Bioqumica EstruturalDocentes

Helotonio CarvalhoKarin Argenti Simon Giselle Zenker JustoNdia Alice Pinheiro Edimar Pereira1 semestre de 2012

Viso Geral da Bioqumica; Teorias para a origem da vida; Importncia da gua em organismos vivos; sistemas tampo.

Estrutura e propriedades de aminocidos; ligao peptdica.

Estruturas secundrias, tercirias e quaternrias de protenas: protenas fibrosas e globulares.

Funes das protenas: o modelo da hemoglobina; protenas musculares.

Carboidratos: Isomeria. Monossacardeos, dissacardeos.

Polissacardeos estruturais e de reserva.

Glicosaminoglicanos e peptideoglicanos. Proteoglicanos e glicoprotenas

Mtodos experimentais utilizados com protenas.Tpicos a serem abordados

Enzimas: atividade cataltica e especificidade; coenzimas.

Cintica enzimtica; regulao da atividade enzimtica.

Fontes de cidos graxos e lipdios de armazenamento.

Lipdios estruturais e de sinalizao.

Lipoprotenas, glicolipdios e vitaminas lipossolveis.

Tpicos a serem abordados

1-VOET D / VOET J - Bioqumica, 3a ed, Ed Artmed, 2004 (Bsica), R$253,00-R$338,00.

2-LEHNINGER - Princpios de Bioqumica, NELSON D. L. & COX M. M., 4a ed., Ed. Sarvier, 2007. (bsica), R$398,00-R$498,00.

3-DEVLIN T. M. , Manual de Bioqumica com Correlaes Clnicas, 6a Ed. Edgard Blucher, 2007. R$268,00 (25% c/ Ed. R$201,00).

4-MARZZOCO, A; TORRES, B.B. - Bioqumica Bsica, 2a ed, Ed. Guanabara Koogan, 1999. (complementar), R$120,00.

5-CAMPBELL, M. K., FARRELL, S.O.- Bioqumica, 1 ed, ARTMED., 2007 ISBN: 8573076763 (complementar) (Obs: Existe tambm uma edio em trs volumes da Ed. Thomson, 2006, O contedo correspondente ao dessa UC o do 1 volume,, mas este no contm o captulo sobre acares).

6-BERG, J.M.; TYMOCZKO, J.L.; STRYER, L. Bioqumica, 5a ed, Ed. Guanabara Koogan, Bibliografia

Critrios de avaliao L = Mdia das notas de laboratrios

S = Notas dos seminrios

A prova substitutiva ser aplicada apenas aos alunos que perderam uma das provas regulares P1 ou P2.

Introduo BioqumicaProf. Dr. Helotonio CarvalhoDiadema, agosto de 2011Unidade Curricular de Bioqumica EstruturalUNIFESP Campus Diadema

O que Bioqumica??

A bioqumica descreve em termos moleculares as estruturas, mecanismos e processos qumicos necessrios vida dos mais diferentes tipos de organismos.

O que define um ser vivo? Alto grau de complexidade qumica e organizao microscpica.

Existncia de sistemas que extraem, transformam e utilizam energia do ambiente.

Capacidade de auto-replicao.

Mecanismos que sentem alteraes no ambiente e respondem a estas alteraes.

Cada um dos componentes possui uma funo definida, alm de interagirem entre si de maneira regulada.

A origem da vida na Terra

A origem da vida na Terra

A Terra tem aproximadamente 4,5 bilhes de anos.

Logo aps ter sido formada, a Terra era um ambiente extremamente inspito, com temperaturas muito altas, elevados ndices de radiao ultravioleta, devido ausncia de O3, e uma atmosfera com gases txicos (CH4, CO, NH3, H2S...)

Evidncias de fsseis indicam que a vida na terra surgiu h 3,5 bilhes de anos, com o aparecimento das primeiras bactrias, provavelmente nos oceanos. Isto ocorreu graas ao resfriamento progressivo do planeta e ao aparecimento das primeiras molculas orgnicas de importncia bioqumica.

Os eventos que levaram ao surgimento da vida na Terra e como isto ocorreu exatamente so temas de extensos debates entre especialistas da rea.

Uma teoria para a origem da vida na Terra: A teoria da sopa primordialNH3, H2S, CO, CO2, CH4, N2, H2 e H2O. Um ambiente bastante redutor.

