Introdução à Bioquímica - EGAS MONIZ SCHOOL PDF

Introdução à Bioquímica Unidade Curricular: Bioquímica & Biofísica Margarida Cardoso Duarte, MSc, PhD www.egasmoniz.com/pt  Introdução à Bioquímica For teaching purposes only! Bioq...

Introdução à Bioquímica Unidade Curricular: Bioquímica & Biofísica Margarida Cardoso Duarte, MSc, PhD www.egasmoniz.com/pt  Introdução à Bioquímica For teaching purposes only! Bioquímica é a “Química das células vivas” (Boyer, R. 2001) www.egasmoniz.com/pt Todos os processos biológicos resultam da acção das moléculas das células conhecimento das suas estruturas químicas conhecimento das suas funções biológicas conhecimento da organização celular e localização dos processos metabólicos nos organelos celulares - Degree in Veterinary Nursing “O estudo da Bioquímica é fundamental para a compreensão da vida” “Os avanços no conhecimento da Bioquímica iluminaram muitas áreas da medicina, e o estudo de doenças muitas vezes revelou aspectos da bioquímica antes desconhecidos” www.egasmoniz.com/pt For teaching purposes only! A ligação entre Bioquímica e a enfermagem é estreita, ocorre quando certas doenças são causadas por falta das biomoléculas:  LÍPIDOS – aterosclerose -  HIDRATOS DE CARBONO – diabetes Degree in Veterinary Nursing  PROTEÍNAS – anemia  ÁCIDOS NUCLEICOS – doenças genéticas www.egasmoniz.com/pt For teaching purposes only! A composição celular dos organismos vivos: - Degree in Veterinary Nursing Célula Vegetal Algumas proteínas, polissacáridos e alguns lípidos formam as estruturas celulares  For teaching purposes only! A composição celular dos organismos vivos: www.egasmoniz.com/pt Célula Animal: -Composição elementar pode ser semelhante - -Organização celular é Degree in Veterinary Nursing diferente em diferentes organismos e tecidos A principal diferença entre as células eucarióticas e procarióticas reside na existência de organelos (com destaque para o núcleo) nas células eucariotas.  For teaching purposes only! A composição celular dos organismos vivos: www.egasmoniz.com/pt Célula Animal: Síntese dos ácidos nucleicos (RELiso): Síntese dos lípidos Síntese proteica  Ciclo de Krebs; (ribossomas  transporte de electrões e - ligados ao RER) fosforilação oxidativa;  oxidação dos AG; Degree in Veterinary Nursing  controlo níveis Ca2+ no citoplasma;  Síntese corpos cetónicos;  Algumas enzimas ciclo ureia Receptores celulares, mecanismos Secreção de proteínas de transporte (RERugoso): sintetizadas no RER; Síntese proteica Contêm síntese enzimas enzimas lisossomais  For teaching purposes only! Materiais estruturais: Fluid Mosaic model www.egasmoniz.com/pt - Crescimento celular - Crescimento do organismo - Degree in Veterinary Nursing Lípidos Importância das funções Na síntese do material celular biológicas dos compostos são utilizadas as reservas químicos dos alimentos energéticas e os compostos de digeridos reserva.  For teaching purposes only! Todos os organismos podem ser classificados de acordo com as fontes de energia e de carbono que requerem para a síntese do seu material celular. www.egasmoniz.com/pt Em organismos não fotossintéticos? Os organismos estão - Ex: humanos e animais Alimentação divididos em dois grandes grupos: Entrada de energia na forma de moléculas orgânicas: - Quimiotrofos – - Lípidos consumem energia a - Glúcidos partir de compostos - - e também proteínas químicos. Degree in Veterinary Nursing Em organismos fotossintéticos? - Fototrofos – - Ex: plantas e algas fotossintéticas consumem a energia do sol. a luz é a fonte de energia  For teaching purposes only! Conceito de HOMEOSTASIA www.egasmoniz.com/pt Todo o ser vivo é capaz de manter um ambiente interno estável independentemente das condições externas ao seu redor. -  Na sua composição celular existem Degree in Veterinary Nursing macromoléculas complexas que são sujeitas