Bioquímica Básica Show
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ApresentaçãoTodos nós nascemos e crescemos com muitas dúvidas sobre nossa própria existência e assuntos que nem mesmo as maiores mentes intelectuais já conseguiram resolver. Infelizmente muitos destes questionamentos são desencorajados ainda na infância e nossa rotina de vida adulta não nos oferece tempo necessário para fazer tais reflexões. O funcionamento do nosso corpo, por exemplo, é um assunto visto em livros de Anatomia e Fisiologia. Um olhar mais de perto, e percebemos que existe uma grande complexidade de fatores envolvidos no funcionamento de uma única célula isolada. Tal complexidade só pode ser entendida graças aos avanços no estudo da Bioquímica. Infelizmente a química é um assunto tido como abstrato e de difícil compreensão por parte de muitos alunos. No entanto, quando um estudante se depara com a Bioquímica, passa a conhecer um novo mundo real e muito rico em detalhes e processos muito bem elaborados. O conhecimento da Bioquímica fornece ao estudante os subsídios básicos para entender melhor o funcionamento do corpo humano e de qualquer outro organismo, podendo dar uma boa base para aplicar tais conhecimentos em diversas áreas. O livro traz de forma simples e direta alguns conceitos estudados na disciplina de Bioquímica. Vale ressaltar que a Bioquímica é uma disciplina ampla e somente os principais assuntos foram discutidos aqui e de forma superficial, havendo então a necessidade de suplementar mais informações com pesquisas.Considerem este compêndio um aperitivo e bom apetite! Os autores. Biografia dos autoresJoão Garcia Alves FilhoBiólogo formado pela Universidade Estadual Vale do Acaraú (2005), Mestre (2008) e Doutor (2012) em Bioquímica pela Universidade Federal do Ceará. Foi bolsista de Pós-Doutorado (2014) na área de Biotecnologia pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior. Leciona a disciplina de Bioquímica e afins nas Faculdades INTA desde 2008, nos cursos de Medicina, Nutrição, Farmácia, Fisioterapia, Educação Física e Mestrado em Biotecnologia. Possui experiência em Bioquímica, Biologia Molecular e Bioinformática com ênfase em análises Transcripômicas e Proteômicas. Sílvia Maria Alves de PaulaProfessora Doutora Silvia Maria Alves de Paula, graduada em Ciências Biológicas (1997) pela Universidade Federal do Ceará, Mestre (2003) e Doutora em Bioquímica (2008) pela Universidade Federal do Ceará, Professora das Faculdades INTA, compõe o Núcleo Docente Estruturante (NDE) do Curso de Nutrição das Faculdades INTA e componente da Comissão Permanente do Processo Seletivo das Faculdades INTA. ConhecimentosConhecer o papel dos carboidratos no organismo; HabilidadeReconhecer um carboidrato com base em sua estrutura; AtitudeAplicar o conhecimento de química no reconhecimento dos carboidratos; Listar alimentos que contém carboidratos Reconhecer a diversidade dos carboidratos nos alimentos. Estrutura química, importância e ocorrência dos carboidratos.Os carboidratos são um grupo de moléculas bastante abundante e quimicamente variados encontrados nos organismos. Alguns carboidratos são fontes de energia para as células, outros assumem funções estruturais e existem ainda aqueles que desempenham um importante papel na comunicação celular. A glicose , por exemplo, é o principal substrato nas reações metabólicas fornecedoras de energia. O amido e o glicogênio são capazes de armazenar a energia química por longos períodos de tempo enquanto que a quitina e a celulose são rígidas e formam a estrutura da carapaça de artrópodes e estruturas vegetais, respectivamente. Alguns oligossacarídeos podem fazer parte do glicocálix presente na membrana plasmática atuando como reconhecimento e comunicação celular. A diversidade química dos carboidratosA fórmula molecular dos carboidratos é frequentemente utilizada para defini-los e separar das outras moléculas. Elas possuem basicamente carbono, hidrogênio e oxigênio, onde o número de oxigênio é igual ao número de carbono e o número de hidrogênio corresponde ao dobro desse número. (CnH2nOn) Para exemplificar temos a glicose (C6H12O6), o gliceraldeído (C3H6O3) e a eritrose (C4H8O4). Os grupos funcionais presentes nos carboidratos são a hidroxila (OH) e a carbonila , que pode estar no carbono que fica na extremidade (aldeído) ou no meio da cadeia (cetona). Sendo assim, os carboidratos podem ser definidos quimicamente como polihidroxialdeídos ou polihidroxicetonas . Como uma tentativa de padronização, a maioria dos carboidratos recebe a terminação “ose”, como glicose, lactose, etc. Os carboidratos que possuem aldeídos como grupo funcional são chamados de “aldoses” (Clique e veja a Figura 3 e a Figura 4) enquanto que aquelas que possuem grupos cetonas são chamados de “cetoses” (Clique e veja a Figura 5). Parte da diversidade dos carboidratos se dá pelo fato de que, além dos isômeros funcionais como as aldoses e cetoses, existe outro tipo de isomeria chamada de isomeria espacial . A posição relativa dos grupos hidroxila no espaço pode conferir aos carboidratos propriedades químicas diferentes. Os isômeros espaciais (ou estereoisômeros ) ocorrem em casos em que há dupla ligação ou um centro quiral (carbono ligado a quatro grupos diferentes). Nesse caso os carboidratos possuem centros quirais em todos os carbonos, exceto aqueles do grupo funcional e da extremidade da molécula.O número de isômeros de um determinado carboidrato pode inclusive ser calculado com base na análise combinatória da posição relativa dos grupos hidroxila (direita ou esquerda).
Fonte: FILHO,J.G,2015 Quando dois carboidratos possuem o mesmo número de carbono, algumas coincidências podem ocorrer. A primeira é quando eles possuem a posição relativa de todos os centros quirais trocados, como se eles estivessem sido postos no espelho. Nesse caso eles seriam chamados de enantiômeros , e caso a hidroxila do centro quiral mais distante do grupo funcional estiver voltado para a direita ele teria uma configuração “D” (veja a Figura 1). A glicose, por exemplo, pode ter duas configurações, uma “D” e outra “L”, que seria uma molécula com todos os grupos hidroxila invertidos em relação a ela. Obviamente a L-glicose não pode servir de alimento por não se encaixar nas nossas enzimas. A segunda coincidência é quando dois carboidratos são iguais exceto na configuração de um único centro quiral. Nesse caso, os dois carboidratos são chamados de epímeros. A D-glicose, por exemplo, é igual a D-galactose exceto no carbono 4. Dizemos então que a D-galactose é um epímero de D-glicose no carbono 4 (veja a Figura 2). Fonte: FILHO,J.G,2015 Em soluções aquosas, os carboidratos normalmente formam estruturas cíclicas. Isso faz com que o grupo aldeído ou cetona se combine, geralmente com a penúltima hidroxila formando assim um novo centro quiral que é designada como alfa ou beta (Clique e veja Figura 6). Ligação glicosídica: dissacarídeos e polissacarídeosUma outra grande fonte de diversidade dos carboidratos é a sua capacidade de combinar com outros formando polímeros . Os carboidratos simples como a glicose são chamados de monossacarídeos(mono = um; saccharon = doce). Quando um açúcar se combina com outro açúcar temos então um composto denominado dissacarídeo (di = dois), como a lactose e a maltose. Quando algumas unidades ou dezenas de carboidratos são ligados formam-se então os oligossacarídeos (oligos = poucos).Finalmente, quando o número de açúcares ligados podem formar uma única molécula com centenas ou milhares de unidades temos então um polissacarídeo (poli = muitos), como é o caso do amido e do glicogênio. Para que dois monossacarídeos se liguem, é necessário quebrar duas ligações para remover um grupo hidroxila e um hidrogênio, que juntos formam uma molécula de água, numa reação chamada de condensação. A ligação covalente recém formada é então chamada de ligação glicosídica (veja a Figura 7). Fonte: FILHO,J.G,2015 As ligações glicosídicas ocorrem geralmente entre o carbono 1 e 4 dos açúcares, como ocorre na lactose. Nesse caso, o carbono 1 do primeiro açúcar fica comprometido com uma ligação glicosídica enquanto que o carbono 1 do outro açúcar fica livre para se ligar com outro açúcar ou sofrer uma reação redox (veja a Figura 8). Nesse ponto, o dissacarídeo em questão é chamado de açúcar redutor. Os açúcares redutores são assim chamados por serem capazes de reduzir os íons de cobre (presente no reagente de Benedict, por exemplo), fazendo com que a solução mude de cor. Todos os monossacarídeos são açúcares redutores, assim como alguns dissacarídeos como a lactose e a maltose, por exemplo. Fonte: FILHO,J.G,2015 Polissacarídeos como o amido e o glicogênio, assim como dissacarídeos como a trealose e sacarose não são redutores. O que faz da sacarose e trealose açúcares não redutores é a forma como a ligação glicosídica é feita. No caso da trealose, por exemplo, a ligação glicosídica ocorre entre o carbono 1 da primeira glicose com o carbono 1 da segunda, impossibilitando a molécula de reagir (veja a Figura 9) Fonte: FILHO,J.G,2015 Os polissacarídeos são mais abundantes que os monossacarídeos e desempenham também uma grande variedade de funções. A amilose , por exemplo, juntamente com a amilopectina formam a molécula de amido. Tanto a amilose quanto a amilopectina são polímeros de glicose, onde a amilose só possue ligações do tipo alfa 1=>4 (veja a Figura 10) enquanto a amilopectina possui além de ligações alfa 1=>4, ligações do tipo alfa 1=>6 (veja a Figura 11). Por outro lado, a quitina, que fazparte do exoesqueleto dos artrópodes, é formada por resíduos de N-Acetil D-glicosamina unidos por ligações beta 1=>4 (Clique e veja a Figura 12).Já a celulose, que atua na rigidez das plantas, possui resíduos de glicose unidos por ligações beta 1=>4. Fonte: FILHO,J.G,2015 Fonte: FILHO,J.G,2015 A classificação dos polissacarídeos é baseada na ramificação e na diversidade de açúcares. Quando as ligações glicosídicas são uniformes (entre o carbono 1 e 4, por exemplo), o polissacarídeo é chamado de linear, como o caso da amilose. Alguns polissacarídeos, no entanto são ramificados, quando em algumas regiões as ligações glicosídicas ficam entre o carbono 1 e 6 (além da ligação entre o carbono 1 e 4 da cadeia principal). Além disso, os polissacarídeos podem ter repetições do mesmo açúcar (homogêneo) ou conter açúcares diversos (heterogêneos) (veja a Figura 13). Fonte: NELSON ; COX ,2006 RevisandoOs carboidratos estão entre as moléculas orgânicas mais abundantes do planeta. São a base da dieta na maior parte do mundo, fornecendo grandes quantidades de energia para os processos biológicos. Quimicamente, os carboidratos são compostos orgânicos que contém grupos aldeído ou cetona, possuindo também diversos grupos hidroxila. A grande variedade dos carboidratos se deve ao fato de elas possuirem estereoisômeros, diferindo em sua estrutura espacial. Os carboidratos simples, ou monossacarídeos podem se combinar por meio de ligações covalentes para formar os dissacarídeos, oligossacarídeos ou polissacarídeos, todos desempenhando diferentes e importantes papeis no nosso organismo. Autoavaliação1. Quais estruturas químicas são frequentemente encontradas nos carboidratos? 2. Desenhe duas moléculas de glicose na forma cíclica e faça uma ligação glicosídica entre o carbono 1 e o carbono 4. 3. Se a celulose encontrada no papel e na madeira é formada por resíduos de glicose assim como o amido, porque ela não pode ser considerada um alimento? Introdução à BioquímicaO professor Dr.João Garcia faz uma introdução sobre Bioquímica, enfatizando que esta área do conhecimento é destinada aos estudos das moléculas presentes nos seres vivo e a interação entre si. ConhecimentosConhecer a importância dos conhecimentos em química para a compreensão dos lipídeos; HabilidadesRepresentar como três ácidos graxos se combinam com o glicerol para formar um triglicerídeo; AtitudesPerceber que os lipídeos são um grupo de moléculas quimicamente variadas; Estrutura química, Importância e ocorrênciaOs lipídeos constituem uma diversa e heterogênea classe de moléculas com grupos funcionais distintos, mas que compartilham a sua insolubilidade em água como característica definidora. São exemplos de lipídeos os ácidos graxos, as vitaminas lipossolúveis , alguns hormônios, triglicerídeos e lipídeos de membrana. Apenas pelos exemplos listados já se pode ter uma ideia da importância dos lipídeos nos seres vivos. A membrana plasmática, por exemplo, é um componente essencial para todos os seres vivos e são formados basicamente por lipídeos. Além de compor a estrutura dos organismos, os lipídeos também são ricas fontes de energia sendo utilizado em muitas células como reserva energética. A diversidade química dos lipídeosÁcidos graxosOs ácidos graxos são os precursores dos triglicerídeos e de hormônios como as prostaglandinas . São facilmente reconhecidos pela presença de ácido carboxílico e longa cadeia carbônica. A nomenclatura dos ácidos graxos depende basicamente do número de carbonos e ligações duplas, sempre começando com “ácido” e terminando com “óico”: Ex.: Nesse caso, o ácido graxo possui 10 átomos de carbono (prefixo dec) e nenhuma ligação dupla (prefixo “an”) fora do grupo funcional. O próximo exemplo possui uma ligação dupla: Ex.: Neste caso, o ácido graxo possui 10 átomos de carbono (prefixo “dec”) e uma ligação dupla (prefixo “en”). Os principais ácidos graxos encontrados nos seres vivos estão mostrados na Tabela 1 (Clique aqui e veja ). A presença de ligações duplas confere aos ácidos graxos algumas propriedades interessantes. A presença da dupla ligação impede que os grupos substituintes girem livremente, logo eles podem ficar orientados para o mesmo lado da ligação ou para lados opostos caracterizando um exemplo de configuração. Quando os grupos substituintes estão voltados para o mesmo lado, o ácido graxo possui uma ligação dupla do tipo cis, do contrário seria trans. Os ácidos graxos que possuem ligações do tipo trans são popularmente conhecidas como gorduras trans, afetam negativamente o organismo por não conter as mesmas propriedades químicas das gorduras cis (Clique e veja a Figura 14). As membranas, por exemplo, utilizam as gorduras do tipo cis para estrategicamente controlarem a fluidez das membranas, uma vez que a inserção ou retirada de uma dupla ligação pode (em gordura cis) mudar o formato tridimensional da molécula formando interações hidrofóbicas mais fortes ou fracas. A posição da ligação dupla também tem consequências no valor nutritivo dos alimentos. Uma forma alternativa de classificação dos ácidos graxos se baseia na contagem dos carbonos não a partir do grupo funcional e sim do carbono mais distante ao grupo funcional, ou carbono ômega. Um ácido graxo que possua uma dupla ligação no terceiro carbono contado a partir do lado oposto ao grupo funcional é chamado de ômega-3 e, ao contrário das gorduras trans, é benéfico para o organismo. TriglicerídeosOs triglicerídeos são formados pela união de três ácidos graxos com uma molécula de glicerol (veja a Figura 15). A ligação do tipo éster se forma entre o ácido carboxílico do ácido graxo com uma hidroxila do glicerol. A união de três ácidos graxos para formar uma triacilglicerol (ou triglicerídeo) é bastante conveniente nas células que pretendem armazenar grandes quantidades de energia em um pequeno espaço. Os adipócitos , por exemplo, são células especializadas em armazenar triglicerídeos como combustível de reserva. Fonte: NELSON ; COX ,2006 RevisandoOs lipídeos constituem uma classe de moléculas quimicamente diferentes mas tem a insolubilidade em água como característica definidora comum. Os ácidos graxos, por exemplo são importantes para a formação dos lipídeos de membrana e gorduras de reserva conhecidos como triglicerídeos. Autoavaliação1. Desenhe a estrutura do ácido hexadecanóico. 2. Faça a estrutura de uma molécula de glicerol. 3. Com base nas questões anteriores, junte uma molécula de glicerol com três moléculas de ácido hexadecanóico formando um triglicerídeo. ConhecimentosCompreender a estrutura geral dos aminoácidos; HabilidadesRelacionar o estudo de química na compreensão dos aminoácidos; AtitudesReconhecer o papel dos aminoácidos no organismo; Estrutura geral de um aminoácidoOs aminoácidos são um grupo de moléculas que desempenham uma grande variedade de funções nos organismos. Elas são quimicamente variadas podendo atuar como fonte de energia ou moléculas sinalizadoras. Os aminoácidos podem se unirem por ligações covalentes e formar longas cadeias como é o caso das proteínas. O nome desta classe de moléculas deriva de seus grupos funcionais (amino + ácido carboxílico). Em mamíferos, os aminoácidos (obtidos principalmente sob a forma de proteínas) são as formas mais importantes de entrada de nitrogênio no organismo. A estrutura química de um aminoácido é relativamente simples, sendo formado basicamente por um átomo de carbono central (carbono alfa) ligado a um grupo amino, grupo carboxila e um radical , que varia conforme o tipo de aminoácido (veja a Figura 16). Temos então um átomo de carbono ligado a quatro grupos substituintes (amino, carboxila, hidrogênio e radical), e desde que o grupo radical não seja igual a um grupo amino, carboxila ou hidrogênio, teremos então um aminoácido formado com um átomo de carbono ligado a quatro grupos químicos diferentes e isso faz desse carbono central um centro quiral. A presença de um centro quiral, faz com que o aminoácido exista em duas configurações espaciais, uma é abreviada de L-aminoácido e o seu isômero é abreviado de D-aminoácido. Nos exemplos aqui mostrados, os aminoácidos de configuração L terão o grupamento amino do lado esquerdo enquanto aqueles de configuração D terão o grupo amino do lado direito. Exceto a glicina, cujo grupo radical é um hidrogênio, todos os outros aminoácidos protéicos possuem um centro quiral, existindo sob a forma de L ou D aminoácidos.
