOH]= [CH3COO-], que para o cido actico ocorre em pH 4,76.

  • Bioqumica Estrutural

    98

    No incio da titulao, antes da adio da base forte, podemos observar que a molcula de cido actico encontra-se quase que totalmente protonada [CH3COOH]. medida que ocorre a adio do NaOH, o on OH proveniente da base forte (NaOH) combina-se com o on H+ livre na soluo para formar gua. Com a remoo do on H+, a molcula do cido actico CH3COOH comea a dissociar e formar sua forma inica CH3COO-. Na metade da titulao onde foi adicionado 0,5M de NaOH, metade do cido actico foi titulado e as suas formas doadoras de prtons (CH3COOH) e aceptoras de prtons (CH3COO-) esto em concentraes iguais [CH3COOH]= [CH3COO-]. Por fim, quando o pH 7,0 atingido, todo o cido actico foi titulado, ou seja, perdeu seus prtons para neutralizar os ons OH, resultando em gua e acetato (CH3COO-), sua base conjugada (Figura 10).

    Figura 10. Curva de titulao do cido actico.

    :: TA NA WEB!!! ::

    A partir da interpretao dos resultados de um experimento de titulao, possvel

    conceituar que uma substncia tampo aquela que, quando em soluo, consegue manter o pH do meio onde se encontra numa faixa determinada. Assim, quando lhe adicionado pequenas concentraes de cido ou base, a soluo tampo consegue manter o pH.

    Os tampes so sempre formados por um cido fraco (HA) doador de prtons e sua base conjugada (A-) receptora de prtons. O efeito tamponante ocorre porque o par conjugado cido/base atua captando ou liberando prtons (Figura 11). Essas substncias, por evitar variaes de pH no meio, permitem a manuteno da vida no ambiente celular propiciando, por exemplo, que as enzimas executem adequadamente suas reaes metablicas. Alm disso, so bastante utilizadas em experimentos de Bioqumica quando o pH deve ser mantido constante.

    Se desejar fazer um experimento prtico de titulao do cido actico, siga o link

    http://www.bioq.unb.br/htm/praticas/rot2.htm

  • Bioqumica Estrutural

    99

    Figura 11. Como funcionam os tampes. A equao de Henderson-Hasselbach uma expresso

    matemtica que relaciona quantitativamente o valor do pH, a ao tamponante da mistura do cido fraco com sua base conjugada e o pK do cido fraco. Atravs dessa equao, possvel interrelacionar pH, pKa e as concentraes do cido e de sua base conjugada.

    Atravs da equao de Henderson-Hasselbalch possvel compreender a ao tamponante em geral, exercida pelos compostos que funcionam como tampes e realizam o equilbrio cido-base no sangue e nos tecidos dos vertebrados.

    Para a dissociao de um cido (HA) em H+ e A-, a equao de Henderson-Hasselbalch pode ser obtida por meio da constante de dissociao que Ka = [H+ ] . [A-] / [HA], que ao ser resolvida para a concentrao de ons hidrognio, passa a ser [H+ ] = Ka . [HA] / [A-]. Como por conveno, a concentrao de ons hidrognio expressa numa escala logartmica, aplica-se o logaritmo negativo em ambos os lados da equao, e tem-se que -Log[H+] = -LogKa . [HA] / [A-]. Substituindo-se -log [H+] por pH e -log [Ka] por pKa e invertendo-se a frao log [HA] / [A-], obtem-se, finalmente, a equao de Henderson-Hasselbalch:

    pH = pKa + log [A-] / [HA]

    A qual pode ser escrita em sua forma genrica:

    pH = pKa + log [Base] / [Acido] Na prtica, se tomarmos como exemplo um sistema tampo formado por iguais

    concentraes de um cido e de sua base conjugada e aplicarmos a este a equao de Henderson-Hasselbalch, ser possvel constatar que o pKa o pH onde se verifica maior efeito tamponante. Nessas condies, temos concentraes equimolares do cido e de sua base conjugada capazes de neutralizar at certo ponto ons H+ ou OH- que por ventura sejam lanados ao meio, evitando variaes bruscas no pH da soluo. A eficincia de um sistema tampo depender sempre da relao entre o cido e sua base conjugada (ideal de 1:1) e da concentrao molar de seus componentes.

    Como j foi dito, cidos e bases fracas so tampes eficazes que atuam nas clulas e tecidos evitando variaes do pH e mantendo as estruturas das macromolculas inalteradas, portanto, com atividade biolgica. Os fluidos intra e extracelulares tm um pH caracterstico e quase constante, o qual regulado por vrias atividades biolgicas. Uma das principais vias de regulao do pH interno fornecido pelo sistema tampo. Os dois principais sistemas tampo biologicamente importantes so os sistemas bicarbonato e fosfato.

    O sistema do bicarbonato apesar de funcionar como um sistema tamponante do organismo humano no um tampo muito potente por duas razes. Em primeiro lugar, o pH nos lquidos extracelulares de cerca de 7,4, enquanto o pK do sistema tampo bicarbonato de 6,1. Nessas condies, temos uma concentrao dos ons bicarbonato (HCO3-) 20 vezes maior que a

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    do dixido de carbono (CO2) dissolvido. Por esse motivo, o sistema opera de forma moderada e atua em trecho de sua curva de tamponamento onde a capacidade de tamponamento baixa devido a seu pK=6,1. Outro fato que influencia nesse sistema so as concentraes dos dois elementos do sistema bicarbonato, CO2 e HCO3-, no serem grandes. Apesar deste sistema no ser especialmente potente, ele o mais importante dos sistemas tamponantes no organismo, devido ao fato da concentrao de cada um dos seus dois componentes poderem ser reguladas: o dixido de carbono eliminado pelo sistema respiratrio, e o on bicarbonato eliminado pelos rins. Como consequncia, o pH do sangue pode se tornar mais bsico ou mais cido dependendo das concentraes CO2 e HCO3-.

    O sistema tampo fosfato atua de maneira semelhante do bicarbonato, porm, formado por H2PO4- como doador de prtons e HPO42- como receptor de prtons. Este tampo apresenta pK=6,80, resistindo a variaes de pH nos fluidos corporais intra e extracelulares que podem variar na faixa de 6,9 a 7,45. No entanto, apesar desse sistema tampo operar em faixa razoavelmente boa da curva tampo, apresenta-se no lquido extracelular em baixa concentrao (1/12) quando comparada ao tampo bicarbonato. Por isso, sua capacidade de tamponamento no lquido extracelular inferior a capacidade de tamponamento do sistema bicarbonato. Contudo, trata-se de um sistema tampo de suma importncia para a manuteno do pH nos lquidos tubulares dos rins, devido a sua alta concentrao e pelo fato do lquido tubular ser mais cido do que o lquido extracelular, trazendo a faixa de operao do tampo mais prxima ao pK do sistema.

    Alm dos tampes fosfato e bicarbonato, o organismo possui ainda um sistema tampo formado pelas protenas das clulas e do plasma, que esto em concentraes mais elevadas que a dos demais tampes. As proteinas por serem formadas por aminocidos, cujas cadeias laterais podem se ionizar, possuem a capacidade de se dissociar reversivelmente, liberando ions H+ para neutralizar ons OH- ou mesmo retirando ons H+ do meio, evitando variaes do pH no meio. O pK de alguns desses aminocidos, em particular a histidina (pK =6,0), no muito distante de 7,4, o que permite tornar o sistema tampo de protenas o mais potente dos tampes do organismo.

    :: HORA DE TRABALHAR!!! ::

    Agora que Voc j viu o que um sistema tampo, exercite seus conhecimentos respondendo as seguintes perguntas:

    - Que cido possui maior tendncia a se ionizar, o butrico (pK=4,8) ou o actico (pK=4,76). Explique.

    - Qual o pH de uma soluo de um sistema tampo CH3COOH/CH3COO- (cido Actico/Acetato) na qual a concentrao da base duas vezes maior que a do cido?