Uma das teorias para a origem das primeiras molculas pr-biticas sugere que estas surgiram a partir da conjuno de fatores como altas temperaturas, grandes quantidades de radiao UV e elevada incidncia de descargas eltricas provenientes de relmpagos.

O experimento de Urey-Miller (1953)Produtos:

Formaldedo CarboidratosHCN AdeninaGlicinaAlaninacido GlutmicoLeucina

Reaes entre outras molculas simples levam formao de outras bases nitrogenadas.

Os aminocidos so produzidos muito mais facilmente que os nucleotideos!!

Gerao de adenina a partir da condensao de molculas de HCN

Aminocidos tambm podem ter sido usados para a sntese de bases nitrogenadas

Polimerizao em condies abiticasA polimerizao abitica de carboidratos e nucleotdeos tambm ocorre, mas menos facilmente.

Os RNAs podem ter atividade cataltica! (Ribozimas)Esta descoberta, ocorrida na dcada de 1980, levou hiptese de um mundo de RNA, habitado por formas de vida primitivas dependentes de RNA para exercer todos os papis principais em um organismo, como herana, armazenamento de informao e catlise de reaes especficas envolvidas na sntese de biomolculas e no metabolismo energtico.

De acordo com a teoria do mundo do RNA o surgimento de uma forma de RNA capaz de codificar sua prpria replicao foi o principal evento na origem da vida.

Este sistema deve ter evoludo para a sntese de catalisadores mais eficientes (protenas).

O DNA teria ento assumido o papel de material gentico principal enquanto o RNA passou a ter um papel intermedirio.

Evoluo de um sistema de RNAs auto-replicantes

A importncia da compartimentalizao com o uso de membranasEm algum momento durante a evoluo, quantidades suficientes de lipdeos devem ter se acumulado formando vesculas que, eventualmente aprisionaram cidos nuclicos, formando estruturas semelhantes a clulas.

Vantagens da compartimentalizao: Produtos de reaes enzimticas no se difundem para o ambiente, podendo ser usados pela clula. Isto ocorre tambm devido ao fato de a maioria das biomolculas serem carregadas e no se difundirem pela membrana.

Outras teorias para a origem da vidaTeoria do Impacto: Molculas orgnicas vieram do espao, trazidas por condritos carbonceos (um tipo de meteoro). Presena de aminocidos e bases nitrogenadas.

Teoria das fendas submarinas (organismos termoflicos): gua super-aquecida rica em ons de metais de transio e H2S. Locais de grande atividade biolgica, independente da luz solar. A reduo de CO2 por FeS geraria molculas orgnicas mais complexas.

Teoria da argila: Molculas orgnicas surgiram inicialmente em reaes catalisadas por silicatos.

A qumica dos organismos vivos

Composio qumica comparativa da crosta terrestre, da gua do mar e do corpo humano* Valores expressos em % de tomos

A qumica das biomolculas baseada no carbono

Grupos funcionais mais comuns em biomolculas

Vrios grupos funcionais podem ser encontrados na mesma molcula

Importncia da gua em sistemas bioqumicos

A vida surgiu provavelmente em ambiente aquoso.

A gua representa 70 % ou mais do peso da maioria dos organismos. Uma atividade metablica normal s pode ocorrer em clulas que tm pelo menos 65 % de H2O.

As propriedades fsicas e qumicas da gua determinaram a vida como se conhece hoje.

Dentre essas propriedades, so essenciais as foras atrativas entre molculas de gua (pontes de H) e a tendncia da gua em se ionizar, ainda que muito fracamente.

As propriedades da gua possibilitam a existncia dos sistemas tampo, essenciais aos organismos vivos.

As propriedades da molcula de gua e seus produtos de ionizao (H+ e OH-), influenciam profundamente a estrutura e as propriedades dos diversos componentes celulares como protenas, lipdeos e cidos nuclicos. Importncia da gua em organismos vivos

A natureza polar da molcula de guaAs diferenas de eletronegatividade entre H e O conferem um momento de dipolo gua.

Este momento de dipolo, e a presena de pares de eltrons no compartilhados no O, responsvel pela formao de pontes de hidrognio entre molculas de gua.

Os orbitais da molcula de gua, incluindo os orbitais no-ligantes do oxignio, possuem um arranjo aproximadamente tetradrico.

Interaes fracas em sistemas aquososPontes de HidrognioPonte de hidrognio so responsveis pelas foras coesivas que tornam a gua lquida temperatura ambiente e que favorecem um arranjo extremamente ordenado das molculas de gua em cristais de gelo.