Fonte: FILHO,J.G,2015 A diversidade química dos aminoácidosExistem centenas de aminoácidos na natureza, mas apenas 20 foram escolhidos para compor as proteínas. Os aminoácidos protéicos são comumente classificados em essenciais ou não essenciais, sendo os essenciais àqueles que o organismo dos mamíferos não conseguem sintetizar a partir de precursores mais simples enquanto que os não essenciais são produzidos normalmente pelo nosso organismo a partir de precursores simples. Uma classificação alternativa, baseada na solubilidade dos grupos radicais em água, é bastante conveniente para fins bioquímicos. Os radicais (grupos R) dos aminoácidos são quimicamente variados podendo ser solúveis em água (polares) ou em solventes orgânicos (apolares). Os aminoácidos com grupos R apolares se subdividem naqueles que possuem cadeia aberta (apolares alifáticos) e aqueles com cadeia cíclica (apolares aromáticos). Por outro lado, os aminoácidos polares se subdividem naqueles que possuem carga positiva(polares carregados positivamente), carga negativa (polares carregados negativamente) ou sem carga (polares não carregados) (Clique e veja a Tabela 2) (veja as Figuras 17 e 18). Fonte: FILHO,J.G,2015 Fonte: FILHO,J.G,2015 Em ciências da nutrição, um grupo de aminoácidos com grupos R apolares e alifáticos, como a leucina, isoleucina e valina, tem interesse especial para a composição do tecido muscular. Eles são conhecidos como aminoácidos de cadeia ramificada (Branched Chain AminoAcid ou BCAA). Os aminoácidos são anfotéricos e ácidos dipróticosEntende-se como um ácido, qualquer substância capaz de liberar íons H+ em solução aquosa. A liberação desse íon depende da natureza da molécula, onde moléculas que liberem esses íons com maior facilidade são chamadas de ácidos fortes enquanto que aquelas que apresentam uma maior dificuldade da liberação desse íon seriam ácidos fracos. Os aminoácidos, em geral, podem liberar íons H+ tanto a partir do grupamento amino quanto do ácido carboxílico, sendo, portanto chamados de ácidos dipróticos (Clique e veja a Figura 19). Quando um ácido perde um íon H+ ele deixa de ser protonado para ser desprotonado. No caso dos aminoácidos, a perda do primeiro íon faz com que ele deixe de ser protonado e passe a ser semidesprotonado e passando a ser totalmente desprotonado após a perda do segundo íon H+. Esse processo é reversível, de forma com que um aminoácido desprotonado possa voltar a ser protonado. Para que um aminoácido seja protonado, basta receber um íon H+ do meio, o que faz deste aminoácido uma molécula com natureza básica (alcalina). Por definição, moléculas alcalinas são aquelas capazes de receber íons H+ do meio. Como os aminoácidos podem doar ou receber prótons (ácidos ou bases), eles são chamados de moléculas anfotéricas (Clique e veja a Figura 20). A liberação ou recebimento de íons H+ em uma determinada molécula (como aminoácido) está condicionada ao pH e a constante de dissociação da molécula (pKa). Em valores de pH baixos (ácido), as moléculas estão predominantemente na sua forma protonada, enquanto que em valores de pH altos (básicos), a forma predominante é a desprotonada. O valor de pH em que um aminoácido deixa de ser protonado e passa a ser desprotonado depende de seu valor de pKa. Os valores de pKa, o ponto de dissociação de um aminoácido pode ser acompanhado experimentalmente pela curva de titulação . Nesse experimento, a molécula a ser testada é submetida a um meio contendo ácido, e é em seguida neutralizado com adições gradativas de base com acompanhamento dos valores de pH (veja a Figura 21). Fonte: NELSON ; COX ,2006 Quando uma molécula está sendo titulada, o valor de pH aumenta proporcionalmente à medida que se adiciona base, mas quando metade das moléculas já estiverem desprotonadas, a alteração de pH se mantém mais estável caracterizando então um sistema tampão . O valor de pH na qual o sistema atua como tampão coincide com o valor de pKa, sendo portanto característico de cada tipo de molécula.Sendo assim, a curva de titulação pode auxiliar na identificação de alguns aminoácidos, desde que eles estejam previamente isolados (veja a Figura 22 e veja a Figura 23). Fonte: NELSON ; COX ,2006 Fonte: NELSON ; COX ,2006 Alguns aminoácidos possuem grupo amino ou carboxila como parte do grupo R. Nesse caso eles teriam mais um ponto de liberação de prótons e valor de pKa (Clique e veja a Tabela 3). A ligação peptídicaAs proteínas são polímeros de aminoácidos que desempenham importantes funções biológicas. A polimerização dos aminoácidos ocorre por meio de uma ligação covalente entre os grupamentos amino e carboxila dos aminoácidos. A união de dois aminoácidos ocorre quando retiramos um hidrogênio do grupamento amino de um aminoácido e uma hidroxila do ácido carboxílico do outro aminoácido. A união do hidrogênio com hidroxila forma uma molécula de água. Devido a retirada de compostos, os aminoácidos se ligam covalentemente de modo que o nitrogênio de um aminoácido fica ligado ao carbono que fazia parte do grupo carboxila do outro aminoácido. A nova ligação covalente formada é chamada de ligação peptídica (veja a Figura 24). Fonte: FILHO,J.G,2015 Outra ligação covalente presente em algumas proteínas é a ponte dissulfeto. Ela é formada basicamente pela oxidação de dois resíduos de cisteína (veja a Figura 25). Fonte: FILHO,J.G,2015 Outras funções dos aminoácidosAlém de servirem para a composição das proteínas, os aminoácidos podem desempenhar um grande número de funções biológicas. Alguns aminoácidos podem ser substratos para síntese de neurotransmissores como o caso do triptofano , que é necessário para a síntese de serotonina (hormônio responsável pelo bem-estar e sono). A tirosina é o precursor da adrenalina e dopamina (hormônios responsáveis pelos estímulos excitatórios). O próprio glutamato em si já é um neurotransmissor e dá origem ao ácido gama aminobutírico (GABA) no sistema nervoso central. A arginina, glicina e metionina são precursores da creatina, um composto capaz de armazenar grupos fosfato para a síntese de ATP no músculo. As proteínas musculares são sintetizadas a partir de aminoácidos como leucina, isoleucina e valina (conhecidos como BCAAs). Mas também é importante a glicina, prolina e alanina, apesar de não serem aminoácidos “essenciais”. Para o metabolismo da ureia no fígado, é necessário o aspartato . Também são necessários dois aminoácidos não protéicos como a ornitina e citrulina (ambos fazem parte do ciclo da ureia). Essa via é responsável pela desintoxicação da amônia acumulada no fígado. RevisandoOs aminoácidos são moléculas essenciais ao organismo e são comumente conhecidas por serem os componentes básicos para a formação das proteínas, mesmo possuindo outras funções biológicas. Para que os aminoácidos formem proteínas, eles precisam estar quimicamente ligados por meio de ligações peptídicas. Infelizmente nem todos os aminoácidos do nosso organismo podem ser fabricados a partir de intermediários mais simples, havendo a necessidade de sua obtenção na dieta. Os aminoácidos que fazem parte das proteínas são de 20 tipos diferentes e classificados de acordo com a característica química de seu grupo radical. Técnicas laboratoriais exploram as propriedades químicas dos aminoácidos como o ponto isoelétrico e sua curva de titulação como estratégias para sua identificação. Autoavaliação1. Descreva as cinco classes de aminoácidos de acordo com o grupo radical citando exemplos. 2. Desenhe a estrutura de duas alaninas unidas por ligação peptídica. 3. Qual a relação entre pKa, tampão e ponto isoelétrico? ConhecimentosCompreender a estrutura tridimensional das proteínas; Habilidades Identificar os fatores que afetam a estabilidade das
proteínas; AtitudesReconhecer os níveis de organização das proteínas;
PROTEÍNASAs proteínas estão entre as macromoléculas mais importantes encontradas nas células. A vida depende de uma alta complexidade estrutural e capacidade de extrair, armazenar e utilizar a energia do ambiente. Tais feitos são possíveis, em parte, graças a extraordinária versatilidade de formas e funções das proteínas. Estima-se que o corpo humano possui cerca de 100 mil proteínas, todas codificadas por genes presentes no núcleo celular. Apesar de variadas, as proteínas são formadas pela combinação de apenas 20 tipos de moléculas menores chamadas de aminoácidos . Podemos comparar os aminoácidos ao alfabeto, onde cada letra representa um tipo de aminoácido. As proteínas seriam como palavras formadas pela combinação dos aminoácidos. Assim como o alfabeto pode formar um número ilimitado de palavras, os aminoácidos podem se combinar e formar um número ilimitado de proteínas. Podemos dizer que as proteínas são “palavrões”, onde as menores possuem 50 letras e as maiores passam de 1000 letras! Devido ao grande número de proteínas e a variedade estrutural, fica difícil descrever suas funções biológicas, restando então descrever basicamente os principais grupos com alguns exemplos.Podemos dividir as proteínas em dois grandes grupos de acordo com a sua estrutura: as proteínas fibrosas, que geralmente tem função estrutural e a sequência dos aminoácidos queformam cadeias lineares e estendidas. O segundo grupo é o das proteínas globulares, que é o grupo mais diversificado e onde a sequência de aminoácidos assume estruturas mais complexas. Proteínas fibrosasMuitas proteínas fibrosas são bastante resistentes, podendo assumir funções estruturais. Proteínas como o colágeno atuam como cabos microscópicos e estão presentes em estruturas como os tendões. A queratina é outro exemplo de proteína estrutural presente em unhas, cabelos e penas. Outras proteínas fibrosas podem ter um papel na mobilidade celular. A actina e a miosina formam um sistema contrátil onde uma proteína se desliza sobre a outra resultando no aumento e redução do diâmetro celular. A tubulina é uma proteína que forma os microtúbulos, que atuam como “trilhos” para o deslocamento de organelas e tem um papel importante na divisão celular (veja a Figura 26) Proteínas globularesAs proteínas globulares mais versáteis são as enzimas. As enzimas são proteínas capazes de aumentar a velocidade de uma reação química específica. A atividade das enzimas é estritamente regulada a fim de encorajar certas reações químicas e desencorajar reações químicas indesejadas. De fato a maior parte das reações químicas que ocorrem em nosso corpo são mediadas pelas enzimas e muitas doenças são causadas quando reações químicas fogem do controle das enzimas. Além das enzimas, as proteínas globulares podem atuar como transportadoras de substâncias como a hemoglobina (transporte de oxigênio) e as apolipoproteínas (transporte de lipídeos). Algumas proteínas se acumulam em grandes quantidades para servirem como reserva de nutrientes (aminoácidos) como a ovoalbumina e a caseina. Por outro lado, existem proteínas que são eficientes mesmo em pequenas quantidades, como é o caso de alguns hormônios como a insulina , o glucagon e a somatotropina . Entretanto, existem também proteínas responsáveis pela defesa do organismo. Os anticorpos são altamente especializados em reconhecer corpos estranhos ao nosso organismo e desencadear um mecanismo de resposta em mamíferos. Alguns animais se protegem do ataque de predadores liberando proteínas tóxicas e venenos. Plantas também podem produzir proteínas como a ricina que é letal aos seus predadores (veja a Figura 26) Fonte: NELSON ; COX ,2006 De que são feitas as proteínas?As proteínas são moléculas grandes, com uma grande variedade estrutural e funcional. No entanto elas são fabricadas pela combinação de simples aminoácidos.Existem vinte aminoácidos diferentes que formam as proteínas, cada um deles possuem um grupo amino e um grupo carboxila. Os grupos amino de um aminoácido pode se combinar com o grupo carboxila de outro aminoácido através de uma nova ligação química chamada de ligação peptídica.Quando dois aminoácidos se combinam forma-se uma molécula chamada de di-peptídeo.Esta molécula possui um grupo amino em uma extremidade e um grupo carboxila na outra extremidade, capaz de se ligar a novos aminoácidos. A adição progressiva de aminoácidos forma compostos com três (tri-peptídeo), quatro (tetra-peptídeo), cinco (penta-peptídeo) aminoácidos. Quando vários aminoácidos (geralmente mais de 50) se ligam, temos então um polipeptídeo. Alguns polipeptídeos, dependendo da sequência de seus aminoácidos, conseguem se dobrar sobre si mesmo, graças a atração e repulsão de aminoácidos específicos, formando estruturas tridimensionais complexas e capazes de assumir uma determinada função biológica. Podemos então dizer que as proteínas são polipeptídeos funcionais. Muitas proteínas são formadas apenas pela união de aminoácidos enquanto que outras precisam de grupos químicos adicionais para poder exercer sua função biológica.Os acessórios são variados, estão entre os mais frequentes os carboidratos, lipídeos e as proteínas.Quando uma proteína é associada com um carboidrato, ela é chamada de glicoproteína. Proteínas que se ligam a metais são chamadas de metaloproteinas, enquanto que proteínas que se ligam a lipídeos são conhecidas como lipoproteínas (Clique e veja Tabela 4). Estrutura de proteínasSe unirmos algumas centenas de aminoácidos por ligações peptídicas, teremos um polipeptídeo linear onde o primeiro aminoácido mostra um grupo amino livre e o último aminoácido mostra um grupo carboxila livre. Dependendo dessa sequência de aminoácidos, esse polipeptídeo poderá ser uma determinada proteína. A sequência linear dos aminoácidos é conhecida como estrutura primária de proteínas. Em algumas proteínas, os grupos radicais de aminoácidos como a cisteína também podem fazer ligações covalentes chamadas de pontes dissulfeto. Por serem ligações fortes, as pontes dissulfeto ajudam bastante a manter a proteína na sua forma tridimensional. Por ser uma ligação covalente, a ponte dissulfeto também irá fazer parte da estrutura primária de uma proteína. Voltando a sequência linear de aminoácidos em um grande polipeptídeo, percebe-se que as ligações covalentes simples são capazes de fazer o grupo radical girar 360°. Essa liberdade de rotação não ocorre nos grupos que ficam antes e depois da ligação peptídica. No entanto, o carbono onde fica ligado o grupo radical tem total liberdade de rotação fazendo com que o polipeptídeo assuma várias conformações . Os radicais dos aminoácidos são quimicamente variados, podendo ser polares (carga positiva, negativa ou sem carga) ou apolares (alifáticos ou aromáticos). Essa variedade de radicais faz com que nem todas as conformações de um polipeptídeo sejam quimicamente viáveis, devido ao risco de aproximar radicais polares com apolares, por exemplo. A melhor conformação possível é aquela em que a cadeia polipeptídica se dobre aproximando os radicais que tenham afinidade e se afastando daqueles que não tenham afinidade. Podemos considerar que uma proteína é um polipeptídeo com a melhor conformação quimicamente possível (veja a Figura 27).
