Biofísica Molecular

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Biofísic� Molecular
➽Componente� Químic� da� Célula�➽
⧫ Ligações Químicas
⇒ Átomo = menor partícula de um elemento.
⇒Molécula = átomos ligados entre si, em
agrupamentos.
⤷ Ligações químicas mantém os átomos das
moléculas unidos.
⤷ O átomo tem um núcleo denso e com carga
positiva no seu centro, é rodeado por uma nuvem de
elétrons (carregados negativamente), que são
mantidos ali por atração eletrostática.
⤷ No núcleo do átomo existem dois tipos de
partículas subatômicas: prótons e nêutrons.
⇒ Prótons = carregado positivamente, o N° de
prótons determina o número atômico, a carga
elétrica de um próton é igual e oposta à carga de um
elétron.
Obs: o número de elétrons que rodeiam o núcleo é
igual ao número de prótons dentro do núcleo, ou
seja, em sua totalidade o átomo é eletricamente
neutro.
⇒ Nêutrons = não carregadas, mesma massa dos
prótons, dão estabilidade, não alteram as
propriedades químicas do átomo.
⇒ Isótopos = distintas formas físicas, mas são
quimicamente idênticas. Cada isótopo tem o número
de nêutrons diferente, mas o mesmo de prótons.
Podem ser estáveis ou instáveis.
Exemplos:
● Isótopo estável = carbono 12
● Isótopo instável = carbono 14
⤷ Todos os átomos de um elemento têm o mesmo
número atômico.
⇒Massa atômica ou peso molecular = relação entre
sua massa e a massa do átomo de hidrogênio.
Número de prótons + números de nêutrons que a
molécula contém.
⇒ Número de Avogadro = 6 x 10^23
⤷ Descreve relações entre as quantidades usadas na
vida cotidiana e quantidades em termos de ,átomos
ou moléculas individuais.
⇒Mol = número de moléculas disponíveis para
participar das reações químicas.
⤷ Se uma substância tem peso molecular M, uma
massa de M gramas dessa substância conterá 6 x
10^23 moléculas dessa substância.
⤷ Os organismos vivos, são formados 96,5% de
carbono ( C ), Hidrogênio (H), Nitrogênio (N) e
oxigênio (O).
⧫ Os elétrons da camada mais externa
determinam como os átomos interagem
⤷ Prótons e elétrons são mantidos firmemente
unidos uns aos outros no núcleo e trocam de parceiro
somente em condições extremas.
⤷ Nos tecidos vivos, apenas os elétrons sofrem
rearranjos.
⤷ Os elétrons estão permanentemente se
movimentando ao redor do núcleo.
⤷ Leis determinam que os elétrons só podem existir
em certos estados discretos e também que há um
limite finito no número de elétrons que podem ser
acomodados em determinado tipo de orbital,
chamada, camada eletrônica.
⤷ Quanto mais próximo do núcleo mais fortemente
os elétrons são atraídos, assim ocupam a camada
mais interna e estão ligados à camada mais
firmemente.
● Primeira camada = até 2 elétrons
● Segunda camada = até 8 elétrons
● Terceira camada = até 18 elétrons
● Quarta camada = até 32 elétrons
● Quinta camada = até 32 elétrons
● Sexta camada = até 18 elétrons
● Sétima camada = até 2 ou 8 elétrons
Obs: Em moléculas biológicas é muito raro ter mais
que quatro camadas.
⤷ O arranjo eletrônico de um átomo é mais estável
quando ocupam a camada mais interna, próximos do
núcleo com carga positiva.
⤷ Já no caso de átomos muito grandes, ele vai ser
mais estável quando a camada mais externa estiver
preenchida completamente.
⤷ Todos os átomos dos tecidos vivos tem a camadas
mais externas incompletas e assim podem doar,
aceitar ou compartilhar elétrons uns com os outros e
formar moléculas.
⇒ Ligação iônica = Quando elétrons são doados de
um átomo para outro.
