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BIOQUÍMICA · Mostra como o conjunto de moléculas que constituem os organismos vivos interagem para manter e perpetuar a vida. · É estudada para compreender a interação entre nutrição, metabolismo e genética na saúde e na doença. Propriedades dos organismos vivos · Complexidade química e organização macroscópica. · Sistemas para extrair, transformar e utilizar energia do ambiente. · Funções definidas e interações reguladas. · Mecanismos para sentir e responder às alterações no seu ambiente. · Capacidade de autorreplicar e automontar com precisão. · Capacidade de se alterar. Hierarquia estrutural na organização molecular das células Biomoléculas · C, H, O e N. · Carboidratos, lipídios, proteínas, ácidos nucleicos. ➥ Função: armazenamento, estrutural, regulação, sinalização e transporte. Grupos funcionais · Em uma única molécula Solubilidade é influenciada pela presença de grupos funcionais: · Quanto mais grupos funcionais polares ➥ maior a solubilidade em água. ➥ hidroxila, carbonila, carboxila e amino. Interações entre biomoléculas · Todas as interações químicas devem-se às ligações químicas dos seus grupos funcionais. ➥ Ligações covalentes: entre átomos. ➥ Forças de Van der Walls: de atração entre moléculas polares. ➥ Ligações de hidrogênio: forças atrativas entre íons de cargas opostas. ➥ Interações hidrofóbicas: forças de repulsão a água e moléculas com grupos apolares. Água · Substância mais abundante no organismo. · 70% do peso corporal. · Solvente universal. · Indispensável aos processos metabólicos (participa como reagente). · Manutenção da temperatura corporal e pressão osmótica dos fluidos e volume das células. · Ligações de hidrogênio são responsáveis pelas propriedades incomuns. · Dois átomos de H que podem ser doadores e dois elétrons que podem atuar como receptores. · Molécula polar. · Interagem umas com as outras por ligações de hidrogênio. · No máximo 4 ligações de hidrogênio com outras moléculas de água. Água como solvente: · Interage eletrostaticamente com solutos carregados. · Dissolve a maioria das biomoléculas (compostos carregados ou polares). · Ótimo solvente para substâncias polares e iônicas (hidrofílicas). · Substâncias apolares são insolúveis em água (hidrofóbicas). · Dissolve sais por hidratação e estabilização dos íons, enfraquecendo interações eletrostáticas entre eles (neutralizando a tendência de se associar em uma rede cristalina). · CO2, O2, N2, são apolares - pouco solúveis em água. · Organismos tendem a ter proteínas transportadores (hemoglobina e mioglobina). · CO2 em água é transportado como íon bicarbonato (HCO3). · NH3, NO, H2S - polares, se dissolvem facilmente em água e ionizam em solução aquosa. Biomoléculas hidrofílicas: solúveis em água. Biomoléculas hidrofóbicas: pouco solúveis em água. Biomolécula anfipática: possui uma parte polar e uma apolar. Eletronegatividade: propriedade periódica. ➥ poder de atração sobre o par de elétrons. Tipos de interações intermoleculares · Ligação de hidrogênio: entre polares (H ➥ F, O, N). · Dipolo-dipolo: entre polares. · Dipolo induzido: entre apolares. Interações intermoleculares · Influenciam nas propriedades físicas. · Manutenção da estrutura tridimensional das biomoléculas (forma = função). Interações fracas em moléculas biológicas · A estrutura das moléculas são determinadas pela influência coletiva de muitas interações fracas. ➥ interações iônicas, forças de van der Waals e as ligações de hidrogênio. ➥ Associações de grupos iônicos de cargas opostas. ➥ Associações não-covalentes entre moléculas neutras (surgem de interações eletrostáticas entre dipolos). EQUILÍBRIO ÁCIDO-BASE pH = -log[H+] Sistema tampão no organismo Variação do pH sanguíneo · Através de resíduos metabólicos. · Oxidação da glicose: glicose + O2 → ATP +CO2 + H2O · Quebra de aminoácidos: compostos inorgânicos (NH4+ e SO4 2-). · Respiração anaeróbica: ácido láctico. · Metabolismo