bioquímica básica e metabolismo

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Indaial – 2023
e MetabolisMo
Prof. Tetsade Camboim Bezerra Piermartiri
2a Edição
bioquíMica básica
Elaboração:
Prof. Tetsade Camboim Bezerra Piermartiri
Copyright © UNIASSELVI 2023
 Revisão, Diagramação e Produção: 
Equipe Desenvolvimento de Conteúdos EdTech 
Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI
Ficha catalográfica elaborada pela equipe Conteúdos EdTech UNIASSELVI
Impresso por:
C397 CENTRO UNIVERSITÁRIO LEONARDO DA VINCI.
Núcleo de Educação a Distância. PIERMARTIRI, Tetsade Camboim Bezerra.
Bioquímica Básica e Metabolismo. Tetsade Camboim Bezerra Piermartiri. 
Indaial - SC: Arqué, 2023.
246p.
ISBN 978-85-459-2345-9
ISBN Digital 978-85-459-2342-8
“Graduação - EaD”.
1. Bioquímica 2. Básica 3. Metabolismo 
CDD 572Bibliotecário: João Vivaldo de Souza CRB- 9-1679
A bioquímica é um campo interdisciplinar que busca entender as substâncias 
e os processos químicos que ocorrem nos organismos vivos. Ele investiga os princípios 
fundamentais de organização que são cruciais para a existência da vida. Ao examinar 
os componentes químicos e celulares dos organismos vivos, a bioquímica nos ajuda 
a entender as propriedades da água e a estrutura e função de biomoléculas como 
proteínas, carboidratos, lipídios e ácidos nucléicos. Além disso, a bioquímica explora 
as reações químicas que ocorrem dentro das células, fornecendo informações sobre 
os processos metabólicos que sustentam a vida. Assim, a bioquímica é um campo vital 
que nos ajuda a entender as unidades que em conjunto formam a vida e as intrincadas 
reações químicas que permitem que os organismos vivos funcionem.
O metabolismo é um subconjunto da bioquímica que se concentra nas reações 
químicas necessárias para manter a vida em um organismo. Essas reações são regidas 
pelas leis da termodinâmica e da bioenergética, que ditam a conversão dos alimentos 
em energia e a eliminação dos resíduos. O processo de catabolismo é responsável por 
quebrar moléculas para liberar energia, enquanto o anabolismo envolve a síntese de 
moléculas necessárias para a vida.
A respiração celular é um aspecto fundamental do catabolismo, pois é o processo 
pelo qual a energia é extraída das moléculas dos alimentos e usada para produzir ATP 
(trifosfato de adenosina), que é a moeda energética das células. Essa energia é então 
usada para várias funções celulares, como síntese de proteínas, replicação do DNA e 
transporte de moléculas através da membrana celular. O metabolismo desempenha um 
papel vital na sobrevivência e no bem-estar de um organismo, garantindo que a energia 
esteja disponível para realizar as reações químicas necessárias que sustentam a vida.
Juntos, a bioquímica e o metabolismo fornecem uma compreensão fundamental 
dos processos biológicos que sustentam a vida.
Este livro didático Bioquímica Básica e Metabolismo busca simplificar e explicar 
de forma concisa os princípios fundamentais e termos-chave no campo da bioquímica e é 
um excelente ponto de partida para aqueles que buscam expandir seus conhecimentos. 
Abrange os tópicos essenciais dos principais textos de bioquímica, como “Nelson & Cox – 
Princípios da Bioquímica”, “Berg & Stryer - Bioquímica” e “Rodwell - Bioquímica ilustrada 
de Harper” que são cruciais para o ensino da disciplina de bioquímica nas universidades.
Para facilitar a compressão, os assuntos foram separados em três unidades, 
com a bioquímica humana como foco principal. A Unidade 1 fornece uma introdução aos 
fundamentos da bioquímica, estabelecendo as bases para o entendimento da disciplina. 
A unidade 2 investiga o tópico das macromoléculas que são essenciais para a vida, 
APRESENTAÇÃO
GIO
Olá, eu sou a Gio!
No livro didático, você encontrará blocos com informações 
adicionais – muitas vezes essenciais para o seu entendimento 
acadêmico como um todo. Eu ajudarei você a entender 
melhor o que são essas informações adicionais e por que você 
poderá se beneficiar ao fazer a leitura dessas informações 
durante o estudo do livro. Ela trará informações adicionais 
e outras fontes de conhecimento que complementam o 
assunto estudado em questão.
Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos 
os acadêmicos desde 2005, é o material-base da disciplina. 
A partir de 2021, além de nossos livros estarem com um 
novo visual – com um formato mais prático, que cabe na 
bolsa e facilita a leitura –, prepare-se para uma jornada 
também digital, em que você pode acompanhar os recursos 
adicionais disponibilizados através dos QR Codes ao longo 
deste livro. O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura 
interna foi aperfeiçoada com uma nova diagramação no 
texto, aproveitando ao máximo o espaço da página – o que 
também contribui para diminuir a extração de árvores para 
produção de folhas de papel, por exemplo.
Preocupados com o impacto de ações sobre o meio ambiente, 
apresentamos também este livro no formato digital. Portanto, 
acadêmico, agora você tem a possibilidade de estudar com 
versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador.
Preparamos também um novo layout. Diante disso, você 
verá frequentemente o novo visual adquirido. Todos esses 
ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos 
nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, 
para que você, nossa maior prioridade, possa continuar os 
seus estudos com um material atualizado e de qualidade.
incluindo proteínas, carboidratos, lipídios e ácidos nucleicos. Finalmente, a Unidade 3 
aborda o metabolismo, os processos complexos que ocorrem dentro de nossas células 
para sustentar a vida. 
O estudo da bioquímica é essencial para nossa compreensão do mundo natural 
e tem implicações significativas para a saúde humana. À medida que continuamos a 
explorar as complexidades dos organismos vivos, ganhamos novos conhecimentos 
sobre as maravilhas da vida e o potencial para melhorar o bem-estar humano.
Bons estudos!
Prof. Tetsade Camboim Bezerra Piermartiri 
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dinamizar, ainda mais, os seus estudos –, nós disponibilizamos uma diversidade de QR Codes 
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SUMÁRIO
UNIDADE 1 - FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA .................................................................... 1
TÓPICO 1 - INTRODUÇÃO À BIOQUÍMICA .............................................................................3
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................................3
2 BREVE HISTÓRICO DA BIOQUÍMICA ..................................................................................3
3 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA MATÉRIA VIVA ......................................................................53.1 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ............................................................................................................ 5
RESUMO DO TÓPICO 1 ......................................................................................................... 13
AUTOATIVIDADE ..................................................................................................................14
TÓPICO 2 - ARQUITETURA CELULAR ................................................................................. 17
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 17
2 FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR ........................................................................ 17
2.1 AS CÉLULAS PROCARIONTES ..........................................................................................................25
2.2 AS CÉLULAS EUCARIONTES ............................................................................................................ 27
RESUMO DO TÓPICO 2 ......................................................................................................... 31
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................. 32
TÓPICO 3 - A ÁGUA ............................................................................................................. 35
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 35
2 ESTRUTURA DA MOLÉCULA DE ÁGUA ........................................................................... 36
2.1 PROPRIEDADES DA ÁGUA ................................................................................................................. 37
2.2 INTERAÇÕES FRACAS EM SISTEMAS AQUOSOS ....................................................................... 40
3 OSMOMETRIA ................................................................................................................... 41
4 pH E SISTEMAS TAMPÃO BIOLÓGICOS .......................................................................... 43
5 A ÁGUA COMO REAGENTE ............................................................................................... 49
LEITURA COMPLEMENTAR ................................................................................................ 52
RESUMO DO TÓPICO 3 ........................................................................................................ 55
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................. 56
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 58
UNIDADE 2 — AS MACROMOLÉCULAS E SUAS FUNÇÕES ................................................59
TÓPICO 1 — ESTRUTURA E FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS ...................................................... 61
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 61
2 AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS ................................................................... 63
2.1 CLASSIFICAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS ............................................................................................65
2.2 LIGAÇÃO PEPTÍDICA .......................................................................................................................... 67
3 ESTRUTURA DAS PROTEINAS  ....................................................................................... 68
4 CLASSIFICAÇÃO DAS PROTEINAS E FUNÇÃO ...............................................................73
5 ENZIMAS E CATÁLISE .......................................................................................................76
5.1 FUNÇÃO DOS CATALISADORES ENZIMÁTICOS ............................................................................78
5.2 CINÉTICA ENZIMÁTICA ..................................................................................................................... 80
5.3 REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA ................................................................................... 84
5.4 COENZIMAS E VITAMINAS ................................................................................................................85
RESUMO DO TÓPICO 1 .........................................................................................................87
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................. 88
TÓPICO 2 - ESTRUTURA E FUNÇÃO DE CARBOIDRATOS E LIPÍDIOS .............................. 91
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 91
2 CARBOIDRATOS ................................................................................................................ 91
2.1 MONOSSACARÍDEOS .......................................................................................................................... 91
2.2 DISSACARÍDEOS E OLIGOSSACARÍDEOS .....................................................................................96
2.3 POLISSACARÍDEOS ............................................................................................................................ 97
3 GLICOCONJUGADOS ......................................................................................................100
4 LIPÍDIOS ..........................................................................................................................103
4.1 ÁCIDOS GRAXOS ................................................................................................................................103
4.2 TRIGLICERÍDEOS ...............................................................................................................................104
5 MEMBRANAS BIOLÓGICAS E TRANSPORTE  ................................................................107
5.1 TRANSPORTE DE BIOMOLÉCULAS ...............................................................................................112
RESUMO DO TÓPICO 2 ....................................................................................................... 118
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................120
TÓPICO 3 - AS MACROMOLÉCULAS DA INFORMAÇÃO GENÉTICA .................................123
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................123
2 ESTRUTURA E FUNÇÃO DOS ÁCIDOS NUCLEICOS ......................................................123
2.1 NUCLEOTÍDEOS ................................................................................................................................ 123
2.2 ESTRUTURA DO DNA   ..................................................................................................................... 127
2.3 ESTRUTURA DO RNA  ...................................................................................................................... 129
3 TRANSMISSÃO DO MATERIAL GENÉTICO   ................................................................... 131
3.1 REPLICAÇÃO .....................................................................................................................................131
3.2 TRANSCRIÇÃO .................................................................................................................................. 135
LEITURA COMPLEMENTAR ...............................................................................................139
RESUMO DO TÓPICO 3 ...................................................................................................... 144
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................145REFERÊNCIAS .................................................................................................................... 147
UNIDADE 3 — PRINCIPAIS VIAS DO METABOLISMO E PROCESSOS 
 BIOENERGÉTICOS .....................................................................................149
TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO À BIOENERGÉTICA E AO METABOLISMO .............................. 151
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 151
2 PRINCÍPIOS DA BIOENERGÉTICA E TERMODINÂMICA ................................................152
2.1 PRINCIPAIS REAÇÕES BIOQUIMICAS ........................................................................................... 156
3 VISÃO GERAL DO METABOLISMO ..................................................................................159
RESUMO DO TÓPICO 1 .......................................................................................................163
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................164
TÓPICO 2 - METABOLISMO DE LIPÍDIOS, AMINOÁCIDOS E NUCLEOTÍDEOS ................165
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................165
2 METABOLISMO DE LIPÍDIOS E ÁCIDOS GRAXOS ..........................................................165
2.1 DIGESTÃO, MOBILIZAÇÃO E TRANSPORTE DE GORDURAS .................................................. 166
2.2 BETA-OXIDAÇÃO DE ÁCIDOS GRAXOS ......................................................................................168
2.3 CETOGÊNESE .................................................................................................................................... 173
2.4 BIOSSÍNTESE DE ÁCIDOS GRAXOS SATURADOS ..................................................................... 174
2.5 BIOSSÍNTESE DE ÁCIDOS GRAXOS INSATURADOS ................................................................ 178
2.6 BIOSSÍNTESE DE TRIACILGLICERÕIS E GLICEROFOSFOLIPÍDEOS ......................................180
2.7 METABOLISMO DO COLESTEROL ..................................................................................................180
2.8 LIPOPROTEÍNAS ...............................................................................................................................182
2.9 REGULAÇÃO METABOLISMOS DE LIPÍDIOS ..............................................................................185
3 METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS .................................................................................187
3.1 DIGESTÃO DE PROTEÍNAS ..............................................................................................................188
3.2 TRANSAMINAÇÃO E DESAMINAÇÃO ..........................................................................................189
3.3 EXCREÇÃO DE NITROGÊNIO E CICLO DA UREIA   .....................................................................191
3.4 BIOSSÍNTESE DE AMINOÁCIDOS ................................................................................................. 194
4 METABOLISMO DE NUCLEOTÍDEOS  ............................................................................. 197
4.1 BIOSSINTESE DE NUCLEOTIDEOS ............................................................................................... 197
4.2 CATABOLISMO DE PURINAS E DE PIRIMIDINAS ....................................................................... 199
RESUMO DO TÓPICO 2 ...................................................................................................... 200
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................201
TÓPICO 3 - METABOLISMO DE CARBOIDRATOS E BIOENERGÉTICA ........................... 203
1 INTRODUÇÃO À RESPIRAÇÃO CELULAR ...................................................................... 203
2 GLICÓLISE ..................................................................................................................... 205
2.1 FASE PREPARATÓRIA ......................................................................................................................207
2.2 FASE DE PAGAMENTO ...................................................................................................................208
2.3 FERMENTAÇÃO .................................................................................................................................210
3 GLICONEOGÊNESE .........................................................................................................212
4 VIA DAS PENTOSES FOSFATO ......................................................................................215
5 METABOLISMO DO GLICOGÊNIO ....................................................................................218
6 CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO ............................................................................................ 222
7 REGULAÇÃO ................................................................................................................... 225
7.1 REGULAÇÃO DA GLICOLISIS .......................................................................................................... 225
7.2 REGULAÇÃO DA GLICONEOGENESE ...........................................................................................227
7.3 REGULAÇÂO DO GLICOGENIO ..................................................................................................... 228
7.4 REGULAÇÃO DO CICLO DE KREBS .............................................................................................. 230
8 TRANSPORTE DE ELÉTRONS, CADEIA RESPIRATÓRIA E FOSFORILAÇÃO 
 OXIDATIVA ...................................................................................................................... 230
LEITURA COMPLEMENTAR ...............................................................................................241
RESUMO DO TÓPICO 3 ...................................................................................................... 243
AUTOATIVIDADE ............................................................................................................... 244
REFERÊNCIAS ................................................................................................................... 246
1
UNIDADE 1 - 
FUNDAMENTOS DE 
BIOQUÍMICA
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
PLANO DE ESTUDOS
A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:
• compreender a composição química da matéria viva e as estruturas tridimensionais 
das moléculas biológicas;
• comparar e contrastar as estruturas presentes nas células procarióticas e células 
eucarióticas;
• entender como as células obtêm energia e carbono;
• descrever as propriedades da água que são essenciais para a manutenção da vida.
A cada tópico desta unidade você encontrará autoatividades com o objetivo de 
reforçar o conteúdo apresentado.
TEMA DE APRENDIZAGEM 1 – INTRODUÇÃO À BIOQUÍMICA
TEMA DE APRENDIZAGEM 2 – ARQUITETURA CELULAR
TEMA DE APRENDIZAGEM 3 – A ÁGUA
Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure 
um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações.
CHAMADA
2
CONFIRA 
A TRILHA DA 
UNIDADE 1!
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3
INTRODUÇÃO À BIOQUÍMICA
1 INTRODUÇÃO
O nascimento da bioquímica, o estudo da química da vida, foi resultado dos 
esforços dedicados de numerosos cientistas. Hoje, continua a progredir através do 
avanço da tecnologia moderna e da pesquisa em áreas como biotecnologia e biologia 
molecular, esclarecendo muitos aspectos da saúde e da doença. 
Acadêmico, no Tema de Aprendizagem 1, abordaremos a história da bioquímica 
e em seguida a composição química da matéria viva e a estruturas tridimensionais das 
moléculas. O carbono é um elemento central na bioquímica devido à sua estruturamolecular que lhe permite formar fortes ligações covalentes com outros elementos e 
formar moléculas complexas e diversas. 
A estrutura do carbono também permite a formação de isômeros, que são 
moléculas com a mesma fórmula molecular, mas com diferentes arranjos de átomos. Essa 
diversidade na estrutura molecular desempenha um papel crítico no comportamento e 
nas interações de moléculas em organismos vivos. 
TÓPICO 1 - UNIDADE 1
2 BREVE HISTÓRICO DA BIOQUÍMICA
A bioquímica é o estudo dos processos químicos dos organismos vivos. Tem 
raízes em várias disciplinas, incluindo biologia, química e física, e foi moldado por vários 
cientistas ao longo da história. Dentre eles, destacam-se Friedrich Wöhler (1800-1882), 
um químico alemão, sendo sua descoberta considerada por alguns historiadores como 
o início da bioquímica. Em 1828, realizou a síntese de ureia (um composto encontrado 
na urina humana) a partir de materiais inorgânicos, o que desafiou a crença de que 
os seres vivos organismos só poderiam vir de matéria viva. Esta descoberta marcou o 
nascimento da química orgânica como disciplina científica.
Marcellin Berthelot (1827-1907), um químico francês considerado o fundador 
da bioenergética, estabeleceu os conceitos de reações endotérmicas e exotérmicas 
em organismos e lançou as bases para a segunda lei da termodinâmica. Ele também 
descobriu a sacarose, que chamou de "invertina".
Louis Pasteur (1822-1895), um microbiologista francês, é amplamente 
considerado o pai da bioquímica. Ele conciliou a química com a biologia e realizou extensas 
pesquisas sobre a fermentação, mostrando que ela era causada por microorganismos. 
4
Ele demonstrou o papel dos microorganismos na deterioração e na doença e lançou as 
bases para a pasteurização. Após sua morte, a bioquímica emergiu como uma disciplina 
independente no século XX.
O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina foi concedido a vários cientistas por 
seus trabalhos em bioquímica e áreas afins, porém Wöhler, Berthelot e Pasteur não 
estavam entre eles.
Em 1838, Gerhard Mulder (1802-1880), um químico holandês, descobriu uma 
substância complexa contendo enxofre no sangue, ovos e queijo e a chamou de 
"proteína" por sugestão de seu colega Jöns Jakob Berzelius (1779-1848). Isso marcou 
a identificação do primeiro composto da vida e estabeleceu Mulder como uma figura 
importante no início da história da bioquímica.
James Watson (1928 -) e Francis Crick (1916-2004) fizeram uma descoberta 
revolucionária no campo da biologia quando propuseram o modelo de dupla hélice do 
DNA em 1953 e receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1962. Esse modelo 
transformou a compreensão da replicação, armazenamento e transmissão da informação 
genética. Rosalind Franklin (1920-1958) foi uma cientista importante na descoberta da 
estrutura do DNA e que futuramente ajudaram os estudos de Watson e Crick. 
Os mecanismos da catálise enzimática, a relação enzima-substrato e o conceito 
de sítio ativo foram inicialmente desenvolvidos por Michael Polanyi (1891-1976) e J.B.S. 
Haldane (1892-1964). Mais tarde, Linus Pauling (1901-1994) acrescentou ao seu trabalho. 
Em 1913, L. Michaelis e M.L. Menten (1879-1960) estabeleceram a equação de Michaelis-
Menten, que ainda é utilizada como base para estudos de reações enzimáticas.
A estrutura tridimensional dos carboidratos foi proposta por Sir Robert Alexander 
Haworth (1883-1950), e hoje essa estrutura leva seu nome. A Coenzima A e sua relação 
com o metabolismo intermediário foi descoberta por Fritz Lipmann (1899-1986) e ele 
dividiu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1953 com Hans Adolf Krebs (1900-
1981) que descobriu os ciclos da uréia e do ácido cítrico (ciclo de Krebs).
Por último, Fred Sanger (1918-2013) merece reconhecimento como uma figura 
marcante na história da bioquímica. Ele desenvolveu uma técnica para sequenciar ácidos 
nucléicos, pela qual recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1958 e novamente em 1980.
A bioquímica continua a evoluir com o uso de tecnologias modernas e pesquisas 
em áreas como biotecnologia e biologia molecular. Esses avanços levaram novos 
tratamentos para doenças, métodos aprimorados de produção de alimentos e uma 
compreensão mais profunda dos processos fundamentais que governam a vida. 
5
3 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA MATÉRIA VIVA 
A tabela periódica é um gráfico de todos os elementos químicos conhecidos, 
organizados em ordem crescente de número atômico (Figura 1). Embora existam muitos 
elementos listados na tabela periódica, apenas alguns deles desempenham um papel 
significativo na vida na Terra e menos de 30 são essenciais para os organismos. Dentre 
esses, os quatro elementos mais abundantes nos organismos vivos são hidrogênio, 
oxigênio, nitrogênio e carbono. Esses quatro elementos, juntamente com enxofre 
e fósforo constituem aproximadamente 99% da massa de uma célula típica e são 
essenciais para a formação de moléculas orgânicas complexas necessárias à vida, 
como carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucléicos. Sem esses elementos, a vida 
como a conhecemos não seria possível.
Figura 1 – Elementos essenciais para a vida e a saúde dos animais.
Fonte : Nelson & Cox (2014, p.12)
Os elementos principais (vermelho) são componentes estruturais das células e dos 
tecidos e são necessários na dieta em uma quantidade de vários gramas por dia. Para 
os elementos-traço (amarelo), as quantidades requeridas são muito menores: para 
humanos, alguns miligramas por dia de Fe, Cu e Zn são suficientes, e quantidades 
ainda menores dos demais elementos. As necessidades mínimas para plantas e 
microrganismos são semelhantes às mostradas aqui; o que varia são as maneiras 
pelas quais eles adquirem esses elementos.
3.1 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA 
A química dos organismos vivos gira em torno do carbono, que é o esqueleto 
de todas as moléculas biológicas e desempenha um papel central na química dos 
organismos vivos. O carbono é um elemento versátil que pode participar de várias 
formas de ligação covalente com ele mesmo e com outros elementos, como hidrogênio 
(H), oxigênio (O), enxofre (S) e nitrogênio (N). Especificamente, o carbono pode formar 
6
ligações covalentes simples, duplas e triplas com esses átomos. As ligações simples são 
as mais comuns, mas as ligações duplas também são frequentemente encontradas em 
biomoléculas, como ácidos graxos e ácidos nucléicos. Em contraste, ligações triplas são 
relativamente raras em biomoléculas. 
Essas diversas capacidades de ligação permitem a criação de estruturas 
tridimensionais complexas presente nos processos biológicos necessários para a vida. 
Essas estruturas estão presentes em uma variedade de grupos funcionais constituintes das 
biomoléculas. Os grupos funcionais são responsáveis pelas reações e interações químicas 
específicas que ocorrem dentro das células vivas, e o arranjo desses grupos no espaço 
tridimensional determina a “personalidade” química geral de uma molécula (Figura 3).
Figura 2 – Alguns grupos funcionais comuns em biomoléculas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.15)
7
Os grupos funcionais estão pintados com uma cor usada para o elemento que 
caracteriza aquele grupo: cinza para C, cor salmão para O, azul para N, amarelo para 
S e cor de laranja para P. Nesta figura e em todo o livro, será usado R para representar 
“qualquer substituinte”. Ele pode ser tão simples como um átomo de hidrogênio, mas 
geralmente será um grupo contendo carbono. Quando dois ou mais substituintes 
são mostrados em uma molécula, serão designados como R1, R2 e assim por diante.
Essa “personalidade” química pode afetar o comportamento da molécula e é um 
fator crítico na determinação do papel da molécula no organismo. 
A estrutura tridimensional de uma molécula é caracterizada por sua configuração 
e conformação. A configuração refere-se ao arranjo dos átomos em relação a uma 
ligação, enquanto a conformação se refere à forma geral e ao arranjo espacial da 
molécula. Mudanças na configuração de uma molécula só podemocorrer através da 
quebra de ligações covalentes, enquanto a conformação molecular pode ser alterada 
girando em torno de ligações simples sem quebrar nenhuma ligação covalente.
Essa estrutura tridimensional é crítica na determinação das propriedades físicas 
e químicas da molécula, incluindo sua reatividade, solubilidade e estabilidade.
Os modelos de representação de moléculas são representações visuais da 
estrutura tridimensional de uma molécula. Existem três tipos principais: fórmula 
estrutural em perspectiva, modelo de esfera e bastão e volume atômico (Figura 3).
A fórmula da perspectiva estrutural mostra a molécula como uma combinação 
de linhas e símbolos, exibindo a ligação entre os átomos em uma visão em perspectiva. 
Ajuda na compreensão da estrutura molecular e suas conexões com outras moléculas. 
O modelo de esfera e bastão exibe os ângulos das ligações e os comprimentos das 
ligações como esferas (representando átomos) conectadas por cilindros (representando 
ligações). Este modelo fornece informações sobre as relações espaciais entre os átomos 
e o tamanho e a forma das moléculas. 
O modelo de volume atômico representa o raio de van der Waals de cada átomo 
como seu raio, e os contornos do modelo definem o espaço ocupado pela molécula.
8
Figura 3 – Representações das moléculas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.16)
Três maneiras de representar a estrutura do aminoácido alanina (mostrado na forma 
iônica encontrada em pH neutro). (a) Fórmula estrutural em perspectiva: uma cunha 
sólida (◄) representa uma ligação na qual o átomo se projeta para fora do plano do 
papel, na direção do leitor; a cunha tracejada, representa a ligação estendida para 
trás do plano do papel. (b) Modelo de esfera e bastão, mostrando os comprimentos 
relativos das ligações e os ângulos das ligações. (c) Modelo de volume atômico, no 
qual cada átomo é mostrado com seu raio de van der Waals relativo correto.
A estereoquímica refere-se ao estudo do arranjo dos átomos no espaço 
tridimensional, incluindo as posições relativas dos átomos e sua orientação. Compostos 
contendo carbono podem existir como estereoisômeros, que são moléculas que 
possuem as mesmas ligações na mesma formula molecular, mas diferem quanto a 
sua estrutura espacial e por isso é chamada de isomeria espacial. Essa diferença na 
configuração pode ter um impacto significativo nas propriedades da molécula, pois, 
diferentes estereoisômeros, podem ter diferentes propriedades.
Existem dois tipos de isomeria espacial: isômeros geométricos e isômeros 
ópticos (que só ocorre em moléculas quirais). 
Isômeros geométricos, também conhecidos como isômeros cis-trans, diferem no 
arranjo de seus grupos substituintes em relação a uma ligação dupla rígida (com pouca ou 
nenhuma liberdade de rotação). Os grupos podem estar em cis, do latim, significa "neste 
lado" e trans significa “através de”, ou seja, grupos em lados opostos (Figura 4).
9
Figura 4 – Configuração de isômeros geométricos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.16a)
Isômeros como o ácido maleico (maleato em pH 7) e o ácido fumárico (fumarato) 
não podem ser interconvertidos sem quebrar ligações covalentes, o que requer o 
gasto de muito mais energia do que a média da energia cinética das moléculas a 
temperaturas fisiológicas.
Um carbono tetraédrico pode se arranjado em duas configurações espaciais 
distintas, resultando em dois estereoisômeros com propriedades químicas semelhantes 
ou idênticas, mas com propriedades físicas e biológicas diferentes. 
Um átomo de carbono com quatro substituintes diferentes é considerado 
assimétrico e chamado de centro quiral (da palavra grega chiros, que significa "mão") 
(Figura 5). Uma molécula com um carbono quiral pode ter dois estereoisômeros, enquanto 
uma molécula com uma quantidade n de carbonos quirais pode ter 2n estereoisômeros. 
Figura 5 – Assimetria molecular: moléculas quirais e não quirais
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.17)
10
Quando um átomo de carbono tem quatro grupos substituintes diferentes (A, B, 
X, Y), estes podem estar arranjados de duas maneiras, que representam imagens 
especulares não sobreponíveis (enantiômeros). O átomo de carbono assimétrico é 
chamado de átomo quiral ou centro quiral. (b)Quando um carbono tetraédrico tem 
somente três grupos diferentes (isto é, o mesmo grupo ocorre duas vezes), somente 
uma configuração é possível e a molécula é simétrica ou não quiral. Neste caso, a 
molécula tem sua imagem superposta na imagem especular: a molécula do lado 
esquerdo pode girar no sentido anti-horário (quando vista de cima para baixo na 
direção da ligação de A com C) para formar a molécula vista no espelho.
Existem duas classes de isômeros ópticos, os que são imagens espelhadas um 
do outro que não se superpõem são conhecidos como enantiômeros, enquanto aqueles 
que não são imagens especulares são chamados diastereoisômeros (Figura 6). 
O cientista Louis Pasteur observou, em 1843, que os enantiômeros são moléculas 
muito semelhantes, mas diferem em sua interação com a luz polarizada, que possui 
um único plano de vibração. Essas substâncias são chamadas de opticamente ativas. 
Quando em soluções separadas, ambos os enantiômeros fazem com que o plano da 
luz polarizada se dobre no mesmo desvio angular, mas em direções opostas. O isômero 
que produz o desvio para a direita (sentido horário) é chamado dextrorrotatório (ou R), 
e o isômero que provoca o desvio para a esquerda (sentido anti-horário) é chamado 
levorrotatório (ou S). Essas formas são base para nomenclatura de substância pelo 
sistema RS. Uma mistura racêmica ou equimolar que contém quantidades iguais de 
ambos os enantiômeros mostra atividade óptica rotacional nula. Compostos sem 
centros quirais não causam rotação da luz plano-polarizada.
As moléculas quirais são críticas para muitos processos biológicos e de grande 
importância no desenvolvimento de medicamentos. 
Figura 6 – Enantiômeros e diastereoisômeros.
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.17)
11
Existem quatro diferentes estereoisômeros de 2,3-butanos dissubstituídos (n = 2 
carbonos assimétricos, consequentemente 2n= 4 estereoisômeros). Cada um é 
mostrado em um retângulo com a fórmula em perspectiva e o modelo de esfera 
e bastão, que foi girado para a visualização de todos os grupos. Dois pares de 
estereoisômeros são imagens especulares um do outro, ou enantiômeros. Outros 
pares não são imagens especulares, sendo diastereoisômeros.
Uma maneira mais simples e padronizada de descrever a estereoquímica de uma 
molécula é o sistema D e L, sendo amplamente utilizada em bioquímica. Neste sistema, 
o estereoisômero com uma orientação específica do carbono assimétrico em relação à 
configuração de referência (a forma "D") recebe a letra "D", enquanto o estereoisômero 
com a orientação oposta (a forma "L") é atribuída a letra "L". A configuração de referência 
é baseada no arranjo dos substituintes na molécula e, geralmente, é determinada por 
convenções internacionais.
Um exemplo desse sistema é o gliceraldeído, que possui um único centro quiral. 
Existem dois estereoisômeros do gliceraldeído, um com o grupo hidroxila e o grupo 
aldeído na mesma direção (a forma D) e outro com o grupo hidroxila e o grupo aldeído 
em direções opostas (a forma L). 
Nos organismos vivos, as moléculas quirais geralmente estão presentes em 
uma forma quiral específica. Por exemplo, os aminoácidos, que são os monômeros 
constituintes das proteínas, ocorrem apenas na forma de isômero L. Da mesma forma, 
a glicose, um açúcar, ocorre apenas como isômero D. 
No laboratório, no entanto, é possível sintetizar qualquer forma de isômero, 
independentemente de qual forma ocorre naturalmente na natureza. Sendo assim, 
cientistas podem produzir as formas L e D de aminoácidos e glicose, entre outras 
moléculas quirais.
Na natureza, as interações entre as moléculas são estereoespecíficas, pois 
as moléculas têm uma configuração específica para interação. Por exemplo, algumas 
enzimas podem reconhecer e interagir apenas com estereoisômerosespecíficos de 
um substrato, e as drogas podem se ligar apenas a estereoisômeros específicos de 
receptores. Logo, compreender a estereoquímica das moléculas é, portanto, fundamental 
para entender seu comportamento, incluindo suas interações com outras moléculas e 
seu papel nos organismos vivos (Figura 7).
12
Figura 7 – Encaixe complementar entre a macromolécula e uma molécula pequena
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.19)
A molécula de glicose se encaixa em uma cavidade na superfície da enzima 
hexocinase (PDB ID 3B8A) e é mantida nesta orientação por várias interações não 
covalentes entre a proteína e o açúcar. Esta representação da molécula de hexocinase 
é produzida com o auxílio de um software que calcula a forma da superfície externa 
de uma macromolécula, definida pelo raio de van der Waals de todos os átomos da 
molécula ou pelo método do “volume de exclusão do solvente”, que é o volume onde 
uma molécula de água não consegue penetrar.
13
Neste tópico, você aprendeu:
• Os fundamentos da química desempenham um papel crítico na compreensão dos 
processos biológicos.
• O carbono, nitrogênio, hidrogênio, oxigênio são os elementos químicos essenciais 
para vida.
• O carbono é o elemento-base de todas as moléculas orgânicas, incluindo as 
macromoléculas. 
• A estrutura tridimensional de uma molécula determina sua função e interações com 
outras moléculas. 
• Os modelos de representação são utilizados para demonstrar a organização 
geométrica dos átomos, que são importantes para as ligações e reatividade 
químicas.
• A configuração refere-se ao arranjo dos átomos em uma molécula, enquanto a 
conformação se refere ao arranjo espacial dos átomos em uma molécula. 
• O átomo de carbono assimétrico é chamado de átomo quiral ou centro quiral. 
• O sistema D e L é uma convenção de nomenclatura usada em bioquímica para 
descrever a estereoquímica de uma molécula.
• A estereoquímica das moléculas quirais é um fator importante no comportamento e 
nas interações das moléculas nos organismos vivos e desempenha um papel crítico 
em muitos processos biológicos.
• Muitas enzimas têm uma preferência específica por isômero, uma propriedade 
conhecida como estereoespecificidade. 
RESUMO DO TÓPICO 1
14
AUTOATIVIDADE
1 O carbono pode formar ligações covalentes simples, duplas e triplas, com outros 
átomos de carbono e faz ligações com muitos outros elementos na tabela periódica 
e, portanto, capaz de formar uma diversidade de compostos orgânicos. Sobre as 
ligações do carbono, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:
( ) Um único átomo de carbono pode participar de duas ligações duplas
( ) Um único átomo de carbono pode participar de três ligações simples e uma ligação 
dupla
( ) Um único átomo de carbono pode participar de quatro ligações simples
( ) Um único átomo de carbono pode participar de duas ligações simples e uma ligação 
dupla.
Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA:
a) ( ) V – F – F – V.
b) ( ) V – F – V – F.
c) ( ) V - F – V – V. 
2 As moléculas biológicas podem conter muitos tipos diferentes e combinações de 
grupos funcionais. O grupo funcional é formado por uma série de compostos que 
possui comportamento químico semelhante. Assinale a alternativa CORRETA que 
caracteriza o grupo funcional fosfato, diferenciando-o de outros grupos funcionais.
a) ( ) Contém fósforo. 
b) ( ) É hidrofílico. 
c) ( ) Contém uma ligação dupla.
d) ( ) É ácido.
3 Enantiômeros são isômeros ópticos, ou seja, moléculas idênticas em sua estrutura 
química, mas que possuem configurações espaciais diferentes e, portanto, 
propriedades ópticas diferentes. Assinale a alternativa CORRETA que contém o termo 
correto para uma mistura 50:50 de dois enantiômeros.
a) ( ) Mistura cis-trans.
b) ( ) Mistura de imagem espelhada.
c) ( ) Mistura quiral.
d) ( ) Mistura racêmica.
15
4 A estereoquímica é o estudo dos estereoisômeros que têm a mesma fórmula química 
e a mesma sequência de átomos ligados, mas diferem nas orientações tridimensionais 
de seus átomos no espaço. Descreva, resumidamente, os dois principais tipos de 
isômeros ópticos?
5 Em 1848, um jovem químico de 25 anos, Louis Pasteur, surpreendeu a comunidade 
científica ao apresentar o conceito de quiralidade molecular. Ele afirmou que as 
moléculas - e não apenas objetos macroscópicos como cristais - podem exibir 
quiralidade e podem ser separadas em estereoisômeros distintos. O que são moléculas 
quirais? Dê um exemplo de uma molécula com carbono quiral. 
16
17
ARQUITETURA CELULAR
1 INTRODUÇÃO
Acadêmico, no Tema de Aprendizagem 3, abordaremos as propriedades dos 
organismos vivos, que incluem alta complexidade e organização, um sistema de energia, 
componentes interativos com diferentes funções, a capacidade de sentir e responder 
ao ambiente, autorreplicação e evolução ao longo do tempo. As células podem obter 
energia e carbono capturando energia luminosa do sol ou oxidando combustíveis 
químicos para realizem seus processos metabólicos.
A membrana plasmática envolve todas as células e, dentro desse limite, 
encontra-se o citosol, que contém vários componentes para o funcionamento das 
células. Em células procariontes como bactérias e archaea, o material genético (DNA) 
está contido em um nucleoide no citosol, enquanto em eucariontes, este está alojado 
em um núcleo envolto por uma membrana. 
A sequência precisa de nucleotídeos no DNA, apesar de seu grande tamanho, 
garante a continuidade genética e é mantida com precisão por longos períodos. Essa 
sequência precisa de DNA e é a base da continuidade genética dos organismos. 
As mudanças evolutivas ocorrem por meio de mecanismos como mutação e 
seleção natural, que alteram o material genético de um organismo e seus descendentes e 
podem levar ao desenvolvimento de novas características e espécies ao longo do tempo.
UNIDADE 1 TÓPICO 2 - 
2 FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR
Uma célula é a menor unidade de vida e possui as estruturas necessárias para 
manter a vida. As células são em sua maioria microscópicas, ou seja, não visíveis sem um 
microscópio. Células animais e vegetais geralmente variam de 5 a 100 mm de diâmetro, 
enquanto muitos microrganismos unicelulares medem de 1 a 2 mm de comprimento.
Todas as células possuem uma membrana plasmática que envolve e define a célula 
e separa o ambiente interno (intracelular) do externo (extracelular). A membrana plasmática 
é uma barreira hidrofóbica que permite a passagem de alguns íons inorgânicos e compostos 
polares. A membrana é flexível e capaz de sofrer divisão celular sem perder sua integridade. 
O citoplasma é uma solução aquosa contendo os componentes da célula, 
incluindo organelas como mitocôndrias, ribossomos e o retículo endoplasmático. Esses 
componentes podem ser separados em um processo de centrifugação.
18
As células eucarióticas (células com “núcleo verdadeiro” do grego eu, “verdade”, 
e karyon, “núcleo”) têm um núcleo que abriga o DNA da célula. O núcleo é envolto por 
uma membrana dupla, que protege o material genético em seu interior. Em contraste, 
as células procarióticas (do grego pro, “antes”) não possuem membrana nuclear e, em 
vez disso, têm seu material genético localizado no nucleoide do citoplasma, como as 
bactérias e archae (Figura 8).
Figura 8 – As características universais das células vivas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.3)
Todas as células têm núcleo ou nucleoide, membrana plasmática e citoplasma. O 
citosol é definido como a porção do citoplasma que permanece no sobrenadante 
após rompimento suave da membrana plasmática e centrifugação do extrato 
resultante a 150.000 g por 1 hora. As células eucarióticas têm uma variedade de 
organelas contidas por membranas (mitocôndrias e cloroplastos) e partículas 
maiores (ribossomos, p. ex.), que são sedimentadas por esta centrifugação e podem 
ser recuperadas do precipitado.
Uma característica dos organismos vivos e das células é sua capacidade de se 
reproduzir ao longo de numerosasgerações (Figura 9). Isso é evidente na observação de 
que muitas bactérias, apesar da passagem de milhares de anos, têm o mesmo tamanho, 
forma e estrutura interna de suas formas ancestrais. 
19
Figura 9 – Duas inscrições antigas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.30, Figura 1-30)
Figura 10 – Do DNA ao RNA, do RNA à proteína e da proteína à enzima (hexocinase)
(a) O Prisma de Sennacherib, inscrito em torno de 700 a.C., descreve em caracteres 
da linguagem assíria alguns eventos históricos durante o reinado do Rei Sennacherib. 
O prisma contém cerca de 20.000 caracteres, pesa cerca de 50 kg e sobreviveu de 
forma quase intacta por 2.700 anos. (b) Uma única molécula de DNA da bactéria E. 
coli, extravasando de uma célula rompida, é centenas de vezes mais longa que a 
própria célula e contém codificada toda a informação necessária para especificar a 
estrutura e a função da célula. O DNA bacteriano contém cerca de 4,6 milhões de 
caracteres (nucleotídeos), pesa menos do que 10–10 g e sofreu somente algumas 
pequenas alterações durante os últimos milhões de anos (as manchas amarelas e os 
pontos escuros nesta micrografia eletrônica colorida são artefatos da preparação).
A perpetuação de uma espécie biológica requer que sua conformação genética 
seja mantida de modo estável, expressa com exatidão na forma de produtos dos genes 
e reproduzida com o mínimo de erros (Figura 10). 
20
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.31)
A sequência linear de desoxirribonucleotídeos no DNA (o gene), que codifica a proteína 
hexocinase, é primeiro transcrita em uma molécula de ácido ribonucleico (RNA) 
com uma sequência complementar de ribonucleotídeos. A sequência do RNA (RNA 
mensageiro) é então traduzida na cadeia linear da proteína hexocinase, que então se 
dobra na sua forma nativa tridimensional com o auxílio das chaperonas moleculares. 
Uma vez em sua forma nativa, a hexocinase adquire sua atividade catalítica: ela catalisa 
a fosforilação da glicose, usando ATP como doador do grupo fosforila.
A estrutura do DNA permite sua replicação e seu reparo com fidelidade. A 
estrutura de dupla hélice do DNA permite replicação e reparo, enquanto sequências 
lineares de DNA codificam proteínas com estruturas tridimensionais únicas. Quaisquer 
erros na replicação ou reparo do DNA podem resultar em mutações, algumas das 
quais podem ser prejudiciais ou letais, destacando a importância de mecanismos que 
garantam a precisão da replicação e reparo do DNA.
Todos os organismos modernos derivam de um ancestral evolutivo comum 
por meio de uma série de pequenas mutações ao longo do tempo. Essas mutações 
conferem vantagens seletivas a alguns organismos, permitindo que eles se adaptem 
melhor ao ambiente e aumentem suas chances de sobrevivência. Esse processo de 
seleção natural ao longo do tempo leva à formação de novas espécies e à evolução das 
espécies existentes (Figura 11).
21
Figura 11 – Duplicação e mutação de genes: um caminho para gerar novas atividades enzimáticas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.32)
Neste exemplo, o único gene da hexocinase em um organismo hipotético pode acabar 
acidentalmente copiado duas vezes durante a replicação do DNA, de modo que o 
organismo tenha duas cópias inteiras do gene, uma delas desnecessária. Ao longo de 
gerações, à medida que o DNA com dois genes para a hexocinase é repetidamente 
replicado, alguns erros raros podem ocorrer, levando a mudanças na sequência de 
nucleotídeos do gene excedente e, portanto, da proteína que ele codifica. Em alguns 
casos muito raros, a proteína produzida a partir desse gene mutado é alterada de tal 
forma que ela se liga a um novo substrato – galactose neste caso hipotético. A célula 
contendo o gene mutante adquire uma nova capacidade (metabolizar a galactose), 
permitindo-lhe que sobreviva em um nicho ecológico que dispõe de galactose, mas 
não de glicose. Se a mutação ocorrer sem a duplicação do gene, então a função original 
do produto do gene é perdida.
A determinação da sequência do genoma se refere ao processo de obtenção 
do conjunto completo de informações genéticas contidas em um organismo. Essa 
informação é armazenada na molécula de DNA e é codificada na forma de um código 
genético. Com avanços em tecnologia e técnicas, a sequência do genoma de centenas de 
bactérias, mais de 40 archaea e um número crescente de microrganismos eucarióticos, 
22
foi determinada (Figura 12). Essas informações nos ajudam a entender a composição 
genética desses organismos e fornecem informações sobre sua evolução, biologia e 
comportamento. 
Figura 12 – Alguns dos muitos organismos cujos genomas foram completamente sequenciados
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.38, Tabela 1-2)
Organismo
Tamanho do genoma 
(pares de nucleotídeos)
Interesse biológico
Mycoplasma genitalium 5,8 x 105 O menor organismo
Helicobacter pylori 1,6 x 106 Causa úlcera gástrica
Methanocaldococcus 
jannaschii
1,7 x 106 Arqueia; cresce a 85°C
Haemophilus influenzae 1,9 x 106 Causa gripe bacteriana
Synechocystis sp. 3,9 x 106 Cianobactéria
Bacillus subtilis 4,2 x 106 Bactéria comum do solo
Escherichia coli 4,6 x 106
Algumas linhagens são 
patógenos humanos
Saccharomyces cerevisiae 1,2 x 107 Eucarioto unicelular
Caenorhabditis elegans 1,0 x 108 Verme redondo multicelular
Arabidopsis thaliana 1,2 x 108 Planta modelo
Drosophila melanogaster 1,8 x 108
Mosca de laboratório 
("mosca-da-fruta")
Mus musculus 2,7 x 109 Camundongo de laboratório
Homo sapiens 3,0 x 109 Humano
Uma maneira de estudar as relações evolutivas entre organismos é comparando 
suas sequências e proteínas homólogas. As sequências homólogas são semelhantes em 
termos de estrutura, função e origem e são consideradas evidências de um ancestral 
evolutivo comum. As proteínas homólogas, por outro lado, são semelhantes em termos de 
estrutura e função, mesmo que desempenhem tarefas diferentes em organismos diferentes.
Dois genes homólogos dentro da mesma espécie são chamados de parálogos, 
enquanto dois genes homólogos em espécies diferentes são chamados de ortólogos. A 
mesma terminologia se aplica às proteínas, com parálogos sendo proteínas semelhantes 
dentro da mesma espécie e ortólogos sendo proteínas semelhantes em espécies diferentes. 
Esses termos permitem aos cientistas determinar as relações evolutivas entre 
as espécies e estudar a evolução de genes e proteínas específicos ao longo do tempo. 
As diferenças nas sequências de genes homólogos podem indicar a distância evolutiva 
entre duas espécies, com mais diferenças implicando uma maior divergência na evolução 
23
Figura 13 – Filogenia dos três grupos da vida.
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.4)
e um maior tempo decorrido desde o ancestral comum das espécies. Filogenias, ou 
árvores genealógicas evolutivas, podem ser criadas para mostrar a relação evolutiva 
entre as espécies, com maior proximidade na árvore, representando uma relação 
evolutiva mais próxima (Figura 13).
As relações filogenéticas são frequentemente representadas por uma “árvore 
genealógica” deste tipo. A base para esta árvore é a semelhança na sequência 
nucleotídicas dos RNA dos ribossomos de cada grupo; a distância entre os ramos 
representa o grau de diferença entre duas sequências; quanto mais similar for a 
sequência, mais próxima é a localização dos ramos. As árvores filogenéticas também 
podem ser construídas a partir de semelhanças na sequência de aminoácidos de uma 
única proteína entre as espécies.
As células requerem energia e carbono para realizar processos metabólicos 
e produzir seu material celular. Existem duas maneiras principais pelas quais as 
células obtêm energia e carbono e essas podem ser classificados como fototróficas e 
quimiotróficas.
As células fototróficas captam energia da luz solar para produzir energia e sin-
tetizar compostos orgânicos por meio da fotossíntese. Esse tipo de nutrição é chamado 
de fototrofia, da palavra grega trofia, que significa nutrição, e foto, que significa luz. As 
células fototróficas são encontradas em organismos fotossintéticos,como plantas, al-
gas e algumas bactérias. Durante a fotossíntese, essas células convertem energia lumi-
nosa em energia química armazenada em compostos orgânicos, como a glicose.
24
As células quimiotróficas, por outro lado, obtêm energia pela oxidação de 
combustíveis químicos, como compostos orgânicos ou inorgânicos. As células 
quimiotróficas são encontradas em organismos como fungos, bactérias e animais. Eles 
usam reações químicas para extrair energia de moléculas do ambiente e armazená-la 
na forma de ATP (trifosfato de adenosina), que é usado como fonte de energia para 
realizar processos celulares.
Os fototróficos e os quimiotróficos podem ser ainda subdivididos em outras 
duas categorias. Os autotróficos, que podem produzir todas as suas biomoléculas a 
partir do CO2 e heterotróficos, que precisam de nutrientes orgânicos produzidos por 
outros organismos. A maneira de um organismo obter nutrientes pode ser descrita pela 
combinação desses termos. As cianobactérias são um exemplo de fotoautotróficas, 
enquanto os humanos são quimio-heterotróficos (Figura 14).
Figura 14 – Todos os organismos podem ser classificados de acordo com a fonte de energia (luz solar ou 
compostos químicos oxidáveis) e pela fonte de carbono usada para a síntese do material celular
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.5, Figura 1-5)
25
2.1 AS CÉLULAS PROCARIONTES
Os procariotos ou procariontes são organismos simples que não possuem 
núcleo e outras organelas ligadas à membrana. Existem dois tipos principais de células 
procarióticas: archaea e bactérias.
Archaea são um tipo menos conhecido de procariotos e são frequentemente 
encontrados em ambientes extremos, como lagos com alto teor de sal, fontes termais 
e fontes oceânicas profundas. Eles são considerados um ramo distinto da vida e são 
geneticamente e fisiologicamente distintos das bactérias. Algumas archaea estão 
envolvidas na produção de metano, enquanto outras estão envolvidas na degradação 
de matéria orgânica.
As bactérias são o tipo mais conhecido de procariontes e podem ser 
encontradas em uma ampla variedade de ambientes, incluindo solo, água e no corpo 
humano, desempenhando um papel importante em muitos processos ecológicos e 
estão envolvidos nas infecções e doenças humanas. 
A bactéria mais amplamente estudada é a Escherichia coli (E. coli), comumente 
encontrada no trato intestinal humano (Figura 15).
As principais estruturas das células procarióticas são os ribossomos, uma 
membrana celular externa e interna que constituem o envelope celular, um nucleóide 
no citoplasma que contém a molécula de DNA, pontos de adesão ou pili e flagelos que 
participam no movimento bacteriano.
Os ribossomos são o maquinário de síntese de proteínas da célula, e o envelope 
celular atua como uma barreira protetora e ajuda a manter a forma da célula. O nucleóide 
abriga o DNA da célula, que é organizado em longas estruturas circulares conhecidas 
como plasmídeos.
Na natureza, os plasmídeos podem carregar genes que conferem resistência a 
antibióticos e assim algumas bactérias podem desenvolver resistência a antibióticos. 
