Aula teorica 1 Revisão à Quimica Orgânica e Introdução à Bioquímica

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INTRODUÇÃO À BIOQUÍMICA 
 
Bioquímica 
O que é? 
Química dos Sistemas Biológicos. 
Estudo da Química da Vida. 
Estudo das Estruturas, Organização 
e Função das Células em Termos Moleculares 
 
 
 
Composição Química dos Seres Vivos 
 
• C, N, O, H, Ca, P, K ⇒ 98% do peso seco dos seres 
vivos; 
• C (61,7%), N (11,0%), O (9,3%) e H (5,7); 
• Outros: Na, Cl, S, I, Zn, Cu, Mg, Mn, Fe... 
Voet, D; Voet, J.D.; Pratt, C.W. Fundamentos de Bioquímica, 2000 
 
 
De onde vieram esses elementos químicos? 
 
 
 
A Origem do Universo 
 
15 a 20 bilhões de anos Æ Big-Bang 
Já nos primeiros instantes da formação do universo, sob a 
intensa energia liberada, produziram-se os primeiros elementos 
químicos. Ainda hoje alguns elementos químicos mais leves são 
gerados por fusão termo-nuclear nas estrelas, como por exemplo 
o He. 
H + H Æ D + positron 
D + H Æ He 3 
He 3 + He 3 Æ He + 2 H 
Esse processo é conhecido como Nucleossíntese ÆCÆÆO... 
 
E as moléculas orgânicas, como surgiram? 
Em nosso planeta (Terra) estima-se que a cerca de 4,3 
bilhões anos surgiram as primeiras moléculas orgânicas (era 
pré-biótica). A atmosfera nesse período era composta 
pricipalmente por H2Og, N2, CO2, CH4, NH3, SO2 e H2. 
 
¾ Alexandre Oparim e J.B.S. Haldane (1930...): radiações UV 
e descargas elétricas provocaram reações Æ primeiros 
compostos orgânicos. 
 
¾ Stanley Miller e Harold Urey (1953): H2O, CH4, NH3 e H2 + 
descagas elétrica Æ compostos orgânicos solúveis 
(aminoácidos, uréia, ácidos orgânicos...). 
 
¾ Hipóteses modernas sugerem que as moléculas complexas 
(RNA, DNA, proteínas, membranas lipídicas) começaram a 
surgir catalizadas no contato com superfícies minerais ricas 
em Fe. 
 
 
¾ Daí para diante, uma multiplicidade de combinações e a 
selecção natural orientaram o nascimento da vida e a sua 
sobre-existência. 
 
O 1° vestígio de vida: 3,5 bilhões de anos. 
Duas premissas são fundamentais no que diz respeito à “Vida”: 
¾ A vida requer água líquida; 
¾ A vida é baseada no carbono. 
 
Por quê? 
Os fenômenos Bioquímicos requerem: 
• Interações Moleculares, Comunicação, Agrupamento molecular. 
Como esses fenômenos sofrem a influência dos diferentes estados da 
matéria? 
 
O estado gasoso 
Gases por definição possuem pouca ou nenhuma atração 
intermolecular. As interações entre moléculas são caracterizadas 
por colisões, frequentemente elásticas, com pouquíssimo tempo 
de contato umas com as outras. Algumas reações ocorrem no 
estado gasoso, porém grandes agrupamentos moleculares não são 
formados devido a falta de forças de atração intermoleculares 
mais fortes. 
 
O estado sólido 
Sólidos são caracterizados por moléculas vizinhas mantidas sob 
rígida orientação espacial. São essencialmente estruturas 
moleculares rígidas, com pouca oportunidade de interações 
moleculares. 
 
O estado líquido 
As atrações moleculares no estado líquido são fortes o bastante 
para permitir a interação entre as moleculas vizinhas, mas não 
fortes o bastante para mantê-las agregadas rigidamente. 
O intercâmbio entre moléculas vizinhas, estruturas complexas e 
comunicação molecular são possíveis. 
 
