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BIOQUÍMICA BÁSICA E METABOLISMO Professora: Anelise Pedack – Biomédica CRBM5 - 3455 BIOQUÍMICA BÁSICA E METABOLISMO UNIDADE 2 - BIOMOLÉCULAS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM • Compreender a função biológica em termos químicos; • Identificar as principais biomoléculas; • Estabelecer as características que diferenciam as biomoléculas; • Compreender que em cada organismo vivo as biomoléculas exercem funções que permitem a manutenção da vida; • Estabelecer os princípios da bioquímica para explicar as biomoléculas em termos químicos; • Identificar os monômeros que formam as macromoléculas; • Compreender as funções das biomoléculas; • Estabelecer que o surgimento de algumas patologias está associado a disfunções nas biomoléculas; AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS • Proteínas controlam praticamente todos os processos que ocorrem em uma célula, exibindo uma quase infinita diversidade de funções; • As proteínas também ocorrem em grande variedade; • Milhares de diferentes tipos podem ser encontrados em uma única célula; • Subunidades monoméricas, relativamente simples, fornecem a chave da estrutura de milhares de proteínas diferentes; • As proteínas de cada organismo são construídas a partir do mesmo conjunto onipresente de 20 aminoácidos; AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS • Para gerar uma determinada proteína, os aminoácidos se ligam de modo covalente em uma sequência linear característica; • O mais marcante é que as células produzem proteínas com propriedades e atividades completamente diferentes, ligando os mesmos 20 aminoácidos em combinações e sequências muito diferentes; • Proteínas são polímeros de aminoácidos, com cada resíduo de aminoácido unido ao seu vizinho por um tipo específico de ligação covalente (o termo “resíduo” reflete a perda de elementos de água quando um aminoácido é unido a outro); AMINOÁCIDOS • Os vinte aminoácidos comumentemente encontrados como resíduos em proteínas contêm um grupo a- carboxila, um grupo a-amino e um grupo R característico; • Diferem uns dos outros em suas cadeias laterais ou grupos R, que variam em estrutura, mas também em tamanho e carga elétrica, e que influenciam a solubilidade dos aminoácidos em água; • Aminoácidos apolares: o grupo “R” é uma cadeia lateral apolar, ou seja, são hidrofóbicos; • Aminoácidos polares neutros: o grupo “R” é uma cadeia lateral polar sem carga elétrica, ou seja, neutra; AMINOÁCIDOS • As proteínas podem ser degradadas (hidrolisadas) em seus aminoácidos constituintes por vários métodos, e os estudos mais iniciais de proteínas naturalmente se concentraram nesses aminoácidos livres delas derivados; • Aminoácidos podem ser unidos de modo covalente por meio de ligações peptídicas para formar peptídeos e proteínas; PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS • Os peptídeos são estruturas formadas com base na ligação entre duas ou mais moléculas de aminoácidos; • Entretanto, alguns peptídeos que ocorrem naturalmente possuem apenas alguns poucos resíduos de aminoácidos; • Os polipeptídeos que ocorrem biologicamente variam em tamanho de pequenos a muito grandes, consistindo em dois ou três a milhares de resíduos de aminoácidos ligados; • Peptídeos e proteínas pequenas (até cerca de 100 resíduos) podem ser sintetizados quimicamente; PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS • Proteínas podem ser cadeias peptídicas muito longas de aminoácidos; • Algumas proteínas são compostas por várias cadeias polipeptídicas associadas de modo não covalente, chamadas de subunidades; • Proteínas simples produzem, por hidrólise, apenas aminoácidos; • Hidrólise é qualquer reação química na qual uma molécula de água quebra uma ou mais ligações químicas; • Proteínas conjugadas contêm além deles (aminoácidos), outros componentes, tais como um metal ou um grupo prostético; PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS • Embora os termos “proteína” e “polipeptídeo” sejam algumas vezes intercambiáveis, as moléculas chamadas de polipeptídeos