de lipídeos: cetoácidos. Perigos da variação de pH · Afeta ionização de proteínas → alteração da conformação (interação entre AA). · Afeta atividade de enzimas Forma = função · Afeta canais iônicos. · Transporte de oxigênio. Manutenção do equilíbrio ácido-base · Pulmões: controlam a troca do CO2 e O2 entre o sangue e a atmosfera externa. · Eritrócitos: transportam os gases entre os pulmões e os tecidos. · Rins: controlam a síntese do bicarbonato plasmático e a excreção do íon hidrogênio. Controle da variação de pH · Sistema tampão: o sangue e os tecidos contem sistemas-tampão que minimizam as alterações na concentração do íon hidrogênio. · Ventilação: remoção CO2. · Sistema renal: reabsorção de bicarbonato e excreção do íon hidrogênio. → principal sistema. Sistema tampão A equação determina que o pH é mantido de acordo com a concentração do componente básico e do ácido. Equação de Henserson-Hasselbalch · pCO2 é controlada pelos pulmões → componente respiratório do equilíbrio ácido-base. · [bicarbonato] controlada pelos rins e eritrócitos →componente metabólico o equilíbrio ácido-base. · Os rins regulam a reabsorção e a síntese de bicarbonato e os eritrócitos ajustam sua concentração plasmática em resposta a mudanças na pCO2. pH sanguíneo · Componente metabólico: rim. · Componente respiratório: pulmão. Distúrbios · DPOC: acúmulo de CO2 → reabsorção de HCO3- (rim). · ↓pCO2: hiperventilação (crise de asma) → resposta renal → diminuição da reabsorção de bicarbonato. · Cetoacidose diabética: ↓[HCO3-] e ↓pH → estimulação do centro respiratório (↑frequência respiratória) → CO2 expirado. ↑[HCO-] causa ↑pH → ↓frequência ventilatória → retenção de CO2. Alteração compensatória: tende a normalizar a razão · Ajudando a trazer de volta o pH ideal. Hipercalemia · H+ em excesso no plasma → entre nas células por troca com o K+ → aumento da [K+] plasmática. Hipocalemia · ↓[H+] no plasma → H+ entra no plasma por troca com o K+ → diminuição da [K+] plasmática. Troca gasosa · Os pulmões fornecem o O2 necessário para o metabolismo dos tecidos e removem o CO2 formado. · Os eritrócitos transportam CO2 para os pulmões em uma forma "fixa" como bicarbonato. Distúrbios primários · Acidose → acidemia → ↑[H+]. · Alcalose → alcalemia → ↓[H+]. · Pulmão e rim atuam em conjunto para minimizar mudanças no pH plasmático e podem compensar um ao outro quando surgirem problemas. ➥ compensação respiratória ocorre em min; metabólica demora horas a dias. · Acidose respiratória → mais frequentemente; redução na ventilação; ex: DPOC. · Acidose metabólica → produção excessiva, ineficiente ou excreção ineficiente de ácidos não voláteis; ex: cetoacidose diabética. · Alcalose respiratória → mais rara; ex: hiperventilação durante exercício, ataques de ansiedade ou febre. · Alcalose metabólica → concentração de K+ (anormalmente baixa); ex: perda de H+ durante o vômito, nasogástrica após cirurgia, aspirações excessivas de bicarbonato (ressuscitação parada cardíaca). · Excesso de ácido: grandes quantidades de bicarbonato de sódio podem ser ingeridas. · Excesso de base: administrar cloreto de amônio por via oral. AMINOÁCIDOS Composição química das células · Água: 70% · Proteínas: 15% · Ácidos nucleicos: 7% · Carboidratos: 3% · Lipídios: 2% · Sais minerais: 2% · Outros: 1% Proteínas · Macromoléculas biológicas mais abundantes, ocorrem em todas as células e compartimentos celulares. · Polímeros de aminoácidos ligados covalentemente. · Compostas por 20 aminoácidos diferentes. → α-aminoácidos Os aminoácidos apresentam grupo amino e o grupo carboxila ligados ao mesmo carbono. Estrutura química: · Todos apresentam um centro quiral (exceto a glicina) no carbono α. · Apresentam dois possíveis esteroisômeros (enantiômeros). · Configuração D ou L. → baseada no gliceraldeído. · Esteroisômeros: 'imaginar um espelho entre as estruturas' uma é o reflexoda outra; quando sobrepostas, não se encaixam. Nomenclatura · D - aminoácidos: grupo amino