    - O Ka do cido ltico 1,38 x 10 -14. Qual o seu pKa? - Demonstre o que um sistema tampo e de que depende sua

    eficincia.

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    UNIDADE 2 AMINOCIDOS, PEPTDEOS E PROTEINAS

    Voc sabia que precisamos ingerir alimentos proticos que serviro de fonte de

    aminocidos essenciais para a sntese de protenas com funes diversas em nosso organismo! Temos protenas com funo de transporte de oxignio como a hemoglobina e as mais diversas protenas desempenhando funo de catlise (enzimas) e defesa (anticorpos ou imunoglobulinas), dentre outras. Como possvel que esse alfabeto molecular seja responsvel por ampla diversidade de estruturas e funes biolgicas? Algumas respostas para essas e outras perguntas so dadas neste captulo.

    1. CONCEITOS E CLASSIFICAES DOS AMINOCIDOS

    Todas as protenas que compem o organismo vivo so construdas a partir do mesmo

    conjunto de 20 aminocidos, unidos covalentemente em sequncia linear. Como consequncia das diferentes propriedades qumicas das cadeias laterais desses aminocidos, pode-se dizer que os aminocidos so considerados como o alfabeto atravs da qual se escreve a linguagem da estrutura protica.

    Unidades monomricas simples como os aminocidos, so a chave para o entendimento da estrutura de milhares de protenas diferentes. Unindo os mesmos 20 aminocidos em diferentes combinaes e sequncias, a clula pode formar uma ampla gama de produtos diversos como enzimas, anticorpos, transportadores, hormnios, antibiticos, fibras musculares, revestimento da pele e matriz ssea, protenas de reserva de sementes, penas de aves, venenos de cobras, protenas do cristalino ocular, casco de tartarugas e outras substncias com distintas atividades biolgicas.

    Aminocidos so compostos de dupla funo, uma funo amina e uma funo carboxlica, ambas ligadas a um mesmo carbono, denominado carbono (alfa), ao qual tambm se ligam um tomo de hidrognio e um grupo R ou cadeia lateral (Figura 12).

    Figura 12. Estrutura de um -aminocido (A) e do aminocido mais simples, glicina (B).

    Todos os aminocidos padres, exceto a glicina, tm um tomo de carbono assimtrico, sendo um centro quiral; e por isso mesmo, estas

    biomolculas podem ocupar dois ordenamentos diferentes no espao que so imagens especulares no superponveis. Estas duas formas so chamadas ismeros ticos, enantimeros ou estereoismeros. Os estereoismeros dos aminocidos podem ser classificados como D ou L mediante comparao dos quatro grupos substituintes ao redor do carbono quiral com os estereoismeros de um composto de referncia, o gliceraldedo, um acar de trs tomos de carbono, sendo o menor acar a ter um tomo de carbono assimtrico. Esta nomenclatura dos estereoismeros dos aminocidos denominada de configurao absoluta.

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    Todos os aminocidos encontrados nas protenas so L-aminocidos ou seja, possuem a mesma quiralidade do L-gliceraldeido, que o oposto do D-gliceraldeido (Figura 13).

    Figura 13. A estereoqumica do aminocido alanina.

    O primeiro aminocido descoberto foi a asparagina, em 1806, e o ltimo dos 20 aminocidos padres a ser encontrado, a treonina, s foi identificada em 1938. Todos os 20 amincidos padres recebem nomes comuns ou simplificados que, em alguns casos, provm da fonte pela qual foram isolados inicialmente. Assim, o nome do aminocido asparagina provm do aspargo, glutamato de glten do trigo, tirosina do grego Tyros que quer dizer Queijo e glicina do grego Glycos que quer dizer Doce, devido ao seu sabor semelhante ao acar de mesa. Para facilitar descrev-los nos peptdeos e protenas, os aminocidos padres receberam abreviaes de uma ou trs letras, como por exemplo, Glicina (G ou Gly), Alanina (A ou Ala) e Valina (V ou Val). Existem vrias classes de aminocidos. Os aminocidos padres, primrios ou proticos so os 20 aminocidos frequentemente encontrados em protenas (Figura 14). Os aminocidos especiais, secundrios ou raros so aqueles que ocorrem apenas em certos tipos de protenas. Normalmente so derivados dos aminocidos padres, como por exemplo, 4-hidroxiprolina e 5-hidroxilisina (colgeno), N-metil-lisina (miosina), -carboxiglutamato (protrombina) e desmosina (elastina). Existem ainda aminocidos no proticos, que possuem uma grande diversidade de funes nas clulas mas que, porm, no fazem parte de protenas. Fazem parte desta classe os aminocidos ornitina e citrulina (Ciclo da reia). E finalmente, sob o ponto de vista da nutrio, os aminocidos so ditos especiais quando devem ser supridos pela dieta, uma vez que o organismo humano no capaz de sintetiz-los, ou sua velocidade de sntese insuficiente para suprir as necessidades orgnicas. Metade dos aminocidos padres encontram-se nesta classe, so eles: DICA: FIL2M T2V AH* (Fenilalanina, Isoleucina, Leucina, Lisina, Treonina, Triptofano, Metionina, Valina, Arginina e Histidina).

    Os aminocidos padres primrios ou proticos so classificados ainda com base na polaridade de seus grupos R ou cadeias laterais em pH 7,0. As 4 classes so: Aminocidos com grupos R apolares (hidrofbicos), Aminocidos com grupos R polares sem carga (hidroflicos), Aminocidos com grupos R carregados negativamente ou aminocidos cidos (hidroflicos) e Aminocidos com grupos R carregados positivamente ou aminocidos bsicos (hidroflicos).

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    Figura 14. Os 20 aminocidos comumente encontrados em protenas e sua classificao quanto a

    polaridade dos grupos R.

    :: HORA DE TRABALHAR!!! ::

    Que tal exercitar o que Voc aprendeu? Para isso, responda as questes abaixo:

    - Que importncia tem o estudo dos aminocidos na compreenso da estrutura protica?

    - Diferencie aminocidos padro de aminocidos essenciais - Em que se baseia a classificao das quatro famlias principais dos

    aminocidos? Quais as quatro famlias e suas principais caractersticas? Exemplifique cada uma delas.

    - Dada a afirmativa: Todos os aminocidos padres encontrados nas protenas possuem um tomo de carbono alfa assimtrico e por isso, so molculas opticamente ativas, podendo ocorrer em duas formas estereoisomricas (D e L) no espao. Dizer se esta afirmativa verdadeira ou falsa e explicar, por qu?

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    2. COMPORTAMENTO CIDO-BASE E CURVA DE TITULAO DOS AMINOCIDOS

    Os aminocidos em soluo aquosa esto ionizados e podem atuar como cidos ou bases. O conhecimento deste comportamento da maior importncia para a compreenso de muitas das propriedades das protenas.

    Aminocidos monoaminocarboxlicos cristalizam a partir de solues aquosas neutras em espcies totalmente ionizadas, chamadas ons dipolares ou zwitterions (do alemo on hbrido). Na forma dipolar, em soluo aquosa neutra, o aminocido tm cargas eltricas em seus dois plos devido ao grupamento amina se encontrar protonado (NH3+) e a carboxila dissociada (COO

    ). A forma de sal (natureza dipolar) evidenciada pelo fato dos aminocidos serem slidos, cristalinos, solveis em gua e possurem mais alto ponto de fuso que os de outras molculas orgnicas do mesmo tamanho. Na sua forma dipolar (dissolvido em gua), um aminocido como a alanina, pode atuar como um cido (Figura 15) ou como uma base (Figura 16).

    Figura 15. on dipolar agindo como um cido.

    Figura 16. on dipolar agindo como uma base.