têm massas moleculares abaixo de 10.000, e as chamadas de proteínas têm massas moleculares mais elevadas; • Sequências proteicas são uma fonte rica de informação sobre a estrutura e a função da proteína; • A estrutura de grandes moléculas, tais como proteínas, pode ser descrita em vários níveis de complexidade, arranjada em um tipo de hierarquia conceitual; • Quatro níveis de estrutura proteica são comumente definidos; PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS • Uma descrição de todas as ligações covalentes (principalmente ligações peptídicas e ligações dissulfeto) ligando resíduos de aminoácidos em uma cadeia polipeptídica é a sua estrutura primária; • Estrutura secundária é o arranjo espacial dos átomos da cadeia principal em um determinado segmento da cadeia polipeptídica dando origem a padrões estruturais; PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS • O arranjo tridimensional total de todos os átomos de uma proteína é chamado de estrutura terciária, é a estrutura tridimensional da cadeia polipeptídica; • Considerando esses níveis mais altos de estrutura, é conveniente designar dois grandes grupos nos quais muitas proteínas podem ser classificadas: • Proteínas fibrosas, com cadeias polipeptídicas arranjadas em longos filamentos ou folhas; • E proteínas globulares, com cadeias polipeptídicas dobradas em forma esférica ou globular; PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS • O arranjo das subunidades proteicas em complexos tridimensionais constitui a estrutura quaternária; • A estrutura tridimensional e a função da maioria das proteínas podem ser destruídas pela desnaturação, demonstrando uma relação entre estrutura e função; • Desnaturação é um processo que se dá em moléculas biológicas, principalmente nas proteínas, expostas a condições diferentes àquelas em que foram produzidas, como variações de temperatura, mudanças de pH, força iônica, entre outras; PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS • A manutenção contínua do grupo ativo de proteínas celulares, necessárias em um dado conjunto de condições, é chamada proteostase; • A proteostase celular requer a atividade coordenada de vias para síntese e enovelamento de proteínas, o redobramento de proteínas parcialmente desdobradas e o sequestro e degradação de proteínas irreversivelmente desdobradas; https://www.youtube.com/watch?v=hok2hyED9go https://www.youtube.com/watch?v=hok2hyED9go https://www.youtube.com/watch?v=hok2hyED9go FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS • As proteínas são fundamentais para qualquer ser vivo, pois grande parte dos processos orgânicos que acontecem nas células são mediados por proteínas (enzimas); • Toda manifestação genética é dada por meio de proteínas, pois os genes são fragmentos de DNA que codificam proteínas; • As proteínas podem ter função estrutural, participando na composição de várias estruturas do organismo, sustentando e promovendo rigidez, como a queratina, colágeno e elastina; FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS • Existem proteínas que promovem a defesa do organismo contra microrganismos e substâncias estranhas, como os macrófagos e as imunoglobulinas; • Outras funções desempenhadas pelas proteínas envolvem a ação catalítica, transportadora (hemoglobina transportando os gases respiratórios), nutritiva, energética, promovem a contração e podem atuar como mensageiros químicos (hormônios); ENZIMAS • A vida depende de catalisadores poderosos e específicos: as enzimas; • Exceto por um pequeno grupo de moléculas de RNA catalíticas (ribozimas), todas as enzimas são proteínas; • O catalisador é uma substância que aumenta a velocidade de uma reação; • Praticamente todas as reações bioquímicas são catalisadas por enzimas; • A atividade catalítica depende da integridade das suas conformações nativas; • Se uma enzima for desnaturada ou dissociada nas suas subunidades, geralmente a atividade catalítica é perdida; ENZIMAS • As reações necessárias para digerir os alimentos, enviar sinais nervosos ou contrair os músculos simplesmente não ocorrem em