⇒ Ligação covalente = Quando dois átomos
compartilham um mesmo par de elétrons.
⤷ O número de elétrons que um átomo adquire ou
perde, tanto por compartilhamento ou transferência,
para completar a camada mais externa determina o
número de ligações que o átomo pode fazer.
⤷ O estado da camada mais externa determina as
propriedades químicas de um elemento.
Obs: Quando os elementos são colocados em ordem
crescente, nota-se elementos com propriedades
semelhantes.
⧫ As ligações iônicas são formadas por ganho
e perda de elétrons
⤷ As ligações iônicas geralmente são incompletas,
formadas por átomos que têm apenas 1 ou 2 átomos
na camada mais externa.
⤷ Esses átomos conseguem completar suas camadas
mais externas com mais facilidade, pela transferência
de elétrons.
Exemplo:
⤷ O sódio (Na) tem o número atômico 11 e pode
deixar sua última camada completa ao doar o único
elétron dessa camada. Já o Cloro (Cl), com número
atômico 17, pode completar sua última camada
ganhando 1 elétron. Ao se encontrarem o elétron
pula do Na para o Cl (deixando os dois com as
camadas externas completas) e assim se tornam íons
eletricamente carregados.
⤷ Agora o Na que perdeu um elétron, tem mais
prótons, portanto, ele tem uma carga positiva (Na+) e
o Cl tem mais elétrons que prótons, ficando assim
com carga negativa (Cl-).
⤷ O Na+ e o Cl- por terem cargas opostas são
atraídos entre si e se mantêm unidos por uma ligação
iônica.
⇒ Cátions = íons positivos
⇒ Ânions = íons negativos
⇒ Ligação iônica = é um tipo de atração
eletrostática, acontece com átomos de cargas
opostas.
⤷ Por causa da interação favorável entre os íons e as
moléculas de água, muitos sais são solúveis em água,
eles se dissociam (NaCl → Na+ e Cl-) e cada um deles
tem ao redor um grupo de moléculas de água.
⧫ As ligações covalentes são formadas por
compartilhamento de elétrons.
⤷ Moléculas são um agregado de átomos unidos por
meio de ligações covalentes, ou seja, completam suas
camadas mais externas compartilhando elétrons.
⤷ A molécula de hidrogênio (H2), dois átomos de de
H, cada um com seu único elétron, compartilham
esses dois elétrons, e assim completam suas camadas
externas, esses elétrons compartilhados formam uma
nuvem de carga negativa.
Exemplos:
⤷ As camadas mais externas dos átomos, podem
acomodar até 8 elétrons (O, N, S, P, C), e assim
formam ligações covalentes necessárias para atingir
esse número.
⤷ O oxigênio tem 6 elétrons na última camada,
precisando de 2 para ficar mais estável, assim ele
pode fazer 2 ligações covalentes.
⤷ O nitrogênio tem 5 elétrons na última camada,
precisa de 3 para ficar mais estável, assim ele pode
fazer 3 ligações covalentes.
⤷ O carbono tem 4 elétrons na última camada,
precisa de 4 para ficar mais estável, assim ele pode
fazer 4 ligações covalentes.
⤷ As ligações covalentes entre vários átomos são
caracterizadas tanto pelos ângulos de ligações
específicas quanto pelo comprimento de ligação e
energia de ligação.
⧫ As ligações covalentes variam em
intensidade
⤷ A intensidade de ligação é medida pela
quantidade de energia que deve ser gasta para
romper a ligação.
⤷ Pode ser expressa em (kcal/mol) ou (kj/mol)
⤷ Ligações covalentes são 100 vezes mais intensas do
que as energias cinéticas, sendo assim apenas são
rompidas por reações químicas específicas.
⤷ As ligações não covalente são muito mais fracas.
⧫ Existem diferentes tipos de ligações
covalentes
⇒ Ligações simples = compartilhamento de 2
elétrons, cada um doado por um dos átomos
participantes.
⇒ Ligações duplas = compartilhamento de 4
elétrons, dois vindo de cada um dos átomos
participantes.