"O problema" 
Enquanto o estado líquido aparenta ser o mais apropriado para os sistemas 
vivos, o leque de temperaturas de diferentes compostos pode variar 
dramaticamente tornando-se imcompatível com as formas de vida 
conhecidas. 
 
• Oxigênio: ponto de ebulição é -183°C 
• Ferro: ponto de fusão é 1535°C 
• Mercúrio: ponto de fusão é -38,4 °C e ponto de ebulição é 357 °C 
 
Vida baseada em carbono 
A vida requer interações complexas e moléculas complexas para propiciar 
funcionalidades únicas. 
 Por quê não existem organismos vivos compostos por gases nobres ou 
metais? 
 
 
 
• Os gases-nobres possuem a última camada eletrônica completa 
(regra do octeto) e, por isso, não partilham elétrons e nem formam 
ligações covalentes. Eles existem a forma atômica e não formam 
moléculas complexas. A temperaturas muito frias podem ser 
liquefeitos, mas possuem pouca ou nehuma capacidade de reagir 
quimicamente. 
 
• Os metais possuem valência 1 a 3. Oxidam-se facilmente gerando 
cátions que não formam ligações químicas covalentes. 
 
• Os elementos do grupo VII (halogênios) estão a 1 életron de formar 
o octeto completo. Costumam formar ligações simples com outro 
elemento, mormente formam moléculas diatômicas com o mesmo 
elemento (Cl2, F2, Br2, I2), que são gases nas CNTP; ligações simples 
são o limite de sua complexidade. 
As características do carbono 
• É um elemento tetravalente, o que lhe permite formar quatro 
ligações. Sua abilidade para formar duplas e triplas ligações lhe 
permite uma variedade de geometrias (trigonal, planar, linear), além 
da tetraédrica; 
 
• A eletronegatividade do carbono (C) é intermediária entre os 
ametais. Assim, ligações polares podem acontecer com outros 
elementos ametálicos. Em combinação com a geometria molecular 
das ligações feitas com o C, é possível serem formadas moléculas 
polares ou apolares e uma variedade de cargas parciais podem co-
existir em diferentes posições da molécula; 
Eletronegatividade entre os ametais* 
Elemento Eletronegatividade 
F 4,0 
O 3,5 
Cl 3,0 
N 3,0 
Br 2,8 
S 2,5 
C 2,5 
I 2,5 
Se 2,4 
P 2,1 
H 2,1 
*Quanto maior o número, maior a eletronegatividade do elemento. 
 
• O carbono na forma pura, por exemplo como grafite ou diamante, 
não é solúvel em água. As ligações covalentes com outros elementos 
com diferença de eletronegatividade significativa (O, N) tornam as 
moléculas assim constituídas solúveis em água; 
• Compostos com alto conteúdo de carbono tendem a formar fase com 
a água (gasosina, óleos vegetais); 
 
• Em síntese, moléculas complexas podem ser construídas a partir do 
elemento carbono permitindo uma variedade de polaridades, cargas, 
reatividades químicas e outras propriedades físicas (solubilidade, Pe, 
Pf, atividade óptica...). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Moléculas 
contendo 
informação 
Moléculas 
que 
interpretam 
a informação 
Moléculas 
para replicar 
a informação 
Estruturas 
moleculares 
que formam o 
organismo 
Moléculas que 
usam a energia 
do meio e 
possibilitam a 
manutenção dos 
outros sistemas 
LÓGICA MOLECULAR DA VIDA 
• Alta complexidade e organização (baixa entropia); 
Átomos Æ Moléculas Æ Estruturas macromoleculares 
Æ Organelas Æ Células 
 
 
• Sistemas de obtenção, transformação e uso de energia 
(eletromagnética, térmica, química, osmótica); 
Seres Vivos 
Fototróficos 
(energia proveniente 
da luz) 
Quimiotróficos 
(energia proveniente de 
compostos químicos) 
Autotróficos 
(carbono do CO2) 
 
Ex.: 
Cianobactérias 
Plantas 
Heterotróficos
(carbono de 
compostos orgânicos) 
 