Fonte: NELSON ; COX ,2006 Durante o dobramento do polipeptídeo, formam-se estruturas estáveis, através da interação de aminoácidos relativamente próximos. Tais estruturas são conhecidas como estrutura secundária de proteínas. A primeira estrutura, chamada de alfa-hélice, ocorre quando a sequência de aminoácidos forma uma estrutura em espiral, estabilizada por pontes de hidrogênio entre eles. O segundo tipo de estrutura é chamado de beta-folha, onde um determinado trecho de sequência de aminoácidos na forma linear interage com outro trecho, estabilizado também por pontes de hidrogênio. Cada trecho é chamado de folha, representado graficamente como uma seta que aponta para o lado carboxila terminal (Clique e veja a Figura 28 e a Figura 29). O somatório de estruturas secundárias, juntamente com todos os tipos de conformação em uma única cadeia polipeptídica é chamado de estrutura terciária. A estrutura terciária é estabilizada por ligações não covalentes como ponte de hidrogênio, interações hidrofóbicas e forças de Van der Waals. Muitas das proteínas que conhecemos são na verdade estruturas terciárias de polipeptídeos biologicamente ativos (Clique e veja a Figura 28 e a Figura 29). As proteínas mais complexas são formadas por mais de uma estrutura terciária, consequentemente mais de uma cadeia polipeptídica, sendo chamadas de estruturas quaternárias. Essas cadeias podem ser idênticas ou diferentes entre si. A união de duas cadeias polipeptídicas forma um dímero, que pode ter cadeias iguais homodímero, ou cadeias diferentes heterodímero. Existem proteínas que são trímeros, tetrâmeros, pentâmeros, hexâmetros, tendo três, quatro, cinco ou até seis cadeias polipeptídicas. A hemoglobina, por exemplo, é um tetrâmero, formada por duas cadeias iguais chamadas de alfa e duas cadeias iguais chamadas de beta. Trabalhando com proteínasA parte final desta unidade de estudo se destina as técnicas laboratoriais para análise de proteínas. Aparentemente parece ser de interesse apenas aos pesquisadores em bioquímica, mas na verdade ajuda a compreender melhor os conceitos, deixa o assunto menos abstrato e aplica os conhecimentos teóricos em ferramentas que são usadas em várias áreas da saúde. Purificação de proteínasA primeira grande dificuldade em se trabalhar com proteínas é separa-la das demais moléculas presentes em uma célula ou tecido.Para obter proteínas intracelulares, é preciso romper as células com o uso de detergentes como o SDS. Os detergentes dissolvem as membranas expondo seu conteúdo citoplasmático que se mistura com outras células rompidas formando o extrato celular. O extrato celular é uma mistura rica de moléculas das mais variadas formas, boa parte delas são solúveis em água, inclusive a maioria das proteínas. Compostos insolúveis são facilmente separados por centrifugação. No caso das proteínas, elas podem sedimentar no fundo do frasco pela adição gradativa de sais ou desnaturando na presença de ácidos. Depois de precipitadas e separadas por centrifugação, as proteínas precisam ser novamente solubilizadas em solução aquosa com pH estabilizado (tampão). EspectrofotometriaAs proteínas isoladas são pequenas demais para serem vistas em microscópio. Felizmente existe um método capaz de identificar e quantificar proteínas em solução analisando a propriedade das proteínas de absorverem luz. O espectrofotômetro é um equipamento formado basicamente por uma fonte de luz, com comprimento de onda ajustável e um detector de luz. No caminho da luz que parte da fonte ao detector é colocado um tubo transparente , chamado cubeta, onde colocamos a solução de proteínas. Quanto maior a quantidade de luz que atravessar a amostra, menor será a concentração de proteínas. Se ajustarmos o comprimento de onda para 280 nanômetros , estamos fazendo a leitura dos aminoácidos protéicos, e sua concentração é diretamente proporcional a quantidade de luz que fica retido na amostra, chamado de absorbância (Clique e veja Figura 30). A absorbância equivale a quantidade de luz emitida subtraindo-se a luz que atravessou o tubo, é chamado de transmitância. A leitura de proteínas pode ser imprecisa, pois várias moléculas diferentes também absorvem luz no comprimento de onda de 280 nanômetros. Para contornar este problema, usamos uma substância que se liga especificamente as proteínas, mas que absorve luz no comprimento de onda de 595 nanômetros, onde nenhuma outra molécula celular absorve luz. Quando a solução de proteínas é misturada com o reagente, o mesmo mostra uma intensa cor azul sendo a intensidade da cor proporcional à concentração de proteína. O equipamento é ajustado para emitir luz no comprimento de onda de 595 nanômetros e a leitura da proteína é feita pela leitura do corante. Os valores de concentração medidos dessa forma são mais próximos do real (Clique e veja Figura 30). CromatografiaA caracterização de uma determinada proteína requer que ela seja separada das demais proteínas que sejam diferentes dela. Para isso, é necessário um novo procedimento capaz de separar proteínas de acordo com suas características químicas, sendo a cromatografia uma técnica que exemplifica muito bem esta questão. A técnica de cromatografia ocorre em um tubo comprido cilíndrico disposto na vertical com abertura na parte superior e inferior. Na parte superior do cilindro, mais conhecido como coluna de cromatografia, as proteínas em solução são aplicadas enquanto que na parte inferior devem sair as proteínas que não se prenderam na coluna. No interior da coluna de cromatografia existe um material gelatinoso, conhecido como matriz, que deve atuar como uma armadilha de proteínas. A composição química da matriz determina a forma como as proteínas serão separadas. Existem basicamente três tipos de cromatografia: a cromatografia de troca iônica, cromatografia de exclusão molecular e cromatografia de afinidade (veja a Figura 31)
Fonte: NELSON ; COX ,2006 Na cromatografia de troca iônica, a matriz é formada por moléculas carregadas que são capazes de atrair proteínas também carregadas desde que sejam de sinais opostos. Se a matriz possuir moléculas de carga negativa (como o carboximetil ) ela será capaz de prender proteínas com carga positiva. Caso a matriz possua moléculas com carga positiva (como o dietil-aminoetil), ela será capaz de prender proteínas com carga negativa. Na cromatografia de exclusão molecular, a matriz é formada por moléculas que não interagem quimicamente com as proteínas, mas formam pequenas esferas porosas que dificultam a passagem das proteínas. Proteínas grandes passam entre as esferas enquanto que, as proteínas pequenas tendem a entrar nas porosidades das esferas tendo seu caminho ainda mais dificultado. As diferenças no tempo em que cada proteína leva para atravessar a coluna de cromatografia permite sua separação em tubos diferentes colocados na abertura que fica na base da coluna de cromatografia. Na cromatografia de afinidade, a matriz contém moléculas que se ligam especificamente a um determinado tipo de proteína. Somente um tipo de proteína se liga nesse tipo de cromatografia. Uma vez presa, a proteína de interesse precisa se soltar da coluna de cromatografia para ser coletada em um novo tubo. Para isso basta adicionar uma solução de ligante, que tem a mesma composição da matriz e eventualmente a proteína se liga nesses compostos que são livres na solução e acabam sendo coletados no final da coluna. Em alguns casos, a simples adição de ácido faz com que a proteína comece a desnaturar fazendo com que ela se desprenda da matriz. A identificação de proteínas que não se ligaram na matriz, e aquelas que ficaram presas e depois foram soltas é determinada por espectrofotometria. EletroforeseUma outra forma bastante rápida e eficiente de separar proteínas é através de sua migração em uma matriz estimulada por corrente elétrica, um processo conhecido como eletroforese. A eletroforese é um método analítico, adequado para pequenas quantidades de amostra e quando não há necessidade de separação, e sim de visualização da diversidade protéica em uma determinada amostra. Assim como na cromatografia de exclusão molecular, a matriz da eletroforese (chamada de gel de eletroforese) não interage quimicamente com as proteínas. No entanto, esse gel de eletroforese contém pequenos poros que dificultam a passagem de proteínas maiores fazendo com que as proteínas menores migrem pelo gel com velocidade maior (veja a Figura 32). Fonte: NELSON ; COX ,2006 O padrão de migração das proteínas no gel depende em parte de seu tamanho, mas também da sua forma e da carga intrínseca da proteína. Para padronizar a separação protéica baseado em apenas um parâmetro, utiliza-se o detergente SDS (dodecil sulfato de sódio)que é capaz de se ligar fortemente as proteínas desnaturando-as, fazendo com que todas assumam uma mesma forma. O SDS, por ser negativo, confere a todas as proteínas cargas negativas, fazendo com que sua carga intrínseca seja irrelevante. Com a utilização do SDS, a eletroforese passa a separar as proteínas baseando-se apenas na massa molecular. O gel de eletroforese de proteínas é feito de uma mistura de acrilamida e bisacrilamida que se polimerizam formando a poliacrilamida . Mudanças nas concentrações de acrilamida e bisacrilamida durante o preparo do gel pode formar poros maiores ou menores podendo se ajustar aos tamanhos das proteínas que serão separadas. Após a polimerização do gel de eletroforese, o mesmo é submerso em uma solução condutora de eletricidade e as proteínas são então aplicadas. A cuba de eletroforese, o local onde repousa o gel imerso em solução, contém eletrodos onde será aplicada a corrente elétrica, com amperagem, voltagem e tempo controlados. Após a corrida eletroforética, o gel é retirado da cuba eletroforéica e mergulhado em uma solução que contém um corante que se liga nas proteínas, mas não no gel em si. As proteínas são representadas como pequenos traços paralelos. O número de traços indica o número de proteínas diferentes. Através da comparação com proteínas de tamanhos conhecidos, é possível estimar o tamanho das proteínas de qualquer amostra, fazendo desta técnica um meio de avaliar o tamanho protéico com uma certa precisão. A técnica de eletoforese é capaz de revelar a diversidade de proteínas em uma amostra e pode também detectar a presença de contaminantes durante as etapas de purificação de proteínas. RevisandoAs proteínas estão entre as moléculas mais importantes de todos os seres vivos. Elas possuem uma grande variedade de funções biológicas podendo assumir uma infinidade de estruturas tridimensionais. As proteínas são formadas basicamente pela combinação de uma ou mais sequências de aminoácidos ligados quimicamente, podendo também possuir outras estruturas químicas como metais, lipídeos ou carboidratos. Existe uma série de técnicas laboratoriais que exploram as propriedades químicas das proteínas com a finalidade de identificar e isolar dos demais componentes celulares. Autoavaliação1. Diferencie proteínas globulares de proteínas fibrosas. 2. Comente sobre os níveis de organização de proteínas. 3. Compare os três tipos básicos de cromatografia de proteínas. Eletroforese de proteínasO professor João Garcia faz uma explanação sobre as proteínas e como identifica-las em nosso corpo. Nesta videoaula o professor fala da catalase uma proteína responsável pela neutralização dos radicais livres no fígado, sua função e o que as deformações podem causar. É apresentado na prática em laboratório o método para separar as proteínas do Plasma sanguíneo, “Eletroforese” e suas etapas, ainda enfatiza a importância da Biossegurança. Vale a pena conferir! 5 Nucleotídeos e Ácidos Nucleicos ConhecimentosCompreender a estrutura geral dos nucleotídeos e a estrutura química dos ácidos nucléicos; Habilidades Diferenciar nucleotídeos de nucleosídeos e DNA de RNA; AtitudesReconhecer a estrutura química dos nucleotídeos e dos ácidos nucléicos; Nucleotídeos e Ácidos NucleicosOs ácidos nucléicos são tema-chave na compreensão dos mecanismos de hereditariedade e transmissão de informação nas células. Os ácidos nucléicos encontrados em maior abundância na célula são o ácido desoxiribonucleico (DNA) e o ácido ribonucleico (RNA), sendo o último classificado em RNA mensageiro (mRNA) , RNA transportador (tRNA) e RNA ribossomico (rRNA). Os ácidos nucléicos são basicamente sintetizados no núcleo celular, sendo uma parte sintetizada nas mitocôndrias e cloroplastos. O DNA reside no núcleo, mas os RNAs são transportados para o citoplasma onde atuam na função de síntese de proteínas. O DNA é o material genéticoAté o início dos anos 1920, não se tinha certeza sobre a natureza do material genético. A descoberta do ácido desoxiribonucleico (DNA) no núcleo se mostrava bastante promissora pra ser o candidato à molécula portadora da hereditariedade, muito embora alguns cientistas concordassem em ser a proteína o verdadeiro material genético. Um dos experimentos mais importantes nessa época foi feito por Oswald Avery, Colin McLeod e Maclyn McCarty. Os experimentos mostravam que cepas bacterianas não patogênicas podem se transformar-se em infecciosas quando misturadas com uma cepa virulenta inativada por calor. Esse fenômeno, conhecido como “transforming principle” foi interpretado como o gene da virulência (supostamente uma molécula de DNA), em uma bactéria morta poderia entrar em uma bactéria não virulenta, fazendo com que esta se tornasse virulenta. O princípio transformante era resistente ao tratamento com proteases, mas era destruído por DNAses . Embora convincente alguns pesquisadores relutaram em aceitar que o DNA era o material genético. O experimento conclusivo foi realizado por Martha Chase e Alfred Hershey. O experimento de 1952 foi feito com bacteriófagos (que contém basicamente DNA e proteínas). Em experimentos separados, os bacteriófagos foram marcados com fósforo 32 (marcar o DNA) e com enxofre 35 (marcar as proteínas). Os bacteriófagos marcados foram postas em contato com bactérias para infecção. Após esse período, pode-se constatar que o DNA marcado foi encontrado dentro da bactéria, mas a proteína marcada fora encontrada fora da bactéria (veja a Figura 33). Fonte: NELSON ; COX ,2006 O DNA é uma dupla-héliceEstudando os componentes do DNA, os nucleotídeos, Erwin Chargaff pôde concluir que a quantidade de adeninas (A) era sempre igual a quantidade de timinas (T), enquanto que a quantidade de citosinas (C) era sempre igual a quantidade de guaninas (G), chegando assim à fórmula: A + G = C + T Os estudos de difração de raios-X realizados por Rosalind Franklin indicavam que o DNA possuía uma estrutura helicoidal (Clique e veja a Figura 34). Posteriormente, James Watson e Francis Crick propuseram definitivamente o modelo de dupla-hélice do DNA, sendo formadas por pentoses ligadas a grupos fosfato contendo ligações cruzadas de bases nitrogenadas, sempre adeninas ligadas a