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W BA 11 12 _V 1. 0 BIOQUÍMICA 2 Oswaldo Kameyama São Paulo Platos Soluções Educacionais S.A 2022 BIOQUÍMICA 1ª edição 3 2022 Platos Soluções Educacionais S.A Alameda Santos, n° 960 – Cerqueira César CEP: 01418-002— São Paulo — SP Homepage: https://www.platosedu.com.br/ Head de Platos Soluções Educacionais S.A Silvia Rodrigues Cima Bizatto Conselho Acadêmico Alessandra Cristina Fahl Camila Braga de Oliveira Higa Camila Turchetti Bacan Gabiatti Giani Vendramel de Oliveira Gislaine Denisale Ferreira Henrique Salustiano Silva Mariana Gerardi Mello Nirse Ruscheinsky Breternitz Priscila Pereira Silva Tayra Carolina Nascimento Aleixo Coordenador Nirse Ruscheinsky Breternitz Revisor Larissa Barbosa de Paula Editorial Beatriz Meloni Montefusco Carolina Yaly Márcia Regina Silva Paola Andressa Machado Leal Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)_____________________________________________________________________________ Kameyama, Oswaldo Bioquímica / Oswaldo Kameyama. – São Paulo: Platos Soluções Educacionais S.A., 2022. 30 p. ISBN 978-65-5356-159-5 1. Biomoléculas. 2. Metabolismo. 3. Aminoácidos. I. Título. CDD 572.33 _____________________________________________________________________________ Evelyn Moraes – CRB: 010289/O K15b © 2022 por Platos Soluções Educacionais S.A. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Platos Soluções Educacionais S.A. https://www.platosedu.com.br/ 4 SUMÁRIO Apresentação da disciplina __________________________________ 05 Água. Solução-tampão. Lipídeos. Carboidratos. _____________ 07 Aminoácidos, Peptídeos e Proteínas _________________________ 19 Enzimas. Propriedades das enzimas. Mecanismos de ação. __ 30 Metabolismo energético _____________________________________ 41 BIOQUÍMICA 5 Apresentação da disciplina Vivemos rodeados de organismos vivos compostos por células e estas, por sua vez, por compostos orgânicos, que têm como base átomos de carbono. As reações que envolvem essas moléculas orgânicas são diferentes das reações da química inorgânica comum, muito por serem catalisadas por outros compostos, também orgânicos, denominados enzimas. A Bioquímica é o estudo das reações químicas e das transformações das moléculas que ocorrem no interior das células por meio desses catalisadores chamados enzimas. Seu estudo é importante para entender o funcionamento celular, o metabolismo, a fisiologia, a obtenção de energia e muitos outros processos que ocorrem a nível molecular. Novas tecnologias, como a engenharia genética, e os processos industriais, como processos fermentativos, valem-se de todo o conhecimento acumulado nessa área da ciência, colocando a Bioquímica como um conhecimento de grande relevância científica e econômica na atualidade. Assim, ela é aplicada em medicina; farmácia; agronomia; biologia; engenharias de alimentos, ambiental, química e de materiais; biocombustíveis; biotecnologia; e muitas outras áreas. Nesta disciplina, iremos estudar a importância da água e do pH nas reações bioquímicas; as principais biomoléculas, carboidratos, lipídeos e proteínas, suas características e funções; as enzimas, seus 6 mecanismos de ação e condição que afetam a sua velocidade; e o metabolismo de carboidratos para a obtenção de energia, tanto em condições aeróbias como anaeróbias. O objetivo é fornecer conhecimento para o entendimento das estruturas e das funções das biomoléculas, da ação das enzimas dentro do metabolismo, bem como do metabolismo de carboidratos para a obtenção de energia. Bons estudos! 7 Água. Solução-tampão. Lipídeos. Carboidratos. Autoria: Oswaldo Kameyama Leitura crítica: Larissa Barbosa de Paula Objetivos • Apresentar os componentes celulares. • Avaliar sua importância no pH e como manter o seu valor. • Estudar os carboidratos e os lipídeos. 8 1. Introdução Organismos vivos frequentemente são chamados de “máquinas químicas”, uma vez que são compostos por substâncias químicas e vivem por meio de reações químicas. A Bioquímica é uma ramificação da química que trata das reações químicas relacionadas com tais processos vitais, sendo assim seu objetivo explicar a forma e a função biológica em termos químicos. De mais de 90 elementos químicos existentes na natureza, apenas cerca de 30 são essenciais aos organismos vivos, entre os quais hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e carbono correspondem a mais de 99% da massa da maioria das células. A química celular está organizada ao redor do elemento químico carbono, o qual representa mais de 50% do peso seco de uma célula. Assim, o carbono forma o que chamamos de esqueleto carbônico para um grupo de substâncias que têm sua importância e suas propriedades conforme os grupos funcionais que esse esqueleto possui. Essa união do esqueleto carbônico com um grupamento funcional é chamada de compostos orgânicos. A maior parte da matéria orgânica nas células consiste em macromoléculas: ácidos nucléicos, proteínas, lipídeos e polissacarídeos. Cada tipo de macromolécula é constituído por subunidades monoméricas (monômeros), como os aminoácidos, que formam as proteínas; os monossacarídeos, que formam os polissacarídeos etc. 2. Água e solução-tampão Água é o principal solvente celular e meio para as reações bioquímicas e por isso é o maior constituinte celular. O seu caráter polar, junto com os dois pares de elétrons não compartilhados do oxigênio, produz quatro 9 ligações de hidrogênio, as quais, por sua vez, permitem a união a outras moléculas, como as cadeias proteicas. A maioria das moléculas orgânicas necessita que o pH da água esteja controlado, a fim de manter sua estrutura e suas propriedades funcionais. Dessa forma, o uso de soluções-tampão para o estudo em bioquímica é muito importante. Uma solução-tampão é formada por um par ácido fraco/base conjugada que impede variações drásticas no pH, quando pequenos volumes de ácidos ou bases lhe são acrescidos ou quando ocorre diluição. Utilizamos tampões quando é necessário manter o pH de uma solução. O seu uso na Bioquímica é importante, pois o funcionamento dos sistemas biológicos é dependente do pH. A equação central para as soluções-tampão é a equação de Henderson- Hasselbalch, a qual consiste meramente em um rearranjo da expressão da constante de equilíbrio Ka para a dissociação de um ácido. Assim, se a solução é preparada com uma base fraca B e seu ácido conjugado, a equação de Henderson-Hasselbalch tem a seguinte forma: [ ] [ ] += +BH BlogpKapH (1) Essa equação indica que o pH de uma solução que consiste em um par ácido fraco/base conjugada pode ser calculado sempre que soubermos o pKa da forma ácida e a razão entre as concentrações da base e do ácido conjugados. Quando misturamos os valores predeterminados de ácido e da base conjugados para preparar um tampão, o pH resultante não é exatamente o esperado, porque ele é determinado tanto pela atividade do ácido como da base conjugados, e não por suas concentrações. Dessa forma, após o preparo do tampão com as quantidades calculadas, 10 comumente é necessário um pequeno ajuste no pH (pela adição de uma solução básica ou ácida diluídas) para obter o pH desejado. Nesta prática não faremos isso, pois o objetivo é entender como o tampão funciona, e não o preparar com o pH exato. 3. Carboidratos Os carboidratos são o grupo de biomoléculas mais abundante encontrado na natureza, sendo a principal fonte de energia das células, além das inúmeras funções estruturais e metabólicas. Sua molécula é composta basicamente por átomos de Carbono (C), Oxigênio (O) e Hidrogênio (H), sendo sua fórmula molecular mínima escrita como (CH2O)n, em que n≥3. Os carboidratospodem estar ligados a outros grupos de biomoléculas, como lipídeos (glicolipídios) e proteínas (glicoproteínas). Existem três grandes grupos de carboidratos, os monossacarídeos, os oligossacarídeos e os polissacarídeos. 3.1 Monossacarídeos Os monossacarídeos (ou açúcares simples) são as moléculas básicas dos carboidratos. São moléculas com função orgânica aldeído (aldoses) ou cetona (cetoses) e possuem comumente entre 3 e 7 carbonos, sendo classificadas quanto ao número de carbono. Em geral têm sabor doce e são solúveis em água, bem como apresentam poder redutor. À exceção da diidroxiacetona, todos os monossacarídeos apresentam carbonos assimétricos ou quirais. A partir do carbono quiral, formam- se enantiômeros (imagens especulares ou espelhadas) um do outro. Em geral, as moléculas com n centros assimétricos podem ter 2n 11 estereoisômeros. Estereoisômeros que não são enantiômeros são chamados de diastereoisômeros. O Gliceraldeído é uma triose e apresenta 1 carbono assimétrico; logo, possui dois estereoisômeros, que também são enantiômeros (Figura 1). Figura 1 – Estereoisômeros do Gliceraldeído Fonte: elaborada pelo autor. Quase todas as propriedades de um par de enantiômeros são idênticas, e eles possuem o mesmo ponto de ebulição, o mesmo ponto de fusão e a mesma solubilidade em vários solventes. Contudo, a atividade óptica apresentada entre eles é diferente: enquanto um enantiômero desviará a luz polarizada para a direita, sendo dextrorrotatório, o outro enantiômero desviará a luz polarizada para a esquerda, sendo levorrotatório. Em solução, aldoses e cetoses não se encontram na forma linear (não cíclica), ou seja, os monossacarídeos com cinco ou mais carbonos ciclizam-se formando anéis, que são consequência da reação de grupos alcoólicos com os grupos carbonila de aldeídos e das cetonas. Essa reação de ciclização intramolecular torna as moléculas de carboidratos mais estáveis. As pentoses fazem a ligação entre o “O” (oxigênio) da cetose do carbono 1 com a hidroxila (OH) do carbono 4. Já as hexoses podem fazer a mesma ligação das pentoses, além da ligação do oxigênio da cetose do carbono 1 com a hidroxila do carbono 5, conforme a Figura 2. 