a alterações químicas constantes necessárias para manter o organismo vivo. METABOLISMO  For teaching purposes only! Algumas definições: www.egasmoniz.com/pt Metabolismo – refere-se aos processos químicos que ocorrem dentro das células de um organismo vivo. Catabolismo é a fase degradativa do metabolismo na qual moléculas de nutrientes orgâncos (hidratos de carbono, gorduras, e proteínas) são convertidas em produtos finais menores e mais simples (tais como o ácido láctico, CO2, NH3). - As vias catabólicas libertam energia, parte da qual é conservada sob a forma de ATP e Degree in Veterinary Nursing com a formação de moléculas reduzidas portadoras de electrões (NADH, NADPH, and FADH2); o resto é perdido sob a forma de calor. No anabolismo, também chamado de biossíntese, precursores pequenos e simples são transformados em moléculas maiores e mais complexas, incluindo lípidos, polissacáridos, proteínas, e ácidos nucleicos. As reacções anabólicas requerem entrada de energia, geralmente na forma do potencial de transferência do grupo fosforilo do ATP e do poder redutor do NADH, NADPH, e FADH2.  For teaching purposes only! Catabolismo: processos de Anabolismo: processos de degradação com libertação de energia biossíntese que necessitam energia www.egasmoniz.com/pt -Processo “global” de oxidação química -Processo “global” de redução química -Formação de cofactores reduzidos -Formação de cofactores oxidados (NADH, NADPH, FADH2) (NAD+, NADP+, FAD) -Libertação de energia química (processo -Necessidades em energia (processo exotérmico) e produção de ATP a partir endotérmico) e utilização/consumo de do ADP ATP - -Convergência das diferentes vias -Divergência das diferentes vias metabólicas (1 produto final) metabólicas (vários produtos finais) Degree in Veterinary Nursing -Degradação de biomoléculas: -Síntese de biomoléculas: Proteínas CO2 ENERGIA Lípidos H2O Polissacáridos NH3 www.egasmoniz.com/pt - For teaching purposes only! BIOENERGÉTICA EM BIOQUÍMICA Degree in Veterinary Nursing www.egasmoniz.com/pt For teaching purposes only! A Bioenergética é o estudo das transformações energéticas em sistemas vivos. A Bioenergética investiga como os seres vivos transformam a energia dos alimentos em energia utilizável, convertendo nutrientes em adenosina trifosfato (ATP), a moeda energética do organismo. - Degree in Veterinary Nursing Apesar de todas as reacções metabólicas serem catalizadas por enzimas, elas só ocorrerão se forem termodinamicamente viáveis.  For teaching purposes only! A energia livre de Gibbs (ΔG) é uma grandeza que foi determinada pelo físico, matemático e químico norte- www.egasmoniz.com/pt americano Josiah Willard Gibbs (1883), com o intuito de prever a espontaneidade de uma reação química. Gibbs concluiu que a entalpia (ΔH) (energia libertada durante uma reação), a entropia (ΔS) e a temperatura (T) são os fatores determinantes para prever a espontaneidade de uma reação. Uma reacção é expontânea quando: ΔH < 0 (reacção exotérmica): há libertação de energia - ΔS > 0: o sistema reacional possui grande desorganização atómica Degree in Veterinary Nursing Quando uma reação química expontânea ocorre, parte da energia libertada (reacção exotérmica) é utilizada para reorganizar o sistema (reorganizar os átomos). Essa parte de energia depende da temperatura (T) e do nível de desorganização dos átomos (entropia - ΔS). Sendo assim, podemos definir a energia livre de Gibbs (ΔG) como a energia útil de um sistema que resulta da diferença entre a entalpia e a entropia (esta multiplicada pela temperatura), o que resulta na seguinte equação matemática (unidades em kJ ou kcal): ΔG = ΔH – T. ΔS  As células precisam de fontes de energia For livre teaching purposes only! As células são sistemas isotérmicos. www.egasmoniz.com/pt Todas as reações químicas tendem a ir na direcção que resulta numa diminuição da energia livre do sistema. ΔG < 0 - Exergónica – os reagentes possuem mais energia do que os produtos; ΔG > 0 - Endergónica – os produtos armazenam mais energia do que os reagentes. - Degree in Veterinary Nursing O fluxo de energia entre as reacções exergónicas e endergónicas nos seres vivos é conduzido predominantemente pelo ATP.  