⤷ As ligações duplas são mais curtas e mais fortes, e
têm um efeito característico sobre a geometria
tridimensional das moléculas que contém, também
são mais rígidas e menos flexíveis.
⤷ Quando os átomos de uma ligação covalente
simples são de elementos diferentes, os átomos
atraem os elétrons com graus diferentes.
⇒ Estrutura polar = é uma estrutura com carga
positiva, que se concentra ao redor de uma das
extremidades de uma molécula (o polo positivo) e
uma carga negativa que se concentra ao redor da
outra extremidade (o polo negativo).
⧫ Nas células, atrações eletrostáticas ajudam
a manter as moléculas unidas
⤷ Em soluções aquosas, as ligações covalentes são de
10 a 100 vezes mais intensas do que as demais forças
de atração.
⤷ Atrações eletrostáticas fracas também ocorrem
entre moléculas que contenham ligações polares
covalentes.
⤷ Ligações covalentes polares são extremamente
importantes, e permitem que as moléculas interajam
por meiode forças elétricas.
⤷ Quando uma quantidade suficiente de ligações não
covalentes fracas se formarem entre duas moléculas
grandes, elas se grudam de maneira específica (a
água reduz o grau de atração entre essas cargas).
⧫ A água é mantida unida por meio de
ligações de hidrogênio
⤷ Nas moléculas de água (H2O), os dois átomos de H
se ligam ao átomo de O por ligações covalentes, as
duas ligações são altamente polares.
⇒ Ligação de hidrogênio = é uma ligação fraca, são
facilmente rompidas pela energia cinética, e existem
apenas por tempos extremamente curtos.
⤷ Cada molécula de água pode formar ligações de
hidrogênio por meio de deus dois H, com outras duas
moléculas de água.
⤷ Por causa dessas ligações entrelaçadas, a água tem
um alto ponto de ebulição e alta tensão superficial.
⤷ Nem todos os átomos de hidrogênio formam
ligações de hidrogênio, apenas há formação de de
ligações de hidrogênio quando um H carregado
positivamente fica próximo a um átomo de carga
negativa.
⤷ A ligação de hidrogênio faz parte das ligações não
covalentes fracas.
⇒ Hidrofílicas = moléculas que possuem cargas
(positiva ou negativa), se dissolvem na água.
Exemplo: DNA, RNA, maioria das proteínas.
⇒ Hidrofóbicas = não carregadas, formam poucas ou
nenhuma ligação de hidrogênio, e não se dissolvem
em água.
Exemplo: Hidrocarbonetos.
⧫ Na água, algumas moléculas polares
formam ácidos e bases
⤷ Quando uma molécula polar é rodeada por
moléculas de água, o próton é atraído pela carga
negativa parcial do átomo de O de uma molécula de
água adjacente. Esse próton pode se separar da
molécula original e se ligar a átomos de oxigênio de
moléculas de água gerando um íon hidrônio (H3O +).
Íon hidrogênio = Íon H+ = Próton
⇒ Ácidos = Em meio aquoso, liberam prótons (H +),
formando (H3O +).
Exemplos:
● HCL ⇄ H+ + Cl-
● H2SO4 ⇄ H+ + HSO4-
⤷ Quanto maior a concentração de H3O +, mais ácida
é a solução.
⤷ A concentração de H3O + é normalmente referida
como concentração de H+.
↱ em solução aquosa se hidrata
[H3O +] = [H + ]
↳ forma menos reativa
⤷ A concentração de H3O + é expressa usando uma
escala logarítmica denominada escala de pH.
⤷ Os ácidos podem ser fortes ou fracos, depende do
quão fácil eles doam prótons a água.
⤷ Ácidos fortes como o HCL perdem os prótons
facilmente, já o ácido acético, um ácido fraco, tende a
manter mais firmemente o próton.
⤷ Se a concentração de H3O + da solução for baixa o
ácido fraco doará seus prótons mais facilmente, caso
for alta tenderão a receber os prótons de volta.