12 Figura 2 – Ciclização da glicose pela ligação do C1 com o C5 Fonte: elaborada pelo autor. Após a ciclização, os monossacarídeos piranósicos podem assumir duas conformações: conformação de cadeira e conformação de barco. 3.2 Açúcares redutores Os carboidratos podem ser classificados como açúcares redutores e não redutores. Os açúcares redutores são aqueles que reagem com agentes redutores por possuírem em sua molécula um grupo aldeído ou cetona livre, enquanto os não redutores são aqueles que não possuem grupo aldeído ou cetona livre e, assim, não reagem com agentes redutores. A importância de diferenciá-los em redutores e não redutores se dá pelo fato de os açúcares redutores poderem ser diretamente usados no metabolismo celular, ou seja, são os açúcares utilizados em processos fermentativos, como na produção de etanol. Essa propriedade redutora pode ser comprovada por sua capacidade de reduzir íons metálicos, como cobre ou prata, sem solução alcalina, sendo, então, muito utilizada para quantificar substrato nos tanques de fermentação para acompanhamento da fermentação e cálculos de rendimento. 13 3.3 Dissacarídeos e oligossacarídeos Os monossacarídeos podem formar uma grande quantidade de moléculas pela ligação de um monossacarídeo com outro. Quando dois monossacarídeos estão ligados, formam dissacarídeos; quando são 3 monossacarídeos, são chamados de trissacarídeos; e, quando há mais de 3 monossacarídeos, são denominados de polissacarídeos. A ligação glicosídica ocorre da reação entre a hidroxila do C1 com a hidroxila do carbono (2, 3 ou 4) de outro monossacarídeo. A Figura 3 mostra a formação da sacarose pela ligação a(1→2), em que a indica a posição da hidroxila do carbono 1 da glicose; 1 indica o carbono da glicose envolvida na ligação; e 2 indica o carbono da frutose envolvido na ligação. Ainda, temos a formação da lactose pela ligação b(1→4). Figura 3 – Formação da sacarose, lactose e maltose Fonte: adaptada de prettroudny/iStock.com. 3.4 Polissacarídeos Os polissacarídeos são formados por longas cadeias de unidades de monossacarídeos unidas entre si por ligações glicosídicas. São insolúveis em água e não possuem sabor doce nem poder redutor. Em geral, possuem como função: armazenamento de energia (amido e glicogênio) ou estrutural (celulose). 14 O amido é o polissacarídeo de reserva energética das plantas superiores. Ele é formado por duas estruturas: amilose e amilopectina. A amilose é formada por unidades de D-glicose unidas por ligações a(1→4), tendo uma extremidade redutora e outra não redutora. Adquire a coloração azul ao ser tratada com iodo pelo intercalamento do iodo em posição específica na estrutura helicoidal da amilose, quando suspensa em água. A amilopectina é um polissacarídeo ramificado formada por unidades de D-glicose em ligações a(1→4) na cadeia principal e a(1→6) em suas ramificações. Quando tratada com iodo, adquire coloração avermelhada. Nos animais, o polissacarídeo de reserva é o glicogênio, sendo encontrado principalmente nos músculos e no fígado. Essa molécula é semelhante à amilopectina, mas apresenta maior grau de ramificação, que se repete a cada 8 ou 12 resíduos de glicose. 4. Lipídeos Os lipídeos são moléculas que diferem muito em sua estrutura. Óleos e gorduras, fosfolipídios, esteróis e carotenoides são classificados como lipídeos, mesmo apresentando grandes diferenças quanto a sua estrutura ou função. São geralmente compostos pouco solúveis em componentes polares como a água, mas solúveis em compostos não polares. Como funções, podemos citar: constituinte de membranas celulares; isolantes; precursores de compostos essenciais; agentes emulsificantes; vitaminas (A, D, E e K); e fonte e transporte de energia e componentes de biossinalização. São classificados como: ácidos graxos e derivados; triacilgliceróis; ceras; fosfolipídios; esfingolipídios; e isoprenoides. 15 4.1 Ácidos graxos e seus derivados Os ácidos graxos são ácidos carboxílicos com cadeias hidrocarbonadas acíclicas de 4 a 36 átomos de carbono. São ácidos monocarboxílicos de longas cadeias de hidrocarbonetos, não polares, sem ramificação, e em geral com números pares de carbono. Podem ser saturados, insaturados ou poli-insaturados. Uma nomenclatura simplificada para esses compostos especifica o comprimento da cadeia e o número de duplas ligações, separadas por dois pontos. Por exemplo, o ácido palmítico, que é saturado e tem 16 átomos de carbono, é abreviado em 16:0; e o ácido oleico, que tem 18 átomos de carbono e uma ligação dupla, em 18:1. A posição de qualquer dupla ligação é especificada por números superescritos seguidos da letra grega ∆ (delta). Assim, por exemplo, um ácido graxo com cadeia de 20 átomos de carbono e uma dupla ligação entre C-9 e C-10 (C1 sendo o carbono da carboxila) e outra entre C-12 e C-13 é designado 20:2 (∆9,12). O homem pode obter os ácidos graxos da dieta ou ainda sintetizar a maioria deles. Contudo, alguns destes não podem ser sintetizados e são considerados essenciais, ou seja, devem estar presentes na dieta, como o ácido linoleico, o ácido linolênico e o ácido docosaexaenoico, sendo esse último necessário durante o desenvolvimento do cérebro e do sistema nervoso, uma vez que é constituinte da membrana dos neurônios. A ausência de ácidos graxos essenciais pode causar dermatites, dificuldade de cura de ferimentos, redução da resistência a infecções, perda de cabelo e trombocitopenia (redução do número de plaquetas). O ponto de fusão dos ácidos graxos eleva-se com o aumento da cadeia hidrocarbonatada. Ácidos graxos saturados com dez ou mais carbonos são sólidos em temperatura ambiente, enquanto todos os ácidos graxos insaturados são líquidos nessa temperatura. 16 4.2 Triacilgliceróisou triglicerídeos Os triacilgliceróis ou triglicerídeos são ésteres de ácido graxos com glicerol. O glicerol é um álcool com três hidroxilas, e, dependendo da quantidade de hidroxilas esterificadas, os acilgliceróis são classificados como monoacilgliceróis, diacilgliceróis e triacilgliceróis, ou ainda monoglicerídeos, diglicerídeos e triglicerídeos, respectivamente. Os triglicerídeos em animais são normalmente chamados de gorduras e possuem como função: armazenamento e transporte de ácidos graxos, armazenamento de energia (armazenando mais energia por grama do que carboidratos como o glicogênio) e isolamento térmico. Já em vegetais, são conhecidas como óleos e constituem uma importante reserva de energia em frutas, como abacate e azeitona, e sementes, como amendoim, milho e soja. 4.3 Fosfolipídios Os fosfolipídios são os principais componentes lipídicos estruturais das membranas. Atuam como agentes emulsificantes (uma vez que possuem uma região polar e outra apolar, ou seja, anfifílicas) e agentes surfactantes (reduzem a tensão superficial de uma solução, como detergentes). Existem dois tipos de fosfolipídios: os glicerofosfolipídeos e os esfingomielinas, podendo esse último ser classificado como esfingolipídio. Os glicerofosfolipídeos são moléculas que possuem sua estrutura formada por glicerol, dois ácidos graxos de cadeia longa e um fosfato. A molécula base para a síntese desses lipídeos é o glicerol-3-fosfato, cujas posições C1 e C2 são esterificadas com ácidos graxos. Esses fosfolipídios são os principais constituintes das membranas celulares. Já as esfingomielinas são formandas pela junção de uma molécula de esfingosina e uma molécula de aminoálcool no lugar do glicerol. Esses 17 lipídeos são constituintes da bainha de mielina que reveste e isola os axônios em neurônios, facilitando a transmissão de impulsos nervosos. 4.4 Isoprenóides Os isoprenóides são um grupo de biomoléculas que contém unidades estruturais de cinco carbonos conhecidas como unidades de isoprenos. São sintetizados a partir do isopentenil pirofosfato, formado a partir do acetil-CoA. Esse grupo pode ser dividido em terpenos e esteroides. Os terpenos são substâncias encontradas em óleos essenciais de plantas, constituídos por unidades de isoprenos e classificados conforme a quantidade de unidades de isoprenos que os constitui. Como exemplo, temos: • Triterpenos (seis unidades de isoprenos): esqualeno encontrado em grande quantidade em azeite de oliva. • Tetraterpenos (oito unidades de isoprenos): carotenoides – pigmento encontrado em plantas como a cenoura. • Politerpenos (centenas ou milhares de unidades de isoprenos): borracha natural composta por 3 mil a 6 mil unidades de isopreno. Existem ainda biomoléculas formadas por componentes não terpenos ligados a unidades de isopreno, como Vitamina E (a-tocoferol), Vitamina K e Ubiquinona. 4.5 Esteroides São moléculas derivadas dos triterpenos encontradas em células eucarióticas e algumas bactérias. O colesterol é uma importante molécula desse grupo, sendo precursor na biossíntese de todos os hormônios esteroides, da vitamina D e dos sais biliares. Geralmente é armazenado na forma de éster de ácido graxo. 18 Outro grupo de moléculas importantes são os glicosídeos, que são glicolipídios derivados de esteroides que aumentam a intensidade da contração do músculo. Em geral, essas moléculas são tóxicas, mas algumas são medicinais em baixas concentrações, como a digitoxina, um glicosídeo extraído de folhas secas de Digitalis purpurea. 