Essa é uma das razões pelas quais as infecções bacterianas podem ser difíceis de 
tratar com antibióticos. As bactérias podem transferir plasmídeos para outras bactérias, 
aumentando a disseminação da resistência a antibióticos.
As bactérias podem ser classificadas em gram-positivas e gram-negativas. A 
classificação é baseada nos resultados de uma técnica de coloração chamada coloração 
de Gram, desenvolvida pelo bacteriologista dinamarquês Hans Christian Gram, em 
1884. A coloração de Gram diferencia as bactérias com base na composição da parede 
celular e ainda é amplamente utilizado hoje para a classificação rápida de bactérias no 
laboratório clínico. 
26
As bactérias Gram-positivas têm uma parede celular espessa de peptidoglica-
no, juntamente com o ácido teicóico, que retém a coloração cristal violeta usada no pro-
cedimento de coloração de Gram. Essas bactérias aparecem roxas ou azuis ao micros-
cópio após a coloração. Algumas bactérias gram-positivas bem conhecidas incluem 
Staphylococcus, Streptococcus e Bacillus.
As bactérias gram-negativas, por outro lado, têm uma camada mais fina de pepti-
doglicano e carecem de ácido teicóico. Como resultado, elas não retêm a coloração cristal 
violeta e, em vez disso, absorvem a contracoloração (safranina), aparecendo rosa ou ver-
melha ao microscópio. Além da camada mais fina de peptidoglicano, as bactérias gram-
-negativas possuem uma membrana externa composta por lipopolissacarídeos (LPS) e 
proteínas que atuam como uma barreira adicional. Os LPS, também conhecidos como 
endotoxinas, podem ter efeitos tóxicos em outros organismos e causar uma série de rea-
ções no sistema imunológico quando entram na corrente sanguínea. Algumas bactérias 
gram-negativas bem conhecidas incluem Escherichia coli, Salmonella e Pseudomonas.
Figura 15 – Características estruturais comuns das células de bactérias e arqueias
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.6)
27
(a) Este desenho em escala da E. coli serve para ilustrar algumas características 
comuns. (b) O envelope celular das bactérias gram-positivas é uma simples membrana 
com uma camada grossa e rígida de peptidoglicanos em sua superfície externa. Uma 
variedade de polissacarídeos e outros polímeros complexos estão entrelaçados com 
os peptidoglicanos e, recobrindo o todo, ainda existe uma “camada sólida” e porosa de 
glicoproteínas. (c)E. coli é gram-negativa e tem uma dupla membrana. Sua membrana 
externa tem um lipopolissacarídeo (LPS) na superfície externa e fosfolipídeos na 
superfície interna. Esta membrana externa está impregnada de canais proteicas 
(porinas) que permitem a difusão de pequenas moléculas através delas, mas não de 
outras proteínas. A membrana interna, feita de fosfolipídeos e proteínas, é impermeável 
a ambos, às moléculas pequenas e grandes. Entre a membrana interna e externa, no 
periplasma, existe uma camada delgada de peptidoglicanos, que confere à célula 
forma e rigidez, mas que não retém o corante de Gram. (d). As membranas arqueanas 
variam em estrutura e composição, mas todas têm membrana única cercada por 
uma camada externa que inclui uma estrutura tipo peptidoglicano, uma concha de 
proteínas porosas (camada sólida) ou ambas.
2.2 AS CÉLULAS EUCARIONTES
Os eucariotos ou eucariontes são um tipo de organismo que possui células 
eucarióticas. Essas células são caracterizadas pela presença de um núcleo envolto em 
uma membrana, e uma variedade de outras organelas. Os eucariotos incluem uma ampla 
gama de organismos, desde protozoários unicelulares até organismos multicelulares 
complexos, como animais e plantas. Alguns exemplos comuns de eucariotos incluem 
fungos, algas, animais e os humanos (Figura 16).
As células eucarióticas são distintas das células procarióticas, como as bactérias, 
que não possuem núcleo ou organelas. 
As células eucarióticas animais são estruturas complexas que contêm várias 
organelas importantes, cada uma das quais desempenha um papel específico na função 
celular. 
A mitocôndria é o principal local da respiração celular, onde a energia é produzida 
por meio da oxidação da glicose e de outros nutrientes. Essa energia é armazenada na 
forma de ATP, que é utilizado pela célula para realizar diversas funções.
O retículo endoplasmático (RE) e o aparelho de Golgi são importantes para 
a síntese e processamento de proteínas e lipídios. O RE atua como um local para 
dobramento e modificação de proteínas, enquanto o aparelho de Golgi é responsável por 
classificar e modificar as proteínas antes que sejam secretadas da célula ou enviadas 
ao seu destino final.
28
Os peroxissomos são organelas especializadas que desempenham um papel 
fundamental no metabolismo lipídico. Eles contêm enzimas que oxidam ácidos graxos 
de cadeia muito longa, que são usados como fonte de energia pela célula.
Os lisossomos são semelhantes aos peroxissomos, mas contêm enzimas 
digestivas que degradam resíduos celularese outros compostos, pelo mecanismo 
chamado de autofagia.
As células eucarióticas possuem um citoesqueleto composto por filamentos 
de proteínas que formam estruturas alongadas que fornecem estrutura, estabilidade e 
atuam como trilhos para o movimento das organelas celulares.
As células vegetais também contêm várias estruturas únicas que não são 
encontradas nas células animais. Por exemplo, elas têm grandes vacúolos centrais, 
que servem como compartimento de armazenamento para ácidos orgânicos e outros 
resíduos. Além disso, as células vegetais contêm cloroplastos, que são responsáveis por 
converter a luz solar em energia através da fotossíntese. A parede celular das plantas 
também é diferente da das células animais, sendo mais espessa e rígida e capaz de à 
pressão osmótica.
29
Figura 16 – Estrutura da célula eucariótica
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.6)
Ilustrações esquemáticas dos dois principais tipos de célula eucariótica: (a) 
representação da célula animal e (b) representação da célula vegetal. As células 
vegetais geralmente têm diâmetro de 10 a 100 mm – maiores do que as células animais, 
que variam entre 5 e 30 mm. As estruturas marcadas em vermelho são exclusivas 
das células animais; as marcadas em verde são exclusivas das células vegetais. Os 
30
microrganismos eucarióticos (como protistas e fungos) têm estruturas semelhantes 
às das células animais e vegetais, mas muitos também têm organelas especializadas, 
não ilustradas aqui.
No laboratório, o fracionamento subcelular é uma técnica usada para isolar 
e estudar as várias organelas dentro de uma célula eucariótica. O processo de 
fracionamento subcelular permite aos cientistas isolar organelas individuais e estudá-las 
isoladamente. Ao analisar a composição e a função de cada organela, os pesquisadores 
podem obter uma compreensão mais profunda dos processos celulares e do papel que 
cada organela desempenha nesses processos.
No processo de fracionamento subcelular, as células são homogeneizadas para 
liberar as organelas. O homogeneizado é então misturado com um meio de sacarose, que 
tem uma pressão osmótica semelhante à das organelas. Isso é importante porque evita 
que as organelas inchem ou explodam, o que, de outra forma, alteraria sua estrutura 
e função. Uma vez que o homogeneizado foi misturado com o meio de sacarose, é 
centrifugado. Durante esse processo, as organelas maiores se depositam no fundo do 
tubo devido à sua maior massa, enquanto o material menor e mais solúvel permanece 
no sobrenadante.
31
RESUMO DO TÓPICO 2
Neste tópico, você aprendeu:
• Todas as células são circundadas por uma membrana plasmática que separa o meio 
extracelular do meio intracelular.
• As células mais simples são procariotas.
• As bactérias gram-positivas têm uma parede celular espessa de peptidoglicano e 
aparecem roxas ao microscópio.
• As bactérias gram-negativas têm uma camada mais fina de peptidoglicano e 
uma membrana externa composta de lipopolissacarídeos e aparecem em rosa ao 
microscópio.
• Os eucariotos são mais complexos, caracterizados por múltiplas organelas envoltas 
por uma membrana dupla, incluindo um núcleo.
• A árvore filogenética da vida inclui três domínios: Bactéria, Archaea e Eukarya.
• As principais formas pelas quais as células obtêm energia e carbono são por meio 
de fototróficos e quimiotróficos, que podem ser classificados com base na forma 
como obtêm sua energia.
32
AUTOATIVIDADE
1 Embora os elefantes sejam animais e as árvores sejam plantas, ambos são seres vivos 
e, portanto, têm células que desempenham funções semelhantes. Ao compreender as 
semelhanças e diferenças na estrutura celular básica de animais e plantas, podemos 
aprender muito sobre como a vida na Terra evoluiu e como diferentes espécies 
se adaptaram as suas condições ambientais únicas. Sendo assim, em termos de 
estrutura celular básica, acerca do que um elefante e uma arvore têm em comum, 
analise as sentenças a seguir:
I- Ambos são eucariotos.
II- Ambos têm um núcleo celular.
III- Ambos possuem mitocôndrias.
Assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) Somente a sentença I está correta.
b) ( ) Somente a sentença II está correta.
c) ( ) As sentenças, I, II e III estão corretas.
2 Uma maneira de classificar os organismos é pelo modo que as células obtêm energia e 
carbono. Alguns organismos podem sintetizar todos os seus componentes orgânicos 
a partir de compostos inorgânicos, como o dióxido de carbono (CO2) usando a energia 
do sol, enquanto outros requerem compostos orgânicos de seu ambiente. Assinale a 
alternativa CORRETA que descreve um organismo que pode sintetizar todos os seus 
componentes orgânicos necessários a partir do CO2 usando a energia do sol.
a) ( ) Fotoautotrófico.
b) ( ) Foto-heterotrófico.
c) ( ) Quimioautotrófico.
d) ( ) Quimio-heterotrófico.
3 As células são a unidade básica da vida e existem em dois tipos principais: 
procarióticas e eucarióticas. As células procarióticas são menores e mais simples do 
que as células eucarióticas, faltando muitas das organelas que estão presentes nas 
células eucarióticas. A respeito das organelas celulares estarem ausentes nas células 
procarióticas, assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) Núcleo.
b) ( ) Lisossomo.
c) ( ) Retículo Endoplasmático.
d) ( ) Todos os anteriores.
33
4 As células eucarióticas são estruturas complexas que compõem os organismos que 
vemos ao nosso redor, incluindo plantas, animais e fungos. Eles são maiores e mais 
intrincados do que as células procarióticas e possuem muitas organelas ligadas à 
membrana que desempenham funções específicas dentro da célula. O estudo da 
biologia celular eucariótica é vital para nossa compreensão da vida e dos intrincados 
processos que ocorrem dentro das células. Cada organela tem uma estrutura e função 
distintas, e entender essas organelas é essencial para entender o funcionamento 
geral da célula. Descreva cinco organelas da célula eucariótica e sua função.
5 As bactérias são um grande grupo de organismos unicelulares e microscópicos, 
classificados como células procarióticas, pois não possuem um núcleo verdadeiro. 
Esses organismos possuem uma estrutura simples, incluindo parede celular, cápsula, 
DNA, pili, flagelo, citoplasma e ribossomos. As bactérias podem ser gram-positivas ou 
gram-negativas, dependendo dos métodos de coloração. Essa técnica foi proposta por 
Christian Gram para distinguir os dois tipos de bactérias com base na diferença em suas 
estruturas de parede celular. Descreva as principais diferenças entre as bactérias Gram-
positivas e Gram-negativas.
34
35
TÓPICO 3 - 
A ÁGUA
1 INTRODUÇÃO
Acadêmico, no Tema de Aprendizagem 3, abordaremos as propriedades que 
tornam a água essencial para a vida e seu papel nos processos biológicos. A água 
compreende 70% do peso da maioria dos organismos e possui propriedades únicas, 
como a capacidade de dissolver uma ampla gama de moléculas devido à sua polaridade, 
atuando como solvente para muitos compostos polares e iônicos. Sua alta capacidade 
térmica também permite que funcione como um tampão térmico, ajudando a regular a 
temperatura nos organismos vivos. 
As moléculas de água são altamente coesas devido às pontes de hidrogénio, o 
que, por sua vez, leva a alta tensão superficial, alta viscosidade e pontos de ebulição e 
fusão mais altos do que os de outros solventes comuns (Figura 17).
UNIDADE 1
Figura 17 – Ponto de fusão, ponto de ebulição e calor de vaporização de alguns solventes comuns 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 48)
Ponto de 
fusão (°C)
Ponto de 
ebulição (°C)
Calor de 
vaporização (J/g)*
Água 0 100 2.260
Metanol (CH3OH) -98 65 1.100
Etanol (CH3CH2OH) -117 78 854
Propanol (CH3CH2CH2OC) -127 97 687
Butanol (CH3(CH2)2CH2OC) -90 117 590
Acetona (CH3COCH3) -95 56 523
Hexano (CH3(CH2)4CH3) -98 69 423
Benzeno (C6H6) 6 80 394
Butano (CH3(CH2)2CH3) -135 -0,5 381
Clorofórmio (CHCL2) -63 61 247
*A energia na forma de calor necessária para levar 1,0 g de um líquido no seu ponto 
deebulição e na pressão atmosférica até seu estado gasoso na mesma temperatura. 
Essa é uma medida direta da energia necessária para superar as forças de atração 
entre as moléculas na fase líquida.
36
A osmometria é usada para medir a pressão osmótica de uma solução, sendo 
importante para entender o movimento da água através das membranas celulares.
O pH de uma solução é uma medida de sua acidez, ou basicidade, e é importante 
em muitos sistemas biológicos. Por exemplo, enzimas e outras proteínas funcionam de 
forma otimizada dentro de uma faixa específica de pH, e mudanças no pH podem afetar 
a estabilidade e a atividade dessas moléculas. Tampões são soluções que podem resistir 
a mudanças no pH quando pequenas quantidades de ácido ou base são adicionadas 
a eles. Eles desempenham um papel importante na manutenção do pH de fluidos 
biológicos, como o sangue. 
Na bioquímica, a água também desempenha um papel importante em muitas 
reações químicas, como as reações de condensação e hidrólise. 
2 ESTRUTURA DA MOLÉCULA DE ÁGUA
A molécula de água (H2O) consiste em dois átomos de hidrogênio e um átomo 
de oxigênio ligados por ligações covalentes. A fórmula estrutural da água é H-O-H, 
sendo que os elétrons nas ligações covalentes entre os átomos de oxigênio e hidrogênio 
não são distribuídos igualmente (chamadas dipolos) e os elétrons ficam mais próximo 
do oxigênio. Essa distribuição desigual da densidade de elétrons faz da água uma 
molécula polar. Isso resulta em uma atração entre o oxigênio parcialmente negativo de 
uma molécula e o hidrogênio parcialmente positivo de outra, que forma as ligações de 
hidrogênio ou pontes de hidrogênio (Figura 18). 
As pontes de hidrogênio são mais fracas do que as ligações covalentes, devido 
à natureza eletrostática da interação. A energia de ligação (a energia necessária para 
romper a ligação) de uma ponte de hidrogênio na água líquida é tipicamente em torno 
de 4,7 kcal/mol, enquanto a energia de ligação de uma ligação covalente entre átomos 
de oxigênio e hidrogênio (O-H) é de cerca de 110 kcal/mol. As pontes de hidrogênio 
não são exclusivas entre as moléculas de água, pois outras moléculas como álcoois, 
aldeídos e cetonas também formam pontes de hidrogênio com moléculas de água ou 
com outros compostos. 
37
Figura 18 – Estrutura da molécula de água.
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 48)
(a) (painel à esquerda) A natureza dipolar da molécula de água é mostrada em modelo 
de esfera e bastão; as linhas tracejadas representam os orbitais não ligantes. Existe 
um arranjo aproximadamente tetraédrico dos pares de elétrons mais externos da 
camada ao redor do átomo de oxigênio; os dois átomos de hidrogênio têm cargas 
parciais positivas localizadas (d1) e o átomo de oxigênio tem carga parcial negativa 
(d–). (b) Duas moléculas de H2O unidas por ligação de hidrogênio (representada aqui e 
ao longo deste livro por três linhas azuis) entre o átomo de oxigênio da molécula mais 
acima e um átomo de hidrogênio da molécula mais abaixo. As ligações de hidrogênio 
são mais longas e mais fracas que as ligações covalentes O-H (painel à direita) Algumas 
ligações de hidrogênio de importância biológica.
2.1 PROPRIEDADES DA ÁGUA
A água é um solvente polar porque suas moléculas têm um leve desequilíbrio 
de carga elétrica, o que significa que uma extremidade da molécula, a extremidade do 
oxigênio, tem uma leve carga negativa (é mais eletronegativo) e a outra extremidade, do 
hidrogênio, tem uma leve carga positiva. Essa distribuição de carga polar permite que a 
molécula de água interaja com outras moléculas polares ou carregadas, como íons ou 
compostos polares. 
38
Essa propriedade permite que a água dissolva uma ampla gama de moléculas 
conhecidas como compostos hidrofílicos, derivada da palavra grega fílico, que significa 
amar, e hidro que significa água. Por exemplo, a solubilização do NaCl (cloreto de 
sódio, ou sal de cozinha) em água ocorre através do processo de dissociação, em que 
a molécula de NaCl se decompõe em seus íons individuais, Na+ e Cl-. Os átomos de 
oxigênio nas moléculas de água que têm uma carga parcial negativa, atraem os íons 
de sódio carregados positivamente. Da mesma forma, os átomos de hidrogênio nas 
moléculas de água que têm uma carga parcial positiva atraem os íons cloreto carregados 
negativamente. Isso é conhecido como atração eletrostática entre íons e moléculas 
polares, e é a principal força que mantém os íons em solução e os mantém dissolvidos 
na água (Figura 19).
Figura 19 – A água como solvente
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 51)
Além disso, quando os íons são dissolvidos em água, eles são cercados por uma 
camada de hidratação de moléculas de água. Essa camada de hidratação (ou solvatação) 
se forma devido à natureza polar das moléculas de água, que são atraídas pelos íons 
e ajudam a estabilizar ainda mais os íons em solução, afetando as propriedades da 
solução, como sua viscosidade e condutividade.
Em contraste, os compostos hidrofóbicos, que têm aversão à água, dissolvem-
se em solventes apolares, como clorofórmio e benzeno. Esse efeito hidrofóbico é 
particularmente importante na formação das membranas celulares.
Os compostos anfipáticos possuem regiões polares e apolares (Figura 20).
39
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 50)
Figura 21 – Compostos anfipáticos em solução aquosa
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 52)
Figura 20 – Alguns exemplos de biomoléculas polares, apolares e anfipáticas 
(mostradas nas suas formas ionizadas em pH 7)
Os compostos anfipáticos em solução aquosa tendem a se organizar em 
estruturas chamadas micelas, nas quais as partes hidrofóbicas (apolares) da molécula 
se escondem no interior, interagindo umas com as outras, enquanto as regiões polares 
da molécula interagem com a água ao redor. Isso minimiza a quantidade de área de 
superfície hidrofóbica exposta à água, pois as partes hidrofóbicas estão protegidas 
dentro da micela (Figura 21). Esse comportamento é observado em muitas moléculas 
biológicas, como os lipídios, que formam a estrutura de bicamada na membrana celular.
Moléculas de água altamente ordenadas formam “gaiolas”
ao redor das cadeias de grupos alquila hidrofóbicas
Grupo alquila
hidrofóbico
Grupo “polar”
hidrofílico
“Agrupamentos oscilantes” de
moléculas de H O na fase aquosa2
O
H
H
O O
C
CH H
Moléculas de água altamente ordenadas formam “gaiolas”
ao redor das cadeias de grupos alquila hidrofóbicas
Grupo alquila
hidrofóbico
Grupo “polar”
hidrofílico
“Agrupamentos oscilantes” de
moléculas de H O na fase aquosa2
O
H
H
O O
C
CH H
Moléculas de água altamente ordenadas formam “gaiolas”
ao redor das cadeias de grupos alquila hidrofóbicas
Grupo alquila
hidrofóbico
Grupo “polar”
hidrofílico
“Agrupamentos oscilantes” de
moléculas de H O na fase aquosa2
O
H
H
O O
C
CH H
40
(a) Ácidos graxos de cadeia longa têm cadeias de grupos alquila muito hidrofóbicas, 
cada qual envolta por uma camada de moléculas de água altamente ordenadas (b) 
Pela aglomeração conjunta em micelas, as moléculas de ácidos graxos expõem a 
menor área superficial possível na água, e menos moléculas de água serão necessárias 
na camada de água ordenada. A energia ganha pela liberação das moléculas de água 
até então imobilizadas estabiliza a micela.
O alto valor do calor específico da água (a energia térmica necessária para 
aumentar a temperatura de 1 g de água em 1ºC) é uma outra propriedade que permite 
que ela atue como um "tampão térmico", de modo que ela pode absorver e liberar 
energia térmica lentamente, mantendo a temperatura de um organismo relativamente 
constante à medida que a temperatura do ambiente flutua e o calor é gerado como 
subproduto do metabolismo. Isso é benéfico para organismos que vivem em ambientes 
com temperaturas flutuantes. 
Alguns vertebrados exploram o alto calor da vaporização da água usando o 
suor para dissipar o excesso de calor corporal. O suor e principalmente água, quando 
evapora, remove o calor do corpo, resfriando-o.
As plantas usam apropriedade de coesão interna da água, devido às pontes de 
hidrogênio, para transportar nutrientes através do processo de transpiração. 
O gelo possui menor densidade que a da água líquida e isso tem implicações 
biológicas para os organismos aquáticos. Muitos organismos aquáticos podem 
sobreviver em temperaturas congelantes produzindo moléculas que diminuem o 
ponto de congelamento (anticongelantes) do sangue, permitindo que sobrevivam em 
ambientes abaixo de zero.
2.2 INTERAÇÕES FRACAS EM SISTEMAS AQUOSOS
As ligações de hidrogênio, assim como as interações de van der Waals, 
interações eletrostáticas (ligação iônica) e interações hidrofóbicas, são consideradas 
ligações fracas em comparação com as ligações covalentes, porém elas desempenham 
um papel crucial na determinação da forma e estrutura de macromoléculas, como 
proteínas e ácidos nucléicos (Figura 22). A conformação mais estável para essas 
moléculas é alcançada quando um grande número de todas essas interações fracas 
dentro da molécula e entre a molécula e seu solvente circundante é maximizado. Além 
disso, as regiões hidrofóbicas da molécula tendem a se agregar através de interações 
hidrofóbicas para evitar o contato com o solvente aquoso.
41
Figura 22 – Os quatro tipos de interações não covalentes (“fracas”) entre biomoléculas em solvente aquoso 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 52)
3 OSMOMETRIA 
A osmose é o processo pelo qual a água se move através de uma membrana 
semipermeável de uma região de maior concentração de água para uma região de 
menor concentração de água. Esse movimento (difusão) é impulsionado pela diferença 
na pressão osmótica entre as duas regiões. A osmolaridade, ou a concentração de 
partículas dissolvidas, é uma medida da pressão osmótica e é usada para descrever a 
concentração relativa de uma solução (Figura 23).
• Em uma solução isotônica, a pressão osmótica é a mesma em ambos os lados da 
membrana, portanto não há movimento líquido de água. A osmolaridade do solvente 
é igual ao citosol.
• Em uma solução hipertônica, a pressão osmótica é maior fora da célula, fazendo 
com que a água se mova para fora da célula e encolha. A osmolaridade do solvente 
é maior que o citosol.
• Em uma solução hipotônica, a pressão osmótica é maior dentro da célula, fazendo 
com que a água se mova para dentro da célula, podendo causar seu inchaço ou 
até mesmo ruptura devido à osmólise. A osmolaridade do solvente é menor que o 
citosol.
42
Figura 23 – Efeito da osmolaridade extracelular no movimento da água através de uma membrana 
plasmática.
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 56)
Quando uma célula em balanço osmótico com o meio circundante – isto é, uma célula 
em (a) um meio isotônico – é transferida para (b) uma solução hipertônica ou (c) uma 
solução hipotônica, a água tende a se mover através da membrana na direção que 
deve igualar a osmolaridade nos lados externo e interno da célula.
As bactérias e as plantas possuem uma parede celular rígida e com capacidade 
de resistir à pressão osmótica. Já as células animais possuem bombas que ajudam a 
permanecer em equilíbrio com o meio ambiente. 
O efeito do soluto depende das partículas dissolvidas e não da massa. As 
macromoléculas como as proteínas, ácidos nucleicos e polissacarídeos tem pouco 
efeito na osmolaridade de uma solução. Desta forma, uma solução de glicose tem uma 
osmolaridade maior do que uma solução de água porque as moléculas de glicose são 
dissolvidas em água e, portanto, contribuem para a pressão osmótica. Da mesma forma, 
uma solução de sal (cloreto de sódio) tem uma osmolaridade maior do que uma solução 
de água porque os íons de sal são dissolvidos em água e contribuem para a pressão 
osmótica. Por outro lado, uma solução contendo proteínas ou ácido nucleico, embora 
contenha muitas partículas, não terá um efeito significativo na osmolaridade da solução.
43
4 pH E SISTEMAS TAMPÃO BIOLÓGICOS
A posição na qual uma reação química está em equilíbrio é determinada por 
sua constante de equilíbrio, Keq (algumas vezes expressa simplesmente por K). Para 
a reação geral de conversão dos regentes A + B nos produtos C + D, a constante de 
equilíbrio pode ser calculada pela razão da concentração de produtos para os reagentes 
no equilíbrio: Keq = [C]eq[D]eq/[A]eq[ B]eq.
As moléculas de água têm uma pequena capacidade de sofrer ionização 
reversível, o que cria um íon de hidrogênio (H+ ou próton) e um íon hidróxido (OH-), 
resultando na reação: 
H2O↔H
+ + OH-
A constante de equilíbrio para esta ionização reversível da água é: Keq = [H+] 
[OH-]/[H2O], aplicando o valor da concentração da água pura de 55.5 M a 25°C (1000 g/l 
dividido por 18 g/mol) e o Ka da água é 1.8 x 10-16 M, o resultado do valor do produto de 
[H+] [OH–] em solução aquosa a 25°C é sempre igual a 1x10-14 M2 . Como o número total 
de íons hidrogênio em um dado volume de água pura é exatamente igual ao número de 
íons hidróxido, cada um tem uma concentração de 1x10–7 M.
O pH é determinado pelo logaritmo negativo da concentração do íon hidrogênio, 
representado por pH = –log[H+], e é expresso em molaridade (M). Molaridade é o número 
de moles de soluto por litro de solução. A escala de pH varia de 0 a 14, sendo 7 neutros, 
sendo que pH + pOH = 14.
Em água pura, a concentração de íons H+ e íons hidróxido (OH-) é igual a 1x10–7 
M a 25°C ou seja [H+] = [OH-] = 1x10–7 M. Quando as concentrações de H+ e OH- são 
iguais, o pH é neutro e seu valor é 7, que é calculado por pH = -log (1x10–7) = 7. 
Soluções com pH inferior a 7 são consideradas ácidas porque contêm uma 
concentração maior de íons H+ do que de íons OH-. Ou seja, [H+] > [OH-] e pH < 7. Por 
exemplo, uma solução com pH 4 tem uma concentração de H+ de 10-4 M, que é maior 
que 10–7 M. 
Por outro lado, soluções com pH maior que 7 são consideradas alcalinas ou 
básicas, porque contêm uma concentração maior de íons OH- do que de íons H+. Ou 
seja, [H+] < [OH-] e pH > 7. Por exemplo, uma solução com pH 10 tem uma concentração 
de H+ de 10-10 M, que é inferior a 10–7 M.
O pH aquoso pode ser medido por indicadores coloridos como tornassol, 
fenolftaleína ou vermelho de fenol (Figura 24). Exemplos de ácidos fortes são o ácido 
clorídrico (HCL), ácido sulfúrico e nítrico. São completamente ionizados em solução 
aquosa por bases fortes como NaOH e KOH. 
44
Figura 24 – O pH de alguns fluidos aquosos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 60)
Os ácidos podem ser definidos como doadores de prótons e são representados 
pela fórmula HA ↔ A- + H+. Enquanto as bases são aceptoras de prótons (B + H2O ↔BH
+ + 
OH-) segundo a teoria de Brønsted -Lowry. Um doador de prótons e seu correspondente 
aceptor de prótons constituem um par conjugado ácido-base (Figura 25). 
A constante de equilíbrio para uma reação na qual um ácido perde um 
próton é conhecida como constante de ionização ou constante de dissociação ácida, 
normalmente designadas por Ka. Ácidos fortes se dissociam completamente na água. 
45
Figura 25 – Pares conjugados ácido-base consistem em um doador de prótons e um aceptor de prótons
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 61)
Alguns compostos como o ácido acético e íons amônio são monopróticos; eles só 
podem doar um próton. Outros são dipróticos (ácido carbônico e glicina) ou tripróticos 
(ácido fosfórico). As reações de dissociação de cada par são mostradas onde elas 
ocorrem ao longo de um gradiente de pH. A constante de equilíbrio ou dissociação (Ka) 
e seu logaritmo negativo, o pKa, são mostrados para cada reação.
A titulação determina a quantidade de um ácido em uma certa solução. 
Por exemplo, para determinar a concentração de ácido acético (CH3COOH) em uma 
solução, adiciona-se uma quantidade conhecida de uma base forte, como hidróxido 
de sódio (NaOH), até que o ácido seja neutralizado revelando o valor de pKa do ácido 
(Figura 26). O valor de pKa do ácido acético é 4,76, que é inversamente proporcional 
à força do ácido acético. Ou seja, os ácidos mais fortes têm um pKa mais baixo, por 
exemplo, em comparação o ácidosulfúrico (H2SO4) tem um pKa de -3. O pKa pode ser 
determinado por meios experimentais medindo o pH no ponto central da curva de 
titulação para o ácido ou a base, que é o ponto no qual exatamente metade do ácido 
ou base foi neutralizado.
46
Figura 26 – A curva de titulação do ácido acético
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 62)
Depois da adição de cada incremento de NaOH à solução de ácido acético, o pH da 
mistura é medido. Esse valor é colocado em um gráfico em função da quantidade 
de NaOH adicionada, expresso como a fração da concentração total requerida para 
converter todo o ácido acético (CH3COOH) na sua forma desprotonada, acetato 
(CH3COO–). Os pontos então obtidos geram a curva de titulação. Nos retângulos estão 
mostradas as formas iônicas predominantes nos pontos designados. No ponto central 
da titulação, as concentrações de doadores de prótons e aceptores de prótons são 
iguais, e o pH é numericamente igual ao pKa. A zona sombreada é a região útil do poder 
tamponante, geralmente entre 10 e 90% da titulação de um ácido fraco.
As células e organismos mantém um pH citosólico específico e constante e em 
geral perto do pH 7, o que mantém biomoléculas em seu estado iônico otimizado. Essa 
constância do pH nas células é atingida por meio de tampões biológicos.
Um tampão funciona mantendo o pH de uma solução em um nível relativamente 
constante. Quando um ácido ou base é adicionado a uma solução tampão, o ácido ou base 
irá reagir com o tampão, fazendo com que o ácido ou base seja neutralizado. Isso ocorre 
porque o tampão é composto por um ácido fraco e sua base conjugada correspondente. 
Quando o ácido é adicionado à solução, ele reage com a base conjugada, e quando a 
base é adicionada à solução, ele reage com o ácido fraco. Essa reação ajuda a manter o 
pH da solução em um nível relativamente constante.
47
Figura 27 – Ionização da histidina
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 65)
O aminoácido histidina, um componente das proteínas, é um ácido fraco. O pKa do 
nitrogênio protonado da cadeia lateral é 6,0.
A equação de Henderson-Hasselbalch permite calcular o pH de uma solução 
tampão. pH = pKa + log([A-]/[HA]), onde pKa é a constante de dissociação do ácido, e 
[A-] e [HA] representam as concentrações da forma dissociada do ácido e da forma não 
dissociada do ácido, respectivamente. Esta equação nos permite determinar o valor de 
pH que causa 50% de dissociação do ácido. Em uma solução tampão, o ácido e sua 
base conjugada estão em equilíbrio, e a solução tampão é capaz de resistir a mudanças 
no pH devido à presença de um ácido ou de uma base. 
O citoplasma das células contém alta concentração de aminoácidos com 
grupos funcionais que são ácidos fracos e bases fracas e que atuam como tampão 
efetivo (Figura 27).
O sistema fosfato é um importante tampão biológico que ajuda a manter a 
constância do pH nas células. O sistema tampão é formado por um ácido fraco, H2PO4, 
e sua base conjugada, HPO4
2. O ácido fraco pode se dissociar em suas espécies A e H+, 
enquanto também permanece em sua forma não dissociada como H2PO4. Isso cria um 
equilíbrio químico, em que o ácido e suas formas dissociadas estão em equilíbrio. O pH 
de uma solução contendo este sistema tampão pode ser calculado usando a equação 
de Henderson-Hasselbalch: pH = pKa + log([HPO4
2-]/[ H2PO4]), em que o pKa é 6,86. Isso 
torna o tampão fosfato adequado para ajudar a manter um pH estável no citoplasma 
dos mamíferos, que oscila entre 6,9 e 7,4. Como o sistema tampão é capaz de aceitar 
ou doar prótons de maneira eficaz, ele ajuda a manter o pH dentro dessa faixa, evitando 
mudanças drásticas na acidez que podem ser prejudiciais à célula. 
Outro importante sistema tampão biológico é o sistema tampão bicarbonato. 
Esse sistema envolve a reação química do ácido carbônico (H2CO3), dissociando-se em 
um próton (H+) e bicarbonato (HCO3-). 
48
Esse sistema é mais complexo, pois o ácido carbônico é formado pela reação 
reversível de CO2(d), dissolvido em solução aquosa (pois em condições normais, o CO2 
é um gás): CO2(d) + H2O ↔ H2CO3. Assim, a própria concentração de H2CO3 depende da 
concentração de CO2 (pressão parcial de CO2) na solução. 
Esse sistema tampão é eficaz em pH próximo a 7,4, pois o H2CO3 do plasma 
está em equilíbrio com o CO2 (gás) do ar contido nos pulmões. A taxa de inspiração e 
expiração ajusta esse equilíbrio para manter o pH constante, essa taxa de respiração é 
controlada pelo tronco cerebral (Figura 28).
Figura 28 – O sistema tampão do bicarbonato.
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 67)
O CO2 no espaço aéreo pulmonar está em equilíbrio com o tampão bicarbonato do 
plasma sanguíneo que circula pelos capilares pulmonares. Como a concentração de 
CO2 dissolvido pode ser ajustada rapidamente por mudanças na taxa de respiração, 
o sistema tampão bicarbonato do sangue está em estreito equilíbrio com um grande 
reservatório potencial de CO2.
O sistema tampão bicarbonato é afetado pelo ácido lático produzido no músculo 
ou no catabolismo de proteínas alterado. O H+ formado pelo ácido lático deixa os tecidos 
pelo sangue, aumentando a concentração de CO2 no sangue e, consequentemente, 
alterando o pH e causando acidose. 
As alterações no pH podem apresentar sintomas de dor de cabeça, vômito, 
tontura, convulsão e coma – pois as enzimas não funcionam adequadamente em pH 
alterado. 
49
Figura 29 – O pH ótimo de algumas enzimas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 68)
Figura 30 – Participação da água nas reações biológicas.
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 69)
A pepsina é uma enzima digestiva secretada no suco gástrico, que tem pH ,1,5, o que 
permite à enzima funcionar de forma ótima. A tripsina, uma enzima digestiva que age 
no intestino delgado, tem um pH ótimo que se assemelha ao pH neutro do lúmen do 
intestino delgado. A fosfatase alcalina do tecido ósseo é uma enzima hidrolítica que 
presumivelmente auxilia na mineralização dos ossos.
5 A ÁGUA COMO REAGENTE
A água também pode atuar como reagente e não apenas como solvente. Nas 
reações de condensação, a água é eliminada como subproduto. Um exemplo de reação de 
condensação é a formação de uma ligação fosfoanidrido entre dois fosfatos inorgânicos 
durante a produção de ATP (trifosfato de adenosina). Nas reações de hidrólise, a água 
é usada para quebrar as ligações químicas entre as moléculas. Como na quebra da 
ligação fosfoanidrido no ATP pela adição de água, que libera energia e a converte em 
ADP (difosfato de adenosina) e fosfato inorgânico. Esta reação é importante para a 
transferência de energia dentro das células para processos metabólicos (Figura 30). 
50
ATP é um fosfoanidrido formado pela reação de condensação (perda de elementos 
da água) entre ADP e fosfato. R representa o monofosfato de adenosina (AMP). Esta 
reação de condensação requer energia. A hidrólise do ATP (adição de elementos da 
água) para formar ADP e fosfato libera uma quantidade equivalente de energia. Estas 
reações de condensação e hidrólise do ATP são somente um dos exemplos do papel 
da água como reagente nos processos biológicos
A capacidade do carbono em formar diferentes tipos de ligações através de diferentes 
formas de hibridização é fundamental para sua função única na formação de estruturas 
complexas necessárias para a vida. 
O processo de hibridização do carbono é uma reorganização dos orbitais atômicos do 
átomo de carbono, ou seja, quando os orbitais atômicos originais, que são os orbitais 2s 
e 2p, se combinam para formar um conjunto de orbitais híbridos que são utilizados para 
formar ligações covalentes com outros átomos. Os diferentes tipos de orbitais híbridos, 
podem ser sp, sp2 e sp3, dependendo do número de orbitais p que se combinam com 
o orbital s. Por exemplo, quando o carbono se une a outro carbono, pode formar quatro 
ligações simples ou usar hibridização sp3. Alternativamente, pode formar uma ligação dupla 
e duas ligações simples, também usando hibridização sp3. Duas ligações duplas podem 
ser formadas usando hibridização sp,enquanto uma ligação tripla e uma ligação simples 
também podem ser criadas usando hibridização sp, como mostrado na tabela abaixo.
As ligações duplas entre carbono e oxigênio são especialmente importantes em muitas 
moléculas, pois são cruciais para a formação e função de uma ampla variedade de 
macromoléculas, incluindo carboidratos, lipídios e ácidos nucleicos.
NOTA
Tabela 1 – Possíveis ligações com carbono encontrados em compostos orgânicos
Elemento 
químico 
Número de 
ligações com o 
Carbono
Tipo de ligações Exemplos 
Carbono (C) 4
4 simples 
2 simples + 1 dupla
1 simples + 1 tripla
2 duplas propadieno
Oxigênio (O) 2 2 simples 1 dupla 
 ácido carboxílico
Hidrogênio (H) 1 1 simples
 
álcool
Nitrogênio (N) 3
3 simples 
1 simples + 1 dupla
1 tripla
 amina 
51
Enxofre (S) 2 2 simples 1 dupla dissulfeto de carbono
Halogênios:
Flúor (F) 
Cloro (Cl)
Bromo (Br)
Iodo (I)
1 1 simples
haleto de alquila
https://sites.usp.br/bioquimica/propriedades-da-agua/
https://sites.usp.br/bioquimica/propriedastampao/
http://www.sbq.org.br/
https://www.labxchange.org/
DICA
https://sites.usp.br/bioquimica/propriedades-da-agua/
https://sites.usp.br/bioquimica/propriedastampao/
http://www.sbq.org.br/
https://www.labxchange.org/
52
DEMONSTRAÇÃO DO EFEITO TAMPÃO DE COMPRIMIDOS EFERVESCENTES COM 
EXTRATO DE REPOLHO ROXO
Viviani Alves de Lima, Miriam Battaggia, Andréia Guaracho, Adriano Infante
Revista Química Nova na Escola (QNEsc)
Neste experimento são utilizados extrato de repolho roxo e comprimido 
efervescente para se chegar ao conceito de solução tampão. 
O pH do suco gástrico situa-se normalmente na faixa de 1,0 a 3,0. É comum, 
entretanto, esse suco tornar-se mais ácido que o normal, causando a chamada azia e 
prejudicando a digestão. Quando isso acontece, faz-se uso de comprimidos antiácidos, 
que têm como função elevar o pH até a faixa da normalidade. Por que não se pode 
usar bases como a soda cáustica (NaOH) para elevar o pH do estômago? Que diferença 
há entre as propriedades de um comprimido efervescente e as propriedades da soda 
cáustica? Estas questões serão investigadas neste experimento.
LEITURA
COMPLEMENTAR
Material Reagentes Procedimento
2 béqueres 
de 50 mL
3 tubos de 
ensaio
estante 
para tubos 
de ensaio
2 conta-
gotas
1 comprimido 
antiácido 
efervescente
água destilada
10 mL de extrato 
de repolho roxo
100 mL de solução 
de ácido clorídrico 
0,1 mol/L
100 mL de solução 
de hidróxido de 
sódio 0,1 mol/L
• Coloque, até 3 cm de altura em um dos tubos de 
ensaio, ácido clorídrico; em outro, água destilada e, 
no último, solução de hidróxido de sódio.
• Adicione a cada um 5 gotas do extrato de repolho 
roxo. Registre a coloração adquirida pela solução 
de cada tubo (Nota 1). 
• Coloque em um tubo de ensaio ácido clorídrico, 
algumas gotas de extrato de repolho e vá 
adicionando solução de hidróxido de sódio (Nota 2).
• Coloque nos béqueres 50 mL de água. Em um 
deles, acrescente o comprimido efervescente. 
Coloque 20 gotas de extrato de repolho em cada 
béquer.
• Adicione às duas soluções 10 gotas de solução 
de hidróxido de sódio. Agite e registre suas 
observações (Nota 3).
• Acrescente à solução que contém o comprimido 
efervescente mais gotas de solução de hidróxido de 
sódio. Vá agitando e contando o número de gotas até 
observar mudança (Nota 4).
53
Notas
1. As cores observadas são: no ácido clorídrico, vermelha; na água, lilás, e no hidróxido 
de sódio, verde, passando a amarelo.
2. Observa-se assim alteração brusca de pH, indicada pela rápida mudança da coloração 
da solução.
3. Na solução com comprimido efervescente, a cor se mantém.
4. A solução resiste por mais tempo à mudança de pH que as demais. 
Questões propostas
• A variação de pH da solução inicial de ácido clorídrico é mais brusca quando se 
acrescenta solução de NaOH ou de comprimido efervescente? 
• Por que a ingestão de excesso de antiácidos também pode trazer consequências 
altamente indesejáveis para o organismo?
Conclusões e comentários
Verifica-se que mesmo com a adição de hidróxido de sódio ou ácido clorídrico, 
não ocorre alteração significativa do pH da solução que contém o comprimido 
efervescente, quando essa adição não é muito excessiva, ao contrário do que acontece 
com a outra solução, em que a mudança é brusca mesmo com pequenas quantidades. 
Verifica-se, assim, que o comprimido efervescente em solução age como 
controlador de pH, não deixando ocorrer mudanças bruscas – isto é, funciona como 
uma solução tampão. 
Soluções tampão são as soluções que resistem a variações de pH, quando a 
elas são adicionados ácidos ou bases. Tais soluções são amplamente empregadas em 
análise química e até mesmo em escala industrial, quando as variações de pH alteram 
os resultados desejados.
54
Também em nosso organismo elas estão presentes, mantendo o pH do estômago 
próximo a 2, o do sangue próximo a 7,4, o da urina ao mínimo de 4,5. Por isso, é também 
importante que certos medicamentos sejam ‘tamponados’, para que não percam ou não 
mudem seus efeitos em diferentes condições de pH.
Fonte: QUÍMICA NOVA NA ESCOLA Equilíbrio Ácido Base N° 1, obtido de http://qnesc.sbq.org.br/online/
qnesc01/exper2.pdf
55
RESUMO DO TÓPICO 3
Neste tópico, você aprendeu:
• A água é uma molécula polar atuando como solvente para muitas substâncias 
iônicas e polares. A água não interage com moléculas apolares.
• A água forma ligações de hidrogênio conhecidas como pontes de hidrogênio.
• A água possui alta capacidade térmica, o que ajuda a regular a temperatura
• A osmolaridade refere-se à concentração de partículas de soluto em uma solução e 
desempenha um papel importante na regulação do equilíbrio de fluidos em sistemas 
biológicos. 
• A pressão osmótica gerada pelo gradiente de concentração de solutos ajuda a 
manter o equilíbrio adequado de fluidos através das membranas celulares.
• As moléculas de água têm uma pequena capacidade de sofrer ionização reversível. 
• O pH é uma medida de [H+] em uma solução.
• O pH se encontra em uma escala logarítmica e é uma medida da acidez/alcalinidade 
de uma solução. 
• O conceito de ácidos e bases de Brønsted-Lowry é importante para entender as 
reações ácido-base e a transferência de prótons (H+) em sistemas biológicos. 
• Todos os processos nos seres vivos ocorrem em uma faixa de pH ideal. 
• Um sistema tampão funciona mantendo o pH de uma solução em um nível 
relativamente constante. Um tampão é composto de um ácido fraco e sua base 
conjugada.
• A água é um reagente importante em muitas reações químicas em sistemas 
biológicos, como nas reações de hidrólise.
56
AUTOATIVIDADE
1 Na natureza, podemos encontrar uma variedade de ligações que mantêm átomos 
e compostos juntos. Acerca do tipo de ligação fraca que você pode encontrar entre 
moléculas de água e também em seu próprio DNA, assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) Uma ligação covalente apolar.
b) ( ) Uma ligação covalente polar. 
c) ( ) Uma ligação iônica.
d) ( ) Uma ligação de hidrogênio.
2 O pH é uma medida da acidez ou alcalinidade de uma solução. Ele é definido como o 
logaritmo negativo da concentração de íons hidrogênio (H+) presentes na solução. 
Assinale a alternativa CORRETA que melhor descreve uma solução desconhecida 
com um pH de 8,0.
a) ( ) Ligeiramente básica.
b) ( ) Ácida.
c) ( ) Neutra.
d) ( ) Fortemente básica.
e) ( ) Ligeiramente ácida.
3 Os compostos anfipáticos são moléculas que possuem propriedades hidrofóbicas e 
hidrofílicas, e, em solução aquosa, tendem a se organizar em estruturas específicas 
para minimizar as interações hidrofóbicas desfavoráveis. Acerca da estrutura globular 
que tem um núcleo hidrofóbico e uma superfície hidrofílica, assinale a alternativa 
CORRETA:
a) ( ) Micelas.
b) ( ) Lipídios.
c) ( ) Camada de hidratação.
d) ( ) Nenhuma das anteriores.
4 Johannes Nicolaus Brønsted e Thomas Martin Lowry foram dois químicos 
dinamarqueses que trabalharam juntos no início do século XX. Eles proposeram a 
teoria de ácido-baseconhecida como Teoria de Brønsted-Lowry. Na reação a seguir 
entre o ácido clorídrico e a amônia, quais dos compostos podem ser denominados 
um ácido de Brønsted-Lowry ou uma base de Brønsted-Lowry. Explique: 
HCl(aq) + NH3(aq) → NH4+(aq) + Cl−(aq)
57
5 O tampão é uma solução biológica ou química que age para manter o pH relativamente 
constante quando se adiciona ácido ou base à solução. Isso é de grande importância, 
pois muitos processos biológicos e químicos são sensíveis à mudança de pH e podem 
ser afetados por variações bruscas no pH. Explique como um tampão mantém o pH 
constante.
58
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; STRYER, LU. Bioquímica. 7. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan. 2014.
FERRIER, D. Bioquímica ilustrada. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2019. 
NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 7. ed. Porto Ale-
gre: Artmed, 2019.
NELSON, D. L. & COX, M. M. Princípios de bioquímica. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 
2014
RODWELL, V. W. et al. Bioquímica ilustrada de Harper. 31. ed. Porto Alegre: AMGH, 
2021. 
SANTOS, A. P. S. A et al. Bioquímica prática - Protocolos para análise de biomolé-
culas e exercícios complementares. Disponível em: http://gurupi.ufma.br:8080/jspui/
handle/1/445. Acesso em: 31 mar. 2023.
http://gurupi.ufma.br:8080/jspui/handle/1/445
http://gurupi.ufma.br:8080/jspui/handle/1/445
59
AS MACROMOLÉCULAS E 
SUAS FUNÇÕES
UNIDADE 2 — 
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
PLANO DE ESTUDOS
A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:
• descrever os quatro principais tipos de macromoléculas biológicas;
• descrever as estruturas das macromoléculas biológicas;
• compreender as funções das macromoléculas biológicas;
• compreender a natureza das moléculas catalíticas;
• compreender os mecanismos envolvidos no fluxo de informação genética nos 
sistemas biológicos.
A cada tópico desta unidade você encontrará autoatividades com o objetivo de 
reforçar o conteúdo apresentado.
TEMA DE APRENDIZAGEM 1 – ESTRUTURA E FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS 
TEMA DE APRENDIZAGEM 2 – ESTRUTURA E FUNÇÃO DE CARBOIDRATOS E LIPÍDIOS
TEMA DE APRENDIZAGEM 3 – AS MACROMOLÉCULAS DA INFORMAÇÃO GENÉTICA
Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure 
um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações.
CHAMADA
60
CONFIRA 
A TRILHA DA 
UNIDADE 2!
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61
TÓPICO 1 — 
ESTRUTURA E FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS
UNIDADE 2
1 INTRODUÇÃO
As grandes estruturas moleculares (ou supramoleculares) necessárias para a 
vida, são constituídas a partir de moléculas orgânicas chamadas de macromoléculas 
biológicas. Existem quatro classes principais de macromoléculas biológicas: as proteínas, 
os carboidratos, os lipídios e os ácidos nucléicos. 
Cada uma dessas macromoléculas é formada por subunidades monoméricas. 
(Figura 1). Essas subunidades são unidas entre si por ligações covalentes. Por outro 
lado, as macromoléculas que formam as estruturas supramoleculares estão unidas 
entre si por ligações não covalentes, que são ligações mais fracas, como pontes de 
hidrogênio, as interações iônicas, as interações hidrofóbicas e as interações Van der 
Waals. As ligações fracas combinadas em grandes números conferem estabilidade aos 
complexos supramoleculares. 
As macromoléculas são componentes importantes da célula e executam uma 
ampla variedade de funções. Na célula, elas compõem a maior parte da massa seca, 
sendo que água compõe a maior parte da massa completa de uma célula (Figura 1)
Figura 1 – Hierarquia estrutural na organização molecular das células
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 11)
62
As organelas e outras estruturas relativamente grandes das células são feitas de 
complexos supramoleculares, que, por sua vez, são feitos de moléculas menores e 
de subunidades moleculares menores. Por exemplo, o núcleo desta célula de planta 
contém cromatina, complexo supramolecular que consiste em DNA e proteínas 
(histonas). O DNA é feito de subunidades monoméricas simples (nucleotídeos), assim 
como as proteínas (aminoácidos).