timinas e guaninas ligadas a citosinas, estabilizadas por pontes de hidrogênio (veja a Figura 35). Fonte: Nature Nobel Prize,2014 Nucleotídeos: as unidades formadoras dos ácidos nucléicosOs nucleotídeos são formados por três elementos: uma base nitrogenada, uma pentose e um grupo fosfato, ligados covalentemente. As bases nitrogenadas são moléculas pequenas, apolares e ricas em nitrogênio. Elas podem ser classificadas em dois tipos de acordo com sua estrutura: as purinas são maiores possuindo duas estruturas cíclicas como é o caso da guanina e adenina. Já as pirimidinas são menores possuindo apenas uma estrutura cíclica como é o caso da timina, citosina e uracila (veja a Figura 36). Fonte: FILHO,J.G,2015 Nos ácidos nucléicos, as purinas se ligam com as pirimidinas por meio de pontes de hidrogênio . A adenina pode se ligar com a timina ou com a uracila através de duas pontes de hidrogênio enquanto que a guanina se liga com a citosina através de três pontes de hidrogênio. As pentoses são carboidratos do tipo monossacarídeos possuindo cinco átomos de carbono. Existem basicamente dois tipos de pentose nos ácidos nucléicos: a ribose, que está presente no RNA, é uma pentose que possui uma cetona como grupo funcional, sendo então classificada como cetose. Já a desoxirribose, que está presente no DNA, é semelhante a ribose, porém substituindo a hidroxila do carbono 2 por um hidrogênio. A falta do oxigênio no carbono 2 da desoxirribose faz com que o DNA seja mais estável que o RNA (veja a Figura 37). Fonte: FILHO,J.G,2015 Quando uma base nitrogenada se liga covalentemente ao carbono 1 de uma pentose, temos então um nucleosídeo. A numeração dos carbonos da pentose precisa ser diferenciada da numeração dos carbonos da base nitrogenada para evitar confusão. Sendo assim, a numeração dos carbonos da pentose passa ser de 1' até 5'. A nomenclatura dos nucleosídeos é baseada na nomenclatura das bases nitrogenadas com a terminação “ina”. Portanto a adenina, timina, guanina, citosina e uracila, quando ligadas a ribose, passam a se chamar de adenosina, timidina, guanosina, citidina e uridina, respectivamente. Substituindo a ribose por uma desoxirribose, a nomenclatura permanece a mesma recebendo apenas o prefixo “desoxi”, sendo então: desoxiadenosina, desoxitimidina, desoxiguanosina, desoxicitidina e desoxiuridina (Clique e veja a Tabela 5). Quando um nucleosídeo se liga covalentemente a um grupo fosfato no carbono 5' ele passa a ser um nucleotídeo. A nomenclatura dos nucleotídeos é semelhante a nomenclatura dos nucleosídeos, porém com a terminação “ato”. Sendo assim, temos o adenilato, timidilato, guanilato, citidilato e uridilato, como nucleotídeos que tem ribose como pentose. Quando a pentose é uma desoxirribose, a nomenclatura do nucleotídeo recebe o prefixo “desoxi”, portanto passam a se chamar de: desoxiadenilato, desoxitimidilato, desoxiguanuilato, desoxicitidilato e desoxiuridilato. A melhor reconhecida função dos nucleotídeos é compor os ácidos nucléicos (DNA e RNA), mas o fato é que eles possuem diversas funções nas células. O adenilato, também conhecido como adenosina mono fosfato, pode receber o segundo grupo fosfato passando a se chamar de adenosina difosfato (ADP). Reações catabólicas transferem energia para adicionar o terceiro grupo fosfato ao ADP para formar a adenosina trifosfato (ATP). Da mesma forma que a adenina, a guanina também pode atuar como transportador de energia na sua forma trifosfatada (GTP), porém em quantidades menores que o ATP. A adenina está também presente nos transportadores de elétrons nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD) e na flavina adenina dinucleotídeo (FAD). A adenina também faz parte da coenzima A, que faz parte de importantes vias metabólicas como o ciclo de Krebs e a beta-oxidação de ácidos graxos (veja a Figura 38). Fonte: FILHO,J.G,2015 Polímeros de nucleotídeosDois nucleotídeos podem se ligar covalentemente com gasto de energia para formar um dinucleotídeo . Para que a ligação ocorra, é necessário combinar o grupo hidroxila do carbono 3' de um nucleotídeo com a hidroxila do grupo fosfato ligado ao carbono 5' de outro nucleotídeo. Para que a ligação ocorra é necessário sair a hidroxila de um lado e um hidrogênio de outro, juntas elas formam água e a nova ligação se forma por condensação. A nova ligação é chamada de ligação fosfodiéster(veja a Figura 39). Fonte: NELSON ; COX ,2006 A molécula de dinucleotídeo resultante poderá se ligar ao próximo nucleotídeo para formar um trinucleotídeo e assim por diante até formar um polinucleotídeo. Uma cadeia polinucleotídica linear, independente do número de resíduos terá sempre uma extremidade com a hidroxila do carbono 3' livre assim como um grupo fosfato ligado ao carbono 5' livre e em lados opostos. Dizemos então que um polinucleotídeo linear sempre terá uma extremidade 3' e uma extremidade 5'. Moléculas de DNA de eucariontes são polinucleotídeos que armazenam toda a informação genética sendo formados por milhões de nucleotídeos. Estrutura do DNAO DNA é formado pela união de duas longas cadeias polinucleotídicas tendo a desoxirribose como pentose e possuindo as bases adenina, guanina, citosina e timina. Na molécula de DNA, as duas fitas polinucleotídicas estão invertidas uma em relação a outra de forma que uma cresce no sentido 5'=>3' enquanto a outra está no sentido 3'=>5', portando diz-se que o DNA possui duas fitas antiparalelas(Clique e veja a Figura 40). A união das duas fitas de DNA é garantida pelo pareamento das bases nitrogenadas e isso só é possível se para cada adenina de uma fita encontrar uma timina na mesma posição e para cada guanina encontrar uma citosina e vice-versa. Em meio aquoso, a dupla fita de DNA assume uma conformação tridimensional de modo a esconder ao máximo as bases nitrogenadas (hidrofóbicas) por meio da dobra dos grupos pentose e fosfato (hidrofílicas). Essa conformação se apresenta como uma estrutura helicoidal, com o giro para a esquerda, mais conhecido como dupla-hélice. Essa conformação é estável e a mais encontrada nas células e é conhecida como conformação B. Essa conformação se caracteriza pela presença de sulcos maiores e sulcos menores, sendo os sulcos maiores importantes para a ligação de enzimas. Estrutura do RNAO RNA é formado por uma cadeia polinucleotídica tendo a ribose como pentose e possuindo as bases adenina, guanina, citosina e uracila (veja a Figura 41). O tamanho do RNA, comparado ao DNA é bem menor possuindo algumas centenas e no máximo poucos milhares de nucleotídeos. Todas as moléculas de RNA estão codificadas no DNA e são sintetizadas no núcleo (algumas nas mitocôndrias e cloroplastos ). Após a síntese, os diferentes tipos de RNA migram para o citosol e assumem conformações diferentes de acordo com sua natureza química. Fonte: NELSON ; COX ,2006 A molécula de RNA mensageiro é a mais simples e também a mais instável. Ela é responsável por transportar a informação codificada nos genes para orientar os ribossomos e sintetizar proteínas seguindo a sequência de aminoácidos de acordo como ela está codificada no RNA. Quando um RNA contém a informação de um gene ele é chamado de RNA monocistronico e quando ele contém a informação de vários genes ele é chamado de RNA policistrônico. Após sintetizado, o RNA mensageiro dura apenas alguns minutos, pois além da sua instabilidade intrínseca garantida pela presença de uma hidroxila no carbono 2', o RNA mensageiro é alvo de nucleases presentes no citoplasma.O RNA ribossômico é um importante componente do ribossomo e se associa com proteínas de forma a estabilizar sua estrutura. Em eucariontes, os ribossomos são formados por duas subunidades, elas contêm então duas moléculas de RNA ribossômico , associada com proteínas. O RNA transportador é um polinucleotídeo relativamente pequeno, para ter mais estabilidade e assume uma conformação diferente, graças ao pareamento entre bases intracadeia. O RNA transportador também contém bases nitrogenadas raras como a inosina, metil-guanosina, etc. A função do RNA transportador é decodificar a sequência de três nucleotídeos para um determinado aminoácido. Para cada aminoácido, deve existir um RNA transportador diferente. Química do DNAO DNA pode perder sua conformação nativa com temperaturas acima de 94°C. Durante a desnaturação, o DNA de fita dupla começa a romper as pontes de hidrogênio produzindo moléculas de DNA de fita simples (Figura 42). O processo de desnaturação é reversível, basta diminuir a temperatura que ele volta a sua conformação nativa. Se isolarmos dois fragmentos de DNA idênticos, porém de organismos diferentes e misturarmos, após a desnaturação e renaturação , existe a possibilidade de formação de uma molécula de DNA com uma fita proveniente de um organismo e a segunda fita proveniente de outro organismo. Esse pareamento só é possível em trechos de DNA idênticos e é conhecido como hibridização (veja a Figura 42). O processo de hibridização é assunto-chave na compreensão dos atuais mecanismos de tecnologia do DNA recombinante, na produção de proteínas heterólogas e transgênicos . Fonte: NELSON ; COX ,2006 RevisandoDesde a época em que se estabeleceu as leis da hereditariedade, houve um grande questionamento sobre qual ou quais moléculas seriam responsáveis pela transmissão das características herdadas. Estudos demonstraram ser o DNA o repositório da informação genética e sua estrutura tridimensional foi deduzida nos anos 50. O DNA (ácido desoxirribonucléico) é formado pela combinação de quatro nucleotídeos. Cada nucleotídeo difere um do outro pelo tipo de base nitrogenada que possui. A união dos nucleotídeos é feita quimicamente através de ligação fosfodiéster. Uma característica interessante do DNA é o fato de ele ser formado por duas longas cadeias polinucleotídicas com bases nitrogenadas complementares. Essa característica indica um mecanismo para replicação do DNA garantindo que cópias desta molécula seja transferida para as futuras gerações. Autoavaliação1. Explique como foi provado experimentalmente que o DNA é o material genético. 2. Liste as principais diferenças entre o DNA e o RNA. 3. Desenhe a estrutura de quatro nucleotídeos contendo as quatro bases do DNA (A, T, G, C) unidas por ligações fosfodiéster. ConhecimentosCompreender o
papel das vitaminas; Habilidades Diferenciar vitaminas hidrossolúveis de lipossolúveis; Atitudes Classificar as vitaminas pela observação de sua estrutura
química; VitaminasO termo vitamina (amina vital) originou-se no início do século XX e se refere a compostos orgânicos (não necessariamente aminas) que atuam no metabolismo, especialmente na forma de co-enzimas. Exceto a vitamina D, todas as demais precisam ser obtidas na dieta. O fato interessante é que tanto a falta como o excesso de vitaminas pode ocasionar doenças. Quimicamente, as vitaminas podem ser classificadas em hidrosolúveis (solúveis em água) ou liposolúveis (solúveis em solventes orgânicos). Vitaminas lipossolúveisAs vitaminas lipossolúveis têm natureza lipídica e são encontradas em pequenas quantidades no nosso organismo. Elas são importantes na visão (vitamina A), na absorção de cálcio (vitamina D), podem atuar como antioxidantes (vitamina E) ou atuar no processo de coagulação (vitamina K). As quatro vitaminas formam o anagrama “KADE” (Clique e veja a Figura 43). A vitamina A (retinol) é obtida a partir da degradação do beta-caroteno encontrada em alimentos como a cenoura. O retinol em si não é uma coenzima, mas é um importante lipídeo presente na membrana das células da retina, responsáveis por mudar de conformação (cis para trans) em resposta à luz. A célula sensibilizada transmite a informação para o nervo óptico e é interpretada como visão. A deficiência de vitamina A pode estar associada à cegueira. A vitamina D (calciferol) é uma vitamina que promove a absorção de cálcio (após exposição à luz solar), sendo essencial para o desenvolvimento normal de ossos e dentes. A deficiência de vitamina D causa raquitismo em crianças, uma doença que se manifesta como atraso no fechamento da “moleira” dos recém-nascidos, desmineralização óssea, as pernas tortas e outros sinais relacionados com estrutura óssea. A vitamina E (tocoferol) e a vitamina K (filoquinona) são vitaminas que atuam neutralizando os efeitos dos radicais livres e no processo de coagulação, respectivamente. Vitaminas hidrossolúveisAs vitaminas hidrossolúveis são mais facilmente transportadas e metabolisadas em comparação as lipossolúveis. No entanto, devido ao fato de não serem armazenadas, precisam ser consumidas diariamente em pequenas quantidades. São exemplos de vitaminas hidrossolúveis as vitaminas do complexo B, e vitamina C (Clique e veja a Figura 44). A vitamina B1 (tiamina) é importante para o bom funcionamento do tecido muscular e nervoso. Sua deficiência está associada com a doença beriberi, que resulta em fadiga muscular e problemas gastrointestinais. A vitamina B2 (riboflavina) atua como uma coenzima, importante na formação da molécula de FAD (flavina adenina dinucleotídeo), um aceptor de elétrons em vias metabólicas, especialmente de lipídeos. A deficiência de vitamina B2 pode causar problemas na pele, depressão e histeria. A vitamina B3 (nicotinamida ou niacina), assim como a vitamina B2, atua como uma coenzima que é um aceptor de elétrons no metabolismo, no caso o NAD (nicotinamida adenina dinucleotídeo).A diferença de ácido nicotínico para nicotinamida está na troca de um ácido carboxílico (ácido nicotínico) para um grupo amida (nicotinamida). O ácido nicotínico também é precursor para a nicotina, um dos ingredientes do cigarro, porém incapaz de substituir ao NAD no transporte de elétrons. A falta de vitamina B3 na dieta pode ocasionar problemas na pele e gastrointestinais assim como dores de cabeça, insônia e irritabilidade. A vitamina B5 (ácido pantotênico) faz parte da estrutura da coenzima A, importante no metabolismo de lipídeos e carboidratos. A falta dessa vitamina pode ocasionar caimbras musculares e dores em geral assim como insônia e mal estar. A vitamina B6 (piridoxina) é um componente importante no processo de transaminação. As aminotransferases requerem vitamina B6 para metabolizarem aminoácidos. Essa vitamina é encontrada basicamente nos músculos e sua ausência pode estar relacionada com dermatite, anemia e nervosismo. A vitamina B7 (biotina) é responsável por se ligar ao bicarbonato, sendo importante nas reações de carboxilação que ocorrem na gliconeogênese e na biossíntese de ácidos graxos. A biotina se liga fortemente a uma proteína encontrada na clara do ovo conhecida como avidina . A ingestão de clara de ovo cru pode diminuir a absorção de biotina. Em laboratório, algumas proteínas são “biotiniladas” para serem mais bem purificadas por cromatografia de afinidade utilizando moléculas de avidina em uma matriz como isca. A vitamina B9 (ácido fólico) é um derivado do ácido glutâmico e essencial para a formação de algumas proteínas como a hemoglobina. A falta dessa vitamina pode ocasionar anemia, fraqueza e insônia. A vitamina B12 (cobalamina) é uma coenzima que atua no metabolismo de ácidos graxos com cadeia de número ímpar de carbono. Sua ausência causa a acumulação de um precursor derivado do propionil-CoA que leva a diminuição de eritrócitos e causa danos no sistema nervoso central levando a uma doença conhecida como anemia perniciosa. A vitamina C (ácido ascórbico) atua na conversão de prolina em hidroxiprolina durante a formação do colágeno. Ela atua também no funcionamento adequado dos leucócitos. Sua deficiência pode ocasionar o escorbuto, que se caracteriza por hemorragia na gengiva. RevisandoAs vitaminas são uma classe de moléculas encontradas em pequenas quantidade no nosso organismo, mas possuem importantes funções biológicas. A importância do estudo das vitaminas está no fato de que elas precisam ser obtidas na dieta, uma vez que não podem ser fabricadas no nosso corpo. Elas são essenciais para o correto funcionamento de algumas enzimas e sua falta geralmente ocasiona doenças. O fato interessante é que o excesso de vitaminas também é prejudicial. Autoavaliação1. Diferencie vitaminas lipossolúveis das hidrossolúveis citando exemplos. 