velocidades adequadas sem catálise; • Algumas enzimas não necessitamde outros grupos químicos além dos seus próprios resíduos de aminoácidos; • Porém, muitas proteínas necessitam de coenzimas ou cofatores não proteicos para exercerem a atividade catalítica; ENZIMAS • O cofator, que pode ser um ou mais íons inorgânicos como (Fe, Mg, Mn ou Zn); • Coenzima é uma molécula orgânica ou metal-orgânica complexa; • As enzimas são classificadas segundo o tipo de reação que catalisam; • Algumas enzimas necessitam tanto de uma coenzima quanto de um ou mais íons metálicos para terem atividade; ENZIMAS • Uma coenzima ou um íon metálico que se ligue muito firmemente, ou mesmo covalentemente, a uma enzima é denominado grupo prostético; • Uma enzima completa, cataliticamente ativa junto a sua coenzima e/ou íons metálicos é denominada holoenzima; • A parte proteica de uma dessas enzimas é denominada apoenzima ou apoproteína; ENZIMAS • A catálise enzimática das reações é essencial para os sistemas vivos; • As reações catalisadas por enzimas são caracterizadas pela formação de um complexo entre o substrato e a enzima (complexo ES); • A ligação ao substrato ocorre em um bolsão da enzima denominado sítio ativo; ENZIMAS • A maioria das enzimas tem algumas propriedades cinéticas em comum; • Que é abordagem mais antiga para entender o mecanismo das enzimas, e que permanece ainda entre as mais importantes, é determinar a velocidade da reação e como ela se modifica em resposta às mudanças nos parâmetros experimentais; • Cada enzima tem um pH ótimo (ou um intervalo de pH), no qual a atividade é máxima; • A atividade das vias metabólicas nas células é regulada pelo controle da atividade de determinadas enzimas; ENZIMAS • Os sistemas metabólicos têm ao menos dois outros mecanismos de regulação enzimática; • Algumas enzimas são estimuladas ou inibidas quando estão ligadas a proteínas regulatórias distintas; • Outras são ativadas quando segmentos peptídicos são removidos por proteólise; • Proteólise é o processo de degradação de proteínas por enzimas, chamadas proteases, ou por digestão intramolecular; https://www.youtube.com/watch?v=qgVFkRn8f10 https://www.youtube.com/watch?v=qgVFkRn8f10 https://www.youtube.com/watch?v=qgVFkRn8f10 CARBOIDRATOS E GLICOCONJUGADOS • Os carboidratos são as biomoléculas mais abundantes na Terra; • Alguns carboidratos (açúcar e amido) são os principais elementos da dieta em muitas partes do mundo, e sua oxidação é a principal via de produção de energia na maioria das células não fotossintéticas; • Existem três classes principais de carboidratos: • Monossacarídeos; • Dissacarídeos; • Polissacarídeos; • A palavra “sacarídeo” é derivada do grego sakcharon, que significa “açúcar”; CARBOIDRATOS E GLICOCONJUGADOS • Os monossacarídeos, ou açúcares simples, são constituídos por uma única unidade poli-hidroxicetona ou poli-hidroxialdeído; • O monossacarídeo mais abundante na natureza é o açúcar de seis carbonos D-glicose, algumas vezes chamado de dextrose; • Monossacarídeos de quatro ou mais carbonos tendem a formar estruturas cíclicas; • Os oligossacarídeos consistem em cadeias curtas de unidades de monossacarídeos, ou resíduos, unidas por ligações características chamadas de ligações glicosídica; CARBOIDRATOS E GLICOCONJUGADOS • Os mais abundantes são os dissacarídeos, com duas unidades de monossacarídeos; • Um dissacarídeo típico é a sacarose (açúcar de cana), constituído pelos açúcares de seis carbonos D-glicose e D-frutose; • Todos os monossacarídeos e dissacarídeos comuns têm nomes terminados com o sufixo “-ose”; • Em células, a maioria dos oligossacarídeos constituídos por três ou mais unidades não ocorre como moléculas livres, mas sim ligada a moléculas que não são açúcares (lipídios ou proteínas), formando glicoconjugados; CARBOIDRATOS E GLICOCONJUGADOS • Os polissacarídeos são polímeros de açúcar que contêm mais de 20 unidades de monossacarídeo (alguns têm centenas ou milhares de unidades); • Alguns polissacarídeos, como a celulose, têm cadeias lineares; • Outros, como o glicogênio, são ramificados; • Ambos são formados