    As substncias com esta dupla natureza so ditas anfotricas (do grego amphi ambos), tambm chamadas de anflitos, de eletrlitos anfotricos. Como j vimos na Unidade 1, a titulao a adio ou remoo gradual de prtons de um eletrlito fraco por meio da adio ao meio de uma base ou cido forte. A curva de titulao de um aminocido d uma imagem quantitativa de suas propriedades cido-base (Figura 17).

    Figura 17. Transformaes estruturais da glicina ao longo de sua titulao.

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    Se submetermos uma determinada concentrao do aminocido glicina a um experimento de titulao e plotarmos num grfico as leituras de pH versus volume de base forte (NaOH) adicionado, obtemos uma curva de titulao (Figura 18), que representa a separao de dois prtons da glicina, um aminocido diprtico. A partir do exame desta curva pode ser obtido o pK de cada grupo ionizvel, as regies de pH na qual a glicina um bom tampo, as estruturas das espcies predominantes a cada pH e a carga mdia do aminocido em cada pH. Numa titulao, o pK corresponde ao pH em que a relao entre a base conjugada e o cido conjugado 1, ou seja, equimolar. Neste ponto, o pH igual ao pK pela equao de Handerson-Hasselbach, e a substncia que est sendo titulada encontra-se no pH onde possui maior poder tampo. Na figura, os pontos 2 e 4 da titulao do aminocido glicina correspondem a dois pKa (pK1 e pK2), o primeiro para o grupo -COOH e o segundo para o grupo -N+H3, uma vez que o aminocido apresenta dois grupos que podem se ionizar (diprtico). O pI ou pH isoeltrico corresponde ao pH em que a substncia titulada apresenta-se com carga eltrica nula (neutra) e por isso, no se move quando submetida a um campo eltrico. O ponto 3 da curva de titulao marca o instante em que 100% das molculas possuem somatrio de cargas igual a zero ou seja, na prtica, esto no seu pI.

    Figura 18. Curva de titulao do aminocido glicina

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    :: ARREGAANDO AS MANGAS!! ::

    3. PEPTDEOS E LIGAO PEPTDICA

    Peptdeos so polmeros de aminocidos ou ainda, sequncias de aminocidos unidos covalentemente por ligaes peptdicas (Figura 19).

    Figura 19. Formao da ligao peptdica e caractersticas dos peptdeos.

    Ligaes peptdicas so aquelas que ocorrem quando o grupamento -carboxila de um aminocido unido covalentemente ao grupamento -amina de um outro aminocido. Tambm chamada de ligao amida, tal ligao se forma por remoo dos elementos da gua de um grupo -COOH (perde OH) de um aminocido e do grupo -N+H3 (perde H) de outro.

    Estudamos que os aminocidos padres possuem grupos ionizveis que podem atuar como cidos ou bases, cada um destes grupos possuindo um pK, que corresponde ao pH em que a relao entre a base conjugada e o cido conjugado 1 ou seja, quando o aminocido funciona como um bom tampo. Agora a vez de voc aprofundar seus conhecimentos. Portanto, mos a obra na resoluo das questes a seguir:

    - Baseado nos valores de pK (pK1=2,09; pK2=9,82 e pKR= 3,86) do aminocido aspartato, cuja cadeia lateral em pH 7,0 CH2 COO-, pede-se:

    a) Representar a titulao deste aminocido com NaOH do pH 1 ao pH 14; b) Calcular o ponto isoeltrico (pI) deste aminocido; c) Em qual (is) pH pode-se utilizar este aminocido no preparo de solues

    tampo?

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    A ligao peptdica possui carter de dupla ligao parcial, rgida e planar, apresenta-se na configurao geomtrica trans e sem carga, porm polar (Figura 20)

    Figura 20. Resumo das caractersticas da ligao peptdica

    Por conveno, a extremidade -amino livre da cadeia peptdica denominada N-

    terminal, sendo escrita esquerda, e a extremidade -carboxila livre, C-terminal, direita. Cada aminocido dentro da cadeia denominado resduo. Os peptdeos possuem mais de uma nomenclatura. Seu comportamento cido-base pode ser predito a partir dos grupos -amino e -carboxila livres e da natureza de seus inmeros grupos R ionizveis. Os peptdeos so classificados quanto ao nmero de resduos de aminocidos constituintes em: a) Oligopeptdeos possuem de 2 a 10 resduos na cadeia peptdica; b) Polipeptdeos possuem de 11 a 100 resduos em sua cadeia peptdica; c) Protenas possuem mais que 100 resduos de aminocidos ou massa maior que 10.000 Da (1Dalton = Massa de 1 tomo de hidrognio). 4. PEPTDEOS BIOLOGICAMENTE IMPORTANTES a) Oxitocina (9 resduos)

    No organismo humano, a oxitocina (Figura 21) o hormnio peptdico que, quando liberado pela hipfise posterior, induz o trabalho de parto em gestantes e controla as contraes do msculo uterino. O hormnio tambm atua na estimulao do fluxo de leite em uma me que amamenta.

    Figura 21. Sequncia de aminocidos do oligopeptdeo oxitocina.

    b) Vasopressina (9 resduos) A vasopressina (Figura 22) um hormnio peptdico tambm sintetizado na hipfise posterior que atua no controle da presso sangunea, regulando as contraes do msculo liso. O

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    hormnio estimula a reabsoro renal de gua, possuindo efeito antidiurtico, o que leva a reteno de gua no organismo, culminando em aumento da presso arterial.

    Figura 22. Sequncia de aminocidos do oligopeptdeo vasopressina

    c) Encefalinas (5 resduos) As encefalinas (Figura 23) so analgsicos naturais produzidos no crebro que atuam aliviando a dor. So considerados opiceos do prprio organismo.

    Figura 23. Sequncia de aminocidos dos oligopeptdeos Leucina - Encefalina (A) e Metionina

    Encefalina (B)

    d) Insulina (51 resduos) Polipeptdeo composto por duas cadeias (Figura 24), uma de 30 e outra de 21 resduos, unidas entre si por pontes dissulfeto. Trata-se de um hormnio sintetizado pelas ilhotas de Langerhans do pncreas em resposta elevao do nvel sanguneo de glicose. Uma vez liberado na corrente sangunea, estimula a captao da glicose, sendo por isso considerado como hormnio hipoglicemiante.

    Figura 24. Sequncia de aminocidos do

    polipeptdeo insulina.

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    e) Glucagon Hormnio polipeptdico pancretico de 29 resduos (Figura 25), que juntamente com o hormnio insulina, responsvel pelo controle dos nveis de glicose no sangue. um hormnio de ao oposta insulina, pois uma vez liberado na corrente sangunea, tende a elevar os nveis de glicose, sendo por isso considerado como hormnio hiperglicemiante.

    Figura 25. Sequncia de aminocidos do polipeptdeo glucagon.

    :: HORA DE TRABALHAR!!! ::

    5. CONCEITO, IMPORTNCIA, FUNES E CLASSIFICAES DAS PROTENAS Protenas so macromolculas que possuem de 100 a vrias centenas de unidades de -aminocidos ou resduos unidos covalentemente atravs de ligaes peptdicas, com ampla variedade estrutural e de funes biolgicas diversas. Tambm podem ser definidas como macromolculas compostas de uma ou mais cadeias polipeptdicas, cada uma possuindo uma sequncia de aminocidos e peso molecular caractersticos.

    As protenas formam a classe de biomolculas mais abundantes da clula, sendo os instrumentos da expresso da informao gentica e por isso mesmo, apresentando uma ampla gama de funes nos seres vivos (Tabela 4).

    Voc aprendeu mesmo sobre os peptdeos? Demonstre seu nvel de aprendizado, respondendo as questes abaixo:

    Com base na sequncia de aminocidos do peptdeo: Val - Met - Ser - Ile - Phe - Arg - Cys - Tyr Leu Responda: a) Qual o resduo 3 no peptdeo? b) Qual (is) resduos do peptdeo possui(em) grupos laterais ionizveis? c) Qual o resduo N-terminal? d) Qual o resduo C-terminal? e) Qual a carga lquida total do peptdeo em pH 7,0? Como diferem em estrutura e funo os hormnios oxitocina e

    vasopressina?