4.6 Lipoproteínas Os triacilgliceróis, o colesterol e os ésteres de colesterol são insolúveis em água e não podem ser transportados na circulação como moléculas livres. Assim, essas moléculas se agregam com fosfolipídios e proteínas para formar partículas esféricas macromoleculares chamadas de lipoproteínas. Essas macromoléculas possuem um núcleo com triacilgliceróis e ésteres de colesterol, bem como uma camada superficial hidrofílica formada por colesterol, fosfolipídios e proteínas. Ainda, as lipoproteínas contêm moléculas de antioxidantes, como o α-tocoferol e os carotenoides, que destroem radicais livres. Referências BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2021. CAMPBELL, M. K.; FARREL, S. Bioquímica – Combo. 5. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. DECKER, E. A.; MCCLEMENTS, D. J. Lipídeos. In: DAMODARAN, S.; PARKIN, K. L.; FENNEMA, O. R. Química de Alimentos de Fennema. 4. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010. DEVLIN, T. M. Manual de Bioquímica com correlações clínicas. 7. ed. São Paulo: Blucher, 2011. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2019. 19 Aminoácidos, Peptídeos e Proteínas Autoria: Oswaldo Kameyama Leitura crítica: Larissa Barbosa de Paula Objetivos • Apresentar os aminoácidos, os peptídeos e as proteínas. • Conhecer a necessidade de consumo de aminoácidos essenciais. • Verificar as funções biológicas dos peptídeos. • Estudar as estruturas das proteínas e a função bioquímica relacionada a elas. 20 1. Introdução As proteínas e os peptídeos podem ser considerados os “trabalhadores” da célula ou dos organismos. Eles possuem diversas funções que vão desde a estrutural até funções metabólicas. Proteínas e peptídeos são constituídos por aminoácidos. Os vegetais são capazes de produzir todos os 20 aminoácidos utilizados na síntese proteica, enquanto os animais, incluindo os humanos, não são capazes de sintetizar todos os aminoácidos, sendo necessário obtê-los por meio da alimentação, tanto os nove aminoácidos não produzidos pelo organismo quanto a quantidade necessária para a síntese de proteínas pelo organismo. Nesse contexto, os aminoácidos essenciais são: histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofano e valina. Os aminoácidos estão presentes comumente em proteínas, sendo assim importante entender o quanto dessas proteínas será digerido e quanto aminoácido será absorvido pelos organismos. Isso irá depender das condições em que essa proteína será processada e de sua origem: proteínas animais em geral possuem maior biodisponibilidade do que proteínas vegetais. 2. Aminoácidos Os aminoácidos são as moléculas básicas que constituem as proteínas. Como mostra a Figura 1, eles possuem uma estrutura tetraédrica com um carbono central (α) que se liga a um grupo amina; um grupo ácido carboxílico; um hidrogênio; e um radical (R) qualquer, o qual determina a diferenciação de cada α -aminoácido. 21 Figura 1 – Estrutura geral de um aminoácido Fonte: elaborada pelo autor. Os α-aminoácidos com um único grupo amino e ácido carboxílico ocorrem em pH neutro (7,0) na forma de íons dipolares (zwitterion) eletricamente neutros. Nessa forma, o grupo amino está protonado (-NH3 +) e o grupo ácido carboxílico está dissociado (-COO-). Em geral, são encontrados 20 aminoácidos nas proteínas das células, porém alguns outros aminoácidos têm sido encontrados em alguns tipos de proteínas, sendo eles derivados dos 20 aminoácidos primários. Aproximadamente 300 aminoácidos, além desses 20 primários, já foram encontrados nas células e possuem uma grande variedade de funções, porém nenhum destes aparece em proteínas. As propriedades dos α-aminoácidos são determinadas pelos radicais (R). Os 20 aminoácidos diferem entre si quanto ao tamanho, à forma, à carga, à capacidade de formação de pontes de hidrogênio, a características hidrofóbicas e a reatividades químicas. Os α-aminoácidos constituintes das proteínas possuem a configuração estereoquímica L (levorrotatório; levo = esquerdo). Nessa configuração, o grupo -NH3 + está à esquerda do carbono central. Quando o grupo -NH3 + está à direita, a configuração é estereoquímica D (dextrorrotatório; dextro = direito). Os D-aminoácidos são encontrados em alguns antibióticos (valinomicina 22 e actinomicina) e na formação de peptidoglicano da paredede algumas bactérias. A principal função dos aminoácidos é compor as proteínas, porém eles podem apresentar outras funções biológicas. Vários α-aminoácidos ou seus derivados atuam como mensageiros químicos entre as células, como a serotonina e a melatonina (derivados do triptofano), que atuam como neurotransmissores. A tiroxina (derivada da tirosina e produzida pela glândula tireoide) e o ácido indolacético (derivado do triptofano e encontrado em plantas) são exemplos de hormônios. Os aminoácidos são precursores de diversas moléculas nitrogenadas, como nucleotídeos e ácidos nucléicos; o grupo heme, que contém ferro e é constituinte da hemoglobina; e a clorofila, pigmento de extrema importância no processo de fotossíntese. 3. Peptídeos Devidos a seus grupos de função orgânica amina, ácido carboxílicos e outras funções presentes nas cadeias laterais, os aminoácidos podem sofrer reações químicas. Em especial, temos a ligação peptídica, que, como mostra a Figura 2, é a ligação entre um carboxílico de um aminoácido e o grupamento amina de outro aminoácido, com a liberação de uma molécula de água. Quando estão participando de uma ligação peptídica, os aminoácidos passam a ser chamados de resíduos de aminoácidos. 23 Figura 2 – Esquema da ligação peptídica Fonte: adaptada de ttsz/iStock.com. Peptídeos são obtidos pela junção de dois ou mais aminoácidos através de uma ligação peptídica. São classificados quanto ao número de resíduos de aminoácidos que os compõe. Dois resíduos formam os dipeptídeos; três resíduos formam os tripeptídeos; e, quando formados por um número muito grande de aminoácidos, temos os polipeptídeos, os quais podem ainda ser chamados de proteínas a partir de 2 mil resíduos. Os peptídeos são representados com um grupo terminal chamado de amino-terminal ou N-terminal à esquerda e um grupo carboxílico livre carboxila-terminal ou C-terminal à direita. Eles atuam em muitas atividades biológicas importantes e pronunciadas e exercem suas 24 funções em concentrações muito pequenas. Por exemplo, atuam como moléculas de sinalização para um grande número de reações bioquímicas, como apetite (Neuropeptídeo Y e Galanina), pressão sanguínea (arginina vasopressina ou ADH) e percepção da dor (met- encefalina e leu-encefalina). São constituintes de moléculas de hormônios, como insulina, que contém duas cadeias polipeptídicas (30 e 21 resíduos de aminoácidos, respectivamente); glucagon com 29 resíduos (possui função oposta à insulina); e corticotrofina, que possui 39 resíduos de aminoácidos. A Glutationa atua ainda na síntese de proteínas e DNA, no transporte de aminoácidos e no metabolismo de fármacos e substâncias tóxicas. Ademais, é um agente redutor, protegendo células de substâncias oxidativas, como o peróxido. O L-apartilfenilananil-metil éster é um peptídeo sintetizado comercialmente e usado como adoçante artificial. É conhecido como aspartame ou NutraSweet®. 4. Proteína Quase todas as reações bioquímicas que ocorrem no interior das células envolvem proteínas. Elas possuem função estrutural, de catalise, transporte, armazenamento, nutriente, motilidade, defesa, regulação etc. A sua importância é evidenciada pelo fato de a informação genética ser expressa em última instância na forma de proteína. Para cada segmento de DNA, existe uma proteína a ser formada. A maioria dos polipeptídeos que ocorrem naturalmente possui menos do que 2 mil resíduos de aminoácidos. Porém, existem proteínas que atingem 8,3 mil resíduos, como a glutamato desidrogenase. 25 As proteínas podem ser constituídas apenas por cadeias simples de aminoácidos ou conjugadas a outros componentes orgânicos e/ou inorgânicos. Nesse último caso, a parte não-aminoácido é chamada de grupo prostético. As principais proteínas conjugadas são lipoproteínas (proteína + lipídeo), glicoproteína (proteína + açúcares), metaloproteínas (proteína + metal), fosfoproteínas (proteína + fosfato) etc. A estrutura da proteína é complexa, e, para facilitar o seu estudo, são organizadas em quatro estruturas, sendo elas: 1. Primária: caracterizada quanto ao número e à sequência dos aminoácidos unidos por ligações peptídicas, sendo especificada pela sequência genética. 2. Secundária: formação de arranjos regulares e recorrentes em forma de hélice. 3. Terciária: formação de uma estrutura tridimensional estável, pela existência de pontes de hidrogênio, pontes de dissulfeto (Cistina), força de Van der Waals, entre resíduos de aminoácidos. 4. Quaternária: arranjo entre duas ou mais cadeias peptídicas, com formação de um complexo tridimensional. 4.1 Estrutura primária A estrutura primária é definida pela quantidade e pela ordem de resíduos de aminoácidos, que, por sua vez, é definida pela informação genética. A posição dos resíduos de aminoácidos e a espécie determinam a posição de ligações não covalentes, com pontes de dissulfeto provenientes da cistina, que são responsáveis pela manutenção da estrutura terciária. Assim, um peptídeo só é igual a outro quando os dois apresentam a mesma quantidade e sequência, espécie de aminoácidos. Nesse caso, 26 polipeptídeos com funções e sequência de resíduos de aminoácidos idênticos são chamados de homólogos. Saber a posição e a quantidade de resíduos de aminoácidos em um peptídeo ou proteína é importante para: • Avaliar as ações proteicas dentro da célula. • Verificar o efeito da mutação genética sobre as proteínas. • Estudar as vias evolutivas a partir da observação de proteínas semelhantes de diferentes organismos. • Comparar proteínas com constituição e função semelhantes, mas em espécies diferentes. • Identificar a presença de repetições de sequências em diferentes proteínas para agrupá-las em famílias. • Estudar a formação de uma nova proteína. 