2. Comente sobre o papel das vitaminas A e D. 3. Comente sobre o papel da piridoxina e da biotina. Conhecimentos Compreender o processo de transporte de lipídeos no organismo e seus agentes emulsificantes, essenciais no transporte; Habilidades Diferenciar transporte de lipídeos no estômago e no sangue; AtitudesComparar o transporte de lipídeos com carboidratos; Transporte de LipídeosOs lipídeos formam um grupo de moléculas quimicamente variadas com diversas funções biológicas. Uma importante classe de lipídeos são os ácidos graxos, frequentemente associados ao armazenamento de energia por serem os componentes majoritários dos triacilgliceróis (triglicerídeos). Devido a algumas características como alto teor energético e facilidade de armazenamento por não requerer água de solvatação (moléculas de água presentes em moléculas polares), os triacilgliceróis são utilizados como reserva energética nos adipócitos . O simples fato dos triacilgliceróis serem apolares facilita seu armazenamento, porém dificulta seu transporte no sistema digestório e sangue. Uma estratégia precisa ser utilizada para transporte de gorduras em meio aquoso. Emulsificação e transporte no estômago e sangueOs lipídeos são substâncias apolares, sendo assim, eles não podem ser transportados em meios aquosos como a saliva ou o sangue, por exemplo. Fazer a gordura circular no sangue ou simplesmente “descer goela abaixo” seria tão difícil como retirar a gordura de um prato simplesmente colocando debaixo da torneira. No caso do prato, o problema é resolvido com o detergente, uma substância anfipática (parte polar e parte apolar). A parte apolar do detergente se liga na gordura enquanto a parte polar se liga na água da torneira. A água puxa o detergente que por sua vez puxa a gordura do prato. Nosso organismo deve agir de modo semelhante para lidar com as gorduras. Os sais biliares, assim como os detergentes, são moléculas anfipáticas, capazes de se ligar as gorduras tornando-as solúveis em água, num processo conhecido como emulsificação. Os sais (ou ácidos) biliares são sintetizados no fígado e armazenados na vesícula biliar. O alimento rico em gorduras é então emulsificado pelos sais biliares e são degradados por enzimas gástricas, para separação dos ácidos graxos até serem absorvidos pelo intestino e lançados para a corrente sanguínea. No sangue não há sais biliares, o transporte de gorduras deve ser feito por um sistema análogo. Existem algumas proteínas que possuem a superfície polar e uma cavidade apolar, ideal para acomodar gorduras. A proteína então faria o papel de emulsificação de gorduras no sangue. Quando uma proteína está ligada com o lipídeo ela passa a ser chamada de lipoproteína, na ausência de lipídeos ela é chamada de apolipoproteína. Durante a passagem pelo endotélio do intestino delgado, os ácidos graxos podem ser unidos para formar os triacilgliceróis. Grandes quantidades de triacilgliceróis podem ser transportados em vesículas membranosas conhecidas como quilomícrons (Clique e veja a Figura 45). Ácidos graxos que não formaram triacilgliceróis podem ser transportados pelas lipoproteínas presentes no plasma sanguíneo. Existem basicamente duas classes de lipoproteínas, as de alta densidade que são conhecidas como HDL (high density lipoprotein) e as de baixa densidade que são conhecidas como LDL (low density lipoprotein), sendo a última associada a problemas cardiovasculares. Armazenamento nos adipócitosOs lipídeos obtidos na alimentação percorrem a corrente sanguínea até serem capturados pelos tecidos que sinalizem deficiência energética. O cérebro não aceita ácidos graxos como nutriente, mesmo estando necessitado. Já o fígado e o músculo, por exemplo, aceitam os ácidos graxos como nutriente desde que haja demanda energética. Caso não haja necessidade, o excedente dos ácidos graxos precisa ser então armazenado no tecido adiposo. Ao entrar no tecido adiposo, os ácidos graxos são convertidos em triacilgliceróis, podendo ocupar a maior parte do volume da célula. Caso a célula não comporte mais gorduras, ela entra em mitose para aceitar uma quantidade maior resultando em aumento de peso do indivíduo. Durante o jejum, as gorduras presentes no tecido adiposo podem ser mobilizadas para servirem como fonte de alimento para os demais tecidos, porém esse processo é estritamente regulado. Um sinal que comprova a carência energética (fome) é a presença de glucagon na corrente sanguínea. As células adiposas são capazes de detectar a presença de glucagon por meio de um receptor de membrana. A ligação do glucagon com o receptor atua como um botão que aciona uma série de eventos que resulta na saída do ácido graxo do tecido adiposo para o sangue. Inicialmente, o receptor (ligado ao glucagon) ativa uma enzima chamada adenililciclase que forma um hormônio chamado de AMP cíclico a partir de uma molécula de ATP. O AMP cíclico ativa uma proteína quinase, que é capaz de ativar a enzima triacilglicerol lipase, e ativada, é capaz de quebrar o triacilglicerol para formar ácidos graxos, que saem livremente pela membrana do adipócito (veja a Figura 46).
Fonte: NELSON ; COX ,2006 Entrada nas mitocôndriasApós a entrada nas células, os ácidos graxos devem entrar nas mitocôndrias, que é o compartimento responsável pelas reações iniciais do catabolismo dos ácidos graxos conhecidos como beta-oxidação. As mitocôndrias são organelas que possuem uma membrana externa e uma membrana interna capazes de controlar a entrada de substâncias no seu interior. Os ácidos graxos só conseguem atravessar a membrana externa se estiverem ligados covalentemente a uma molécula de coenzima A. Sendo assim, podemos comparar à coenzima A com um ingresso para entrada pela primeira membrana mitocondrial. Como quase todo ingresso, requer gasto de dinheiro, a ligação da coenzima A ao ácido graxo requer gasto de ATP num processo conhecido como ativação de ácidos graxos. Uma vez ativados, os ácidos graxos ligados à coenzima A passam a ser chamados de acil-CoA graxos. As moléculas de acil-CoA graxos podem atravessar a membrana externa da mitocôndria acessando o espaço entre as membranas, mas são incapazes de atravessar a membrana interna, que dá acesso à matriz mitocondrial. Neste caso, há a necessidade de um segundo ingresso que atue como transportador específico chamado de carnitina.Deste modo, podemos comparar a carnitina a um ingresso VIP, capaz de permitir o acesso dos ácidos graxos ativados para o interior das mitocôndrias (matriz mitocondrial). Para que a carnitina seja ligada covalentemente a molécula de acil-coA graxo, há a necessidade de remover a molécula de coenzima A, para dar lugar a molécula de carnitina. A enzima que troca coenzima A pela carnitina denomina-se carnitina aciltransferase I e está presente na membrana interna da mitocôndria. Uma vez que a enzima trocou à coenzima A pela carnitina, o ácido graxo ligado covalentemente com a molécula de carnitina passa a se chamar de acil-carnitina e pode ser transportado pela membrana interna da mitocondria. A proteína transportadora de acil-carnitina atua como um sistema de contra-transporte, onde para cada molécula de acil-carnitina que entre na matriz mitocondrial, uma molécula de carnitina sai da matriz para o espaço entre as membranas (veja a Figura 47). Esse sistema de contra transporte garante que a concentração das moléculas de carnitina se mantem em constante, dentro e fora da matriz mitocondrial. Devido a importância da carnitina no transporte de ácidos graxos para as mitocôndrias, ela tem sido utilizada como suplementos em academias a fim de melhorar o desempenho físico pelo metabolismo de lipídeos, uma vez que ele só ocorre na matriz mitocondrial. Os ácidos graxos presentes na matriz mitocondrial estão agora disponíveis para o metabolismo energético, porém as enzimas oxidativas dos lipídeos só reconhecem ácidos graxos ligados a coenzima A. Felizmente, existe uma enzima presente na membrana interna denominada de carnitina aciltransferase II que é capaz de fazer a reação inversa, retirando a carnitina e colocando uma molécula de coenzima A no lugar. Agora temos moléculas de acil-CoA graxo prontas para serem oxidadas na mitocôndria. Fonte: NELSON ; COX ,2006 RevisandoOs lipídeos são uma excelente fonte energética, mas seu transporte em meio líquido requer o processo de emulsificação. No estômago, o transporte é facilitado pela presença dos sais biliares, já no sangue, as gorduras podem ser transportadas por proteínas ou pelos quilomícrons. As gorduras que entram no tecido muscular, por exemplo, precisam entrar nas mitocondrias para que ocorra o processo catabólico liberando energia. Esse transporte requer ativação dos ácidos graxos, onde há gasto de energia. Caso não haja necessidade catabólica, os lipídeos em excesso são armazenados no tecido adiposo. Autoavaliação1. Qual o papel dos sais biliares na digestão das gorduras? 2. O que são e para que servem os quilomícrons? 3. Qual a função da carnitina no metabolismo dos lipídeos? 8 Oxidação dos ácidos graxos Conhecimentos
Compreender o processo de oxidação dos ácidos graxos e as etapas envolvidas na oxidação dos ácidos graxos; Habilidades Reconhecer as etapas da oxidação dos ácidos graxos; Atitudes Explicar o processo de oxidação dos ácidos graxos; Oxidação de ácidos graxos saturadosÁcidos graxos contendo mais de quatro carbonos e geralmente em números pares são oxidados e lisados no segundo carbono contado a partir do grupo funcional (carbono alfa). Como o carbono número 2 é conhecido como beta o processo ficou conhecido como beta-oxidação. Esta via catabólica ocorre repetidas vezes dependendo do tamanho do ácido graxo, sendo que em cada ciclo ocorre a liberação de um composto de dois carbonos (acetil-CoA), e liberando elétrons para formar NADH + H+e FADH2. Cada ciclo é constituído por quatro etapas, cada uma catabolizada por uma enzima específica. Na primeira etapa, ocorre uma oxidação onde o acil-CoA graxo é oxidado para formar FADH2, em consequência, pela remoção de hidrogênios, ocorre a formação de uma dupla ligação em configuração trans no carbono 2 (veja a Figura 48). Fonte: FILHO,J.G,2015 Na segunda etapa ocorre uma hidratação, onde entra uma molécula de água formando um grupo hidroxila no terceiro carbono e trocando uma ligação dupla por ligação simples pela entrada de hidrogênio. Na terceira etapa ocorre uma oxidação, onde o grupo hidroxila forma um grupo cetona e os elétrons removidos são transferidos para uma molécula de NADH. Na quarta etapa ocorre uma lise, onde ocorre a quebra da ligação simples covalente do carbono beta removendo uma molécula de acetil-CoA e colocando-se no lugar uma nova molécula de coenzima A. A molécula de ácido graxo resultante será um acil-CoA graxo com dois carbonos a menos e entra em um novo ciclo de beta oxidação até restarem apenas dois carbonos (se o ácido graxo tiver número par de carbonos) resultando na última molécula de acetil-CoA. Oxidação de ácidos graxos insaturadosOs ácidos graxos insaturados fornecem uma quantidade de energia inferior quando comparado aos ácidos graxos saturados. Isso se deve ao fato dos ácidos graxos insaturados serem mais oxidados, resultando assim numa menor produção de moléculas de FADH2. A oxidação dos ácidos graxos insaturados segue normalmente, conforme descrito anteriormente, até o ponto de insaturação. Neste ponto, devido a presença de uma ligação dupla (geralmente em configuração cis), uma enzima do tipo isomerase converte a dupla ligação de configuração cis para configuração trans. A partir dai, a beta oxidação prossegue da etapa dois em diante, não havendo formação de uma molécula de FADH2. Desse modo, para cada dupla ligação que um ácido graxo possuir, uma molécula de FADH2 não será produzida, resultando numa quantidade de energia menor quando comparada aos ácidos graxos saturados (veja a Figura 49). Fonte: FILHO,J.G,2015 Oxidação de ácidos graxos com número ímpar de carbonoA quantidade de moléculas de acetil-CoA produzidas por um ácido graxo pode ser calculado facilmente dividindo o número de carbonos do ácido graxo por dois. No entanto, esse cálculo não se aplicaria aos ácidos graxos de número ímpar de carbono, pois não devemos considerar os valores fracionários de acetil-CoA. Também sabe-se que o metabolismo de ácidos graxos não libera compostos de um carbono como o metano. É razoável então supor que um composto residual de três carbonos seja produzido no final do processo. De fato, a oxidação de ácidos graxos de número ímpar de carbono, prossegue normalmente liberando moléculas de acetil-CoA, e o composto residual de três carbonos chama-se propionil-CoA. O composto residual produzido no final da oxidação de ácidos graxos de número ímpar de carbono (propionil-CoA) precisa ser catabolizado. Inicialmente, o propionil-CoA recebe um grupo carboxila pela enzima propionil-CoA carboxilase formando o composto D-metilmalonil-CoA. Em seguida, o D-metilmalonil será convertido em L-metilmalonil-CoA pela metilmalonil-CoA epimerase.Por fim, L-metilmalonil-CoA será convertido em succinil-CoA pela metilmalonil-CoA Mutase (veja a Figura 50). Fonte: FILHO,J.G,2015 A molécula de succinil-CoA é então metabolizadano ciclo de Krebs. Caso a última enzima não funcione, irá se acumular moléculas de L-metilmalonil no organismo que poderá resultar em anemia e problemas neurológicos numa doença conhecida como anemia perniciosa. A atividade da metilmalonil-CoA mutase é garantida pela vitamina B12 que pode ser obtida pela flora intestinal dos mamíferos. Deficiências em uma glicoproteína responsável pelo transporte de vitamina B12 do intestino para o sangue pode ser um dos responsáveis