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    Tabela 4. Algumas funes biolgicas das protenas.

    Funo Protenas Cataltica Enzimas pepsina, catalase ... etc Nutriente ou Reserva Albumina (ovo), casena (leite) Transporte Hemoglobina, lipoprotenas, transferrina, GLUTs Contrctil ou de movimento Actina e miosina (msculo), tubulina Estruturais Colgeno, Defesa Anticorpos ou imunoglobulinas, fibrinognio e protrombina Hormonal ou reguladora Insulina, Reconhecimento celular Lectinas Outras Protenas anticongelantes, monelina

    As protenas homlogas desempenham a mesma funo, porm, encontram-se em

    tecidos ou em espcies diferentes. Podem apresentar pequenas diferenas estruturais, reconhecveis imunologicamente, resultantes de modificaes na sequncia de aminocidos. A sequncia que sofre modificao denominada de segmento varivel. J a sequncia que no sofre alterao denominada de segmento fixo, sendo indispensvel para o funcionamento dessas protenas.

    Existem vrias classificaes para as protenas. As mais importantes baseiam-se na solubilidade, forma, composio qumica e nmero de cadeias.

    Quanto solubilidade, as protenas so classificadas em: a) Albuminas protenas solveis em gua. So geralmente pobres em glicina e,

    quando agitadas, tendem a formar cogulos. So exemplos: albumina de ovo, albumina do soro do sangue, albumina do leite, legumelina de ervilhas, leucosina de trigo.

    b) Globulinas protenas insolveis em gua, mas solveis em solues salina. Apresentam glicina em sua composio .So exemplos: ovoglobulina de gema de ovo, globulina de soro de sangue, miosina de msculo, faseolina de feijes, legumina de ervilhas.

    c) Prolaminas protenas insolveis em gua e solues salinas, mas solveis em lcoois como etanol a 50-80%. So ricas em prolina, no entanto, quase no apresentam lisina, so encontradas principalmente em sementes. So exemplos: zena de milho e gliadina do trigo.

    d) Glutelinas protenas insolveis em gua mas solveis em solues cidas (glutelinas cidas) ou bsicas (glutelinas bsicas), no entanto so insolveis em solventes neutros. Elas so protenas de plantas. Exemplo: glutelina de trigo.

    Quanto forma, as protenas so classificadas em: a) Protenas Fibrosas insolveis em gua e fisicamente duras, de forma estendida e

    que apresentam funo estrutural ou protetora do organismo. Este tipo de caracterstica encontrado em protenas estruturais, como o colgeno do tecido conjuntivo; as queratinas dos cabelos, unhas e chifres; esclerotinas do tegumento dos artrpodes; conchiolina; fribrina do soro sanguneo ou miosina dos msculos.

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    b) Protenas Globulares solveis em sistemas aquosos, de forma esfrica e que apresentam funo mvel e dinmica. So representantes desta classe as enzimas; transportadores como a hemoglobina e protenas com funo de defesa como os anticorpos.

    Quanto composio qumica, as protenas so classificadas em simples e

    conjugadas: a) Protenas Simples - apresentam apenas aminocidos em sua composio. Ex.

    quimotripsinognio; b) Protenas Conjugadas - apresentam outros compostos orgnicos e inorgnicos

    (grupo prosttico) alm dos aminocidos em sua composio (Tabela 5).

    Tabela 5. Classe de protenas conjugadas e seus grupos prostticos. Classe Grupo prosttico Exemplo Lipoprotenas Lipdeos Lipoprotenas do sangue Glicoprotenas Carboidratos Imunoglobulina G Fosfoprotenas Fosfato Casena do leite Hemoprotenas Heme (ferroporfirina) Hemoglobina, Citocromo c Flavoprotenas Nucleotdeos de flavina Succinato desidrogenase Metaloprotenas Ferro Ferritina Zinco lcool desidrogenase Cobre Plastocianina

    Quanto ao nmero de cadeias polipeptdicas, as protenas so classificadas em: a) Protenas Monomricas protenas que apresentam uma nica uma cadeia

    polipeptdica, ou seja, uma nica seqncia de aminocidos. Exemplo: mioglobina. b) Protenas Oligomricas So protenas que apresentam mais de uma cadeia

    polipeptdica, ou seja, mais de uma extremidade N-terminal e C-terminal. Exemplo: hemoglobina.

    6. NVEIS ESTRUTURAIS DAS PROTENAS Os nveis estruturais das protenas referem-se organizao estrutural que observada

    desde a sequncia de aminocidos, seu enovelamento, at a associao das cadeias polipeptdicas numa protena oligomrica. Esta organizao descrita por meio de quatro nveis estruturais de complexidade crescente:

    a) Estrutura primria - Sequncia de aminocidos do esqueleto covalente da cadeia

    polipeptdica de uma protena (Figura 26). Tambm inclui a localizao das pontes de dissulfeto na cadeia. Embora seja o nvel organizacional mais simples, o mais importante, pois determina a estrutura terciria da protena.

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    Figura 26. Trecho de sequncia primria de uma protena. Esto presentes os aminocidos

    fenilalanina, cido glutmico, cistena e alanina

    b) Estrutura secundria - Arranjo geomtrico especfico de um dado trecho da cadeia polipeptdica ao longo de um eixo. A -hlice e a -conformao so os principais exemplos de estrutura secundria. A estrutura secundria estabilizada por pontes de hidrognio que so intracadeia na -hlice (Figura 27) e intracadeia e intercadeia na -conformao.

    A -hlice caracterizada por apresentar vrias pontes de hidrognio que ocorrem entre o hidrognio e o oxignio do quarto resduo adjacente sua frente. Por apresentar vrios centros polares, a estrutura enrola-se e forma uma hlice. A cadeia peptdica dobra-se em estruturas repetitivas e regulares. Cada volta formada por 3,6 resduos de aminocidos, geralmente com cadeia lateral pequena. Trata-se de uma estrutura bastante estvel onde os resduos de prolina so praticamente ausentes, mas, quando presentes, provocam curvaturas que interrompem a estrutura em -hlice.

    Figura 27. Estrutura secundria em -hlice.

    A -conformao ou folha apresenta associaes feitas por pontes de hidrognio que

    ocorrem entre o oxignio e o hidrognio da ligao peptdica, estas pontes so feitas de forma intercadeia ou intracadeia, resultando em uma estrutura rgida e achatada. As pontes de hidrognio so perpendiculares ao eixo das cadeias, com as cadeias laterais dos aminocidos projetando-se para cima e para baixo do plano da folha. As folhas podem ser paralelas ou anti-paralelas (Figura 28).

    Figura 28. Estrutura secundria em folha .

  • Bioqumica Estrutural

    113

    c) Estrutura terciria - Enrolamento tridimensional completo de uma cadeia polipeptdica de uma protena monomrica (Figura 29). Para manter-se, a estrutura terciria envolve a integrao de diversos tipos de foras moleculares como: arranjo da estrutura em -hlice e -conformao, coordenao pela presena de ons metlicos, pontes de dissulfeto entre resduos de cistena, pontes de hidrognio entre grupos laterais de resduos, interaes hidrofbicas entre resduos com cadeias laterais hidrofbicas (valina, leucina e isoleucina), foras de Wan der Waals e atraes eletrostticas entre grupos livres de NH3+ e COO- de resduos. A mioglobina um dos modelos de estrutura mais usado para representar a estrutura terciria.