For teaching purposes only! Bioenergética: O Papel do ATP O ATP actua como “moeda energética” da célula. www.egasmoniz.com/pt O ATP permite transformar reacções termodinamicamente desfavoráveis em favoráveis. As reacções Endergónicas não podem prosseguir sem consumo de energia livre. Por exemplo, a fosforilação da glucose em glucose-6-fosfato, a primeira reacção da glucólise: - Degree in Veterinary Nursing é altamente endergónica e não pode prosseguir em condições fisiológicas. Assim, para poder ocorrer, a reacção tem de estar acoplada a outra— mais exergónica— tal como a reacção da hidrólise do fosfato terminal do ATP. Quando a (1) e a (2) estão acopladas numa reacção catalizada pela hexoquinase, a fosforilação da glucose prossegue prontamente numa reacção altamente exergónica (diminuição da energia livre do sistema) que sob condições fisiológicas é irreversível. Muitas das reacções de “activação” seguem este padrão. Degree in Veterinary Nursing - www.egasmoniz.com/pt A MOLÉCULA DE ÁGUA For teaching purposes only! www.egasmoniz.com/pt For teaching purposes only! ÁGUA 1.1. Propriedades químicas e físicas da água. - 1.2. Interacções com a água têm influência na estrutura das Degree in Veterinary Nursing biomoléculas 1.3. A água é um excelente nucleófilo 1.4. pH e os grupos funcionais das biomoléculas  For teaching purposes only! O teor de água no interior das células pode www.egasmoniz.com/pt ser superior a 70%. Bom solvente de substâncias polares e iónicas Meio de solubilização de moléculas (ex: ácidos orgânicos) - Dispersante de moléculas apolares Degree in Veterinary Nursing Meio reaccional; pode ser reagente (ex: reacções de hidrólise) ou produto em muitas reacções metabólicas Meio estabilizador de macromoléculas (ex: proteínas)  For teaching purposes only! 1.1. Propriedades químicas e físicas da água: www.egasmoniz.com/pt  Estrutura química é responsável por fortes interacções intermoleculares, que conferem à água e ao gelo propriedades (+) físicas particulares em comparação com moléculas de Massa (+) Molecular aproximada (-) Propriedades físicas: - H2O NH3 CH4 H2S Massa molar Degree in Veterinary Nursing 18 17 16 34 Ponto de ebulição (ºC) 100 -33 -161 -60.7 Ponto de fusão (ºC) 0 -78 -183 -85.5 Viscosidade (cpoise) 1.01 0.25 0.10 0.15 Capacidade calorífica (0 ºC): 4,2177 kJ kg -1 K-1 Outras Calor de fusão (0 ºC): 6,012 kJ mol -1 propriedades Calor de vaporização (0 ºC): 40,63 kJ mol -1 físicas da água: Calor de sublimação (0 ºC): 50,91 kJ mol-1 www.egasmoniz.com/pt - Degree in Veterinary Nursing For teaching purposes only! Nuvem electrónica na região do átomo de oxigénio  For teaching purposes only!  Polaridade da água: Molécula Geomet ria Moment o dipolar Molécula com elevado HF Linear 1,92 www.egasmoniz.com/pt momento dipolar HCl Linear 1,08 HBr Linear 0,78 HI Linear 0,38 H2 O Angular 1,87 H2 S Angular 1,10 Ligações NH3 Piramidal 1,46 intermoleculares por SO2 Angular 1,60 pontes de hidrogénio Energia da ligação covalente - Energia média de uma Ligação Energia de ligação Ligação Energia de ligação Degree in Veterinary Nursing (kJ mol-1) (kJ mol-1) ligação por ponte de hidrogénio HH 436,4 CH 414 2 a 40 kJ mol-1 NN 941,4 CC 347 O=O 498,7 C=C 620 Gelo: 20 kJ mol-1 ClCl 242,7 CC 812 BrBr 192,5 CN 276 As ligações iónicas são mais II 151,0 CO 351 fortes que que as pontes de NN 193 OO 142 hidrogénio mas mais fracas que as ligações covalentes Pontes de hidrogénio < ligações iónicas < ligações covalentes  For teaching purposes only! A água