BIOQUÍMICA BÁSICA

Módulo I – Biologia

Citologia:

. Substâncias Químicas;

. Estrutura Celular;

. Divisão Celular;

INTRODUÇÃO

Histórico

1665: Robert Hooke Compartimentos (Células)

1840: Theodor Schwann Teoria Celular

1. Todos os organismos são constituídos de uma ou mais células

2. A célula é a unidade básica de organização dos organismos

3. Toda a célula vem de outra preexistente

CÉLULA

Características

Unidades de vida compartimentalizadas

Complexo de moléculas agrupadas por funções

Características estruturais comuns: Arquitetura

Processos metabólicos:

Replicação de DNA

Síntese protéica

Produção de energia

Classificação: Procarióticas e Eucarióticas

CÉLULA PROCARIÓTICA

CÉLULA EUCARIÓTICA - Animal

CÉLULA EUCARIÓTICA - Vegetal

CÉLULA PROCARIONTE X EUCARIONTE

Características Procariotos Eucariotos

1. Envoltório Nuclear

2. Cromossomo 3. Nucléolo 4. Divisão Celular 5. Citoplasma 6. Organelas

Ausente Único Ausente Cromossomos separados por ligação à MP Sem Citoesqueleto Nenhuma Principalmente

Presente Múltiplos Presente Cromossomos separados por Microtúbulos Citoesqueleto Várias Principalmente

CONSTITUINTES BIOQUÍMICOS DA CÉLULA

Água e Minerais

Carboidratos

Proteínas Lipídios Ácidos Nucléicos

O segredo da vida!

1 - Introdução à Bioquímica

O que é Bioquímica?

É a química da vida.

É o estudo da vida ao nível químico.

É o estudo das reações químicas que ocorrem em

organismos biológicos.

A bioquímica procura entender como a vida existe a

partir de moléculas intrinsecamente inanimadas (sem

vida).

A bioquímica procura explicar a vida em termos químicos

Importância da Bioquímica e suas relações com

outras disciplinas:

Importância para estudos ambientais:

- processo microbiológicos:

tratamento de esgotos e resíduos

bioremediação

ciclos biogeoquímicos (C, N, S etc.)

- toxicologia e mutagênese

- destino de poluentes

- fotossíntese – tipos de vegetação e adaptação

Bioquímica

Genética

Biologia celular

Reprodução

Crescimento

Metabolismo

Resposta a estímulos do

ambiente/capacidade de

mudança

Características que definem a vida:

Conjunto de reações químicas

que processam matéria e energia

Todo organismo vivo é estruturalmente complexo e

altamente organizado.

PRINCÍPIOS GERAIS E MOLECULARES DA VIDA

- Os organismos vivos são capazes de auto-duplicar

e auto-montagem

Por trás da diversidade biológica existe certa unidade de

organização

10 milhões de espécies diferentes – grande diversidade

Todos os seres vivos:

nos níveis celular e molecular, há um plano de

organização unificado

bioquimicamente têm as mesmas estruturas e funções

básicas e um mesmo código genético.

Simplifica o entendimento da Bioquímica!

O que é célula?

É a menor parte viva de um organismo;

É a unidade morfo-fisiológica dos seres vivos?

É a menor parte de um organismo capaz de sobreviver por si só, desde que em condições ideais.

De que a célula é composta?

Substâncias Inorgânicas: - Água.

- Sais Minerais.

Substâncias Orgânicas: - Carboidratos.

- Lipídios.

- Proteínas.

- Vitaminas.

- Ácidos Nucléicos.

Água

Composição e Estrutura Molecular:

- Molécula Polar;

Adesão

Capilaridade

Alto poder de dissolução

-Forma Pontes de Hidrogênio;

Coesão

Calor Específico

Ponto de Vaporização

Tensão Superficial

Ângulo = 105º

Água

Qtde varia de acordo com: - Espécie - Idade – inversamente proporcional - Taxa Metabólica – diretamente proporcional.

Funções: - Solvente. - Transporte. - Participa de ou favorece reações. - Equilíbrio Térmico e Osmótico.