Figura 2 – Componentes moleculares de uma célula de E. coli
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.15)
Porcentagem do 
peso total de célula
Número aproximado de 
espécies moleculares 
diferentes
Água 70 1
Proteínas 15 3.000
Ácidos nucleicos
 DNA
 RNA
1
6
1-4
> 3.000
Polissacarídeos 3 10
Lipídeos 2 20
Subunidades monoméricas e 
intermediárias
2 500
Íons inorgânicos 1 20
As proteínas são as macromoléculas mais abundantes da célula e fundamentais 
para a estrutura e função celular. Constituem-se como polímeros compostos por 
aminoácidos, sendo sintetizadas a partir dos moldes de mRNA pelos ribossomos.  
Acadêmico, no Tema de Aprendizagem 1, abordaremos as propriedades dos 
aminoácidos, como eles se unem como blocos para formar as proteínas com estruturas 
tridimensionais singulares e capazes de desempenhar funções biológicas específicas. 
O proteoma é o conjunto das proteínas em funcionamento na célula, e o estudo da 
proteômica é a caracterização dessas proteínas. 
Algumas proteínas têm atividade catalítica e funcionam como enzimas capazes 
de quebrar ligações moleculares, reorganizar ligações ou formar novas ligações. Essas 
enzimas podem conter um componente não proteico chamado cofator, podendo ser 
uma coenzima ou vitamina que é necessário para o funcionamento adequado da enzima.
63
2 AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS 
As proteínas, tanto as de bactérias, como as achadas nos seres humanos, são 
constituídas principalmente pelos mesmos grupos de 20 tipos de aminoácidos. Porém, 
as diferentes combinações e arranjos de aminoácidos dão origem à vasta diversidade 
de proteínas encontradas em organismos vivos. 
A maioria dos aminoácidos são α-aminoácidos, contendo um grupo carboxila 
(-COOH), um grupo amino (-NH3
+), um carbono α, um hidrogênio (H) e uma cadeia 
lateral ou grupo R que difere para cada aminoácido. O carbono α é quase sempre quiral, 
exceto na glicina. Sendo assim, apresenta dois estereoisômeros possíveis L e D, sendo 
enantiômeros (imagens não sobrepostas).
Por convenção, L e D referem-se à configuração similar ao gliceraldeído, sendo 
L grupo-amino na esquerda, e D grupo-amino na direita (Figura 3). Os aminoácidos nas 
proteínas são exclusivamente estereoisômeros L. 
Figura 3 – Estereoisomerismo em α-aminoácidos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.15)
A figura apresenta: (a) Os dois estereoisômeros da alanina, L– e D–alanina, são 
imagens especulares não sobrepostas um do outro (enantiômeros).
Os grupos carboxila e amino dos aminoácidos, e as cadeias laterais ionizáveis, 
podem sofrer protonação (adição de H) e desprotonação (retirada de H), dependendo 
do pH.  
Em soluções ácidas, os grupos ionizáveis apresentam-se protonados (-COOH, 
-NH3
+), em soluções de pH neutro é um íon bipolar ou zwitterríon (do alemão, íon híbrido 
-COO-, -NH3
+), e em soluções alcalinas, apresentam-se desprotonados (-COO-, -NH2). 
(Figura 4) 
64
Figura 4 – Formas não iônicas e zwitteriônicas de aminoácidos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.83)
A figura apresenta: (esquerda) A forma não iônica não ocorre em quantidades 
significativas em soluções aquosas. O zwitteríon predomina em pH neutro. Um 
zwitteríon pode atuar tanto como ácido (doador de prótons) quanto como base 
(aceptor de prótons). (direita) Titulação de um aminoácido. Aqui é mostrada a curva de 
titulação de 0,1 M de glicina a 25ºC. As espécies iônicas que predominam em pontos-
chave na titulação são mostradas acima do gráfico. Os retângulos sombreados, 
centrados em torno de pK15 2,34 e pK25 9,60, indicam as regiões de maior poder de 
tamponamento. Observe que 1 equivalente de OH–5 0,1 M de NaOH foi adicionado.
A titulação ácido-base envolve a adição ou remoção gradual de prótons. O pKa 
e pKb (ou -log do Ka, ou do Kb) descrevem o grau de ionização de um ácido ou base e 
são usados para indicar a força de um ácido ou base. O pKa e pKb são iguais ao valor do 
pH quando metade do ácido ou da base se dissocia, e sãoregiões de tamponamento.  
Os aminoácidos possuem caráter anfótero, podendo se comportar como ácidos 
e bases fracas. Os aminoácidos com apenas dois grupos ionizáveis, apresentam duas 
regiões de tamponamento (Exemplo: a glicina, pKa 2,34 e pKb 9,60, Figura 4), enquanto 
os aminoácidos com cadeias laterais ionizáveis apresentam uma terceira região de 
tamponamento. 
O ponto isoelétrico (pI) corresponde ao valor de pH em que a molécula se 
encontre eletricamente neutra, ou seja, quando o número de cargas positivas for igual 
ao número de cargas negativas (carga elétrica líquida igual a zero). De modo geral, 
65
pode ser calculado pela média dos valores de pKa e pKb, sendo pI = (pKa + pKb) /2. Por 
exemplo, a glicina tem pI = (2,35 + 9,60/2) = 5,97.  
A determinação da forma iônica dos aminoácidos é importante em processos 
técnicos de separação e purificação dessas moléculas.  
2.1 CLASSIFICAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS 
As cadeias laterais (o grupo R) dos aminoácidos possuem diferentes propriedades 
químicas, como carga, tamanho e polaridade, que influenciam a maneira como os 
aminoácidos interagem entre si e com seu ambiente. Por exemplo, algumas cadeias 
laterais têm forte afinidade com a água e são hidrofílicas, enquanto outras não interagem 
bem com a água e são hidrofóbicas. Essas propriedades podem afetar a conformação 
geral da proteína, bem como sua função e interações com outras moléculas. Em geral, 
as cadeias laterais desempenham um papel crucial na determinação da estrutura e 
função das proteínas. 
Os aminoácidos são então classificados em 5 grupos de acordo as propriedades 
químicas da sua cadeia lateral (R). (Figura 5) São abreviados por 3 letras, com símbolo 
de uma letra (Ex: Alanina, ALA, A).
1. Grupo R alifáticos (não contém anéis): são apolares e hidrofóbicos, tendem a se 
aglomerar no interior da molécula, onde participam em interações hidrofóbicas. São 
7: alanina, glicina, leucina, isoleucina, metionina, prolina e valina; 
2. Grupo R aromáticos: são relativamente hidrofóbicos. Absorvem luz ultravioleta 
280nm, dando esta característica para identificação de proteínas. São 3: fenilalanina, 
tirosina e triptofano.
3. Grupo R polares, não carregados: são mais solúveis em água. São 5: asparagina, 
cisteína, glutamina, treonina e serina. 
4. Grupo R carregado positivamente (básicos): hidrofílicos. São 3: arginina, histidina e 
lisina. 
5. Grupo R carregado negativamente (ácidos): hidrofílicos. São 2: aspartato e glutamato.  
66
Figura 5 – Os 20 aminoácidos comuns de proteínas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.79)
A figura apresenta as fórmulas estruturais que mostram o estado de ionização que 
predomina em pH 7,0. As porções não sombreadas são aquelas comuns a todos os 
aminoácidos; aquelas sombreadas são os grupos R.
Os grupos carregados atuam como doadores e aceptores de elétrons. Por essas 
características, as proteínas podem ter ação tamponante – a capacidade de resistir à 
mudança do pH. 
No laboratório, os aminoácidos aromáticos tirosina e triptofano são identificados 
por reação com o ácido nítrico, originando um composto amarelo (em meio ácido), 
chamada de reação xantoproteica (xanto, do grego, significa amarelo).  
Na nutrição, os aminoácidos são classificados como essenciais ou não essenciais. 
Os aminoácidos essenciais, são aqueles que humanos e outros vertebrados não 
conseguem sintetizar a partir de intermediários metabólicos. Esses aminoácidos devem 
67
Figura 6 – Formação de uma ligação peptídica por condensação
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.86)
A figura apresenta o grupo a-amino de um aminoácido (com grupo R2) atua como 
nucleófilo para deslocar o grupo hidroxila de outro aminoácido (com grupo R1), 
formando uma ligação peptídica (sombreada). Os grupos amino são bons nucleófilos, 
mas o grupo hidroxila é um grupo de saída fraco e não prontamente deslocado. No 
pH fisiológico, a reação mostrada aqui não ocorre em grau apreciável.
ser consumidos na dieta, porque o corpo humano não possui as vias metabólicas 
necessárias para sintetizar esses aminoácidos. São os aminoácidos metionina, lisina, 
leucina, isoleucina, triptofano, valina, treonina, fenilalanina e histidina. 
2.2 LIGAÇÃO PEPTÍDICA
Os aminoácidos formam polímeros, unidos por ligação covalente, a ligação 
peptídica (C-N) para formar os peptídeos e proteínas. Trata-se de uma reação de 
condensação entre o carbono da carboxila e o nitrogênio da amina, liberando uma 
molécula de água (H2O) (Figura 6). Esse processo não acontece por uma reação direta 
entre os aminoácidos, mas pela maquinaria de síntese de proteínas que inclui os 
ribossomos, os locais de síntese de proteínas na célula. A sequência de ácidos nucléicos 
no DNA ou RNA fornece as instruções, os ribossomos e outras proteínas e enzimas 
ajudam a ler esse código genético para ligar os aminoácidos na ordem correta formando 
as proteínas. Este é um processo altamente coordenado e complexo que é essencial 
para a função dos organismos vivos.
Os polímeros de aminoácidos são chamados de peptídeos, oligopeptídeos 
(contendo alguns aminoácidos), polipeptídios (contendo muitos aminoácidos) e/
ou proteínas (sendo o n= o número de aminoácidos de uma proteína, por exemplo, a 
hemoglobina humana possui 574 aminoácidos). 
68
No laboratório, o reagente de biureto contendo sulfato de cobre (II) (CuSO4) 
é comumente usado para a determinação de concentração de proteínas, em ensaio 
colorimétrico. Os íons de Cu2+ provenientes do CuSO4, formam um complexo com as 
ligações peptídicas presentes na amostra, desenvolvendo uma coloração violeta. 
As proteínas conjugadas apresentam, além dos aminoácidos, um grupo 
prostético que desempenha um papel importante na função da proteína. Exemplo: 
lipoproteína (contêm lipídios), glicoproteína (contêm carboidratos), fosfoproteínas 
(contêm grupos fosfato), hemeproteínas (contêm o grupo heme), flavoproteínas (contêm 
nucleotídeos de flavina) e metaloproteína (contêm ferro, zinco, cálcio e cobre). 
3 ESTRUTURA DAS PROTEINAS 
Cada proteína apresenta uma composição de aminoácidos bem característica 
e que forma estruturas tridimensionais. As estruturas das proteínas são comumente 
definidas em 4 níveis: 1. primária, 2. secundária, 3. terciária e 4. quaternária (Figura 7).
Figura 7 – Níveis de estrutura nas proteínas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.96)
A figura apresenta a estrutura primária que consiste em uma sequência de aminoá-
cidos unidos por ligações peptídicas e inclui quaisquer pontes dissulfeto. O polipep-
tídeo resultante pode ser disposto em unidades de estrutura secundária, como em 
uma hélice a. A hélice é uma parte da estrutura terciária do polipeptídeo dobrado, 
que é ele mesmo uma das subunidades que compõem a estrutura quaternária da 
proteína multissubunidade, nesse caso a hemoglobina.
69
Figura 8 – Grupo peptídico planar
Fonte: Nelson & Cox (2014, p 118)
A figura apresenta em (a) Cada ligação peptídica tem algum caráter de ligação du-
pla devido à ressonância, e não pode girar. Embora o átomo de N em uma ligação 
peptídica seja sempre representado com uma carga positiva parcial, considerações 
cuidadosas dos orbitais de ligação e dos mecanismos quânticos indicam que o N 
tem uma carga líquida neutra ou levemente negativa. (b) Três ligações separam os 
A estrutura primária consiste na sequência de aminoácidos, começando pela 
extremidade N- terminal e terminando com a extremidade C- terminal. Essa sequência 
primária reflete a sequência do gene da qual a proteína foi codificada, ou seja, é a forma 
através da qual a informação genética é expressa. 
A estrutura primária é importante para a formação tridimensional das proteínas. 
Por exemplo, na anemia falciforme, o ácido glutâmico, polar na sequência primária, é 
substituído pelo aminoácido valina não polar. Essa alteração causa modificações na 
estrutura tridimensional dessa hemoglobina, que passa a ter a uma forma de foice com 
capacidade de se agregar, alterando sua função. 
Cada proteína possui uma sequência de aminoácidos queé única, porém não 
é sempre fixa, o que confere uma característica polimórfica às proteínas, de forma que 
pequenas variações na sequência podem não alterar sua função. 
Em um polímero de aminoácidos, a ligação peptídica que une os aminoácidos 
tem um caráter parcial de ligação dupla, o que ajuda a manter a estrutura geral da 
proteína (Figura 8). Essa característica restringe o movimento da ligação peptídica, 
mantendo-a em uma configuração planar rígida. No entanto, as outras ligações na 
proteína, como as ligações entre os átomos de carbono nas cadeias laterais, têm 
rotações livres e podem se mover para formar diferentes conformações. Isso permite 
que a proteína adote uma variedade de formas e estruturas diferentes, conhecidas 
como sua estrutura secundária. 
70
carbonos a consecutivos em uma cadeia polipeptídica. As ligações N-Cα e Cα-C po-
dem girar, sendo descritas pelos ângulos diedros designados f e c, respectivamente. 
A ligação peptídica C¬N não está livre para rotação. Outras ligações simples do es-
queleto também podem estar rotacionalmente obstruídas, dependendo do tamanho 
e da carga dos grupos R.
A estrutura secundária é constituída de arranjos estáveis e recorrentes, como a 
α-hélice aconformação β (Figura 9).
A α-hélice é uma estrutura helicoidal em que o esqueleto polipeptídeo está 
enrolado em torno de um eixo imaginário e os grupos R projetam-se para fora, evitando 
o impedimento estérico (repulsão eletrostática). Cada volta da hélice é formada por 3,6 
resíduos de aminoácidos, que se repetem. A estrutura é estabilizada por ligações de 
hidrogênios, entre o H do grupo amino, e o presente no grupo da carbonila (C=O). 
Nem toda sequência de aminoácidos forma α-hélice, a formação dessa estrutura 
pode ser impedida pelas interações entre os grupos R (em grupos R carregados, os 
aminoácidos irão repelir-se mutuamente), os volumes de grupos R adjacentes, e 
interações entre os resíduos de aminoácidos das extremidades do segmento helicoidal 
e o dipolo elétrico inerente da α-hélice. 
Outro tipo de arranjo de estrutura secundária é a conformação β estendida na 
forma de zigue-zague. Os aminoácidos também interagem por pontes de hidrogênio, e 
as cadeias laterais projetam-se em direção oposta. Estão organizados de forma paralela 
ou antiparalela. Quando vários segmentos β estão lado a lado, são chamados de folhas β.  
As cadeias polipeptídicas em estrutura secundária podem estar unidas entre si 
através de conexões chamadas de voltas ou alças. Exemplo são o barril β e a alça β-β-β.  
71
Figura 9 – (esquerda) Modelos de hélice α, mostrando os diferentes aspectos de sua estrutura 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.121 e 123)
(a) Modelo de esfera e bastão mostrando as ligações de hidrogênio internas da ca-
deia. A unidade que se repete forma uma volta da hélice: 3,6 resíduos. (b) Hélice 
α vista de uma de suas extremidades, ao longo do eixo central (obtida a partir do 
PDB ID 4TNC). Observe as posições dos grupos R, representados pelas esferas roxas. 
Observe modelo de esfera e bastão, que ressalta o arranjo helicoidal, dá uma falsa 
impressão de que a hélice é oca, pois as esferas não mostram os raios de van der 
Waals de cada um dos átomos. (direita) A conformação β das cadeias polipeptídicas. 
Estas visões (a) lateral e (b, c) superior mostram os grupos R saindo do plano da folha 
β enfatizam a forma pregueada formada pelos planos das ligações peptídicas. (Um 
nome alternativo para esta estrutura é folha β pregueada. As ligações de hidrogênio 
entre as cadeias adjacentes também são mostradas. A orientação das cadeias adja-
centes (setas), do aminoterminal para carboxiterminal, pode ser a mesma ou oposta, 
formando (b) folhas β antiparalelas ou (c) folhas β paralelas. 
Na estrutura terciária, ocorrem interações entre as estruturas regulares 
secundárias e/ou regiões sem estrutura definida. Essas interações são formadas por 
ligações fracas, porém em grande número, que influenciam o enovelamento da proteína.  
A conformação da proteína diz sobre seu arranjo no espaço, assumindo 
normalmente conformações termodinâmicas estáveis, com menor energia livre (G). 
Essa conformação funcional é chamada de nativa.  
As interações químicas na forma nativa que estabilizam a proteínas são ligações 
fracas, que podem ser:  
72
• Pontes de hidrogênio, que não são regulares como acontece na estrutura secundária.  
• Interações hidrofóbicas, ocorrem entre cadeias apolares de aminoácidos e estão, 
presentes no interior da proteína para diminuir o contato com a água.
• Ligações iônicas, são interações entre as regiões carregadas, sendo mais frequentes 
na superfície da proteína, onde podem talvez estabelecer interações com a água.  
A estrutura terciária também pode ser estabilizada por ligação covalente, como 
a ponte dissulfeto (S-S), que é formada por reação de oxidação entre dois resíduos de 
cisteína (Figura 10)
Figura 10 – Ondulação permanente é engenharia bioquímica
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.127)
Proteínas com semelhança na estrutura primária e/ou terciária e com funções 
semelhantes fazem parte da mesma família.  
A estrutura quaternária é formada por associação de subunidades distintas, 
podendo formar multímetros (muitos) ou oligômeros (alguns). As subunidades podem 
ser iguais ou diferentes e são mantidas na estrutura quaternária por ligações não 
covalentes.  
No entanto, algumas proteínas podem ser intrinsicamente desordenadas e com 
padrões estruturais distintos.  
73
Tabela 2 – Funções das proteínas
Tabela 3 – Níveis estruturais das proteínas
Fonte: a autora.
Fonte: a autora.
4 CLASSIFICAÇÃO DAS PROTEINAS E FUNÇÃO
 
As proteínas podem ser classificadas de acordo com as funções que realizam 
(Tabela 2).
Classe   Exemplo  
Enzimas – função catalítica   Tripsina 
Transportadoras   Hemoglobina  
Contrácteis   Actina e miosina  
Defesa   Anticorpos  
Reguladoras   Hormônios como a insulina  
Estruturais   Colágeno  
As proteínas também podem ser classificadas quanto à forma (Tabela 3).
Fibrosas   Globulares  
Cadeias polipeptídicas arranjadas de for-
ma alongada.  
Cadeias polipeptídicas que se organizam 
em esferas.  
São geralmente insolúveis, pela quantida-
de de aminoácidos hidrofóbicos.  
São geralmente solúveis.  
Desempenham papéis estruturais, confe-
rindo força e flexibilidade.  
Desempenham várias funções dinâmicas 
na célula.  
Exemplo: o colágeno, α-queratina.  
Exemplos: enzimas, proteínas de defesa, 
reguladoras e transportadoras.  
O colágeno são proteínas que conferem resistência. São encontradas nos tecidos 
conectivos, tendões e cartilagens. Na estrutura quaternária, as cadeias polipeptídicas 
se contorcem entre si, formando cadeias em α. A vitamina C é necessária para a 
hidroxilação dos aminoácidos no colágeno e a falta dessa vitamina causa o escorbuto, a 
degeneração do tecido conectivo.  
A α-queratina é uma proteína que ocorre nos mamíferos, nos cabelos, unhas 
e chifres. Possui estrutura quaternária complexa formada pela associação lateral de 
cadeias α-hélices, formando longos filamentos. A formação de pontes de dissulfeto 
entre as cadeias confere grande resistência às fibras de α-queratina. 
74
A mioglobina e hemoglobina são exemplos de proteínas globulares. Possuem 
um grupo heme (com o ferro) na sua estrutura que faz ligações com o O2 nas células 
musculares e nas hemácias.  
Além disso, as proteínas podem ser classificadas com base em sua origem, por 
exemplo, se são produzidas por bactérias, plantas ou animais.
As mudanças na estrutura da proteína podem alterar a sua atividade biológica. A 
desnaturação é um processo de perda da estrutura tridimensional que pode resultar em 
perda da função sem romper as ligações peptídicas. Pode ser um processo irreversível 
ou reversível, e nesse último a proteína retorna ao seu estado original. 
Os principais agentes desnaturantes são:  
• A temperatura, pois o calor age nas interações fracas como ponte de hidrogênio. 
No entanto, algumas proteínas de arquibactériasevoluíram para funcionar em 
temperaturas de 100oC.  
• O pH, que pode alterar a carga líquida das proteínas, causando repulsão eletrostática 
e rompendo ligações.  
• Os solventes orgânicos, como o álcool e a acetona, que promovem alterações nas 
ligações hidrofóbicas.  
• Os detergentes e solutos, como a ureia, que possuem baixo peso molecular e afetam 
a estabilidade das proteínas em solução aquosa. 
• Agentes redutores, que desfazem ligações dissulfeto (S-S). 
A desnaturação pode levar à precipitação de proteínas e formação de agregados 
proteicos.  No laboratório é possível promover a precipitação de proteínas, pois essas 
são moléculas carregadas. Os íons positivos de metais pesados reagem com as cargas 
negativas das proteínas, principalmente se o pH estiver acima do pI da proteína (ponto 
neutro), formando precipitados. Por outro lado, quando a proteína está abaixo do seu pI, 
a carga líquida total da molécula é positiva, o que facilita a interação com ácidos fortes 
e precipitação da proteína. 
A alteração da estrutura tridimensional e da função de proteínas pode causar 
doenças. As proteínas podem estar alteradas quando ocorre falhas no dobramento 
de forma espontânea ou por uma mutação de um determinado gene. Essas proteínas 
podem expor sua superfície hidrofóbica e ligam-se com outras proteínas, formando 
agregados. O organismo atua para corrigir proteínas deformadas, direcionando-as para 
as vias de reciclagem (via UPR, do inglês Unfolded Protein Response) e/ou através das 
vias de degradação como autofagia e o sistema ubiquitina-proteoma.   No entanto, o 
acúmulo dos agregados causa doenças como o Parkinson, o Alzheimer e a doença da 
vaca louca (doença do príon). 
75
As proteínas são moléculas flexíveis e dinâmicas que interagem com outras 
moléculas.  Os ligantes são moléculas que fazem ligações reversíveis com uma proteína 
no sítio de ligação ou sítio ativo (em enzimas). Essa interação está acoplada a uma 
mudança conformacional na proteína denominada encaixe induzido. Essa ligação 
reversível pode ser descrita por uma constante de associação (Ka) ou uma constante de 
dissociação (Kd). 
Um exemplo clássico de estrutura e função das proteínas é observado na 
molécula de hemoglobina. 
A hemoglobina (Hb) é uma proteína presente nas hemácias e realiza o transporte 
de oxigênio. É uma hemeproteína, constituída por quatro globinas (a parte proteica), e 
quatro grupos prostéticos, heme. Uma molécula de hemoglobina com quatro moléculas 
de O2 é denominada oxi-hemoglobina (HbO2).
O grupo heme, é um complexo entre a protoporfirina (com quatro anéis pirrólicos) 
e o ferro que está preso no centro da molécula. Essa estrutura mantém o ferro no estado 
ferroso (Fe2+) e inibe a sua oxidação para Fe3+, pois apenas o Fe2+ faz ligações reversíveis 
com oxigênio. 
A função da hemoglobina depende tanto da capacidade de se ligar quanto 
de liberar o oxigênio. A ligação do oxigênio a hemoglobina é alostérica. Essa ligação 
da hemoglobina com o oxigênio altera a conformação da hemoglobina, que passa do 
estado R com alta afinidade pelo oxigênio para captar oxigênio nos pulmões; para o 
estado T com baixa afinidade, liberando o oxigênio nos tecidos, dependente da pressão 
parcial de oxigênio (pO2 em mmHg)  (Figura 11) A P50 é a pO2 em que a Hb está 50% 
saturada, e é, normalmente, 27 mmHg. 
Figura 11 – Curva sigmoide de ligação (cooperativa) 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.166)
76
A curva sigmoide de ligação pode ser vista como uma curva híbrida que reflete a 
transição de um estado de baixa afinidade para um de alta afinidade. Devido a sua li-
gação cooperativa, evidenciada por uma curva sigmoide, a hemoglobina é mais sen-
sível às pequenas diferenças na concentração de O2 entre os tecidos e os pulmões, 
o que lhe permite se ligar ao oxigênio nos pulmões (onde a pO2 é alta) e liberá-lo nos 
tecidos (onde a pO2 é baixa). 
A hemoglobina também carrega CO2 (HbCO2) e H+, sendo que o H+ liga-se 
a diferentes sítios da proteína. No entanto, a maior parte do CO2 é convertido para 
bicarbonato (HCO3-) pela hidratação do CO2 catalisada pela enzima anidrase carbônica. 
Essa reação resulta em mais H+ nos tecidos, o que reduz o pH. 
A presença do CO2 e a variação do pH produz o efeito Bohr e tem influência na 
ligação e liberação de oxigênio pela hemoglobina. A redução do pH resulta na redução 
de afinidade da hemoglobina por O2 e garante a disponibilidade de O2 para os tecidos. 
Por outro lado, o meio alcalino aumenta a afinidade da hemoglobina por O2.
A função da hemoglobina é complementada por modulação alostérica de 
interação ao BPG (2,3-bifosfoglicerato), que diminui a afinidade da hemoglobina ao 
oxigênio em relação pO2 nos pulmões. E em caso de altitude ou de doenças pulmonares, 
os níveis de BPG aumentando para facilitar ainda mais a liberação de O2 nos tecidos.
5 ENZIMAS E CATÁLISE
 
As enzimas são catalisadores biológicos, assim são capazes de acelerar as 
reações químicas na célula por um fator de 105 a 107. As enzimas funcionam diminuindo a 
energia de ativação necessária para que uma reação ocorra, o que permite que a reação 
ocorra de forma mais rápida e eficiente. Essa função é essencial nos sistemas vivos, 
pois muitas reações na célula ocorreriam muito lentamente sem a ajuda de enzimas. Em 
alguns casos, a reação seria tão lenta que seria efetivamente impossível de acontecer. 
A maioria das enzimas são proteínas, porém um pequeno grupo de RNA realiza 
atividade catalítica, como a ribozima, envolvida na síntese de proteínas, catalisando 
reações peptídicas. As enzimas são classificadas de acordo com o tipo de reação que 
catalisam (Tabela 4).
A reação química catalisada por uma enzima é específica e distingue uma 
enzima de outra. Na enzima (E), a reação ocorre em um bolsão denominado sítio ativo 
(Figura 12). A molécula que se liga ao sítio ativo é o substrato (S), formando um complexo 
enzima-substrato ou ES. O composto resultante é o produto (P). 
77
A enzima quimotripsina, com o substrato ligado (PBD ID 7GCH). Alguns dos resíduos-
-chave do sítio ativo aparecem como uma mancha vermelha na superfície da enzima
Com exceção de algumas das enzimas, como pepsina, renina e tripsina, a maioria 
dos nomes das enzimas terminam em "ase". A nomenclatura de enzimas indica o substrato 
sobre o qual a enzima atuou e qual o tipo de reação foi catalisada. Por exemplo, a enzima 
fosfatase é uma hidrolase que catalisa a hidrólise de ésteres de fosfato.
Tabela 4 – Classificação das Enzimas
Figura 12 – Ligação de um substrato no sítio ativo de uma enzima
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 192)
Classe  Nome  Tipo de reação  
1  Oxidorredutase  Reações de oxidação-redução ou transferência de elétrons. 
2  Transferase  
Transferem grupos funcionais como amina, fosfato, acil, 
carboxil. 
3  Hidrolases  Reações de hidrólise de ligação covalente. 
4  Liases  
Adição de grupos a duplas ligações ou remoção de grupos 
deixando dupla ligação, clivagem de C-C, C-O, C-N.
5  Isomerases 
Reações de interconversão entre isômeros óticos ou 
geométricos. 
6  Ligases  
Condensação de duas moléculas, sempre às custas de 
energia, geralmente do ATP. 
A função da enzima é aumentar a velocidade da reação sem, contudo, afetar 
o equilíbrio final, e a enzima não é gasta no processo. Assim, uma reação enzimática 
simples pode ser descrita como: E + S ⇌ ES ⇌ EP ⇌ E + P  (enzima + substrato ⇌ 
complexos transitórios ⇌ enzima + produto).
78
5.1 FUNÇÃO DOS CATALISADORES ENZIMÁTICOS
Um catalisador pode ajudar a reação a atingir o equilíbrio mais rapidamente, 
mas não pode alterar a constante de equilíbrio ou o estado de equilíbrio da reação. Na 
reação de conversão SP, a função do catalisador é acelerar a conversão de S para P (e 
de P para S), porém, sem alterar a proporção entre reagentes e produtos encontrados no 
final da reação e assim mantem o equilíbrio (K´eq) da reação que é K´eq=[P]/[S].
A energia livre de Gibbs (G) é um importante parâmetro termodinâmico que 
determina a viabilidade de umareação química. Em sistemas biológicos, a energia 
livre de Gibbs é frequentemente usada para prever a direção de uma reação e se ela 
prosseguirá até a conclusão ou chegará ao equilíbrio. A variação de energia livre é 
chamada de ΔG ou ΔG'o (nas condições padrões a 25 °C e pH 7). 
As reações biológicas dependem da energia livre de Gibbs e tendem a ocorrer 
em direção ao equilíbrio (ΔG =0). Em geral, o sinal de ΔG determina a direção na qual 
uma reação química ocorrerá. As reações onde o equilíbrio libera energia e favorece a 
formação do produto, são ditas exergônicas e são espontâneas (então ΔG < 0 é negativo). 
As reações endergônicas são desfavoráveis termodinamicamente e absorvem energia 
(então ΔG > 0 é positivo).
No entanto, mesmo para as reações espontâneas (ΔG < 0), algumas reações 
não alcançam o equilíbrio, pois existe uma barreira energética entre a transformação 
dos reagentes a produtos. Essa barreira possui uma energia de ativação ou ΔG‡. Os 
catalisadores aceleram a velocidade da reação por diminuírem a energia de ativação. 
Sendo assim, ΔG‡ mais baixa significa uma reação mais rápida. 
Quando os reagentes são transformados em uma reação, passam por um 
estado de transição, um estado intermediário e instável em que a reação pode tanto 
continuar quanto voltar. Nas reações enzimáticas, a reação ocorre por um caminho 
alternativo, criando um estado de transição, com energia de ativação menor e formação 
de complexos transitórios que colaboram com a eficiência da catálise. 
A reação S⇌P (com ou sem enzima) pode ser descrita por um diagrama de 
coordenada da reação que representa a variação de energia durante a reação (Figura 13).
79
Figura 13 – Diagrama da coordenada da reação comparando uma reação catalisada por enzima com uma 
não catalisada
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.193)
Na reação S à P, os intermediários ES e EP ocupam o nível mínimo na curva da pro-
gressão da energia de uma reação catalisada por uma enzima. Os termos DG‡não 
catalisada e DG‡catalisada correspondem, respectivamente, à energia de ativação 
da reação não catalisada e à energia de ativação total da reação catalisada. A energia 
de ativação é menor quando a reação é catalisada por uma enzima.
O complexo ES é o primeiro passo na catálise enzimática e alguns modelos de 
interação ES foram propostos que ajudam a entender o mecanismo das enzimas. 
• O modelo chave e fechadura exemplifica a especificidade pelo substrato. Trata-se, 
porém, de um modelo rígido, não explicando toda a complexidade da catálise e o 
estado de transição. 
• O modelo de ajuste induzido é o mais aceito e mostra como a ligação do substrato 
induz uma mudança de conformação na enzima, para uma conformação que possui 
propriedades catalíticas aumentadas. 
Essa interação entre a enzima e o substrato é acompanhada de liberação de 
energia livre, ou energia de ligação, proveniente das interações fracas que estabilizam 
a reação.  
A energia de ligação atua na redução da entropia, mantendo o substrato em 
uma melhor orientação, e, na dessolvatação, a enzima substitui as ligações do substrato 
com a água (ou seja, excluindo as moléculas de água que eram um impedimento para 
a reação). 
O mecanismo de ação das enzimas pode variar. Uma vez que o substrato está 
ligado à enzima, alguns grupos catalíticos específicos contribuem para a catálise no 
complexo ES, ajudando no rompimento ou formações de ligações: 
80
• A catálise ácido-base refere-se à transferência de prótons mediada por certos 
aminoácidos e não água. 
• A catálise covalente forma ligação covalente transitória, onde alguns grupos 
funcionais ou coenzimas servem como agentes nucleofílicos. 
• A catálise por íons metálicos realiza interação iônica entre metais ligados a enzimas 
e substrato. 
5.2 CINÉTICA ENZIMÁTICA
A cinética enzimática determina a velocidade das reações químicas catalisadas 
pelas enzimas e quais os fatores que afetam a velocidade das reações enzimáticas.
Os cientistas Leonor Michaelis e Maud Menten propuseram um modelo para 
estudar a ação enzimática em que a enzima e o substrato formam um complexo ES a uma 
certa constante de velocidade (k1) e reversível (k-1). E em seguida complexo ES é rompido 
em uma segunda etapa mais lenta (k2), fornecendo a enzima regenerada e o produto P. 
A velocidade da reação depende da concentração crescente de substrato, 
deslocando o equilíbrio para formação do complexo ES. 
Para mensurar a velocidade em um experimento de cinética enzimática, 
o valor da enzima é fixado, sou seja, a concentração total de enzima é a mesma. A 
concentração do substrato varia, sempre adicionando muito mais substrato que enzima. 
Utiliza-se apenas o tempo inicial em que a velocidade inicial (𝑉𝑜) está relacionada com 
a concentração do substrato. Ou seja, o início representa melhor a velocidade da reação 
e esta é a velocidade inicial. Conforme vai aumentando a concentração do substrato, 
a velocidade é alterada, o que mostra que a concentração do substrato interfere na 
velocidade da reação.
Sendo assim, com essas informações, é possível construir um gráfico de 
velocidade inicial (𝑉𝑜 em µM/min) pela concentração do substrato ([S] em mM). O gráfico 
resultante é uma curva hiperbólica (Figura 14 e 15).
Na parte inferior da curva, a velocidade depende da concentração do substrato ([𝑆] 
em mM). Na parte superior da curva, o aumento da concentração do substrato não mais altera 
a velocidade da reação (em µM/min), e a reação está na sua velocidade máxima (𝑉má𝑥).  
Ao longo de todo o processo, a enzima pode estar livre (E) ou formando o complexo, 
ligada ao substrato (ES). Aumentando a concentração de substrato, teremos um momento 
em que 50% da enzima estará livre e 50% na forma de complexo ES. Nesse momento de 
50%, podemos também concluir que temos metade da 𝑉má𝑥 acontecendo nessa reação. 
81
A [S] detectada a uma velocidade de reação igual a metade de 𝑉má𝑥 é chamada 
de constante de Michaelis-Menten, 𝐾𝑚 onde 𝐾𝑚 = 𝑉má𝑥/2. 
Figura 14 – Dependência da velocidade inicial da concentração de substrato
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.203)
Figura 15 – Velocidades iniciais de reações catalisadas por enzimas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.201)
Este gráfico mostra os parâmetros cinéticos que definem os limites da curva em [S] 
elevada e baixa. Em baixa [S], Km>>[S], e o termo [S] no denominador na equação de 
Michaelis-Menten se torna desprezível. A equação fica simplificada a V0 = Vmáx[S]/
Km, e V0 apresenta uma dependência linear de [S], como observado aqui. Em alta 
[S], quando [S] >>Km, o termo Km, denominador na equação de Michaelis--Menten, 
torna-se desprezível, e a equação fica simplificada a V0 = Vmáx, o que é consistente 
com o platô observado em [S] elevada. A equação de Michaelis-Menten é, portanto, 
consistente com a dependência observada de V0 por [S], e a forma da curva é defi-
nida pelos termos Vmáx/Km em baixa [S] e Vmáx em alta [S].
82
Uma enzima teórica catalisa a reação S⇌P. A enzima está presente em uma 
concentração suficiente para catalisar a reação a uma velocidade máxima, Vmáx, 
de 1 mM/min. A constante de Michaelis, Km (explicada no texto), é 0,5 mM. Estão 
mostradas as curvas de progressão da reação para as concentrações abaixo, 
exatamente no Km e acima dele. A velocidade de uma reação catalisada por uma 
enzima diminui à medida que o substrato é convertido em produto. A tangente de 
cada curva, no tempo zero, define a velocidade inicial, V0, de cada uma das reações. 
A velocidade da reação com um único substrato, catalisada pela enzima, é 
descrita na equação de Michaelis-Menten (𝑉𝑜 =𝑉má𝑥 [𝑆] / 𝐾𝑚 + [𝑆]).  
Essa reação pode ser simplificada quando 𝑉𝑜 =𝑉má𝑥/2, de forma que 𝐾𝑚 = [𝑆], 
ou seja, 𝐾𝑚 é numericamente igual à concentração do substrato e fornece uma medida 
de [𝑆], para que ocorra uma catálise significativa. Essa equação é denominada cinética 
do estado estacionário, na qual a concentração de ES e dos intermediários permanecem 
constantes ao longo do tempo.
O valorde 𝐾𝑚 (em M) também é utilizado como inverso da medida de afinidade 
entre a enzima e o substrato. Quanto menor o Km, maior a afinidade. Por exemplo a 
enzima hexocinase pode ter como substrato a glicose ou a frutose. O Km para a glicose 
é de 0.15mM, nessa [S] essa enzima está na metade da sua 𝑉má𝑥, porém para a frutose 
é necessária uma concentração 10x maior (km= 1,50 mM) para se obter a metade 𝑉má𝑥. 
Ou seja, a hexocinase teria maior afinidade pela glicose, e menos afinidade pela frutose.
A enzima quando saturada é descrita pela constante Kcat, que define o número 
de renovação ou número máximo de moléculas de substratos convertidos em produto 
por segundo. 
A relação que Kcat/𝐾𝑚 fornece medida de eficiência catalítica. Os valores de 
Kcat/𝐾𝑚 na ordem de 108 e 109 M-1s-1, estão próximos a perfeição cinética de uma 
enzima, onde todo encontro entre a enzima e o substrato, resultará em um produto. A 
enzima anidrase carbônica é um exemplo de eficiência da enzima com alto valor Kcat/
Km. Essa enzima acelera (de forma reversível) a hidratação de CO2, formando o ânion 
bicarbonato (HCO3
-). Na catálise, o CO2 se acopla ao sítio catalítico e recebe o ataque 
nucleofílico de OH- para formar HCO3
-, que possui função de sistema tampão no sangue 
dos mamíferos. O bicarbonato é um ácido fraco e pode ser revertido CO2 e H2O quando 
o pH diminui.  
Na maioria das reações, dois ou mais substratos podem ligar-se à enzima e 
participar da reação, como ocorre no exemplo da fosforilação da glicose pela enzima 
hexocinase: Glicose + ATP ⇌ Glicose-6-fosfato + ADP.  As velocidades dessas reações 
de bissubstrato também podem ser analisadas pela abordagem de Michaelis-Menten. A 
hexocinase tem um Km característico para cada um dos seus substratos. 
83
Outros fatores, além da concentração do substrato podem influenciar a atividade 
enzimática como a temperatura e o pH. Isso porque as enzimas dependem de pH ótimo 
no qual a atividade catalítica seja máxima, sendo que atividade catalítica decresce em 
pH maior ou menor. O aumento da temperatura pode favorecer a velocidade das reações 
químicas. No entanto, algumas proteínas podem sofrer desnaturação e, assim, acarretar 
alteração na sua função. 
Um exemplo de reação enzimática é a da enzima α-amilase salivar (ou 
ptialina), uma hidrolase que tem a função de degradar carboidratos, na boca. Ela é 
predominantemente produzida pelas glândulas parótidas e pâncreas.  
No laboratório, a presença do carboidrato amido nos alimentos é detectada pela 
formação de um complexo amido-iodo (principalmente com a amilose) que desenvolve 
uma cor azul intensa. O desaparecimento dessa cor é observado, adicionando saliva, 
pois a α-amilase faz a hidrólise das ligações α (1-4) das cadeias do amido, produzindo 
glicose, maltose e oligossacarídeos. A coloração azul diminui proporcionalmente à 
atividade enzimática, comparado com um controle. 
As enzimas podem ser inibidas de forma reversível ou irreversível. Os inibidores 
da atividade enzimática possuem um papel regulador no organismo e são também 
usados como agentes farmacêuticos. A determinação do tipo de inibidor pode ser 
visualizada em um gráfico duplo-recíproco (gráfico 1/V0 versus 1/[S]) (Figura 16).
A inibição reversível pode ser de 3 tipos: 
• Com inibidor competitivo, o inibidor tem estrutura similar ao substrato e compete 
pelo sítio ativo da enzima. Forma um complexo EI que não leva a catálise. A análise 
cinética mostra alteração de Km, com um valor maior, o Km aparente. 
• Com o inibidor não competitivo, o inibidor liga-se à um sítio ativo distinto do 
substrato no complexo ES, formando ESI, que impede a formação do produto. Na 
avaliação cinética, Km permanece inalterado, mas, como a enzima fica inativa, a 
𝑉má𝑥 é reduzida, dependendo da concentração do inibidor.
• Com inibição mista, o inibidor liga-se tanto à enzima quanto ao complexo ES 
alterando tanto Vmá𝑥 quanto Km. 
Os inibidores irreversíveis inativam a enzima fazendo ligações estáveis, ou 
destroem um grupo funcional essencial para a ativação da enzima. Os inibidores 
irreversíveis suicidas inativam a enzima usando o próprio mecanismo de reação da 
enzima e são muito utilizados no planejamento de fármacos. 
84
Figura 16 – O gráfico duplo-recíproco possibilita uma maneira fácil de determinar se o inibidor de uma 
enzima é competitivo, incompetitivo ou misto 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.209)
A penicilina é um antibiótico do tipo betalactâmico que faz inibição irreversível 
da enzima transpeptidase, a qual, por sua vez, confere a rigidez da parede bacteriana 
para evitar a lise osmótica. A resistência das bactérias é conferida pela presença da 
enzima beta-lactamases, que cliva o anel betalactâmico do antibiótico. Os antibióticos 
mais potentes possuem em sua composição o ácido clavulônico, que é inibidor suicida 
das beta-lactamases. 
Outro exemplo de inibidor irreversível é a aspirina, que transfere um grupo 
acetila para enzima Cox. Isso inativa a enzima e libera o ácido salicílico. A Cox é uma 
enzima responsável pela síntese das prostaglandinas que regulam vários processos 
fisiológicos e a dor. 
5.3 REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
O controle da catálise é crucial para a vida. Através de mecanismos reguladores, 
as células catalisam apenas as reações que necessitam em determinados momentos. 
A energia química é usada de forma econômica. As enzimas regulatórias presentes nos 
processos metabólicos influenciam na velocidade de toda a sequência de reações. As 
enzimas alostéricas possuem locais de ligação além do sítio ativo, esses outros locais 
são específicos para cada modulador ou efetor alostérico. Tais enzimas não obedecem 
a cinética de Michaelis-Menten, pois respondem a múltiplos efetores que interferem 
na velocidade máxima e na constante de Michaelis-Menten. Essas enzimas exibem 
gráficos com curva de saturação sigmóide e não uma curva hiperbólica. 
A regulação de enzimas também pode acontecer por modificações covalentes 
reversíveis que podem alterar as propriedades locais da enzima, podendo ter a adição 
de um grupo fosfato (fosforilação), de um grupo metila (metilação), entre outros. Podem, 
ainda, ser moduladas por proteínas internas como a ubiquitina e a sumo. 
85
Algumas enzimas são sintetizadas na forma de precursores inativos, chamados 
zimogênios, que serão transformados em enzima em outro local. 
5.4 COENZIMAS E VITAMINAS
Algumas enzimas necessitam de um componente químico ou grupo prostético 
denominado cofator. São íons inorgânicos como Fe2+, Mg2+, Mn2+ e o Zn ou uma 
coenzima, que pode ser uma molécula orgânica ou metalogênica como as derivadas 
das vitaminas.  A enzima completa, junto com seu grupo prostético é denominada 
holoenzima. A parte proteica de uma dessas enzimas é denominada apoenzima ou 
apoproteína. 
As vitaminas são micronutrientes vitais que não são  sintetizados de forma 
endógena, sendo obtida principalmente por meio da dieta. Existem dois grupos 
principais de vitaminas, as lipossolúveis, essas são mais facilmente armazenadas em 
gordura após a absorção e as hidrossolúveis, estas não ficam armazenadas e requerem 
ingestão regular para evitar a deficiência. A maioria das coenzimas são vitaminas ou são 
derivadas de vitaminas.
As vitaminas lipossolúveis incluem as vitaminas A, D, E e K. As vitaminas 
lipossolúveis desempenham papéis essenciais em vários processos fisiológicos, como 
visão, saúde óssea, função imunológica e coagulação (Figura 17).
As vitaminas hidrossolúveis incluem vitamina C e complexo de vitamina B 
(tiamina, riboflavina, niacina, ácido pantotênico, piridoxina, biotina, folato e cobalamina).
As coenzimas estão também envolvidas em uma variedade de processos 
metabólicos no corpo humano. A coenzima NAD (nicotinamida adenina dinucleotídeo) 
desempenha um papel fundamental no processo de respiração celular para gerar 
energia para as células. Está envolvida em várias outras reações importantes no corpo, 
incluindo a degradação da glicose e a síntese de ácidosgraxos. A coenzima FAD (flavina 
adenina dinucleotídeo) é outra coenzima que desempenha um papel fundamental 
no metabolismo. Está envolvida em várias reações importantes no corpo, incluindo a 
quebra de ácidos graxos e a produção de energia. Também está envolvido na síntese 
de certos aminoácidos e na desintoxicação de drogas e outras substâncias nocivas no 
corpo. Tanto o NAD quanto o FAD são essenciais para o bom funcionamento do corpo e 
são normalmente obtidos da dieta na forma de vitaminas. 
86
Figura 17 – A produção da vitamina D3 e o metabolismo
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.373)
(a) O colecalciferol (vitamina D3) é produzido na pele pela radiação UV sobre o 
7-desidrocolesterol, que rompe a ligação que está em cor salmão. No fígado, um grupo 
hidroxila é adicionado ao C-25; no rim, uma segunda hidroxilação em C-1 produz o 
hormônio ativo, 1a,25-di-hidroxivitamina D3. Este hormônio regula o metabolismo do 
Ca2++ no rim, no intestino e nos ossos. (b) A vitamina D da dieta evita o raquitismo, uma 
doença comum em climas frios, em que as roupas pesadas bloqueiam o componente 
UV da luz solar necessário para a produção da vitamina D3 na pele. Neste detalhe de 
um grande mural de John Steuart Curry, Os benefícios sociais da pesquisa bioquímica 
(1943), as pessoas e os animais à esquerda representam os efeitos da nutrição pobre, 
incluindo as pernas arqueadas de um menino com raquitismo clássico. À direita estão 
as pessoas e os animais mais saudáveis com os “benefícios sociais da pesquisa”, 
incluindo o uso da vitamina D para prevenir e tratar o raquitismo. Este mural está no 
Departamento de Bioquímica na Universidade de Wisconsin-Madison. 
87
RESUMO DO TÓPICO 1
Neste tópico, você aprendeu:
• As proteínas são uma classe de macromoléculas que desempenham diversas 
funções na célula. 
• Os aminoácidos são os monômeros que formam as proteínas. Cada aminoácido 
contém um grupo carboxila (-COOH), um grupo amino (-NH3+), um carbono α, um 
hidrogênio (H) e uma cadeia lateral ou grupo R que difere.
• Existem 20 aminoácidos principais. Os aminoácidos estão ligados entre si por 
ligação peptídica para formar os peptídeos e proteínas.
• As proteínas são organizadas em quatro níveis: primário, secundário, terciário e 
quaternário.
• Mudanças estruturais da proteína podem levar à desnaturação da proteína e perda 
de função.
• As enzimas são proteínas que aceleram a velocidade das reações reduzindo a 
energia de ativação e não são consumidas durante uma reação.
• As enzimas podem ser inibidas de forma reversível ou irreversível. 
• As vitaminas são obtidas da dieta e são essenciais para o funcionamento de enzimas 
que requerem cofatores.
88
AUTOATIVIDADE
1 As macromoléculas são fundamentais para o funcionamento de todos os seres 
vivos, desempenhando papéis importantes em processos como armazenamento de 
energia, estrutura celular e transporte de informações. Sobre as macromoléculas, 
assinale a alternativa INCORRETA:
a) ( ) As quatro principais macromoléculas essenciais à vida são proteínas, lipídios, 
carboidratos e ácidos nucléicos.
b) ( ) As macromolécula são composta de subunidades menores chamadas 
monômeros.
c) ( ) Todas as quatro macromoléculas são compostas dos mesmos monômeros, 
porém em configurações moleculares diferentes. 
d) ( ) Cada macromolécula têm funções específica na célula.
2 As proteínas são macromoléculas complexas que desempenham uma ampla 
variedade de funções no organismo. Sua estrutura é composta por quatro níveis: 
estrutura primária, secundária, terciária, além da estrutura quaternária. A estrutura da 
proteína é crucial para sua função e pode ser alterada por vários agentes, conhecidos 
como agentes desnaturantes, tais como mudanças na temperatura, pH, soluções 
salinas etc. Acerca dos níveis estruturais das proteínas são afetados por agentes 
desnaturantes, assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) Estrutura primária e secundária.
b) ( ) Estrutura terciária e quaternária.
c) ( ) Estrutura secundária, terciária e quaternária.
d) ( ) A estrutura da proteína não é afetada por agentes desnaturantes.
3 As vitaminas são moléculas essenciais para o nosso organismo. Várias doenças são 
causadas por deficiência de vitaminas. O raquitismo é uma doença associadas a 
carência de de determinada vitamina. Acerca dessa vitamina, assinale a alternativa 
CORRETA:
a) ( ) D. 
b) ( ) E. 
c) ( ) A.
d) ( ) B.
89
4 Os aminoácidos são as unidades básicas das proteínas. Os aminoácidos essenciais 
não são sintetizados pelo organismo, como a isoleucina, leucina, valina, fenilalanina, 
metionina, treonina, triptofano, lisina e histidina. Enquanto os aminoácidos não 
essenciais podem ser sintetizados pelo organismo, a partir de outros precursores. 