4.2 Estrutura secundária As proteínas possuem dobras regulares em formato helicoidal chamadas de estruturas secundárias das proteínas. Essas dobras são formadas a partir de pontes de hidrogênio. Existem dois tipos de estruturas secundárias: a α-hélice e a folha β pregueada. Esses dois tipos são distintos quanto a sua forma tridimensional ocasionada pela sequência de aminoácidos que apresentam. 4.3 Estrutura terciária A estrutura terciária descreve a conformação específica da cadeia polipeptídica secundária, que resulta em uma estrutura mais compacta, na qual átomos ocupam posições específicas. Nesse processo de 27 dobramento, a estrutura ganha um alto grau de organização, como consequência das interações entre as cadeias laterais presentes na estrutura primária. As características mais importantes da estrutura terciária são: • Resíduos de aminoácidos que, antes distantes, agora se aproximam na estrutura terciária. • A compactação causa eliminação de grande parte das moléculas de água do interior da proteína, e, assim, é possível haver interações entre grupos polares e não polares. • Certas cadeias formam dobras em duas ou mais regiões, sendo conectadas por um segmento flexível de cadeia polipeptídica. Esses segmentos, denominados de domínios, são formados por 30 a 400 resíduos de aminoácidos. Esses domínios têm funções especificas, como de receptor proteico CD4, que permite a ligação do vírus HIV com a célula do hospedeiro. A estrutura terciária é estabilizada por interações entre as cadeias laterais dos aminoácidos, sendo elas: • Interações hidrofóbicas. • Interações eletrostáticas (ligações iônicas). • Ligação dissulfeto. • Pontes de hidrogênio. • Forças de Van der Waals. 4.4 Estrutura quaternária São proteínas multiméricas, ou seja, compostas por duas ou mais cadeias polipeptídicas, que estão associadas por interações não covalentes: efeitos 28 hidrofóbicos, pontes de hidrogênio e interações eletrostáticas. Proteínas formadas por outras subunidades proteicas têm a vantagem de a reposição de componentes defeituosos ser um processo mais eficiente; a formação de proteínas por partes, em subunidades, é mais eficiente do queo aumento de uma cadeia única; e as interações complexas de múltiplas subunidades ajudam a regular as funções proteicas. 4.5 Desnaturação e renaturação A desnaturação é o processo em que há mudança da conformação tridimensional nativa das proteínas, sem que sejam rompidas as ligações peptídicas. Como a estrutura tridimensional específica das proteínas é fundamental para as suas funções, essas alterações em sua estrutura provocam perda parcial ou total de suas funções biológicas. Os fatores que podem causar a desnaturação são: • Temperatura elevadas. • Grandes variações de pH. • Estresse mecânico. • Presença de substâncias que rompam essas ligações. O processo de renaturação seria o inverso do processo de desnaturação; contudo, é um processo raro e que requer condições e proteínas específicas para ocorrer. Referências BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2021. 29 CAMPBELL, M. K.; FARREL, S. Bioquímica – Combo. 5. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2019. 30 Enzimas. Propriedades das enzimas. Mecanismos de ação. Autoria: Oswaldo Kameyama Leitura crítica: Larissa Barbosa de Paula Objetivos • Apresentar as enzimas e suas propriedades. • Entender como as enzimas atuam. • Avaliar os fatores que afetam a ação das enzimas. 31 1. Introdução Com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA com propriedades catalíticas, todas as enzimas são moléculas de proteínas, cuja função é reconhecer e se ligar a reagentes específicos, catalisando sua conversão em produtos. Catalisadores são substâncias que aceleram as reações químicas, sem reagir com os reagentes (substrato) ou com os produtos, reduzindo apenas a energia de ativação da reação (Figura 1). Além das proteínas, existem alguns RNAs, chamados de ribozimas, que executam as mesmas funções dessas proteínas. Figura 1 – Energia de ativação de uma reação sem enzima (linha vermelha) e com enzima (linha azul) Fonte: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7a/ActivationEnergyInt. svg/1280px-ActivationEnergyInt.svg.png. Acesso em: 17 fev. 2022. Para ser classificada como uma enzima, uma proteína deve apresentar as seguintes características: • Ter eficiência catalítica. • Ter alto grau de especificidade em relação a seus substratos. • Não ser consumida ou alterada durante sua participação na reação. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7a/ActivationEnergyInt.svg/1280px-ActivationEnergyInt.svg.png https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7a/ActivationEnergyInt.svg/1280px-ActivationEnergyInt.svg.png 32 • Não alterar o equilíbrio químico das reações. • Ter sua atividade regulada geneticamente ou pelas condições metabólicas. A molécula sobre a qual a enzima atua é chamada de substrato (S) e a molécula resultante da reação enzimática é chamada de produto (P). As diferentes enzimas têm muitas características em comum: 1. Combinam-se temporariamente com substratos (ou reagentes) durante a reação. 2. São liberadas sem alteração em sua estrutura após a conversão de substratos em produtos. 3. São específicas em sua atividade. Cada enzima catalisa a reação de um único tipo de molécula ou de um grupo de moléculas relacionadas. 4. São saturadas por altas concentrações de substrato. 5. Muitas enzimas contêm grupos não proteicos, chamados de cofatores, os quais contribuem para a sua atividade. Cofatores inorgânicos são íons metálicos, e cofatores orgânicos, denominados de coenzimas, são grupos complexos derivados de vitaminas. 6. A maioria das enzimas é sensível ao pH e à temperatura. 2. Classificação das enzimas A União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular (IUBMB, 1992) adotou o uso de classificação das enzimas em seis classes devido ao grande número de enzimas descobertas. Essa classificação é baseada no 33 tipo de reação que cada enzima catalisa (Quadro 1). Para cada enzima, são atribuídos dois nomes e um número de classificação de quatro dígitos que identificam as classes, as subclasses e as sub-subclasses. Assim, a enzima glicose-6-fosfato fosfohidrolase (nome trivial) possui o nome e o número segundo a classificação: D-Glicose-6-fosfato fosfohidrolase EC 3.1.3.9, em que o primeiro 3 representa a classe hidrolase; o número 1 representa a subclasse (atua sobre a ligação éster); o segundo número 3 indica a sub-subclasse (fosforil monoéster hidrolase); e o número 9 é o número de série dentro da sub-subclasse. EC é a abreviatura de Enzyme Commission. Quadro 1 – Classificação das enzimas Classe da enzima Tipo de reação catalisada Oxidorredutases Reações do oxidação-redução Transferases Transferência de grupos funcionais Hidrolases Reações de hidrólise Liases Remoção de grupos para formar ligações duplas Isomerases Isomerização Ligases Formação de ligações entre duas moléculas Fonte: elaborado pelo autor. Outras enzimas de uso rotineiro ainda são designadas pelo seu nome alternativo ou trivial, as quais recebem o sufixo –ase ao nome do substrato sobre o qual atuam. Por exemplo, a enzima que hidrolisa o amido é chamada de amilase, enquanto a que hidrolisa a lactose é chamada de lactase. Outras ainda recebem nomes genéricos, como a tripsina, a pepsina etc. 34 3. Sítio ativo Sítio ativo é a região da enzima em que um arranjo de grupos presentes nas cadeias laterais de certos aminoácidos permite a ligação com o substrato por ligações não covalentes. Em geral, esses resíduos de aminoácidos estão distantes na estrutura primária, mas, com o enovelamento e a formação da estrutura terciária (tridimensional), aproximam-se e formam o sítio ativo. As enzimas apresentam especificidade, ou seja, cada enzima atua sobre um único substrato ou reação. Isso se deve à estrutura tridimensional, que permite o encaixe perfeito com o substrato. Dois modelos de mecanismos de ação são propostos para explicar a especificidade enzimática. 4. Mecanismo de ação Muitas enzimas apresentam fendas com tamanhos fixos que permitem o encaixe somente de moléculas com a dimensão e a forma adequadas, assim como uma chave abre uma fechadura (Figura 2). Nesse caso, substâncias que não se encaixam no sítio ativo não formam o complexo ES (Enzima-Substrato) e, assim, não ocorre a reação. Outro modelo propõe que a fenda na enzima não apresenta uma dimensão completamente fixa e que o substrato ao se ligar à enzima induz uma modificação na sua estrutura tridimensional (Figura 2), colocando os resíduos de aminoácidos na posição adequada para interagir com o substrato e promover a reação. 35 Figura 2 – Mecanismo chave-fechadura (à esquerda) e mecanismo induzido (à direita) Fonte: adaptada de Trinset/iStock.com. 5. Cofatores e coenzimas Algumas enzimas constituídas apenas de cadeias polipeptídicas atuam normalmente. Contudo, a maioria das enzimas requer uma associação com cofatores metálicos ou coenzimas que se ligam em uma região da enzima chamada de sítio alostérico, o que provoca alteração em sua estrutura tridimensional e altera seu sítio ativo, permitindo que o substrato se ligue à enzima e a reação ocorra. 6. Fatores que afetam as reações catalisadas por enzimas A seguir apresentaremos os fatores que afetam as reações catalisadas por enzimas. 36 6.1 Temperatura Uma vez que as enzimas são quase na sua totalidade proteínas, elas apresentam uma temperatura ótima de atuação. Valores de temperatura abaixo da ótima reduzem a excitação das moléculas, reduzindo os choques entre elas e, assim, a possibilidade de o substrato se chocar com a enzima e promover a reação. Já temperaturas elevadas (acima da temperatura ótima) desnaturam a enzima, fazendo com que perca sua atividade pela alteração do sítio ativo e impossibilite a ligação do substrato com a enzima. 