Sais Minerais

Encontram-se sob duas formas: Iônica Molecular (estrutural) Ca++: ossos, coagulação e contração. Fe++: hemoglobina, citocromos. PO4

---: ossos, ác. nucléicos, ATP. I-: hormônios tireóideos. K+, Na+ e Cl-: regulação osmótica, e sódio e potássio

também participam na transmissão do impulso nervoso.

Glicídios

Fórmula Geral: CH2O

Funções Mistas: - Poliálcool-aldeído - Poliálcool-cetona

Glicídios

Papéis no organismo: - Energético (principal).

- Estrutural.

Classificação: - Monossacarídeos (glicose, frutose, galactose).

- Dissacarídeos (sacarose, maltose, lactose).

- Polissacarídeos (amido, glicogênio, celulose).

Monossacarídeos

Quitina

É um polímero constituído por uma seqüência linear de açúcares, possuindo estrutura semelhante à fibra vegetal denominada celulose.

A diferença estrutural entre as duas fibras se deve aos grupos hidroxila localizados na posição 2, que na quitina foram substituídos por grupos acetamino.

A quitina tem como principais fontes naturais os exoesqueletos de artrópodes, e entre eles os dos crustáceos (notadamente caranguejo, camarão e lagosta), sendo também encontrada em insetos, aracnídeos, miriápodes, moluscos, como as lulas, e na parede celular de fungos.

Glicídios

Processos de obtenção: Ingestão. Glicogênese: - glicogênio sintetizado no fígado e músculos.

Neoglicogênese: - glicose a partir de precursores não

glicídicos.

Lipídios

Moléculas insolúveis e água, mas solúveis em solventes orgânicos.

Principais grupos: - Glicerídeos. - Cerídeos. - Esteróides.

Lipídios

Glicerídeos: - São ésteres do glicerol com ácidos graxos. - Óleos e gorduras são misturas de glicerídeos. - Nas gorduras (manteiga, toucinho, banha e sebo)

predominam glicerídeos de ácidos saturados (palmítico e esteárico) e são "sólidas" à temperatura ambiente.

- Nos óleos (óleo de soja, algodão, amendoim e milho), predominam glicerídeos de ácidos insaturados (oléico) e são líquidos à temperatura ambiente.

Lipídios

Cerídeos: - Álcool de peso molecular elevado, como o álcool oléico ou a

esfingosina.

- Cera de abelha, cera de carnaúba e cutina.

Esteróides: - Lipídios derivados do colesterol.

- Atuam como hormônios e, nos humanos, são secretados pelas gônadas, córtex adrenal e pela placenta. A testosterona é o hormônio sexual masculino, enquanto que o estradiol é o hormônio responsável por muitas das características femininas.

Colesterol

Fosfolipídios

Ácidos graxos + fosfato.

Os fosfolipídios se ordenam em bicamadas, formando vesículas. Estas estruturas são importantes por conterem substâncias hidrossolúveis em um sistema aquoso - como no caso das membranas celulares ou vesículas sinápticas.

Proteínas

São macromoléculas constituídas por aminoácidos que se unem através de ligações peptídicas.

Aminoácidos.

Proteínas

Estrutura: - Primária: seqüência linear de aminoácidos

que compõe uma proteína. Por exemplo:

val - ile - glu - ala - gli - try - tyr - asp - gli – ala

- Secundária: Alfa-hélice formada pela interação entre os aminoácidos com formação de pontes de hidrogênio.

Proteínas

Estrutura Secundária

Estrutura Terciária: É a configuração espacial de

uma proteína. Pode ser filamentar ou globular.

Proteínas

Desnaturação: - Perda da forma (função) devido à

variações de temperatura e pH. - Reversível ou não. Como são obtidas: - Síntese. Vide esquema animado.

Proteínas

Papéis biológicos: - Estrutural. - Enzimático. - Transporte. - Contração. - Coagulação. - Equilíbrio osmótico. - Controlador (hormonal).

Enzimas

Enzimas

Influência:

- Temperatura e pH.

Enzimas

Influência da concentração do substrato: Velocidade da Reação Concentração do Substrato

Vitaminas

São compostos orgânicos imprescindíveis para algumas reações metabólicas específicas, agindo muitas vezes como coenzimas ou como parte de enzimas responsáveis por reações químicas essenciais à saúde humana.