    Figura 29. Estrutura da mioglobina construda no Protein Data Bank.

    d) Estrutura quaternria - Consiste naquela resultante da associao de vrias cadeias

    polipeptdicas na conformao nativa de uma protena oligomrica. As foras moleculares envolvidas na manuteno da estrutura quaternria so as mesmas da estrutura terciria e mais as interaes possveis de ocorrer entre as cadeias polipeptdicas ou subunidades. Um exemplo deste tipo de estrutura a hemoglobina (Figura 30) que composta por quatro subunidades semelhantes.

    Figura 30. Representao (A) e estrutura da hemoglobina feita no Protein Data Bank(B).

  • Bioqumica Estrutural

    114

    7. DESNATURAO DAS PROTENAS Desnaturao a perda da estrutura secundria e terciria da protena, fazendo com que

    a mesma mude a sua estrutura tridimensional nativa (natural) para uma estrutura ao acaso. Uma importante consequncia da desnaturao de uma protena a perda de sua atividade biolgica caracterstica, na maioria dos casos.

    Na prtica os principais fatores desnaturantes so as mudanas de pH e temperatura, e a exposio das protenas a solventes orgnicos, uria e detergentes.

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    O estudo dos aminocidos, peptdeos e protenas fica muito mais fcil quando podemos visualizar as molculas no plano espacial. Isto pode ser feito atravs do site do Protein Data Bank pelo link http://www.pdb.org/pdb/home/home.do

    Finalmente, para obter o mximo de aproveitamento desta unidade, voc deve exercitar seus conhecimentos sobre protenas respondendo as questes abaixo:

    - Defina protenas. - O que uma protena conjugada? O que um grupo prosttico?

    Exemplifique. - Classificar morfolgica, qumica e quanto funo biolgica as protenas:

    hemoglobina, colgeno e queratina. - Diferenciar estrutura primria, secundria, terciria e quaternria de uma

    protena. - Discutir a seguinte afirmao: a estrutura primria de uma protena

    determina a sua estrutura terciria. - Relacione quatro tipos de foras responsveis pela manuteno da

    estrutura terciria de uma protena. Cite exemplos de grupos nas protenas que esto envolvidos em cada tipo de interao.

    - O que desnaturao de uma protena? Pode este processo ser reversvel? Explique.

  • Bioqumica Estrutural

    115

    UNIDADE 3 CARBOIDRATOS

    Voc j parou pr refletir sobre a importncia dos carboidratos na nossa vida? Na

    sociedade moderna, com o aumento da obesidade, a principal preocupao com a ingesto de carboidratos, pois eles podem nos conduzir ao aumento de peso ou a outras complicaes como o diabetes melitus. O prprio cncer surge a partir da mudana do padro glicdico das membranas celulares. Apesar desse lado sombrio, os carboidratos so a principal fonte de energia dos habitantes de pases subdesenvolvidos, uma vez que mais barato comprar um quilo de farinha que um quilo de carne, que apresentam praticamente o mesmo rendimento energtico. Outro fato interessante que dois polmeros do acar glicose, amido e celulose, produzidos como resultado da fotossntese dos vegetais, so responsveis pelo armazenamento de mais da metade do carbono orgnico total de nosso planeta.

    Os carboidratos ou hidratos de carbono, geralmente representados pela frmula [C(H2O)]n, onde n3, so as biomolculas mais abundantes da natureza. O nome carbo provm de carbono e hidrato provm de hidros= gua, ou seja, so hidratos de carbono.

    Desempenham uma ampla variedade de funes biolgicas, destacando-se principalmente as energticas e estruturais. Assim, carboidratos como a sacarose e o amido, de origem vegetal, so essenciais dieta humana, na maior parte dos pases subdesenvolvidos. Em nosso organismo, carboidratos como a glicose e frutose, provenientes da digesto da sacarose e amido, bem como as reservas de glicognio heptico e muscular, quando oxidados, so a principal forma de obteno de energia na maioria das clulas dos organismos heterotrficos. Outro polmero da glicose, a celulose, o principal componente estrutural da parede celular vegetal.

    1. CONCEITO, IMPORTNCIA E CLASSIFICAES DOS CARBOIDRATOS

    Carboidratos so poliihidroxialdeidos ou poliidroxicetonas ou ainda, substncias que

    por hidrlise originam aldedos ou cetonas livres. A maior parte dos carboidratos recebe nomes comuns que apresentam o sufixo ose,

    mas esta no uma regra, como pode ser verificado para os aucares glicognio, amido, etc. Os carboidratos so classificados de acordo com o grupo funcional, nmero de tomos

    de carbono e quanto as suas unidades monomricas. Quanto ao grupo funcional, dividem-se em duas grandes famlias: a) Aldoses - Apresentam uma cadeia carbnica no ramificada onde o primeiro tomo de

    carbono unido a um tomo de oxignio por uma dupla ligao formando um grupo carbonila e os demais, unidos a grupos hidroxila e tomos de hidrognio. Ou seja, podem ser definidos como aldedos poliidroxilados (Figura 31).

    A aldose mais simples o gliceraldeido, que possui apenas um carbono assimtrico, o carbono 2. Como consequncia, pode ocorrer em 2 formas espaciais ou estereismeros, a forma L, quando o grupo hidroxila (lcool) do carbono assimtrico encontra-se voltado para a esquerda ou D, quando o grupo hidroxila encontra-se voltado para a direita.

  • Bioqumica Estrutural

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    Figura 31. Estrutura das aldoses e cetoses mais simples. Em pontilhado, grupo funcional aldedo (aldoses) e grupo cetona (cetoses) e, em tracejado, posio do grupo hidroxila do carbono

    assimtrico mais distante do grupo funcional. b) Cetoses - Apresentam uma cadeia carbnica no ramificada onde o segundo tomo

    de carbono unido a um tomo de oxignio por uma dupla ligao formando um grupo carbonila e os demais, unidos a grupos hidroxila e tomos de hidrognio (observe a figura). Ou seja, podem ser definidos como cetonas poliidroxiladas.

    A cetose mais simples, a diidroxicetona, que no possui carbono assimtrico. Como consequncia, no apresenta estereoismeros D e L.

    Tanto para aldoses como para cetoses, a configurao D e L para os demais monossacardeos feita com base na posio do grupo hidroxila ligado ao carbono assimtrico mais distante do grupo funcional (grupo carbonila do aldedo ou cetona). Se a hidroxila estiver posicionada a direita do grupo funcional, o estereoismero D; estando a hidroxila posicionada a esquerda do grupo funcional do grupo funcional, o estereoismero L.

    Quanto ao nmero de tomos de carbonos os carboidratos, que apresentam apenas

    um grupo aldedico ou cetnico poliidroxilado, so classificados em trioses, tetroses, pentoses e hexoses.

    a) Trioses so os carboidratos mais simples e de menor peso molecular, pois possuem trs tomos de carbono, sendo representados pela frmula C3H6O3. No podem sofrer ciclizao. As nicas trioses possveis na natureza so o gliceraldeido (aldotriose) e a diidroxicetona (cetotriose).

    b) Tetroses - possuem quatro tomos de carbono, sendo representados pela frmula C4H8O4. Da mesma forma que nas trioses ocorrem apenas em cadeia linear quando em soluo aquosa. So exemplos dessa classe a eritrose (aldotetrose) e eritrulose (cetotetrose).

    c) Pentoses: apresentam cinco tomos de carbono na sua molcula, sendo representados pela frmula C5H10O5. Ocorrem principalmente na forma cclica em solues aquosas. A forma cclica um anel de cinco lados, que lembra o composto furano, da o acar classificado como uma furanose. So amplamente distribudos na natureza, onde esto presentes como intermedirios nas vias metablicas e como parte de molculas mais complexas, tais como os cidos nuclicos e as coenzimas. Como representantes desta classe, temos a ribose (aldopentose) e a ribulose (cetopentose).

    d) Hexoses: possuem seis tomos de carbono na sua molcula, sendo representados pela frmula C6H12O6. Da mesma forma que nas pentoses, formam estruturas cclicas, entretanto, alm dos anis furanosdicos (5 lados), podem formar tambm anis de seis lados, que lembram o

  • Bioqumica Estrutural

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    composto pirano, da o acar classificado como uma piranose. Geralmente aldohexoses originam estruturas cclicas piranosdicas, enquanto as cetohexoses originam estruturas cclicas furanosdicas. As hexoses so muito comuns nos animais e vegetais, onde desempenham papis fisiolgicos de importncia fundamental. Como principais representantes desta classe, temos a glicose, galactose e manose (aldohexoses) e a frutose (cetohexose).