6.2 pH Enzimas apresentam pH ótimo. Dessa forma, valores muito acima ou muito abaixo do pH ótimo promovemsua desnaturação, impedindo a reação. 6.3 Concentrações As reações químicas ocorrem pelo choque dos reagentes e, no caso de reações bioquímicas, pelo choque da enzima com o substrato. Esse choque ocorre mais facilmente quando as moléculas estão excitadas, ou seja, quando possuem grande energia, ou ainda quando há uma grande quantidade de moléculas. Com esse raciocínio em mente, temos que a velocidade de reação é diretamente proporcional à quantidade de enzima disponível. Em outras palavras, quanto mais enzimas, maior a possibilidade de choques com o substrato, ocorrendo, consequentemente, a reação. De modo semelhante ao que ocorre com as enzimas, a velocidade da reação é diretamente proporcional à quantidade de substrato. 37 Dessa forma, quanto maior a quantidade de substrato, maior será a quantidade de reação e a velocidade de reação. Existem compostos que diminuem a atividade enzimática, visto que eles se ligam à enzima e impedem que ela haja. Essa ligação pode ser permanente ou temporária. Nesse contexto, quanto menor a concentração desses compostos, maior a velocidade de reação. 7. Inibição enzimática A inibição enzimática compreende os processos pelos quais a atividade normal de uma enzima é reduzida ou eliminada completamente. Os compostos que reduzem a velocidade da reação, por qualquer mecanismo, são chamados de inibidores, que são substâncias que se ligam à enzima e reduzem a velocidade da reação, impedindo até mesmo que ela ocorra. 7.1 Inibição competitiva O inibidor competitivo tem forte semelhança estrutural com o substrato, e ambos competem pelo mesmo sítio ativo da enzima. O substrato e o inibidor não se ligam à enzima ao mesmo tempo; algumas vezes, o inibidor pode se ligar a um sítio diferente, mas isso provoca alteração no sítio ativo para ligação do substrato, tornando-o inativo. Em síntese, na inibição competitiva, existe apenas a formação dos complexos enzima-inibidor (EI) e enzima-substrato (ES). A formação do complexo EI reduz a quantidade de enzima disponível para interação com o substrato e, consequentemente, a velocidade da reação diminui. Como o inibidor se liga de forma reversível à enzima, a competição pode se tornar favorável ao substrato pela simples adição de mais substrato 38 ao meio. Quando uma alta concentração de substrato estiver presente, será mínima a probabilidade de uma molécula de inibidor se ligar à enzima, e a reação exibirá uma velocidade máxima normal. As reações que ocorrem nesse processo de inibição estão descritas a seguir: • Reação comum sem inibidor: PEESSE +↔↔+ • Reações com inibição: PEESSE +↔↔+ EIIE ↔+ (não há formação de produto) 7.2 Inibição não competitiva O inibidor se liga a um sítio ativo diferente do sítio ativo do substrato, e, nessa ligação, ocorre a modificação da estrutura tridimensional da enzima, o que impede a reação. A enzima é inativada quando o inibidor está ligado, estando o substrato presente ou não. As reações que ocorrem nesse processo de inibição estão descritas a seguir: • Reação comum sem inibidor: PEESSE +↔↔+ • Reações com inibição: PEESSE +↔↔+ 39 EISSEIIE ↔+↔+ (não há formação de produto) ESIIESSE ↔+↔+ (não há formação de produto) 7.3 Inibição incompetitiva O inibidor se liga a um sítio ativo diferente do sítio ativo do substrato, mas somente após a ligação enzima-substrato, já que essa ligação modificará a estrutura tridimensional da enzima, o que permite a ligação do inibidor e impede a reação. As reações que ocorrem nesse processo de inibição estão descritas a seguir: • Reação comum sem inibidor: PEESSE +↔↔+ • Reações com inibição: PEESSE +↔↔+ ESIIESSE ↔+↔+ (não há formação de produto) 7.4 Inibição irreversível O inibidor se liga ao mesmo sítio ativo do substrato ou a um sítio ativo diferente, porém essa ligação é permanente, o que reduz a concentração de enzima. As reações que ocorrem nesse processo de inibição estão descritas a seguir: • Reação comum sem inibidor: 40 PEESSE +↔↔+ • Reações com inibição: PEESSE +↔↔+ EIIE ↔+ (não há formação de produto) As enzimas aqui estudadas são estruturas de grande importância para o metabolismo celular, não apenas por permitirem ou catalisarem as reações, mas pela sua especificidade e capacidade de serem autorreguladas através dos mecanismos de inibição. Chamamos isso de retroalimentação, em que o produto da reação inibe a enzima e, assim, diminui a velocidade da própria reação. Referências BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2021. CAMPBELL, M. K.; FARREL, S. Bioquímica – Combo. 5. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. COELHO, M. A. Z.; SALGADO, A. M.; RIBEIRO, B. D. Tecnologia Enzimática. Rio de Janeiro: FAPERJ; Petrópolis: EPUB, 2008. IUBMB. International Union of Biochemistry and Molecular Biology. Enzyme Nomenclature 1992. San Diego: IUBMB, 1992. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2019. 41 Metabolismo energético Autoria: Oswaldo Kameyama Leitura crítica: Larissa Barbosa de Paula Objetivos • Estudar o metabolismo principal de obtenção de energia. • Entender as diferenças entre processos aeróbios e anaeróbios. 42 1. Introdução A célula é movida pelo seu metabolismo, que compreende uma série de transformações de matéria e de energia. A energia no metabolismo pode ser entendida principalmente como ATP (Adenosina Trifosfato). A obtenção de energia tem como fonte principal os carboidratos, em especial monossacarídeos, como glicose, frutose e galactose. Esse processo pode envolver a presença de oxigênio (respiração) ou não (fermentação). 2. Glicólise Glicólise é a primeira etapa do metabolismo de carboidratos e corresponde à quebra da glicose, molécula com seis carbonos, em duas moléculas de piruvato, estas com três carbonos cada. Essa rota ocorre no citoplasma e não necessita de oxigênio. A quebra da glicose consome dois ATPs no início da rota, gerando posteriormente quatro ATPs e duas moléculas de NADH, como consta de forma resumida na Figura 1. Figura 1 – Glicólise Fonte: elaborada pelo autor. 43 Como pode ser observado na Figura 1, as reações da glicólise são: 1. A glicose é fosforilada no grupo hidroxila no Carbono 6 pela ação da enzima hexoquinase, sendo o fosfato proveniente de uma molécula de ATP na presença de Mg2+ (o substrato da enzima é o complexo MgATP2-). A fosforilação da glicose não permite que ela deixe a célula, já que a membrana não é permeável à Glicose-6- fosfato. A hexoquinase catalisa reações com outras hexoses. 2. A D-glicose-6-fosfato é convertida em D-frutose-6-fosfato pela ação da fosfohexose isomerase na presença de Mg2+. 3. A fosforilação da D-frutose-6-fosfato em D-frutose-1,6-bifosfato se dá pela ação da fosfofrutoquinase, tendo como doador de fósforo o ATP ou o pirofosfato (algumas bactérias). 4. A clivagem da D-frutose-1,6-bifosfato em gliceraldeído-3-fosfato e diidroxiacetona fosfato se dá pela ação da aldolase. Essa reação possui variação de energia livre fortemente positiva na direção da divisão da hexose. 5. Na interconversão das trioses-fosfato, apenas o gliceraldeído-3- fosfato pode ser degrado nos passos subsequentes da glicólise, porém a diidroxiacetona fosfato é rapidamente convertida em gliceraldeído-3-fosfato pela ação da triose-fosfato isomerase. 6. A oxidação do gliceraldeído-3-fosfato em ácido 1,3-difosfoglicerato se dá pela ação da enzima gliceceraldeído-3-fosfato- desidrogenase, tendo como receptor do hidrogênio a coenzima Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo (NAD+). 7. A transferência do fósforo do ácido 1,3-difosfoglicerato para o ADP se dá pela enzima fosfogliceratoquinase, formando ácido 3-fosfoglicerato e ATP. 8. A conversão do ácido 3-fosfoglicerato em ácido 2-fosfoglicerato se dá pela ação da fosfoglicerato mutase na presença de Mg2+. 44 9. A desidratação do 2-fosfoglicerato para fosfoenolpiruvato se dá pela ação da enolase. O compostoformado possui um alto potencial de transferência do grupo fosfato. 10. A transferência do grupo fosfato do fosfoenolpiruvato para o ADP se dá pela ação da piruvato quinase, formando piruvato e ATP. A enzima requer K+ e Mg2+ ou Mn2+. O piruvato pode seguir duas rotas: uma anaeróbia, gerando muitos compostos de fermentação, como etanol, ácido lático etc.; e outra aeróbia, sendo convertido em Acetil-CoA e seguindo o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória. Essas etapas posteriores à glicose são importantes para a regeneração de moléculas, como NAD+ e FAD, já que seria improdutivo para a célula produzi-las infinitamente. 3. Conversão do Piruvato em Acetil-CoA Essa rota ocorre em condições aeróbias e, assim, exclusivamente na mitocôndria. Trata-se de uma conversão irreversível, por ser necessária uma grande quantidade de energia para produzir Piruvato a partir de Acetil-CoA. O processo de oxidação do piruvato em Acetil-CoA ocorre a partir de cinco reações: 1. Descarboxilação oxidativa do piruvato. 2. Transferência do grupo hidroxietil do HETTP para a diidrolipoil- transacetilase. 3. Transferência do grupo acetila para a coenzima A. 4. Regeneração da molécula de lipoamina utilizada na segunda reação. 5. Reoxidação do FADH2. 