São classificadas em dois grupos: - Hidrossolúveis. - Lipossolúveis.

Vitaminas Lipossolúveis

A, D, E e K Na maior parte, são absorvidas com

outros lipídios, e uma absorção eficiente requer a presença de bile e suco pancreático. São transportadas para o fígado através da linfa como uma parte de lipoproteína e são armazenadas no organismo.

Vitaminas Lipossolúveis

Carências: - Vitamina A:

cegueira noturna, cefaléia e lesões na pele (áspera e seca)

- Vitamina D:

raquitismo, desgaste dos ossos (osteoporose) e dos dentes.

- Vitamina E:

esterilidade e menor viabilidade comprovadas em algumas espécies animais.

- Vitamina K:

Com a má absorção de lipídios pode causar destruição da flora intestinal, além de problemas hemorrágicos.

Interferons

Moléculas que promovem a ativação dos processos metabólicos intracelulares, que por sua vez, tornam a célula resistente à ação viral.

São proteínas celulares semelhantes aos hormônios.

O interferon alfa é produzido pelos glóbulos brancos do sangue.

O interferon beta é produzido pelas células de várias partes do corpo (fibroblastos).

O interferon gama é produzido pelas células chamadas de linfócitos T.

Iterferons

Príon

A partícula protéica infecciosa, é denominada prion scrapie. A proteína infecciosa tem uma conformação diferente da proteína

celular normal. A forma normal, PrP celular é encontrada, predominantemente, na

superfície dos neurônios, e possivelmente, está envolvida em funções sinápticas; protege o cérebro contra demência e outros problemas degenerativos associados com a senilidade.

A PrP Scrapie encontra-se na forma de agregados no sistema endossomo-lisossomo, caracterizando-se pela alta resistência à temperaturas elevadas e à ação de proteases.

O príon normal tem a maior parte dos aminoácidos arrumada em forma de espiral. Já o príon anormal, que causa a doença da vaca louca, possui a maioria dos aminoácidos organizada em ziguezague.

Príon

Ácido Nucleicos

Módulo I – Citologia

Temas:

- Ácidos Nucléicos.

- Estrutura Celular.

Nucleotídeo

Estrutura molecular composta por um radical

fosfato, uma pentose e uma base nitrogenada.

Nucleotídeos

Ligam-se uns aos outros através de ligações

fosfodiéster, formando cadeias muito longas.

Além de participarem da estrutura dos ácidos

nucléicos, os nucleotídeos atuam também como

componentes na estrutura de coenzimas importantes

no metabolismo oxidativo da célula, e como forma

de energia química – ATP.

Adenosina Tri-Fosfato (ATP)

O ATP é encontrado universalmente nos sistemas vivos.

Sua função essencial é armazenar energia para as atividades vitais básicas das células.

Estruturalmente, o ATP consiste de três grupos fosfato (PO4

3-) e de uma unidade de adenosina composta de adenina e do açúcar ribose.

O ATP libera uma grande quantidade de energia utilizável quando é desdobrado pela adição de uma molécula de água (hidrólise).

Bases Nitrogenadas

Pertencem a 2 famílias:

- Bases Púricas, ou Purinas: Adenina (A) e Guanina (G).

- Bases Pirimídicas, ou Pirimidinas: Citosina (C), Timina (T) e Uracila (U).

Tanto o DNA como o RNA possuem as mesmas bases púricas, e a citosina como base pirimídica.

A timina existe apenas no DNA e, no RNA, é substituída pela uracila - que possui um grupo metil a menos.

Bases Nitrogenadas

Pentoses

A adição de uma pentose a uma base nitrogenada produz um nucleosídeo.

Fosfato

A adição de um ou mais radicais fosfato à pentose, através de ligação tipo éster com a hidroxila do carbono 5 da mesma, dá origem aos Nucleotídeos.

Os grupos fosfato são responsáveis pelas cargas negativas dos nucleotídeos e dos ácidos nucléicos.

A adição do segundo ou terceiro grupo fosfato ocorre em seqüência, dando origem a nucleotídeos di e trifosfatados.