é fortemente dipolar traduzindo-se na sua constante dieléctrica elevada. www.egasmoniz.com/pt A água diminui a força de atracção entre espécies carregadas e polares, em comparação com ambientes livres de água e com constante dielétrica mais baixa. Dipolo forte (grande - atracção electrostática) Degree in Veterinary Nursing Constante dieléctrica elevada (ε) Solvatação iónica: A água é capaz de dissolver Espécies moleculares polares com pouca atracção electrostática ou grandes quantidades de baixas constantes dielétricas (hidrofílicas) podem ser atraídas pela compostos carregados (iões e subst polares), tais como os sais. água, dissolvendo-se nela de forma estável.  For teaching purposes only! ÁGUA www.egasmoniz.com/pt Formação de uma estrutura parcialmente ordenada (tetraédrica) com quebra e formação de pontes de hidrogénio a uma taxa contínua e rápida. PONTES DE 1 molécula de água HIDROGÉNIO: estabelece 4 ligações - é a mais forte das intermoleculares chamadas “ligações Degree in Veterinary Nursing (“pontes de fracas” hidrogénio”) com outras moléculas de água, nas fases líquida e sólida. A água é simultaneamente dadora e aceitadora de hidrogénio.  For teaching purposes only! As pontes de hidrogénio permitem à água dissolver muitas www.egasmoniz.com/pt biomoléculas orgânicas que contêm grupos funcionais capazes de estabelecer ligação com o seu hidrogénio. Exemplos: -  átomos de oxigénio dos aldeídos, das cetonas e das amidas, Degree in Veterinary Nursing fornecem pares de electrões solitários que servem de aceitadores de hidrogénio.  Alcoóis, ácidos carboxílicos e aminas podem ser aceitadores e dadores de átomos de hidrogénio para formarem pontes de hidrogénio com a água.  For teaching purposes only! Nas moléculas biológicas, os átomos participantes nas pontes de hidrogénio são quase sempre C, N e O. www.egasmoniz.com/pt - Degree in Veterinary Nursing  For teaching purposes only!  1.2. Interacções com a água têm influência na estrutura das biomoléculas www.egasmoniz.com/pt A ligação covalente é a mais forte ligação que mantém as moléculas unidas. As ligações não covalentes, embora de menor magnitude, contribuem significativamente - para a estrutura, estabilidade e competência funcional das macromoléculas nas células vivas. Degree in Veterinary Nursing As forças que podem ser atrativas ou repulsivas envolvem interações tanto dentro da biomolécula como entre ela e a água, estabelecendo o equilíbrio do ambiente circundante. Ligações não covalentes: electrostáticas; por dipolos; pontes de hidrogénio; Van der Waals  For teaching purposes only! As biomoléculas dobram-se para posicionar os seus grupos polares e carregados, à superfície www.egasmoniz.com/pt  A maioria das biomoléculas são anfipáticas – possuem regiões ricas em grupos funcionais polares ou carregados, bem como regiões com carácter hidrofóbico.  Este padrão maximiza as oportunidades para a formação de interações dipolo-carga, dipolo-dipolo e ligações por pontes de hidrogénio energeticamente favoráveis entre os - grupos polares na biomolécula com a água. Degree in Veterinary Nursing  Isto também minimiza as ligações energeticamente desfavoráveis entre a molécula de água e grupos hidrofóbicos. Exemplos na bicamada da membrana celular: − Fosfolípidos (ou em micelas) − Proteínas integrais (imersas na membrana) Substâncias hidrofílicas são polares e estabelecem vários tipos de ligações com a água: iónicas, pontes de hidrogénio ou ligações covalentes.  O caso particular das micelas For teaching purposes only! A água é um dispersante de compostos www.egasmoniz.com/pt bipolares (anfipáticos) com grupos apolares ou hidrofóbicos, formando com eles micelas Interacções hidrofóbicas dentro da micela (interacções Van der - Waals) Degree in Veterinary Nursing A localização interna dos grupos apolares resulta da grande afinidade de moléculas “semelhantes” entre si. as moléculas de água estão melhor organizadas em torno da micela (requer energia e há uma diminuição da entropia) 29  For teaching purposes only! Ligações electrostáticas ou iónicas www.egasmoniz.com/pt  As interações entre grupos com cargas opostas dentro ou entre biomoléculas, são denominadas pontes salinas.  