45 4. Ciclo de Krebs O ciclo de Krebs, ou ciclo do ácido cítrico, é importante, pois promove a quebra de carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos, com geração de energia. Ocorre ainda a formação e o fornecimento de precursores para outras vias biossintéticas, como Succinil-CoA – Porfirinas; Oxalato – Aspartato; Glutamato – a-cetoglutarato; e Acetil-CoA – Ácidos graxos e colesterol. Figura 2 – Ciclo de Krebs ou Ciclo do Ácido Cítrico Fonte: adaptada de chromatos/iStock.com. 46 Essa rota demonstrada na Figura 2 também ocorre exclusivamente na mitocôndria. O ciclo de Krebs produz, para cada molécula de glicose, 6 NADH, 2 FADH2, 2 GTPs e 4 CO2. A Guanosina Trifosfato (GTP) assemelha- se ao ATP, podendo ser computada como uma molécula de ATP produzida. Já as moléculas de NADH e FADH2 devem ser regeneradas em NAD+ e FAD, respectivamente. 5. Cadeia Transportadora de Elétrons A quebra direta e simples da glicose na glicólise não gera quantidade de ATPs suficiente, além de incluir grande potencial energético acumulado nas moléculas de NADH e FADH2. Essa energia precisa ser recuperada e a regeneração do NAD+ e FAD deve ocorrer. Contabilizando a quantidade de NADH, FADH2 e ATPs produzida até o ciclo de Krebs, temos os valores apresentados na Tabela 1. Tabela 1 – Quantidade de energia e de potencial energético gerada Etapa NADH FADH2 ATP Glicólise 2 - 2 Piruvato à Acetil-CoA 2 - - Ciclo do Ácido Cítrico 6 2 2 (GTP) Total 10 2 4 Fonte: elaborada pelo autor. A cadeia transportadora de elétrons (CTE) ocorre na membrana interna da mitocôndria, mais precisamente nas cristas. Essas cristas são “dobras” da membrana interna e aumentam a superfície da membrana para as reações. Assim, quanto maior a atividade respiratória da célula, maior a quantidade de crista. 47 Já a quantidade de mitocôndrias em cada célula de cada tecido depende da sua necessidade de energia. Nesse contexto, por exemplo, eritrócitos não possuem mitocôndrias e células cardíacas têm metade do seu volume composta por mitocôndrias. Na CTE, os elétrons serão entregues ao oxigênio. A energia livre disponibilizada pelo fluxo de elétrons criado é acoplada ao transporte contracorrente de prótons por meio da membrana interna da mitocôndria, conservando parte dessa energia como potencial eletroquímico. O fluxo transmembrana dos prótons “de volta”, a favor de seu gradiente de concentração através de poros proteicos específicos, fornece energia livre para a síntese de ATP. Representando o potencial energético em uma “escada”, temos a Figura 3, na qual o NADH localiza-se na parte superior, com maior potencial, que possibilita a geração de 3 ATPs para cada NADH, enquanto o FADH2 está um degrau abaixo, podendo gerar 2 ATPs para cada FADH2. Figura 3 – Potencial energético das moléculas de NADH e FADH2 ao entrar na cadeia transportadora de elétrons Fonte: elaborada pelo autor. 48 Como base na Tabela 1 anteriormente apresentada, com a quantidade de NADH e FADH2 que entra na cadeia transportadora de elétrons, podemos fazer o balanço total de ATPs produzidos, apresentado na Tabela 2. Tabela 2 – Quantidade de ATPs produzidos para cada glicose utilizada Quantidades ATPs correspondentes NADH 10 30 FADH2 2 4 ATP e GTP 4 4 Total 38 Fonte: elaborada pelo autor. 6. Processos anaeróbios Na ausência de oxigênio, o piruvato gerado na glicólise pode seguir para diversas rotas metabólicas fermentativas, dependendo das informações genéticas do organismo. Essas rotas podem ser para a produção de ácido lático, como o realizado pelas fibras brancas do músculo ou pelas bactérias ácido-láticas; e o etanol gerado por leveduras, como Saccharomyces cerevisiae, ou bactérias, como Zymomonas mobilis. Embora exista a conversão do piruvato em compostos de fermentação, essas rotas subsequentes não geram ATPs adicionais, sendo necessárias fundamentalmente para promover a regeneração do NAD+ consumido durante a glicólise. Referências BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2021. 49 CAMPBELL, M. K.; FARREL, S. Bioquímica – Combo. 5. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. COELHO, M. A. Z.; SALGADO, A. M.; RIBEIRO, B. D. Tecnologia Enzimática. Rio de Janeiro: FAPERJ; Petrópolis: EPUB, 2008. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2019. 50 WBA1112_v1.0 Bioquímica Água. Solução tampão. Lipídeos. Carboidratos Água e solução tampão. Bloco 1 Oswaldo Kameyama Água • Principal constituinte das células: cerca de 80%. • Responsável pela solubilização da maioria dos compostos orgânicos e meio reacional bioquímico. • A sua importância é principalmente causada pela sua polaridade e capacidade de realizar ligações de hidrogênio. Fonte: adaptada de ai-yoshi/iStock.com. Figura 1 – Ligação de hidrogênio Água Ligação de hidrogênio Água Figura 2 – Osmose Fonte: adaptada de ttsz/iStock.com. Isotônico Hipotônico Hipertônico Água e seu pH • O pH da água é importante para manutenção da estrutura e funcionalidade da maioria das biomoléculas. • O pH pode causar a mudança da estrutura tridimensional de proteínas/enzimas, com consequente possibilidade de perda de funcionalidade. Fonte: adaptada de Aldona/iStock.com. Figura 3 – Desnaturação e renaturação proteica Preteína normalProteína normal Desnaturação Proteína desnaturada Renaturação Solução Tampão • O pH da água é importante para manutenção da estrutura e funcionalidade da maioria das biomoléculas. • O pH pode causar a mudança da estrutura tridimensional de proteínas/enzimas, com consequente possibilidade de perda de funcionalidade. Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Solu%C 3%A7%C3%A3o_tamp%C3%A3o#/me dia/Ficheiro:Titula%C3%A7%C3%A3o. tif. Acesso em: 14 fev. 2022. Figura 4 – Efeito tamponante observado em uma curva de titulação Água. Solução tampão. Lipídeos. Carboidratos Carboidratos Bloco 2 Oswaldo Kameyama Carboidratos • Carboidratos são a base energética das células, como glicose, frutose, sacarose, lactose, amido etc. • Possuem, também, função estruturais (celulose) e metabólicas (heparina). • Existem três grandes grupos de carboidratos, os monossacarídeos, os oligossacarídeos e os polissacarídeos. Monossacarídeos • Moléculas básicas e menores entre os carboidratos. • A partir dos carbonos quirais apresentam 2n estereoisômeros. Figura 5 – Ciclização dos monossacarídeos Fonte: elaborada pelo autor. Ligações glicosídicas • Os monossacarídeos podem se ligar por ligações a ou b, formando dissacarídeos, trissacarídeos e polissacarídeos. Figura 6 – Ligação glicosídica na formação de sacarose, lactose e maltose Fonte:adaptada de prettroudny/iStock.com. Dissacarídeos Polissacarídeos: amido Figura 7 – Estruturas que compõem o amido: amilose, cadeia não ramificada (a14) e amilopectina, cadeia ramificada (a14) e (a16) Fonte: adaptada de prettroudny/iStock.com. Amido Amilopectina Amilose Água. Solução tampão. Lipídeos. Carboidratos Lipídeos Bloco 3 Oswaldo Kameyama Ácidos graxos e triglicerídeos • São os principais compostos entre a variada gama de compostos que formam os lipídeos. • Características: • Óleos: líquidos à temperatura ambiente, instaurados e normalmente de origem vegetal. • Gorduras: sólidos à temperatura ambiente, saturados e normalmente de origem animal. Ácidos graxos Figura 8 – Ácido linoleico 18:2 D(9,12) Fonte: elaborada pelo autor. Sistema ômega (w) O OH1 2 3 4 5 6 7 8 910 11 1213 14 15 16 17 18 O OH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Ácidos graxos Símbolo numérico Estrutura Nome comum Ácidos graxos saturados 12:0 CH3(CH2)10COOH Ácido láurico 14:0 CH3(CH2)12COOH Ácido miristico 16:0 CH3(CH2)14COOH Ácido palmítico 18:0 CH3(CH2)16COOH Ácido esteárico 20:0 CH3(CH2)18COOH Ácido araquídico 22:0 CH3(CH2)20COOH Ácido beênico 24:0 CH3(CH2)22COOH Ácido lignocérico Ácidos graxos insaturados 16:1 D(9) CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH Ácido palmitoléico 18:1 D(9) CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH Ácido oléico 18:2 D(9,12) CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH Ácido linoleico 18:3 D(9,12,15) CH3(CH2-CH=CH)3(CH2)7COOH Ácido a-linoleico 20:4 D(5, 8, 11, 14) CH3(CH2)3-(CH2-CH=CH)4-(CH2)3COOH Ácido araquidônico Quadro 1 – Ácidos graxos de ocorrência natural Fonte: adaptado de Decker e McClements (2010 apud DAMODARAN; PARKIN; FENNEMA, 2010). O O O O O O Triglicerídeos Figura 9 – Triglicerídeo monoinsaturado Fonte: elaborada pelo autor. Lipoproteínas • Classificação quanto à densidade: • Quilomícrons: transportam os lipídeos da dieta por meio da linfa e sangue do intestino para os músculos. Estão presente somente após as refeições; • Lipoproteínas de densidade muito baixa (VLDL). • Lipoproteínas de baixa densidade (LDL). • Lipoproteínas de alta densidade (HDL). Teoria em Prática Bloco 4 Oswaldo Kameyama Exercício • Uma empresa madeireira que atua com reflorestamento e fornecimento de madeira processada para a construção civil e manufatura de móveis, precisa agregar valor a um subproduto pouco valorizado. • Para tanto, pretende ampliar seu campo de atuação e a sugestão do diretor é que a serragem resultante do processamento e corte das toras em tábuas fosse usada para produção de álcool com fins industriais. • Você é um engenheiro de bioprocessos e foi contratado para prestar uma consultoria para esta empresa, e de início, já percebeu que as intenções era boas, mas não factíveis. No relatório, você deve: A) Representar a molécula de celulose, demonstrando a ligação glicosídica. B) A partir dessa representação, explicar porque a celulose não pode ser utilizada como um carboidrato substituto ao amido na fermentação alcoólica. Norte para resolução • Apesar da celulose ser um carboidrato formado por resíduos de glicose, assim como o amido, esse não pode ser utilizado na fermentação alcoólica como é feito com o amido. • A Figura 10 ilustra a formação da ligação glicosídica b (14) na formação da celulose, formada por n moléculas de glicose. • A Figura 11 ilustra a diferença entre as ligações glicosídicas na formação da molécula de celulose e na formação da molécula do