pela anemia perniciosa. Corpos cetônicosA grande vantagem de termos tecidos de reserva é a capacidade de nos alimentarmos dessa reserva em momentos onde a obtenção de alimento não ocorre por algum motivo. Usando essa lógica, você poderia se perguntar o que explica o fato de pessoas obesas sentirem fome ao invés que queimarem suas reservas? Por que uma pessoa obesa, não consegue perder peso simplesmente parando de comer até suas reservas diminuírem ao tamanho desejado, sob o risco de morrer de fome? A resposta é simples, nem todos os nossos órgãos se alimentam de lipídeos. De fato, órgãos como o cérebro não realizam o metabolismo de ácidos graxos, sendo o primeiro afetado na ausência de uma alimentação adequada. Felizmente, o cérebro que se alimenta basicamente de glicose, abre uma exceção para os corpos cetônicos , que podem ser derivados do metabolismo lipídico. Durante o jejum prolongado, os lipídeos são mobilizados do tecido adiposo para o sangue indo parar no fígado. O metabolismo dos ácidos graxos no fígado resulta na produção de moléculas de acetil-CoA. Para alimentar o cérebro, o fígado doa duas moléculas de acetil-CoA para sintetizar um corpo cetônico conhecido como acetoacetato. Esse composto pode ser reduzido para formar o segundo corpo cetônico conhecido como hidroxibutirato. O acetoacetato também pode produzir moléculas de acetona, esta, porém não serve de alimento para o cérebro (veja a Figura 51). Fonte: FILHO,J.G,2015 Moléculas de hidroxibutirato sintetizadas no fígado seguem pela corrente sanguínea em direção ao cérebro. Chegando lá, uma reação inversa converte hidroxibutirato em acetoacetato liberando NADH. Em seguida, o acetoacetato é hidrolisado em duas moléculas de acetil-CoA, sendo então catabolizadas no ciclo de Krebs liberando energia para o tecido cerebral ( veja a Figura 51). Você pode estar se perguntando, se os lipídeos de reserva podem virar corpos cetônicos e servir como combustível alternativo para o cérebro, por que pessoas obesas correm risco de morte se deixarem de se alimentar por um tempo prolongado? A resposta é que os corpos cetônicos em altas concentrações são tóxicos. Por serem ácidos carboxílicos, os corpos cetônicos em altas concentrações acidificam o sangue podendo causar coma e morte. RevisandoA oxidação dos ácidos graxos na mitocôndria libera uma grande quantidade de energia para a célula. Esse processo é realizado por várias enzimas e dividido em três grandes etapas: beta-oxidação, ciclo de Krebs e cadeia transportadora de elétrons. A beta-oxidação dos ácidos graxos é um processo que ocorre em ciclos e cada ciclo contém quatro etapas. O número de ciclos depende do tamanho do ácido graxo, mas o número de etapas é sempre o mesmo e tem por finalidade oxidar o ácido graxo (liberando NADH + H+ e FADH2) e quebra-lo liberando um resíduo de dois carbonos (acetil-CoA). Ácidos graxos de número ímpar de carbono e insaturados passam por adaptações das quatro etapas liberando uma quantidade de energia diferente dos ácidos graxos saturados e de número par. O produto da beta-oxidação, acetil-CoA pode ser precursor para a síntese dos corpos cetônicos que atuam como combustível alternativo para o cérebro em condições onde a glicose não está disponível. Autoavaliação1. Comente sobre o que ocorre nas quatro etapas da beta-oxidação dos ácidos graxos. 2. Qual o destino do propionil-CoA no metabolismo dos ácidos graxos de número ímpar de carbono? 3. Os corpos cetônicos podem atuar como combustível alternativo para o cérebro em condições onde não há glicose disponível. Sendo assim, um indivíduo obeso poderia passar meses se alimentando apenas de sua reserva energética de lipídeos. Por que isso na prática não é possível? 9 Biossíntese dos ácidos graxos Conhecimentos Compreender o processo de biossíntese dos ácidos graxos; Habilidades Reconhecer as etapas da biossíntese dos ácidos graxos; Atitudes Explicar o processo de oxidação dos ácidos graxos;
Biossíntese dos Ácidos GraxosA Biossíntese de ácidos graxos é uma via anabólica que consiste na união de moléculas de acetil-CoA para formar moléculas de ácidos graxos. A primeira vista, a biossíntese de ácidos graxos parece ser uma simples reversão da beta-oxidação, porém existem algumas diferenças. A primeira diferença é que ela ocorre no citosol enquanto que a beta-oxidação ocorre na matriz mitocondrial. A segunda diferença é que o precursor direto para a biossíntese de ácidos graxos é um composto de três carbonos conhecido como malonil-CoA(veja a Figura 52). Fonte: FILHO,J.G,2015 Formação de Malonil-CoAO precursor para a síntese de ácidos graxos, malonil-CoA, é obtido a partir da carboxilação de uma molécula de acetil-CoA com gasto de ATP. Inicialmente uma molécula de bicarbonato se liga a um braço de biotina , que faz parte de uma proteína carregadora de biotina com gasto de ATP por meio da Biotina carboxilase. Em seguida, o grupo carboxila é transferido para uma molécula de acetil-CoA por meio da enzima Transcarboxilase formando assim a molécula de malonil-CoA. Etapas da Biossíntese de ácidos graxosA Biossíntese de ácidos graxos se dá pela combinação de uma molécula de acetil-CoA com sucessivas moléculas de malonil-CoA, onde o número de moléculas de malonil-CoA determina o tamanho do ácido graxo. Cada adição de malonil-CoA corresponde a um ciclo de biossíntese e é feito em quatro etapas por um complexo enzimático conhecido como ácido graxo sintase. Preparando a reação:O complexo de ácido graxo sintase possui dois braços, um para se ligar ao acetil-CoA e outro para ligar-se ao malonil-CoA. A ligação do acetil ao primeiro braço é feita pela enzima acetil-CoA ACP transacetilase. A ligação do malonil-CoA no segundo braço é feita pela enzima malonil-CoA ACP transferase (Clique e veja a Figura 53).
Etapa 1: CondensaçãoO objetivo da condensação é unir uma molécula de acetil-CoA ao malonil-CoA. Para isso, é necessário sair uma molécula de gás carbônico. A enzima beta-cetoacil ACP sintase é responsável por esse processo. O composto resultante terá quatro carbonos e um grupo cetona no carbono 2 que precisa ser removido nas etapas seguintes (veja a Figura 54). Fonte: FILHO,J.G,2015 Etapa 2: ReduçãoO objetivo dessa etapa é ajudar na remoção do grupo cetona que ficou na etapa 1. Como uma ligação dupla é difícil de ser removida, a estratégia dessa etapa é transformar ligação dupla em ligação simples, pela adição de hidrogênios. O grupo cetona passa a ser um grupo hidroxila, mais fácil de ser removido. Essa etapa é feita pela enzima beta-cetoacil ACP-redutase. Os hidrogênios são obtidos pelo gasto de uma molécula de NADPH+ H+ ( veja a Figura 55). Fonte: FILHO,J.G,2015 Etapa 3: DesidrataçãoNessa etapa, conseguimos retirar o radical hidroxila. Porém, para não gerar radicais livres, devemos retirar também mais um hidrogênio do ácido graxo em formação, para juntos formarem uma molécula de água. Como consequência, o ácido graxo em formação terá uma dupla ligação. A reação pode parar aqui, caso queiramos formar um ácido graxo insaturado. Essa etapa é feita pela Beta-cetoacil ACP dehidratase(veja a Figura 56). Fonte: FILHO,J.G,2015 Etapa 4: ReduçãoNessa etapa iremos transformar uma ligação dupla em ligação simples. Para isso iremos gastar mais uma molécula de NADPH + H+ para adicionar hidrogênios e desfazer as ligações duplas. Essa reação é catalisada pela Enoil-CoA redutase (veja a Figura 57). Fonte: FILHO,J.G,2015 Preparando o segundo cicloO braço do malonil-CoA, presente no grupo ACP da enzima ácido graxo sintase, esteve livre desde a etapa de condensação. No segundo ciclo, recebe o segundo grupo malonil-CoA e é adicionado ao ácido graxo recém-formado, mas ainda preso no braço do acetil. Quando temos em um braço o malonil-CoA, e no outro o ácido graxo formado, podemos iniciar novamente a etapa de condensação, seguido pelas demais etapas (veja a Figura 58). Fonte: FILHO,J.G,2015 Custo energético da Biossíntese de ácidos graxosA biossíntese de ácidos graxos requer resíduos de acetil-CoA combinadas com a energia do ATP e NADPH, que pode ser obtido pelo NADH. O primeiro ácido graxo formado requer a combinação de uma molécula de acetil-CoA e uma molécula de malonil-CoA, onde a síntese da última requer gasto de um ATP. A partir daí, cada novo ciclo de biossíntese consumirá uma nova molécula de malonil-CoA, cada uma gastando uma molécula de ATP. Durante as etapas da biossíntese, há o gasto de uma molécula de NADPH para cada etapa de redução, totalizando duas moléculas de NADPH. Na síntese de ácidos graxos insaturados, gastamos apenas uma molécula de NADPH ao invés de duas para cada insaturação do ácido graxo sintetizado. RevisandoA biossíntese de ácidos graxos constituem uma importante via metabólica utilizada para armazenar o excesso de energia no corpo. Em uma alimentação que excede a demanda energética do organismo, o excesso de energia (disponível na forma de ATP e NADH) é utilizado para vias biossintéticas como é o caso da biossíntese de ácidos graxos. Uma vez sintetizados, os ácidos graxos se combinam para formar os triglicerídeos e assim ficar armazenado no tecido adiposo atuando como reserva energética. Autoavaliação1. Qual o papel do malonil-CoA e da biotina na biossíntese dos ácidos graxos? 2. Comente sobre as quatro etapas da biossíntese de ácidos graxos. 3. Se a biossíntese de ácidos graxos consiste em gastar ATP para formar ácidos graxos com a finalidade de armazenamento, por que então o próprio ATP não pode ser utilizado como reserva energética? 10 Metabolismo de carboidratos ConhecimentosCompreender o mecanismo de ação do metabolismo dos carboidratos e a sua importância para o funcionamento da célula. Habilidades Analisar a glicólise
como processo metabólico imprescindível para a célula, destacando a importância e a função desse processo para os organismos aeróbicos e anaeróbicos; Atitudes Desenvolver estratégias para fixar os conhecimentos obtidos sobre o processo de glicólise; IntroduçãoAs células necessitam de energia para executar todas as suas atividades, sejam as mais simples até as funções mais indispensáveis para a sua sobrevivência. Para que um neurônio possa transmitir os impulsos nervosos, ou uma célula muscular possa efetuar um movimento, é necessária energia dispensada na forma de ATP. Essa energia pode ser obtida pela oxidação de diversas macromoléculas, como proteínas, lipídios, ácidos nucléicos e carboidratos, que são retiradas da dieta. Dentre essas macromoléculas destaca-se a importância dos carboidratos, que além de serem de fácil obtenção, liberam energia de forma rápida e eficiente. Dos carboidratos, a D-glicose é a principal molécula fornecedora de energia, ocupando um papel de grande destaque no metabolismo celular. A D-glicose é uma aldohexos com alto poder energético, onde sua oxidação total até CO2 e água pode ocasionar uma variação de energia livre padrão de -2.840 kJ/mol.Ela é armazenada em grandes quantidades na forma de polímero, tanto em animais como vegetais, assim, quando há um aumento na demanda de energia essa glicose é liberada desses polímeros para ser empregada na síntese de ATP. A glicose não é apenas um combustível de grande importância celular, mas é um precursor de diferentes vias metabólicas, capaz de ser utilizado como intermediário em uma vasta gama de reações biossintéticas. Na bactéria Escherichia coli por exemplo, a glicose é utilizada como esqueleto carbônico de diversas outras moléculas biológicas, como aminoácidos, nucleotídeos, coenzimas, ácidos nucléicos e outros compostos necessários para sua multiplicação e crescimento. Em animais e vegetais a glicose pode ser armazenada como polímero, ou ser oxidada a ácido pirúvico ou ainda ser oxidada a pentose na via das pentoses fosfato. A glicóliseA glicólise é o processo de oxidação da glicose culminando com a formação de ATP, aceptores de prótons e elétrons, e moléculas de ácido pirúvico.Esse processo ocorre no citosol e é dividido em dez reações (veja a Figura 59), sendo que cada reação é catalisada por uma enzima específica. I. FASE PREPARATÓRIA Fonte: NELSON ; COX ,2006 Reação 1: Nesse ponto a glicose é fosforilada , gerando a glicose-6-fosfato. Reação 2: A glicose6-fosfoto sofre uma isomerização , sendo convertida a frutose-6-fosfato. Reação 3:Uma outra molécula de ATP é utilizada para fosforilar a frutose-6-fosfato no carbono 1, gerando a molécula de frutose-1,6-bifofato. Reação 4: A frutose-6-fosfato é clivada em duas trioses, sendo uma aldose (gliceraldeído-3-fosfato) e uma cetose (diidroxiacetona fosfato). Reação 5:Somente o gliceraldeído-6-fosfato pode ser utilizada diretamente nas reações seguintes da glicólise. Já a diidroxiacetona sofre uma conversão à gliceraldeído-3-fosfato. II. FASE DE PAGAMENTO Fonte: NELSON ; COX ,2006 Reação 6: Após a conversão da diidroxiacetona a gliceraldeído-3-fosfato, ambas as moléculas estão aptas a continuarem na via glicolítica. Cada molécula de gliceraldeído-3-fosfato é oxidada e ganha um fosfato inorgânico (Pi) formando o 1,3-bifofoglicerato. É nesse ponto da via gicolítica que ocorre a primeira redução do receptor de elétrons NDA+ a NADH+H+. Reação 7: Primeira reação de formação de ATP. Um grupo fosfato de alta energia do grupo de carboxila do 1,3-bifosfoglicerato para uma molécula de ADP, formando um ATP. O composto formado é o 3-fosfoglicerato. Primeira reação de formação de um composto de alta energia, o ATP. Reação 8: Transferência reversível do grupo fosforil entre os carbonos C3 e C2 formando o 2-fosfoglicerato. Reação 9: Nessa reação é removida uma molécula de H2O do 2-fosfoglicerato, liberando o fosfoenolpiruvato . Reação 10: Na última reação da via glicolítica ocorre a transferência de um grupo fosforil do fosfoenolpiruvato para um ADP. Segunda reação de formação da segunda molécula de ATP. As cinco últimas reações representam a FASE DE PAGAMENTO, onde são produzidos 4 moléculas de ATP, a geração de duas moléculas de NAH+H+ e liberação de duas moléculas de piruvato. Os destinos do ácido pirúvico.O ácido pirúvico produzido na via glicolítica pode seguir três caminhos diferentes, dependendo das condições da célula em relação à demanda de oxigênio. Em condições anaeróbicas esse ácido pirúvico será reduzido nas reações de fermentação.
Já em condições aeróbica esse ácido pirúvico sofre uma oxidação, perdendo prótons e elétrons para um NAD+ e descarboxilado. O ácido pirúvico ganha uma coenzima A, liberando assim acetil-coenzima A. A acetil-coenzima A é transportado para dentro da mitocôndria onde vai participar do ciclo do ácido cítrico. Ciclo de Krebs:O ciclo de Krebs ocorre na matriz mitocondrial após a entrada da acetil-coenzima A na mitocôndria. Após passar por 8 reações, todas elas catalisadas por enzimas específicas, o reagente inicial que é o oxalacetato é reconstituído podendo ser usado novamente em mais uma volta do ciclo. Os principais compostos produzidos no ciclo do ácido cítrico são: CO2, NADH+H+, H20, GTP.