⇒ Bases = Em meio aquoso libera OH-, recebe
prótons.
⤷ Tem a capacidade de aumentar a concentração de
íons hidroxila (OH-) pela remoção de prótons das
moléculas de água.
⤷ Em soluções aquosas se dissocia, formando Na+ e
OH-
NaOH ⇆ Na+ + OH-
⤷ NaOH se dissocia facilmente porque é uma base
forte.
⤷ Muitas bases fracas, biologicamente importantes
possuem o grupo amino (NH2), pode gerar uma OH-
por pegar um próton da água.
-NH2 + H2O → -NH3 + OH-
⤷ Se aumentar a concentração de OH- diminui a
concentração de H3O + e vice-versa.
⤷ O interior das células é mantido perto da
neutralidade pela presença de tampões: ácidos ou
bases fracas que podem liberar ou aceitar prótons
perto de pH 7.
⤷ Quanto mais libera OH- mais básica é a solução.
[H+] > [OH-] = Caráter ácido
[H+] = [OH-] = Caráter neutro
[H+] < [OH-] = Caráter básico/alcalino
⤷ A água atua como doador e receptor de prótons.
⤷ pH = 0 até 14
⤷ A água pura tem quantidades iguais de H+ e OH- =
neutra.
➤ As moléculas nas células
⧫ As células são formadas por compostos de
carbono
⤷ Quase todas as moléculas têm o carbono como
base.
⤷ O carbono tem capacidade de formar moléculas
grandes.
⤷ Por causa do seu tamanho pequeno, e pelo fato de
ter 4 elétrons na última camada de valência, pode
fazer 4 ligações covalentes.
⤷ Se une a outros átomos de carbono através de
ligações covalentes C-C, que é estável e assim pode
compor cadeias e anéis, formar moléculas grandes e
complexas.
⇒Moléculas orgânicas = compostos de carbono.
⇒Moléculas inorgânicas = todas as demais,
inclusive a água.
⤷ Ocorrem repetidas vezes nas moléculas orgânicas:
metila (CH3), hidroxila (OH-), carboxila (COOH-),
carbonila (C=O-), fosforila (PO32-), e amino (NH2-).
Cada um desses grupos químicos têm propriedades
químicas e físicas diferentes.
⧫ As células contêm quatro famílias
principais de moléculas orgânicas pequenas
⤷ As moléculas orgânicas pequenas da célula são
compostos de carbono e podem agir como fonte de
energia do metabolismo.
⤷ Todas as moléculas orgânicas são sintetizadas e
degradadas a partir de um mesmo conjunto de
compostos simples.
⤷ As células contêm quatro famílias principais de
moléculas orgânicas pequenas: Açúcares, ácidos
graxos, aminoácidos e nucleotídeos.
⧫ Os açúcares são fonte de energia para as
células e as subunidades dos polissacarídeos
⤷ Os açúcares mais simples, são os monossacarídeos
e têm a fórmula geral (CH2O)n.
⤷ Os açúcares e as moléculas formadas a partir deles
são chamados de carboidratos.
⤷ Eles podem ser convertidos em açúcares
diferentes, só pela troca de orientação, em relação ao
resto da molécula, de grupos OH- específicos.
⤷ Cada um dos açúcares podem ter duas formas = D
e L, são imagens especulares uma da outra.
⇒ Isômeros = mesma fórmula, mas estruturas
diferentes.
⇒ Isômeros óptico = conjunto de moléculas que
formam pares especulares.
⤷ Os monossacarídeos podem ser unidos por
ligações covalentes, formando os carboidratos
grandes.
Monossacarídeo < Dissacarídeo < Oligossacarídeo <
Polissacarídeo
⤷ Uma ligação é formada entre um grupo OH- de um
açúcar e um grupo OH- de outro açúcar por uma
reação de condensação, liberando uma molécula de
água.
⤷ As ligações podem ser rompidas por hidrólise.