São os aminoácidos alanina, ácido aspártico, asparagina, ácido glutâmico e a serina. 
Descreva a estrutura geral de um α-aminoácido e como eles se diferem? 
5 As reações químicas que ocorrem nos seres vivos são catalisadas por enzimas. As 
enzimas aumentam a velocidade dessas reações, tornando-as mais eficientes e 
permitindo que os processos biológicos aconteçam rapidamente. Uma das variáveis 
que afeta a velocidade de uma reação enzimática é a concentração do substrato. 
Em um experimento a concentração do substrato X (denominado Sx), é baixa. O que 
acontece com a velocidade da reação catalisada por enzima se a concentração de Sx 
for aumentada?
90
91
ESTRUTURA E FUNÇÃO DE 
CARBOIDRATOS E LIPÍDIOS
1 INTRODUÇÃO
Acadêmico, no Tema de aprendizagem 2, abordaremos duas importantes 
macromoléculas, que participam no fornecimento de energia da maioria dos animais e 
plantas, os carboidratos e lipídios.
Os carboidratos são um grupo de macromoléculas que são fonte de energia 
vital para a célula e fornecem suporte estrutural para células vegetais, fungos e todos 
os artrópodes.
Os lipídios são uma classe de macromoléculas de natureza apolar e hidrofóbica. 
Os principais tipos incluem gorduras e óleos, ceras, fosfolipídios e esteroides. Os lipídios 
desempenham muitas funções diferentes em uma célula, são fontes de energia para 
uso a longo prazo na forma de gorduras e fornecem isolamento do ambiente para 
plantas e animais.
UNIDADE 2 TÓPICO 2 - 
2 CARBOIDRATOS
Os carboidratos como o açúcar e o amido são a principal fonte para a produção 
de energia na maioria das células não fotossintéticas. A fórmula empírica do carboidrato é 
Cn(H2O)n, em que, para cada carbono, há uma água. Logo o termo “carbono hidratado”. O 
n na fórmula representa um determinado número, no mínimo, os carboidratos são de 3C.
Os carboidratos são divididos em 3 classes principais: mono-; di-; e polissacarídeos. 
A palavra “sacarídeo” é derivada do grego sakcharon, que significa “açúcar”.  
2.1 MONOSSACARÍDEOS
Os monossacarídeos (chamados de “oses” açucares simples) são sólidos 
incolores, cristalinos, solúveis em água e com sabor adocicado. São constituídos por 
uma única unidade de aldeído (C=O, grupo carbonil na extremidade, com C ligado ao 
hidrogênio) ou cetona (grupo carbonil entre carbonos), e que apresentam pelo menos 
dois grupos hidroxilas.  
92
Os açúcares que possuem aldeído são chamados de aldoses, e os que tem 
função cetona são chamados de cetoses. O mais simples são as trioses de 3 carbonos, 
como os gliceraldeídos (aldotrioses) e di-hidroxicetonas (cetotrioses). As demais 
classificações são de tetroses de 4C, pentoses de 5C, hexoses de 6C e heptoses de 7C. 
Na nomenclatura, os carbonos do açúcar começam a ser numerados a partir 
da extremidade da cadeia mais próxima ao grupo carbonil.  Os monossacarídeos de 
6C, D-glicose e a D-frutose são os mais comuns na natureza. As pentoses, D-ribose e 
2-deoxi-D-ribose são os componentes dos ácidos nucleicos (Figura 18).
Na projeção de Fischer, a cadeia de carbonos é escrita na vertical, com o grupo 
carbonil próximo ou na extremidade.
Figura 18 – Monossacarídeos representativos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.244)
(a) Duas trioses, uma aldose e uma cetose. Ogrupo carbonil em cada molécula está 
sombreado. (b) Duas hexoses comuns. (c) As pentoses componentes de ácidos 
nucleicos. A D-ribose é um componente do ácido ribonucleico (RNA) e a 2-desóxi-
D-ribose é um componente do ácido desoxirribonucleico (DNA).
A maioria dos açúcares possuem pelo menos um centro quiral com um carbono 
assimétrico ligado a quatro átomos ou grupos diferentes, permitindo que existam 
formas isoméricas opticamente ativas. Sendo assim, os açúcares podem apresentar 2 
estereoisômeros possíveis, L e D, sendo enantiômeros, ou seja, são imagens especulares 
(é a imagem no espelho) e não são sobrepostas (Figura 19). 
O número de carbonos assimétricos (n) determina o número de isômeros, 
utilizando-se a expressão 2n, por exemplo, uma aldohexose com quatro carbonos 
assimétricos possui n= 4, logo o número de isômeros é 24 =16, sendo que 8 destes da 
forma D e 8 da forma L.
93
Figura 19 – Três maneiras para representar os dois enantiômeros do gliceraldeído
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.245)
Os enantiômeros são imagens especulares um do outro. Modelos de esfera e bastão 
mostram a verdadeira configuração das moléculas. Lembre-se de que, nas fórmulas 
em perspectiva, a extremidade larga da cunha sólida projeta-se para fora do plano 
do papel, em direção ao leitor; na cunha descontínua, ela se estende para trás.
Por convenção, L e D referem-se à configuração similar ao gliceraldeído, 
sendo L grupo -OH na esquerda, e D grupo -OH na direita do carbono assimétrico. As 
estruturas D e L não são interconversíveis e, portanto, são biologicamente diferentes. 
Em organismos, as hexoses são isômeros D, porém alguns açúcares também ocorrem 
na forma L (lembrando que as proteínas são isômeros L). 
Açúcares epímeros são aqueles que diferem na configuração das hidroxilas de 
apenas 1 carbono. Por exemplo, a D-manose é um epímero de D-glicose porque os dois 
açúcares diferem apenas na configuração em C2.
Em solução aquosa, monossacarídeos com mais de 5 carbonos normalmente 
ocorrem como estruturas cíclicas, em anéis que são representados pela perspectiva de 
Haworth (Figura 19).
94
Figura 20 – Convenção-chave
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.247)
Para converter uma fórmula de projeção de Fisher de qualquer D-hexose linear em 
uma fórmula em perspectiva de Haworth mostrando a estrutura cíclica da molécula, 
desenhe o anel de seis membros (cinco carbonos e um oxigênio, na direita superior), 
numere os átomos no sentido horário começando com o carbono anomérico, e, 
então, coloque os grupos hidroxila.
Os açúcares que formam anéis com 6 elementos parecem-se com o pirano e 
são piranoses (como a glicose, uma aldose); já os que formam anéis com 5 elementos 
parecem-se com o furano e são furanoses (como a frutose, uma cetose). Essa estrutura 
forma-se a partir de uma reação do grupo hidroxila -OH de álcoois, que ataca o 
grupamento carbonila presente nos aldeídos e cetonas do próprio carboidrato, formando 
o anel. Essa reação forma o hemiacetal (nos aldeídos) ou hemicetal (nas cetonas). 
Na forma cíclica, o carbono anomérico - isto é, o átomo de carbono que continha 
o grupo carbonil na forma linear, produz um novo centro quiral com 2 configurações 
possíveis: α-anômero e β-anômero. Esses se interconvertem em soluções aquosas 
por um processo chamado mutarrotação. Em solução, a D-glicose é uma mistura dos 
anômeros α e β, sendo a β-D-Glicose predominante  (Figura 20).
95
A reação entre o grupo aldeído em C-1 e o grupo hidroxila em C-5 forma uma ligação 
hemiacetal, produzindo um dos dois estereoisômeros, os anômeros a e b, que 
diferem apenas na estereoquímica do carbono hemiacetal. Esta reação é reversível. 
A interconversão dos anômeros a e b é chamada de mutarrotação. (direita) Piranoses 
e furanoses. As formas piranose da D-glicose e as formas furanose da D-frutose 
estão mostradas aqui como fórmulas em perspectiva de Haworth. Os limites do 
anel mais próximos ao leitor são representados por linhas mais grossas. Os grupos 
hidroxila abaixo do plano do anel nestas perspectivas de Haworth apareceriam à 
direita em uma projeção de Fischer (compare com a Figura 7-6). Pirano e furano 
estão mostrados para comparações. 
Figura 21 – Formação das duas formas cíclicas da D-glicose 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.247 – 248)
Os açúcares como a glicose podem agir como redutores, logo são moléculas 
reativas. Os átomos do carbono anomérico (C1 nas aldoses e C2 nas cetoses) são 
capazes de reduzir agentes oxidantes contendo íons metálicos (como Cu2+).  
Em laboratório, a reação de Benedict identifica açucares redutores. Nesse 
experimento, o reagente Benedict de cor azulada constituída por Cu(OH)2, sofre reação 
de redução pela presença de um açúcar redutor e a formação do óxido cuproso (Cu2O), 
que tem cor vermelho tijolo. Essa propriedade redutora foi por muito tempo utilizada 
para medir glicose na corrente sanguínea e na urina.  
Os açúcares simples podem ser convertidos em compostos derivados com 
função metabólica e estrutural nos organismos. Os derivados da hexose são açúcares 
96
com substituições no grupo hidroxila. A glicosamina, por exemplo, está substituída pelo 
grupo amino chamado de aminoaçúcares.
A oxidação dos monossacarídeos em C1 pode formar os ácidos aldônicos, e, em 
C6, os ácidos urônicos, estes possuem importante função nos tecidos conjuntivos de 
mamíferos.
A condensação de ácido fosfórico com um dos grupos hidroxila de um açúcar 
forma um éster de fosfato, essas moléculas participam em muitas vias metabólicas. 
2.2 DISSACARÍDEOS E OLIGOSSACARÍDEOS
Os dissacarídeos são formados a partir da ligação covalente entre monossacarí-
deos, chamados de O-glicosídicas. (Figura 21) Essa ligação é formada pela condensação 
entre o hemiacetal e o álcool liberando H2O. 
Figura 22 – Formação da maltose
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.252)
Um dissacarídeo é formado a partir de dois monossacarídeos (aqui, duas moléculas 
de D-glicose) quando um ¬OH (álcool) de uma molécula (à direita) se condensa 
com o hemiacetal intramolecular da outra (à esquerda), com a eliminação de H2O 
e a formação de uma ligação glicosídica. O inverso desta reação é uma hidrólise 
– ataque da ligação glicosídica pela água. A molécula de maltose, mostrada aqui, 
conserva um hemiacetal redutor no C-1 não envolvido na ligação glicosídica. Como a 
97
mutarrotação interconverte as formas a e b do hemiacetal, as ligações nesta posição 
algumas vezes são representadas por linhas onduladas, conforme mostrado aqui, 
para indicar que a estrutura pode ser tanto α quanto β.
A sucrose é um dissacarídeo, conhecido como a sacarose de mesa, formada a partir 
da condensação do C1 da D-glicose com C2 da D-frutose, formando GLC (α1- 2β)FRU.   
A lactose é um dissacarídeo formada pela ligação da D-galactose e D-glicose. 
A lactose requer uma enzima específica para quebrar essa ligação. À medida que o 
ser humano envelhece, uma característica evolutiva dessa enzima é a perda da sua 
expressão em pessoas de certas regiões do mundo. 
Os oligossacarídeos são polímeros curtos, de monossacarídeos. São geralmente 
encontrados ligados a proteínas e a lipídios. 
Os polímeros de açúcares redutores, apresentam em uma extremidade o 
carbono anomérico livre que é a extremidade com função redutora.  Por outro lado, 
os açucares não redutores como a sacarose, o carbono anomérico está envolvido na 
ligação glicosídica impossibilitando a molécula de reagir.
2.3 POLISSACARÍDEOS
A maioria dos carboidratos encontrados na natureza ocorre como polissacarídeos 
(polímeros de muitos monossacarídeos) de alta massa molecular, chamados de 
glicanos. Os polissacarídeos possuem diversas funções, atuando no armazenamento, 
na fonte de intermediários de energia; na estrutura de ácidos nucleicos; na estrutura da 
parede celular; e na interação célula-célula. 
São classificados como (Figura 22):  
• Homopolissacarídeos, polímeros que contêm o único monossacarídeo. Por exemplo: 
amido, glicogênio, celulose.  
• Heteropolissacarídeos, polímerosque contêm mais de um tipo de monossacarídeo. 
Exemplos: peptidoglicanos das bactérias, glicosaminoglicanos na matriz extracelular 
dos tecidos. 
98
Figura 23 – Homo e heteropolissacarídeos
Figura 24 – Glicogênio e amido
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.254)
Os polissacarídeos podem ser compostos por um, dois ou alguns monossacarídeos 
diferentes, em cadeias lineares ou ramificadas de vários comprimentos.
O amido é a forma de armazenamento da glicose nas plantas. Exemplos são o 
arroz, a batata e o milho. O amido contém 2 tipos de polímeros de glicose: a amilose não 
ramificada, em que os monossacarídeos estão unidos por ligações α1-4, adotando um 
rearranjo tipo hélice; e a amilopectina, que pode também fazer ligações de ramificação 
do tipo α1-6 nas extremidades não redutoras. 
O glicogênio é o principal polissacarídeo de armazenamento em células animais. 
Possui mais ramificações e é mais compacto que o amido e com menos acesso à água. 
Possui apenas uma ponta redutora, o que deixa a molécula menos reativa. É abundante 
no fígado e está presente nos músculos esqueléticos como fonte de energia rápida. 
A quebra de glicogênio é feita a partir das várias extremidades não redutoras, o que 
permite produzir mais glicose rapidamente (Figura 23).
99
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.256)
(a) Segmento curto de amilose, polímero linear de resíduos de D-glicose em ligações 
(a1S4). Uma única cadeia pode conter alguns milhares de resíduos de glicose. A 
amilopectina tem trechos de resíduos ligados de maneira similar, situados entre 
pontos de ramificação. O glicogênio tem a mesma estrutura básica, porém é mais 
ramificado do que a amilopectina. (b) Ponto de ramificação (a1S6) no glicogênio ou na 
amilopectina. (c) Agrupamento de amilose e amilopectina como o que supostamente 
ocorre nos grânulos de amido. Fitas de amilopectina (em preto) formam estruturas em 
hélice dupla umas com as outras ou com fitas de amilose (em azul). A amilopectina 
tem pontos de ramificação (a1S6) frequentes (em vermelho). Os resíduos de glicose 
nas extremidades não redutoras das ramificações mais externas são removidos 
enzimaticamente durante a mobilização do amido para produção de energia. O 
glicogênio tem estrutura similar; porém, é mais ramificado e mais compacto.
No laboratório, o reagente de lugol contém o iodo que forma complexos corados 
com os polissacáridos, produzindo uma cor azul intensa na presença das cadeias 
helicoidais da amilose, enquanto na presença de polissacarídeos mais ramificados como 
o glicogênio, a interação com o iodo será menor, e a coloração menos intensa. 
A celulose é uma substância fibrosa insolúvel em água com funções estruturais. 
É linear, sem ramificações, formando fitas longas e retas que interagem com as fitas 
vizinhas por ligações de hidrogênio. As unidades de glicose são unidas em configuração 
β1-4 que não podem ser quebradas por enzima dos animais vertebrados. Entretanto, 
em animais ruminantes, microrganismos simbióticos fazem a hidrólise da celulose. Para 
os seres humanos, a celulose são fibras alimentares, importantes para o funcionamento 
intestinal. 
A quitina é similar à celulose, com uma substituição da hidroxila em C2 por um 
grupo amina acetilado. Os resíduos de N-acetilglicosamina em ligações β1-4 forma 
longas cadeias retas com função estrutural. É o principal componente do exoesqueleto 
duro de invertebrados como insetos e crustáceos. 
100
3 GLICOCONJUGADOS
Os glicoconjugados são moléculas em que o carboidrato está ligado a uma 
proteína (os proteoglicanos ou glicoproteínas) ou a um lipídio (os glicolipídios). 
Possuem importantes funções no transporte de informações, bem como no 
reconhecimento e na interação entre células.    A glicobiologia estuda a estrutura e 
função dos glicoconjugados. 
Figura 25 – Glicoconjugados
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.263)
As estruturas de alguns proteoglicanos, glicoproteínas e glicoesfingolipídeos típicos 
descritos no texto. 
Os proteoglicanos são macromoléculas da superfície das células ou da matriz 
extracelular, contendo uma proteína (o cerne proteico) ligada por ligação tetrassacarídica 
a várias cadeias de açúcar – os glicosaminoglicanos sulfatados (como o heparan-
sulfato, sulfato de condroitina, dermatan sulfato ou queratan sulfato). O grupo negativo 
do açúcar faz com que esse complexo tenha, em volta de si, grandes quantidades de 
água, proporcionando a viscosidade e lubrificação das articulações. 
101
Figura 26 – Interações entre as células e a matriz extracelular
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.263)
A associação entre as células e os proteoglicanos da matriz extracelular é mediada 
por uma proteína de membrana (integrina) e por uma proteína extracelular 
(fibronectina, neste exemplo) que tem sítios de ligação tanto para integrina quanto 
para proteoglicano. Observe a proximidade na associação das fibras de colágeno 
com a fibronectina e o proteoglicano.
Muitos proteoglicanos podem se ligar a uma única molécula de ácido hialurônico 
e formar os agregados proteoglicano. Esses agregados ficam entrelaçados com as 
proteínas fibrosas de matriz – como o colágeno, a elastina e a fibronectina – e garantem 
força elasticidade à matriz extracelular (Figura 25).
As glicoproteínas são glicoconjugados menores de proteína e glicanos. São exem-
plos a imunoglobulina G, certos hormônios e proteínas do leite, como a lactose-albumina.  
A ligação do oligossacarídeo com a proteína se dá por: 
• O-ligado, em que -OH do resíduo serina ou treonina (da proteína) liga-se ao 
carboidrato.
• N-ligado, em que o nitrogênio da amida de um resíduo Asn (da proteína) se liga ao 
carboidrato. 
As alterações genéticas na adição de resíduos de açúcar a uma proteína (a 
glicosilação de proteínas) causam graves problemas no desenvolvimento físico e 
mental, podendo ser fatais para o indivíduo. 
102
Os glicolipídios são carboidratos ligados aos lipídios. Os glicoesfingolipídios são 
componentes da membrana plasmática, com uma “cabeça” de carboidrato que serve 
como ponto de interação. Os grupos sanguíneos ABO são exemplos de glicolipídios que 
diferem entre si na cabeça de monossacarídeo.  
Os lipopolissacarídeos são glicolipídios presentes na superfície externa das 
bactérias gram-negativas, que são alvos do sistema imunológico dos hospedeiros.  
As lectinas são proteínas que se ligam com especificidade aos carboidratos. 
São importantes para o reconhecimento celular, sinalização, adesão e destino de outras 
moléculas. (Não confundir com leptina, que é um hormônio, e lecitina, que é um lipídio). 
As lectinas estão presentes nas bactérias e nos vírus e reconhecem glicolipídios na 
superfície celular do hospedeiro.  
Em humanos, as lectinas, selectinas, são proteínas da membrana plasmática 
presente em certas células, controlam a interação entre células, como por exemplo, a 
de leucócitos com as células endoteliais em um sítio de infecção. 
Figura 27 – Função das interações lectina-ligante durante a movimentação de leucócitos para um sítio de 
infecção ou ferimento
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 270)
Um leucócito movendo-se ao longo de um capilar é desacelerado por interações 
transitórias entre moléculas de selectina-P da membrana plasmática das células 
endoteliais do capilar e glicoproteínas ligantes de selectina-P da superfície do 
leucócito. Por interagir com moléculas de selectina-P consecutivas, o leucócito rola 
sobre a superfície do capilar. Próximo a um sítio de inflamação, interações mais fortes 
entre integrinas da superfície do leucócito e seus ligantes na superfície do capilar 
levam a uma adesão firme. O leucócito para de rolar e, sob a influência de sinais 
enviados a partir do sítio de inflamação, começa a extravasar – escapar através da 
parede do capilar –, movendo-se em direção ao sítio de inflamação. 
103
4 LIPÍDIOS
Os lipídios são compostos químicos com a propriedade comum de solubilidade 
em solventes orgânicos (como clorofórmio e o metano) e são insolúveis em água. A pa-
lavra lipos significa “gordura”no grego. Os lipídios possuem diversas funções biológicas 
como moléculas de reserva, como vitaminas lipossolúveis, exercem papel de hormônios 
e são os constituintes das membranas celulares.   Eles podem ocorrer como moléculas 
híbridas como os glicolipídios (carboidratos + lipídios) e lipoproteínas (lipídios + proteínas). 
Podem ser classificados como lipídios de armazenamento ou lipídios simples 
(ácidos graxos), lipídios de membranas ou lipídios compostos (fosfolipídios e glicolipídios), 
ou ainda, como sinalizadores (hormônios), cofatores enzimáticos (vitaminas lipossolúveis 
A, D, E e K) e pigmentos (como a clorofila).
4.1 ÁCIDOS GRAXOS
A maioria dos lipídios apresentam ácidos graxos em sua estrutura. Os ácidos 
graxos são moléculas anfipáticas por serem constituídas tanto por um grupo polar, da 
cabeça – COOH, como apolar, da cadeia hidrocarboneto alifática. 
Os ácidos graxos geralmente têm um número par de carbono (C4 a C36), 
separados em cadeia curta até 4C, cadeia média até 10C e cadeia longa, acima de 
12C. Os mais comuns são aqueles que contêm de 12 a 24 carbonos. Podem apresentar 
somente ligações simples em sua estrutura de hidrocarbonetos – os ácidos graxos 
saturados – ou uma ou mais ligações na configuração cis – os ácidos graxos insaturados 
ou poliinsaturados, conhecidos como PUFA (polyunsaturated fatty acids).  
Os ácidos graxos insaturados podem ser convertidos em ácidos graxos 
saturados pela hidrogenação. Quando a conversão é incompleta, forma ácidos graxos 
insaturados com a ligação na posição trans, conhecidos como gorduras trans. Essas 
gorduras ocorrem em baixa quantidade na natureza e estão presentes em alimentos 
industrializados, sendo o seu consumo associado às doenças cardiovasculares.  
Em solução aquosa, os ácidos graxos se aproximam, formando interações 
hidrofóbicas.    Ácidos graxos saturados unidos apresentam uma maior rigidez devido 
ao alinhamento ordenado das suas cadeias alifáticas. Por outro lado, as duplas ligações 
dos ácidos graxos insaturados causam uma dobra na cadeia, proporcionando uma maior 
desordem no conjunto (Figura 27). Essa característica tem consequências no ponto de 
fusão e na determinação dos lipídios no estado solido ou líquido. No estado líquido, 
em temperatura ambiente, os óleos possuem maior porcentagem de ácidos graxos 
poliinsaturados. 
104
Figura 28 – O empacotamento de ácidos graxos em agregados estáveis
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.359)
A extensão do empacotamento depende do grau de saturação. (a) Duas 
representações do ácido esteárico completamente saturado, 18:0 (estearato em pH 
7), em sua conformação normal estendida. (b) A ligação dupla cis (em vermelho) no 
ácido oleico, 18:1(D9) (oleato), restringe a rotação e introduz uma dobra rígida na 
cauda hidrocarbonada. Todas as outras ligações na cadeia estão livres para rotação. 
(c) Os ácidos graxos completamente saturados na forma estendida empacotam-se 
em arranjos quase cristalinos, estabilizados por muitas interações hidrofóbicas. (d) 
A presença de um ou mais ácidos graxos com ligações duplas cis (em vermelho) 
interfere nesse agrupamento compacto e resulta em agregados menos estáveis.
4.2 TRIGLICERÍDEOS
Os ácidos graxos são comumente esterificados ao grupo hidroxila do glicerol 
(chamados de ésteres de glicerol) e podem formar os monoacilgliceróis, diacilgliceróis e 
triacilgliceróis (ou triglicerídeos)  (Figura 28).
Os triacilgliceróis são compostos apolares e hidrofóbicos e estão presentes em 
grandes quantidades em óleos e gorduras e com importante papel biológico de reserva 
energética, isolamento térmico e proteção contrachoques. Eles acumulam-se no tecido 
adiposo, e sua metabolização gera um equivalente energético (por kg) muito maior que 
os carboidratos.
105
Figura 29 – O glicerol e um triacilglicerol
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.359)
O triacilglicerol misto mostrado aqui tem três ácidos graxos diferentes ligados à 
cadeia do glicerol. Quando o glicerol apresenta ácidos graxos diferentes em C-1 e 
C-3, o C-2 é um centro quiral. (direita) Depósitos de gordura nas células. (a) Secção 
transversal de tecido adiposo branco de humanos. Cada célula contém uma gotícula 
de gordura (branco) tão grande que espreme o núcleo (corado em vermelho) contra 
a membrana plasmática. (b) Secção transversal de uma célula de cotilédone de 
uma semente da planta Arabidopsis. As estruturas grandes e escuras são corpos 
proteicos, que estão rodeados por gordura de armazenamento nos corpos oleosos, 
de coloração clara. 
A diferença na composição de ácidos graxos entre gorduras animais e vegetais 
determinam suas propriedades físicas, como o ponto de fusão. Os triacilgliceróis das 
gorduras animais são ricos em ácidos graxos saturados conferindo uma consistência 
sólida à temperatura ambiente. Em contraste, os óleos vegetais são ricos em ácidos 
graxos insaturados e permanecem líquidas à temperatura ambiente. 
As ceras, como nas colmeias, são formadas por ésteres de ácido graxo de 
cadeia longa com álcoois de cadeia curta. Sua temperatura de fusão é maior que os 
triacilgliceróis  (Figura 29).
106
Figura 30 – Cera biológica
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.362)
(a) Triacontanoilpalmitato o principal componente da cera de abelha, é um éster de 
ácido palmítico com o álcool triacontanol. (b) Favo de mel, construído com cera de 
abelha, firme a 25°C e completamente impermeável à água. 
No laboratório, a reação de saponificação, forma os sabões encontrados 
comercialmente. Essa reação ocorre através do tratamento de óleos com soluções 
alcalinas concentradas, que resulta na liberação do glicerol e formação de sais de 
ácidos graxos, originados pela incorporação do sódio à molécula de ácido graxo. Os sais 
de ácidos graxos apresentam uma característica anfipática onde em solução aquosa 
diminuem a tensão superficial da água formando espuma sob agitação. 
Os lipídios saponificáveis são os ácidos graxos e lipídios compostos como 
fosfolipídios e glicolipídios. Os demais lipídios não saponificáveis são os esteróis, 
terpenos (compostos de isoprenos) e prostaglandinas.
Os esteróis são lipídios que contêm um sistema de 4 anéis de carbono fusiona-
dos. O colesterol possui uma cabeça (-OH), um álcool, ligado ao carbono saturado dos 
anéis (Figura 30). 
Figura 31 – Colesterol
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.368)
107
Na estrutura química do colesterol, os anéis são denominados A a D para simplificar a 
referência aos derivados do núcleo esteroide; os átomos de carbono estão numerados 
em azul. O grupo hidro-xila do C-3 (sombreado em azul) é o grupo cabeça polar. Para 
armazenar e transportar o esterol, esse grupo hidroxila se condensa com um ácido 
graxo para formar um éster de esterol. 
O colesterol tem um importante papel nas membranas celulares, mas também 
é precursor de hormônios, ácidos biliares e vitaminas. A alta concentração de colesterol 
no sangue está associada ao desenvolvimento da aterosclerose, depósito de lipídios 
nos vasos sanguíneos, nas doenças cardiovasculares.  
5 MEMBRANAS BIOLÓGICAS E TRANSPORTE 
As membranas das células, ou membranas plasmáticas, possuem uma estrutura 
de bicamada lipídica. As membranas delimitam a célula, separando o ambiente externo 
do interno, porém possibilitando o transporte de íons e moléculas para dentro e fora delas. 
Os principais lipídeos de membrana são (Figura 31):
• Os fosfolipídeos (como os glicerofosfolipídeos e esfingofosfolipídeos).
• Os glicolipídeos (como os esfingoglicolipídeos, galactolipídeos e sulfolipídeos).
• As membranas também contêm esteróis, como o colesterol nos animais e 
fitocolesterol nos vegetais.
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Todos os tipos de lipídeos representados aqui têm ou glicerol ou esfingosina como 
esqueleto (em cor salmão), ao qual estão ligados um ou mais grupos alquila de 
cadeia longa (em amarelo) e um grupocabeça polar (em azul). Em triacilgliceróis, 
109
glicerofosfolipídeos, galactolipídeos e sulfolipídeos, os grupos alquilas são ácidos 
graxos em ligação éster. Os esfingolipídeos contêm um único ácido graxo em 
ligação amida com o esqueleto de esfingosina. Os lipídeos de membrana de 
arqueias são variáveis; aqueles representados aqui têm duas cadeias alquilas muito 
longas e ramificadas, cada extremidade em ligação éter com a porção glicerol. Nos 
fosfolipídeos, o grupo cabeça polar está unido por meio de ligação fosfodiéster, 
enquanto os glicolipídeos têm uma ligação glicosídica direta entre o açúcar do grupo 
cabeça e o esqueleto de glicerol. 
Nos glicerofosfolipídeos, uma das posições do glicerol é ocupada por um 
fosfato, enquanto as outras duas são compostas de ácido graxo. O fosfato está 
unido por ligação fosfodiéster ao C3 do glicerol e, na outra extremidade, liga-se a um 
grupo substituinte X variado, como um aminoálcool, a serina ou colina, formando, por 
exemplo, a fosfatidilcolina. O grupo substituinte pode estar carregado ou neutro, e essas 
diferenças contribuem para propriedades na superfície da membrana.  
Os fosfolipídios são anfipáticos e anfifílicos, o que significa que eles possuem 
regiões hidrofóbicas e hidrofílicas na mesma molécula. Ou seja, uma região hidrofílica, 
a “cabeça” contendo o fosfato, grupo X e o glicerol ligados a uma “cauda” hidrofóbica 
com duas cadeias longas e apolares de ácidos graxos. Essa estrutura faz com que 
quando misturados em água, os fosfolipídios formem agregados, agrupando sua porção 
hidrofóbica e deixando o grupo hidrofílico em contato com a água. Ao se agregarem, 
as moléculas apolares reduzem a área exposta à água, formando micelas, vesículas e 
a bicamada lipídica, dependendo das características de seus ácidos graxos. (Figura 33)
Figura 33 – Agregados lipídicos anfipáticos formados na água
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.388)
(a) Em micelas, as cadeias hidrofóbicas dos ácidos graxos são sequestradas no 
núcleo da esfera. Praticamente não há água no interior hidrofóbico. (b) Na bicamada 
aberta, todas as cadeias laterais acil, exceto aquelas das margens da lâmina, estão 
110
protegidas da interação com a água. (c) Quando a bicamada bidimensional se dobra 
sobre ela mesma, ela forma uma bicamada fechada, uma vesícula oca tridimensional 
(lipossomo) envolvendo uma cavidade aquosa.
Os ácidos graxos podem formar um éster com um aminoálcool, a esfingosina, 
e formar um esfingolipídio que não contém glicerol. Podem conter um grupo fosfato 
em sua estrutura, formando um esfingofosfolipídeo, como a esfingomielina. Os 
esfingolipídeos podem também conter um mono- ou oligossacarídeo e são conhecidos 
como glicolipídios, globosídeo ou glanglosídeo.
Os glicoesfingolipídios são importantes determinantes dos diferentes grupos 
sanguíneos no sistema ABO.  (Figura 33) Os glicoesfingolipídeos estão presentes nas 
membranas das células, sendo abundantes no sistema nervoso.  
Figura 34 – Glicoesfingolipídeos como determinantes dos grupos sanguíneos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.368)
Os grupos sanguíneos humanos (O, A, B) são determinados em parte pelos 
grupos de oligossacarídeo da cabeça desses glicoesfingolipídeos. Os mesmos três 
oligossacarídeos também são encontrados ligados a certas proteínas do sangue de 
indivíduos dos tipos sanguíneos O, A e B, respectivamente. Os símbolos-padrão para 
açúcares são utilizados aqui. 
O modelo do mosaico fluido descreve a estrutura da membrana plasmática 
formada pela bicamada lipídica, onde os fosfolipídeos anfipáticos se arranjam por meio 
de interação hidrofóbica de forma que apenas a cabeça polar entra em contato com a 
111
Figura 35 – Dois estados extremos da bicamada lipídica.
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.368)
a) No estado ordenado líquido (Lo), os grupos polares das cabeças são arranjados 
uniformemente na superfície, e as cadeias acila quase não apresentam movimento, 
estando agrupadas em uma geometria regular. (b) No estado líquido desordenado 
(Ld), ou estado fluido, cadeias acila sofrem muito mais movimentação térmica e não 
apresentam organização regular. O estado dos lipídeos em membranas biológicas é 
mantido entre esses extremos.
água (do meio extracelular e intracelular), enquanto as caudas apolares ficam na parte 
interna da membrana.  
A fluidez das membranas depende da sua composição. A presença de mais 
ácidos graxos saturados leva a uma maior compactação e maior rigidez.  Por outro lado, 
as dobras dos ácidos graxos insaturados resultam em maior fluidez. A quantidade de 
esteróis aumenta a rigidez, pois preenche os espaços vazios. A estrutura da membrana 
pode ser alterada por temperatura (Figura 34).
A distribuição dos lipídios entre as lâminas das membranas plasmáticas varia, 
gerando uma assimetria da composição lipídica da membrana com consequências na 
sua função biológica. Os fosfolipídios da membrana são translocados por enzimas para 
passar de um lado para o outro da bicamada, um movimento conhecido como flip-flop. 
Esses lipídios também se movimentam por difusão lateral. 
Várias proteínas estão embebidas na bicamada lipídica e podem projetar-se para 
apenas um lado ou ambos de forma assimétrica.  Podem atuar como transportadores, 
receptores de membrana, transferindo sinais celulares, e outras, ainda, atuam na 
catálise das reações de oxidação, como as proteínas da membrana mitocondrial. 
112
As proteínas periféricas estão associadas à superfície de uma membrana celular 
por meio de vários tipos de interações não covalentes, como pontes de hidrogênio ou 
ligações iônicas. Essas proteínas podem ser extraídas da membrana por tratamento 
com ureia ou soluções salinas concentradas, que podem interromper as interações 
não covalentes que mantêm a proteína na membrana. As proteínas periféricas são 
tipicamente solúveis em água, como por exemplo a o citocromo c, que desempenha um 
papel fundamental na cadeia de transporte de elétrons.
As proteínas integrais estão embebidas na membrana através de interações 
hidrofóbicas. Exemplo são as integrinas, caderinas e lectinas que promovem adesão 
célula, compõe a matriz extracelular e são pontes de ligação.   
5.1 TRANSPORTE DE BIOMOLÉCULAS 
As membranas biológicas são permeáveis a moléculas apolares, como oxigênio 
e dióxido de carbono. No entanto são impermeáveis aos solutos polares ou carregados, 
como íons e açúcares. 
O transporte de biomoléculas pela membrana pode ocorrer de forma ativa ou 
passiva, conforme descrito a seguir: 
• Na difusão simples, solutos apolares se movem a favor do gradiente de concentração 
até o equilíbrio ser alcançado. 
No entanto, se o soluto for carregado eletricamente, o equilíbrio é alcançado 
pela combinação do potencial elétrico (Vm) e da razão entre a concentração dos solutos 
através da membrana, chamado de gradiente ou potencial eletroquímico:
• As proteínas transportadoras ou permeases realizam transporte passivo com 
difusão facilitada do soluto a favor do gradiente eletroquímico.
• Os canais iônicos apresentam especificidade para íons, e a direção é determinada 
pelo gradiente eletroquímico. Esses canais podem funcionar por “portões” 
controlados por voltagem ou ligante (Figura 35).
• Os ionóforos são transportadores de íon a favor do gradiente eletroquímico. 
• O transporte ativo primário é realizado contra o gradiente eletroquímico impulsionado 
por ATP.
• O transporte ativo secundário é impulsionado pelo movimento iônico de outra 
molécula a favor do seu gradiente. 
113
Figura 36 – Diferenças entre canais e transportadores
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 404)
(a) Em um canal iônico, um poro transmembrana está aberto ou fechado, dependendo 
da posição do único portão. Quando ele estiver aberto, íons passam através dele 
com uma velocidade limitada apenas pela taxa de difusão máxima do equilíbrio. 
(b) Transportadores (bombas) possuem dois portões, que nunca estão abertos ao 
mesmo tempo. O movimento de um substrato (um íon ou uma pequena molécula) 
através da membranaé, portanto, limitado pelo tempo necessário para um portão 
abrir e fechar (em um lado da membrana) e para o segundo portão abrir. A velocidade 
de movimento através dos canais iônicos pode ter ordens de magnitude acima da 
velocidade de movimento através das bombas, porém os canais permitem o fluxo 
dos íons apenas a favor de seus gradientes eletroquímicos, enquanto bombas 
podem mover substratos contra o seu gradiente de concentração.
A glicose que entra nos eritrócitos é um exemplo de difusão facilitada. (Figura 36) 
O seu transportador, o GLUT1, é uma proteína integral que passa por duas conformações 
para mover a glicose a favor do seu gradiente de concentração, que é normalmente para 
dentro da célula. A glicose que entra na célula é rapidamente metabolizada, mantendo-
se baixas suas concentrações intracelulares. 
114
Figura 37 – Modelo de transporte de glicose para dentro do eritrócito pelo GLUT1
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 404)
O transportador existe em duas conformações: T1, com o sítio de ligação de glicose 
exposto na superfície externa da membrana plasmática, e T2, com o sítio de ligação 
exposto na superfície interna. O transporte de glicose ocorre em quatro passos. 1 A 
glicose do plasma sanguíneo se liga ao sítio estereoespecífico em T1; isso reduz a 
energia de ativação para 2 uma mudança conformacional a partir de glicosefora·T1 
para glicosedentro· T2, efetuando a passagem transmembrana da glicose. 3 A glicose 
é liberada de T2 para o citoplasma, e 4 o transportador retorna à conformação T1, 
pronto para transportar outra molécula de glicose.
O transporte ativo é o principal consumo de energia da célula (Figura 37). O 
transporte ativo primário está acoplado à uma reação exergônica como a conversão 
de ATP para ADP + Pi, gerando a energia necessária para o transporte do soluto. Um 
exemplo é o transporte de ABC que bombeia biomoléculas e fármacos para fora da 
célula. Nas células tumorais, esse tipo de transportador, a Glicoproteína P, é responsável 
pela resistência dos tumores a certos fármacos. 
No transporte ativo secundário, o fluxo endergônico de um soluto está acoplado 
ao fluxo exergônico de outro soluto. 
As proteínas transportadoras podem atuar em sistema de co-transporte e 
simultaneamente carregar dois solutos através da membrana. Quando os dois solutos 
se movem em direções opostas, isso é chamado de antiporte; e quando se movem na 
mesma direção, de simporte. 
115
Figura 38 – Dois tipos de transporte ativo 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.409)
(a) No transporte ativo primário, a energia liberada pela hidrólise de ATP impulsiona 
o movimento de soluto (S1) contra o gradiente eletroquímico. (b) No transporte ativo 
secundário, o gradiente de um íon X (S1) (geralmente Na1) se estabelece por transporte 
ativo primário. O movimento de X (S1) a favor de seu gradiente eletroquímico provê 
agora energia para impulsionar o cotransporte de um segundo soluto (S2) contra 
seu gradiente eletroquímico.
Todas as células apresentam em suas membranas a bomba eletrogênica (que 
carregam solutos com carga) de Na+ e K+. Essas proteínas são canais iônicos que 
utilizam a energia do ATP e bombeiam para fora da célula 3 íons de Na+ e ao mesmo 
tempo trazem para dentro da célula 2 íons de K+. Isso resulta em um desequilíbrio iônico 
que produz o potencial de membrana nas células, isso é essencial nos neurônios para a 
condução do potencial de ação. 
116
Figura 39 – Papel da Na+ e K+. ATPase em células animais
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 412)
Em células animais, o sistema de transporte ativo é responsável principalmente pelo 
estabelecimento e manutenção das concentrações intracelulares de Na1 e K1 e pela 
geração do potencial de membrana. Ele faz isso ao movimentar três Na1 para fora 
da célula para cada dois K1 que move para dentro. O potencial elétrico através da 
membrana plasmática é fundamental na sinalização de neurônios, e o gradiente de 
Na1 é usado para impulsionar “morro acima” o cotransporte de solutos em muitos 
tipos celulares.
As moléculas de água se movimentam pela membrana plasmática através 
dos canais chamados de aquaporinas (Figura 39). Esses canais são especificamente 
projetados para permitir o movimento de moléculas de água através da membrana. 
Em alguns casos, as aquaporinas também podem regular o fluxo de outras moléculas 
pequenas. São encontrados em todos os tipos de organismos, desde bactérias até 
plantas e animais. As aquaporinas facilitam o rápido movimento das moléculas de 
água através da membrana, permitindo que as células mantenham sua hidratação e 
funcionem adequadamente.
117
Figura 40 – Aquaporina
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.420)
A proteína é um tetrâmero de subunidades idênticas, cada qual com um poro 
transmembrana. (a) Um monômero da aquaporina de espinafre SoPIP2;1 (derivado 
do PDB ID 2B5F), visto no plano da membrana. As hélices formam um poro central, 
e dois segmentos helicoidais curtos (em verde) contêm as sequências Asn-Pro-Ala 
(NPA), encon-tradas em todas as aquaporinas que formam parte do canal de água. 
(b)Esse desenho de aquaporina 1 bovina (derivado do PDB ID 1J4N) mostra que o 
poro (em marrom; preenchido com moléculas de água mostradas em vermelho 
e branco) se estreita em His180 para um diâmetro de 2,8 Å (aproximadamente o 
tamanho da molécula de água), limitando a passagem de moléculas maiores do que 
H2O. A carga positiva de Arg195 repele cátions, incluindo o H3O1, impedindo sua 
passagem pelo poro. As duas hélices curtas mostradas em verde estão orientadas 
com seus dipolos carregados positivamente apontando para o poro, de forma a 
forçar a molécula de água a se reorientar à medida que o atravessa; isso quebra as 
cadeias de ligações de hidrogênio nas moléculas de água, impedindo a passagem 
de prótons pelo “salto de prótons”.
118
RESUMO DO TÓPICO 2
Neste tópico, você aprendeu:
• Os carboidratos são classificados como monossacarídeos, dissacarídeos e 
polissacarídeos.
• Monossacarídeos de cinco ou mais átomos de carbono formam estruturas cíclicas. 
Consequentemente, a glicose em solução existe como uma mistura em equilíbrio 
de três formas, duas delas cíclicas (α- e β-) e uma de cadeia aberta.
• Os derivados dos monossacarídeos são moléculas com importantes papéis 
no metabolismo celular, como os ácidos urônicos, aminoaçúcares e açúcares 
fosforilados. 
• Os monossacarídeos são unidos por ligações glicosídicas formando dissacarídeos e 
polissacarídeos, com a eliminação de uma molécula de água para cada ligação formada. 
• Glicose, galactose e frutose são monossacarídeos comuns, enquanto dissacarídeos 
comuns incluem lactose, maltose e sacarose. 
• Amido e glicogênio são polissacarídeos com função de armazenamento de glicose 
em plantas e animais, respectivamente. 
• As longas cadeias de polissacarídeos podem ser ramificadas ou não ramificadas. A 
celulose é um exemplo de um polissacarídeo não ramificado, enquanto o glicogênio 
e amilopectina são moléculas altamente ramificadas. 
• Glicoconjugados são carboidratos ligados a moléculas de proteína ou lipídeos, e são 
os proteoglicanos, glicoproteínas e glicolipídios.
• Os lipídios são uma classe de macromoléculas de natureza apolar e hidrofóbica. Os 
principais tipos incluem gorduras e óleos, ceras, fosfolipídios e esteroides. 
• Os ácidos graxos com apenas ligações simples são conhecidos como ácidos graxos 
saturados. Os ácidos graxos insaturados podem ter uma ou mais ligações duplas na 
cadeia de hidrocarbonetos. 
• O colesterol é um tipo de esteroide, sendo importante constituinte da membrana 
plasmática, onde ajuda a manter a fluidez da membrana. 
• Triacilgliceróis ou triglicerídeos são compostos três ácidos graxos ligados ao glicerol, 
formando uma molécula hidrofóbica, com função de armazenamento de energia.
119
• As células são envoltas por uma membrana celular, a bicamada lipídica composta 
principalmente de fosfolipídios, glicolipídios e colesterol. As proteínas são também 
importante componentes das membranas biológicas.• O transporte de biomoléculas pela membrana pode ocorrer de forma ativa ou 
passiva.
120
AUTOATIVIDADE
1 As macromoléculas que desempenham uma série de funções no organismo e podem 
ser classificados de acordo com sua estrutura, tamanho e composição. A celulose e o 
amido são exemplos de um tipo de molécula. Acerca desse tipo, assinale a alternativa 
CORRETA:
a) ( ) Monossacarídeos.
b) ( ) Homopolissacarídeos.
c) ( ) Lipídios.
d) ( ) Dissacarídeos.
e) ( ) Heteropolissacarídeos.
2 A bicamada lipídica desempenha uma função crucial na manutenção da integridade 
da célula e na comunicação celular. Acerca de que é composta a bicamada lipídica 
que envolve as células, assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) Fosfolipídios.
b) ( ) Glicolipídios.
c) ( ) Colesterol.
d) ( ) Todas as alternativas.
3 Os ácidos graxos são constituídos tanto por um grupo polar, da cabeça – COOH, como 
apolar, da cadeia hidrocarboneto alifática. Os ácidos graxos são considerados um 
determinado tipo de molécula. Acerca desse tipo, assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) Hidrofílicas.
b) ( ) Anfipáticas.
c) ( ) Hidrofóbicas.
d) ( ) Anfifílicas.
4 Os carboidratos podem ser classificados como monossacarídeos, dissacarídeos 
e polissacarídeos. Monossacarídeos são os mais simples de todos, enquanto 
dissacarídeos e polissacarídeos são formados por ligação glicosídica. Quais dos dois 
compostos abaixo é um monossacarídeo? Explique. 
A B
121
5 Os ácidos graxos são uma classe importante de lipídios que desempenham uma 
ampla gama de funções em organismos vivos. Os ácidos graxos podem ser saturados 
ou insaturados devido a presença de ligações duplas. O ponto de fusão de um 
composto é a temperatura na qual ele passa de estado sólido para líquido. Por que os 
ácidos graxos insaturados têm pontos de fusão mais baixos do que os ácidos graxos 
saturados?
122
123
TÓPICO 3 - 
AS MACROMOLÉCULAS DA INFORMAÇÃO 
GENÉTICA
1 INTRODUÇÃO
Os ácidos nucleicos são as macromoléculas mais importantes para a continuidade 
da vida. No Tema de Aprendizagem 3, abordaremos uma visão geral da estrutura dos 
nucleotídeos, dos ácidos nucleicos DNA e RNA e da transmissão do material genético. 
Essas moléculas carregam a informação genética que contém as instruções 
para o funcionamento da célula encontrado em todos os organismos vivos. 
Estão envolvidas no fluxo das informações celulares que compõem o dogma 
central da biologia proposto por Francis Crick em 1958, onde as informações presentes 
no DNA são um conjunto de instruções que podem ser transcritas para o RNA e que são 
então traduzidas para combinar aminoácidos e assim produzir as proteínas da célula. 
UNIDADE 2
2 ESTRUTURA E FUNÇÃO DOS ÁCIDOS NUCLEICOS
 
Os ácidos nucleicos, DNA – Ácido desoxirribonucleico (do inglês, DesoxyiboNu-
cleic acid) – e o RNA, ácido ribonucleico (do inglês, RiboNucleic acid), são polímeros de 
unidades de nucleotídeos. Possuem um papel biológico de armazenamento e transmis-
são da informação genética.  
2.1 NUCLEOTÍDEOS 
Cada nucleotídeo apresenta 3 componentes característicos (Figura 40): (1) A 
Base nitrogenada, pirimidina ou purina; (2) Uma pentose, monossacarídeos aldeídos; 
e (3) Um grupo fosfato. 
O grupo fosfato em meio aquoso e pH fisiológico é carregado negativamente, 
dando o caráter ácido para a molécula. A molécula sem o grupo fosfato é denominada 
nucleosídeo (Tabela 5).
Os nucleotídeos possuem 2 tipos de pentoses, na forma de β-furanose (um anel 
de furano):  
• Para o RNA, a D-ribose possui o grupo -OH no C2’. 
• Para o DNA, a 2-desoxi-D-ribose, o grupo -OH do C2’ é substituído do por – H .
124
Assim, se o açúcar for ribose, o resultado é um ribonucleotídeo. Se o açúcar é 
desoxirribose, o resultado é um dos quatro desoxirribonucleotídeos.
A numeração do carbono com apóstrofe (´) diferencia-se dos demais carbonos 
das bases nitrogenadas. O “D” das pentoses indica a isomeria, com o -OH à direita do 
centro quiral na configuração linear.  
Figura 41 – Estrutura de nucleotídeos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.282)
(a) A estrutura geral mostrando a convenção numérica do anel de pentose. Esse é um 
ribonucleotídeo. Nos desoxiribonucleotídeos, o grupo ¬OH no carbono 2´ (vermelho) 
é substituído por H. (b) Os compostos ancestrais das bases pirimídicas e púricas dos 
nucleotídeos e dos ácidos nucleicos, mostrando a convenção numérica. 
O DNA é estável em condições alcalinas, pois não possui o grupo hidroxila do C2’. 
Por outro lado, o 2’-OH do RNA atua como grupamento nucleofílico intramolar, sendo 
mais suscetível à hidrólise em condições alcalinas. 
As bases nitrogenadas presentes nos ácidos nucleicos são moléculas fracamente 
básicas e por isso chamados de bases. Todas as bases nucleotídicas absorvem luz UV, 
no comprimento de onda 260nm. 
As bases pirimidinas são moléculas planas com um único anel que contém o 
nitrogênio. São as citosinas (C), timinas (T) e uracilas (U).  As bases purinas possuem 2 
anéis. Um anel pirimidina fundido a um anel imidazólico, formando a adenina (A) e na 
guanina (G) (Figura 41). 
125
Nota: “Nucleosídeo” e “nucleotídeo” são termos genéricos que incluem ambas as 
formas ribo ou desoxirribo. Também, ribonucleosídeos ou ribonucleotídeos são aqui 
designados simplesmente como nucleosídeos e nucleotídeos (p. ex., riboadenosina 
como adenosina), e desoxirribonucleosídeos e desoxirribonucleotídeos como 
deso-xinucleosídeos e desoxinucleotídeos (p. ex., desoxirriboadenosina como 
desoxiadenosina). Ambas as formas de denominação são aceitas, mas os nomes 
mais curtos são mais comumente usados. A timina é uma exceção; “ribotimidina” é 
usado para descrever sua ocorrência incomum no RNA. 