Ex.: 
Bactéria púpura 
Bactéria verde 
Heterotróficos 
(carbono de compostos 
orgânicos) 
Litotróficos
(energia de 
compostos 
inorgânicos) 
 
Ex.: 
Bactéria redutoras 
de SO4 
Bactéria redutoras 
de H+ 
Organotróficos 
(energia de 
compostos orgânicos) 
 
Ex.: 
Maioria dos 
Procariotos 
Eucariotos não 
fototróficos 
 
• Mecanismos sensitivos e de resposta às alterações ambientais; 
 
Sistema Quorum Sensing em Pseudomonas aeruginosa 
• Funções definidas de cada um dos componentes celulares e interações 
reguladas entre eles; 
 
 
Estruturas celulares e suas principais funções 
 
ORGANELA FUNÇÃO 
Núcleo Localização do genoma principal; sítio da síntese da maior parte do DNA e do RNA 
Mitocôndria Sítio de reações de oxidação, produtoras de energia; possui DNA próprio 
Cloroplasto Sítioda fotossíntese em plantas verdes e em algas; possui DNA próprio 
Retículo 
endoplasmático 
Membrana contínua por toda a célula; parte rugosa 
coberta por ribossomos (sítio da síntese protéica); 
síntese de lipídeos, metabolismo de glicogênio 
Complexo de 
Golgi 
Série de membranas achatadas; envolvido na 
secreção de proteínas pela célula e em reações que 
ligam açúcares a outros componentes celulares 
Lisossomos Vesículas delimitadas por membrana que contêm enzimas hidrolíticas 
Peroxissomos Vesículas que contêm enzimas envolvidas no metabolismo do peróxido de hidrogênio 
Membrana celular 
Separa o conteúdo da célula do meio externo; 
permeabilidade seletiva; forma da célula 
(flexibilidade) 
Parede celular Camada exterior rígida de células vegetais 
Vacúolo central Vesícula delimitada por membranas (células vegetais) 
FONTE: CAMPBELL, 2001. 
 12
• Diversas formas de vida fundamentalmente relacionadas ⇒ mesmos 
tipos de moléculas fundamentais. 
 Percentual do peso total da célula 
Nº aproximado de diferentes 
espécies moleculares 
Água 70 1 
Proteínas 15 3000 
Ácidos Nucleicos 
ADN 1 1 
ARN 6 >3000 
Polissacarídeos 3 5 
Lipídeos 2 20 
Subunidades monomérica 
 e Intermediários 2 500 
Íons inorgânicos 1 20 
Componentes moleculares de células de Escherichia coli. 
Fonte: Biochemistry – Lehninger 4º Ed. 
 
• Capacidade de replicação/multiplicação ⇒ reprodução com precisão ao 
longo de várias gerações, através de um sistema de replicação auto-
reparável. 
 
 
 
 13
Química Orgânica e Bioquímica 
 
Função 
orgânica: 
Grupo 
funcional: Exemplo: 
Hidrocarboneto CX HY CH4 - metano 
Álcool R — OH 
 
n-butanol 
Fenol 
 
 
 
4-metilfenol ou p-cresol 
Éter R — O — R' 
metóxi-etano 
Aldeído 
 
 
pentanal 
Cetona 
 
 
2-propanona ou acetona 
Ácido 
carboxílico 
 
ácido etanóico ou ou 
acético 
Éster 
 
etanoato de 
etila ou acetato 
de etila 
Amida 
 
 
N-metiletanamida 
Amina 
 
 
dimetil-(prop-1-
enil)amina 
 14
Nitrila R — C ≡ N H3C — C ≡ N - cianeto de metila 
Haleto R — C — X 
(X = F, Cl, Br, I) 
H3C — H2C — Cl - cloreto de etila 
 
 
 
Principais moléculas estruturadores da vida 
 
 
Açúcares (celulose, amido, glicogênio) 
 
O
H
HO
H
HO
H
HO
OH
H H
OH
 
D-(α)-Glicose 
 
 
 