As pontes salinas são comparáveis em força às pontes de hidrogénio, mas atuam a distâncias maiores. - Degree in Veterinary Nursing Ex: geralmente facilitam a ligação de iões e moléculas carregadas, a proteínas e ácidos nucleicos.  For teaching purposes only! Forças de Van der Waals www.egasmoniz.com/pt  Atracções entre dipolos transitórios gerados pelo rápido movimento dos electrões de todos os átomos neutros. Significativamente mais fracas do que as pontes de hidrogénio, mas potencialmente numerosas. - As forças de van der Waals diminuem ou desaparecem se os Degree in Veterinary Nursing átomos envolvidos se distanciarem mais de 1 Å para além da chamada “distância de contacto”. Ex: o seu efeito cumulativo é, no entanto, substancial para macromoléculas tais como o DNA e as proteínas, pois possuem átomos muito próximos uns dos outros, facilitando o seu contacto.  For teaching purposes only! Forças múltiplas estabilizam biomoléculas – um exemplo: www.egasmoniz.com/pt  A dupla hélice de DNA evidencia a contribuição de múltiplas forças na estrutura de biomoléculas. Cada hélice individual de DNA é mantida unida por ligações covalentes, as duas hélices são mantidas juntas exclusivamente por interacções não covalentes, tais como pontes de hidrogénio entre bases nucleotídicas (emparelhamento de bases Watson-Crick) e interacções de van der Waals entre as - bases de purina e pirimidina. Degree in Veterinary Nursing A dupla hélice de DNA apresenta os grupos fosfato carregados e grupos hidroxilo polares dos açúcares ribose da sua espinha dorsal, virados para a água (exterior), enquanto protege as bases nucleotídicas relativamente hidrofóbicas no seu interior. Modelo de Watson and Crick para a estrutura de dupla A espinha dorsal estendida maximiza a distância entre fosfatos hélice da molécula de DNA carregados negativamente, minimizando interações eletrostáticas desfavoráveis.  For teaching purposes only!  1.3. A água é um excelente nucleófilo www.egasmoniz.com/pt As reações metabólicas geralmente envolvem o ataque de pares solitários de electrões que residem em moléculas ricas em electrões, denominadas nucleófilos, sobre átomos pobres em electrões, chamados eletrófilos. Nucleófilos e electrófilos não possuem necessariamente uma carga formal negativa ou positiva. - Degree in Veterinary Nursing A molécula de água é um excelente nucleófilo por causa dos dois pares solitários de electrões que carregam uma carga negativa parcial.  For teaching purposes only! Exemplos: www.egasmoniz.com/pt Nucleófilos de importância biológica: átomos de oxigénio dos fosfatos, álcoois e ácidos carboxílicos; o enxofre dos tióis; e o átomo de azoto das aminas e do anel imidazole da histidina. - Álcool etílico Amina Degree in Veterinary Nursing Electrófilos de importância biológica: carbonos dos grupos carbonilo em amidas, ésteres, aldeídos, e cetonas e os átomos de fósforo nos fosfoésteres. Aldeído Amida Éster  For teaching purposes only! O ataque nucleofílico da água resulta tipicamente, na quebra de uma www.egasmoniz.com/pt ligação, como as ligações amida, glicosídica ou éster que mantêm os biopolímeros juntos. Este processo é chamado de hidrólise. Por outro lado, quando unidades monoméricas se unem para formar biopolímeros, tais como as proteínas ou o glicogénio, a água é um produto (ex., durante a formação de uma ligação peptídica entre dois aminoácidos). - A hidrólise é uma reacção favorecida termodinamicamente. Degree in Veterinary Nursing Na célula, catalizadores proteicos designados enzimas aceleram a taxa das reacções hidrolíticas quando necessário.  