    Quanto ao nmero de unidades monomricas formadoras, dividem-se em trs

    grandes classes: monossacardeos, oligossacardeos e polissacardeos.

    2. CONCEITO, ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MONOSSACARDEOS Os monossacardeos, tambm chamados de acares simples, so slidos, cristalinos,

    solveis em gua e muitos apresentam sabor doce. Constituem-se de uma nica unidade aldedica ou cetnica em sua molcula, o que faz com que no possam ser hidrolisados a unidades menores em condies razoavelmente suaves.

    A D-glicose uma das mais abundantes hexoses da famlia das aldoses. o principal monossacardeo capaz de gerar energia para a maioria dos organismos e o monmero primrio bsico dos polissacardeos mais abundantes, tais como o glicognio, amido e a celulose.

    Todos os monossacardeos, exceo da cetotriose diidroxicetona (Figura 31), apresentam centros assimtricos ou quirais, sendo bastante comum a ocorrncia de isomeria ptica.

    As diferenas entre os monossacardeos vo depender no somente do nmero de tomos de carbono ou do grupo funcional presente nessas molculas, mas tambm da presena de carbonos assimtricos.

    O estudo dos carboidratos e de sua natureza qumica introduz o termo de estereoisomeria. Para compreender melhor, preciso definir alguns termos:

    Isomeria estrutural aquela onde os compostos apresentam a mesma forma molecular

    porm estruturas diferentes, podendo ser de cadeia, funo ou posio. Estereoisomros so compostos que apresentam a mesma forma molecular, mesma

    estrutura, mas diferem na configurao (arranjo dos tomos de carbono no espao). Este tipo de isomeria pode ser ptica ou geomtrica (cis-trans).

    Enantimeros so compostos que possuem o mesmo ponto de fuso, ebulio e

    solubilidade, mas que diferem no desvio da luz polarizada. Diastereoismeros so compostos que no so enantimeros ou seja apresentam

    diferentes pontos de ebulio, fuso e solubilidade, em geral tambm diferem nas propriedades qumicas.

    Epmeros so compostos com a mesma frmula estrutural, mas diferem quanto

    disposio espacial do hidrognio e da hidroxila ligados a um dos carbonos.

  • Bioqumica Estrutural

    118

    As estruturas das hexoses D-galactose, D-glicose, D-manose, D-frutose, cuja frmula estrutural C6H12O6, mostram que apesar desses monossacardeos conterem o mesmo nmero de tomos de carbono e a mesma frmula estrutural, cada hexose uma substncia diferente. Os estereoismeros glicose, manose e galactose, por serem D-acares no so enantimeros, portanto so diastereoismeros. O monossacardeo frutose, uma cetohexose, ismero estrutural de funo das aldohexoses glicose, manose e galactose. E, por fim, pode-se dizer que o monossacardeo glicose epmero de manose no carbono 2 e de galactose no carbono 4 (Figura 32).

    Figura 32. Estereoisomeria das

    principais hexoses. Em pontilhado, isomeria estrutural de funo e, em tracejado, isomeria estrutural de posio, mostrando os epmeros da D-glicose.

    As molculas de monossacardeo em soluo passam a formar a partir da estrutura linear

    de Fischer, uma estrutura cclica, conhecida como estrutura de Haworth. As estruturas abertas sugerem comportamento de aldedos e cetonas normais. Entretanto, a glicose slida quase inerte ao oxignio, enquanto que aldedos so auto-oxidveis.

    Isto se explica porque os acares reagem internamente para formar hemiacetais (reao que ocorre entre o aldedo e os grupos lcool da mesma molcula de carboidratos) ou hemicetais (reao que ocorre entre a cetona e o grupo lcool da mesma molcula de carboidrato) cclicos. Assim, os monossacardeos com cinco ou mais tomos de carbono reagem internamente formando estruturas cclicas (hemiacetais ou hemicetais cclicos), que podem ser anis de cinco membros, derivado do composto furano, ou de seis membros, derivado do composto pirano. Os monossacardeos com estrutura cclica de cinco lados so denominados furanoses e aqueles com estrutura cclica de seis lados so denominados de piranoses (Figura 33).

    Figura 33. Estruturas cclicas da glicose (piranose) e frutose (furanose) com formas

    estereoisomricas e no carbono 1 das aldopiranoses e no carbono 2 das cetofuranoses.

  • Bioqumica Estrutural

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    O carbono anomrico aquele que vai sofrer a reao para formar o hemiacetal ou hemicetal cclico, transformando-se em mais de um centro de assimetria e originando duas formas estereisomricas, os anmeros alfa () e beta (). No anmero alfa, o OH do carbono assimtrico encontra-se voltado para baixo do plano do anel. No anmero beta, o OH do carbono assimtrico encontra-se voltado para cima do plano do anel (Figura 34).

    Figura 34. Estruturas cclicas dos anmeros alfa e beta da D-glicose.

    Na sua forma de estrutura cclica, os

    monossacardeos apresentam a propriedade de mutarrotao, que a capacidade de

    interconverso em seus anmeros alfa e beta quando em soluo. Outra importante propriedade o poder redutor, que a propriedade que todos os

    monossacardeos apresentam em reagir como agentes redutores, devido presena em sua molcula de um grupo aldedo ou cetona livre ou potencialmente livre. Assim, em presena de agentes oxidantes como os ons Fe3+ (frrico) e Cu2+(cprico) doam eltrons, reduzindo-os a ons Fe2+ (ferroso) e Cu+ (cuproso). A mudana no estado de oxidao do on cobre seguida de mudana de colorao do azul para o vermelho tijolo, sendo base da reao de Benedict, utilizada na deteco de aucares redutores.

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    3. CONCEITO, ESTRUTURA E FUNO DOS OLIGOSSACARDEOS Oligossacardeos so polmeros hidrossolveis de monossacardeos, podendo possuir de

    duas a dez unidades de monossacardeos unidos covalentemente por uma ligao covalente denominada glicosdica.

    As ligaes glicosdicas so ligaes covalentes que envolvem obrigatoriamente o carbono anomrico (extremidade redutora) de um resduo (C1 nas aldoses ou C2 nas cetoses) de acar com um grupo hidroxila do outro resduo de aucar. Tambm so chamadas de ligaes

    Agora que voc leu bastante sobre o assunto, confira se aprendeu respondendo as questes abaixo:

    - Definir carboidratos. - Quais so as trs grandes classes de carboidratos? - Quais so as duas famlias de monossacardeos e como elas diferem

    entre si? - Defina os seguintes termos: monossacardeo, oligossacardeo,

    polissacardeo, furanose, piranose, epmeros, anmeros e ligao glicosdica. - Qual a importncia biolgica dos monossacardeos? - Dada a afirmativa: Todos os monossacardeos so acares

    redutores. Dizer se esta afirmativa verdadeira ou falsa e explicar, por qu?

  • Bioqumica Estrutural

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    O-glicosdicas. Dependendo da configurao do carbono anomrico envolvido, a ligao glicosdica chamada de alfa ou beta (Figura 35).

    Figura 35. Formao da ligao glicosdica entre dois resduos de glicose, originando o

    dissacardeo maltose. Quanto ao nmero de unidades de

    monossacardeos unidas por ligaes glicosdicas, os oligossacardeos so classificados em dissacardeos, trissacardeos, tetrassacardeos, pentassacardeos, etc.