na direita. · L - aminoácidos: grupo amino na esquerda. → todos os aminoácidos originários das proteínas apresentam configuração. · Resíduos de Aas em proteínas são exclusivamente esteroisômeros L. → as células são capazes de sintetizar especificamente os L isômeros dos Aas porque os sítios ativos das enzimas são assimétricos, induzindo que as reações que elas catalisam sejam esteroespecíficas. Classificação · Baseadas nas propriedades das cadeias laterais ou tendência de interagir com a água em pH biológico. → Grupos R apolares, alifáticos → Grupos R aromáticos → Grupos R não-carregados, polares → Grupo R positivamente carregados (básicos) → Grupos R negativamente carregados (ácidos) Aminoácidos incomuns · Resultam da modificação específica de um resíduo de aminoácido após a síntese proteica. · Ocorre adição de grupos químicos nas cadeias laterais de AA: hidroxilação, metilação, acetilação, caboxilação e fosforilação. → Exemplos: · 4-hidroxiprolina: derivado da prolina; parede celular de plantas e no colágeno. · 5-hidroxilisina: derivado da lisina; colágeno. · 6-N-metil-lisina: constituinte da miosina (proteína contrátil do músculo). · Y-cabroxiglutamato: fatores de coagulação sanguínea (protombina, fator VII, fator IX, fator X, proteína C e S). · Selenocisteína: contém 'Se' no lugar de 'S' da cisteína; derivada da serina; poucas proteínas. · Outros 300 aa são encontrados nas células, mas não são constituintes das proteínas. Funções biológicas · Estrutura da célula. · Hormônios. · Receptores de proteínas e hormônios. · Transporte de metabólitos e íons. · Atividade enzimática. · Imunidade. · Gliconeogênese no jejum e diabetes. Propriedades ortomoleculares · Antioxidante. · Pro-oxidante. · Metilação e remetilação. · Quelante. · Desintoxicante. · Precursor de hormônios. Funções especializadas · Mensageiros químicos na comunicação entre células. · Glicina, ácido y-aminobutírico (GABA) e a dopamina → neurotransmissores. · Histamina → produto da descaboxilação da histadina; mediador local em reações alérgicas. · Tiroxina → hormônio tireóideo, derivado da tirosina. → Fenilcetonúria · Deficiência na enzima fenilalanina hidroxilase, que converte a fenilalanina em tirosina. · Sintomas: convulsões, microcefalia, transtornos mentais... Atuação como ácidos e bases · Quando dissolvido na água, ele existe em solução como um íon bipolar, ou zwitterion. · Ácidos: doador de prótons · Bases: receptor de prótons. → alterações no pH · Substâncias anfotéricas → SISTEMA TAMPÃO Ligações peptídicas · Condensação entre carboxila terminal com porção amino terminal. · Exemplos importantes: insulina, glucagon, vasopressina. Curvas de titulação · pKa → medida da tendência de um grupo doar um H+. · Relação entre a carga elétrica líquida e o pH da solução. · Todos os aa com apenas um grupo α-amino e um grupo carboxila, e um grupo R não-ionizável, possuem curvas de titulação semelhantes a da glicina. · Aa com grupo R ionizável → curvas com três estágios de ionização. Ponto isoelétrico (pI) → pH característico onde a carga elétrica líquida é zero. · pH para o qual a molécula não conduz eletricidade. · Para os α-aminoácidos: Generalidades · Vegetais fabricam aa a partir de cadeias de carbono obtidas na fotossíntese e de nitrato (NO3-) retirado do ambiente. · Animais não produzem aa. · Seres humanos → obter os aa da quebra de proteínas. → Essenciais: obtidos pela alimentação. → Não-essenciais: sintetizados pelo organismo. PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS · São formados pela união de aminoácidos. · Proteínas: peso molecular maior que 10.000. · Oligopeptídio: poucos aa unidos. · Polipeptídio: muitos aa unidos - geralmente apresentam peso molecular abaixo de 10.000. Definições · Subunidades múltiplas: proteínas com mais de uma cadeia polipeptídica. · Proteína oligomérica: pelo menos duas cadeias polipeptídicas são idênticas e as unidades idênticas são referidas como protômeros. · Para calcular