 
 
 
 
 15
Lipídeos (membranas) 
 
O O
O
O
O
O
 
Triglicerídeo 
 
 
 
Nucleotídeos (ARN e ADN) 
 
NH
N
N
O
NH2
N
O
H
HH
HH
OH
OP-O
O
O-
 
Desoxiribonucleotídeo (citosina) 
 16
Aminoácidos (proteínas) 
 
H2N CH C
CH2
OH
O
HN
 
Fenilalanina 
 
 
 
 
 
 
 
Bioquímica 
 
Química dos Sistemas Biológicos. 
Estudo da Química da Vida. 
Estudo das Estruturas, Organização 
e Função das Células em Termos Moleculares. 
 17
Interações e Transformações Químicas 
 
• A força de ligação entre dois átomos está relacionada às 
suas eletronegatividades. 
 
 
Elemento Eletronegatividade Elemento Eletronegatividade 
F 4,0 Cu 1,9 
O 3,5 Fe 1,8 
Cl 3,0 Co 1,8 
N 3,0 Ni 1,8 
Br 2,8 Zn 1,6 
S 2,5 Mn 1,5 
C 2,5 Mg 1,2 
I 2,5 Ca 1,0 
Se 2,4 Li 1,0 
P 2,1 Na 0,9 
H 2,1 K 0,8 
 
 
Tipo de Ligação Energia de dissociação (kJ/mol) 
O-H 461 
P-O 419 
C-H 414 
C-O 352 
C-C 348 
C-N 293 
S-S 214 
C=O 712 
C=C 615 
C≡C 816 
N≡N 930 
Pontes de Hidrogênio 4-20 
Interações Iônicas 4-20 
 
 
 
 18
• Quando dois átomos que compartilham elétrons em uma 
ligação covalente têm afinidade igual para e-, a ligação 
resultante é não polar. Quando esses dois átomos 
envolvidos em ligação covalente têm eletronegatividade 
distinta, a ligação é polarizada. Quando a 
eletronegatividade entre dois átomos é muito desigual , um 
dos átomos cede os elétrons para o outro, resultando em 
interação iônicas. 
 
• C---C δ+C--Oδ- δ-N--Hδ+ Na+--Cl- 
 
 
• Os grupos funcionais são responsáveis pelas propriedades 
químicas das biomoléculas. 
 
• Essas propriedades vão determinar as interações entre 
grupos nucleofílicos (ricos em elétrons) e outros 
eletrofílicos (deficientes em elétrons). 
 
• Grupos funcionais contendo N, O e S são inportantes 
nucleófilos nas biomoléculas. Por outro lado, prótons (H+) e 
cátions (metais ionizados) agem como grupos eletrofílicos. 
Já um átomo de carbono pode agir como um centro 
nucleofílico, ou atuar de forma eletrofílica, dependendo de 
quais ligantes ou grupos funcionais estejão associados a ele. 
 
• Existem cinco tipos básicos de tranformação química: 
 
1) Transferência de grupos 
2) Oxidação-redução 
3) Rearranjo 
4) Clivagem 
5) Condensação 
 
 19
1) Transferência de grupos 
 
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
N
NN
N
H2N
O
OH
OH
H
H H
H
O
P
O-
O
O
P
O-
O
O
P
-O
O-
O
P O-
O-
O
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2O
N
N
N
N
H2N
O
OH
OH
H
H H
H
O
P
O-
O
O
P
O-
O
-O
+ +
D-Glicose ATP D-Glicose-6-Fosfato ADP
 
2) Oxidação-redução 
 
P O-
O-
O
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2O
OH
H2O
NADP+ NADPH
P O-
O-
O
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2O
OHO
H++ +
 
 
3) Rearranjo 
 
P O-
O-
O
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2O
OH
P O-
O-
O
HHO
OHH
OHH
CH2O
O
D-Glicose-6-fosfato Frutose-6-fosfato
H OH
H
 