A ocorrência das bases difere no DNA e no RNA. As bases formam pares 
definidos por Watson e Crick de maneira que A é sempre pareado com T, e G é sempre 
pareada com C na estrutura do DNA. Enquanto na estrutura do RNA, A é pareado com 
U e G com C, principalmente. 
Figura 42 – Nomenclatura de nucleotídeo e de ácido nucleico
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.282)
Base Nucleosídeo Nucleotídeo Ácido nucleÍco
Purinas
Adenina Adenosina Adenilato RNA
Desoxiadenosina Desoxiadenilato DNA
Guanina Guanosina Guanilato RNA
Desoxiguanosina Desoxiguanilato DNA
Pirimidinas
Citosina Citidina Citidilato RNA
Desoxicitidina Desoxicitidilato DNA
Timina Timidina ou desoxitimidina
Timidilato ou 
desoxitimidilato
DNA
Uracila Uridina Uridilato RNA
O DNA e o RNA são polímeros de nucleotídeos ligados covalentemente por 
pontes do grupo fosfato em ligação fosfodiéster, formando um esqueleto hidrofílico de 
fosfato e resíduos de pentose alternados (Figura 41).
Nos nucleotídeos, o C1’ da pentose faz uma ligação N-β-glicosídica como o N1 
das pirimidinas e o N9 das purinas. Essa ligação é formada pela remoção de H2O (um 
-OH da pentose e um H da base); e, do outro lado, o ácido fosfórico está esterificado 
com a hidroxila do C5’ da pentose em uma ligação fosfodiéster.  
As bases podem ser vistas como grupos laterais ligadas ao esqueleto central. As 
extremidades da cadeia nos carbonos 5’ e 3’ não apresentam nucleotídeo. 
126
Em um ácido nucleico, a sequência de nucleotídeos é representada de forma 
simplificada por uma sequência de letras, com cada letra representando uma base 
nitrogenada específica. Por exemplo, a sequência se 5'-ATG-3' representa a sequência 
que se inicia com a extremidade 5' e termina na extremidade 3' e as bases nitrogenadas 
nos nucleotídeos estão nessa ordem: adenina (A), timina (T) e guanina (G).
Além da sua função de constituintes dos ácidos nucleicos, os nucleotídeos 
também apresentam uma variedade de funções no metabolismo celular. Estão 
envolvidos no armazenamento de energia química e são componentes das coenzimas 
NAD+ e FAD, além da participação de transdução de sinal nos sistemas biológicos. 
Os nucleotídeos são formados pela combinação de um nucleosídeo com um 
ou dois fosfatos adicionais ligados, como a adenosina monofosfato (AMP), adenosina 
difosfato (ADP) e adenosinatrifosfato (ATP). A hidrólise de nucleotídeos como o ATP e 
GTP, produz a energia química necessária para as reações celulares. 
Figura 43 – Ligações fosfodiéster no esqueleto covalente do DNA e do RNA
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 285)
127
As ligações fosfodiéster (uma das quais está sombreada no DNA) ligam unidades 
nucleotídicas sucessivas. O esqueleto de pentose e grupamentos fosfato alternados 
nos dois tipos de ácidos nucleicos é altamente polar. As extremidades 5´ e 3´ da 
macromolécula podem estar livres ou podem estar ligados a um grupo fosforil.
2.2 ESTRUTURA DO DNA  
O DNA é o material genético encontrado em todos os organismos vivos, desde 
bactérias unicelulares até mamíferos multicelulares. Na célula podemos encontrar dois 
tipos de DNA: o DNA nuclear e o DNA mitocondrial.  
O DNA é composto por duas fitas de nucleotídeos unidas por pontes de 
hidrogênio. Cada fita de DNA é formada por um esqueleto de açúcar-fosfato, com bases 
as nitrogenadas adenina, guanina, citosina e timina.
A estrutura primária do DNA é a sequência covalente de bases que carregam a 
mensagem genética. A ordem é sempre lida na direção 5’3’.  
A estrutura secundária do DNA refere-se à maneira pela qual duas fitas de DNA 
estão enroladas em torno do mesmo eixo para formar uma dupla hélice de orientação 
à direita com o esqueleto do lado de fora. O modelo de dupla hélice foi proposto por 
Watson e Crick em 1953. (Figura 42)
A determinação da estrutura secundária do DNA foi obtida com base em padrão 
de difração de raio X dos estudos de Rosalind Franklin e Wilkins, além de outros dados 
de análises químicas que serão descritos a seguir. 
As cadeias de dupla fita são complementares e antiparalelas. Na estrutura de 
dupla hélice do DNA, cada base de uma fita está pareada com a base da segunda fita, 
unidas por ligação de hidrogênio, em que AT forma 2 pontes de hidrogênio, e GC forma 
3 pontes de hidrogênio. A especificidade de pareamento entre as bases resulta na regra 
de Erwin Chargaff, em que em qualquer amostra de dupla fita de DNA, a quantidade de 
A será sempre igual a quantidade de T. E similarmente, G e C. Assim conclui-se que a 
somas dos resíduos de purina (A+G) é igual à soma dos resíduos de pirimidina (T + G). 
As ligações de hidrogênio, juntamente com as interações de empilhamento de 
base contribuem para a estabilidade da dupla hélice.  
A quantidade de AT e GC presente na estrutura do DNA interfere na suscetibilidade 
da dupla fita de sofrer desnaturação. O DNA rico em pares GC são mais estáveis e com 
ponto de fusão maior, sendo essa uma característica utilizada para experimentos 
bioquímicos de PCR.  
128
As duplas fitas podem ser separadas e sintetizadas em novas fitas 
complementares, sendo que cada fita funciona como molde na replicação do DNA.  No 
laboratório, o DNA pode ser desenrolado e separado em condições de aquecimento ou 
em pHs extremos. 
Na dupla hélice do DNA, os pares de base estão empilhados perpendicularmente a 
uma distância de 3,4 A com 10,5 pares por volta. O pareamento entre as bases na α-hélice 
forma espaços vazios nas voltas, chamadas de sulcos ou cavidades maior e menor, que 
são sítios para interação de proteínas, ligantes tóxicos e fármacos (Figura 43).
A estrutura proposta por Watson e Crick é conhecida como forma B do DNA, 
porém o DNA pode ocorrer em formas tridimensionais diferentes como a forma A 
e a forma Z. Outras variações estruturais do DNA são conhecidas como pareamento 
alternativo ou tipo não-Watson-Crick. 
O DNA pode apresentar outras variações estruturais como nas sequências 
palindrômicas, onde as duas fitas possuem a mesma sequência, porém uma é inversa 
da outra como na sequência AATT//TTAA. Essas sequências permitem a formação de 
estruturas incomuns no DNA, com a formação de grampos. Esse tipo de estrutura 
irregular não ocorre nos genes, e são locais de reconhecimento para enzimas de restrição 
que efetuam cortes no DNA, sendo uma característica utilizada na terapia genética. 
Figura 44 – Modelo de Watson-Crick para a estrutura do DNA
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.289)
129
O modelo original proposto por Watson e Crick tinha 10 pares de bases ou 34 Å (3,4 
nm) por volta da hélice; medidas subsequentes revelaram 10,5 pares de bases ou 
36 Å (3,6 nm) por volta. (a) Representação esquemática, mostrando as dimensões 
da hélice. (b) Representação em bastão mostrando o esqueleto e o empilhamento 
de bases. (c) Modelo de volume atômico. (direita) Complementaridade das cadeias 
na dupla-hélice de DNA. As cadeias antiparalelas complementares do DNA seguem 
as regras propostas por Watson e Crick. As cadeias antiparalelas pareadas por 
bases são diferentes na sua composição de bases: a cadeia da esquerda tem a 
composição A3T2G1C3; a da direita, A2T3G3C1. Elas também se diferenciam na 
sequência quando cada cadeia é lida na direção 5´3´. Observe as equivalências de 
bases: A=T e G=C no duplex. 
Na estrutura terciária, o DNA pode apresentar-se de uma forma mais condensada 
ou empacotada. Em procariotos, o DNA circular de plasmídeos dobra-se sobre si mesmo 
e torna-se super torcido e mais compacto.  
Nos eucariotos, o DNA encontrado no núcleo pode estar complexado com 
proteínas histonas. As histonas são ricas em aminoácidos com cadeias laterais 
carregadas positivamente, que fazem ligação eletrostática com as cargas negativas 
dos grupos fosfato do DNA. As histonas empacotam e organizam o DNA em unidades 
estruturais de nucleossomos. Esses nucleossomos se organizam em estruturas maiores, 
formando a cromatina compacta dos cromossomos. 
O genoma humano, que é o conjunto completo de material genético presente 
em uma célula humana, contém cerca de 3 bilhões de nucleotídeos. Esses nucleotídeos 
estão organizados em 23 pares de cromossomos, que são formados por longas cadeias 
de DNA. Cada cromossomo contém muitos genes, o segmento de uma molécula de 
DNA que codificam as instruções para a produção de proteínas e outras moléculas.
2.3 ESTRUTURA DO RNA 
O RNA é composto por apenas uma fita de nucleotídeos.  Pode formar uma 
estrutura secundária quando a cadeia se dobra sobre si mesma, porém não assume 
conformação em dupla hélice. Se houver pareamento, pontes de hidrogênio serão 
formadas. As regiões sem pareamento podem formar estruturas tipo alças. O RNA 
pode ainda fazer pareamentos não-Watson-Crick. Esses elementos estruturais podem 
influenciar a função da molécula de RNA, por exemplo, permitindo que ela se ligue a 
outras moléculas ou influenciando sua estabilidade.
Um exemplo característico de uma estrutura secundária de RNA é encontrado 
no RNA transportador (tRNA) (Figura 44)
130
A sequência de bases do RNA é complementar à sequência de codificação 
do DNA do qual foi copiada. Relembrando que no RNA, a base U ocupa o lugar da 
base T. Logo, uma fita de DNA com a sequência AATTGCGCAA, a sequência do RNA 
complementar será UUAACGCGUU.
O RNA tende a ser menor em tamanho em comparação com o DNA. No entanto, 
o tamanho pode depender de sua função e do organismo em que se encontra. O RNA 
é encontrado tanto no núcleo como no citoplasma, e pode exercer diferentes funções. 
Por exemplo, as ribozimas são RNA com atividade catalítica similar à das enzimas.
Figura 45 – Estrutura tridimensional do RNA
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 296)
(a) Estrutura tridimensional do tRNA de fenilalanina em levedura (PDB ID 1TRA). 
Alguns padrões de pareamento de bases incomuns encontrados neste tRNA estão 
mostrados. Observe também o envolvimento do oxigênio de uma ligação fosfodiéster 
da ribose em um arranjo de ligação de hidrogênio e um grupo 29-hidroxila da ribose 
em outro (ambos em vermelho). (b) Ribozima cabeça-de-martelo (denominada 
131
desta forma devido à estrutura secundária no sítio ativo que parece a cabeça de 
um martelo), obtida de certos vírus de plantas (obtida de PDB ID 1MME). Ribozimas, 
ou enzimas de RNA, catalisam uma variedade de reações, principalmente do 
metabolismo de RNA e na síntese proteica. As estruturas tridimensionaiscomplexas 
desses RNAs refletem a complexidade inerente na catálise, como descrito para 
enzimas proteicas no Capítulo 6. (c) Segmento de mRNA conhecido como íntron, 
de um protozoário ciliado Te -trahymena thermophila (obtido do PDB ID 1GRZ). Esse 
íntron (uma ribozima) catalisa sua própria excisão do meio dos éxons em uma cadeia 
de mRNA.
3 TRANSMISSÃO DO MATERIAL GENÉTICO  
A replicação e transcrição são os processos envolvidos na produção de novos 
ácidos nucléicos, o DNA ou RNA.
3.1 REPLICAÇÃO 
A replicação do DNA é o processo pelo qual as células fazem cópias de seu DNA 
antes de se dividirem. Isso garante que cada uma das células filhas receba um conjunto 
completo de instruções genéticas.
A replicação do DNA ocorre na fase S (fase de síntese) do ciclo celular. As 
principais enzimas que participam desse processo são a DNA polimerase e a DNA 
helicase. 
A unidade do DNA em que está acontecendo a replicação é conhecida como 
replicon. A enzima helicase desenrola a estrutura de dupla hélice da molécula de DNA e 
separa as duas fitas. Isso cria uma forquilha de replicação, com uma fita servindo como 
modelo para a síntese da nova fita. As bactérias possuem um único replicon, porém os 
eucariotos podem ter vários.
Em seguida, uma enzima chamada primase adiciona uma pequena sequência 
iniciadora de RNA (primer) às fitas modelo que servem como pontos de partida para a 
síntese de DNA.
A replicação do DNA é sintetizada pela DNA polimerase (ou DNA pol). (Figura 45) 
Esta polimerase sintetiza as novas fitas adicionando os desoxiribonucleotídeos (dNTP) 
às fitas molde, seguindo as regras de pareamento de bases (A com T e C com G). 
À medida que a polimerase se move ao longo das fitas molde, ela sintetiza as 
novas fitas na direção 5'3', adicionando nucleotídeos um a um, com a liberação do 
pirofosfato inorgânico (PPi). O 3´OH livre é ponto no qual o DNA é alongado.  
132
Figura 46 – Alongamento da cadeia de DNA 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.1014)
(a) O mecanismo catalítico para a adição de um novo nucleotídeo pela DNA-
polimerase envolve dois íons Mg2+, coordenados aos grupos fosfato do nucleotídeo 
trifosfato que chega, ao grupo 39 hidroxila que atuará como nucleófilo e três 
resíduos Asp, dois dos quais são altamente conservados em todas as DNA--
polimerases. O íon Mg21 representado na parte de cima facilita o ataque do grupo 39 
hidroxila do iniciador ao fosfato a do nucleotídeo trifosfato; o outro íon Mg21 facilita 
o deslocamento do pirofosfato. Ambos os íons estabilizam a estrutura do estado de 
transição pentacovalente. As RNA-polimerases usam um mecanismo semelhante 
(b) A atividade da DNA-polimerase I também precisa de uma fita simples não pareada 
para atuar como molde e uma fita iniciadora para fornecer o grupo hidroxila livre na 
extremidade 3’, à qual a nova unidade de nucleotídeo é adicionada. Cada nucleotídeo 
que chega é selecionado em parte pelo pareamento de bases ao nucleotídeo 
133
Figura 47 – Definindo as fitas de DNA na forquilha de replicação
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.1013)
Uma nova fita de DNA (vermelho-claro) sempre é sintetizada na direção 5’3’. O 
molde é lido na direção oposta, 5’3’. A fita líder é sintetizada continuamente na 
direção adotada pela forquilha de replicação. A outra fita, retardada, é sintetizada 
descontinuamente em pequenos pedaços (fragmentos de Okazaki) em uma direção 
oposta àquela em que a forquilha de replicação se move. Os fragmentos de Okazaki 
são ligados pela DNA-ligase. Em bactérias, os fragmentos de Okazaki têm 1.000 a 
2.000 nucleotídeos de comprimento. Nas células de eucariontes, eles têm 150 a 200 
nucleotídeos de comprimento.
apropriado na fita-molde. O produto da reação tem uma nova hidroxila 3’ livre, 
permitindo a adição de outro nucleotídeo. O par de bases recentemente formado 
migra para deixar o sítio ativo disponível para o próximo par a ser formado. (c) O 
núcleo da maioria das polimerases tem um formato semelhante ao de uma mão 
humana que envolve o sítio ativo. A estrutura mostrada é a DNA-polimerase I de 
Thermus aquaticus, ligada ao DNA (PDB ID 4KTQ). (d) Uma interpretação do desenho 
da estrutura da DNA-polimerase mostra as partes de inserção e pós-inserção no 
sítio ativo. O sítio de inserção é onde ocorre a adição de nucleotídeos, e o sítio de 
pós-inserção é o local para onde o par de bases recentemente formado migra depois 
que aparece. 
Como as fitas são antiparalelas, uma fita líder é sintetizada continuamente 5'3', 
enquanto a outra terá uma síntese descontínua ou retardada, formando fragmentos de 
novas fitas chamados de Okasaki (Figura 46).
134
Os organismos possuem propriedades básicas para replicação do DNA:   
• A replicação é semiconservativa, de forma que cada fita mãe de DNA funciona como 
molde para a síntese de novas fitas filhas. Assim, cada dupla hélice recém-formada 
contém uma fita nova e uma fita velha.
• A replicação começa em uma região específica, a origem, que são regiões ricas em 
AT, que desnaturam em temperaturas mais baixas por terem apenas duas pontes 
de hidrogênio. 
 
As bactérias possuem várias DNA polimerases, sendo as principais: a DNA 
polimerase I e a DNA polimerase III, uma enzima multimérica e a principal responsável pela 
síntese pois possui maior velocidade de polimerização (nucleotídeos por segundo) e mais 
processividade, que é o número de nucleotídeos formados antes de se soltar do molde.  
Os eucariotos possuem 5 tipos principais de DNA polimerases: α, β, γ, ε, δ. As 
polimerases α, ε e δ estão mais ativas no processo de divisão celular, enquanto a γ 
polimerase é responsável pela replicação do DNA mitocondrial. 
A síntese de uma molécula de DNA prossegue em 3 estágios: (1) iniciação, (2) 
alongamento e (3) terminação.  As informações desses estágios provêm de experimentos 
realizados em bactérias, porém os princípios são conservados em todos os sistemas de 
replicação. 
No estágio (1), iniciação, a DNA polimerase em bactérias associa-se com o DNA 
na origem (chamado de OriC).
O estágio (2), elongação, é a fase de síntese da fita líder e da fita descontínua. 
Primeiramente, a DNA polimerase com as enzimas acessórias avançam na forquilha de 
replicação. Logo após, a fita descontínua é dobrada com a ajuda de um complexo de 
proteínas para que a DNA polimerase siga na direção 5'3', fazendo a polimerização de 
ambas as fitas. Por fim, os fragmentos da fita descontínua são selados pela DNA ligase 
e os primers são removidos. 
No estágio (3) de terminação, as duas forquilhas de replicação do cromossomo 
circular se encontram. Em seguida, as enzimas topoisomerases quebram ligações, 
separando as duas hélices formadas. 
A replicação do DNA é um processo altamente preciso com mecanismos que 
garantem a fidelidade da replicação. Mesmo assim, erros de replicação podem ocorrer 
e serão corrigidos por diferentes mecanismos após a replicação.  Esses erros são 
chamados de mutações e alguns podem afetar a estrutura e a função da molécula de 
DNA com consequências na expressão gênica ou perda de função. 
135
No laboratório, a aplicação resultante do conhecimento dos mecanismos de 
replicação do DNA é utilizada em técnicas como a de reação em cadeia polimerase 
(PCR) e a do sequenciamento de DNA, que abriram novas perspectivas de manipulação 
do genoma e novos métodos de diagnóstico.  
3.2 TRANSCRIÇÃO 
O gene é o segmento de uma molécula de DNA que contém as informações 
necessárias para a síntese de um produto com função biológica. A transcrição converte 
a informação genética de um gene em um filamento de RNA. 
Enquanto o genoma é estável, o transcriptoma, que consiste em todas as 
moléculas de RNA produzidas em uma célula, pode ser variável, de acordo com o estado 
fisiológico, do tipo de tecidos, das influências externas, dentre outros mecanismos. 
O processo de transcrição é realizado pela RNA polimerase.  
Os RNA produzidos nesse processo são: 
• mRNA, O RNA mensageiro que codifica para a sequência de aminoácidos das 
proteínas;• tRNA, O RNA transportador que identifica e transporta aminoácidos até o ribossomo;  
• rRNA, O RNA ribossômico que é o constituinte dos ribossomos, responsáveis pela 
síntese das proteínas. 
Outros RNAs adicionais produzidos têm função regulatória e catalítica.  
O mRNA de procariotos pode ser policistrônico, que contém mais de um gene. 
Em eucariotos, o mRNA são sempre monocistrônicos, que codificam um único gene. O 
mRNA é lido em conjuntos de três bases conhecidas como códons. Cada códon codifica 
um único aminoácido. 
Nos eucariotos, a transcrição ocorre no núcleo, onde o RNA é processado e 
transportado para o citoplasma para realizar tradução.  Ao final da transcrição, o RNA 
de eucariotos passa por um processamento antes de ser traduzido em proteína no 
citoplasma.
Nos procariotos, a transcrição e tradução são processos acoplados que ocorrem 
simultaneamente, pois não existe o compartimento do material genético no núcleo.  
As RNA polimerases são enzimas que realizam a transcrição. Os procariotos 
possuem apenas um tipo de polimerase do RNA. Os eucariotos possuem três tipos de 
RNA polimerase: 
136
• RNA polimerase I, transcreve genes de rRNA (conhecidos como 5.8S, 28S e 18S).
• RNA polimerase II, transcreve genes que codificam para pre-mRNA.  
• RNA polimerase III, transcreve outros RNAs, como o tRNA.
A síntese de RNA pela RNA polimerase é semelhante à do DNA com suas 3 
etapas: (1) iniciação, (2) elongação e (3) terminação. Porém, com uma etapa anterior, de 
reconhecimento (Figura 47).
Alguns fármacos, como antibióticos, agem interferindo no processo de 
transcrição, fazendo ligações com a polimerase. Alguns cogumelos produzem um agente 
tóxico que inibe a RNA polimerase em eucariotos. Outros agentes podem intercalar-se 
entre os ácidos nucleicos e inibirem a replicação ou transcrição.  
Certos vírus de RNA, conhecidos como retrovírus, carregam a enzima 
transcriptase reversa que catalisa a síntese de DNA complementar ao RNA viral, após 
entrar na célula hospedeira. O DNA viral entra no núcleo e é integrado no genoma do 
hospedeiro para ser transcrito posteriormente, gerando proteínas virais.  
No laboratório, as transcriptases reversas são utilizadas nas técnicas de 
clonagem do DNA, tornando possível a síntese de DNA complementar (cDNA) a partir de 
um molde de mRNA. 
137
Figura 48 – Início da transcrição e alongamento pela RNA-polimerase da E. coli. 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.1064)
O início da transcrição precisa de várias etapas geralmente divididas em duas fases, 
ligação e início. Na fase de ligação, a interação inicial da RNA-polimerase com o 
promotor leva à formação de um complexo fechado, no qual o DNA promotor é ligado 
de maneira estável, mas não desenrolado. Uma região de 12 a 15 pb de DNA 
– do interior da região -10 à posição 12 ou 13 – é então desenrolado para formar 
um complexo aberto. Intermediários adicionais (não mostrados) foram detectados 
nas vias que levam aos complexos fechados e abertos, junto com várias mudanças 
na conformação proteica. A fase de iniciação envolve o início da transcrição e a 
remoção do promotor (etapas 1 a 4 aqui). Uma vez que o alongamento tenha 
começado, a subunidade s é liberada e substituída pela proteína NusA. A polimerase 
deixa o promotor e fica comprometida com o alongamento do RNA (etapa 5). Quando 
a transcrição está completa, o RNA é liberado, a proteína NusA se dissocia e a 
RNA-polimerase se dissocia do DNA (etapa 6). Outra subunidade s se liga à RNA-
polimerase, e o processo se reinicia. 
138
O tamanho das macromoléculas é dado em termos de massa molecular (ou peso molecular) 
e é tipicamente expresso em dalton (Da ou D), sendo que 1000 D = 1 kilodalton (kD).
A massa molecular das proteínas depende do número e tipo de aminoácidos que elas 
contêm. As proteínas podem variar em tamanho, desde pequenas moléculas com massas 
moleculares de alguns milhares de daltons até grandes moléculas com massas moleculares 
de vários milhões de daltons.
A massa molecular dos carboidratos depende de seu tamanho e complexidade. Açúcares 
simples, como a glicose, têm uma massa molecular de cerca de 180 Da, enquanto 
carboidratos maiores, como amido e celulose, têm massas moleculares que podem variar 
de vários milhares a vários milhões de daltons.
A massa molecular dos lipídios depende do tipo e número de cadeias de ácidos graxos que 
eles contêm. Lipídios simples, como ácidos graxos, têm massas moleculares que variam de 
200 a 400 Da, enquanto lipídios mais complexos, como triacilgliceróis (gorduras) 
e fosfolipídios, têm massas moleculares que podem variar de vários milhares a 
várias centenas de milhares de daltons.
A massa molecular dos ácidos nucleicos depende do comprimento de suas 
cadeias poliméricas. O DNA e o RNA são compostos de nucleotídeos e sua 
massa molecular depende do número dos nucleotídeos que ele contém. 
Por exemplo, a massa molecular de uma molécula de DNA com um 
comprimento de 10.000 nucleotídeos tem de cerca de 300.000 Da.
www.labxchange.org
www.celuladidatica.ufpr.br/membrana-biologicas.php
https://www.instagram.com/descomplica_doutoras
https://learn.genetics.utah.edu/content/labs/
www.projeto-biologico.arizona.edu/default.html
NOTA
DICA
http://www.labxchange.org
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139
É o DNA!
HÁ 60 ANOS ERA DESCRITA A PRIMEIRA FORTE EVIDÊNCIA DA RELAÇÃO ENTRE 
ÁCIDO NUCLÉICO E HEREDITARIEDADE
Mônica Bucciarelli Rodriguez 
Revista Ciência Hoje
Qualquer estudante com um mínimo de informação em biologia sabe que as 
características genéticas da grande maioria dos seres vivos são transmitidas de geração 
a geração pelo ácido desoxirribonucleico (DNA). No entanto, a primeira demonstração do 
papel central desempenhado por essa molécula na hereditariedade ocorreu há apenas 
seis décadas, e não foi aceita de imediato.
Uma experiência realizada em 1928 pelo microbiólogo inglês Frederick Griffith 
(1877-1941) mostrou, para surpresa geral, que bactérias capazes de causar uma doença 
podiam, mesmo depois de mortas, ‘passar’ essa capacidade para bactérias vivas que a 
tinham perdido, mas não descobriu como isso ocorria. Esse enigma só seria decifrado em 
1944, quando um trabalho de três médicos norte-americanos – Oswald T. Avery (1877-
1955), Colin M. MacLeod (1909-1972) e Maclyn McCarty (1911-) –indicou que o DNA das 
bactérias mortas seria o responsável pela transmissão da virulência para as bactérias vivas.
Tal associação era tão surpreendente para a época que, embora ficasse clara 
na experiência, recebeu pouco destaque no título do trabalho de Avery e colegas: 
‘Estudos sobre a natureza química da substância indutora de transformação de tipos 
de Pneumococcus’. A informação mais importante estava no subtítulo – ‘Indução de 
transformação por uma fração de ácido desoxirribonucléico isolada de Pneumococcus 
tipo III’ –, mas este certamente só chamaria a atenção de especialistas da área.
Qual a razão para tamanho cuidado? A composição química dos ácidos nucléicos 
e das proteínas já era conhecida. Sabia-se que os primeiros eram longas moléculas 
formadas por apenas quatro tipos de unidades básicas, o que as tornava quimicamente 
muito monótonas, sobretudo porque estava em voga a teoria de que o DNA seria uma 
longa seqüência de ‘blocos’ idênticos, cada um reunindo quatro diferentes nucleotídeos 
(moléculas constituídas de um açúcar específico que se liga a uma base nitrogenada 
e a um grupo fosfato). Em contrapartida, sabia-se que as proteínas eram polímeros 
formados por 20 aminoácidos diferentes. Assim, apresentavam uma diversidade de 
estrutura muito maior, e por isso eram as moléculas mais cotadas como as responsáveis 
primárias pela grande diversidade genética dos seres vivos, embora em 1897 o zoólogo 
norte-americano Edmund B. Wilson (1856-1939) já tivesse sugerido que esse papel 
cabiaa um ácido nucléico. Mas o que Avery, MacLeod e McCarty de fato fizeram? 
LEITURA
COMPLEMENTAR
140
Para entender isso, é importante conhecer o experimento precursor, de Fre-
derick Griffith. O microbiólogo trabalhava, no Laboratório de Patologia do Ministério 
da Saúde britânico, com pneumococos (nome comum da bactéria Streptococcus 
pneumoniae, então conhecida como Pneumococcus, que causa pneumonia), já 
classificados anteriormente em diversos tipos. Essa classificação se baseava nas 
respostas a anticorpos presentes em soros, que distinguiam o mucopolissacarídeo 
(constituinte da cápsula que envolve certas bactérias) específico de cada tipo de 
pneumococo. Quando cultivados em placas de petri, em laboratório, os pneumo-
cocos que sintetizam suas cápsulas geram colônias ‘lisas’. A injeção subcutânea 
de cultura líquida desses pneumococos em camundongos causa a sua morte. No 
entanto, o cultivo in vitro permite também o surgimento de colônias ‘rugosas’, cujas 
bactérias perderam a capacidade de sintetizar mucopolissacarídeo (e, portanto, não 
têm cápsulas). As mutantes rugosas não podiam mais ser classificadas com os soros 
e, além disso, perdiam a virulência: camundongos inoculados com elas permane-
ciam vivos, ao contrário do que ocorria se fossem inoculados com pneumococos 
lisos. Griffith mostrou que quando bactérias lisas do tipo III mortas (pela aplicação 
de calor) eram misturadas com bactérias rugosas derivadas do tipo II, e depois essa 
suspensão mista era inoculada em camundongos, estes morriam, e os pneumoco-
cos vivos recuperados dos corpos eram do tipo III (Figura 1). 
141
Figura 1. Pneumococos selvagens do tipo III (que produzem colônias lisas), quando inoculados em camun-
dongos, os matam (A), e pneumococos do tipo II mutantes (que produzem colônias rugosas) perdem a 
virulência (B). Em sua experiência, Griffith mostrou que, quando a mistura de pneumococos lisos do tipo 
III mortos pelo calor (não virulentos) com bactérias rugosas vivas (C) é injetada nos camundongos, estes 
morrem (D), e bactérias selvagens do tipo III são recuperadas de seu organismo. Esse resultado indica que 
houve uma transformação das bactérias rugosas pela ação de algum ‘princípio transformante’ contido na 
suspensão com bactérias mortas.
O cientista concluiu que uma substância liberada pelas bactérias mortas fazia 
com que as bactérias não virulentas mudassem de tipo e voltassem a ser capazes de 
matar os camundongos. Ele chamou essa substância de ‘princípio transformante’, e 
chamou o processo de transformação, como é conhecido até hoje. Posteriormente, a 
transformação de pneumococos foi obtida in vitro – e não apenas em camundongos 
(in vivo) – e observada em outros organismos, sendo relacionada a uma alteração de 
características genéticas produzida por recombinação de genes. 
142
Figura 2. Na experiência de Avery e colegas, foi usada uma fração purificada e não virulenta (A) do extrato 
de pneumococos lisos do tipo III, virulentos. Essa fração, rica em DNA, mantinha a capacidade de promo-
ver transformação (B) quando tratada com enzimas que destroem proteínas (proteases), mas perdia essa 
propriedade (C) quando tratada com enzimas que degradam DNA (DNAses). Isso revelou que o DNA era o 
responsável pela transformação das bactérias – ou seja, era o portador das características genéticas
A natureza do princípio transformante de Griffith permaneceu obscura até 
o trabalho de Avery, MacLeod e McCarty. Eles repetiram a transformação in vitro de 
pneumococos, no Instituto Rockfeller para Pesquisa Médica, mas substituíram as células 
mortas pelo calor por uma fração purificada de extrato de bactérias lisas (incapaz, por 
si só, de provocar a doença) e trataram esse material com diferentes enzimas, cada 
uma capaz de destruir um tipo específico de macromolécula. A experiência revelou que 
essa fração mantinha sua capacidade transformante quando tratada com enzimas que 
degradam proteína ou RNA, mas perdia essa capacidade quando tratada com enzimas 
143
que degradam DNA (Figura 2). Esses resultados indicavam que a natureza química do 
‘princípio transformante’ era DNA. Cientes de que essa conclusão não seria aceita com 
facilidade, os autores foram cautelosos na discussão do trabalho, onde escreveram: 
“No atual estado de conhecimento, qualquer interpretação do mecanismo envolvido 
na transformação tem que ser puramente teórica.” Apesar da cautela, defenderam 
que o DNA tinha uma participação não apenas estruturalmente importante, mas 
funcionalmente ativa na determinação das atividades bioquímicas e nas características 
específicas dos pneumococos. 
O tempo e o consequente desenvolvimento da ciência mostraram que Avery 
e seus colaboradores estavam certos em sua acanhada proposição. Muitas vezes 
aquilo que não parece certo para o senso comum – como a ideia de que o DNA seria 
o material genético, e não as proteínas – revela-se absolutamente claro e óbvio 
após o esclarecimento de seu mecanismo. Informações curiosas sobre o princípio 
transformante e sobre pesquisas realizadas antes e após essa descoberta estão no site 
http://profiles.nlm.nih.gov/CC/Views/Exhibit/documents/discovery.html, que traz ainda 
uma biografia de Oswald T. Avery. Uma descrição simples e correta da caracterização 
estrutural e funcional do DNA, acompanhada de um debate sobre as implicações do 
avanço do conhecimento genético, é feita pelo jornalista brasileiro Marcelo Leite em O 
DNA (Coleção Folha Explica, 2003).
Apesar da importância da descoberta de Avery e colaboradores e do amplo 
reconhecimento que o experimento alcançou no meio científico (é descrito em 
praticamente todos os manuais de genética e biologia molecular), seus autores 
curiosamente não foram agraciados com o prêmio Nobel.
Fonte: Disponível em: https://www2.icb.ufmg.br/grad/genetica/dna.pdf. Acesso em: 15 mar. 2023.
http://profiles.nlm.nih.gov/CC/Views/Exhibit/documents/discovery.html
https://www2.icb.ufmg.br/grad/genetica/dna.pdf
144
RESUMO DO TÓPICO 3
Neste tópico, você aprendeu:
• Os ácidos nucleicos possuem um papel biológico de armazenamento e transmissão 
da informação genética. 
• Os ácidos nucleicos são o DNA – Ácido desoxirribonucleico (do inglês, 
DesoxyiboNucleic acid) – e o RNA, ácido ribonucleico (do inglês, RiboNucleic acid), 
formado por polímeros de nucleotídeos lidos na sequência 5’3’.
• Os componentes dos nucleotídeos são: a base nitrogenada, pirimidina ou purina; 
uma pentose, monossacarídeos aldeídos; e um grupo fosfato. 
• Os nucleotídeos também apresentam outras funções no metabolismo celular. 
• O DNA é formado por duas fitas e possui uma estrutura secundária de dupla hélice 
onde as bases são complementares e antiparalelas. 
• O RNA é formado de uma fita simples 
• Na replicação do DNA, cada fita do DNA original serve como modelo para a síntese 
de uma fita complementar.
• A DNA polimerase é a principal enzima necessária para a replicação. 
• Na transcrição, um segmento de DNA serve como modelo para a síntese de uma 
sequência de RNA. 
• A RNA polimerase é a principal enzima necessária para a transcrição.
• Três tipos de RNA são formados durante a transcrição: mRNA, rRNA e tRNA.
145
AUTOATIVIDADE
1 O DNA (ácido desoxirribonucleico) e as proteínas são duas importantes macromoléculas 
da célula. O DNA é responsável pelo armazenamento e transmissão da informação 
genética, enquanto as proteínas são importantes para várias funções biológicas, 
incluindo de estrutura celular, a regulação metabólica e a realização de reações 
químicas. Ambos o DNA e as proteínas são compostos de elementos químicos, no 
entanto, alguns elementos são encontrados somente em um dos compostos, e não 
na outra. Acerca dos elementos que são encontrados no DNA, mas não nas proteínas, 
assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) Carbono
b) ( ) Nitrogênio
c) ( ) Oxigênio
d) ( ) Fósforo
e) ( ) Enxofre
2 A estrutura do DNA é estabelecida por interações específicas de base entre as duas 
fitas complementares formando a duplahélice de DNA. As quatro bases nitrogenadas 
encontradas no DNA são adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). A adenina 
complementa a timina, enquanto a citosina complementa a guanina. 
 Uma fita de DNA contendo 20 A, 25 G, 30 C e 22 T, quando completada pela segunda 
fita, terá um determinado total de bases. Acerca desse total, assinale a CORRETA: 
a) ( ) 40 A, 50 G, 60 C e 44 T
b) ( ) 50 A, 47 G, 50 C e 47 T
c) ( ) 45 A, 45 G, 52 C e 52 T
d) ( ) 42 A, 52 G, 52 C e 42 T
3 A molécula de RNA, ou ácido ribonucleico, é uma molécula importante na biologia 
celular, responsável por muitas funções, incluindo a tradução do código genético do 
DNA para proteínas. Na molécula de RNA, a adenina faz pareamento com determinada 
base. Acerca dessa base, assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) Citosina.
b) ( ) Timina.
c) ( ) Uracila.
d) ( ) Guanina.
146
4 Uma fita molde de gene de DNA tem a sequência 5′-ATGAGCGACTTTGCGGGATTA-3′. 
Qual é a sequência de nucleotídeos complementar no DNA e qual a sequência do 
RNA que será formada a partir desse molde?
5 O DNA é uma molécula que armazena informações genéticas, as quais são 
responsáveis por regular a expressão gênica, ou seja, a síntese de proteínas. Para 
que as informações armazenadas no DNA sejam utilizadas na produção de proteínas, 
é necessário que ocorra a transcrição. Qual é o papel do DNA na transcrição? Qual é 
o produto formado na transcrição?
REFERÊNCIAS
147
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; STRYER, LU. Bioquímica. 7 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan. 2014.
FERRIER, D. Bioquímica ilustrada. 7 ed. Porto Alegre: Artmed, 2019. 
NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 7. ed. Porto Ale-
gre: Artmed, 2019.
NELSON, D. L. & COX, M. M. Princípios de bioquímica. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 
2014
RODWELL, V. W. et al. Bioquímica ilustrada de Harper. 31. ed. Porto Alegre: AMGH, 
2021. 
WILSON, K.; WALKER, J. Principles and Techniques of Biochemistry and Molecular 
Biology. 7 ed. Cambridge Univ. Press, 2010.
148
149
PRINCIPAIS VIAS 
DO METABOLISMO 
E PROCESSOS 
BIOENERGÉTICOS
UNIDADE 3 — 
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
PLANO DE ESTUDOS
A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:
• compreender como ocorre a transformação, o armazenamento e consumo de 
energia dentro das células;
• descrever os princípios da bioenergética e as leis da termodinâmica;
• descrever as principais vias metabólicas;
• identificar os reagentes e produtos da respiração celular e onde essas reações 
ocorrem em uma célula.
A cada tópico desta unidade você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar 
o conteúdo apresentado.
TEMA DE APRENDIZAGEM 1 – INTRODUÇÃO À BIOENERGÉTICA E AO METABOLISMO
TEMA DE APRENDIZAGEM 2 – METABOLISMO DE LIPÍDIOS, AMINOÁCIDOS E 
NUCLEOTÍDEOS
TEMA DE APRENDIZAGEM 3 – METABOLISMO DE CARBOIDRATOS E BIOENERGÉTICA
Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure 
um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações.
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150
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UNIDADE 3!
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TÓPICO 1 — 
INTRODUÇÃO À BIOENERGÉTICA E AO 
METABOLISMO
UNIDADE 3
1 INTRODUÇÃO
As células desempenham as funções da vida através de várias reações 
químicas. A bioenergética é o estudo do fluxo de energia através dos sistemas vivos, 
especificamente no nível celular. Ele examina as reações químicas que ocorrem dentro 
das células, incluindo aquelas que consomem ou geram energia, que são coletivamente 
chamadas de metabolismo. 
O metabolismo é necessário para que as células mantenham seu equilíbrio 
energético e sustentem os vários processos que ocorrem dentro delas (Figura 1). As vias 
metabólicas podem ser categorizadas em diferentes tipos com base em sua estrutura 
e função. 
Figura 1 – A relação energética entre as vias catabólicas e anabólicas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 503)
152
As vias catabólicas liberam energia química na forma de ATP, NADH, NADPH e FADH2. 
Esses transportadores de energia são usados em vias anabólicas para converter 
precursores pequenos em macromoléculas celulares
As vias catabólicas são vias que degradam moléculas e liberam energia e 
são tipicamente convergentes, enquanto as vias anabólicas constroem moléculas 
e consomem energia e são tipicamente divergentes. As vias cíclicas envolvem um 
composto de partida sendo regenerado por meio de uma série de reações que convertem 
outro composto de partida em um produto. A maioria das células tem as enzimas para 
realizar as vias catabólicas e anabólicas, sendo que a síntese e degradação são reguladas 
para evitar gasto inútil de energia. 
O corpo humano possui uma rede complexa de vias metabólicas responsáveis 
pela realização de várias reações bioquímicas necessárias para o crescimento, reparo 
e manutenção das funções corporais. Essas vias podem ser agrupadas em várias 
categorias, incluindo metabolismo lipídico, metabolismo de aminoácidos, metabolismo 
de nucleotídeos e metabolismo de carboidratos.
A respiração celular é a culminação final das vias catabólicas, como a glicólise, o 
ciclo de Krebs e a cadeia de transporte de elétrons, que convertem a energia armazenada 
nas moléculas orgânicas em forma de ATP, a moeda energética da célula.
Acadêmico, no Tema de aprendizagem 1, abordaremos o estudo da bioenergética 
e as leis da termodinâmica que descrevem como a energia é transferida e transformada em 
um sistema. A variação na energia livre de uma reação pode ser negativa (libera energia, 
exergônica) ou positiva (consome energia, endergônica). Todas as reações requerem uma 
entrada inicial de energia para prosseguir, chamada de energia de ativação.
Nos sistemas vivos, as células desempenham as funções da vida por meio de 
várias reações químicas. O metabolismo de uma célula refere-se à combinação de 
reações químicas que ocorrem dentro dela. As reações catabólicas quebram substâncias 
químicas complexas em outras mais simples e estão associadas à liberação de energia. 
Os processos anabólicos constroem moléculas complexas a partir das mais simples e 
requerem energia.
2 PRINCÍPIOS DA BIOENERGÉTICA E TERMODINÂMICA
 
Uma célula viva opera uma variedade de funções metabólicas e, para manter 
esse nível de atividade, ela deve obter e gastar energia. Há um fluxo contínuo de 
energia nas células e seus arredores. A bioenergética é o ramo da bioquímica que trata 
do estudo das transformações de energia nos organismos vivos. Tem como objetivo 
compreender as mudanças de energia que ocorrem nas células vivas e os processos 
153
químicos responsáveis por essas mudanças. Analisa as diferentes formas de energia 
que as células vivas usam como energia química, energia térmica e energia luminosa, 
e como elas são transformadas em outras formas de energia, como o ATP, que a célula 
pode usar como moeda energética para realizar suas funções.
A bioenergética também examina o metabolismo energético das células, que 
inclui as vias e enzimas envolvidas na produção, armazenamento e uso de energia. 
Ele também analisa como as células obtêm energia de seu ambiente, como por meio 
da fotossíntese e da respiração celular, e como usam essa energia para realizar os 
processos celulares. (Figura 2)
Figura 2 – Algumas Inter conversões de energia em organismos vivos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 21)
154
À medida que a energia metabólica é gasta para realizar o trabalho celular, o grau 
de desordem do sistema “mais” o do meio externo (expresso quantitativamente 
como entropia) cresce à medida que a energia potencial das moléculas nutrientes 
complexas decresce. (a) Organismos vivos extraem energia do seu meio; (b) convertem 
parte dela em formas de energia utilizáveis para produzir trabalho; (c) devolvem parte 
da energia ao meio na forma de calor; e (d) liberam, como produto, moléculas que 
são menos organizadas do que o combustível de partida, aumentando a entropia 
do universo. Um efeito de todas estas transformações é (e) o aumento daordem 
(aleatoriedade diminuída) do sistema na forma de macromoléculas complexas.
As leis da termodinâmica descrevem como a energia é transferida e 
transformada em um sistema. A primeira lei da termodinâmica, também conhecida como 
lei da conservação de energia, afirma que a quantidade total de energia no universo é 
constante, sendo que a energia pode mudar de forma ou pode ser transportada de uma 
região para outra, mas não pode ser criada ou destruída. Sendo assim, a energia é usada 
e não gasta, sendo convertida de uma forma para outra.
A segunda lei da termodinâmica afirma que toda transferência ou transformação 
de energia aumenta a desordem, ou entropia, do universo, assim a entropia total de 
um sistema fechado sempre aumentará com o tempo. No entanto os seres vivos são 
altamente ordenados, exigindo a entrada constante de energia para serem mantidos 
em um estado de baixa entropia.
A bioenergética utiliza três parâmetros termodinâmicos para descrever as trocas 
de energia que ocorrem nas reações químicas: energia livre de Gibbs (G), Entalpia (H) e 
Entropia (S). As unidades de energia livre de Gibbs e Entalpia são joules/mol ou calorias/
mol, e a unidade de entropia é joules/mol · Kelvin (J/mol · K), sendo 1 cal = 4, 184 J.
• A energia livre de Gibbs (G) é uma medida da energia disponível para realizar trabalho. 
A partir desse parâmetro as reações podem ser classificadas como exergônicas se 
ela libera energia livre, resultando em uma mudança negativa na energia livre (ΔG 
< 0). Por outro lado, uma reação endergônica é aquela em que o sistema adquire 
energia livre, resultando em uma variação positiva na energia livre (ΔG > 0).
• Entalpia (H) é a medida do conteúdo de calor do sistema reagente. Reflete o número 
e o tipo de ligações químicas nos reagentes e produtos. As reações são classificadas 
como exotérmicas (ΔH < 0) ou endotérmicas (ΔH > 0) com base na liberação ou 
absorção de calor, respectivamente.
• Entropia (S) é uma medida da desordem ou aleatoriedade de um sistema. Uma reação 
prossegue com ganho de entropia quando os produtos são menos complexos e 
mais desordenados que os reagentes. 
As reações químicas são influenciadas por duas forças principais: a tendência de 
atingir o estado mais estável (medido pela entalpia, H) e a tendência de atingir o maior grau 
155
de desordem (medido pela entropia, S). A força motriz líquida de uma reação é a variação na 
energia livre de Gibbs, ou ΔG, que é o resultado destes dois fatores: ΔG = ΔH - TΔS. 
A ΔG de um sistema que ocorre durante uma reação pode ser medida sob 
qualquer conjunto de condições. No entanto, se os dados forem coletados em condições 
padrão de pH 7, temperatura a 25º Celsius e pressão de 1 atmosfera, o resultado é a 
variação de energia livre padrão aparente, ΔG°', que é usado para prever se a reação é 
espontânea ou não. Essa ΔG'° é um valor constante que é calculado usando a constante 
de equilíbrio (K'eq) da reação usando a equação ΔG'°= -RT ln K'eq, onde R é o constante 
do gás e T é a temperatura em Kelvin. 
A ΔG depende de ΔG'° e das concentrações dos reagentes e produtos, e pode 
ser calculada usando a equação ΔG = ΔG'°+ RT ln([produtos]/[reagentes]). A partir dessa 
equação, tem se que um ΔG negativo indica uma reação exergônica e tende a caminhar 
para sua conclusão, um ΔG positivo indica uma reação endergônica e tende a ir na 
direção oposta e um ΔG =0 (a soma dos ΔGs das duas reações separadas) indica que o 
sistema está em equilíbrio.
Embora algumas reações tenham um ΔG negativo, o que significa que são 
termodinamicamente favoráveis, elas podem não ocorrer a uma velocidade significativa. 
Por exemplo, a combustão da lenha em CO2 e H2O é termodinamicamente favorável, 
mas não ocorre à temperatura ambiente porque a energia de ativação necessária para 
a reação é maior que a energia disponível. Porém, se for fornecida uma fonte externa de 
energia, como um fósforo aceso, a reação pode prosseguir, convertendo a madeira em 
produtos mais estáveis e liberando energia na forma de calor e luz. O calor liberado pela 
reação exotérmica pode fornecer a energia de ativação para a combustão de regiões 
próximas, tornando o processo autopropagável. Nos organismos vivos, as enzimas 
são responsáveis por diminuir a energia de ativação necessária para que as reações 
ocorram, permitindo que elas aconteçam em um ritmo mais rápido.
A ΔG de uma reação não é afetada pelas etapas específicas ou intermediários 
envolvidos na reação. Por exemplo, em uma reação em que o composto A é convertido 
no composto B e, em seguida, o composto B é convertido no composto C. A mudança 
geral na energia livre da reação A para C é a soma dos valores ΔG individuais do reações 
A à B e B à C. Isso ocorre porque os valores ΔG são aditivos, o que significa que o valor 
ΔG final para uma reação é a soma dos valores ΔG de todas as reações individuais que 
levam ao produto.
Em um sistema fechado, as reações químicas ocorrerão espontaneamente até 
atingirem o equilíbrio, ponto no qual as velocidades das reações direta e oposta são 
iguais e as concentrações dos reagentes e produtos permanecem constantes. Uma 
célula viva é, no entanto, um sistema termodinâmico aberto porque troca materiais e 
energia com seu ambiente, onde nutrientes, oxigênio e resíduos estão constantemente 
entrando e saindo da célula. Além disso, a célula é capaz de reciclar os produtos de certas 
reações químicas em outras reações, o que lhe permite manter um estado estável de 
156
metabolismo. Esta troca constante de materiais e energia também requer uma entrada 
constante de energia, pois a célula deve trabalhar para manter sua própria organização 
e contrariar a tendência natural de equilíbrio e entropia. Ou seja, os organismos vivos 
estão em uma batalha constante contra o equilíbrio e a entropia. 
2.1 PRINCIPAIS REAÇÕES BIOQUIMICAS
As reações bioquímicas referem-se às reações químicas que ocorrem dentro 
das células e são essenciais para o seu bom funcionamento e a sobrevivência dos 
organismos vivos. Essas reações bioquímicas são catalisadas por enzimas, que catalisam 
reações como isomerização, ligação e hidrólise.
Dentre essas, as reações de transferência de grupos fosforil e reações de 
oxidação-redução desempenham um papel vital no metabolismo. 
As células vivas desenvolveram mecanismos altamente eficientes para controlar 
e utilizar a energia de seus arredores, de acordo com a as leis da termodinâmica. Eles 
convertem a energia química armazenada em moléculas orgânicas, como açúcares e 
gorduras, em energia armazenada nas moléculas de trifosfato de adenosina (ATP), a 
moeda energética das células vivas (Figura 3). A energia armazenada nas moléculas de 
ATP pode ser usada para conduzir vários processos celulares, como a síntese de novas 
moléculas, o transporte de moléculas através da membrana e a contração muscular.