For teaching purposes only! 1. Dado o carácter nucleofílico da água e a sua elevada concentração nas células, porque é que os biopolímeros www.egasmoniz.com/pt como as proteínas e o ADN, são relativamente estáveis? 2. E como pode ocorrer a síntese de biopolímeros num ambiente aquoso que, por si só, favorece a hidrólise? No centro de ambas as questões estão as propriedades - dos enzimas. Degree in Veterinary Nursing O controlo preciso e diferencial da atividade enzimática e a retenção de enzimas em organelos específicos, determinam as circunstâncias fisiológicas sob as quais um determinado biopolímero será sintetizado ou degradado. A capacidade dos sítios ativos do enzima de sequestrar os substratos num ambiente do qual a água pode ser excluída, facilita a síntese de biopolímeros.  For teaching purposes only!  1.4. pH e os grupos funcionais das biomoléculas www.egasmoniz.com/pt Grupos funcionais que são ácidos fracos têm grande significado fisiológico:  Como compreender a influência do pH intracelular na estrutura e atividade biológica de grupos funcionais As forças relativas de ácidos e bases fracas são expressas em termos de suas constantes de dissociação (K): - Base Ácido fraco Valor pKa Degree in Veterinary Nursing conjugada Ácidos fracos ou bases fracas dissociam-se parcialmente em água. Quanto mais forte for o ácido, menor o pKa. pKa de um ácido é o pH no qual as espécies protonada e desprotonada estão presentes em concentrações iguais (50% dissociação).  For teaching purposes only! A equação Henderson-Hasselbalch descreve o comportamento de ácidos fracos & de tampões www.egasmoniz.com/pt  Um ácido fraco HA, ioniza-se da seguinte forma: Quanto mais forte for o ácido, maior é o seu Ka - (força do ácido). Curva de titulação para um ácido do tipo HA. Degree in Veterinary Nursing O ponto central da curva indica um pKa 5.0 Ponto de equivalência = quando ocorre a neutralização do titulado pelo titulante (em mEq ou em nr moles) A equação Henderson- Ácidos monopróticos (ex. HCl): Hasselbalch é de enorme 1 mol = 1 equivalente; Ácidos dipróticos (ex. H2SO4): utilidade para a previsão do 1 mol = 2 equivalentes. equilíbrio protónico.  For teaching purposes only! Soluções tampão www.egasmoniz.com/pt Apenas ácidos e bases fracos podem formar tampões. Uma solução tampão é uma solução aquosa que contém quantidades molares comparáveis de um ácido fraco e da sua base conjugada ou de uma base fraca e do seu ácido conjugado. Utiliza-se uma solução tampão para manter o valor de pH constante de uma solução. - As soluções tampão desempenham um papel importante nos Degree in Veterinary Nursing sistemas biológicos, pois a manutenção de condições internas constantes (homeostasia) é crítica para a sobrevivência. ex. H2CO3 HCO3- + H+ no sangue - pH: [7.35, 7.45] – fora deste intervalo pode causar acidose ou alcalose em organismos vivos  For teaching purposes only! Algumas notas: www.egasmoniz.com/pt O meio circundante de um grupo funcional, pode aumentar ou diminuir o pKa relativamente ao seu valor em água, dependendo da espécie carregada: se o ácido não dissociado ou se a sua base conjugada. Soluções de ácidos ou bases fracas e seus conjugados exibem acção tamponante, ou seja, a capacidade de resistir a uma mudança do pH após a adição de um ácido ou de uma base fortes. - Muitas reações metabólicas são acompanhadas pela libertação ou captação de Degree in Veterinary Nursing protões. ex., o metabolismo oxidativo produz CO2, que se não fosse tamponado a ácido carbónico produziria acidose grave (desequilíbrio no equilíbrio ácido-base do corpo). A manutenção biológica de um pH constante requer a acção tamponante do fosfato, bicarbonato, e proteínas que aceitem ou libertem protões para resistirem à alteração de pH.