⤷ O monossacarídeo glicose tem um papel
importante como fonte de energia para as células.
⤷ As células utilizam polissacarídeos simples,
compostos apenas por glicose como reservas de
energia de longo prazo.
⤷ Os açúcares também dão sustentação mecânica.
⇒ Glicoproteínas = oligossacarídeos pequenos
ligados a proteínas.
⇒ Glicolipídeos = oligossacarídeos pequenos ligados
a lipídeos.
⤷ As diferenças entre os tipos de açúcares da
superfície das células constitui a base molecular para
as diferenças entre os grupos sanguíneos humanos.
⧫ Os ácidos graxos são componentes das
membranas celulares
⤷ O ácido graxo é formado por duas regiões, uma
hidrofóbica e outra hidrofílica (quimicamente
reativo).
⤷ A função mais importante dele em uma célula é
participar da formação das membranas.
⤷ Quase todas as moléculas de ácidos graxos estão
ligadas covalentemente.
⇒ Anfipático = possui regiões tanto hidrofóbicas
quanto hidrofílicas.
⇒ Saturada = não há ligações duplas entre os átomos
de carbono.
⇒ Insaturada = possui uma ou mais ligações duplas.
⤷ Essas ligações duplas fazem com que a molécula se
dobre, assim a presença dela é o que define se é
sólida (gordura saturada) ou líquida (poli-insaturada).
⤷ Nas células os ácidos graxos funcionam como
reserva concentrada de alimento.
⤷ São armazenados no citoplasma em forma de
gotículas de triacilgliceróis (3 ácidos graxos + 1
glicerol).
⇒ Lipídeos = ácidos graxos e derivados.
⤷ São insolúveis em água e solúveis em gordura e
solventes orgânicos.
⤷ As membranas das células são principalmente
compostas por fosfolipídeos.
⤷ Os fosfolipídeos são muito anfipáticos.
⤷ Os fosfolipídeos sobre a superfície da água
formando uma camada, com suas caudas
hidrofóbicas para o ar e suas cabeças hidrofílicas do
lado da água, eles podem se combinar formando
uma bicamada lipídica.
⤷ Essa bicamada forma a base estrutural das
membranas celulares.
⧫ Os aminoácidos são as subunidades das
proteínas
⤷ Os aminoácidos são formados por um grupo
carboxílico, grupo amino, e uma cadeia lateral, todos
ligados a um carbono.
⤷ O que faz um aminoácido ser diferente um do
outro é a cadeia lateral.
⇒ Proteínas = polímeros de aminoácidos.
⇒ Ligação peptídica = ligação covalenteentre dois
aminoácidos adjacentes.
⤷ A ligação peptídica, é formada por uma reação de
condensação, quando a extremidade do grupo amina
(N-terminal) se liga a extremidade do grupo
carboxílico (C-terminal).
⤷ Existem 20 tipos de aminoácidos nas proteínas.
⤷ Com exceção da glicina, todos os aminoácidos
existem como isômeros ópticos nas formas D e L.
⤷ Nas proteínas são encontradas apenas a forma L.
⧫ Os nucleotídeos são as subunidades do
DNA e do RNA
⤷ Um nucleosídeo é uma molécula formada por um
anel que contém um nitrogênio ligado a um açúcar
de 5 carbonos.
⇒ Açúcar = ribose ou desoxirribose.
⇒ Ribonucleotídeo = ribose
⇒ Desoxirribonucleótido = desoxirribose
⇒ Bases = anéis contendo o átomo de nitrogênio,
cada um deles pode ligar a um H + e assim aumentar
a concentração de OH-.
⇒ Pirimidinas = citosina ( C ), timina (T), uracila (U) -
Elas têm 6 átomos.
⇒ Purinas = guanina (G), adenina (A) - Possuem 5
átomos.
⤷ Os nucleotídeos podem atuar como carreadores de
energia a curto prazo.
Exemplo:
● Trifosfato de adenosina (ATP)
⤷ Seus 3 fosfatos estão ligados em série por meio de
duas ligações anidridofosfóricas.