A conversão de ATP em ADP e fosfato inorgânico (Pi), ou em AMP e PPi, é 
uma reação química altamente exergônica (ΔG° é negativo e grande em módulo) 
que libera energia. A variação de energia livre padrão (ΔG°) da hidrólise de ATP é -7,3 
kcal/mol ou -30,5 kJ/mol. Isso significa que quando o ATP é hidrolisado em ADP e Pi, 
ele libera -7,3 kcal/mol de energia. Essa energia pode ser acoplada a outras reações 
químicas que requerem energia, como as reações endergônicas que não acontecem 
espontaneamente. 
157
Figura 3 – O trifosfato de adenosina (ATP) fornece energia
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 24)
Aqui cada P representa um grupo fosforila. A remoção do grupo fosforila terminal 
(sombreado em cor salmão) do ATP, pela quebra da ligação fosfoanidrido para 
gerar difosfato de adenosina (ADP) e o íon fosfato inorgânico (HPO4
2–), é altamente 
exergônica; essa reação costuma ser acoplada a várias reações endergônicas nas 
células. O ATP também fornece energia para vários processos celulares pela clivagem 
que libera os dois fosfatos terminais, resultando em pirofosfato inorgânico (H2P2O7
2–), 
frequentemente abreviado como PPi.A transferência de um grupo fosforil, pirofosforil ou adenilil do ATP a um substrato 
ou a uma enzima acopla a energia da quebra do ATP às transformações endergônicas 
de substratos. A transferência de um grupo fosfato do ATP para um substrato, como a 
glicose, é um exemplo desse processo, chamado de fosforilação da glicose. Este processo 
aumenta o nível de energia do substrato permitindo que ele participe de outras reações 
químicas. Dessa maneira, o ATP fornece energia para reações anabólicas, incluindo a 
síntese de macromoléculas e o transporte de moléculas e íons através das membranas 
contra gradientes de concentração. 
Esse acoplamento energético pode ser mais facilmente visualizado em um 
exemplo mecânico simples (Figura 4).
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Adenosina (Trifosfato de adenosina, ATP)
Adenosina (Difosfato de adenosina, ADP)
Fosfato inorgânico (Pi)
Adenosina (Monofosfato de adenosina, AMP)
Fosfato inorgânico (PPi)
P P
P
P
P
P
P
P P
P P
P
O-
O-
O-
-O
-O
-O
O
O
O
O O
O
O
O
O
O
C
C
N N
N
CH
N
HC
O
O- O-
CH2
NH2
H H
H H
OH
OH
OH
OH
OH
+
+
158
Figura 4 – Acoplamento energético em processos químicos e mecânicos 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.24)
O movimento de queda de um objeto libera energia potencial que pode realizar 
trabalho mecânico. A energia potencial disponibilizada pelo movimento de queda 
espontânea, no processo exergônico (vermelho), pode ser acoplada ao processo 
endergônico representado pelo movimento ascendente de um segundo objeto 
(azul). (b) Na reação 1, a formação de glicose-6-fosfato a partir da glicose e do 
fosfato inorgânico (Pi) gera um produto com conteúdo energético maior que o 
dos reagentes. Para esta reação endergônica, ΔG é positivo. Na reação 2, a quebra 
exergônica do trifosfato de adenosina (ATP) tem uma grande variação negativa de 
energia livre (ΔG2). A terceira reação é a soma das reações 1 e 2, e a variação da 
energia livre, ΔG3, é a soma aritmética de ΔG1 e ΔG2. Pelo fato de ΔG3 ser negativo, 
o processo como um todo é exergônico e ocorre espontaneamente. 
Se a concentração de ATP for muito baixa, não será possível a transferência 
de grupos fosfato suficientes para conduzir as reações endergônicas de forma eficaz. 
Portanto, a concentração de ATP deve ser mantida bem acima da concentração de 
equilíbrio das reações geradoras de energia do catabolismo para garantir que haja ATP 
suficiente disponível para conduzir as reações endergônicas e manter o alto potencial 
de transferência de grupo do ATP.
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(a) Exemplo mecânico
ΔG > 0
Trabalho
realizado ao
levantar o
objeto
Endergônico
ΔG < 0
Perda de
energia
potencial
de
posição
Exergônico
(b) Exemplo químico
En
er
gi
a 
liv
re
, G Reação 1:
Glicose + Pi
Glicose-6-fosfato
ΔG1
Reação 2:
ATP ADP + Pi
ΔG2
Reação 3:
Glicose + ATP
Glicose-6-fosfato + ADP
ΔG3
ΔG3 = ΔG1 + ΔG2
Reação coordenada
159
Além do ATP, as células contêm outros compostos de alta energia que possuem 
um alto potencial de transferência do grupo fosforil. Estes incluem fosfoenolpiruvato, 
1,3-bifosfoglicerato e fosfocreatina, todos os quais têm uma energia livre negativa de 
hidrólise. Isso significa que eles liberam energia quando são quebrados. Esses compostos 
podem atuar como fontes de energia para reações endergônicas, semelhantes ao ATP. 
As reações de oxidação e redução, são também conhecidas como reações 
redox. Em uma reação redox, os átomos têm seu estado de oxidação (ou número de 
oxidação) alterado. A oxidação é o processo de perda de elétrons e resulta em um 
aumento no estado de oxidação de um átomo. A redução, por outro lado, é o processo 
de ganhar elétrons e resulta em uma diminuição no estado de oxidação de um átomo.
As coenzimas NAD+ e FAD são moléculas constituídas por adenosina difosfato 
e um composto orgânico nicotinamida (da vitamina B3) para NAD+, e por riboflavina (da 
vitamina B2), para o FAD. Essas coenzimas possuem duas formas, a oxidada, que é um 
receptor de elétrons, e a reduzida, que é um transportador de elétrons gerados através 
da glicólise, do ciclo de Krebs e da β-oxidação de ácidos graxos.  
Em sistemas biológicos, as reações de oxidação e redução estão intimamente 
ligadas à transferência de elétrons entre as moléculas. Por exemplo, na respiração 
celular, a glicose é oxidada para produzir dióxido de carbono e água, enquanto os 
elétrons são transferidos para o NAD+ que é reduzido a NADH. O NADH então transfere 
os elétrons para a cadeia de transporte de elétrons, onde são usados para produzir ATP. 
3 VISÃO GERAL DO METABOLISMO
Os organismos vivos podem ser divididos em dois grupos principais com base 
na forma como obtêm carbono: autótrofos e heterótrofos. 
Os autotróficos, como plantas e algas, podem usar dióxido de carbono como sua 
única fonte de carbono. Os heterotróficos, como animais e a maioria dos microrganismos, 
devem obter carbono de compostos orgânicos mais complexos, como a glicose. 
Os autótrofos são autossuficientes, enquanto os heterótrofos dependem de outros 
organismos para obter nutrientes. Autotróficos e heterótrofos vivem juntos em um ciclo 
interdependente no qual os autótrofos produzem compostos orgânicos e oxigênio por 
meio da fotossíntese e os heterótrofos consomem esses compostos e liberam dióxido 
de carbono. Esse ciclo é impulsionado pela energia solar e carbono, oxigênio e água são 
constantemente reciclados entre os dois grupos (Figura 5).
160
Figura 5 – Ciclo do dióxido de carbono e do oxigênio entre o domínio autotrófico (fotossintético) e o 
heterotrófico na biosfera
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 532)
O fluxo de massa por esse ciclo é enorme; 4 x 1011 toneladas de carbono são 
recicladas anualmente na biosfera.
Metabolismo é o processo pelo qual os organismos vivos convertem nutrientes 
em energia e constroem as moléculas necessárias para a vida. Esse processo pode ser 
dividido em vias menores, cada via envolvendo uma série de enzimas que catalisam 
reações químicas específicas. Cada enzima tem suas próprias características, como a 
eficiência catalítica ou sua capacidade de regular o fluxo de moléculas intermediárias. 
Ao final dessa unidade, você encontrará a figura de um mapa metabólico, que 
mostra as principais vias envolvidas no metabolismo energético. Esse mapa facilita o 
entendimento das conexões entre diferentes vias descrita nessa unidade, é possível 
rastrear o movimento de moléculas intermediárias e prever os efeitos de interrupções 
em uma via, como as causadas por drogas ou doenças hereditárias, distúrbios genéticos.
O termo metaboloma se refere ao conjunto completo de moléculas presentes 
em um organismo, incluindo todos os metabólitos que estão envolvidos no metabolismo.
O metabolismo pode ser dividido em duas categorias principais: catabolismo e 
anabolismo (Figura 6).
O catabolismo é o conjunto de vias metabólicas que quebram moléculas 
complexas, como carboidratos, proteínas e gorduras em moléculas mais simples. Essas 
moléculas são então degradadas em acetil-CoA, que entra no ciclo de Krebs, onde é 
oxidada para gerar grandes quantidades de ATP via fosforilação oxidativa. 
161
Os processos catabólicos são exergônicos, que são reações que liberam energia. 
A energia liberada é usada para alimentar os processos celulares e uma parte dela é 
conservada na forma de ATP e transportadores de elétrons reduzidos (NADH, NADPHe FADH2), enquanto o restante é perdido como calor. O catabolismo também permite 
que os nutrientes sejam convertidos em monômeros necessários para a biossíntese 
de moléculas complexas. É um processo convergente, onde uma grande variedade de 
moléculas é transformada em poucos produtos.
O anabolismo, por outro lado, é um processo divergente no qual alguns precursores 
biossintéticos, como aminoácidos, formam uma ampla variedade de produtos poliméricos 
ou complexos, como proteínas. As reações anabólicas são endergônicas, o que significa 
que requerem energia, que normalmente é fornecida pela hidrólise do ATP. Essas reações 
geralmente envolvem reduções químicas, onde o poder redutor geralmente é fornecido 
por doadores de elétrons, como NADH, FADH2. Um exemplo é o processo de síntese de 
ácidos graxos, uma reação que é termodinamicamente desfavorável. A reação é acoplada 
à hidrólise do ATP, que libera energia que é usada para conduzir a síntese de ácidos 
graxos. Assim, a energia liberada pela reação favorável é usada para conduzir a reação 
termodinamicamente desfavorável, tornando o processo geral termodinamicamente 
favorável. Isso permite que a célula realize uma ampla gama de reações anabólicas que, 
de outra forma, seriam impossíveis devido às leis da termodinâmica.
Algumas vias metabólicas são cíclicas, e envolvem uma série de reações 
que convertem um componente inicial em um produto e, em seguida, regeneram o 
componente inicial no processo. Esses caminhos cíclicos são projetados para conservar 
recursos e energia reciclando intermediários em vez de produzir produtos residuais. Um 
exemplo de uma via metabólica cíclica é o ciclo do ácido cítrico, também conhecido 
como ciclo de Krebs.
162
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(a) Convergente, catabólica, (b) divergente, anabólica, e (c) cíclica. Em (c), um dos 
compostos de partida (no caso, o oxaloacetato) é regenerado e reingressa na via. 
O acetato, um intermediário metabólico chave, é o produto da degradação de uma 
variedade de combustíveis (a), serve de precursor de um grande número de produtos 
(b) e é consumido na via catabólica conhecida como o ciclo do ácido cítrico (c).
163
RESUMO DO TÓPICO 1
Neste tópico, você aprendeu:
• A conexão entre as leis da termodinâmica, ΔG e reações metabólicas.
• Os seres vivos são sistemas termodinâmicos abertos e são capazes de realizar 
trocas de energia e materiais com o meio externo.
• As reações podem ser endergônicas e exergônicas.
• As diferenças entre os dois grupos principais de organismos, os autótrofos e os 
heterótrofos.
• O que é o metabolismo, as vias metabólicas e a relação entre anabolismo, catabolismo 
e energia química.
• A importância das reações de transferência de grupo fosforil e oxidação-redução 
no metabolismo.
• O ATP, FAD e NAD+ são importantes moléculas do metabolismo celular.
164
AUTOATIVIDADE
1 A termodinâmica estuda as relações entre a energia, o trabalho e a entropia de um 
sistema. Dentro dessa área existem três leis conhecidas como leis da termodinâmica. 
Assinale a alterativa CORRETA da lei da termodinâmica que afirma que a energia não 
pode ser criada nem destruída. 
a) ( ) Primeira lei da termodinâmica.
b) ( ) Segunda lei da termodinâmica.
c) ( ) Entropia.
d) ( ) Entalpia.
2 A variação de energia livre de Gibbs, ΔG, de um sistema que ocorre durante uma 
reação é utilizada para prever se uma reação será espontânea ou não. Assinale a 
alternativa CORRETA do valor de ΔG para um sistema está em equilíbrio.
a) ( ) ΔG = 0
b) ( ) ΔG = 1
c) ( ) ΔG = -1
d) ( ) ΔG = ΔG’0
3 A bioquímica é a área da biologia que estuda as reações químicas que ocorrem nas 
células, incluindo o metabolismo celular. Esses processos podem ser divididos em 
duas categorias principais. Assinale a alternativa CORRETA que apresenta o termo que 
descreve o processo celular de quebrar moléculas grandes em moléculas menores. 
a) ( ) Anabolismo.
b) ( ) Catabolismo.
c) ( ) Catálise.
d) ( ) Absorção.
4 NAD e FAD são coenzimas encontrados em muitos organismos, incluindo seres 
humanos. Eles atuam como transportadores de elétrons em reações de oxidação-
redução importantes para a produção de energia celular. Descreva as formas reduzida 
e oxidada dos transportadores de elétrons NAD e FAD.
5 O acoplamento é uma estratégia importante utilizada por organismos para transformar 
reações. Explique como o acoplamento facilita reações termodinamicamente 
desfavoráveis.
165
METABOLISMO DE LIPÍDIOS, 
AMINOÁCIDOS E NUCLEOTÍDEOS
1 INTRODUÇÃO
Acadêmico, no Tema de aprendizagem 2, abordaremos o metabolismo de lipídios, 
aminoácidos e nucleotídeos que fazem parte dos processos metabólicos responsáveis 
pela biossíntese, degradação e transporte dessas moléculas para manutenção da vida.
O metabolismo de lipídeos é essencial para o armazenamento de energia, 
formação da membrana celular e produção de hormônios pelo colesterol. Nos animais, 
os lipídios são obtidos a partir da dieta ou produzidos pelo fígado, sendo então 
transportados por todo o corpo na forma de lipoproteínas. Desequilíbrios no metabolismo 
lipídico podem levar a condições como obesidade e doenças cardiovasculares. 
Os aminoácidos essenciais são obtidos dos alimentos enquanto os aminoácidos 
não essenciais podem ser produzidos pelo corpo e são então usados para sintetizar 
proteínas ou convertidos em outros intermediários. Um dos principais processos 
metabólicos envolvendo aminoácidos é a remoção do nitrogênio, que está presente na 
forma de amônia (NH3). A amônia é tóxica em altas concentrações, por isso precisa ser 
removida para evitar danos ao corpo. Isso é conseguido através do ciclo da ureia, que 
converte a amônia em ureia, uma molécula menos tóxica que é excretada na urina.
Os nucleotídeos são componentes essenciais dos processos celulares, formados 
por uma base nitrogenada, um açúcar e um grupo fosfato. Eles desempenham um papel 
crucial na síntese de ácidos nucléicos, DNA e RNA, bem como na transferência de energia 
dentro das células através da síntese de ATP. Além disso, atuam como componentes de 
cofatores enzimáticos como NAD e FAD, envolvidos em diversas reações metabólicas. 
Os nucleotídeos também funcionam como segundos mensageiros nas vias de 
transdução de sinal, responsáveis pela transmissão de sinais dentro e entre as células. O 
metabolismo dos nucleotídeos abrange tanto a síntese de novo a partir de precursores 
simples quanto as vias de salvação que reciclam os nucleotídeos existentes.
UNIDADE 3 TÓPICO 2 - 
2 METABOLISMO DE LIPÍDIOS E ÁCIDOS GRAXOS
Os lipídios são um grupo diversificado de biomoléculas que incluem triacilgliceróis 
e esteroides, e desempenham papéis importantes no organismo. A digestão e a absorção 
de lipídios envolvem a quebra dos lipídios da dieta em moléculas menores que podem 
ser absorvidas e transportadas pelo organismo. 
166
Através da degradação ou beta-oxidação de ácidos graxos, o corpo gera a 
energia necessária para realizar suas funções. Esse processo ocorre principalmente nas 
mitocôndrias das células e resulta na produção de acetil-CoA, NADH e FADH2. Essas 
moléculas serão usadas para gerar ATP no ciclo de Krebs e no processo de fosforilação 
oxidativa que serão discutidas em detalhes no tema de aprendizagem 3. 
Quando há baixa disponibilidade de carboidratos, como durante o jejum ou uma 
dieta pobre em carboidratos, o corpo produz os corpos cetônicos, como acetoacetato 
e beta-hidroxibutirato, a partir de ácidos graxos, para servirem como fonte de energia 
para as células. 
A biossíntese de ácidos graxos a partir de precursores como o acetil-CoA é um 
processo que ocorre principalmente no fígado e no tecido adiposo e é regulado por 
hormônios como a insulina e o glucagon.
O metabolismo do colesterol é importante para a produção do colesterol, 
presente nas membranas celulares e como precursor dos hormônios esteroides,ácidos 
biliares e vitamina D. Por outro lado, fatores como genética, dieta e estilo de vida podem 
afetar o metabolismo do colesterol e contribuir para níveis elevados de colesterol no 
sangue o desenvolvimento das doenças cardiovasculares.
Os lipídeos juntamente com o colesterol são transportados pelo corpo pelas 
lipoproteínas que são partículas complexas consistindo em um núcleo de lipídios 
cercado por uma casca de proteínas. Diferentes tipos de lipoproteínas têm diferentes 
funções e estão envolvidas no transporte de diferentes tipos de lipídeos.
2.1 DIGESTÃO, MOBILIZAÇÃO E TRANSPORTE DE GORDURAS 
A digestão das gorduras provenientes da alimentação no estômago com 
a liberação de enzimas chamadas lipases gástricas, onde são degradados em 
compostos menores. Esse processo continua no intestino delgado com a ajuda dos 
sais biliares, que solubilizam as gorduras formando micelas mistas acessíveis à ação 
de lipases pancreáticas, que quebram os triglicerídeos em ácidos graxos menores e 
glicerol, os quais difundem-se para dentro das células na mucosa intestinal. Ali, são 
reconvertidos a triacilgliceróis e empacotados com o colesterol e lipoproteínas para 
serem transportados aos tecidos alvos na forma de quilomícrons que entram no sistema 
linfático e eventualmente chegam à corrente sanguínea (Figura 7).
Os ácidos graxos absorvidos são armazenados no tecido adiposo na forma de 
triacilgliceróis de reserva, agregando-se em gotículas lipídicas, para serem utilizados 
como fonte de energia quando necessário. Os triacilgliceróis têm o maior conteúdo de 
energia entre todos os nutrientes armazenados, fornecendo mais de 38 kJ/g de energia, 
que é cerca de 9 calorias por grama. Isso é maior que a quantidade de energia fornecida 
por carboidratos. 
167
Quando os hormônios sinalizam necessidade de energia, os triacilgliceróis 
armazenados no tecido adiposo são mobilizados. Os níveis baixos de glicose ativam os 
hormônios glucagon (ou outros sinais, ativam a adrenalina), que se liga ao seu receptor 
na membrana do adipócito e estimula a ação de segundos mensageiros para abrir as 
gotículas de lipídios e ativar as lipases hormônio-sensível nos adipócitos, resultando na 
hidrólise de ácidos graxos livres e glicerol. 
Os ácidos graxos saem do tecido adiposo e se ligam à albumina sérica no 
sangue para serem transportados aos tecidos alvos, onde são liberados e oxidados para 
fornecer energia. O glicerol segue outra via, em que será transformado no intermediário 
di-hidroxi-acetona fosfato e pode ser oxidado na via da glicólise. 
A quantidade de energia armazenada no corpo na forma de triacilgliceróis é 
significativa. Estima-se que 15 kg de tecido adiposo sejam suficientes para suprir as 
necessidades energéticas basais por cerca de 12 semanas. As necessidades energéticas 
basais de uma pessoa são a energia necessária para manter as funções corporais 
básicas, como respirar e manter a temperatura corporal.
Figura 7 – O processamento dos lipídeos da dieta em vertebrados
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.668)
168
A digestão e a absorção dos lipídeos da dieta ocorrem no intestino delgado, e os 
ácidos graxos liberados dos triacilgliceróis são empacotados e distribuídos para os 
músculos e o tecido adiposo. Os oito passos são discutidos no texto.
2.2 BETA-OXIDAÇÃO DE ÁCIDOS GRAXOS 
O catabolismo dos ácidos graxos ocorre através da β-oxidação na mitocôndria, 
e é uma via central de produção de energia em muitos órgãos e tecidos, e a principal 
fonte energética do coração e do fígado de mamíferos. O cérebro, que normalmente 
depende da glicose como fonte de energia, pode também utilizar os corpos cetônicos 
que são subprodutos da β-oxidação. 
A entrada de ácidos graxos maiores de 12 carbonos na mitocôndria, que são a 
maioria, ocorre pela ativação do ácido graxo e pelo sistema de transporte carnitina, em 
duas etapas: 
1. A primeira etapa, é a ativação do ácido graxo no citosol pela enzima Acil-CoA 
sintetase, que catalisa a formação de um acil-graxo-CoA ativado com energia da 
clivagem de ATP. 
O acil-graxo-CoA ativado também poderá ser utilizado no citosol para sintetizar 
lipídeos de membrana. 
2. A segunda etapa é o transporte para dentro da mitocôndria pelo sistema de 
transporte carnitina (Figura 8).
Nesse sistema, a enzima carnitina acil-transferase I liga transitoriamente o acil-
graxo à carnitina, liberando CoA no citosol. O produto formado, acil-graxo-carnitina entra 
na matriz da mitocôndria pelo transportador. Na matriz, o grupo acila é transferido pela 
ação da carnitina acil-transferase para outro CoA mitocondrial, e a carnitina é liberada 
para retornar ao citosol pelo mesmo transportador. 
169
Figura 8 – Entrada de ácido graxo na mitocôndria pelo transportador acil-carnitina/carnitina
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.672)
Após a formação da acil-carnitina-graxo na membrana externa ou no espaço 
intermembrana, ela se desloca para a matriz pela difusão facilitada por meio do 
transportador na membrana interna. Na matriz, o grupo acila é transferido para 
a coenzima A mitocondrial, tornando a carnitina livre para retornar ao espaço 
intermembrana pelo mesmo transportador. A aciltransferase I é inibida por malonil-
CoA, o primeiro intermediário na síntese de ácidos graxos (ver Figura 21-2). Essa 
inibição evita a síntese e a degradação simultâneas dos ácidos graxos.
O acil-graxo-CoA na matriz mitocondrial será oxidado pela β-oxidação, sendo 
assim chamado por promover quebra por oxidação do ácido graxo sempre em seu 
carbono β. É uma via cíclica em que a molécula vai diminuindo de tamanho. 
Cada ciclo da β-oxidação de ácidos graxos pares e saturados, com apenas 
ligações simples, possui 4 reações catalisadas por 4 enzimas diferentes. O ciclo ocorre 
a cada 2 carbonos com redução da coenzima NAD+ e FAD. 
Observe o exemplo das 4 etapas da β-oxidação (ou ciclo de Lynen) do palmitoil-
CoA com 16 carbonos: (1) desidrogenação, (2) hidratação, (3) oxidação e (4) tiólise (Figura 9).
170
Figura 9 – A via da β-oxidação
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.673)
Em cada passagem por essa sequência de quatro passos, um resíduo acetil 
(sombreado em cor salmão) é removido na forma de acetil-CoA da extremidade 
carboxílica da cadeia acil graxo – nesse exemplo, o palmitato (C16), que entra como 
palmitoil-CoA. (b)Mais seis passagens pela via produzem mais sete moléculas de 
acetil-CoA, a sétima vinda dos dois últimos átomos de carbono da cadeia de 16 
carbonos. Oito moléculas de acetil-CoA são formadas no total.
1. A etapa (1) é a desidrogenação, com remoção do hidrogênio do acil-CoA produzindo 
uma dupla ligação com configuração trans entre o carbono C2 e C3, para formar 
o trans-Δ2-enoil-CoA (o símbolo Δ2 indica o local da dupla indicação no C2). Essa 
reação é catalisada pela enzima acil-CoA desidrogenase com transferência de 
elétrons para o FAD. 
171
Figura 10 – Produção de ATP durante a oxidação de uma molécula de palmitoil-CoA em CO2 e H2O
Esse FADH reduzido vai entrar na cadeia respiratória, e os elétrons passam para 
O2 com produção de ATP. 
2. A etapa (2) é a hidratação, específica para configuração trans, para desfazer a dupla 
ligação e produzir um estereoisômero L-β-Hidroxiacil-CoA. 
3. Na etapa (3), é a oxidação, formando o β-cetoacil-CoA. Essa reação é catalisada 
pela enzima β-hidroxiacil-CoA desidrogenase, reduzindo o NAD+. Essa enzima é 
específica para o isômero L. 
O NADH segue para o Complexo I da cadeia respiratória.
As etapas 1 a 3 formaram uma ligação menos estável, que será rompida na 
última etapa do ciclo: 
4. Na etapa (4) uma tiólise, a enzima acil-CoA-acetiltransferase (ou tiolase) adiciona 
uma molécula de CoA e forma 2 fragmentos: Acetil-CoA e um R-acil-CoA. 
O R-acil resultante, com menos 2C a cada ciclo, fará mais ciclos de β-oxidação 
até ser totalmente convertido em Acetil-CoA. 
A equação para uma passagem utilizando o exemplo do palmitato, é:
Palmitoil-CoA + CoA + FAD + NAD+ + H2O à Miristoil-CoA + Acetil-CoA + FADH2 + NADH + H+
Assim, cadapassagem no ciclo resulta em: 
• NADH, FADH2 para a fosforilação oxidativa (que serão utilizados para formar 2.5 ATP, 
e 1.5ATP respectivamente). 
• 1Acetil-CoA para o ciclo de Krebs, onde é completamente oxidado a CO2, originando 
3NADH e FADH para a fosforilação oxidativa e GTP.
Sendo assim, os 7 ciclos de degradação de um ácido graxo de 16C, produz 
31NADH, 15FADH2 (para a fosforilação oxidativa, (Figura 10) e 8GTP resultando em 108 
ATP. Porém, retirando-se os 2ATP utilizados para a ativação do ácido graxo, tem-se que 
o ganho líquido por molécula de palmitato são 106 ATP.
Enzima que catalisa o passo de 
oxidação
Quantidade de NADH 
ou FADH2, formado
Quantidade de ATP 
formado no final*
Acil-CoA-desidrogenase 7 FADH2 10,5
β-Hidroxiacil-CoA-desidrogenase 7 NADH 17,5
Isocitrato-desidrogenase 8 NADH 20
a-Cetoglutarato-desidrogenase 8 NADH 20
Succinil-CoA-sintetase 8+
172
Succinato-desidrogenase 8 FADH2 12
Malato-desidrogenase 8 NADH 20
Total 108
*Esses cálculos pressupõem que a fosforilação oxidativa mitocondrial produz 1,5 ATP por FADH, oxidado e 
2,5 ATP por NADH oxidado.
'O GTP produzido diretamente nesse passo produz ATP na reação catalisada pela nucleosídeo-difosfato-
quinase (p. 526).
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.673)
Os ácidos graxos insaturados, com uma ou mais duplas ligações, são a maioria 
dos ácidos graxos no organismo, e suas ligações estão na configuração cis, logo não 
podem receber a hidratação na etapa (2) da β-oxidação. 
Para os ácidos graxos monoinsaturados, como oleoil-CoA (Δ9), quando o ciclo 
chega na dupla ligação, a enzima Δ3-Δ2-enoil-CoA isomerase converte a configuração 
cis em trans. Esse intermediário pode então retornar ao ciclo e completar a β-oxidação.
Para ácidos graxos poli-insaturados com mais de uma ligação dupla, como 
o linoleoil-CoA (Δ9, Δ12), a primeira etapa é similar aos monoinsaturados, e a enzima 
isomerase converte a configuração cis para trans, formando um intermediário que 
reentra no ciclo da β-oxidação. Na segunda dupla ligação, uma enzima redutase 
converte um intermediário que possui a dupla ligação trans-Δ2-cis-Δ4 para trans-Δ3 
oxidando o NAPH. A seguir, uma segunda enzima isomerase converte o intermediário 
com dupla ligação trans-Δ3 em trans-Δ2, e esse reentra o ciclo da β-oxidação. 
A oxidação de um ácido graxo com um número ímpar de carbonos leva à formação 
final de um resíduo de 3 carbonos, o propionil-CoA. Nesses casos, a enzima propionil-
CoA carboxilase, que possui cofator biotina, catalisa uma reação de carboxilação, 
formando um intermediário com 4 carbonos, em uma reação que consome bicarbonato 
e ATP. O intermediário com 4 carbonos sofre epimerização de D para L pela enzima 
epimerase e depois um segundo rearranjo intramolecular catalisado por uma enzima 
mutase para formar succinil-CoA, que poderá entrar no ciclo de Krebs ou será utilizado 
como precursor do grupo heme que está presente principalmente na hemoglobina. 
Os peroxissomos, presentes nas células do fígado e rins, também realizam 
β-oxidação de ácidos graxos, mas apenas os de cadeia muito longa, processo que a 
mitocôndria não é capaz de fazer. 
Nas plantas, toda a β-oxidação ocorre principalmente nos peroxissomos das 
folhas e nos glioxissomos nas sementes e não na mitocôndria. Os peroxissomos e 
glioxissomos são semelhantes em função. Nesses casos, o papel dessa β-oxidação é 
fornecer precursores biossintéticos e não energia. O FADH2 transfere elétrons diretamente 
para o O2. E o NADH e Acetil-CoA são exportados para o citosol. O NADH é regenerado, e o 
Acetil-CoA, utilizado em precursores para gliconeogênese no ciclo do glioxilato.
173
2.3 CETOGÊNESE
Nos mamíferos, o acetil-CoA formado no fígado durante a β-oxidação 
pode entrar no ciclo de Krebs ou ser convertido a corpos cetônicos (o acetoacetato, 
β-hidroxibutirato e acetona). A formação dos corpos cetônicos ocorre na matriz da 
mitocôndria. A enzima tiolase catalisa a condensação de 2 moléculas de acetil-CoA. E, 
reações seguintes das demais enzimas geram o acetoacetato, que produz acetona e 
β-hidroxibutirato. A acetona é exalada, e os demais corpos cetônicos são exportados 
para os tecidos, onde são convertidos em acetil-CoA e oxidados para fornecer energia, 
principalmente em condições de jejum (Figura 11).
As pessoas diabéticas, particularmente diabetes tipo 1, não produzem insulina sufi-
ciente para regular os níveis de açúcar no sangue, levando a uma superprodução de corpos 
cetônicos e uma condição chamada cetoacidose diabética. Os corpos cetônicos são ácidos 
carboxílicos que se ionizam, liberando prótons. No diabetes não controlado, essa produção 
de ácido pode superar a capacidade do sistema tampão bicarbonato do sangue e produzir 
uma redução no pH sanguíneo, chamada de acidose. A combinação de cetose com a aci-
dose, a cetoacidose é uma condição, se não for tratada, potencialmente letal. 
Figura 11 – Regulação da síntese de triacilgliceróis pela insulina
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.849)
A insulina estimula a conversão dos carboidratos e das proteínas da dieta em gordura. 
As pessoas com diabetes melito precisam de insulina ou são insensíveis a ela. Isso 
resulta em diminuição da síntese de ácidos graxos, e a acetil-CoA proveniente do 
catabolismo dos carboidratos e das proteínas é desviada para a produção de corpos 
cetônicos. Pessoas com cetose grave exalam cheiro de acetona, de modo que essa 
condição é, às vezes, confundida com embriaguez.
174
2.4 BIOSSÍNTESE DE ÁCIDOS GRAXOS SATURADOS
Os ácidos graxos são os principais componentes do triacilgliceróis para o 
armazenamento de energia e dos fosfolipídios de membrana. O fígado é o principal 
órgão responsável pela síntese de ácidos graxos que acontece na mitocôndria. O 
processo é endergônico e redutor, usando ATP como fonte de energia metabólica e 
NADPH como agente redutor.
O precursor da síntese de ácidos graxos é o acetil-CoA proveniente da oxidação 
do piruvato e do catabolismo dos esqueletos carbônicos dos aminoácidos. No entanto, 
a membrana da mitocôndria é impermeável ao acetil-CoA, o que significa que este não 
pode passar pela membrana por conta própria. Para chegar ao citosol, a célula usa um 
sistema de transporte chamado de lançadeira (Figura 12).
Nesse sistema, o acetil-CoA reage com o oxaloacetato na mitocôndria, 
produzindo o citrato, uma molécula que pode facilmente ser transportado da mitocôndria 
para o citosol por meio do transportador de citrato. Essa é uma reação catalisada pela 
enzima citrato-sintase que faz parte do ciclo de Krebs. 
Uma vez no citosol, a enzima citrato-liase cliva o citrato, em uma reação 
que consome ATP, para regenerar acetil-CoA e oxaloacetato no citosol, que é então 
convertido em malato, e devolvido à matriz mitocondrial através do transportador de 
malato-α-cetoglutarato. No entanto, a maior parte do malato é convertida em piruvato 
no citosol, produzindo NADPH que é necessário para a biossíntese de ácidos graxos. O 
piruvato é transportado de volta para a mitocôndria através do transportador de piruvato. 
175
Figura 12 – Lançadeira para a transferência de grupos acetil da mitocôndria para o citosol
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.836)
A membrana mitocondrial externa é livremente permeável a todos esses compostos. 
O piruvato derivado do catabolismo dos aminoácidos na matriz mitocondrial ou da 
glicose por glicólise no citosol é convertido em acetil-CoA na matriz. Os grupos acetil 
saem da mitocôndria como citrato; no citosol, eles são liberados na forma de acetil-
CoA para a síntese dos ácidos graxos. O oxaloacetato é reduzido a malato, que pode 
retornar à matriz mitocondrial, onde é convertido em oxaloacetato. O principal destino 
do malato citosólico é a oxidação pela enzima málica, gerando NADPH citosólico; o 
piruvato produzido retorna à matriz mitocondrial.
O ciclo de Krebs permanece ativo na mitocôndria, necessário para fornecer 
energia para os processos de biossíntese. A via das pentoses-fosfato fornece o restante 
de NADPH necessário. 
Nas célulasfotossintéticas dos vegetais, a síntese de ácidos graxos não ocorre 
no citosol, mas no estroma dos cloroplastos. Nas plantas, o malato pode ser convertido 
a piruvato e entrar na mitocôndria, e o NADPH citosólico é reduzido. 
176
A biossíntese e degradação do ácidos-graxos ocorrem por vias diferentes, por 
diferentes enzimas, e em compartimentos diferentes. A biossíntese ocorre no citosol e 
a degradação na mitocôndria. 
A primeira etapa da biossíntese de ácidos-graxos é a formação de malonil-
CoA a partir do precursor Acetil-CoA. Essa reação é catalisada pela enzima acetil-CoA 
carboxilase (ACC) e requer biotina. 
Primeiro, um grupo carboxil derivado do bicarbonato (HCO3–) é transferido para 
a biotina em uma reação dependente de ATP. O grupo biotinila age como transportador 
temporário de CO2, transferindo-o para a acetil-CoA na segunda reação, gerando 
malonil-CoA. Essa primeira etapa deixa a molécula termodinamicamente favorável para 
a biossíntese do ácido-graxo. 
Em seguida, a biossíntese de ácidos-graxos pode então ocorrer através 
uma sequência de reações repetidas, por um sistema de complexo multienzimático, 
denominado ácido-graxo sintase.
O ácido graxo sintase é um grande complexo composto por vários domínios 
diferentes. Esses domínios são sítios de ligação para outras moléculas e são importantes 
para o bom funcionamento da enzima. Um dos componentes desse complexo é a 
proteína transportadora de grupos acila (ACP, do inglês acyl carrier protein), contendo – 
SH e o grupo prostético 4-fosfopanteteína (da vitamina B5). Esse grupo atua como um 
transportador para o grupo acil durante a biossíntese de ácidos graxos.
A biossíntese de ácidos graxos é um processo que ocorre em uma série de 
quatro etapas repetidas: condensação, redução, desidratação e redução. Para iniciar 
esse processo, uma molécula de acetil-CoA é transferida para o grupo -SH do domínio KS 
e uma molécula de malonil-CoA é esterificada ao grupo -SH do domínio ACP. Ambos os 
domínios fazem parte do complexo ácido-graxo sintase. Uma vez que essas moléculas 
estejam no lugar, as reações que levam à biossíntese de ácidos graxos podem ocorrer 
(Figura 13).
• A etapa (1) é a condensação do malonil-CoA com o acetil-CoA, em uma reação 
irreversível e liberando CO2 (o mesmo que formou o malonil).  A cadeia é alongada 
em 2 carbonos. 
• A etapa (2) é a redução do produto, acetoacetil-ACP, por uma enzima redutase, em 
uma reação que consome o NADPH.
• A etapa (3) é a desidratação, formando uma dupla ligação.
• Na etapa (4), a dupla ligação é reduzida (saturada), para formar o butiril-ACP, 
consumindo um outro NADPH.
177
Figura 13 – Adição de dois carbonos a uma cadeia acil graxo em crescimento: uma sequência de quatro 
etapas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.836)
Cada grupo malonila e acetila (ou acilas maiores) é ativado por um tioéster que 
os une à ácido graxo--sintase, um sistema multienzimático descrito no texto. 1 A 
condensação de um grupo acila ativado (um grupo acetil da acetil-CoA é o primeiro 
grupo acila) e dois carbonos derivados da malonil-CoA, com a eliminação de CO2do 
grupo malonila, alonga a cadeia acila em dois carbonos. O mecanismo da primeira 
etapa dessa reação está mostrado para ilustrar o papel da descarboxilação em 
facilitar a condensação. O produto b-cetônico dessa condensação é, então, reduzido 
em três etapas seguintes praticamente idênticas às reações de β-oxidação, mas na 
sequência inversa; 2 o grupo b-cetônico é reduzido a um álcool, 3 a eliminação de 
H2O cria uma ligação dupla, e 4 a ligação dupla é reduzida, formando o grupo acil 
graxo saturado correspondente.
178
O resultado é uma cadeia saturada de 4C, finalizando o primeiro ciclo. Para iniciar 
o próximo ciclo, o domínio ACP é deslocado e liberado para receber mais um malonil-CoA 
e assim dando continuidade ao ciclo para alongar a cadeira em 2C e liberando CO2, para 
formar 6C e, em seguida, 8C, e assim por diante. O produto final é o palmitado de 16C.
O resumo do processo global para formar o palmitato de 16C, são necessários 8 
Acetil-CoA, 7 ATP e 14 NADPH. A equação global é: 
8 Acetil-CoA + 7ATP + 14NADPH + 14H+à Palmitato + 8CoA + 7ADP + 7Pi + 14NADP++ 
6H2O
Essa equação pode ser dividida em duas equações menores, primeiro, o ATP é 
necessário para ligar o CO2 à acetil-CoA para formar as sete moléculas de malonil-CoA: 
7Acetil-CoA + 7CO2 + 7ATP à 7Malonil-CoA + 7ADP + 7Pi
Em seguida, os sete ciclos de condensação e redução, onde as moléculas de 
NADPH são necessárias para reduzir o grupo α-ceto e a ligação dupla, resultando na 
reação: 
Acetil-CoA + 7Malonil-CoA + 14NADPH + 14H+à Palmitato + 7CO2+ 8CoA + 14NADP
++ 
6H2O
O palmitato é o principal produto da biossíntese de ácido-graxo nas células 
animais e o precursor de ácidos de cadeias longa. O processo que se segue de 
alongamento da cadeia ocorre na mitocôndria e no RE liso, com um mecanismo de 
doação de carbono, similar ao da biossíntese de palmitato com as etapas de condensação, 
redução, desidratação e redução.
2.5 BIOSSÍNTESE DE ÁCIDOS GRAXOS INSATURADOS 
A adição de dupla ligação transforma ácidos-graxos saturados em 
monoinsaturados. Essa dupla ligação é introduzida por uma enzima oxidase de função 
mista, pois oxida dois substratos diferentes simultaneamente.  
Nos mamíferos, certos tipos de ácidos graxos chamados ácidos graxos poli-
insaturados de cadeia longa (chamados de PUFA) são criados a partir de ácidos graxos 
essenciais que são obtidos através da dieta. Esses PUFAs são formados através de uma 
série de reações de dessaturação (adição de uma ligação dupla entre dois átomos de 
carbono) e alongamento (adição de dois átomos de carbono).
As plantas são os únicos organismos capazes de sintetizar ácidos graxos 
essenciais. Eles fazem isso adicionando uma segunda ligação dupla em posições 
específicas de carbono, como carbono Δ12 e Δ15, para criar ácido linoléico (ômega 6) e 
179
ácido α-linolênico (ômega 3), respectivamente. Esses ácidos graxos poli-insaturados 
essenciais são os precursores de outros lipídios importantes, como o araquidonato 
(20:4), EPA (20:5) e DHA (22:6). Esses lipídios têm muitas funções biológicas importantes, 
incluindo no desenvolvimento e a função do cérebro e na manutenção da saúde 
cardiovascular (Figura 14).
Figura 14 – Vias de síntese de outros ácidos graxos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.842)
O palmitato é o precursor do estearato e dos ácidos graxos saturados de cadeias 
mais longas, assim como dos ácidos graxos monoinsaturados palmitoleato e oleato. 
Os mamíferos são incapazes de converter oleato em linoleato ou em a-linolenato 
(sombreado em cor salmão), que são, portanto, necessários na dieta como ácidos 
graxos essenciais. A conversão de linoleato em outros ácidos graxos poli-insaturados 
e em eicosanoides está representada nesta figura. Os ácidos graxos insaturados 
são simbolizados pela indicação do número de carbonos e do número e posição de 
ligações duplas.
180
2.6 BIOSSÍNTESE DE TRIACILGLICERÕIS E 
GLICEROFOSFOLIPÍDEOS
Os triacilgliceróis são formados a partir do acil-CoA graxo (ativado) e glicerol-
3-fosfato em diversas etapas biossintéticas. O glicerol-3-fosfato é produzido na via da 
gliceroneogênese a partir de di-hidroxiacetona-fosfato derivado do piruvato.
Os ácidos graxos são combinados com glicerol para formar diacilglicerol-3-
fosfato, mais comumente chamado de ácido fosfatídico. Esta reação é catalisada pela 
enzima glicerol-3-fosfato aciltransferase e é a etapa comprometida da síntese de 
triacilglicerol. Esse intermediário pode ser convertido em uma molécula de triacilglicerol 
(também conhecido como triglicerídeo) ou em um glicerofosfolipídeo. 
A molécula de triacilglicerol resultante é então empacotada em gotículas 
lipídicas e transportada para fora da célula para armazenamento no tecido adiposo.
Os glicerofosfolipídeos são componentes da membrana celular e são essenciais 
para manter sua fluidez e estabilidade.
2.7 METABOLISMO DO COLESTEROL
O colesterol é um componenteessencial das membranas celulares e precursor 
dos hormônios esteroides, ácidos biliares e vitamina D. Pode ser obtido da dieta, dos 
estoques de gordura ou sintetizado pelo organismo, principalmente no fígado e intestino 
delgado. 
A maior parte da síntese do colesterol em vertebrados ocorre no fígado, 
sendo exportado em uma de três formas: ácidos biliares, colesterol biliar ou ésteres de 
colesterila. 
O colesterol é formado a partir do acetil-CoA no citosol em uma série de reações 
complexas com 4 etapas principais (Figura 15):
• A etapa (1) é a condensação de 3 acetatos formando o mevalonato. 
Essa é a principal etapa de regulação do colesterol, com formação de HMG-CoA 
e conversão em mevalonato pela enzima HMG-CoA redutase citosólica com consumo de 
NADPH. Essa enzima é alvo dos fármacos, estatinas, que inibem a síntese de colesterol 
para o tratamento das doenças da hipercolesterolemia e prevenção da aterosclerose. O 
mais conhecido deles é a atorvastatina. 
• A etapa (2) é a conversão do mevalonato em unidades de isoprenos ativados, com 
consumo de ATP. Os isoprenos podem também ser precursores de outros lipídios. 
181
• A etapa (3) é a polimerização dos isoprenos para formar o esqualeno linear. E 
consome NADPH.
• A etapa (4) é a ciclização do esqualeno, consumindo NADPH para formar uma 
estrutura de anéis para produção do colesterol, que são 4 anéis fundidos. 
Figura 15 – Os quatro estágios são discutidos no texto
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.860)
As unidades isoprenoides no esqualeno estão demarcadas pelas linhas tracejadas 
em cor-de-rosa.
A molécula de colesterol possui uma pequena cabeça polar (presença de -OH), 
resultando em uma molécula anfipática e permitindo a interação com os lipídios e água. 
O colesterol é essencial para a integridade da membrana plasmática. Ele 
preenche os espaços vazios entre as moléculas vizinhas de fosfolipídios insaturados, 
tornando, dessa forma, a membrana mais rígida (modulação da fluidez) e menos 
permeável. 
182
Os hormônios derivados do colesterol possuem uma estrutura similar, porém 
com funções muito distintas. Os hormônios corticoides afetam o metabolismo e o 
sistema imune. A testosterona e estradiol agem nas características sexuais. E os 
hormônios mineralocorticoides regulam a absorção e excreção de sais minerais. 
A bile é um fluido produzido pelo fígado que contém ácidos biliares e seus 
sais. Os ácidos biliares são derivados do colesterol, mas possuem um número maior de 
grupos hidroxila. A bile é armazenada na vesícula biliar e liberada no intestino delgado 
quando necessário. Os sais biliares são moléculas anfipáticas, pois possuem regiões 
hidrofóbicas e hidrofílicas. Eles agem como um detergente, quebrando os agregados de 
gordura em gotículas menores chamadas micelas, mais acessíveis à ação de enzimas 
pancreáticas chamadas lipases que quebram os triacilgliceróis.
Quando a gordura dietética é consumida, os sais biliares a emulsificam, para 
dispersar os triacilgliceróis, que são degradados pelas lipases secretadas do pâncreas 
no intestino. Os ácidos graxos produzidos por essa etapa se difundem pelas membranas 
das células intestinais e são reesterificados com glicerol para serem empacotados 
com quilomícrons, transportados para os tecidos-alvo por meio do sistema linfático 
e, eventualmente, atingem a corrente sanguínea. Esses ácidos graxos são absorvidos 
principalmente pelo fígado, músculo e tecido adiposo.
Algumas fibras alimentares, como a aveia, podem ajudar a diminuir o colesterol, 
ligando-se aos sais biliares e evitando que sejam reabsorvidos pelo organismo, 
favorecendo sua eliminação.
2.8 LIPOPROTEÍNAS
O colesterol, seus ésteres e outros lipídios são insolúveis em água e, portanto, 
são transportados pelas lipoproteínas plasmáticas. 
As lipoproteínas formam diversos compostos esféricos, com os lipídios 
hidrofóbicos no centro e as cadeias laterais dos aminoácidos na superfície (Figura 
16). Esses complexos podem ser separados por ultracentrifugação e visualizados por 
microscopia eletrônica. São comumente agrupados em classes: 
• Quilomícrons e partículas remanescentes de quilomícrons. 
• VLDL – lipoproteínas de densidade muito baixa (Very-Low Density Lipoproteins) e 
lipoproteínas de densidade intermediária (IDL). 
• LDL – lipoproteínas de baixa densidade (Low Density Lipoproteins). 
• HDL – lipoproteínas de alta densidade (High Density lipoproteins).
183
Figura 16 – Lipoproteínas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p. 865)
(a) Estrutura de uma lipoproteína de baixa densidade (LDL). A apolipoproteína 
B-100 (apoB-100) é uma das maiores cadeias polipeptídicas conhecidas, com 4.636 
resíduos de aminoácidos (Mr512.000). Uma partícula de LDL contém um núcleo com 
aproximadamente 1.500 moléculas de ésteres de colesterila, envolvido por uma 
camada de cerca de 500 moléculas de colesterol, 800 moléculas de fosfolipídeos 
e uma molécula de apoB-100. (b) Quatro classes de lipoproteínas, visualizadas ao 
microscópio eletrônico após coloração negativa. No sentido horário, a partir da parte 
superior à esquerda: quilomícrons, 50 a 200 nm de diâmetro; VLDL, 28 a 70 nm; 
HDL, 8 a 11 nm; LDL, 20 a 25 nm. Os tamanhos mostrados das partículas são aqueles 
medidos para essas amostras; os tamanhos das partículas variam consideravelmente 
em diferentes preparações.
Os quilomícrons são grandes lipoproteínas compostas por triacilgliceróis, 
colesterol, fosfolipídio e apolipoproteína (o termo apo designa a proteína livre sem o 
lipídio). Os quilomícrons depletados de seus triacilgliceróis são absorvidos pelo fígado 
por endocitose. 
As lipoproteínas VLDL transportam lipídios sintetizados ou empacotados no 
fígado e distribuídos aos tecidos periféricos. Com a ativação das lipases e perda dos 
triacilgliceróis, as VLDL vão diminuindo de tamanho, transformando-se em IDL e LDL. 
As LDL são ricas em colesterol, e sua principal apolipoproteína é a ApoB-100, 
que se liga aos receptores de LDL extra-hepáticos para receber o colesterol. A LDL que 
não foi captada por esses tecidos retorna ao fígado para ser reesterificada ou convertida 
a sais biliares. A LDL alta no sangue indica um acúmulo de colesterol. 
184
O transporte reverso de colesterol, ou seja, o excesso de colesterol no sangue 
e nos tecidos extra-hepáticos é transportado de volta para o fígado pela HDL. O HDL 
possui uma enzima que esterifica o colesterol, tornando-o mais insolúvel e inacessível 
dentro da partícula de HDL, diferente do colesterol transportado pela LDL. O HDL alto no 
sangue indica um bom metabolismo de reabsorção do colesterol.
As apolipoproteínas interagem com receptores na superfície das células-alvo 
e regulam o transporte, redistribuição e absorção de lipídios entre diferentes tecidos, 
ativando lipases para a degradação dos triacilgliceróis (Figura 17). 
A hipercolesterolemia pode ser causada por problemas de reabsorção do 
colesterol através de mutações em receptores específicos para LDL (hipercolesterolemia 
familiar) ou em dietas ricas em gorduras e ácidos graxos, que saturam e inibem a 
reabsorção de LDL no fígado. 
O colesterol em excesso no sangue proveniente da dieta ou sintetizado pode 
estar associado à condição de aterosclerose, formando acúmulo de colesterol (placas) 
que pode obstruir os vasos sanguíneos, levando à falência cardíaca. 
Figura 17 – Lipoproteínas e transporte dos lipídeos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.867)
185
Figura 18 – Regulação coordenada da síntese e da degradação dos ácidos graxos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.673).