o nº aproximado de resíduos de aa de uma proteína simples, não contendo nenhum outro constituinte químico, dividimos seu peso molecular por 110. · Algumas proteínas contém outros grupos químicos além dos aa → proteínas conjugadas. → Grupo prostético: parte não-aminoácido de uma proteína conjugada. · Lipoproteínas. · Glicoproteínas. · Metaloproteínas. Proteínas → Conformação: arranjo espacial dos átomos em uma proteína. → Proteínas nativas: em qualquer uma de suas conformações mais estáveis. → Estabilidade: tendência a manter uma conformação nativa. · As interações hidrofóbicas são importante na estabilização de uma conformação proteica → o interior de uma proteína é geralmente um núcleo densamente empacotado das cadeias laterais dos aa hidrofóbicos. → quaisquer grupos polares ou carregados no interior da proteína tenham parceiros adequados para formar ponte de hidrogênio ou interações iônicas. Estrutura: → Estrutura primária: ligação entre os aa, sequência na qual estão ligados → Ligação peptídica: possui caráter de dupla ligação devido à ressonância. → Estrutura secundária: qualquer segmento de uma cadeia polipeptídica e descreve o arranjo espacial de seus átomos na cadeia principal, sem considerar a posição de suas cadeias laterais ou sua relação com outros segmentos. · Arranjo espacial dos resíduos de aa que estão adjacentes na estrutura primária. · Refere-se à conformação local de alguma parte de um polipeptídio. α-hélice · Se forma mais facilmente devido ao fato de fazer uso máximo das pontes de hidrogênio internas. · A estrutura é estabilizada por uma ponte de hidrogênio entre o átomo de H ligado ao átomo de N eletronegativo da carbonila do quarto aminoácido no lado terminal amino daquela ligação peptídica. Fatores que afetam: · Repulsão eletrostática (ou atração) entre resíduos de aa sucessivos com grupos R carregados (glu, asp, hys, lys, agn). · Volume dos grupos R adjacentes (triptofano). · Interações entre grupos R espaçando três (ou quatro) resíduos entre si.. · Ocorrência de resíduos de Pro e Gly (interrompe a α-hélice). · Interação entre resíduos de aa nas extremidades do segmento helicoidal e do dipolo elétrico inerente a uma α-hélice. Folha B · Conformação mais estendida. · O esqueleto é estendido em ziquezague em vez da estrutura helicoidal, que arranjadas lado a lado formam estruturas que lembram folhas. · As pontes de H são formadas entre os segmentos adjacentes da cadeia polipeptídica. · Os grupos R de aa adjacentes projetam-se da estrutura em ziguezague em direções opostas. Voltas β · Elementos conectores que ligam estruturas sucessivas de hélices α e conformações β. · Dobras de 180º envolvendo quadro resíduos de aa, com o H da carbonila do 1º resíduo formando uma ponte de H com o H do grupo amino do 4º. → Estrutura terciária: arranjo tridimensional geral de todos os aa em uma proteína · Algumas proteínas contém duas ou mais cadeias polipeptídicas separadas, ou subunidades, que podem ser idênticas ou diferentes. → Estrutura quaternária: arranjo das subunidades proteicas em complexos tridimensionais. → Proteínas fibrosas: cadeias polipeptídicas arranjadas em longos filamentos ou folhas. · Geralmente um único tipo de estrutura secundária. · α-queratina: parte de uma família maior de proteínas chamadas de proteínas do filamento intermediário. → cabelo, lá, unhas espinhos, chifres, garras, cascos, e maior parte da camada externa da pele. → alfa-hélice de sentido da mão direita. → rica em resíduos hidrofóbicos: ala, val, leu, lle, met e pe. → estrutura quaternária · Colágeno: fornecer resistência. → encontrado no tecido conectivo. → mais de 20 tipos. → α-hélice sentido da mão esquerda; possui três resíduos de aa por volta. → espiral com estrutura terciária e quaternária distintas: 3 cadeias polipeptídicas separadas (cadeias α são entrelaçadasentre si). → constituição típica: 35% gly, 11% ala e 21% pro 2 4-hyp. → envelhecimento do tecido conjuntivo: acúmulo de