amido. Norte para resolução 1 23 4 5 6 b O OH OH OHH H H OHH H H O OH OH OHH H H OHH H H O 1 23 4 5 6 b O OH OH OH OHH H H OHH H OH H 1 23 4 5 6 b O OH OH OH OHH H H OHH H OH H 1 23 4 5 6 b H2O Figura 10 – Formação da ligação glicosídica b (14) na formação da celulose Fonte: elaborada pelo autor. Modificação de lipídeos 1 23 4 5 6 b O OH OH OHH H H OHH H H O OH OH OHH H H OHH H H O 1 23 4 5 6 b 1 23 4 5 6 a 1 23 4 5 6 O OH OH OHH H H OHH H H O OH OH OHH H H OHH H H O a Figura 11 – Comparação entre as ligações glicosídicas b (14) na formação da celulose e a (14) na formação do amido Fonte: elaborada pelo autor. Celulose Amido Dicas do(a) Professor(a) Bloco 5 Oswaldo Kameyama Indicação de leitura 1 A leitura das unidades 1 e 2 proporcionará a fixação do conteúdo básico de bioqímica, assim como um aprimoramento dos conhecimentos sobre os assuntos abortados até aqui. Referência: HONORIO, R. et al. Bioquímica básica. Londrina: Editora e Distribuidora Educacional S.A., 2014. • Unidade 1, seções 2 e 4 • Unidade 2, seções 2 e 4. Indicação de leitura 2 Este trabalho demonstra como é possível modificar moléculas a fim de uma melhor aplicação tecnológica. Referência: BERNARDO, C. O.; ASCHERI, J. L. R., CARVALHO, C. W. P. de. Efeito do ultrassom na extração e modificação de amidos. Ciência Rural, Santa Maria, v. 46, n. 4, p. 739-746, 2016. Dica do Professor As moléculas orgânicas e bioquímicas podem ser desenhadas através do software gratuito ACD/ChemSketch Referências BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica, 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2021. CAMPBELL, M. K.; FARREL, S. Bioquímica (combo). 5. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. DECKER, E. A.; McCLEMENTS, D. J. Lipídeos. In: DAMODARAN, S.; PARKIN, K. L.; FENNEMA, O. R. Química de Alimentos de Fennema. 4. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2019. Bons estudos! WBA1112_v1.0 Bioquímica Aminoácidos, peptídeos e proteínas Aminoácidos Bloco 1 Oswaldo Kameyama Aminoácidos • Aminoácidos são as moléculas básicas que constituem as proteínas. • Embora existam 300 aminoácidos, 20 deles são os mais encontrados nas células. • Aminoácidos essenciais: triptofano, fenilalanina, leucina, valina, isoleucina, lisina, treonina, metionina e histidina. Figura 1 – Aminoácido Fonte: ttsz/iStock.com. Aminoácidos Fonte: Gstraub/iStock.com. Figura 2 – Estrutura dos 20 aminoácidos encontrados nas células Titulação do aminoácidos • O ponto isoelétrico é o valor do pH na qual um aminoácido está eletricamente neutro. Figura 3 – Titulação da glicina 2 pKpK PI 21 + = Fonte: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2274184/m od_resource/content/0/Resumo_09_Gr07.pdf. Acesso em: 18 mar. 2022. (Equivalentes) Titulação do aminoácidos Figura 4 – Efeito da titulação na carga da glicina Fonte: elaborada pela autora. NH3 + OHO H H NH3 + O –O H H NH2 O –O H H pK 1 pK 2 Aminoácidos, peptídeos e proteínas Peptídeos Bloco 2 Oswaldo Kameyama Ligação peptídica Figura 5 – Formação da ligação peptídica Fonte: ttsz/iStock.com. Peptídeos • Possuem funções como: • Nutricional, por ser fonte de nitrogênio para a síntese de aminoácidos e bases nitrogenadas e também fonte de aminoácidos. • Gerar sabor, em queijos durante a maturação, pela proteólise formando peptídeos curtos e médios. • Hormonal, como a oxitocina que induz o parto e a vasopressina que controla a pressão sanguínea. • Antibióticos, como a gramicidina S e tirocidina. Peptídeos Fonte: Bacsica/iStock.com. Figura 6 – Aspartame Peptídeos Fonte: PeterHermesFurian/iStock.com. Figura 7 – Peptídeos doces Peptídeos Fonte: Bacsica/íStock.com. Figura 8 – Glutationa Aminoácidos, peptídeos e proteínas Proteínas Bloco 3 Oswaldo Kameyama Proteínas Figura 9 – Estruturas da proteína Fonte: ttsz/iStock.com. Proteínas Figura 10 – Transcrição da informação genética Fonte: VectorMine/iStcok.com. Proteínas Figura 11 – Transcrição da informação genética Fonte: VectorMine/iStock.com. Proteínas Fonte: Aldona/iStock. Figura 12 – Desnaturação e renaturação proteica Proteína normal Desnaturação Teoria em Prática Bloco 4 Oswaldo Kameyama Eletroforese • Eletroforese é um processo de separaçãode moléculas utilizando o peso molecular e a carga elétrica da molécula. • Nesse processo, amostras são colocadas em pequeno poços em um meio de ágar e em seguida são aplicadas correntes elétricas. Figura 13 – Eletroforese Fonte: onsmyphotos/TK 1993/iStock.com. Eletroforese Figura 14 – Metodologia de análise de proteína por eletroforese Fonte: VectorMine/iStock.com. Eletroforese Figura 15 – Resultado da separação na eletroforese Fonte: Nikolay Chaban/iStock.com. Dicas do(a) Professor(a) Bloco 5 Oswaldo Kameyama Prezado aluno, as indicações a seguir podem estar disponíveis em algum dos parceiros da nossa Biblioteca Virtual (faça o login através do seu AVA). Algumas indicações também podem estar disponíveis em sites acadêmicos como o Scielo, repositórios de instituições públicas, órgãos públicos, anais de eventos científicos ou periódicos científicos, acessíveis pela internet. Isso não significa que o protagonismo da sua jornada de autodesenvolvimento deva mudar de foco. Reconhecemos que você é a autoridade máxima da sua própria vida e deve, portanto, assumir uma postura autônoma nos estudos e na construção da sua carreira profissional. Por isso, te convidamos a explorar todas as possibilidades da nossa Biblioteca Virtual e além! Sucesso! Leitura Fundamental Indicação de leitura 1 Esta leitura proporcionará a fixação do conteúdo, assim como um aprimoramento do conhecimentos sobre os assuntos abordados até aqui. Referência: SILVA, G.S. Bioquímica Geral. Londrina: Editora e Distribuidora Educacional S.A., 2019. • Unidade 2, seções 1 e 2. Indicação de leitura 2 Aqui, você poderá conhecer o que é proteômica e os benefícios desse ramo da ciência. Referência: EMIDIO, N. B. et al. Proteômica: uma introdução aos métodos e aplicações. HU Revista, Juiz de Fora, v. 41, n. 3 e 4, p. 101-111, 2015. • Simulador de eletroforese em gel Lab Change; • Vídeo Eletroforese de Proteínas do canal no youtube profcharllysena. Dica do Professor Referências BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2021. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2019. CAMPBELL, M. K.; FARREL, S. Bioquímica. 5. ed. São Paulo: Cengange Learning, 2011. Bons estudos! WBA1112_v1.0 Bioquímica Enzimas. Propriedades das enzimas. Mecanismos de ação. Enzimas Bloco 1 Oswaldo Kameyama Reação enzimática • Enzimas são proteínas com função catalítica, ou seja, aceleram as reações bioquímicas. S + E ES P + E Figura 1 – Reação enzimática esquemática Fonte: elaborada pelo autor. Sítio ativo Fonte: ttsz/iStock.com. Figura 2 – Enzima e o sítio ativo Energia de ativação Figura 3 – Energia de ativação de uma reação sem enzima (linha vermelha) e com enzima (linha azul) Fonte: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7a/ActivationE nergyInt.svg/1280px-ActivationEnergyInt.svg.png. Acesso em: 22 mar. 2022. Classificação Classe da enzima Tipo de reação catalisada Oxidorredutases Reações do oxidação-redução. Transferases Transferência de grupos funcionais. Hidrolases Reações de hidrólise. Liases Remoção de grupos para formar ligações duplas. Isomerases Isomerização. Ligases Formação de ligações entre duas moléculas. Tabela 1 – Classificação das enzimas conforme sua função segundo IUBMB Fonte: elaborada pelo autor. Enzimas. Propriedades das enzimas. Mecanismos de ação. Propriedades das enzimas. Bloco 2 Oswaldo Kameyama Fatores que afetam a ação da enzima Fonte: Trinset/iStock.com. Figura 4 – Fatores que afetam a ação da enzima Temperatura Figura 5 – Efeito da temperatura baixa até a ótima na ação enzimática Fonte: elaborada pelo autor. Temperatura elevada e pH Fonte: Aldona/iStock.com. Figura 6 – Desnaturação e renaturação proteica/enzimática Concentração S + E ES P + E Figura 7 – Reação enzimática esquemática Fonte: elaborada pelo autor. Enzimas. Propriedades das enzimas. Mecanismos de ação. Mecanismos de ação. Bloco 3 Oswaldo Kameyama Proteínas Figura 8 – Reação de catálise e anabólica Fonte: ttsz/iStock.com. Mecanismo de ação da enzima Fonte: Trinset/iStock.com. Figura 9 – Mecanismo chave-fechadura (esquerda) e mecanismo induzido (direita). Ativação enzimática Fonte: Trinset/iStock.com. Figura 10 – Mecanismo de ativação enzimática Ativação enzimática Fonte: Trinset/iStock.com. Figura 11 – Mecanismo de ativação através do sítio alostérico Inibição enzimática Fonte: ttsz/iStock.com. Figura 12 – Mecanismos de inibição enzimática pelo sítio ativo (esquerda) e pelo sitio alostérico (direita) Teoria em Prática Bloco 4 Oswaldo Kameyama Exercício • A reação de hidrólise de acetilcolina (substrato) é inibida por prostigmina, conforme estudos de Eadie em 1942, que determinou tratar-se de uma inibição competitiva, ou seja, a prostigmina liga-se ao sítio ativo da enzima responsável pela hidrolise da acetilcolina. Desta forma, a velocidade da reação é menor do que se não houvesse o inibidor. • Represente as reações que esquemáticas para a reação na presença e na ausência da prostigmina. • O que acontece se aumentarmos a quantidade de enzimas? • O que acontece se aumentarmos a quantidade de substrato? Resolução Represente as reações que esquemáticas para a reação na presença e na ausência da prostigmina. S + E ES P + E Reação enzimática sem inibidor: S + I EI Não há reação. Reação enzimática com inibidor: S + E ES P + E Resolução O que acontece se aumentarmos a quantidade de enzimas? [E] < [I] [E] = [I] [E] > [I] Figura 13 – Representação do encaixe enzima substrato Fonte: elaborada pelo autor. Resolução O que acontece se aumentarmos a quantidade de