    Os dissacardeos so carboidratos formados pela ligao glicosdica entre dois resduos de monossacardeos. A ligao feita entre o carbono anomrico de um monossacardeo e qualquer outro grupo lcool do monossacardeo seguinte com a sada de uma molcula de gua. Os dissacardeos mais comuns so maltose, lactose e sacarose, estes so os mais abundantes na natureza.

    A maltose (-D-glicopiranosil-(14)-D-glicopiranose) (Figura 5) formada por duas molculas de glicose unidas por uma ligao glicosdica (14). Pode ser hidrolisada com cido ou enzimaticamente pela maltase do trato digestivo, formando duas molculas de glicose. A maltase tambm produzida em cereais durante o processo de germinao.

    A lactose (-D-galactopiranosil-(14)--D-glicopiranose) formada por uma molcula de -D-glicose e uma de -D-galactose unidas por uma ligao glicosdica (14). A lactose (Figura 36) o princpal aucar presente no leite, sendo digerida por hidrolise da enzima disgestiva lactase originando uma molcula de glicose e uma de galactose livres.

    Figura 36. Estrutura da molcula do dissacardeo lactose.

    A sacarose (Figura 37) formada atravs da

    unio de molcula de -D-glicose e de uma molcula de -D-frutose, onde o carbono C1 da glicose e C2 da frutose formam a ligao glicosdica. O seu nome sistemtico -D-glucopiranosil-(12)--D-fructofuranose. o acar de mesa comum extrado da cana-de-acar (Sacharum officinarum) e da beterraba (Beta vulgaris). um acar no redutor pois os grupos qumicos redutores (carbonos anomricos) participam na ligao glicosdica. A sacarose hidrolisada pela enzima digestiva sacarase ou invertase.

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    Figura 37. Estrutura da molcula do dissacardeo sacarose.

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    4. CONCEITO, ESTRUTURA E FUNO DOS POLISSACARDEOS

    Polissacardeos so carboidratos complexos, formados por cadeias muito longas de

    unidades de monossacardeos ligados entre si por ligaes glicosdicas que podem ser do tipo alfa ou beta. As cadeias formadas podem ser lineares ou ramificadas. So tambm chamados de glicanos. Quando apresentam um nico tipo de monossacardeo em sua constituio so denominados homoglicanos ou homopolissacardeos. Quando so formados por diversos tipos de monossacardeos, so denominados heteroglicanos ou heteropolissacardeos. Apresentam duas funes biolgicas principais: reserva energtica e estrutural. So exemplos de polissacardeos com funo de reserva energtica, os homopolissacardeos amido e glicognio. Celulose e quitina so homopolissacardeos com funo de estrutural.

    a) Amido - o polissacardeo de reserva energtica vegetal, constitudo por muitas

    molculas de glicose unidas entre si atravs de numerosas ligaes glicosdicas (14) formando uma cadeia linear que pode ou no sofrer ramificaes por meio de ligaes glicosdicas (16).

    Na natureza, ocorre em duas formas: amilose e amilopectina. A forma de amilose apresenta cadeia linear onde as unidades de glicose so unidas apenas por ligaes glicosdicas (14). Quando em soluo, a molcula linear forma uma espiral (hlice). J a amilopectina, apresenta uma cadeia principal de resduos de glicose unidos por ligao (14), que sofre ramificaes (16) a cada 24 a 30 resduos de glicose (Figura 38). A forma de amilopectina do amido a forma predominantemente encontrada como reserva energtica das clulas vegetais.

    Se voc acha que j sabe o bastante sobre os oligossacardeos, comprove respondendo as seguintes questes:

    - Qual a importncia biolgica para os vegetais da sacarose ser um acar no redutor?

    - Quais enzimas digestivas hidrolizam as ligaes glicosdicas dos dissacardeos sacarose, maltose e lactose?

    - Diferenciar sacarose, maltose e lactose em estrutura e funo.

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    Figura 38. Estrutura dos polissacardeos amilose e amilopectina.

    b) Glicognio - o polissacardeo de reserva energtica animal. Apesar de apresentar

    estrutura muito semelhante ao amido (amilopectina), possui um nmero bem maior de ligaes (16), o que confere um alto grau de ramificao sua molcula. Os vrios pontos de ramificao constituem um importante impedimento formao de uma estrutura em hlice (Figura 39).

    Figura 39. Estrutura do polissacardeo glicognio

    c) Celulose: formada por centenas de unidades de glicose unidas por ligaes glicosdicas (14). Este tipo de ligao confere celulose uma estrutura espacial muito linear estabilizada por pontes de hidrognio intra e intercadeias, sendo responsvel pela insolubilidade das fibras em gua e pela no digesto das mesmas pelos seres humanos (Figura 40). Por isso mesmo, apresenta funo estrutural na parede celular vegetal.

    Figura 40. Estrutura do polissacardeo celulose

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    d) Quitina: formada por centenas de unidades repetitivas de N-Acetil-D-glicosamina unidas por ligaes glicosdicas (14). o principal componente estrutural da carapaa de insetos e exoesqueleto dos crustceos (Figura 41).

    Figura 41. Estrutura do polissacardeo quitina

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    Voc aprendeu tudo mesmo sobre os polissacardeos? Ento use as questes abaixo para exercitar seu aprendizado.

    - Diferenciar e exemplificar homoglicanos e heteroglicanos. - Diferenciar os polissacardeos amilose e amilopectina em estrutura e

    funo. - Diferenciar quitina e celulose em estrutura e funo. - Tanto a celulose como a amilose consistem de unidades de D-glicose

    unidas por ligaes (14). Apesar dessa semelhana, um indivduo com dieta composta principalmente de amilose (amido) engorda, enquanto um indivduo submetido a uma dieta de celulose morrer de fome. Explicar, por qu?

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    UNIDADE 4 ENZIMAS E COENZIMAS

    Voc sabia que dentre todas as funes das protenas a mais verstil a catlise

    biolgica? Nas mais diversas formas de vida, essa funo desempenhada, principalmente por catalisadores biolgicos denominados enzimas. As enzimas so insumos biotecnolgicos muito presentes no nosso cotidiano. Quem j no fez uso das enzimas presentes em amaciantes de carne, cosmticos desfoliantes e amaciantes da pele, medicamentos antibiticos e digestivos, kits de diagnstico clnico em anlises laboratoriais, produtos de limpeza ampliando a ao dos detergentes?

    Por outro lado as coenzimas, so componentes qumicos adicionais que um grande nmero de enzimas necessita para exercer de forma eficaz sua funo cataltica. Acredito que todos vocs j fizeram uso de vitaminas sem saber ao nvel molecular, qual a importncia de um aporte dirio dessas molculas. Pois bem, as vitaminas so, na verdade, fontes de coenzimas indispensveis para a realizao de diversas reaes catalisadas por enzimas. Nesta unidade, entraremos no universo molecular das enzimas e coenzimas.

    1. CONCEITO, ESTRUTURA, FUNO E PROPRIEDADES DAS ENZIMAS

    As enzimas so as protenas mais notveis e especializadas. Tm uma extraordinria

    fora cataltica, geralmente muitssimo maior que aquela dos catalisadores no-biolgicos. Tm um alto grau de especificidade por seus substratos, acelerando reaes qumicas especficas sem a formao de produtos colaterais e funcionam em solues aquosas diludas em condies muito suaves de temperatura e pH. Poucos catalisadores no-biolgicos exibem todas essas propriedades.

    As enzimas, atuando em sequncias organizadas, catalisam as centenas de reaes em etapas atravs das quais molculas de nutrientes so degradadas, energia qumica conservada e transformada, e as macromolculas celulares so formadas a partir de precursores simples. Se no fossem as enzimas, as reaes se processariam de forma to lenta que seria incompatvel com a vida.

    Todas as enzimas so protenas, com exceo de um pequeno grupo de RNA que possui propriedades catalticas, chamados de ribozimas.