ligações cruzadas covalentes nas fibrilas. → Proteínas globulares: cadeias polipeptídicas enoveladas em uma forma esférica ou globular. · Normalmente contém diversos tipos de estrutura secundária. · Segmentos diferentes de uma cadeia polipeptídica enovelam entre si, gerando uma forma compacta em relação aos polipeptídeos em uma conformação estendida. · Enzimas, proteínas de transporte, motoras, reguladoras, imunoglobulinas... · Mioglobina → armazenamento de O2 e distribuição muscular. → proteína de ligação do oxigênio das células musculares. → grupo heme. · Hemoglobina → vertebrados, onde as trocas gasosas são efetuadas por elementos componentes do sangue. → transporta O2 dos pulmões aos tecidos. → CO2 produzido nos tecidos é convertido a ácido carbônico, que se ioniza em bicarbonato e H+. → bicarbonato é transportado pelo sangue até os pulmões, onde é eliminado como CO2 e os íons H+ são removidos pela hemoglobina. → a ligação da primeira molécula de O2 facilita a ligação das demais: cooperativismo. → a afinidade da hemoglobina por O2 diminui com o aumento da temperatura: maior disponibilidade de O2 quando a demanda de energia é alta, devido ao aumento do metabolismo celular. → a afinidade da hemoglobina pelo O2 varia com o pH: é tanto menor quanto menor o pH. Hemoglobinas anormais → mutações que determinam alterações estruturais. → anemia falciforme. Carga elétrica · A carga elétrica total é o somatório das cargas apresentadas pelos radicais dos aa que a compõem. → depende do valor do pKa e do pH da solução. · Para cada proteína existe um PI onde a molécula é eletricamente neutra. → PI não pode ser calculado a partir do pKa → é determinado experimentalmente (valor onde proteína migra quando exposta a um campo elétrico). Desnaturação · Perda da estrutura tridimensional, suficiente para causar perda da função. · → Agentes desnaturantes: calor, extremos de pH, solventes orgânicos miscíveis (álcool ou acetona), certos solutos (ureia e cloreto de guanidina), e detergentes. Renaturação · Recuperam sua estrutura nativa e a atividade biológica se retornassem às condições onde a conformação nativa é estável. Dobramento → Dobramentos inadequados · Proteicos: processo complexo. → são marcadas e degradadas dentro da célula. → agregados podem se acumular (envelhecimento). → associação com doenças. · Amiloidose → acúmulo de amiloides: doenças degenerativas (Alzheimer). → peptídeo amioide Aβ (40-43 resíduos de aa) conformação característica de folha β pregueada neurotóxico: prejuízo cognitivo. Doença do Príon - vaca louca · Proteína infecciosa. · Altamente resistente à degradação e na forma. · α-hélice nas formas não infecciosas são substituídas por folhas β nas formas infecciosas. ENZIMAS · Poder catalítico. · Alto grau de especificidade pelo substrato. · Aceleram reações químicas → funcionam em soluções aquosas sob condições moderadas de pH e temperatura. · Atuam em sequências organizadas catalisando centenas de reações. · Enzimas reguladoras. · Deficiência ou super atividade → diversas doenças. · Maioria são proteínas, exceto pequeno grupo de RNA catalítico. · Atividade catalítica depende da integridade da sua conformação nativa de proteína. · As estruturas primárias, secundárias, terciárias e quaternárias proteicas das enzimas são essenciais para sua atividade catalítica. · Pesos moleculares: 12.000 até mais de 1 milhão. → Co-fator: componente químico adicional requerido para a atividade de algumas enzimas. → Co-enzima: complexo orgânico ou molécula metalorgânica requerido para a atividade de algumas enzimas. → Grupo prostético: coenzima ou íon metálicos que seja ligado muito forte ou mesmo covalentemente à uma proteína enzimática. → Holoenzima: enzima cataliticamente ativa completa, juntamente com sua coenzima ligada e/ou íon metálico. · Parte proteica da enzima → apoenzima ou apoptroteína. · Algumas proteínas enzimáticas são modificadas de forma covalente por fosforilação, glicosilação