Os lipídeos são transportados na corrente sanguínea como lipoproteínas, 
existentes em diversas formas variantes, cada uma com diferentes funções e com 
composições lipídica e proteica distintas, portanto, com densidades diferentes. As 
etapas numeradas estão descritas no texto. Na via exógena (setas azuis), os lipídeos 
da dieta são empacotados em quilomícrons; a maior parte do seu conteúdo em 
triacilgliceróis é liberada pela lipase lipoproteica nos tecidos adiposo e muscular,durante o transporte ao longo dos capilares. Os quilomícrons remanescentes 
(contendo na maior parte pro-teínas e colesterol) são captados pelo fígado. Os sais 
biliares produzidos no fígado auxiliam na dispersão das gorduras da dieta e são, 
então, reabsorvidos na via êntero-hepática (setas verdes). Na via endógena (setas 
vermelhas), os lipídeos sintetizados ou empacotados no fígado são distribuídos aos 
tecidos periféricos pela VLDL. A extração dos lipídeos da VLDL (acompanhada pela 
perda de parte das apolipoproteínas) converte, gradualmente, parte da VLDL em LDL, 
que transporta o colesterol para os tecidos extra-hepáticos ou de volta para o fígado. O 
fígado capta LDL, remanescentes de VLDL (chamadas de lipoproteínas de densidade 
intermediária, ou IDLs) e os remanescentes de quilomícrons por endocitose mediada 
por receptor. O excesso de colesterol nos tecidos extra-hepáticos é transportado 
de volta ao fígado como HDL pelo transporte reverso do colesterol (setas roxas). C 
representa colesterol; EC representa ésteres de colesterila.
2.9 REGULAÇÃO METABOLISMOS DE LIPÍDIOS 
O nível energético corporal determina a síntese ou degradação de ácidos-
graxos nas células por ação hormonal (Figura 18).
186
Quando a dieta disponibiliza uma fonte imediata de carboidratos como combustível, 
a β-oxidação dos ácidos graxos é desnecessária, sendo, portanto, desativada. Duas 
enzimas são essenciais na coordenação do metabolismo dos ácidos graxos: a acetil-
-CoA-carboxilase (ACC), primeira enzima na síntese dos ácidos graxos, e a carnitina-
--aciltransferase I, que limita o transporte de ácidos graxos para dentro da ma-
triz mitocondrial para a β-oxidação. A ingestão de uma refeição rica em carboidratos 
aumenta o nível de glicose no sangue e, portanto, 1 ativa a liberação de insulina. 2 A 
proteína-fosfatase dependente de insulina desfosforila a ACC, ativando-a. 3 A ACC 
catalisa a formação de malonil-CoA (o primeiro intermediário da síntese de ácidos 
graxos), e 4 o malonil-CoA inibe a carnitina-aciltransferase I, impedindo assim a en-
trada de ácidos graxos na matriz mitocondrial. Quando baixam os níveis de glicose 
no sangue, entre as refeições, 5 a liberação de glucagon ativa a proteína-cinase de-
pendente de cAMP (PKA), que 6 fosforila e inativa a ACC. Com a baixa concentração 
de malonil-CoA, a inibição da entrada de ácidos graxos na mitocôndria é aliviada, 
e 7 os ácidos graxos entram na matriz mitocondrial e 8 tornam-se o principal com-
bustível. Como o glucagon também ativa a mobilização de ácidos graxos no tecido 
adiposo, um suprimento de ácidos graxos começa a chegar ao sangue.
Nos mamíferos, a produção de colesterol é regulada (Figura 19). A diminuição 
dos níveis de ATP está associada com o aumento nos níveis de AMP, ativando as cinase 
AMPK e a fosforilação (e inativação) da enzima HMG-CoA redutase, comprometida, na 
síntese de colesterol. 
O glucagon também estimula a fosforilação e inativação da HMG-CoA redutase, 
enquanto a insulina ativa a enzima por desfosforilação, favorecendo a síntese do 
colesterol. 
Oxiesteróis metabólitos de colesterol, inibem a HMG-CoA redutase por estimular 
a proteólise da enzima. 
A síntese e degradação da enzima HMG-CoA redutase são reguladas a longo 
prazo em resposta às concentrações de colesterol. Os elementos reguladores de esterol 
são proteínas que atuam como sensores na célula e, quando necessário, ativam genes-
alvos do metabolismo do colesterol e outros lipídios.
187
Figura 19 – A regulação da formação de colesterol equilibra a sua síntese com a captação a partir da 
alimentação e o estado energético
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.673)
A insulina promove a desfosforilação (ativação) da HMG-CoA redutase; glucagon 
promove sua fosforilação (inativação); e a proteína cinase dependente de AMP, 
AMPK, quando ativada por baixa [ATP] em relação a [AMP], a fosforila inativando-a. 
Oxiesteróis metabólitos de colesterol (p. ex., 24(S)-hidroxicolesterol) estimula a 
proteólise da HMG-CoA redutase.
3 METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS
Os aminoácidos são os monômeros constituintes das proteínas e desempenham 
papéis importantes em vários processos fisiológicos do corpo. O metabolismo dos 
aminoácidos é um processo complexo que envolve vários mecanismos, incluindo 
digestão de proteínas, transporte, desaminação, excreção de nitrogênio e ciclo da ureia 
e síntese.
Durante a digestão, as enzimas no estômago e no intestino delgado quebram 
as proteínas em aminoácidos individuais. Esses aminoácidos são então transportados 
através da parede intestinal e para a corrente sanguínea, onde são distribuídos para 
vários tecidos e órgãos por todo o corpo. Alguns dos aminoácidos são usados para 
sintetizar novas proteínas, que são essenciais para o crescimento, reparo e manutenção 
de várias estruturas e funções do corpo. 
Existem certas condições metabólicas nos animais que resultam na desaminação 
dos aminoácidos. Este processo envolve a remoção do grupo amino do aminoácido que 
contém nitrogênio. O nitrogênio é excretado pelo corpo no ciclo da ureia, enquanto o 
188
restante do esqueleto de carbono é convertido em outras moléculas ou utilizados para 
a produção de energia, seja por serem convertidos em glicose ou por serem utilizados 
no ciclo de Krebs para produzir energia na forma de ATP.
Os organismos variam muito em sua capacidade de sintetizar os 20 aminoácidos 
comuns, enquanto a maior parte das bactérias e plantas pode sintetizar todos eles, 
os mamíferos sintetizam apenas cerca de metade deles, tendo que obter o restante 
através da dieta. Esses aminoácidos são chamados de essenciais.
3.1 DIGESTÃO DE PROTEÍNAS 
Nos seres humanos, as proteínas da dieta são digeridas pelas enzimas proteases. 
Este processo é realizado por um grupo de enzimas chamadas proteases. A maioria das 
proteases é sintetizada em uma forma inativa conhecida como zimogênios, o que as 
impede de digerir as próprias proteínas do corpo antes de chegarem ao seu destino. 
Uma vez que as proteínas atingem o estômago, a acidez do suco gástrico (pH 
1,0 a 2,5) desempenha um papel tanto na morte de células e bactérias estranhas quanto 
na desnaturação das proteínas, tornando suas ligações peptídicas mais vulneráveis à 
hidrólise enzimática. A principal enzima protease do estomago é a pepsina, que inicia 
o processo de quebra das proteínas em cadeias peptídicas menores. As proteínas par-
cialmente digeridas chegam ao intestino delgado, e são degradadas por um grupo de 
proteases chamadas tripsina, quimiotripsina e carboxipeptidases. Essas enzimas que-
bram as ligações peptídicas entre os aminoácidos, liberando os aminoácidos individuais.
As proteases produzem os aminoácidos livres, que são absorvidos no intestino 
e transportados até o fígado. O fígado desempenha um papel importante na regulação 
dos níveis de aminoácidos no corpo, pois pode armazená-los ou metabolizá-los 
conforme necessário.
As vias do catabolismo de aminoácidos são bastante semelhantes na maioria 
dos organismos. 
Em animais, os aminoácidos sofrem oxidação em 3 circunstâncias metabólicas:
 
• Durante a dinâmica normal de síntese e degradação das proteínas no organismo 
(meia-vida das proteínas, alvos da via ubiquitina-proteossoma). 
• Quando há excesso de aminoácidos na dieta, pois os aminoácidos não são 
armazenados, e a massa muscular é ativada apenas por sinais específicos.
• Nas situações de faltas de carboidratos ou em que as reservas de energia já foram 
consumidas, como no jejum ou diabetes mellitus não controlado, quando as 
proteínas teciduais serão utilizadas como combustível.
189
3.2 TRANSAMINAÇÃO E DESAMINAÇÃO 
O catabolismo da maioria dos L-aminoácidos ocorre principalmente no fígado. 
Este processo envolve a eliminação do grupo amina, também conhecido como 
desaminação, bem como a excreção do grupo amina para o ciclo da ureia e conversão 
do esqueleto de carbono em compostos intermediários que podem ser utilizados para 
diversas vias metabólicas e por isso chamados de intermediáriosanfibólicos.
A enzima chave envolvida neste processo é a aminotransferase ou transaminase, 
que remove e transfere o grupo amino (NH3+) dos aminoácidos. Essas enzimas 
requerem um cofator chamado fosfato de piridoxal (PLP), que é derivado da vitamina B6. 
O PLP forma um intermediário com o grupo amino através de um mecanismo chamado 
mecanismo de "pingue-pongue" (Figura 20).
Figura 20 – Transaminações catalisadas por enzimas. Em muitas reações de aminotransferases, o 
a-cetoglutarato é o aceptor do grupo amino
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.867)
Todas as aminotransferases necessitam de piridoxal-fosfato (PLP) como cofator. 
Embora a reação esteja mostrada aqui no sentido da transferência do grupo amino 
para o a-cetoglutarato, ela é facilmente reversível.
Na maioria dos casos, o aceptor do grupo amino é o α-cetoglutarato, que forma 
glutamato e um α-cetoácido como resultado da reação. Este processo é importante 
para o bom funcionamento do corpo, pois permite que o fígado regule os níveis de 
aminoácidos no corpo e forneça os intermediários necessários para várias vias 
metabólicas. O glutamato é o doador do grupo amino para as vias de biossíntese ou 
para as vias de excreção nitrogenada.  
190
O grupo amino NH3
+ (amônia) se converte em NH4
+ (íon amônio) em pH fisiológico. 
Alguns aminoácidos são desaminados por reações especiais. Mas também convergem 
para formar NH4
+ e glutamato.  
O glutamato formado segue dois caminhos importantes: (1) uma desaminação 
oxidativa ou (2) uma nova transaminação. Com o objetivo de canalizar o nitrogênio da 
maioria dos aminoácidos para NH4
+ e aspartato.  
• A desaminação acontece no fígado, o glutamato é transportado do citosol para a 
mitocôndria, onde sofre desaminação oxidativa (libera o seu grupo amino), catalisada 
pela enzima glutamato-desidrogenase, doando H+ para NAD+ ou NADP. O produto 
dessa reação reversível é o α-cetoglutarato, que pode ser utilizado no ciclo de Krebs 
e/ou no ciclo da ureia.  
A enzima glutamato-desidrogenase é uma enzima alostérica e sofre regulação 
do ATP que age como modulador positivo e do GTP, como modulador negativo. 
• Na transaminação reversível, o grupo amino do glutamato é transferido para o 
oxaloacetato para formar a-cetoglutarato e o aspartato por ação da enzima aspartato 
aminotransferases (AST). O aspartato será um segundo doador de nitrogênio no 
ciclo da ureia.  
A aspartato aminotransferase é a mais ativa aminotransferase dos mamíferos, 
evidenciando a importância dessa reação. 
A amônia livre produzida nos tecidos, incluindo o cérebro, a NH4
+ livre, combina-
se com glutamato pela ação da enzima glutamina-sintase, com consumo de ATP, 
formando a L-glutamina. Essa glutamina serve como fonte de grupo amino para a 
biossíntese e como transportadora de amônia para o fígado ou rins. É uma forma de 
transporte não tóxico para amônia que esta normalmente presente no sangue em 
concentrações muito maiores que os demais aminoácidos. Nos tecidos alvos, a enzima 
glutaminase converte glutamina em glutamato e amônia. 
No músculo, quando há necessidade de combustível, o glutamato pode ser 
catalisado pela enzima alanina-aminotransferase (ALT), que transfere o grupo amino 
do glutamato para o piruvato, formando o aminoácido alanina. A alanina funciona como 
um transportador da amônia e do esqueleto carbônico do piruvato desde o músculo 
até o fígado. No fígado, a alanina é catalisada, transferindo o grupo amino para o 
α-cetoglutarato, formando o piruvato e o glutamato. O piruvato é utilizado para produzir 
glicose, que é então devolvida para ser combustível no músculo no ciclo da glicose-
alanina. O músculo e o cérebro não fazem a gliconeogênese.     
191
Figura 21 – O ciclo da glicose-alanina
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.867)
A alanina funciona como transportadora de amônia e do esqueleto de carbono do 
piruvato do músculo esquelético até o fígado. A amônia é excretada, e o piruvato é 
utilizado para produzir glicose, que é devolvida ao músculo.
As enzimas transaminases (ALT, AST) são intracelulares, e, portanto, a presença 
dessas enzimas no sangue está relacionada à lesão tecidual, principalmente no fígado, 
que é rico em transaminases. Podem estar aumentadas no sangue, como na hepatite 
infecciosa e tóxica, cirrose e no exercício físico intenso. 
3.3 EXCREÇÃO DE NITROGÊNIO E CICLO DA UREIA  
 
O ciclo da ureia é o processo pelo qual o nitrogênio é removido dos aminoácidos 
e excretado na forma de ureia. O ciclo converte a amônia, um subproduto tóxico do 
metabolismo das proteínas, em uréia, que é menos tóxica e pode ser excretada na urina. 
Esse processo é essencial para manter o equilíbrio de nitrogênio no corpo e prevenir o 
acúmulo de níveis nocivos de amônia. Peixes e anfíbios excretam amônia diretamente 
através de suas brânquias, e pássaros e répteis excretam resíduos nitrogenados como 
ácido úrico. 
192
A maior parte dos animais terrestre secreta amônia na forma de ureia, os répteis 
e aves, na forma de ácido úrico, e os peixes excretam amônia livre, que é diluída na 
água do ambiente. As plantas quase nunca utilizam aminoácidos para obter energia, 
e geralmente reciclam todos os grupos aminos, não fazendo a excreção nitrogenada. 
O ciclo da ureia acontece no fígado e envolve cinco etapas que ocorrem nas 
mitocôndrias e no citosol. 
1. A amônia, proveniente de várias fontes, forma, na mitocôndria, o carbamoil-fosfato, 
pela enzima carbamoil-fosfato-sintase I. Essa reação utiliza o nitrogênio da amônia, 
o carbono do bicarbonato e consome 2ATP. Essa enzima sofre regulação. 
2. O carbamoil-fosfato entra no ciclo da ureia e condensa-se a uma molécula de 
ornitina, formando a citrulina. 
3. A citrulina é transportada para o citosol, onde seu grupo carbonila é condensado 
com um segundo grupo amino do aspartato, formando a arginina-succinato, com 
consumo de 1ATP; 
4. Uma enzima liase quebra a arginina-succinato, liberando uma molécula de fumarato 
e um aminoácido, a arginina. Essa é a única reação reversível do ciclo.
5. O fumarato é convertido em uma ação reversível a malato e entra na mitocôndria 
para unir-se aos intermediários do ciclo de Krebs. A arginina é hidrolisada produzindo 
a ureia e regenerando a ornitina. A ornitina retorna à mitocôndria, de volta ao ciclo 
da ureia. 
Na equação geral, a ureia é produzida a parti do NH4
+, aspartato e HCO3
-, com 
consumo de 3ATP. 
NH4
++ HCO3
- + 3ATP4- + H2O à Ureia + 2ADP
3- + 4Pi2- + AMP2- + 2H+
Contudo, a interconvenção entre o ciclo da ureia e o ciclo de Krebs (ou ciclo do 
ácido cítrico), conhecida como “bicicleta de krebs”, reduz o custo energético geral da 
produção da ureia. A lançadeira malato-desidrogenase produz 1NADPH na mitocôndria 
(que forma 2.5ATP na fosforilação oxidativa) (Figura 22).
A conversão da amônia em ureia é fundamental para manter os níveis desse 
íon baixos em mamíferos. Não há outra via metabólica para eliminar o NH4
+. O fígado é 
o único órgão que processa e elimina o excesso de amônia formado no organismo. A 
amônia é convertida em ureia e atinge a circulação, chegando aos rins, onde é excretada 
na urina. A ureia dá a cor amarelada e o cheiro da urina. 
Como a amônia livre é tóxica, os defeitos no ciclo da ureia podem causar 
acúmulos de amônia ou intermediários, bem como mudanças no pH celular, causando 
doenças. No entanto, seres humanos precisam manter uma dieta com proteínas, pois 
alguns aminoácidos são essenciais e não são sintetizados pelo corpo humano.  
193
Na regulação, a primeira enzima do ciclo da ureia, a carbamoil-fosfato-sintetase 
I, é alostérica e estimulada pelo N-acetilglutamato, sintetizado a partir de condensação 
de acetil-CoA e glutamato pela enzima N-acetilglutamato sintase, que, por sua vez, 
é ativada pela arginina. A concentração desses intermediários é determinante para a 
ativação dessas enzimas. 
A expressão gênica a longo prazo regula a síntese das enzimas do ciclo da ureia 
e da carbamoil-fosfato-sintetase I em condições dependentes da dieta. 
Figura22 – Vínculos entre o ciclo da ureia e o ciclo do ácido cítrico
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.867)
Esses dois ciclos interconectados têm sido denominados “bicicleta de Krebs”. As vias 
que unem o ciclo do ácido cítrico ao ciclo da ureia são conhecidas como lançadeira 
do aspartato-arginino-succinato; elas unem efetivamente os destinos dos grupos 
amino e dos esqueletos de carbono dos aminoácidos. As interconexões são bastante 
elaboradas. Por exemplo, algumas enzimas do ciclo do ácido cítrico, como a fumarase 
e a malato--desidrogenase, apresentam isoenzimas citosólicas e mitocondriais. O 
fumarato produzido no citosol, seja no ciclo da ureia, na biossíntese de purinas ou 
em outros processos, pode ser convertido em malato citosólico, utilizado no citosol 
ou transportado para a mitocôndria para entrar no ciclo do ácido cítrico. Esses 
processos são ainda interligados com a lançadeira do malato-aspartato, conjunto 
194
de reações que traz equivalentes redutores para a mitocôndria (ver também Figura 
19-31). Esses diferentes ciclos ou processos contam com um número limitado de 
transportadores na membrana mitocondrial interna.
A avaliação do metabolismo de proteínas pode ser feita pelo balanço de nitrogênio, 
que consiste na quantidade de nitrogênio ingerido menos a quantidade de nitrogênio 
excretado, ou seja, equivale a quanto nitrogênio está sendo incorporado no corpo. Em 
indivíduos adultos saudáveis, o balanço de nitrogênio está em equilíbrio. O balanço é 
negativo durante o jejum, diabetes mellitus não controlado, dieta sem carboidratos ou 
sem proteínas. Já durante o crescimento, em crianças lactantes, gestantes ou ainda em 
situações de desenvolvimento muscular e neoplasias, o balanço é positivo.  
Uma vez que o grupo amino é removido do aminoácido, o esqueleto de carbono 
resultante está na forma de α-cetoácido. Esses produtos podem então ser direcionados 
para a gliconeogênese, que é o processo de geração de glicose a partir de fontes que 
não sejam carboidratos, ou para a cetogênese, que é o processo de geração de corpos 
cetônicos no fígado. Os esqueletos de carbono de certos aminoácidos, como leucina, 
lisina e fenilalanina, só podem ser convertidos em corpos cetônicos e são chamados de 
aminoácidos cetogênicos. Os aminoácidos restantes, como alanina e aspartato, podem 
ser convertidos em glicose e glicogênio e são chamados de aminoácidos glicogênicos. No 
geral, a via de catabolismo de aminoácidos é uma fonte relativamente menor de produção 
de energia no corpo humano. Normalmente representa apenas 10 a 15% da energia usada 
pelo corpo, enquanto a glicólise e a oxidação de ácidos graxos são muito mais ativas.
Os aminoácidos de cadeia ramificada (leucina, isoleucina, valina) não são 
degradados no fígado. Eles sofrem transaminação e descarboxilação oxidativa por 
enzimas específicas no tecido periférico.  
Diversas doenças humanas graves são causadas por defeitos genéticos nas 
enzimas do catabolismo dos aminoácidos.  A fenilcetonúria é uma doença genética com 
deficiência na enzima fenilalanina hidroxilase, a primeira enzima do metabolismo da 
fenilalanina para ser convertida em tirosina. A deficiência desta enzima causa o acúmulo 
de fenilalanina no sangue ou nos tecidos, causando toxidade e retardo mental no cérebro. 
O teste do pezinho diagnostica a doença, e o tratamento é a restrição da fenilalanina. 
3.4 BIOSSÍNTESE DE AMINOÁCIDOS 
A biossíntese de aminoácidos é o processo de produção de aminoácidos 
necessários para a formação de proteínas a partir de intermediários obtidos da glicólise, 
do ciclo de Krebs ou da via das pentoses fosfato (Figura 23). Essas vias estão descritas 
no Tema de aprendizagem 3. 
195
Os aminoácidos são classificados em três grupos: aminoácidos não essenciais; 
aminoácidos essenciais; e, aminoácidos condicionais. 
Os aminoácidos não essenciais são sintetizados pelo corpo. Os aminoácidos 
não essenciais incluem: alanina, arginina, asparagina, ácido aspártico, cisteína, ácido 
glutâmico, glutamina, glicina, prolina, serina e tirosina.
Os aminoácidos essenciais não podem ser sintetizados pelo corpo. Como 
resultado, eles devem ser obtidos dos alimentos. Os 9 aminoácidos essenciais são: 
histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofano e valina.
Os aminoácidos condicionais geralmente não são essenciais, exceto em 
condições de doença e estresse. Os aminoácidos condicionais incluem: arginina, 
cisteína, glutamina, tirosina, glicina, ornitina, prolina e serina.
Algumas vias biossintéticas de aminoácidos são simples, enquanto outras 
são mais complexas. A biossíntese desses aminoácidos é regulada por mecanismos 
alostéricos, com a enzima reguladora tipicamente localizada no início da via. As vias 
para diferentes aminoácidos também estão interligadas e coordenam a regulação.
Um exemplo de uma via simples é a formação aminoácidos não essenciais como 
o glutamato por aminação redutiva de α-cetoglutarato, que serve como precursor de 
glutamina, prolina e arginina. A alanina e o aspartato são formados a partir do piruvato 
e oxaloacetato, respectivamente, por transaminação, enquanto a cadeia carbônica 
da serina é derivada do 3-fosfoglicerato e serve como precursora da glicina. Nos 
microrganismos, a cisteína é produzida a partir de serina e sulfeto, obtidos do meio 
ambiente. Nos mamíferos, a cisteína é produzida a partir da metionina e da serina por 
uma série de reações.
A biossíntese de aminoácidos essenciais é um processo muito mais complexo 
que envolve várias etapas e vias. Aminoácidos aromáticos, como fenilalanina, tirosina e 
triptofano, são produzidos por meio de vias que envolvem intermediários importantes, 
como corismato e fosforibosil-pirofosfato. A via da histidina está conectada com a 
via de síntese de purina. A tirosina também pode ser produzida pela hidroxilação da 
fenilalanina, o que a torna um aminoácido condicionalmente essencial.
196
Figura 23 – Visão geral da biossíntese de aminoácidos
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.867)
Os precursores dos esqueletos de carbono são obtidos a partir de três fontes: a 
glicólise (cor salmão), o ciclo do ácido cítrico (azul) e a via das pentoses-fosfato (roxo).
Muitas biomoléculas importantes são derivadas de aminoácidos. Por exemplo, 
a glicina é um precursor das porfirinas e a degradação do heme produz bilirrubina, 
um precursor dos pigmentos biliares com várias funções fisiológicas. A creatina e a 
fosfocreatina, uma molécula de armazenamento de energia, são derivadas da glicina 
e da arginina. A glutationa, formada a partir de três aminoácidos, é um importante 
antioxidante nas células. Além disso, as bactérias podem sintetizar D-aminoácidos a 
partir de L-aminoácidos por meio de reações de racemização que requerem piridoxal-
fosfato, que são comumente encontrados em certas paredes bacterianas e em alguns 
antibióticos. 
Os aminoácidos aromáticos também são precursores de várias substâncias nas 
plantas. Alguns aminoácidos, quando descarboxilados por meio de reações dependentes 
de PLP, produzem importantes aminas biológicas, incluindo neurotransmissores. Além 
disso, a arginina é um precursor do óxido nítrico, um mensageiro biológico.
197
4 METABOLISMO DE NUCLEOTÍDEOS 
Os nucleotídeos purina e pirimidina são os constituintes dos ácidos nucléicos, 
servindo como substratos para a biossíntese de DNA e RNA. São também utilizados 
como moeda de energia na forma de ATP e GTP, e atuam como derivados de coenzimas 
como NAD, NADP e FAD. Além disso, derivados cíclicos de nucleotídeos de purina, 
como cAMP e cGMP, desempenham um papel na regulação do metabolismo. Sem os 
nucleotídeos, processos importantes como a biossíntese de proteínas, a replicação do 
material genético e a divisão celular não seriam possíveis.
Os nucleotídeos são sintetizados por duas vias principais: as vias de novo e as 
vias de salvação. A síntese de novo de nucleotídeos de purina e pirimidina inicia partir 
de precursores simples: aminoácidos, ribose-5-fosfato, CO2 e NH3em um processo 
comum a quase todos os organismos. As vias de salvação, por outro lado, permitem que 
os organismos reciclem compostos de purina e pirimidina obtidos através da dieta ou 
liberados a partir da degradação de ácidos nucleicos.
Células que proliferam rapidamente, como células cancerígenas ou bactérias 
infecciosas, requerem quantidades maiores de nucleotídeos para sintetizar DNA e RNA. 
Essa demanda aumentada torna as vias de biossíntese de nucleotídeos alvos atraentes 
para o controle dessas células por meio do uso de antibióticos e drogas anticancerígenas 
que inibem a biossíntese de nucleotídeos purina ou pirimidina.
4.1 BIOSSINTESE DE NUCLEOTIDEOS 
 
As vias de novo para a síntese de pirimidina e purina compartilham vários 
precursores importantes, sendo o principal o fosforribosil-pirofosfato (PRPP). Outro 
precursor importante é o aminoácido glicina para purinas e aspartato para pirimidinas. 
A glutamina é a principal fonte de grupos amina em cinco etapas diferentes das vias 
de novo. O aspartato também é utilizado como fonte de um grupo amino em duas das 
etapas das vias das purinas.
Os nucleotídeos de purina adenosina 5-monofosfato (AMP) e guanosina 5-mo-
nofosfato (GMP) contêm adenina e guanina como suas bases purinas, respectivamen-
te. O anel purínico dos nucleotídeos é formado pela combinação de vários compostos, 
incluindo aspartato, formiato, glutamina, glicina e CO2. As purinas não são sintetizadas 
como bases independentes, mas são formadas como ribonucleotídeos, que são cons-
truídos sobre uma ribose 5-fosfato pré-existente (Figura 24). 
198
Figura 24 – Origem dos átomos no anel das purinas
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.912)
Essa informação foi obtida a partir de experimentos utilizando isótopos, com 
precursores marcados com 14C ou 15N. O formato é obtido na forma de N10-
formiltetra--hidrofolato.
O sistema de anel purina é sintetizado passo a passo pela reação de 11 enzimas, 
começando com a formação de 5-fosforribosilamina. O primeiro passo é a formação 
do anel imidazólico. Nas etapas seguintes, o segundo anel é formado e o produto final 
dessa via é o inosinato (IMP). O inosinato é então transformado em adenilato (AMP) pela 
adição de um grupo amino derivado do aspartato, e em guanilato (GMP) pela adição 
de um grupo amino derivado da glutamina, através de um mecanismo de oxidação 
dependente de NAD+.
Os ribonucleotídeos de pirimidina são citidina 5-monofosfato (CMP; citidilato) e 
uridina 5-monofosfato (UMP; uridilato) que contêm citosina e uracil, respectivamente, 
como bases de pirimidina. A biossíntese de novo de nucleotídeos de pirimidina 
ocorre de forma um pouco diferente da síntese de nucleotídeos de purina. Nesse 
processo, é necessário o carbamoil-fosfato, um intermediário no ciclo da ureia. Esse 
intermediário reage com o aspartato, produzindo N-carbamoil-aspartato, a primeira 
etapa comprometida com a biossíntese de pirimidinas e reações subsequentes forma 
o orotato. Em seguida, ribose-5-fosfato é ligado ao anel de pirimidina para produzir 
ribonucleotídeos de pirimidina.
Os nucleosídeos monofosfato formados são convertidos em seus derivados 
trifosfato por reações de fosforilação enzimática, onde um grupo fosfato é adicionado à 
posição 5' do nucleosídeo em cada etapa.
A enzima ribonucleotídeo redutase, catalisa a conversão de ribonucleotídeos 
em desoxirribonucleotídeos pela redução do grupo 2'-OH a um grupo 2'-H. 
199
Os nucleotídeos de timina estão presentes nas bases do DNA e são derivados de 
dCDP e dUMP. O folato, da vitamina B, desempenha um papel importante na biossíntese 
de nucleotídeos, especialmente na conversão de dCDP em dTDP. A forma ativa do 
folato, tetra-hidrofolato de metileno é necessária como cofator nessa reação e atua 
como doadora de grupo metil na formação de nucleotídeos de timina. Uma deficiência 
de folato pode levar a uma diminuição na produção de nucleotídeos de timina e na 
síntese de DNA, o que pode causar vários problemas de saúde.
A renovação do ácido nucleico (síntese e degradação) é um processo metabólico 
contínuo na maioria das células, e esse processo pode levar à liberação de purinas 
livres na forma de adenina, guanina e hipoxantina. Essas podem ser usadas em vias 
de salvação, na reconstrução de nucleotídeos, reduzindo assim a necessidade de 
síntese de novo e conservando energia. A enzima fosforribosil-transferase ressintetiza 
os nucleotídeos AMP e GMP das bases adenina e guanina, respectivamente. Essa via é 
semelhante para a bases pirimídicas. 
A síndrome de Lesch-Nyhan ilustra a importância da via de salvação. Essa 
síndrome é uma doença genética rara causada por uma deficiência na enzima 
hipoxantina-guanina fosforibosiltransferase (HGPRT), resultando na incapacidade do 
corpo de reciclar as bases purinas, levando a uma superprodução de purinas pela via 
de novo e na produção de altos níveis de ácido úrico. Isso causa danos semelhante 
ao da gota, incluindo dor nas articulações e inflamação. O cérebro é especialmente 
dependente da via de salvação, resultando em sintomas neurológicos em crianças 
com síndrome de Lesch-Nyhan, como movimentos involuntários e comprometimento 
cognitivo. Essa síndrome é outro alvo potencial para a terapia gênica, que visa corrigir o 
defeito genético e restaurar a atividade normal do HGPRT.
4.2 CATABOLISMO DE PURINAS E DE PIRIMIDINAS
As purinas provenientes da dieta e da renovação dos nucleotídeos púricos dos 
ácidos nucleicos são degradas e convertidas em ácido úrico, que é então excretado 
na urina. As principais enzimas envolvidas no catabolismo das purinas são a xantina 
oxidase e a xantina desidrogenase, que convertem a xantina, subproduto da adenosina 
e guanosina, em ácido úrico. 
O acúmulo de ácido úrico na forma de cristais de urato de sódio causa a doença 
chamada de gota com sintomas de inflamação, dor e artrite nas articulações afetadas. 
Os rins também são afetados, pois o excesso de ácido úrico pode se depositar nos 
túbulos renais, levando a cálculos renais. A gota é mais comum em homens do que 
em mulheres e é mais provável de ocorrer à medida que as pessoas envelhecem. A 
causa exata da gota não é totalmente compreendida, mas geralmente está associada 
à excreção reduzida de urato, que pode ser devido a uma variedade de fatores, como 
genética, dieta e certas condições médicas. As vias para a degradação das pirimidinas 
geralmente levam à produção de NH4
+ e, assim, à síntese de ureia.
200
RESUMO DO TÓPICO 2
Neste tópico, você aprendeu:
• Os lipídios são hidrolisados para produzir ácidos graxos e glicerol.
• As gorduras digeridas e absorvidas são mobilizadas e podem servir como fontes de 
energia em momentos de necessidade.
• Os ácidos graxos são oxidados por meio de uma série de reações conhecidas como 
β-oxidação para fornecer energia para a célula.
• A síntese de ácidos graxos acontece na mitocôndria e é um processo endergônico.
• O colesterol é precursor dos hormônios esteroides, ácidos biliares e vitamina D.
• As lipoproteínas são moléculas complexas que transportam lipídios e colesterol por 
todo o corpo.
• A primeira etapa do catabolismo dos aminoácidos é a remoção do grupo amino, por 
meio de reações de transaminação e desaminação.
• A amônia é tóxica em altas concentrações, por isso é convertida a ureia no ciclo da 
ureia e é excretada na urina.
• Os esqueletos de carbono dos aminoácidos sofrem outras reações para formar 
compostos que podem ser usados para a síntese de glicose ou para a síntese de 
corpos cetônicos.
• O metabolismo dos nucleotídeos abrange a síntese de novo a partir de precursores 
simples e as vias de salvação que reciclam os nucleotídeos existentes. 
• Os nucleotídeos degradados formam o ácido úrico e amônia que pode entrar no 
ciclo da ureia.
201
AUTOATIVIDADE
1 Quando fazemos dieta para emagrecer, os triglicerídeos do nosso tecido adiposo são 
degradados em ácidos graxos que são liberados no sangue e transportados ligados 
a uma proteína e levados para os tecidos alvos. Dentro dascélulas, os ácidos graxos 
são transportados para as mitocôndrias por um tipo de transporte específico. Assinale 
a alternativa CORRETA que descreva a proteína e transporte envolvido no processo 
de mobilização de gorduras no corpo humano. 
a) ( ) Albumina e carnitina.
b) ( ) Albumina e colesterol. 
c) ( ) Lipoproteínas e carnitina.
d) ( ) Albumina e Lipoproteínas. 
2 A insulina é um hormônio produzida pelo pâncreas que regula o nível de glicose 
no sangue e sua desregulação pode levar a vários problemas de saúde, incluindo o 
diabetes. Assinale a alternativa CORRETA sobre a que a deficiência de insulina está 
associada:
a) ( ) Redução da lipólise.
b) ( ) Aumento da cetogênese.
c) ( ) Gliconeogênese reduzida.
d) ( ) Proteólise reduzida.
3 O ciclo da ureia é um processo importante de excreção de nitrogênio no corpo humano. 
É uma via metabólica que permite a conversão de amônia tóxica, um subproduto da 
degradação de proteínas, em ureia, que é excretada pelos rins. Acerca das reações 
do ciclo da ureia, assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) Ocorre apenas na mitocôndria.
b) ( ) Libera ATP como subproduto do ciclo. 
c) ( ) Requer o grupo α-amino do aspartato. 
d) ( ) É induzida por dietas de baixa proteína. 
4 A Acetil-CoA carboxilase (ACC) é uma enzima crucial na regulação da síntese de 
ácidos graxos no corpo. A sua atividade é regulada por vários fatores, incluindo 
sinais de estado de energia e estímulos hormonais, e tem um impacto significativo 
na produção de ácidos graxos e na homeostase energética do corpo. Como a ACC 
é regulada? A célula realiza síntese de ácidos graxos quando o estado de energia é 
baixo? Explique. 
202
5 O metotrexato inibe a diidrofolato redutase, uma enzima responsável pela conversão 
do diidrofolato em tetraidrofolato, e tem sido usado na quimioterapia do câncer, 
incluindo o tratamento da leucemia. Como ele inibe as células cancerígenas?
203
TÓPICO 3 - 
METABOLISMO DE CARBOIDRATOS E 
BIOENERGÉTICA
1 INTRODUÇÃO À RESPIRAÇÃO CELULAR
Todos os seres vivos estão continuamente usando energia. Nos seres humanos, 
a energia é necessária para se mover, mas também para respirar, para pensar e até 
durante o sono. Nas células, a energia é necessária em muitas funções, como na síntese 
e quebra de moléculas, no transporte de moléculas para dentro e para fora das células 
e manutenção da célula. 
A respiração celular é o processo pelo qual as células geram energia na forma 
de ATP, quebrando moléculas orgânicas – glicose, ácidos graxos e alguns aminoácidos 
– na presença de O2 e com produção de CO2. Quando o oxigênio é utilizado na respiração 
celular, esse processo é chamado de respiração celular aeróbia e acontece em três 
estágios principais (Figura 25).
A glicólise no citoplasma é o ponto central do metabolismo de carboidratos 
e ocorre no primeiro estágio da respiração celular, onde uma molécula de glicose é 
convertida em duas moléculas de piruvato, gerando um ganho líquido de 2ATP e 2NADH.
Em seguida, o ciclo do ácido cítrico, também chamado de ciclo de Krebs ou 
ciclo do TCA, acontece na mitocôndria. O ciclo do ácido cítrico começa pela oxidação do 
acetil-CoA derivado do piruvato na etapa anterior, produzindo CO2 e a energia liberada é 
conservada nos transportadores de elétrons reduzidos como NADH e FADH2.
O último estágio da respiração celular ocorre na membrana interna da mitocôndria 
e é chamado de fosforilação oxidativa. A energia dos elétrons transportados por NADH 
e FADH2 é usada para bombear prótons através da membrana, criando um gradiente 
de prótons que impulsiona a síntese de ATP, a moeda energética da célula, usada pelos 
seres vivos para suprir suas necessidades de energia. A estequiometria dessas reações 
permite um rendimento total de aproximadamente 32 ATP por molécula de glicose.
No Tema de Aprendizagem 3, abordaremos as reações do metabolismo de 
carboidrato e as enzimas que catalisam as reações metabólicas liberando a energia 
presente nos carboidratos para alimentar as células e os sistemas que compõem o 
corpo. 
Sob condições anaeróbias, na ausência de oxigênio ou na hipóxia, a produção 
de energia pode ser feita por meio da fermentação.
UNIDADE 3
204
A glicose que não foi utilizada no processo da respiração celular é armazenada 
na forma de glicogênio. Por outro lado, quando os estoques de glicogênio se esgotam, 
a glicose pode ser sintetizada pelo próprio corpo para manter os níveis de glicose no 
sangue e prover energia para o funcionamento das células. 
Figura 25 – Catabolismo de proteínas, gorduras e carboidratos durante os três estágios da respiração celular
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.634)
Estágio 1: a oxidação de ácidos graxos, glicose e alguns aminoácidos gera acetil-CoA. 
Estágio 2: a oxidação dos grupos acetil no ciclo do ácido cítrico inclui quatro etapas 
nas quais os elétrons são removidos. Estágio 3: os elétrons carreados por NADH e 
205
FADH2 convergem para uma cadeia de transportadores de elétrons mitocondrial (ou, 
em bactérias, ligados à membrana plasmática) – a cadeia respiratória – reduzindo, no 
final, O2 a H2O. Esse fluxo de elétrons impele a produção de ATP.
2 GLICÓLISE 
 
A glicose é o principal combustível da maioria das nossas células. As vias 
alimentadoras para o fornecimento da glicose são os estoques de glicogênio, e, a 
partir da dieta, provém principalmente de dissacarídeos, como sacarose e lactose, ou 
polissacarídeos, como o amido, que são hidrolisados por enzimas digestivas e a glicose 
distribuída para o todo o corpo pela corrente sanguínea.  
A glicólise (do grego, “quebra do açúcar”) ou via glicolítica, é a via metabólica 
da degradação da glicose, um monossacarídeo de 6 carbonos para formar 2 moléculas 
de piruvato de 3 carbonos, passando por reações sequenciais em que a energia livre 
é conservada na forma de ATP e NADH. Essas reações ocorrem no citoplasma em 10 
etapas, divididas em 2 fases (Figura 26). Todas essas reações são catalisadas por enzimas 
específicas, sendo a enzima fosfofrutocinase-1 a mais importante para a regulação da 
via, uma vez que controla a velocidade da glicólise.
A primeira fase da glicólise é chamada de preparatória ou de investimento, pois 
utiliza duas moléculas de ATP, e a segunda fase é chamada de pagamento pois produz 
um saldo positivo de ATP. 
206
Figura 26 – As duas fases da glicólise
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.545)
207
Para cada molécula de glicose que passa pela fase preparatória (a), duas moléculas 
de gliceraldeído-3-fosfato são formadas; as duas passam pela fase de pagamento 
(b). O piruvato é o produto final da segunda fase da glicólise. Para cada molécula de 
glicose, dois ATP são consumidos na fase preparatória e quatro ATP são produzidos 
na fase de pagamento, dando um rendimento líquido de dois ATP por molécula de 
glicose convertida em piruvato. As reações numeradas correspondem aos títulos 
numerados discutidos no texto. Lembre-se que cada grupo fosforil, representado 
aqui como possui duas cargas negativas (-PO32-).
2.1 FASE PREPARATÓRIA 
Primeiro, a fase preparatória, de investimento, a energia do ATP é consumida. 
São 5 etapas: 
1. A fosforilação da glicose faz com que ela permaneça na célula para ser metabolizada.  
A glicose, uma aldose, hexose, é transportada para dentro da célula por 
transportadores de glicose e é fosforilada no C6 formando glicose-6-fosfato. O ATP é 
o doador do grupo fosforil. Essa é uma reação exergônica irreversível catalisada pela 
primeira enzima da via, hexocinase, uma transferase.  
Todas as cinases requerem um íon divalente como o Mg2+, que atrai e forma 
complexo com o ATP. A hexocinase passa por um ajuste induzido ao ligar-se com o 
substrato e muda sua conformação, catalisando a transferência do grupo fosforil do ATP 
para a glicose. Essa é uma enzima que sofre regulação.
A glicólise é o centro do metabolismo dos carboidratos, uma vez que outras 
D-hexoses, incluindo a frutose, a galactose e a manose, também podem ser fosforiladas 
e entrar naglicólise.
  
2. Isomerização da glicose-6-fosfato, uma aldose em uma cetose, a frutose-6-
fosfato. Reação reversível catalisada pela fosfo-hexose-isomerase (ou fosfoglicose-
isomerase). 
3. Fosforilação da frutose-6-fosfato a frutose-1,6-bisfosfato, com a transferência de 
um grupo fosforil do ATP. 
O prefixo “bi” é usado quando 2 grupos fosfatos estão em diferentes posições; 
usa-se “di” quando os grupos fosfato estão ligados um ao outro.  
A frutose-1,6-bisfosfato estará comprometida apenas para a glicólise. Essa é 
uma reação irreversível catalisada pela enzima PFK-1 (fosfofrutocinase-1) que sofre 
complexa regulação alostérica.
208
4. Clivagem da ligação C-C da frutose-1,6-bisfosfato em 2 isômeros trioses-fosfatos 
interconversíveis. A enzima aldolase catalisa a condensação aldólica inversa 
resultando na formação de uma cetose – di-hidroxi-acetona-fosfato e uma aldose 
– gliceraldeído-3-fosfato; e  
5. Interconvenção, realizada pela enzima triose-fosfato isomerase, pois apenas 
aldoses seguiram na segunda etapa da via glicolítica. 
2.2 FASE DE PAGAMENTO 
Depois, a segunda fase é a pagamento ou lucro. As reações acontecem em 
dobro, a partir das duas trioses formadas na fase anterior, com formação de ATP e 
transferência de elétrons para o NAD+ produzindo o NADH. 
6. A oxidação e fosforilação do gliceraldeído-3-fosfato formando o 1,3-bifosfoglicerato 
com produção de NADH. Essa é uma reação reversível da enzima gliceraldeído-3-
fosfato desidrogenase da classe das oxidorredutase.
7. O 1,3-bifosfoglicerato tem uma ligação fosfórica rica em energia (acil-fosfato). A 
enzima fosfoglicerato-cinase transfere o grupo fosforil para o ADP, formando ATP e 
3-fosfoglicerato. 
8. Transferência do fosforil do C3 para o C2 formando 2-fosfoglicerato, pela ação da 
enzima fosfoglicerato-mutase em uma reação reversível. 
9. A enzima enolase remove H20 para formar uma dupla ligação entre carbonos, 
formando o fosfoenolpiruvato ou PEP, em uma reação reversível.
10. A última etapa da glicólise. A piruvato-cinase transfere o fosforil da PEP para o ADP, 
formando ATP e piruvato. Essa é uma reação irreversível e a enzima sofre regulação.  
Na equação global (fase de lucro menos a fase de investimento), para cada 
molécula de glicose degradada a 2 piruvatos, 2ATP são gerados - provenientes de 
2ADP + 2Pi, e 2NADH são produzidos - utilizando 2NAD+. Sendo assim, a equação geral 
resumida da glicólise é
Glicose + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi à 2 Piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O
Essa equação pode ser dividida em dois processos: 
1. Exergônico: a conversão de glicose a piruvato. 
Glicose + 2NAD+ à 2 Piruvato + 2NADH + 2H+ ΔG1’º = - 146 kJ/mol
2. Endergônico: a formação de ATP a partir de ADP e Pi. 
2ADP + 2Pi à 2ATP + 2H2O ΔG2’º = 2(30,5 kJ/mol) é 61,0 kJ/mol
A soma desses dois processos fornece a variação da energia livre padrão total 
da glicólise (ΔGs’º) onde, ΔGs’º = ΔG1’º + ΔG2’º = - 146 kJ/mol + 61 kJ/mol, resultando em 
- 85 kJ/mol.
209
Essas equações mostram que sob condições padrão, a glicólise é um processo 
essencialmente irreversível, o que significa que a conversão de glicose em piruvato não 
é facilmente reversível.
Isso se deve ao fato de que as reações na glicólise envolvem uma grande 
diminuição líquida na energia livre, em que os produtos das reações estão em um estado 
de energia menor que os reagentes. Logo, a energia liberada durante as reações leva à 
conclusão da conversão de glicose em piruvato.
As duas moléculas de piruvato formadas pela glicólise ainda contêm a maior 
parte da energia potencial química existente na glicose. A energia será extraída 
dependendo do estado da célula e o piruvato poderá ser metabolizado por 3 rotas 
principais (Figura 27):
• Nas condições aeróbias, o piruvato é transformado em acetil-CoA e entra no ciclo 
de Krebs para ser oxidado a CO2, doando elétrons para a fosforilação oxidativa na 
mitocôndria. 
• E em condições anaeróbias resultam na permanência do piruvato no citoplasma 
para o processo de fermentação. O piruvato é reduzido a lactato por meio da 
fermentação láctica nas células como do músculo.
• Em alguns vegetais e microrganismos, em condições anaeróbicas, acontece a 
fermentação alcoólica com produção de etanol e CO2.
Figura 27 – Os três destinos catabólicos possíveis do piruvato formado na glicólise
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.545)
210
O piruvato também serve como precursor em muitas reações anabólicas, não 
mostradas aqui.
2.3 FERMENTAÇÃO
A fermentação é o termo geral para a degradação anaeróbica da glicose ou 
outros nutrientes orgânicos para obtenção de energia.  
O NAD+ necessário para a glicólise é escasso e precisa ser continuamente 
regenerado. Em condições aeróbias, as duas moléculas NADH serão reoxidadas a 
NAD+ pela transferência de seus elétrons para a cadeia de transporte de elétrons na 
mitocôndria durante a etapa da fosforilação oxidativa. E em condições anaeróbicas, 
serão regenerados durante o processo de fermentação.
A fermentação láctica é catalisada de forma reversível pela enzima lactato-
desidrogenase. O piruvato recebe elétrons do NADH e é transformado em L-lactato, e 
o NADH é regenerado. Ocorre no músculo esquelético muito ativo, nos eritrócitos, nos 
tecidos vegetais submersos, nos tumores sólidos ou nas bactérias lácticas. 
O lactato formado pelo músculo esquelético em atividade (ou pelos eritrócitos) 
pode ser reciclado pelo ciclo de Cori, no músculo durante o exercício intenso, quando o 
metabolismo aeróbico não providencia a energia necessária. O lactato é transportado 
pelo sangue até o fígado, onde é reconvertido a piruvato pela lactato-desidrogenase, e 
transformado em glicose pela gliconeogênese. A glicose retorna ao músculo. 
Figura 28 – Cooperação metabólica entre o músculo esquelético e o fígado: o ciclo de Cori
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.948)
211
Cooperação metabólica entre o músculo esquelético e o fígado: o ciclo de Cori 
Músculos extremamente ativos usam o glicogê-nio como fonte de energia, gerando 
lactato via glicólise. Durante a recupera-ção, parte deste lactato é transportada 
para o fígado e convertida em glicose via gliconeogênese. Esta glicose é liberada 
no sangue e retorna ao músculo para repor seus estoques de glicogênio. A via total 
(glicose S lactato S gli-cose) constitui o ciclo de Cori.
O processo de fermentação alcoólica ocorre em leveduras e microrganismos que 
fermentam glicose em etanol e CO2, em vez de lactato. A glicose é convertida a piruvato 
pela glicólise (produz 2ATP), e o piruvato é convertido a CO2 e etanol (regenerando o 
NADH) em um processo de duas etapas. 
1. Primeiro: reação reversível da piruvato-descarboxilase resulta em CO2 e acetoaldeído. 
A piruvato-descarboxilase está presente em leveduras utilizadas para fabricação de 
cerveja (Figura 29) e pão (Saccharomyces cerevisiae).
2. Segundo: redução do acetoaldeído a etanol, regenerando o NADH pela enzima 
álcool-desidrogenase. Está presente em muitos organismos que metabolizam 
etanol, incluindo o homem.   
212
Figura 29 – Fermentações etanólicas: fabricando cerveja e produzindo biocombustíveis
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.566)
3 GLICONEOGÊNESE
A gliconeogênese é a síntese de glicose, um processo com alto custo energético, 
porém essencial para manter as concentrações de glicose no sangue, quando 
necessário. Essa via compartilha 7 etapas na direção oposta da glicólise, contornando 
as 3 reações irreversíveis (Figura 30). Em animais as duas vias ocorrem principalmente 
no citosol.  
213
Figura 30 – Vias opostas da glicólise e da gliconeogênese em fígado de rato
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.569)
As reações da glicólise estão do lado esquerdo, em vermelho; a via oposta, a 
gliconeogênese, está mostrada do lado direito, em azul. Os principais pontos de 
regulação da gliconeogênese representados aqui.