DNA x RNA

O RNA

Criado a partir do molde de DNA e utilizado na expressão da informação genética.

A síntese de uma molécula de RNA a partir de um molde de DNA chama-se "TRANSCRIÇÃO“.

Nesta transcrição, modificações podem ocorrer sobre a molécula de RNA transcrita, convertendo-a de uma cópia fiel em uma cópia funcional do DNA.

Estrutura do RNA

Estrutura do RNA

Em relação ao DNA, 4 diferenças são importantes:

- O RNA possui uracila no lugar da timina.

- A pentose do RNA é a ribose.

- O RNA é formado por uma fita única, com eventual pareamento de bases intra-cadeia.

- A molécula do RNA é muito menor que a do DNA.

Ligações intracadeia do RNA

Tipos de RNA

Ribossômico (RNAr):

- É encontrado, em associação com várias proteínas

diferentes, na estrutura dos ribossomos, as organelas

responsáveis pela síntese protéica.

- Corresponde a até 80% do total de RNA da célula.

Tipos de RNA

Transportador (RNAt):

- É a menor molécula dos 3 tipos de RNA;

- Está ligado de forma específica a cada um dos 20 aminoácidos encontrados nas proteínas.

- Corresponde a 15% do RNA total da célula.

- Atua no posicionamento dos aminoácidos na seqüência prevista pelo código genético no momento da síntese protéica.

RNA transportador

Tipos de RNA

Mensageiro (RNAm):

- Corresponde a apenas 5% do total de RNA da

célula.

- Atua transportando a informação genética do

núcleo da célula eucariótica ao citosol, onde

ocorrerá a biossíntese protéica.

- É utilizado como molde nesta biossíntese.

O DNA

Está presente no núcleo das células eucarióticas, nas mitocôndrias e nos cloroplastos, e no citosol das células procarióticas.

Nas células germinativas e no ovo fertilizado, dirige todo o desenvolvimento do organismo, a partir da informação contida em sua estrutura.

É duplicado cada vez que a célula somática se divide.

Estrutura do DNA

O DNA é um polidesoxirribonucleotídeo formado por milhares de nucleotídeos ligados entre si através de ligações 3’, 5’-fosfodiéster.

Sua molécula é formada por uma fita dupla antiparalela, enrolada sobre si mesma formando uma dupla hélice.

Ligação Fosfodiéster

Ocorre entre o fosfato do carbono 5 da pentose de um nucleotídeo e a hidroxila do carbono 3 da pentose do nucleotídeo seguinte.

A cadeia resultante é polar, e possui:

- Uma extremidade 5’ è Fosfato de carbono 5 da pentose livre.

- Uma extremidade 3’ è Hidroxila de carbono 3 da pentose livre.

As ligações fosfodiéster podem ser quebradas enzimaticamente por enzimas chamadas NUCLEASES, que se dividem em:

- Endonucleases = Quebram ligações no meio da molécula;

- Exonucleases = Quebram ligações nas extremidades da molécula.

As Pontes de Hidrogênio

DNA em Procariontes

A Dupla Hélice

Na dupla hélice do DNA a extremidade 5’ de uma cadeia é pareado com a extremidade 3’ da outra cadeia.

No tipo mais comum de hélice - "B" - o esqueleto hidrofílico de fosfatos e pentoses fica na parte externa, enquanto que as bases hidrofóbicas, fixadas à este esqueleto, ficam no lado de dentro da estrutura.

Há um PAREAMENTO DE BASES entre as fitas da molécula do DNA. Assim, temos sempre pareadas:

- Adenina com Timina = A-T.

- Citosina com Guanina = C-G.

As bases se mantém pareadas por pontes de hidrogênio, 2 entre "A" e "T" e 3 entre "C" e "G".

Existem 3 formas estruturais de DNA:

A forma "B" = descrita por Watson e Crick em 1953, é a forma mais comum; a hélice é voltada para a direita e com 10 resíduos por volta, com planos de bases perpendiculares ao eixo helical.

A forma "A" = obtida pela desidratação moderada da forma "B", também é voltada para a direita, mas possui 11 resíduos por volta e as bases estão em um ângulo de 20 graus em relação ao eixo helical.