e outros processos → estão envolvidas na regulação da atividade enzimática. Classificações · Sufixo 'ase'. · Em decorrência de sua atividade. · Pelos seus descobridores para uma função mais ampla. · Pela fonte. → Sistema de nomenclatura · 6 classes, subclasse, baseadas no tipo de reação catalisada. · ATP + D-glicose → ADP + D-glicose 6-fosfato → enzima: glicose fosfotransferase - catalisa a transferência de um grupo fosforila do ATP para a glicose EC 2.7.1.1. → O 1º (2) nº indica o nome da classe (transferase). → 2º (7) indica a subclasse (fosfotransferase). → 3º (1) uma fosfotransferase com um grupo hidroxila como receptor. → 4º (1) a D-glicose como um grupo receptor da fosforila. Classificação internacional → Oxido-redutases: reações de transferência de elétrons. → Transferases: transferem grupos (amina, fosfato, acil, carboxil). → Hidrolases: reações de hidrólise (quebra da ligação covalente). → Liases: catalisam a adição de dois grupos à dupla ligação ou a remoção de dois grupos de átomos adjacentes para formar uma dupla ligação. → Isomerases: catalisam reações de isomerização (transferência de grupos dentro de uma mesma molécula). → Ligases: catalisam a ligação de duas moléculas. Análise de enzimas plasmáticas → biomarcadores · Auxiliam do diagnóstico e prognóstico de doenças ou de dano em algum tecido. Funções · Oferecem um ambiente específico dentro do qual uma certa reação possa ocorrer mais facilmente. · A reação se realiza dentro e um bolsão confinado da enzima → sítio ativo. · Molécula que liga no sítio ativo e sobre qual a enzima age → substrato. · Alteram a velocidade da reação e não o equilíbrio, por diminuírem as energias de ativação. · 1894, Emil Fischer: enzimas complementares aos substratos 'chave e fechadura'. · Michel Polanyi (1921) e Haldane (1930): enzima deve ser complementar ao estado de transição da reação. Energia de ligação · Contribui para a especificidade da reação e a catálise. → Ajuste induzido: enzima sofre alteração na conformação quando o substrato se liga, induzida por interações fracas múltiplas com o substrato. · Serve para trazer grupos funcionais específicos da enzima em posição apropriada para catalisar. Cinética enzimática · Afeta a velocidade de uma reação enzimática → concentração do substrato. · [S] → altera durante o curso de uma reação in vitro à medida que o S é convertido em P. · Medir a Vo, quando [S] é muito > [E]. · Efeito sobre o Vo ao variar a [S]. · Se a enzima tiver valor pequeno de Km → atingirá máxima eficiência catalítica em baixas [S]. · Km → único para cada enzima-substrato. · Função da temperatura e do pH. · Muitas enzimas catalisam reações com dois ou mais substratos. → transferência de um átomo ou um grupo funcional de um substrato a outro. → em alguns casos: ambos os S estão ligados à enzima em algum ponto no curso da reação, formando um complexo ternário não-covalente. pH · As enzimas possuem intervalores de pH nos quais sua atividade é máxima. · Em pH maiores ou menores sua atividade diminui. Temperatura Inibidores · Moléculas que interferem na catálise, diminuindo ou interrompendo as reações enzimáticas. → Inibição reversível · Competitiva · Incompetitiva · Mista → Inibição irreversível · Se ligam de forma covalentemente com ou destroem um grupo funcional de uma enzima que é essencial para a atividade enzimática, ou aqueles que formam uma associação não-covalente particularmente estável. · Inativadores suicidas: não reativos até que se ligam ao sítio ativo da enzima específica. Enzimas reguladoras · Aumento ou diminuição da atividade catalítica em resposta a sinais. → Enzimas alostéricas: ligação de compostos reguladores não-covalentes reversíveis → moduladores alostéricos. · Outra forma ou conformação induzida pela ligação de moduladores.· Podem ser inibitórios ou estimuladores. → Homotrópica → Heterotrópica → Modificação covalente reversível. → Proteólise.
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