 20
4) Clivagem 
 
P O-
O-
O
HHO
OHH
OHH
CH2O
O
Frutose-1,6-bifosfato
H2C P O-
O-
O
O
P O-
O-
O
CH2OH
OHH
CH2O
O
H2C P O-
O-
O
O
H O
Gliceraldeído 3-fosfato
Diidroxiacetona fosfato
 
 
 
 
 
5) Condensação 
 
 
H2N CH C
R1
OH
O
H2N CH C
R2
OH
O
+
H2N CH C
R1
O
CH C
R2
OH
O
H
N
H2O
Dois aminoácidos
Dipeptídeo 
 
 21
 
Enzima-Substrato 
Ligante-Receptor 
Antígeno-Anticorpo 
 
A estrutura tridimencional das biomoléculas determina sua 
atividade biológica. 
 
Estereoisômeros: ao contrário dos isômeros constitucionais, os 
estereoisômeros têm a mesma conectividade (mesmos grupos 
ligantes), mas que diferem entre si na forma como distribuem 
espacialmente (arranjo espacial). Os estereoisômeros são 
divididos em dois grupos: 
 
1) Enantiômeros – estereoisômeros cujas moléculas são 
imagens especulares não superponíveis. 
 
NH2
CH3
HO H
NH2
CH3
H OH
 
 
2) Diastereoisômeros – estereoisômeros cujas moléculas não 
são imagem especular uma da outra. 
 
 
C
C
Cl H
Cl H
C
C
H Cl
Cl H 
cis-1,2-dicloroeteno trans-1,2-dicloroeteno 
 22
A maioria das biomoléculas é assimétrica. 
 
Ocorre assimetria quando quatro (4) átomos ou grupos funcionais 
diferentes entre si estão ligados a um átomo de carbono. Esse 
átomo central é chamado carbono quiral ou assimétrico. 
 
C
CH2CH3
CH3
HO H
 
C H
CH3
CH2CH3
HO
 
 Projeção de Fischer Projeção em Perspectiva 
 
Toda as moléculas com centros quirais são capazes de girar a luz 
plano-polarizada. Essa capacidade é chamada atividade ótica. 
 
Nomenclatura dos Estereoisômeros 
 
Designação de configuração segundo Fischer e Rosanoff: 
Sistema D & L. 
 
C OH
CH2OH
CHO
H C H
CH2OH
CHO
HO
D-Gliceraldeído L-Gliceraldeído 
 
 
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-Glicose
CHO
OHH
HHO
HHO
OHH
CH2OH
D-Galactose
CHO
OHH
HHO
HHO
CH2OH
L-Arabinose 
 23
H2N C
CH3
H
COO-
L-Alanina
H C
CH3
NH2
COO-
D-Alanina
H2N C H
CH2
COO-H C NH2
CH2
COO-
L-Fenilalanina D-Fenilalanina 
 
 
Designação das configurações absolutas segundo Cahn-Ingold-
Prelog: Sistema R & S 
 
C R2
R3
R1
R4 C R4
R3
R1
R2
Isômero R Isômero S 
 
R1 > R2 > R3 > R4 
 
Para os átomos ligados diretamente ao carbono quiral vale a 
seguinte regra: 
 
I > Br > Cl > F > O > N > C > H 
Número Atômico 
 
Para os ligantes subsequente 
 
-OH > -COOH > -CH2Cl > -CH2OH > -CH3 > -H 
 
Neste caso aplicamos a mesma regra ao segundo átomo, 
depois ao terceiro...até que se alcance a ordem de 
prioridade definitiva. 
 24
 
H2N C
CH3
H
COO-
L-Alanina 
C R4
R3
R2
R1
- 
C R4
R3
R2
R1
S-Alanina 
C R1
R3
R2
R4
S-Alanina 
H2N C
CH3
H
COO-
S-Alanina 
 
 
 
H C
CH3
NH2
COO-
D-Alanina 
R4 C
R3
R1
R2
S-Alanina 
R1 C
R3
R4
R2
S-Alanina 
H C
CH3
NH2
COO-
R-Alanina