Fonte: NELSON ; COX ,2006 Reação 1:A acetil-coenzima A vinda da oxidação do piruvato condensa com o oxalacetato formando o citrato. Composto que dá nome ao ciclo. Reação 2a e 2b:O citrato é transformado em isocitrato . Reação 3:O isocitrato é desidrogenado formando o α-cetoglutarato. Reação 4:O α-cetoglutarato é desidrogenado e descarboxilado formando o succinil-CoA. Reação 5:Asuccinil-CoA é um composto rico em energia livre. O rompimento dessa ligação é empregado na formação da molécula de GTP, liberando o succinato . Reação 6:O succinato é desidrogenado, formando FAH2 e fumarato . Reação 7: O fumarato é então hidratado formando o malato . Reação 8: O malato é desidrogenado, liberando NADH+H+ e o oxalacetato é regenerado, pronto para ser reutilizado no ciclo. Cadeia transportadora de elétrons (CTE)A cadeia transportadora de elétrons é o destino final do metabolismo produtor de energia dos organismos aeróbicos. A oxidação das moléculas presentes nos organismos vivos, tais como carboidratos, proteínas e lipídios convergem para o estágio final da respiração celular, no qual a energia proveniente da oxidação é direcionada para a síntese de ATP.Todos os NADH+H+ produzidos no Ciclo de Krebs são levados até as cristas mitocondriais onde vão participar da cadeia transportadora de elétrons. A cadeia transportadora de elétrons é uma sequência de proteínas e moléculas altamente organizadas capazes de receber e doar elétrons. Algumas moléculas são fixas na membrana da mitocôndria e outras móveis, no entanto, todas elas têm a mesma função que é receber e doar prótons. São elas: 1. Ubiquinona ou coenzima Q –é uma benzoquinona lipossolúvel com uma longa cadeia de lateral isoprenóide . A ubiquinona pode aceitar um ou dois elétrons, sendo chamado de radical semiquinona (QH+) e ubiquinol (QH2), respectivamente. 2. Citocromos – são proteínas que apresentam como característica uma intensa absorção da luz. Essa característica deve-se a presença de seus grupos heme , que contêm ferro. Nas mitocôndrias existem três classes de citocromos designados por seus espectros de absorção de luz. 3. Proteínas ferro-enxofre – diferente do que acorre com os citocromos, a molécula de ferro está presente não na molécula heme, mas associado a átomos de enxofre inorgânico ou a átomos de enxofre de resíduos de Cisteína na proteína. Esses centros de ferro podem ser compostos por uma única molécula de ferro ou várias moléculas. Na cadeia transportadora de elétrons essas moléculas encontram-se organizadas em quatro complexos multienzimáticos responsáveis pelo transporte de elétrons até seu receptor final que é o oxigênio.São eles: 1. Complexo I: NADH até Ubiquinona -esse complexo recebe os elétrons vindos da glicólise, da oxidação do piruvato e do ciclo de Krebs. O NADH é responsável por trazer os elétrons e entregá-los ao complexo I. Ela é formada por uma molécula grande de enzima composta por 42 cadeias polipeptídicas diferentes, incluindo uma flavoproteína ligada a FMN e pelo menos seis centros de Fe-S. 2. Complexo II:Succinato até a Ubiquinona -esse complexo recebe elétrons vindos do complexo I e elétrons da molécula de FAD, que vem diretamente do ciclo de Krebs. É o único complexo que tem uma enzima da membrana que está ligada ao ciclo de Krebs. 3. Complexo III: Ubiquinona até citocromo c –Esse complexo acopla o transporte de elétrons do ubiquinol (QH2) para o citocromo c com o transporte de prótons da matriz para o meio intermembranar. 4. Complexo IV: É uma proteína de membrana de 13 unidades. Esse complexo também é chamado de citocromo oxidase, e é ele o responsável para levar os elétrons do citocromo C até o aceptor final que é o oxigênio. Fonte: NELSON ; COX ,2006 O transporte de elétrons através da membrana interna da mitocôndria cria um gradiente de prótons no espaço intermembranar, fazendo com que esses prótons retornem a matriz mitocondrial passando por dentro de uma proteína chamada ATP-sintase. A volta dos prótons para a matriz mitocondrial gera energia suficiente para que a ATP-sintase produza ATP. Esse processo é denominado de quimosmose.
Fonte: NELSON ; COX ,2006 A via das pentoses fosfatoA glicólise é a principal rota de catabolismo da glicose, principalmente para os animais, resultando na formação do piruvato que na sua maioria será utilizado no ciclo de Krebs. No entanto, a glicose pode ser utilizada em outras vias que geram outros produtos necessários para a célula. Uma dessas vias é a via das pentoses fosfato, responsável pela produção de NADPH e ribose-5-fosfato. O NADPH tem grande importância como transportador de elétrons nas vias anabólicas e a ribose-5-fosfato é empregada na produção dos ácidos nucléicos, na forma de D-glicose. A via das pentoses ocorre em 4 reações, sendo que cada reação é catalisada por uma enzima específica.
Fonte: FILHO,J.G,2015 Reação 1: A glicose-6-fosfato é desidrogenada gerando NADPH e 6-fosfoglicono- δ-lactona. Reação 2: O 6-fosfoglicono-δ-lactona é hidrolisado e forma 6-fosfogliconato. Reação 3: O 6-fosfogliconato é por sua vez desidrogenado e descarboxilado, formando NADPH e CO2 respectivamente, produzindo no final uma cetopentose, um açúcar de 5 carbonos com um grupo funcional que é uma cetona, o D-ribulose-5-fosfato. Reação 4: O D-ribulose-5-fosfato sofre uma reação de isomerização e forma a D-ribose5-fosfato, que é uma aldopentose, um açúcar de 5 carbonos cujo grupo funcional agora é um aldeído. RevisandoA glicólise é o processo de oxidação dos aminoácidos composta de 10 reações que ocorre no citoplasma celular, gerando uma pequena parte dos ATPs produzidos na respiração celular aeróbica. Esse processo é dividido em duas grandes fases: fase preparatória, composta das 5 primeiras reações, onde se gasta duas moléculas de ATP para se iniciar as reações subsequentes, além de produzir duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato; fase de pagamento, constituída das 5 últimas reações da glicólise, com a produção de 4 moléculas de ATP, 2 moléculas de NADH+H+ e duas moléculas de ácido pirúvico. Esse último pode tomar três caminhos distintos, de acordo com as condições da célula, nos organismos anaeróbicos o ácido pirúvico pode ser reduzido a etanol ou ácido lático. Nos organismos aeróbicos o ácido pirúvico toma o caminho das mitocôndrias, onde vai ser oxidado a acetil-CoA.. As reações do ciclo de Krebs ocorrem na matriz mitocondrial e começa com a condensação do acetil-CoA e o Oxaloacetato, formando o primeiro produto do ciclo que é o ácido cítrico. Os NADH+H+ produzido no ciclo de Krebs saem da matriz e migram para as cristas mitocôndrias localizadas na membrana interna das mitocôndrias, onde vão alimentar a cadeia transportadora de elétrons (CTE) gerando assim a maior parte dos ATPS formados na respiração celular aeróbica. Autoavaliação1. O que acontece com a glicose na presença de concentrações limitantes de oxigênio? 2. Descreva o processo de fabricação da cerveja? 3. Explique por que a deficiência da enzima glicose-6-fosfato pode interferir na digestão de falafel?"Falafel: comida oriental a base de fava." 4. Descreva as reações da glicólise destacando as suas enzimas. 5. Fale detalhadamente da oxidação do piruvato e onde ocorre? 6. Fale sobre a fermentação alcoólica e a láctica. 7.Faça uma esquema mostrando as reações do ciclo de Krebs. 11 Oxidação dos aminoácidos Conhecimentos Assimilar o metabolismo dos aminoácidos como fonte de energia e fonte de nitrogênio para os organismos; HabilidadesIdentificar as reações que compõem o metabolismo dos aminoácidos e saber fazer a relação entre a produção de energia e a fixação do nitrogênio com a eliminação da ureia. AtitudesCriar novos mecanismos de aprendizagens que facilitem o entendimento sobre o metabolismo dos aminoácidos. IntroduçãoOs aminoácidos representam a última classe de biomoléculas utilizada para gerar energia para a célula fornecendo uma significativa parcela dessa energia. A quantidade de energia metabólica derivada da oxidação dos aminoácidos vai depender muito do tipo de organismo e da situação fisiológica que ele se encontra.Alguns organismos, após uma refeição, utilizam até 90% da energia contida nos aminoácidos, como acontecem com os carnívoros. Já os herbívoros aproveitam apenas uma pequena porção dessa energia. Nos animais a oxidação dos aminoácidos ocorre em três circunstâncias metabólicas: 1. Durante a síntese e degradação proteica os aminoácidos que não são utilizados na síntese de novas proteínas são usados para gerar energia. 2. O excesso de aminoácidos de uma refeição rica em proteínas é oxidado, já que o organismo não armazena aminoácidos. 3. O jejum prolongado e a diabetes mellitus são duas situações que deixam o carboidrato inacessível ou não podem ser utilizados adequadamente, dessa forma o organismo passa a utilizar os aminoácidos como fonte de energia. As enzimas digestivas hidrolisam as proteínas em peptídeose aminoácidos que serão absorvidos e reutilizados pelas células na formação das suas próprias moléculas. Dentro das células, os aminoácidos que não são utilizados na síntese proteica são posteriormente degradados para fornecer energia e nitrogênio na forma de amina. Essa degradação inclui a remoção do grupo amino.O grupo amino removido do aminoácido é então convertido em amônia, incorporado a ureia e eliminado na urina. Transaminação e DesaminaçãoÉ a transferência do grupo amino do aminoácido para um α-cetoácido para produzir o α-cetoácido do aminoácido original e um novo aminoácido. O grupo aceptor predominante é o α-cetoglutarato produzindo glutamato e o novo α-cetopacido. Fonte: NELSON ; COX ,2006 As enzimas que catalisam essa reação são as aminotransferases ou transaminases, que necessitam da presença da coenzima piridoxal-5-fosfato (PLP). Após a remoção dos grupos amino dos α-aminoácidos, no fígado, pela transaminação o L-glutamato é levado até as mitocôndrias onde vai sofrer uma desaminaçãooxidativa , reação catalisada por uma enzima denominada deL- glutamato desidrogenase . Ciclo da UreiaTodos os grupos amino retirados dos aminoácidos quando não são reutilizados para formar novos aminoácidos, são levados para a mitocôndria para serem transformados em ureia. A ureia é posteriormente eliminada na urina. Quanto ao modo de excreção da amônia os animais podem ser divididos em: a. Animais Amonitélicos – são os animais que liberam nitrogênio na forma de amônia. Ex. Animais aquáticos. b. Animais ureotélicos – são os animais que liberam nitrogênio na forma de ureia. Ex. A maioria dos animais terrestres. c. Animais uricotélicos – são os animais que liberam nitrogênio na forma de ácido úrico. Ex. Os répteis. Nos animais ureotélicos a amônia é convertida em ureia nas mitocôndrias dos hepatócitos no ciclo da ureia.Dos hepatócitos a ureia passa para o sangue, é levada para os rins onde vai ser excretada pela urina. O ciclo da u reia ocorre em dois compartimentos celulares: mitocôndrias e citosol. Toda a amônia produzida no organismo é levada até a matriz mitocondrial onde vai ser unida ao CO2 gerando o carbamil fosfato.