Em mamíferos, a gliconeogênese no fígado, nos rins e no intestino delgado 
gera a glicose para uso pelo cérebro, músculose eritrócitos, pois estes não fazem a 
gliconeogênese. Uma nova molécula de glicose pode ser produzida a partir de lactato, 
piruvato, glicerol, intermediários do ciclo de Krebs e certos aminoácidos glicogênios. 
Quando o piruvato é o precursor, há as seguintes 3 reações de contorno:
214
1. O primeiro contorno envolve uma sequência de reações com enzimas da mitocôndria 
e do citosol.  Na mitocôndria, o piruvato de 3C é convertido a oxaloacetato de 
4C. O carbono é proveniente do bicarbonato e adicionado pela enzima piruvato-
carboxilase mitocondrial com consumo de ATP e requer a coenzima biotina. 
No citosol, oxaloacetato perde o carbono, recebendo transferência de fosforil do 
GTP para produzir uma ligação fosfoenol formando a PEP de 3C pela ação da PEP-
carboxicinase. Essas etapas sofrem regulação. 
Para transportar oxaloacetato da mitocôndria para o citosol, este é reduzido a 
malato pela malato-desidrogenase com consumo de NADH mitocondrial. O malato deixa 
a mitocôndria por transportador. No citosol é reoxidado a oxaloacetato com produção de 
NADH citosólico, que será utilizado na via da gliconeogênese.  
Esse transporte não acontece quando o lactato é o precursor, pois a conversão 
de lactato em piruvato pela lactato-desidrogenase gera o NADH citosólico. Então, 
quando o lactato é precursor, a PEP é transportada para fora da mitocôndria, dando 
continuidade à via da gliconeogênese (Figura 31).
2. No segundo contorno, a enzima frutose-1,6-fosfatase-1 faz a hidrólise do fosfato do 
C1 da Frutose-1,6-bifosfato, formando a frutose-6-fosfato + Pi. 
3. No último contorno, a glicose-6-fosfatase faz a hidrólise da ligação éster de fosfato, 
produzindo a glicose + Pi. 
A gliconeogênese, assim como a glicólise é um processo essencialmente 
irreversível nas células. É uma via dispendiosa, sendo que para cada glicose formada 
a partir de 2piruvato gastam-se 4 ATP, 2 GTP, e 2 NADH.    A equação global da 
gliconeogênese é: 
2Piruvato + 4ATP + 2NADH + 2H+ + 4H2O à Glicose + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD+ 
Nos mamíferos, não ocorre a conversão líquida de ácidos graxos em glicose.  Os 
vegetais, as leveduras e muitas bactérias possuem a via do glioxilato, para converter 
acetil-CoA em oxaloacetato e, assim, utilizar ácidos graxos como matéria-prima para a 
gliconeogênese. Esse mecanismo é utilizado pelas plantas durante a germinação das 
sementes. 
215
Figura 31 – Vias alternativas da transformação do piruvato em fosfoenolpiruvato
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.573)
A importância relativa das duas vias depende da disponibilidade de lactato ou 
piruvato e das necessidades citosólicas de NADH para gliconeogênese. A via à direita 
predomina quando o lactato é o precursor, já que NADH citosólico é gerado na reação 
da lactato-desidrogenase e não pode ser transportado para fora da mitocôndria.
4 VIA DAS PENTOSES FOSFATO 
As hemácias maduras não possuem as organelas intracelulares encontradas 
nas outras células eucarióticas como o núcleo (são enucleadas), lisossomo, aparelho de 
Golgi e mitocôndrias, e por isso são incapazes de reproduzir, de sintetizar proteínas e 
não realizam β-oxidação, ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa. Consequentemente, 
são completamente dependentes da glicólise para gerar ATP. O ATP é utilizado 
principalmente no funcionamento da bomba Na+K+, para manter e reparar a membrana 
216
e, em menor quantidade, para que os átomos de ferro da hemoglobina se mantenham 
na forma reduzida. 
A glicose penetra nas hemácias por difusão facilitada mediada pelo transportador 
de glicose (GLUT1), sendo convertida em glicose-6-fosfato pela enzima hexocinase, 
e segue principalmente a via glicolítica, para a produção de ATP.    O produto da via 
glicolítica, o lactato, é reciclado no ciclo de Cori, que devolve a glicose.  
A via glicolítica nas hemácias possui também um desvio, para produzir 
2,3 bifosfoglicerato (2,3-BPG) por isomerização. O 2,3-BPG é a molécula que estabiliza 
a hemoglobina no estado T, com a finalidade de facilitar a liberação do oxigênio para os 
tecidos. 
Além das hemácias, o fígado, tecido adiposo, córtex adrenal, testículos, 
glândulas mamárias, células fagocitárias possuem uma outra via de oxidação da glicose 
chamada via das pentoses fosfato (PPP). Nessa via, a glicose-6-fosfato é o substrato 
chamada via das pentoses fosfato para produzir ribose-5-fosfato (R5P), riboluse-5-
fosfato (Ru5P) e a coenzima reduzida NADPH2. 
A ribose-5-fosfato é usada para a síntese de nucleotídeos dos ácidos nucleicos 
ou é reciclada na via das penstoses-fosfato para mais produção de NADPH2.
A sequência de reações dessa via pode ser dividida em duas fases (Figura 32):  
• A primeira fase consiste na oxidação da glicose-6-fosfato em 6-fosfogliconato, 
acompanhada por redução do NADP+.  
A glicose-6-fosfato desidrogenase é a enzima que catalisa a primeira reação 
da via.  
A lactona é hidrolisada e gera uma segunda molécula de NADPH e ribulose-5-
fosfato. Em seguida, uma isomerase gera a ribose-5-fosfato, precursora para a síntese 
de nucleotídeos. 
• A segunda fase não oxidativa, reversível, compreende etapas não oxidativas com 
rearranjo dos esqueletos de carbono, que convertem pentoses-fosfato a glicose-6-
fosfato, e reinicia o ciclo.  
A Equação global da via das pentoses-fosfato é:            
Glicose-6-fosfato + 2NADP+ + H2O à ribose-5-fosfato +CO2 + 2NADPH + 2H
+ 
A regulação da entrada de glicose-6-fosfato na via glicolítica ou na via das 
pentoses-fosfato é determinada pelas concentrações relativas de NADP+ e NADPH. O 
NADPH faz a inibição alostérica da enzima glicose-6-fosfato desidrogenase. 
217
O NADPH produzido pela via das pentoses-fosfato será utilizado para produzir 
a glutationa, que participa do sistema de antioxidantes da célula e assim evitar o dano 
oxidativo. 
A glutationa reduzida (GSH) é um tripeptídeo de ácido glutâmico, cisteína e 
glicina, sintetizada nas hemácias com consumo de ATP. Possui um grupo -SH da cisteína 
atuando como aceptor de elétrons, facilmente oxidável, formando a glutationa oxidada 
(GSSG).  A célula aumenta o metabolismo da via das pentoses para gerar mais NADPH 
(através da ação das desidrogenases), necessário para a regeneração da glutationa por 
reação catalisada pela enzima flavoproteína glutationa redutase (GR) (Figura 32).
A glutationa também impede que proteínas no citoplasma formem pontes 
dissulfeto entre seus grupos -SH e previne a agregação de proteínas, como nos casos 
da formação dos corpos de Heinz, agregados insolúveis de hemoglobina cujos grupos 
—SH foram oxidados e que se coram de roxo com cresil violeta. 
As deficiências enzimáticas, entre outros fatores intrínsecos ou extrínsecos, 
resultam em anemias hemolíticas. Em indivíduos deficientes em glicose-6-fosfato 
desidrogenase, a produção de NADPH está diminuída e a destoxificação de espécies 
reativas como H2O2 está inibida, consequentemente aumentando a presença dessas 
espécies reativas que causam o dano oxidativo na e célula. Esse mecanismo resulta 
na destruição de glóbulos vermelhos (hemólise) depois de uma doença aguda ou uso 
de certos medicamentos. Por outro lado, nesses indivíduos, a presença aumentada de 
espécies reativas confere resistência contra o parasita da malária, que infecta as hemácias.
Figura 32 – Esquema geral da via das pentoses-fosfato
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.575)
218
O NADH formado na fase oxidativa é utilizado para produzir glutationa, GSSG (ver 
Quadro 14-4) e dar suporte para a biossíntese redutora. O outro produto da fase 
oxidativa é a ribose-5-fosfato, que serve como precursor para nucleotídeos, 
coenzimas e ácidos nucleicos. Em células que não estão utilizando a ribose-5-
fosfato para a biossíntese, a fase não oxidativa regenera seis moléculas da pentose 
em cinco moléculas da hexose glicose-6-fosfato, permitindo a produção contínua 
de NADPH e convertendo glicose-6-fosfato (em seis ciclos) a CO2.
5 METABOLISMO DO GLICOGÊNIO
No organismo, o excesso de glicose é convertido em formas poliméricas dearmazenamento; o glicogênio, em vertebrados; e o amido, nas plantas. Em vertebrados, o 
glicogênio é encontrado principalmente no fígado, para manter a glicemia no sangue nas 
primeiras horas de jejum, e no músculo esquelético, onde fornece fonte local de energia 
rápida. Nesses tecidos, o glicogênio é armazenado no citosol na forma de grânulos, 
onde estão presentes também as enzimas responsáveis pela sua metabolização. 
A degradação ou quebra dos polímeros para obtenção de glicose é chamada de 
glicogenólise.  
A síntese de glicogênio é chamada de glicogênese, processo pelo qual o 
glicogênio é sintetizado, adicionando unidades monoméricas de glicose ligadas entre 
si por ligações α1-4, formando polímeros de cadeias lineares e também ramificadas por 
ligações α1-6.  
O ponto de partida para a síntese de glicogênio é glicose-6-fosfato. A glicose 
livre que entrou no citosol é fosforilada pela enzima hexocinase com transferência do 
fosfato do ATP, formando a glicose-6-fosfato. Esta pode ser convertida para glicose-1-
fosfato na reação reversível catalisada pela fosfoglicomutase. 
A síntese de glicogênio utiliza como precursor uma forma ativada da glicose, que 
são os nucleotídeos de açúcar ou UDP-glicose. Para formar a UDP-glicose, a glicose-
1-fosfato é unida por ligação éster de fosfato a um nucleotídeo uridina trifosfato (UTP) 
liberando PPi, pela reação da enzima UDP-glicose pirofosforilase. 
A UDP-glicose é o doador de glicose para a síntese de glicogênio na reação 
catalisada pela enzima glicogênio-sintase. Essa enzima promove a transferência 
de glicose (da UDP-glicose) para o C4 da extremidade não redutora na molécula de 
glicogênio, a partir de um molde. Estendendo o glicogênio (n+1) com novas ligações na 
configuração α1-4, e o UDP é liberado.  
No entanto, a enzima glicogênio sintase só catalisa reações de adição de glicose 
a partir de um molde já formado. A formação inicial (“de novo”) de um molde é realizada a 
partir da proteína glicogenina. Uma enzima transferase liga um resíduo UDP-glicose ao 
219
-OH do aminoácido (Tyr) da proteína glicogenina. Em seguida, a glicogenina forma um 
complexo com a enzima glicogênio-sintase, adicionando UDP-glicose para formar um 
molde de 8 unidades. Após finalizado o molde, a enzima glicogênio-sintase dissocia-se 
da glicogenina e prossegue estendendo a cadeia. 
As ramificações encontradas no glicogênio são catalisadas pela enzima de rami-
ficação do glicogênio. Essa enzima remove um ramo (ou fragmento) terminal de 7 glico-
ses de um polímero de glicogênio (com n>11) e catalisa a transferência desse ramo para 
a hidroxila do C6 de outro resíduo de glicose que está localizado mais internamente na 
mesma cadeia ou outra cadeia, formando uma ramificação com ligação α1-6 (Figura 33).
Figura 33 – Síntese da ramificação do glicogênio
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.619)
A enzima de ramificação do glicogênio (também chamada de amilo-[1S4]-[1S6] 
transglicosilase, ou glicosil-[4S6]-transferase) forma um novo ponto de ramificação 
durante a síntese do glicogênio.
O resultado da ação da enzima de ramificação é um polímero altamente 
ramificado. As cadeias de glicogênio se distribuem em camadas, sendo as camadas 
externas as mais ramificadas. Os polímeros de glicogênio contêm várias unidades não 
redutoras e apenas uma unidade redutora no seu interior (o açúcar redutor tem um 
aldeído livre que pode ser oxidado) (Figura 34).
220
Figura 34 – Estrutura da partícula de glicogênio
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.619)
Iniciando com uma molécula de glicogenina central, as cadeias de glicogênio (12 a 
14 resíduos) se distribuem em camadas. As cadeias internas têm, cada uma, duas 
ramificações (α1à6). As cadeias na camada mais externa não são ramificadas. Existem 
12 camadas em uma partícula madura de glicogênio (estão mostradas aqui somente 
cinco), consistindo em cerca de 55.000 resíduos de glicose em uma molécula com 
cerca de 21 nm de diâmetro e Mr-1 x 107.
A degradação do glicogênio é a via da glicogenólise, liberando uma unidade 
de glicose por vez, porém de várias pontas não redutoras do glicogênio. Na primeira 
etapa, a enzima glicogênio-fosforilase remove as moléculas de glicose-1-fosfato da 
extremidade não redutora do glicogênio.  
A reação é uma fosforólise (sem hidrólise de ATP). Um fosfato inorgânico 
ativado ataca a ligação glicosídica α1-4, removendo um resíduo de glicose-1-fosfato, 
formando um glicogênio menor (n-1). Quando alcança um ponto anterior a 4 resíduos da 
ramificação α1-6, a enzima de desramificação catalisa duas reações:  
a. de atividade transferase, removendo 3 resíduos e reconectando-os em ligação α1-4 
a uma extremidade não redutora;  
b. de atividade glicosidase, liberando o resíduo ramificado que ficou por hidrólise. 
O polímero linear restante volta a ser substrato para enzima glicogênio-
fosforilase (Figura 35).
221
Figura 35 – Degradação do glicogênio próximo a um ponto de ramificação (α1à6)
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.614)
Seguindo-se à remoção sequencial dos resíduos terminais de glicose pela glicogênio-
fosforilase, os resíduos próximos a uma ramificação são removidos por um processo 
em duas etapas que requer a enzima de desramificação bifuncional. Na primeira, a 
atividade de transferase da enzima remove um bloco de três resíduos de glicose da 
ramificação para uma extremidade não redutora próxima, à qual é religado por uma 
ligação (α1à4). O resíduo remanescente no ponto de ramificação, em ligação (α1à6), 
é então liberado como glicose livre pela atividade de glicosidase (α1à6) da enzima 
de desramificação. Os resíduos de glicose são mostrados na forma condensada que 
omite os grupos ¬H, ¬OH e ¬CH2OH dos anéis piranosídicos.
A glicose-1-fosfato pode ser convertida em glicose-6-fosfato por reação 
reversível catalisada pela enzima fosfoglicomutase.  
222
No citosol do fígado, a glicose-6-fosfato pode ser transportada para o retículo 
endoplasmático, onde sofre a ação glicose-6-fosfatase, transformando-se em glicose 
+ Pi. Essa glicose livre será transportada para os capilares para chegar aos tecidos que 
a requerem como combustível. 
No músculo, a glicose-6-fosfato entra na via glicolítica para fornecer combustível. 
6 CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO 
O ciclo de Krebs, também conhecido como ciclo do ácido cítrico ou ciclo dos 
ácidos tricarboxílicos (TCA), é uma série de reações químicas que ocorrem na matriz 
mitocondrial das células eucarióticas. A principal função do ciclo de Krebs é gerar 
energia na forma de ATP por meio da oxidação do acetil-CoA, derivado da quebra de 
carboidratos, gorduras e proteínas.
As mitocôndrias são formadas por duas membranas, a externa, que é mais lisa e 
mais permeável, e a membrana interna, com invaginações (cristas), essa é impermeável 
à maioria das moléculas e íons que precisam de transportadores específicos para 
atravessar a membrana.  
O piruvato proveniente da glicólise é transportado do citosol para a mitocôndria 
por transportador específico, pois a membrana interna da mitocôndria é impermeável 
ao piruvato. O piruvato na mitocôndria é convertido em acetil-CoA através das reações 
catalisadas por um complexo de enzimas chamado de complexo piruvato desidrogenase 
(PDH). Esse complexo sofre regulação. 
O complexo consiste em três enzimas diferentes (E1, E2 e E3). A enzima 
E1, também conhecida como piruvato desidrogenase, contém tiamina pirofosfato 
(TPP), que é um derivado da vitamina B1. A enzima E2, também conhecida como di-
hidrolipoil-transacetilase, contém coenzima A (CoA) e lipoato. A enzima E3, também 
conhecida como di-hidrolipoil-desidrogenase, contém flavina adenina dinucleotídeo 
(FAD) e nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD), derivados das vitaminas B2 e B3, 
respectivamente.
Cada uma dessas enzimas e cofatores desempenha um papel específico na 
reação geral catalisada pelo complexo. Os diferentes cofatores são necessários para 
o bom funcionamento do complexo e muitas vezes são obtidos através da dieta. A 
deficiência de qualquer umadessas vitaminas pode levar a uma disfunção no complexo 
piruvato desidrogenase e pode resultar em problemas de saúde. 
Uma vez dentro da matriz mitocondrial, o piruvato é descarboxilado por uma 
reação irreversível que produz CO2, ácido acético e reduz o NAD+ a NADH. Em seguida, 
o ácido acético é ligado a CoA por ligação tioéster para formar o acetil-CoA (Figura 36).
223
Figura 36 – Reação geral catalisada pelo complexo da piruvato-desidrogenase
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.635)
As cinco coenzimas participantes desta reação e as três enzimas que formam o 
complexo são discutidas no texto
O acetil-CoA produzido da glicólise ou derivado de outros compostos, entra 
no ciclo de Krebs, onde se combina ao oxaloacetato de 4 carbonos para formar um 
composto de 6 carbonos chamado citrato. O citrato é então decomposto em uma série 
de reações que liberam CO2, H+ e energia na forma de ATP e NADH. O ciclo termina com 
a regeneração do oxaloacetato que então pode reagir com outra molécula de acetil-
CoA. Esse processo pode ser divido em 8 etapas:
1. A primeira etapa do ciclo é a condensação do grupo acetil do acetil-CoA ao 
oxaloacetato para a formação do citrato, com adição de H2O e liberando CoA que 
será reciclado posteriormente. Essa é uma reação irreversível catalisada pela enzima 
citrato-sintase. Essa enzima sofre regulação. 
2. O citrato é então isomerizado a isocitrato. A enzima aconitase catalisa a uma 
transformação reversível. Essa enzima contém um centro ferro-enxofre (Fe-S) que 
atua na ligação do substrato ao H2O na catalise. 
A terceira e quarta etapa são duas reações sucessivas de descarboxilação 
oxidativa (perda de 1 carbono), cada uma delas com redução do NAD+ a NADH e 
liberando CO2. 
3. A enzima isocitrato-desidrogenase, com presença do íon divalente Mn2+ catalisa 
uma reação irreversível para formar o α-cetoglutarato que contém uma dupla 
ligação. 
4. O complexo α-cetoglutarato desidrogenase faz a ligação de CoA ao grupo succinil, 
formando succinil-CoA em uma reação irreversível. Esse complexo é similar ao PDH 
e também sofre regulação. 
5. O succinil-CoA é convertido a succinato pela enzima succinil-CoA-sintetase, em 
uma reação reversível. A quebra da ligação tioéster libera energia que é utilizada 
para a fosforilação do GDP a GTP. Esse GTP pode ser doador de grupo fosfato para 
posteriormente formar ATP em uma outra reação. 
224
6. O succinato é oxidado formando o fumarato com uma dupla ligação. Essa reação 
é reversível catalisada pela enzima succinato-desidrogenase e o FAD é reduzido 
a FADH2. Essa enzima forma o complexo II da membrana interna mitocondrial, 
diferentemente das demais enzimas do ciclo de Krebs que estão livres na matriz 
mitocondrial. 
7. A hidratação do fumarato forma o malato. Essa é uma reação reversível catalisada 
pela enzima fumarase, com rompimento da dupla ligação por uma molécula de H2O 
e introdução do grupo –OH.
8. A última etapa é a oxidação do –OH do malato formando o oxaloacetato com redução 
de NAD+ a NADH pela ação da enzima malato-desidrogenase. 
Ao final, para cada acetil-CoA que entra no ciclo, 2CO2 saem do ciclo, redução 
de 3NAD+ e FAD para 3NADH e FADH, produção de GTP que pode ser convertido a ATP, 
e o oxaloacetado é reciclado (Figura 37). A reação global para o ciclo de Krebs pode ser 
resumida como:
Acetil-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O → CoA-SH + 3NADH + FADH2 + 3H+ + 
GTP + 2CO2
Figura 37 – Produtos de uma rodada do ciclo do ácido cítrico
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.635)
A cada rodada do ciclo do ácido cítrico, três moléculas de NADH, uma de FADH2, 
uma de GTP (ATP) e duas de CO2 são liberadas em reações de des-carboxilação 
oxidativa. Aqui, e em algumas das figuras seguintes, todas as reações do ciclo 
estão representadas como se elas ocorressem em apenas uma direção, lembre-se, 
entretanto, que a maioria das reações são reversíveis.
225
O NADH e FADH vão abastecer a fosforilação oxidativa, levando a formação de 
um grande número de ATP. 
O ciclo de Krebs também produz várias moléculas intermediárias que são usadas 
em outras vias metabólicas. Esses compostos podem atuar como precursores para 
a biossíntese de outras moléculas, como ácidos graxos, esteróis, aminoácidos, bases 
nitrogenadas, porfirina, heme e glicose. Este processo é conhecido como via anfibólica, 
porque participa de processos catabólicos e anabólicos. 
Por exemplo, o citrato pode ser convertido em acetil-CoA, o ponto de partida 
para a biossíntese de ácidos graxos, e também o precursor da síntese de colesterol. 
O α-cetoglutarato é um precursor de aminoácidos como glutamina e glutamato, e 
também um precursor de bases nitrogenadas em ácidos nucléicos. O succinil-CoA é um 
precursor da porfirina e heme e também um precursor da hemoglobina. O oxaloacetato, 
que é o primeiro intermediário do ciclo de Krebs, é um precursor do aminoácido aspartato 
e também um precursor da glicose através da gliconeogênese.
As reações anapleróticas são um grupo de reações metabólicas que adicionam 
intermediários ao ciclo de Krebs para repor os intermediários que foram removidos 
do ciclo para fins de biossíntese. Essas reações ajudam a manter o equilíbrio dos 
intermediários dentro do ciclo e garantem que o ciclo continue a produzir energia para a 
célula. Exemplos de reações anapleróticas incluem a conversão de piruvato em acetil-
CoA, que repõe o suprimento de acetil-CoA no ciclo, e a conversão de oxaloacetato em 
malato, que repõe o suprimento de oxaloacetato.
7 REGULAÇÃO
As vias metabólicas do metabolismo de carboidratos são reguladas para 
funcionar junto de forma econômica. As reações irreversíveis são geralmente os alvos de 
regulação hormonal e alostérica. Na modulação alostérica, a interação com o modulador 
ocorre em sítio diferente de onde ocorre a catálise. 
Os hormônios agem pelo seu receptor e via de segundos mensageiros para 
atingir enzimas envolvidas nas vias energéticas. 
7.1 REGULAÇÃO DA GLICOLISIS
A via da glicólise e gliconeogênese são altamente reguladas. A insulina secretada 
após a alimentação ou em situações de hiperglicemia, estimula as enzimas reguladoras 
da glicólise.  O glucagon secretado no jejum ou em situações de hipoglicemia afeta 
principalmente as células do fígado, agindo como inibidor das enzimas reguladoras da 
glicólise e ativando a gliconeogênese (Figura 38).
226
Figura 38 – Regulação das vias que produzem ATP
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.762)
Este diagrama mostra a regulação interconectada da glicólise, da oxidação do 
piruvato, do ciclo do ácido cítrico e da fosforilação oxidativa pelas concentrações 
relativas de ATP, ADP, AMP e por NADH. Alta [ATP] (ou baixa [ADP] e [AMP]) produz 
baixas velocidades de glicólise, oxidação do piruvato, oxidação do acetato via ciclo 
do ácido cítrico e fosforilação oxidativa. Todas as quatro vias são aceleradas quando 
227
o uso de ATP e a formação de ADP, AMP e Pi aumentam. A interligação da glicólise 
e do ciclo do ácido cítrico pelo citrato, o qual inibe a glicólise, suplementa a ação do 
sistema de nucleotídeos da adenina. Além disto, níveis aumentados de NADH e de 
acetil-CoA também inibem a oxidação de piruvato a acetil-CoA, e uma alta razão 
[NADH]/[NAD1] inibe as reações das desidrogenases do ciclo do ácido cítrico.
Os principais pontos da regulação da catálise na via glicolítica, são: 
1. A enzima hexocinase é inibida logo que uma quantidade significativa de produto, a 
glicose-6-fosfato é produzida; 
2. A PFK-1 é um importante sítio de regulação alostérica. Sua atividade é estimulada 
por substrato, a frutose-6-fosfato e por AMP.  
O excesso de ATP inibe a atividade da PFK-1, sendo esse o principal mecanismo 
regulador da glicólise. 
Além do ATP, o citrato, intermediário do ciclo de Krebs e precursor da biossíntese 
dos ácidos graxos, também age como modulador inibitório.
Outro importante modulador positivo da PFK1 é o efetor frutose-2,6-bisfosfato 
formado a partir da frutose-6-fosfato na reação catalisada pela fosfofrutoquinase-2 
(PFK2),na presença de insulina.  Esse efetor é uma molécula com função apenas 
regulatória que ativa a via glicolítica, mas inibe a gliconeogênese. 
3. A piruvato cinase é um ponto de controle secundário. É estimulada pela presença 
de substrato, a PEP e a insulina. E é parcialmente inibida pelas concentrações de 
ATP, acetil-CoA e pelo glucagon. 
7.2 REGULAÇÃO DA GLICONEOGENESE 
Na regulação da gliconeogênese, a piruvato-carboxilase é ativada por acetil-
CoA, quando acumulado (este também inibe a piruvato desidrogenase do ciclo de Krebs, 
deixando o piruvato para a gliconeogênese).
A enzima PEP-carboxicinase sofre regulação principalmente hormonal do 
glucagon. 
A frutose 1,6-bisfosfatase é inibida pelo AMP, sinalizando diminuição energética. 
É também inibida pela ação do metabólito regulador a frutose-2,6- bisfosfatase (que 
reverte a ação da PFK2, e parando a produção o efetor frutose-2,6-bisfosfato). O glucagon 
diminui as concentrações desse metabólico regulador, estimulando a gliconeogênese.
228
Além disso, os hormônios podem ativar a expressão de fatores de transcrição. 
Esses fatores, agem no núcleo regulando a expressão de genes que codificam para as 
enzimas da via glicolítica e da gliconeogênese. 
7.3 REGULAÇÂO DO GLICOGENIO 
O glicogênio é a reserva de energia mais rapidamente disponível e sofre 
regulação, evitando gasto inútil de energia.  
A enzima glicogênio-fosforilase, que degrada o glicogênio, é o principal centro 
de regulação (Figura 39). Essa enzima existe em duas formas: “a” e “b”. A forma b, menos 
ativa, pode ser convertida por modificação covalente para formar “a”, fosforilada e ativa, 
para fornecer glicose como combustível. 
Figura 39 – Regulação da glicogênio-fosforilase muscular por modificação covalente
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.621)
Na forma mais ativa da enzima, fosforilase a, os resíduos de Ser14, um de cada 
subunidade, estão fosforilados. A fosforilase aé convertida em sua forma menos ativa, 
fosforilase b, por perda enzimática destes grupos fosforil, catalisada pela fosforilase-
229
Figura 40 – A glicogênio-fosforilase do fígado como sensor de glicose
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.622)
a-fosfatase (também conhecida como fosfoproteína-fosfatase 1, PP1). A fosforilase b 
pode ser reconvertida (reativada) em fosforilase a pela ação da fosforilase-b-cinase. 
(Ver também a Figura 6-42 sobre a regulação da glicogênio-fosforilase.).
A enzima fosforilase-b-cinase, que fosforila a glicogênio-fosforilase para a 
forma “a”, recebe regulação alostérica por estímulo do hormônio glucagon no fígado, e 
no músculo, pela adrenalina, Ca2+ e AMP. 
A forma ativa “a” é desfosforilada pela fosfatases (PP1) para a forma “b”. Essa 
fosfatase é estimulada pela insulina e inibida pelo glucagon ou adrenalina. 
A enzima glicogênio-fosforilase no fígado pode receber regulação alostérica da 
glicose. A presença de glicose ativa a fosfatase para retornar à forma “b” da glicogênio-
fosforilase. Dessa maneira, a glicogênio-fosforilase age como sensor do fígado, 
diminuindo a quebra do glicogênio sempre que o nível de glicose no sangue está alto 
(Figura 40).
A ligação da glicose a um sítio alostérico da isoenzima da fosforilase do fígado induz 
uma mudança conformacional que expõe seus resíduos de Ser fosforilados à ação 
da fosforilase-fosfatase (PP1). Esta fosfatase converte a fosforilase a em fosforilase 
b, reduzindo claramente a atividade de fosforilase e diminuindo a degradação do 
glicogênio em resposta à alta glicose sanguínea. A insulina também age indiretamente 
na estimulação da PP1 e na diminuição da degradação do glicogênio.
A enzima glicogênio-sintase da síntese de glicogênio também é um alvo de 
regulação e existe em duas formas: “a” e “b”. Porém a forma “a” ativa não é fosforilada, 
e a fosforilação inativa a enzima na forma “b”, pela ação do glucagon, via AMPc e PKA. 
A glicose é também o modulador alostérico da glicogênio-sintase, e a ausência 
de glicose inativa esta enzima. 
230
7.4 REGULAÇÃO DO CICLO DE KREBS
O ciclo de Krebs recebe regulação de efetores alostéricos e modificações 
covalentes garantindo um estado de equilíbrio para a célula. As enzimas alvos de 
regulação são as que catalisam as reações irreversíveis fortemente exergônicas, como 
as do complexo da piruvato desidrogenase, a enzima citrato-sintase, a enzima isocitrato 
desidrogenase e o complexo a-cetoglutarato-desidrogenase (Figura 41).
O ATP e NADH, e os produtos das reações servem como inibidores, quando há 
acúmulo de combustível nas células e uma grande quantidade de produto já foi formada. 
Por outro lado, essas enzimas podem ser estimuladas por ADP, NAD+ e no músculo por 
Ca2+ que estimula a contração muscular e produção de ATP para repor a energia. 
8 TRANSPORTE DE ELÉTRONS, CADEIA RESPIRATÓRIA E 
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
A cadeia respiratória e fosforilação oxidativa na mitocôndria é a culminação do 
metabolismo em organismos aeróbicos, para regenerar as coenzimas NADH e FADH2, 
gerando energia na forma de ATP. 
As mitocôndrias são organelas com duas membranas, interna e externa, 
encontradas nas células da maioria dos organismos eucarióticos, incluindo plantas 
e animais (Figura 41). A membrana interna mitocondrial é impermeável a NADH. Os 
elétrons carregados pelo NADH que são originados no citoplasma (tais como na glicólise) 
são indiretamente utilizados na fosforilação oxidativa por um sistema de lançadeiras via 
malato-aspartato e pela desidrogenase do glicerol-3-fosfato. 
231
Figura 41 – Anatomia bioquímica de uma mitocôndria 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.733)
(a) A membrana externa tem poros que a tornam permeável a pequenas moléculas e 
íons, mas não a proteínas. As convoluções (cristas) da membrana interna fornecem 
uma grande área de superfície. A membrana interna de uma única mitocôndria do 
fígado pode ter mais de 10.000 conjuntos de sistemas de transferência de elétrons 
(cadeias respiratórias) e de moléculas de ATP-sintase distribuídos na superfície da 
membrana. (b) As mitocôndrias do músculo cardíaco, que têm cristas mais profusas 
e, assim, uma área muito maior de membrana interna, contêm mais de três vezes o 
número de conjuntos de sistemas de transferência de elétrons que as (c) mitocôndrias 
do fígado. As mitocôndrias dos músculos e do fígado têm tamanho aproximado ao 
de uma bactéria 2 1 a 2 mm de comprimento. As mitocôndrias de invertebrados, de 
plantas e de microrganismos eucariotos são semelhantes àquelas aqui mostradas, 
mas com variações muito maiores no tamanho, na forma e no grau de convoluções 
da membrana interna.
232
Na membrana interna da mitocôndria estão alojados os complexos (I, II, III, IV) 
da cadeia respiratória, a coenzima Q (ou ubiquinona) e a ATP sintase, que realizam a 
fosforilação oxidativa. Cada complexo é constituído por diversas subunidades proteicas 
associadas a grupos prostéticos diferentes como a heme, o cobre, e centros Fe-S 
(Figura 42). A presença desses metais é importante para permitir as reações de óxido-
redução. A coenzima Q é um componente móvel com propriedades hidrofóbicas, que se 
difunde facilmente na bicamada lipídica da membrana mitocondrial. 
Figura 42 – Os componentes proteicos da cadeia mitocondrial de transferência de elétrons
*Número de subunidades em equivalentes bacterianos entre parenteses.
'O citocromo c não é parte do complexo enzimático, ele se move entre os complexos III e IV como proteína 
livremente solúvel.
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.738)
Proteína/complexo enzimático
Massa 
(kDa)
Número de 
subunidades*
Grupo(s) 
prostético(s)
I NADH-desidrogenase 850 43 (14) FMN, Fe-S
II Succinato-desidrogenase 140 4 FAD, Fe-S
III Ubiquinona: citocromo 
c-oxidorredutase
250 11 Hemes, Fe-S
Citocromo c1 13 1 Heme
IV Citocromo-oxidase 160 13 (3-4) Hemes; CuA, CuB
Esses complexos I, II, III e IV, na cadeia respiratória, são ordenados por ordem crescente 
de potencial redox.  O potencial de óxido-redução (Eo), ou potencial redox, é a afinidade de uma 
molécula por elétrons (em Volts),é uma medida da capacidade de uma molécula de aceitar 
ou doar elétrons. A mudança no potencial redox, ou ΔEo, está inversamente relacionada à 
mudança na energia livre, o ΔGo. A transferência de elétrons do NADH para o O2 na cadeia 
respiratória é exergônica, ou seja, libera energia, possui ΔEo>1, resultando em ΔGo (- 220 kJ/
mol) negativo. Isso devido ao alto potencial redox do O2, que permite que ele aceite elétrons 
facilmente. A energia livre liberada dessas reações é capturada para bombear prótons, 
resultando em um gradiente eletroquímico utilizado para produzir ATP pela ATP sintase.  
Os complexos respiratórios se associam firmemente uns com os outros na 
membrana interna para formar respirassomos. Esses complexos trabalham em conjunto 
para realizar o processo de fosforilação oxidativa. O NADH e o FADH2 cedem elétrons, 
respectivamente, aos complexos I e II. Os elétrons são transferidos do complexo I ou II 
para o complexo III pela coenzima Q (abreviado Q), e do complexo III para o complexo IV 
pelo citocromo C para chegar ao O2. O fluxo de elétrons é acompanhado por efluxo de 
prótons da matriz para o espaço intermembrana (Figura 43).
O complexo I, é a primeira enzima e o maior complexo da cadeia chamado de 
NADH:ubiquinona-oxidoredutase ou NADH-desidrogenase. Esse complexo catalisa 2 
processos simultâneos:  
233
• Transferência exergônica de elétrons, em que oxida o NADH mitocondrial e transfere 
elétrons através de complexos Fe-S e FMN para Q, que assume a forma reduzida, 
QH2; e 
• Transferência endergônica de 4 prótons (H+) para o espaço intermembrana, que dá 
início à primeira etapa na formação do gradiente de prótons. 
O Complexo II é a enzima succinato desidrogenase, que também participa no 
ciclo de Krebs: 
• Catalisa a oxidação de succinato a fumarato e redução de FAD a FADH2. Os elétrons 
são doados a Q. 
• Não contribui para o gradiente de prótons. 
A coenzima Q recebe elétrons dos complexos I e II, bem como do FADH2 do 
metabolismo de glicerol e da primeira reação da β-oxidação de ácidos graxos, e 
converte-se na forma reduzida, QH2. 
O Complexo III é chamado de Ubiquinona: citocromo c-oxido redutase.    O 
citocromo C é uma proteína periférica, associada à superfície externa da membrana 
mitocondrial através de interações eletrostáticas. Possui um grupo prostético heme, 
que aceita e transfere elétrons. No complexo III, o QH2 reduzido é reoxidado. São duas 
reações desse complexo: 
• Transferência de elétrons do QH2 para o citocromo c, passando por 2 ciclos de 
redução do Citocromo c, com a formação da semiquinona (QH.). 
• Transferência de 4 prótons (H+), sendo dois de QH2 e dois da matriz – para o espaço 
intermembrana, contribuindo para o gradiente de prótons.  
O Complexo IV é a última enzima da cadeia de transporte de elétrons, conhecido 
como citocromo oxidase. Esse complexo carrega elétrons do citocromo C para o oxigênio 
molecular, reduzindo-o a H2O. São duas reações desse complexo: 
• Passagem de elétrons do citocromo C até o lado da matriz mitocondrial. A redução 
do O2 por quatro elétrons ocorre em 4 ciclos pois os centros redox carregam apenas 
um elétron por vez.
• Transferência de 2 prótons para o espaço intermembrana. 
Ao final da cadeia respiratória, o bombeamento de prótons produz um gradiente 
de prótons. A concentração maior de H+ do lado de fora e menor do lado de dentro 
altera o pH e cria uma diferença de cargas elétricas, o que resulta na formação de um 
gradiente eletroquímico.  
Na teoria quimiosmótica formulada por Paul Mitchel, a energia conservada nesse 
gradiente eletroquímico é chamada de força próton-motriz (Figura 43). O retorno dos 
prótons do espaço intermembrana para a matriz mitocondrial é um processo espontâneo 
234
a favor do gradiente eletroquímico e com liberação de energia.  Esse retorno de prótons 
ocorre pelo canal do complexo da ATP-sintase, e a energia proveniente da força próton-
motriz permite o processo endergônico para gerar e liberar o ATP. 
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48
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Nessa simples representação da teoria quimiosmótica aplicada às mitocôndrias, os 
elétrons do NADH e de outros substratos oxidáveis passam por meio de uma cadeia de 
carregadores assimetricamente arranjados na membrana interna. O fluxo de elétrons 
é acompanhado pela transferência de prótons através da membrana, produzindo 
tanto um gradiente químico (ΔpH) quanto um gradiente elétrico (Δ¥) (combinados, 
a força próton-motriz). A membrana mitocondrial interna é impermeável a prótons; 
235
os prótons só podem retornar à matriz através de canais específicos de prótons (Fo). 
A força próton-motriz que direciona os prótons de volta para a matriz proporciona a 
energia para a síntese de ATP, catalisada pelo complexo F1, associado ao Fo.
A transferência de elétrons na cadeia e a síntese de ATP são obrigatoriamente 
acopladas, o que significa que são dependentes uma da outra. Sem o retorno de 
elétrons pelo canal da ATP-sintase, o gradiente de prótons se dissiparia e a transferência 
de elétrons pelos complexos cessaria. Dessa forma, seria impossível continuar o 
bombeamento de elétrons (pelos complexos) contra o gradiente eletroquímico.  
Algumas moléculas, no entanto, fornecem uma via alternativa para os prótons 
retornarem à matriz mitocondrial e são chamados de desacopladores. A proteína 
desacopladora termogenina utiliza a energia do gradiente eletroquímico para ser 
dissipada em calor. Essa proteína está presente no tecido marrom de mamíferos e no 
recém-nascido.  
O gradiente de prótons também está presente nos flagelos das bactérias, 
proporcionando o movimento bacteriano.  
A ATP sintase é a principal fonte de ATP das células. Possui dois complexos F0 e 
F1 divididos em subunidades. F0 é a porção incluída na membrana com o rotor e o canal 
de passagem de prótons. F1 é a porção que se estende para a matriz da mitocôndria e que 
sintetiza ATP (Figura 44). O mecanismo de síntese de ATP pode ser divido em 3 etapas: 
• A subunidade beta de F1 liga-se ao substrato (ADP+Pi) e muda sua conformação; 
• A passagem de prótons por F0 libera energia e ativa o rotor, que movimenta as 
subunidades de F1.
• Ao final da rotação, a subunidade gama força a subunidade beta para liberar o ATP 
e retornar à sua conformação original. 
A rotação da ATP-sintase pode ser visualizada por microscópio pela marcação 
do complexo F0 com filamento de actina fluorescente.  
236
Figura 44 – Demonstração experimental da rotação de Fo e de Ƴ
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.754)
O F1 foi geneticamente modificado para conter uma sequência de resíduos de His, 
adere-se firmemente a uma lâmina de microscópio coberta com um complexo de Ni; 
a biotina é covalentemente ligada a uma subunidade c de Fo. A proteína avidina, que 
liga firmemente a biotina, está covalentemente ligada a longos filamentos de actina 
marcada com uma sonda fluorescente. A ligação biotina-avidina agora liga filamentos 
de actina à subunidade c. Quando o ATP é fornecido como substrato para a atividade 
ATPásica de F1, observa-se o filamento marcado rodar continuamente em uma 
direção, provando que o cilindro Fo de subunidades c gira. Em outro experimento, 
um filamento de actina fluorescente foi ligado diretamente à subunidade g. A série 
de micrografias fluorescentes (ler da esquerda para a direita) mostra a posição 
do filamento de actina em intervalos de 133 ms. Observe que, à medida que o 
filamento gira, ele faz um salto discreto a cada cerca de 11 quadros de imagens. 
Presumivelmente, o cilindro e o eixo se movem como uma unidade.
A força próton-motriz também propicia o transporte de 4 ATP para fora da matriz 
em troca de 3 ADP para dentro da matriz (Figura 45).
O fosfato é transportado para dentro da matriz através de translocase específica 
do tipo simporte juntamente com a entrada de prótons.  
237
Figura 45 – Adenina-nucleotídeo e fosfato-translocases
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.757)Sistemas de transporte da membrana mitocondrial interna carregam ADP e Pi para 
a matriz e ATP recentemente sintetizado para o citosol. A adenina-nucleotídeo-
translocase é um antiportador; a mesma proteína move ADP para a matriz e ATP 
para fora. O efeito de substituir ATP4- por ADP3- na matriz é o efluxo líquido de uma 
carga negativa, favorecido pela diferença de cargas através da membrana interna 
(positiva fora). Em pH 7, o Pi está presente tanto como HPO4- quanto como H2PO4-. 
A fosfato-translocase é específica para H2PO4-. Não existe nenhum fluxo líquido 
de carga durante o simporte de H2PO4- e H+, mas a concentração relativamente 
baixa de prótons na matriz favorece o movimento de H+ para dentro. Assim, a força 
próton-motriz é responsável por proporcionar energia para a síntese de ATP e por 
transportar substratos (ADP e Pi) para dentro e produto (ATP) para fora da matriz 
mitocondrial. Todos esses três sistemas de transporte podem ser isolados como um 
único complexo ligado à membrana (ATP sintassomo).
O número de ATP sintetizado por O2 consumido, é a razão P/O. O valor experimental 
mais amplamente aceito para o número de prótons requeridos para possibilitar a síntese 
de uma molécula de ATP é 4, porém 1 ATP é usado no transporte de Pi, ATP e ADP 
através da membrana mitocondrial. Assim na fosforilação oxidativa, para cada NADH, 
formam-se 3 ATPs e, para cada FADH2, são 2 ATPs.
No entanto, o transporte de fosfato também requer o movimento de prótons 
para dentro da matriz, o que reduz a contagem de ATPs para 2.5 para o NADH e 1.5 para 
FADH2. Essa razão P/O pode variar um pouco em diferentes organismos, dependendo 
238
das propriedades da ATP sintase de gerar ATP.    Alguns organismos podem ter uma 
ATP sintase um pouco mais eficiente, o que resultaria em uma proporção maior de ATP 
produzida por NADH e FADH2.
No total, a oxidação de uma molécula de glicose via glicólise, a reação do 
complexo piruvato desidrogenase, o ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa produzem 
entre 30-32 ATP (Figura 46).
Figura 46 – Estequiometria da redução de coenzimas e formação de ATP na oxidação aeróbia da glicose via 
glicólise, reação do complexo da piruvato-desidrogenase, ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa 
Reação
Número de ATP ou 
coenzimas reduzidas 
diretamente formados
Número de ATP formados 
no final do processo*
Glicose à glicose-6-fosfato -1 ATP -1
Frutose-6-fosfato à frutose-
1,6-bifosfato
-1 ATP -1
2 Gliceraldeído-3-fosfato à 
2 1,3-bifosfoglicerato
2 NADH 3 ou 5'
2 1,3-Bifosfoglicerato à 
23-fosfoglicerato
2 ATP 2
2 Fosfoenolpiruvato à 
2 piruvato
2 ATP 2
2 Piruvato à 2 acetil-CoA 2 NADH 5
2 Isocitrato à 
2 a-cetoglutarato
2 NADH 5
2 a-Cetoglutarato à 
2 succinil-CoA
2 NADH 5
2 Suecinil-CoA à 2 succinato A ATP (ou 2 GTP) 2
2 Succinato à 2 fumarato 2 FADH2 3
2 Malato à 2 oxaloacetato 2 NADH 5
Total 30-32
*Calculado como 2,5 ATP por NADH e 1,5 ATP por FADH. Um valor negativo Indica consumo.
* O número formado é 3 ou 5, dependendo do mecanismo utilizado para a transferência de equivalentes de 
NADH do citosol para a matriz mitocondrial; ver Figuras 19-30 e 19-31.
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.649)
A passagem de elétron pelos complexos pode resultar ocasionalmente em 
transferências de elétrons para o O2, formando um radical livre, superóxido altamente 
reativo (O2+e-à•O2
-). e outras espécies reativas de oxigênio (ERO) e o peróxido de 
hidrogênio.  Essas espécies reativas de oxigênio podem provocar sérios danos oxidativos, 
reagindo com enzimas, lipídeos de membranas e ácidos nucleicos. As células reagem, 
239
acionando os sistemas de enzimas antioxidantes como a superóxido-dismutase (SOD) e 
a glutationa-peroxidase (GPx). A GPx atua oxidando a glutationa, que é então regenerada 
pela glutationa redutase, utilizando o NADPH. 
A fosforilação oxidativa é regulada pelas demandas energéticas da célula, do 
ADP e a razão ATP/ADP+Pi, e também depende do suprimento de NADH e FADH2.  O 
ATP e ADP podem alterar a velocidade da fosforilação oxidativa, pois também estão 
envolvidos na regulação dos outros estágios da respiração celular.  
Algumas drogas são capazes de atuar especificamente sobre cada complexo da 
cadeia, bloqueando sua ação e com consequências na síntese de ATP. São exemplos: no 
Complexo I, os barbituratos e rotenona (inseticida); no Complexo II, o malonato (similar 
ao succinato) é um inibidor competitivo; no Complexo III, o antibiótico antimicina; no 
Complexo IV, cianeto e CO; e a ATP sintase, o antibiótico oligomicina. 
Fonte: Nelson & Cox (2014, p.588)
NOTA
240
O metabolismo como malha tridimensional. Uma típica célula eucariótica tem a capacidade 
de produzir cerca de 30.000 proteínas diferentes, que catalisam milhares de reações 
diferentes envolvendo muitas centenas de metabólitos, muitos deles compartilhados por 
mais de uma “via”. Nesta imagem resumida e muito simplificada das vias metabólicas, cada 
ponto representa um composto intermediário e cada linha de conexão representa uma 
reação enzimática.
Consulte no banco de dados KEGG PATHWAY com mapa interativo do 
metabolismo: https://bit.ly/42AJTxt 
VIDEO A Mitocôndria em 3 Atos: https://bit.ly/3JIFhwx; https://bit.
ly/3K5huZ6; https://bit.ly/40C0pLT
DICA
241
De onde menos se espera
Atletas de elite que têm um gênero específico de bactérias no intestino 
apresentam recuperação muscular mais acelerada e, consequentemente, 
melhor desempenho. 
Franklin Rumjanek
Instituto de Bioquímica Médica
Universidade Federal do Rio de Janeiro 
Revista Ciência Hoje
O sucesso de atletas de elite depende de muitos fatores. Estamos acostumados a 
acompanhar relatos diversos que descrevem protocolos rígidos, geralmente, envolvendo 
treinamento árduo, alimentação controlada, descanso e, em alguns casos, a dopagem – 
prática proibida que consiste na injeção de compostos, como a testosterona (hormônio 
anabolizante), para aumentar a massa muscular dos atletas. Jamais imaginaríamos 
que um dos segredos do sucesso poderia ter origem no intestino dos atletas, mais 
especificamente, num gênero de bactérias com o curioso nome de Veillonela atypica.
Pesquisadores norte-americanos descobriram que, durante – e logo após – o 
exercício vigoroso, ocorre o crescimento agudo de populações de bactérias V. atypica 
nos intestinos de alguns maratonistas. A pergunta seguinte foi: qual a relação desses 
microrganismos com o desempenho dos atletas de elite? Essa pergunta foi respondida 
recentemente e se encontra no artigo do biólogo molecular Jonathan Scheiman e 
colaboradores publicado na revista Nature Medicine em junho último.
LEITURA
COMPLEMENTAR
242
Para explicar esse fenômeno, é preciso antes descrever rapidamente um pouco 
o que acontece no metabolismo. Um exercício como a maratona implica a contração 
muscular repetitiva durante um período relativamente longo. Para que a contração 
ocorra, o músculo usa a glicose como combustível. O metabolismo rápido da glicose se 
faz por intermédio de um processo chamado de glicólise anaeróbica, que compreende 
uma série de reações químicas que acontecem na ausência de oxigênio. Essas reações 
geram adenosina trifosfato (ATP), composto importante para a contração muscular.
Acontece que, juntamente com o ATP, a glicólise também produz o lactato ou 
ácido láctico. Quem já fez exercícios repetitivos sabe que, ao final de certo tempo, o 
músculo sofre fadiga, o que produz uma sensação bem conhecida de queimação ou dor 
e, nesse momento, a pessoa deve parar o exercício. Quando isso acontece, o desconforto 
cessa e, após algum tempo, os músculos estão prontos para continuar a contrair.
Quem provoca essa sensação é o lactato, que nada mais é do que um ácido. 
Ao se acumular, esse ácido acaba produzindo uma acidez local, responsável por essa 
sensação de fadiga. Durante o descanso, o lactato sai do músculo e entra na corrente 
sanguínea e, também, nos intestinos, de onde acaba sendo excretado ou, então, 
utilizado em outras vias metabólicas.
Para