Biomolculas polares se dissolvem na gua devido ao fato de poderem trocar interaes gua-gua por interaes gua-soluto, que so energeticamente mais favorveis.

Biomolculas no polares no conseguem formar interaes gua-soluto e, por isso, so muito pouco solveis em gua.

A gua pode atuar tanto como aceptor, como doador de H em pontes de H!!

As pontes de hidrognio so isoladamente fracas

Energia de ligao de H: ~23 kJ/molEnergia de ligao O-H na gua: 470 kJ/molEnergia de ligao C-C: 348 kJ/mol

Pontes de HidrognioO arranjo aproximadamente tetradrico dos orbitais ao redor do O da molcula de H2O permite teoricamente pontes de hidrognio com at 4 outras molculas de H2O.

No estado lquido, devido ao estado desorganizado das molculas de gua e ao seu movimento constante, uma molcula de H2O forma pontes de hidrognio com apenas outras 3,4 molculas em mdia.

O gelo, ao contrrio, apresenta uma estrutura muito mais organizada, com cada molcula de H2O fixa no espao, o que permite que cada uma estabelea pontes de H com outras 4 molculas. Pontes de H no gelo

Influncia de pontes de hidrognio nos pontos de fuso e de ebulio da gua

Pontes de hidrognio importantes em sistemas biolgicos

Pontes de hidrognio so direcionaisPontes de hidrognio so mais fortes quando orientadas de maneira a permitir interao eletrosttica mxima, o que ocorre quando os tomos envolvidos na ponte de H esto em linha reta.

gua como solventeA solubilidade de uma substncia em determinado solvente depende da capacidade que o solvente tem de interagir com esta de maneira mais forte que as partculas do soluto interagem entre si.

A polaridade da gua faz com que esta dissolva facilmente substncias polares (hidroflicas). Substncias apolares, por outro lado, no so solveis em gua e so designadas hidrofbicas.

Os ons de um sal interagem de acordo com a lei de CoulombF = fora de interao entre as cargas eltricasQ1 e Q2= cargas eltricasr = distncia entre as cargase = constante dieltrica do meio Assim, quanto maior a constante dieltrica, menor a fora que une as duas cargas, ou seja, a constante dieltrica de um solvente uma medida de sua capacidade de manter cargas opostas separadas.

A gua um dos solventes com maior constante dieltrica!

Partculas carregadas so solvatadas pela gua

Exemplos de biomolculas apolares, polares e anfiflicas

Gases apolares so insolveis em guaIsso tem implicaes importantes no transporte de O2 dos pulmes para os tecidos e de CO2 dos tecidos para os pulmes! O O2 transportado atravs de protenas carreadoras (hemoglobina). O transporte te CO2 feito principalmente sob a forma de HCO3-, bastante solvel em gua (100 g/L a 25 oC).

As foras que mantm as regies apolares de molculas diferentes juntas so denominadas interaes hidrofbicas, que resultam de uma maior estabilidade termodinmica atravs da minimizao de interaes com a gua.

Protenas, pigmentos, esteris, algumas vitaminas e fosfolipdeos de membrana so anfipticos e dependem de interaes hidrofbicas para sua estabilizao.

Membranas biolgicas so estabilizadas por interaes hidrofbicas.

Interaes hidrofbicas entre aminocidos apolares so importantes na estabilizao de protenas. Interaes fracas em sistemas aquososInteraes hidrofbicas

Os 4 tipos de interaes fracas (no covalentes) entre biomolculas e o meio aquoso.

Esses 4 tipos de interaes so muito mais fracas que uma interao covalente, mas em conjunto seu efeito pode ser muito significativo!

A ligao de uma enzima a seu substrato pode envolver vrias pontes de H, alm de interaes inicas, hidrofbicas e de van de Waals.

Para separar a enzima de seu substrato necessrio romper todas essas interaes simultaneamente!

Todas estas interaes so de importncia primordial na manuteno da estrutura de biomolculas!!

A estrutura mais estvel (nativa) de protenas e cidos nuclicos normalmente aquela em que as interaes fracas so maximizadas. Isto determina o dobramento de protenas em folhas b pregueadas e a-hlices por exemplo, assim como a estrutura de dupla hlice do DNA. A importncia das interaes fracas em sistemas biolgicos