Fonte: NELSON ; COX ,2006 Etapas: 1. Logo após a sua formação dentro da mitocôndria, a carbamil fosfato reage com a ornitina para gerar a citrulina, que logo em seguida deixa a mitocôndria e vai para o citosol. 2. A citrulina reage então com o aspartatoformando o argininossuccinato . 3. O argininossuccinato é rompido por uma enzima chamada de argininossuccinatoliase liberando fumarato e arginina. 4. O fumarato entra no ciclo de Krebs e a arginina é transformada em ureia e ornitina pela enzimaarginase. RevisandoO uso dos aminoácidos como fonte de energia pelos os animais depende da situação fisiológica e do tipo de organismo. Sendo esses aminoácidos utilizados na sua grande parte como básica das proteínas. Nos animais a oxidação dos aminoácidos para gerar energia ocorre em três circunstâncias metabólicas: primeiro durante a síntese e degradação das proteínas quando os aminoácidos que não são utilizados na síntese de novas proteínas; segundo, quando há excesso de aminoácidos de uma refeição rica em proteínas; e terceiro, no jejum prolongado ou no caso da diabetes melito. Sob a ação das enzimas digestivas proteínas são degradas em peptídeios e aminoácidos que serão absorvidos e reutilizados pelas células na formação das suas próprias moléculas.Os aminoácidos utilizados na produção de proteínas são degradados para fornecer energia e nitrogênio na forma de amina. No ciclo da ureia grupo amino removido do aminoácido é então convertido em amônia, incorporado a ureia e eliminado na urina. Os grupos amino são retirados dos aminoácidos através de dois processos denominados de transaminação e desaminação. Todos os grupos amino retirados dos aminoácidos que não são utilizados para formar proteínas são levados para as mitocôndrias onde são transformados em ureia que é eliminada na urina. Esse processo é denominado de ciclo da ureia. A amônia formada no ciclo da ureia é excretada de diferentes formas, de acordo com o tipo de animal. Nos animais amonitélicos são os que liberam nitrogênio na forma de amônia, já os ureotélicos liberam nitrogênio na forma de ureia e os animais uriotélicos liberam nitrogênio na forma de ácido úrico. Autoavaliação1. Descreva as cinco classes de aminoácidos de acordo com o grupo radical citando exemplos. 2. Desenhe a estrutura de duas alaninas unidas por ligação peptídica. 3. Qual a relação entre pKa, tampão e ponto isoelétrico. 4. Pesquise sobre os possíveis distúrbios causados pelo acúmulo de amônia no organismo. BibliografiaBERG, J. M.; STYLER, LU. Bioquímica. 6ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan. 2010. CAMPBELL, M. K. Bioquímica. 3ª ed. Porto Alegre: Artemed, 2006. 752p. COMPRI-NARDY, M., STELLA, M.B., OLIVEIRA, C. Práticas de Laboratório de Bioquímica e Biofísica – Uma Visão Integrada. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2009. 199p. GRANNER, D.K.; MURRAY. Harper: Bioquímica Ilustrada. 27ª ed. McGraw-Hill. 2007. HARVEY, R.; FERRIE. Bioquímica Ilustrada. 3ª ed. Porto Alegre: Artemed. 2006. LIMA, A.O.; SOARES, J. Métodos de Laboratórios Aplicados á Clínica: Técnica e Interpretação. 8ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan. 2001. MURRAY, R. K.; BENDER, D. A.; BOTHAM, K. M.; KENNELLY, P. J.; RODWELL, V. W.; WEIL, P. A. Bioquímica Ilustrada de Harper. 29ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger: Princípios de Bioquímica. 4. ed. São Paulo: Sarvier, 2006. ------------------- Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2011. SADAVA, D., HELLER, H. C., ORIANS, G. H., PURVES, W. K, HILLIS, D. Vida: A Ciência da Biologia. 8ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2009. v.1, 461p. VOET, D., VOET, J., PRATT, C.W. Fundamentos de Bioquímica – A Vida em Nível Molecular. 2ª ed. Porto Alegre:Artmed, 2008. v.1, 1241p. Glicose: É um carboidrato do tipo monossacarídeo formado por seis átomos de carbono. Amido: é um carboidrato complexo formado pela união de milhares de resíduos de glicose. Muito abundante em plantas. Glicogênio: é um carboidrato do tipo polissacarídeo formado por milhares de resíduos de glicose. Muito abundante em tecidos animais. Quitina: É um carboidrato do tipo polissacarídeo, encontrado em insetos e fungos. Celulose: é um carboidrato do tipo polissacarídeo encontrado em tecidos vegetais com função estrutural. Artrópodes: grupos de animais caracterizados por possuirem patas articuladas. São formados basicamente pelos insetos, aracnídeos e crustáceos. Oligossacarídeos: carboidratos formados por poucos elementos de monossacarídeos unidos. Glicocalix: carboidrato presente na membrana plasmática responsável pelo reconhecimento celular. Membrane plasmática: película formada por lipídeos, carboidratos e proteínas responsável pelo revestimento celular. Gliceraldeído: carboidrato do tipo aldose que possui três átomos de carbono. Eritrose: carboidrato do tipo aldose, formado por quarto átomos de carbono. Hidroxila: grupo funcional formado por oxigênio ligado a hidrogênio. Carbonila: grupo functional formado por carbono fazendo dupla ligação com oxigênio. Poliidroxialdeído: moléculas que contenham um aldeído como grupo funcional seguido de vários grupos hidroxila. Poliidroxiacetonas: moléculas que contenham um grupo aldeído como grupo funcional seguido de vários grupos hidroxila. Aldeído: molécula portadora de um grupo carbonila no primeiro ou último carbono. Isomeria espacial: duas moléculas com o mesmo número e tipos de átomos, mesmos grupos funcionais, mas que diferem apenas no arranjo espacial de seus átomos. Isômeros: duas moléculas com o mesmo número e tipo de átomos que podem se diferir pelo grupo funcional ou arranjo espacial de seus átomos. Estereoisômeros: são isômeros que diferem apenas no arranjo espacial de seus átomos. Centro quiral: Tipo de isomeria espacial caracterizada por um átomo de carbono ligado covalentemente a quatro grupos químicos diferentes entre si. Enantiômeros: tipos de estereoisômeros que possuem seus grupos substituintes invertidos, podendo ser comparados a imagem do espelho. Uma molécula que tenha um grupo voltado a esquerda teria um enantiômero com este mesmo grupo voltado a direita ou vice-versa. Diidroxiacetona: é um carboidrato do tipo cetose, formado por três átomos de carbono. Polímeros: moléculas grandes formadas pela união de moléculas pequenas repetidas (chamadas de monômeros). Ligação covalente: tipo de atração química entre dois átomos onde há compartilhamento de um par de elétrons. Ligação glicosídica: tipo de ligação covalente que ocorre entre dois monossacarídeos. Dissacarídeo: carboidrato formado pela união de dois monossacarídeos. Polissacarídeos: carboidratos formados pela união de vários monossacarídeos. Trealose: Dissacarídeo formado pela união de dois resíduos de glicose. Sacarose: açúcar comum formado pela união de um resíduo de glicose com um resíduo de frutose. Carbono anomérico: carbono que está no grupo carbonila, carbono 1 da glicose. Amilose: carboidrato do tipo polissacarídeo formado por cadeias lineares de glicose Amilopectina: carboidrato do tipo polissacarídeo formado por cadeias ramificadas de glicose. Exoesqueleto: estrutura rígida presente na carapaça dos insetos formados por carboidratos estruturais. Homopolissacarídeo: carboidrato do tipo polissacarídeo formado pelo mesmo tipo de monossacarídeo. Heteropolissacarídeo: carboidrato do tipo polissacarídeo formado por monossacarídeos diferentes. Vitaminas lipossolúveis: Vitaminas insolúveis em água mas solúveis em solventes orgânicos. Triglicerídeos: gorduras formadas pela combinação de três ácidos graxos com um glicerol. Prostaglandinas: moléculas de natureza lipídica responsável pela sinalização de dor no organismo. Ácido carboxílico: grupo funcional formado por carbono fazendo ligação dupla com oxigênio e ligação simples com um oxigênio, este último ligado a um hidrogênio. Glicerol: molécula pertentente a classe dos álcoois formada por três átomos de carbono, cada um deles ligado a um grupo hidroxila. Éster:Grupo químico formado por um radical ligado a um carbon que esteja fazendo ligação dupla com oxigênio e ligação simples com outro oxigênio. Este último oxigênio estaria ligado a um outro grupo radical. Adipócitos: células presentes no tecido adiposo responsável pelo armazenamento de gorduras. Grupo amino: grupo químico formado por nitrogênio ligado a hidrogenio Grupo radical: se refere a um grupo químico variável podendo ter qualquer número de carbono. Glicosilação: adição de carboidrato as proteínas, para que elas se tornem glicoproteínas. Ponte dissulfeto: Ligação covalente entre dois resíduos de cisteína. Protonado: se refere quando uma determinada molécula está em meio ácido e já recebeu todos os hidrogênios possíveis. Semidesprotonado: quando uma molécula está em um meio de determinado pH e está parcialmente protonado, ou seja, recebeu parte dos prótons que poderia receber. Desprotonado: quando uma molécula está em meio alcalino, ela perde hidrogênios para o meio. Titulação: neutralização de um ácido pela adição gradativa de base ou vice-versa. Tampão: mistura de ácido e base conjugadas capaz de estabilizar o pH em determinado valor. Cisteína: um tipo de aminoácido presente em proteínas, capaz de se ligar covalentemente a outra cisteína por uma ponte dissulfeto. Triptofano: Tipo de aminoácido presente em proteínas. Ácido gama aminobutírico: tipo de aminoácido não encontrado em proteínas Prolina: tipo de aminoácido encontrado em proteínas. Aspartato: tipo de aminoácido encontrado em proteínas. Protéicos: aquilo que se refere a proteínas. Ornitina: tipo de aminoácido não encontrado em proteínas. Citrulina: tipo de aminoácido não encontrado em proteínas. Aminoácido: molécula orgânica caracterizada pela presença de grupamento amino e ácido carboxílico. São as unidades formadoras das proteínas. Colágeno: proteína fibrosa que está presente em vários tecidos. Comumente está associado com a elasticidade da pele. Queratina: uma proteína encontrada nas formações epidêmicas reforço vertebrados terrestres epidêmica ação protetora contra o meio. Insulina: hormônio de natureza protéica responsável pela entrada de glicose do sangue para os tecidos. Glucagon: hormônio de natureza protéica responsável pela saída de glicose dos tecidos para o sangue. Somatotropina: hormônio de natureza protéica relacionado ao crescimento. Ricina: proteína tóxica de mamona (Ricinus communis) responsável por bloquear a atividade dos ribossomos. Já foi usada como arma biológica. Conformação: Estrutura espacial de uma molécula que é conferida pela liberdade de rotação entre suas ligações químicas. Mudanças de conformação não envolvem quebra de ligação covalente. Dipolo: molécula que contém um polo positivo e um polo negativo. Comum em moéculas polares. Soroalbumina: tipo de proteína encontrada no plasma sanguíneo. Fosfofrutoquinase: tipo de proteína do tipo enzima encontrada na glicólise (metabolismo de carboidratos). Citoplasmático: que se refere ao citoplasma celular. Nanômetros: corresponde a milionésima parte de um milímetro. Carboximetil: grupo quimico de carga negativa formada por um grupo metil e grupo carboxila. Espectrofotometria: técnica usada para identificação de moléculas com base no seu padrão de absorção de luz. Eletroforese: técnica de separação de proteínas com base na aplicação de um potencial elétrico. Acrilamida: composto químico utilizado para formar o gel de poliacrilamida na técnica de eletroforese. Bisacrilamida: composto químico que reage com acrilamida, utilizado na formação do gel de poliacrilamida na técnica de eletroforese. Poliacrilamida: Polímero de acrilamida de consistência sólida e gelatinosa capaz de separar proteínas por filtração na técnica de eletroforese. Azul de comassie: composto químico utilizado como corante de proteínas na técnica de eletroforese. Cepas bacterianas: Colônias de bactérias isoladas. Cepa virulenta: colônias de bactérias capazes de invadir o hospedeiro e causar doenças. DNAses: enzima responsável por degradar o DNA. Bacteriófagos: são vírus que atacam bactérias. São formados basicamente por DNA envolvido por proteínas. Difração de raios-X: técnica que usa o espalhamento de radiação como meio para identifiar a estrutura tridimensional de moléculas. Estrutura helicoidal: estrutura química em formato de espiral. Ponte de hidrogênio: Atração química que ocorre quando um hidrogênio está ligado covalentemente a um átomo eletronegativo sendo atraído por outro átomo eletronegativo. Reações catabólicas: reações químicas que liberam energia Trifosfatada: molécula que recebeu três grupos fosfato. Ciclo de Krebs: Importante via metabólica que ocorre nas mitocôndrias. Beta-oxidação: Via catabólica utilizada na oxidação dos ácidos graxos. Dinucleotídeo: molécula que contém dois nucleotídeos (base nitrogenada + pentose + fosfato). Trinucleotídeo: molécula formada pela união de três nucleotídeos Polinucleotídeo: molécula formada pela união de vários nucleotídeos. Eucariontes: grupo de seres vivos que possuem nucleo celular verdadeiro. Inclui todos os animais, plantas e alguns microorganismos. RNA: sigla para ácido ribonucléico, é uma molécula formada pela união de vários nucleotídeos que atua no transporte de informação do núcleo para o citoplasma. Mitocôndria: organela celular responsável pela respiração celular e diversos outros processos metabólicos. Cloroplasto: organela celular responsável pela fotossíntese. Muito importante em plantas pela capacidade de transformar luz em energia química. Citosol: parte líquida do citoplasma, situada entre a membrana plasmática e a membrana nuclear. RNA ribossômico: molécula de RNA que faz parte da estrutura do ribossomo. Desnaturação: processo químico que causa a quebra das interações não covalentes de uma molécula. No DNA se caracteriza pela separação das duas fitas. Renaturação: processo inverso a desnaturação. No DNA ocorre quando as duas fitas separadas voltam a se juntar. Proteínas heterólogas: Proteínas sintetizadas em outra célula que não seja a sua célula de origem. Transgênicos: organismos que possuem outros genes que não sejam os seus genes de origem. Aminotransferase: enzima responsável pela transferencia de grupos amino dos aminoácidos. Importante no metabolismo de aminoácidos e produção de uréia. Carboxilação: reação química de adição de grupo carboxila. Gliconeogênese: Processo metabólico que consiste na formação de uma nova molécula de glicose a partir de duas moléculas de piruvato. Grupo heme: grupo químico presente em várias proteínas como a hemoglobina e nos citocromos. Avidina: proteína presente na clara do ovo que se liga na molécula de biotina. Adipócito: células especializadas em armazenar gorduras. Fazem parte do tecido adiposo. Endotélio: tecido de revestimento. Isomerase: classe de enzimas que transforma o substrato em seu isômero. Acetil-CoA: molécula de dois carbonos (grupo acetil) ligado a uma coenzima (coenzima A). O grupo acetil pode ser obtido do metabolismo de carboidratos, lipideos e proteínas. Corpos cetônicos: moléculas formadas pelo metabolismo de lipídeos, capazes de ser um combustivel alternativo para o cerebro quando não há glicose disponível. Via anabólica: conjunto de reações químicas que ocorrem com gasto de energia. Carboxilação: adição de grupo carboxila. Biotina: também conhecida como vitamina B7. É uma coenzima que atua no metabolismo de lipídeos. Fosforilada: quando uma molécula recebe um grupo fosfato. Isomerização: se refere a formação de isômero. Grupo fosforil: se refere ao grupo fosfato Fosfoenolpiruvato: um dos compostos formados durante o processo da glicólise. Isocitrato: um dos compostos formados no ciclo de krebs. Succinato: um dos compostos formados no ciclo de Krebs Fumarato: composto de 4 carbonos formado no ciclo de Krebs. Malato: um dos compostos formados no ciclo de Krebs. Oxaloacetato: um dos compostos formados no ciclo de Krebs. Benzoquinona: Classe de compostos químicos de natureza lipídica. Isoprenóide: classe de compostos químicos de natureza lipídica. Semiquinona: Ubiquinona parcialmente reduzida. Ubiquinol: Ubiquinona totalmente reduzida. Multienzimáticos: associação de várias enzimas. Cadeias polipeptídicas: Sequências de aminoácidos ligados por ligações peptídicas. Flavoproteína: As flavoproteínas são proteínas (também flavoenzimas quando são enzimas) que contêm como cofactor enzimático um derivado nucleotídico da riboflavina: o dinucleótido de flavina e adenina (FAD) ou o mononucleótido de flavina (FMN). Desaminação oxidativa: remoção de grupamento amino em condições aeróbicas. Glutamato desidrogenase: enzima responsável pela remoção do grupamento amino do glutamato. Hepatócitos: são células poliédricas, com diâmetro variando de 20-30 µm, encontradas no parênquima hepático, constituindo o elemento secretor endócrino e exócrino do fígado. Encontra-se um grande número de mitocôndrias e reticulo endoplasmático liso e rugoso em seu citoplasma. Argininosuccinato: molécula formada durante o ciclo da uréia.
Tabela 1:Lista dos principais ácidos graxos, suas fórmulas e nomes.
Tabela 2:Classificação dos aminoácidos protéicos de acordo com o grupo R.Os aminoácidos destacados em negrito são nutricionalmente essenciais.
Tabela 3: Propriedades químicas dos aminoácidos. O pK1 é referente a liberação de H+ pelo grupo carboxila; o pK2 se refere a liberação de H+ pelo grupo amino; o pKr se refere à liberação de H+ pelo grupo radical. O pI é o ponto isoelétrico (valor de pH onde o aminoácido tem carga líquida igual a zero). Mr é a massa molecular em Daltons.
Tabela 4: Proteínas conjugadas
Tabela 5: Nomenclatura dos nucleosídeos e nucleotídeos.
Clique e avalie nosso material didáticoQuais as características dos ácidos graxos saturados e insaturados?Os ácidos graxos podem se apresentar na forma saturada (onde os carbonos apresentam ligações simples) ou não-saturada (com uma ou mais ligações duplas). No caso de apenas uma dupla ligação na cadeia, o ácido graxo é denominado monoinsaturado, no caso de duas ou mais ligações, chama-se poliinsaturado.
Quais são as características diferenciais entre os ácidos graxos saturados e os ácidos graxos insaturados?Saturados (quando os átomos de carbono são ligados entre si apenas através de ligações simples) e; Insaturados (quando ao menos uma dupla de átomos de carbono da cadeia está ligada através de ligação dupla). Os insaturados com apenas uma ligação dupla são classificados como ácidos graxos monoinsaturados.
Qual a diferença entre ácidos graxos saturados e insaturados qual a importância deles e cite um exemplo de cada?São exemplos de alimentos com maior quantidade de ácidos graxos saturados: manteiga, óleo de coco, óleo de palma, cacau, gordura animal, leite integral. Já nos óleos há predominância de ácidos graxos insaturados, que possuem uma ou mais duplas ligações entre carbonos ao longo das cadeias.
Quais as principais características dos ácidos graxos saturados?Os ácidos graxos nos organismos vivos geralmente contêm um número par de átomos de carbono e não são ramificados. A cadeia carbônica pode ser saturada ou insaturada. OS ÁCIDOS GRAXOS SATURADOS não possuem duplas ligações e são geralmente sólidos à temperatura ambiente.
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Quais são as características que diferenciam a cauda de um ácido graxo saturado e insaturado quanto a sua conformação?
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