substrato? [S] = [I] [S] > [I] [S] >>> [I] Figura 14 – Representação do encaixe enzima substrato Fonte: elaborada pelo autor. Dicas do(a) Professor(a) Bloco 5 Oswaldo Kameyama Prezado aluno, as indicações a seguir podem estar disponíveis em algum dos parceiros da nossa Biblioteca Virtual (faça o login através do seu AVA). Algumas indicações também podem estar disponíveis em sites acadêmicos como o Scielo, repositórios de instituições públicas, órgãos públicos, anais de eventos científicos ou periódicos científicos, acessíveis pela internet. Isso não significa que o protagonismo da sua jornada de autodesenvolvimento deva mudar de foco. Reconhecemos que você é a autoridade máxima da sua própria vida e deve, portanto, assumir uma postura autônoma nos estudos e na construção da sua carreira profissional. Por isso, te convidamos a explorar todas as possibilidades da nossa Biblioteca Virtual e além! Sucesso! Leitura Fundamental Indicação de leitura 1 Esta leitura proporcionará a fixação do conteúdo, assim como um aprimoramento do conhecimentos sobre os assuntos abortados até aqui. Recomenda- se a leitura da Unidade 2 (seção 3). Referência: SILVA, G. S. Bioquímica Geral. Londrina: Editora e Distribuidora Educacional S.A., 2019. Indicação de leitura 2 Nesta revisão bibliográfica, você poderá encontrar diversas aplicações industriais das enzimas e verificar a aplicação dos conhecimentos teóricos. Referência: MONTEIRO, V. N.; SILVA, R. N. Aplicações Industriais da Biotecnologia Enzimática. Revista Processos Químicos, Goiânia, v. 3, n. 5, 2009. Dica do professor Vídeo Imobilização de Enzima em Alginato, disponível no canal no YouTube CHE_ENV_BIO at FEUP: Building a Better Generation! Referências BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2021. CAMPBELL, M. K.; FARREL, S. Bioquímica. 5. ed. Cengange Learning, 2011. COELHO, M. A. Z.; SALGADO, A. M.; RIBEIRO, B. D. Tecnologia Enzimática. Curitiba: Editora EPUB. 2008. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2019.Bons estudos! WBA1112_v1.0 Bioquímica Metabolismo energético Glicólise Bloco 1 Oswaldo Kameyama Ciclo de energia Figura 1 – Ciclo de energia Fonte: elaborada pelo autor. Catabolismo (produção de energia). Anabolismo (utilização de energia). ATP NADH ATP + Pi NAD+ Requerimento de energia • Um homem de 70 kg, sedentário, requer certa de 10.000 kJ de energia. • A energia liberada pelo ATP é de 30,5 kJ/mol. • O indivíduo adulto acima requer 165 kg de ATP. • Em média, o corpo possui 50 g de ATP. • O ATP é formado e consumido cerca de 3.000 vezes a cada 24 horas. • Caso semelhante ocorre com as moléculas de NAD+ e FAD, necessitando ser regeneradas para continuação do metabolismo. Glicólise Figura 2 – Glicólise Glicólise Fonte: chromatos/ iStock.com. Metabolismo energético Conversão do piruvato em Acetil-CoA Clico de Krebs Bloco 2 Oswaldo Kameyama Oxidação do Piruvato a Acetil-CoA • A reação é catalisada por um conjunto de três enzimas: • Piruvato-desidrogenase. • Diidrolipoil-transacetilase. • Diidrolipoil-desidrogenase. • Ainda há a necessidade de cinco coenzimas. • Acetil-CoA pode ser formado a partir de outros compostos, além do piruvato: • O acetil-CoA pode ser formado a partir da degradação de ácidos graxos, provenientes dos triglicerídeos armazenados. • Aminoácidos provenientes da degradação de proteínas. • Corpos cetônicos. Oxidação do Piruvato a Acetil-CoA Fonte: elaborada pelo autor. Figura 3 – Reação esquemática e resumida da oxidação do piruvato em Acetil-CoA O O O – CH 3 O CH 3 S-CoA + CO 2 CoA-SH NAD+ TTP, Lipoamina, FAD NADH Ciclo de Krebs Figura 4 – Reações do ciclo de Krebs Fonte: chromatos/ iStock.com. Metabolismo energético Cadeia Respiratória. Processos Fermentativos. Bloco 3 Oswaldo Kameyama Cadeia respiratória de elétrons Figura 5 – Processo de transporte de elétrons do NADH ao longo dos citocromos na cadeia transportadora de elétrons até o aceptor final de elétrons Fonte: Kallayanee Naloka/ iStock.com. Respiração Fonte: VectorMine/ iStock.com. Figura 6 –Resumo do processo de respiração. Obtenção de energia na respiração Quadro 1 – Quantidade de energia e potencial energético gerados Etapa NADH FADH2 ATP Glicólise 2 - 2 Piruvato à Acetil-CoA 2 - Ciclo do Ácido Cítrico 6 2 2 (GTP) Total 10 2 4 Quantidades ATPs correspondentes NADH 10 30 FADH2 2 4 ATP e GTP 4 4 Total 38 Quadro 2 – Quantidade de ATPs produzidos para cada glicose utilizada Fonte: elaborado pelo autor. Fonte: elaborado pelo autor. Fermentação Fonte: Trinset/ iStock.com. Figura 7 – Obtenção de energia na ausência de oxigênio Teoria em Prática Bloco 4 Oswaldo Kameyama Simulação virtual • Utilizaremos um simulador virtual, que pode ser replicado facilmente em casa, para observar a teoria na prática. • Trata-se de um simulador gratuito e sem necessidade de inscrição: Virtual Lab: Yeast Fermentation Experiment, da Escola de Ciências da Vida da Universidade de Hong Kong. • Para acessar, faça uma busca com Virtual Lab:Yeast Fermentation Experiment, no sistema de busca do seu navegador. Dicas do(a) Professor(a) Bloco 5 Oswaldo Kameyama Prezado aluno, as indicações a seguir podem estar disponíveis em algum dos parceiros da nossa Biblioteca Virtual (faça o login através do seu AVA). Algumas indicações também podem estar disponíveis em sites acadêmicos como o Scielo, repositórios de instituições públicas, órgãos públicos, anais de eventos científicos ou periódicos científicos, acessíveis pela internet. Isso não significa que o protagonismo da sua jornada de autodesenvolvimento deva mudar de foco. Reconhecemos que você é a autoridade máxima da sua própria vida e deve, portanto, assumir uma postura autônoma nos estudos e na construção da sua carreira profissional. Por isso, te convidamos a explorar todas as possibilidades da nossa Biblioteca Virtual e além! Sucesso! Leitura Fundamental Indicação de leitura 1 Esta leitura proporcionará a fixação do conteúdo de metabolismo energético aeróbio e anaeróbio, assim como um aprimoramento do conhecimentos sobre os assuntos abordados até aqui. Referência: SILVA, G. S. Bioquímica Geral. São Paulo: Editora e Distribuidora Educacional S.A., 2019. • Unidade 3, seção 2 e 3. Indicação de leitura 2 Nesta revisão bibliográfica, você poderá observar o efeito da aeração em processos biotecnológicos. Referência: NASCIMENTO, J. Estudo do efeito da aeração do mosto nas características do processo cervejeiro. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Química), Escola de Engenharia de Lorena. São Paulo: Universidade Estadual de São Paulo, 2011. Dica do(a) Professor(a) Assista ao vídeo, no Youtube, Como fazer fermento natural, do canal Pão da Casa. Nos pontos, o apresentador fala: • Misture muito para aerar: lembre que deseja multiplicação celular, que necessita de grandes quantidades de energia, assim, o processo respiratório é desejável. • A aeração mostrada após cinco dias, é gás carbônico produzido pela fermentação, já que, após algum tempo, depois do início do processo e agitação, o oxigênio se esgota e o processo de fermentação ocorre. • O vidro de armazenamento não é fechado, isso permite a entrada de ar e, assim, pequenas quantidades de oxigênio. Referências BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2021. CAMPBELL, M. K.; FARREL, S. Bioquímica. 5. ed. São Paulo: Cengange Learning, 2011. NASCIMENTO, J. Estudo do efeito da aeração do mosto nas características do processo cervejeiro. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Química), Escola de Engenharia de Lorena. São Paulo: Universidade Estadual de São Paulo, 2011. Disponível em: https://sistemas.eel.usp.br/bibliotecas/monografias/2011/MEQ1 1006.pdf. Acesso em: 1 abril 2022. NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2019. Bons estudos! Podcast Disciplina: Bioquímica Título do tema: Água. Solução tampão. Lipídeos. Carboidratos Autoria: Oswaldo Kameyama Leitura crítica: Larissa Barbosa de Paula Abertura: Olá, ouvinte! Nesse podcast veremos que as biomoléculas estudadas na bioquímica podem ser alteradas, mesmo depois de formadas. Aqui falaremos da modificação de biomoléculas. Acredito que muitos de vocês já ouviram falar sobre engenharia genética, melhoramento gênico ou transgênicos. Muitas dessas técnicas são importantes para as transformações de estruturas e moléculas produzidas pelos organismos. Mas você já ouviu falar sobre alterar a estrutura de uma molécula já formada? Este não é um conceito novo, já na década de 1970 estudos já haviam iniciado e em 1977 uma primeira patente para um rearranjo catalítico de ácidos graxos foi registrada pela Unilever. Na década de 1990 esse movimento de alteração de moléculas ganhou força com a discussão sobre o consumo de gordura saturada, gordura trans, necessidade de redução dos níveis de colesterol LDL e aumento de doenças cardíacas. Contudo, reações catalíticas já desenvolvidas apresentavam deficiências, já que são aleatórias e, assim, o rearranjo molecular gerava tanto as alterações desejadas, como as indesejadas. Ainda, essas reações produziam resíduos químicos. Uma solução deveria ser encontrada e logo os olhos voltaram-se para as lipases, pois a partir destas enzimas nós poderíamos gerar as alterações desejadas apenas, graças a sua especificidade. No enteando, seria necessário encontrar lipases capazes de realizar as tarefas desejadas ou modificar geneticamente organismos para produzi-las. Assim, iniciou-se a busca por lipases capazes de realizar satisfatoriamente reações de transesterificação e interesterificação. Para entender o que são essas reações, lembre-se que o triglicerídeo, é uma molécula formada pela união de três ácidos graxos, que podem ser iguais ou diferentes, à um
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