⤷ O principal papel dos nucleotídeos nas células é o
armazenamento e a disponibilização da informação
biológica.
⤷ Servem como unidades para a formação dos ácidos
nucléicos.
⤷ As subunidades nucleotídicas são ligadas
covalentemente pela ligação fosfodiéster.
⇒ Ácidos ribonucléicos (RNA) = contêm as bases A,
G, C, e U.
⇒ Ácidos desoxirribonucléicos (DNA) = contêm as
bases A, G, C, e T.
⤷ O RNA está na forma de cadeia individual.
⤷ O DNA aparece quase sempre na forma de fita
dupla.
⤷ A dupla hélice do DNA é formada por duas cadeias
polinucleotídicas, posicionadas de forma antiparalela.
(São mantidas unidas por ligações de hidrogênio).
⤷ A sequência linear dos nucleotídeos do DNA e no
RNA codifica a informação genética.
⤷ O DNA é mais estável, por causa das suas hélices,
funciona como depositário da informação hereditária
a longo prazo.
⤷ O RNA é de fita simples, e é geralmente um
carreador de instruções moleculares.
➤ As macromoléculas nas células
⤷ As macromoléculas são as moléculas que contêm
carbono mais abundantes nas células.
⤷ As macromoléculas são os componentes que
conferem as principais características específicas dos
seres vivos.
⇒Macromoléculas = são polímeros de ligações
covalentes entre moléculas orgânicas pequenas,
formando longas cadeias.
⧫ As macromoléculas contêm sequências
específicas de subunidades
⤷ O crescimento dos polímeros ocorre pela adição de
um monômero à extremidade da cadeia polimérica,
por uma reação de condensação, e que acontece a
perda de uma molécula de água.
⤷ As subunidades são adicionadas seguindo uma
ordem bem-definida ou sequência.
⤷ A maquinaria de polimerização deve estar
submetida a um controle muito sensível que lhe
permita especificar exatamente quais as subunidades
que devem ser adicionadas na etapa seguinte.
⧫ As ligações não covalentes determinam a
forma precisa das macromoléculas
⤷ A maioria das ligações covalentes das
macromoléculas permitem a rotação dos átomos.
⤷ Possuem enorme flexibilidade, isso faz com que as
macromoléculas tenham um número ilimitado de
formas.
⤷ Essas conformações determinam a química e a
atividade dessas macromoléculas e como elas agem
com moléculas biológicas.
⤷ As ligações não covalentes são muito importantes
para as moléculas biológicas. Existem 4:
● Atrações eletrostáticas
● Ligações de hidrogênio
● Atrações de Van Der Waals
● Interação hidrofóbica
⤷ As atrações de Van Der Waals, forma uma atração
elétrica causada pela flutuação das cargas elétricas
que aparecem quando dois átomos se aproximam
muito. E são mais fracas que as ligações de
hidrogênio.
⤷ A interação hidrofóbica, força os grupos
hidrofóbicos entre si para minimizar o efeito que eles
têm de perturbar as ligações de hidrogênio. Acontece
uma expulsão da solução aquosa. Essa interação
força as moléculas de fosfolipídeos a se unirem.
⤷ A Ligação de hidrogênio é uma ligação fraca, são
facilmente rompidas pela energia cinética, e existem
apenas por tempos extremamente curtos.
⤷ Atrações eletrostáticas fracas também ocorrem
entre moléculas que contenham ligações polares
covalentes.
⧫ As ligações não covalentes permitem que
as macromoléculas se liguem a outras
moléculas selecionadas
⤷ Individualmente as ligações covalentes são fracas,
porém quando se juntam criam uma atração forte
entre as duas moléculas.
⤷ É possível formar interações de qualquer
intensidade.
⤷ Essas ligações são base de todas as catálises
biológicas e possibilitam que as proteínas funcionem
como enzimas.
⤷ Permitem que as macromoléculas sejam usadas
como elementos de construção na formação de
estruturas muito maiores.