    As estruturas das enzimas so as mesmas encontradas nas protenas, porm apresentam como particularidade a presena de um centro ativo ou stio cataltico e locais denominados de stios regulatrios ou centros alostricos. O centro ativo local onde se liga o substrato que ser transformado no produto. Os stios regulatrios da cadeia polipeptdica so locais sensveis presena de espcies qumicas, regulando a atividade nas enzimas alostricas.

    As enzimas devem manter sua estrutura ntegra para que sua atividade no seja perdida. Fatores que afetam as protenas tambm so capazes de afetar a estrutura das enzimas. Algumas enzimas necessitam de um componente qumico adicional para realizar a catlise, denominado cofator. Os cofatores podem ser ions metlicos inorgnicos (Mg2+, Zn+, Fe2+, etc), molculas orgnicas do tipo coenzimas (fosfato de piridoxal ou a coenzima A) ou ainda molculas orgnicas contendo metais ou grupos prostticos (ncleo porfirnico da hemeprotena peroxidase

  • Bioqumica Estrutural

    125

    e o Flavina Adenina Dinucleotdeo de enzimas FAD dependentes). Este ltimo, normalmente ligado de forma covalente a enzima.

    Os estudos da catlise biolgica tiveram incio no sc. XIX atravs da digesto da carne no estmago e do amido pela saliva. Em 1850, Louis Pasteur concluiu que a fermentao do acar em lcool era catalisada por fermentos inseparveis das clulas de levedura. Posteriormente, Eduard Buchner (1897), mostrou que extratos de levedo podiam fermentar o acar at lcool sem a presena da clula viva. Este fato despertou o interesse da comunidade cientfica para os estudos sobre as enzimas. Com o avano dos estudos, James Sumner (1926) isolou e cristalizou a urease, evidenciando o carter protico das enzimas e postulando assim que todas as enzimas eram protenas. Hoje so mais de 2000 enzimas com estrutura e funo biolgica conhecidas.

    At o sculo XIX, poucas enzimas haviam sido identificadas e sua nomenclatura era feita adicionando-se o sufixo ASE ao nome do substrato. Assim, as enzimas que hidrolisam lipdeos so denominadas lpases; as que hidrolisam amido, amilases; e as que hidrolisam protenas, proteases ou enzimas proteolticas. Porm, algumas enzimas apresentam nomes arbitrrios, como a tripsina e pepsina, que embora hidrolisem protenas, no usam o sufixo ASE em seus nomes. Com a descoberta de centenas de novas enzimas no sculo XX, a nomenclatura se tornou obsoleta ou ineficaz e para isso foi estabelecida uma nova nomenclatura criada pela Unio Internacional de Bioqumica - IUB esta classificao mais complexa, sem ambiguidades e baseado no mecanismo da reao. Nesta, cada enzima possui um cdigo E.C. (Enzime Comission) com 4 dgitos, caracterstico para o tipo de reao que catalisa. O primeiro nmero especfica a classe da enzima (Tabela 5).

    Tabela 5. Classes e tipos de reaes usadas na nomenclatura enzimtica.

    No Classe Tipo de reao 1

    Oxidoredutases Oxido-reduo ou transferncia de eltrons

    2

    Transferases Transferncia de grupos funcionais entre molculas

    3

    Hidrolases Hidrlise

    4 Liases Adio de grupos a duplas ligaes ou remoo de grupos formando duplas ligaes

    5 Isomerase Transferncia de grupos dentro da mesma molcula para formando ismeros

    6 Ligases Formao de ligaes C-C, C-S, C-O, C-N acoplado clivagem do ATP

    Assim, nessa nova nomenclatura, uma enzima como a hexoquinase, que catalisa a

    reao: Glicose + ATP Glicose 6-fosfato + ADP ser classificada pela IUB como uma ATP:Glicose fosfotransferase com cdigo E.C. 2.7.1.1. onde 2 representa a classe das transferases, 7 a subclasse das fosfotransferases, 1 a sub-subclasse das fosfotransferases que utilizam o grupo hidroxila como receptor e o ltimo nmero 1 indica ser a D-glicose o aceptor final do grupo fosfato.

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    As enzimas se caracterizam por apresentarem alto grau de especificidade pelos seus substratos, eficincia cataltica, aceleram a velocidade das reaes (108 a 1011 + rpida), atuam em pequenas concentraes, no alteram o equilbrio das reaes, reduzem a energia de ativao favorecendo que a reao ocorra mais facilmente, no se perdem no processo, no apresentam toxicidade e funcionam em condies favorveis de pH, temperatura, polaridade do solvente e fora inica.

    As enzimas promovem a catlise diminuindo a energia de ativao sem alterar o equilbrio da reao (Figura 42).

    Figura 42. Comparao da energia de ativao de uma reao no catalisada por enzima (A)

    e de uma reao catalisada por enzima (B).

    2. FATORES QUE INFLUENCIAM A ATIVIDADE ENZIMTICA A atividade enzimtica influenciada pelo pH, temperatura, concentrao da enzima,

    concentrao do substrato e presena de inibidores ou ativadores. a) pH - altera o estado de ionizao dos radicais dos aminocidos presentes nas

    protenas, desfazendo interaes entre os radicais necessrias a manuteno da estrutura biolgica nativa ou funcional. Essa alterao diminui a atividade enzimtica e dependendo do grau de modificao da estrutura ocorre inativao enzimtica. Toda enzima possui um pH timo de atividade (Figura 43).

    b) Temperatura Com o aumento da temperatura aumenta a taxa de reao enzimtica

    at que a estabilidade da protena perdida e a atividade decresce, ocorrendo assim uma desnaturao por calor. A temperatura tima de uma enzima aquela em que a enzima atinge sua atividade mxima e onde permanece com a atividade cataltica por um perodo de tempo (observe a figura).

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    Figura 43. Efeito do pH e temperatura sobre a atividade enzimtica

    c) Concentrao de enzimas A velocidade de transformao do substrato (S) em

    produto (P) proporcional quantidade de enzima (E). Sempre que se for determinar a influncia da concentrao da enzima deve-se ter o cuidado para se obter enzimas com alto grau de pureza, substratos puros e um mtodo de anlise confivel.

    d) Concentrao do substrato Para uma concentrao constante de enzima, a

    medida que se aumenta a concentrao do substrato aumenta a velocidade da reao, at que os stios ativos de todas as enzimas estejam saturados com o substrato. Quando essa condio atingida, medida que mais substrato adicionado, ocorrem aumentos insignificantes da velocidade da reao.

    e) Inibidores ou ativadores desvios na atividade enzimtica ocorrem devido

    presena de inibidores ou ativadores. Os inibidores diminuem a velocidade de reao, enquanto que os ativadores, aumentam a velocidade de reao.

    :: ARREGAANDO AS MANGAS!! ::

    3. CINTICA ENZIMTICA a parte da enzimologia que estuda a velocidade das reaes enzimticas. A cintica

    avalia a quantidade de produto formado por unidade de tempo em que a reao ocorre. Atravs dos estudos de cintica enzimtica possvel determinar as constantes de afinidade de substratos e inibidores, elucidar mecanismos de reao e funo no metabolismo de dada enzima.

    Aproveite para testar o que de fato aprendeu sobre os contedos abordados respondendo as questes abaixo:

    - Que caractersticas mais marcantes permitem diferenciar os catalisadores biolgicos (enzimas) dos catalisadores convencionais (no enzimticos)?

    - Que fatores interferem na atividade das reaes catalisadas enzimaticamente? Explicar detalhadamente como age cada um destes fatores.

    - Os nveis plasmticos de quais enzimas so comumente determinados no diagnstico do infarto do miocrdio ?

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    Os primeiros estudos de cintica enzimtica foram feitos por um casal, Leonor Michaelis (1875-1949) e Maud Menten (1879-1960), que em 1913, postularam o modelo da reao enzimt