A forma "Z" è A hélice nesta forma é voltada para a esquerda e contém cerca de 12 resíduos por volta.

Tipos de DNA

A Dupla Hélice

Organização do Material Genético

Para que um volume grande de material genético caiba dentro do núcleo da célula, o DNA interage com um grande número de proteínas

As Histonas:

- São pequenas proteínas básicas, ricas em lisina e arginina, e carregadas positivamente em pH fisiológico, às quais se associa a molécula do DNA.

- Suas cargas positivas, em associação com o cátion Mg++, facilitam esta ligação com o esqueleto negativo do DNA e estabilizam o conjunto.

- Existem 5 classes de histonas: H1, H2, H2B, H3 e H4.

Os Nucleossomos:

- São considerados as unidades estruturais dos cromossomos.

- São formados por 8 moléculas de histonas: 2 H2, 2 H2B, 2 H3 e 2 H4, formando um octâmero regular sobre o qual se enrola a fita dupla do DNA, a quase 2 voltas por nucleossomo

Os nucleossomos são ligados entre si por segmentos de DNA "ligante" de aproximadamente 50 nucleotídeos de comprimento, formando os polinucleossomos, ou nucleofilamentos.

A histona H1 não participa da estrutura dos nucleossomos, mas sim liga-se ao DNA "ligante" e participa do processo de compactação das estruturas.

Nucleosomo

Nucleossomo

Autoduplicação do DNA

Autoduplicação do DNA

A duplicação do DNA em humanos acontece a uma taxa de 50 nucleotídeos por

segundo, e 500/s em procariontes.

Uma enzima especial, a DNA polimerase, abre a hélice quebrando as ligações

entre as bases. Uma vez que a polimerase abriu a molécula, uma área conhecida

como bolha de duplicação forma a origem da duplicação.

Os Procariontes abrem uma única bolha de duplicação, enquanto os eucariontes

têm bolhas múltiplas. A cadeia inteira de DNA é reproduzida quando as bolhas se

encontram.

Autoduplicação do DNA

• Uma vez que os

"corrimãos" do DNA são

anti-paralelos, a duplicação

segue a direção 5' para 3' em

CADA lado, um lado

formará uma cópia contínua,

enquanto o outro formará

uma série de fragmentos de

Okazaki pequenos.

Vamos ver os detalhes:

uma enzima chamada DNA-girase faz um corte na dupla hélice e cada

lado se separa

uma enzima chamada helicase desenrola o DNA em duplo filamento

algumas proteínas pequenas chamadas de proteínas SSB (single strand

binding - ligação em um filamento) acoplam-se temporariamente a cada

lado e mantêm-se separadas

uma enzima complexa chamada DNA-polimerase "anda" pelos

filamentos do DNA e acrescenta novos nucleotídeos a cada filamento.

Os nucleotídeos fazem par com os nucleotídeos complementares no

filamento existente (A com T, G com C)

uma subunidade do DNA-polimerase revisa o novo DNA

uma enzima chamada DNA-ligase fecha os fragmentos em um longo

filamento contínuo

as novas cópias automaticamente se enrolam novamente

Transcrição

Transcrição x Tradução

Transcrição

A transcrição consiste na síntese de RNA.

Ela é realizada por um complexo enzimático cuja

enzima chave é a RNA polimerase, composta de

várias subunidades.

Esse processo ocorre em três etapas principais, a

iniciação, o alongamento e o término.

Transcrição

Nos eucariontes a transcrição ocorre no núcleo, enquanto a tradução

ocorre no citoplasma. Já nos procariontes tal separação celular não

existe, sendo os dois processos muito bem acoplados no espaço.

Outra diferença é que o transcrito primário de mRNA dos eucariontes,

ao contrário dos procariontes, é amplamente processado. O RNA

nascente sofre uma série de alterações: aquisição de revestimento (cap)

na sua extremidade 5’, cauda poli-A na extremidade 3’ e remoção exata

de introns (splicing) para a formação de mRNAs maduros com

mensagens contínuas. Alguns mRNAs maduros chegam a ser até dez

vezes menores em tamanho que seus precursores.

Tradução