por unidades repetidas de D- glicose, mas diferem no tipo de ligação glicosídica e, em consequência, têm propriedades e funções biológicas diferentes; MONOSSACARÍDEOS E DISSACARÍDEOS • Os mais simples dos carboidratos, os monossacarídeos, são aldeídos ou cetonas, com dois ou mais grupos hidroxila; • Os monossacarídeos de seis carbonos, glicose e frutose, têm cinco grupos hidroxila; • Os dissacarídeos consistem em dois monossacarídeos unidos covalentemente por uma ligação glicosídica; POLISSACARÍDEOS • A maioria dos carboidratos encontrados na natureza ocorre como polissacarídeos, polímeros de média a alta massa molecular; • Os homopolissacarídeos contêm somente uma única espécie monomérica; • Os heteropolissacarídeos contêm dois ou mais tipos; • Alguns homopolissacarídeos, como o amido e o glicogênio, servem como formas de armazenamento para monossacarídeos utilizados como combustíveis; • Outros homopolissacarídeos, como a celulose e a quitina, atuam como elementos estruturais em paredes celulares de plantas e em exoesqueletos de animais; POLISSACARÍDEOS • Os polissacarídeos, também chamados de glicanos, diferem uns dos outros na identidade das unidades de monossacarídeos repetidas, no comprimento das cadeias, nos tipos de ligações unindo as unidades e no grau de ramificação; • Os heteropolissacarídeos, os glicosaminoglicanos, formam uma família de polímeros lineares compostos por unidades de dissacarídeo repetidas; • Esses polímeros (ácido hialurônico, sulfato de condroitina, dermatan-sulfato e queratan-sulfato) garantem à matriz extracelular viscosidade, adesão e resistência à compressão; GLICOCONJUGADOS • Além dos importantes papéis como armazenadores de combustível (amido, glicogênio, dextrana) e como material estrutural (celulose, quitina, peptidoglicanos), os polissacarídeos e oligossacarídeos são transportadores de informação; • Alguns fornecem comunicação entre as células e a matriz extracelular circundante; • Outros sinalizam proteínas para o transporte e a localização em organelas específicas ou para degradação, quando a proteína é malformada ou supérflua; GLICOCONJUGADOS • E outros atuam como pontos de reconhecimento para moléculas de sinalização extracelulares (fatores de crescimento, por exemplo) ou parasitas extracelulares (bactérias e vírus); • Os proteoglicanos são glicoconjugados nos quais um ou mais glicanos grandes, chamados de glicosaminoglicanos sulfatados (heparan-sulfato, sulfato de condroitina, dermatan-sulfato ou queratan-sulfato) estão covalentemente ligados a uma proteína central; • Eles fornecem pontos de adesão, reconhecimento e transferência de informação entre as células ou entre as células e a matriz extracelular; GLICOCONJUGADOS • Muitas proteínas extracelulares ou da superfície celular são glicoproteínas, assim como a maioria das proteínas secretadas; • Os oligossacarídeos covalentemente ligados influenciam o enovelamento e a estabilidade das proteínas, fornecem informações cruciais sobre o destino de proteínas recentemente sintetizadas e permitem o reconhecimento específico por outras proteínas; • Os glicoconjugados são moléculas biologicamente ativas de proteínas com glicosaminoglicanos (proteoglicanos), com esfingolipídeos (glicolipídeos) e com oligossacarídeos ligados a uma proteína (glicoproteínas); NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS • Nucleotídeos apresentam uma variedade de funções no metabolismo celular; • Eles são a moeda energética nas transações metabólicas; são as ligações químicas essenciais nas respostas da célula a hormônios e a outros estímulos extracelulares; • Também são os componentes estruturais de uma estrutura ordenada de cofatores enzimáticos e intermediários metabólicos; • São os constituintes dos ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico(RNA), os repositórios moleculares da informação genética; NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS • Os ácidos nucleicos são assim chamados por seu caráter ácido e por terem sido originalmente descobertos no núcleo das células; • Um nucleotídeo é constituído por uma base nitrogenada (purina ou pirimidina), um açúcar pentose e um ou mais grupos fosfato; • Os ácidos nucleicos são polímeros de nucleotídeos, unidos por ligações fosfodiéster; • Polímeros são macromoléculas formadas a partir de unidades estruturais menores; NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS • Existem dois tipos de ácidos nucleicos: RNA e DNA; • Bases Nitrogenadas são compostos que fazem parte da composição do DNA e do RNA, os quais são os ácidos nucleicos encontrados nas células vivas dos órgãos; • Elas são cinco e podem ser classificadas em dois tipos: • Bases púricas ou purinas - adenina e guanina; • Bases pirimídicas ou pirimidinas - citosina, timina e uracila; • Um segmento de uma molécula de DNA que contém a informação necessária para a síntese de um produto biologicamente funcional, seja proteína ou RNA, é denominado gene; NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS • Os nucleotídeos apresentam três componentes característicos: • (1) uma base nitrogenada (contendo nitrogênio); • (2) uma pentose; • (3) um ou mais fosfatos; • A molécula sem o grupo fosfato é denominada nucleosídeo; NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS • Os ácidos nucleicos são constituídos por duas pentoses; • Se o açúcar em questão é a ribose, teremos um ribonucleosídeo, característico do RNA; • Se o açúcar em questão é a desoxirribose, teremos um desoxirribonucleosídeo, característico do DNA; • Os ácidos nucleicos são polímeros de nucleotídeos, unidos por ligações fosfodiéster entre o grupo 59- hidroxila de uma pentose e o grupo 39-hidroxila da próxima pentose; • Muitas linhas de evidência demonstram que o DNA carrega a informação genética; NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS • Alguns dos primeiros indícios vieram do experimento de Avery-MacLeod-McCarty; • Que demonstrou que o DNA isolado de uma linhagem bacteriana pode entrar em células de outra linhagem e transformá-las, dotando-as com algumas características hereditárias do doador; • O DNA é uma molécula extremamente flexível, em que entre as bases nitrogenadas adenima e timina observamos a presença de duas ligações de hidrogênio, enquanto no pareamento de citocina e guanina, percebemos a presença de três ligações de hidrogênio; NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS • O RNA, a segunda maior forma de ácidos nucleicos nas células, tem muitas funções; • Na expressão gênica, o RNA atua como intermediário pelo uso da informação codificada no DNA para especificar a sequência de aminoácidos da proteína funcional; • Uma vez que o DNA de eucariotos é basicamente confinado no núcleo, enquanto a síntese proteica ocorre nos ribossomos no citoplasma, alguma outra molécula que não o DNA deve carregar a mensagem genética do núcleo para o citoplasma; NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS • O RNA carrega a informação genética do DNA para a maquinaria biossintética proteica do ribossomo; • Foi dado o nome “RNA mensageiro” (mRNA) para aquela porção do RNA celular total que carrega a informação genética do DNA para os ribossomos; • Em que os mensageiros fornecem os moldes que especificam as sequências de aminoácidos nas cadeias polipeptídicas; • O processo de formação de um mRNA a partir de um molde de DNA é conhecido como transcrição; NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS • Além do RNA mensageiro, existem também o RNA ribossômico e RNA transportador; • O RNA mensageiro transfere a informação genética do DNA para os ribossomos para a síntese proteica; • O RNA transportador e o RNA ribossômico também estão envolvidos na síntese proteica; NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS • ATP (adenosina trifosfato) é a principal molécula transportadora de energia nos seres vivos; • A maior parte da energia química que os organismos necessitam para realizar seu metabolismo é proveniente das reações de hidrólise dessas moléculas; • A presença de uma porção adenosina em uma variedade de cofatores enzimáticos pode ser relacionada às necessidades de energia de ligação; https://www.youtube.com/watch?v=JQByjprj_mA https://www.youtube.com/watch?v=JQByjprj_mA https://www.youtube.com/watch?v=JQByjprj_mA LIPÍDIOS • Os lipídios são componentes celulares de estruturas diversas, que podem ser extraídos dos tecidos por solventes apolares; • A característica em comum que os define é a insolubilidade em água; • As funções biológicas dos lipídios são tão diversas quanto a sua química; • Gorduras e óleos são as principais formas de armazenamento de energia em muitos organismos; • Os fosfolipídios e os esteróis são os principais elementos estruturais das membranas biológicas; LIPÍDIOS • Outros lipídios, embora presentes em quantidades relativamente pequenas, desempenham papéis cruciais como cofatores enzimáticos, transportadores de elétrons, pigmentos fotossensíveis, âncoras hidrofóbicas para proteínas, chaperonas para auxiliar no enovelamento de proteínas de membrana, agentes emulsificantes no trato digestivo, hormônios e mensageiros intracelulares; • As gorduras e os óleos utilizados de modo quase universal como formas de armazenamento de energia nos organismos vivos são derivados de ácidos graxos; LIPÍDIOS • A oxidação celular de ácidos graxos, assim como a combustão controlada e rápida de combustíveis fósseis em motores de combustão interna, é altamente exergônica; • São reações que liberam energia para o trabalho celular a partir do potencial de degradação dos nutrientes orgânicos; • Os ácidos graxos representam o grupo mais abundante de lipídios e são derivados dos ácidos carboxílicos; • Possuem de 4 a 24 átomos de carbono; LIPÍDIOS • Ácidos graxos podem ser classificados em saturados e insaturados; • Os saturados geralmente estão no estado sólido e são armazenados no interior de células de gordura chamadas de adipócitos; • Os ácidos graxos insaturados geralmente estão no estado líquido e faltam alguns átomos de hidrogênio em sua molécula e, por isso, ocorre uma ligação dupla entre os átomos de carbono; • Nos saturados essa ligação é simples; • Os ácidos graxos insaturados podem apresentar-se na forma cis ou trans; LIPÍDIOS • Na configuração cis os hidrogênios que estão próximos à ligação dupla encontram-se no mesmo lado da cadeia, já na configuração trans, os hidrogênios estão em lados opostos; LIPÍDIOS • Os lipídios mais simples construídos a partir de ácidos graxos são os triacilgliceróis, também chamados de triglicerídeos, gorduras ou gorduras neutras; • Os triacilgliceróis simples contêm somente um tipo de ácido graxo; • Os mistos contêm dois ou três tipos; • Eles são principalmente gorduras de reserva, estando presentes em muitos alimentos; • A hidrogenação parcial de óleos vegetais na indústria alimentícia converte algumas ligações duplas cis para a configuração trans; LIPÍDIOS • Ácidos graxos trans na dieta são um importante fator de risco para doenças cardíacas coronarianas; • Os lipídios polares, com grupos polares e caudas apolares, são importantes componentes das membranas; • Os mais abundantes são os glicerofosfolipídios; • Outros lipídios polares são os esteróis; • Os esteroides são derivados oxidados dos esteróis; LIPÍDIOS • Os hormônios esteroides circulam pela corrente sanguínea do local onde foram produzidos até os tecidos-alvo, onde entram nas células, ligam-se a receptores proteicos altamente específicos no núcleo; • Como os hormônios têm afinidade muito alta por seus receptores, concentrações muito baixas são suficientes para produzir respostas nos tecidos-alvo; LIPÍDIOS • Os principais grupos de hormônios esteroides são os hormônios sexuais masculinos e femininos e os hormônios produzidos pelo córtex suprarrenal, cortisol e aldosterona; • Alguns tipos de lipídios,embora presentes em quantidades relativamente baixas, desempenham papéis cruciais como cofatores ou sinalizadores; • As prostaglandinas, os tromboxanos e os leucotrienos (os eicosanoides), derivados do araquidonato, são hormônios extremamente potentes; https://www.youtube.com/watch?v=YO244P1e9QM https://www.youtube.com/watch?v=YO244P1e9QM https://www.youtube.com/watch?v=YO244P1e9QM Dúvidas?
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