Bioquímica - aula 01

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FUNDAMENTOS DE QUÍMICA
Prof. Dr. Thiago Henrique Napoleão
Departamento de Bioquímica – UFPE
E-mail: thiagohn86@yahoo.com.br
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A BIOQUÍMICA
A bioquímica tem o objetivo de explicar as formas e as funções biológicas em termos químicos.
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A BIOQUÍMICA
Todos os organismos compartilham uma origem evolucionária comum, o que é evidenciado pela universalidade observada dos intermediários químicos e suas transformações.
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BIOMOLÉCULAS
- As biomoléculas são os compostos químicos sintetizados por seres vivos, e que participam da estrutura e do funcionamento da matéria viva. 
- As biomoléculas são compostas por macroelementos e microelementos.
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MACROELEMENTOS
São os elementos componentes estruturais das células e tecidos requeridos na dieta diária em quantidades de gramas.
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MACROELEMENTOS
- Os quatro elementos mais abundantes nos organismos vivos são o hidrogênio, o oxigênio, o nitrogênio e o carbono, perfazendo mais de 99% da massa da maior parte das células.
- Esses quatro principais macroelementos são aqueles mais leves capazes de formar uma, duas, três e quatro ligações, respectivamente.
- Em geral, os elementos mais leves formam as ligações mais fortes.
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MICROELEMENTOS ESSENCIAIS
- Apesar dos microelementos representarem uma fração minúscula do peso do corpo humano, são todos essenciais para a vida, geralmente porque são cruciais para a função de proteínas específicas, principalmente enzimas.
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O CARBONO
- O carbono pode formar ligações simples com átomos de hidrogênio e tanto ligações simples quanto duplas com átomos de oxigênio e nitrogênio.
- A propriedade de maior significado é a de formar ligações simples carbono-carbono muito estáveis.
- A química dos seres vivos é organizada em volta do carbono.
- Os átomos de carbono ligados covalentemente nas biomoléculas podem formar cadeias lineares, cadeias ramificadas e estruturas cíclicas.
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O CARBONO
- Aos esqueletos carbônicos são adicionados grupos de outros átomos, denominados grupos funcionais.
- Esse grupos funcionais oferecem às biomoléculas suas personalidades biológicas e químicas.
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Muitas das moléculas biológicas são macromoléculas, polímeros de alto peso molecular montados a partir de precursores relativamente mais simples.
A estrutura ou a função de uma biomolécula depende de suas características de afinidade com a água, o principal componente dos sistemas biológicos (~70%).
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ÁGUA
 Metade da água presente no corpo se encontra no interior das células (água intracelular). 
 A água é o veículo de transporte e solvente de grande quantidade de moléculas (minerais, vitaminas, íons, gases, etc.), tanto as que serão absorvidas como as que serão descartadas (toxinas).
 É no meio aquoso que ocorrem a maioria das reações metabólicas.
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ÁGUA
 Devido à sua capacidade de ABSORVER e CONSERVAR calor, a água ainda atua como reguladora da temperatura corporal.
 Confere flexibilidade e elasticidade aos tecidos (tendões, ligamentos cartilaginosos, etc.) atuando como lubrificante e amortecedor.
 As propriedades da água ajudam organismos a sobreviverem em lagos congelados durantes o inverno:
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 A ÁGUA E A EVOLUÇÃO DA VIDA
 Os primeiros seres vivos sem dúvida surgiram em um ambiente aquoso, e o curso da evolução foi moldado pelas propriedades do meio aquoso onde a vida começou.
 As reações de síntese que ocorrem na água acabaram por originar as substâncias complexas que são o fundamento da vida (proteínas e ácidos nucléicos).
 Em seguida, as macromoléculas começaram a se agregar no meio aquoso e formar sistemas com capacidade de auto-sustentação e de reprodução espontânea (os primeiros organismos vivos).
 A propriedades da água por fim condicionaram também a evolução da vida para as formas sucessivamente mais complexas.
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A ESTRUTURA DA ÁGUA
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PONTES DE HIDROGÊNIO
- As moléculas de água formam pontes de hidrogênio, as quais favorecem a a associação espontânea entre elas em arranjos ordenados .
- Cada molécula de água líquida se associa por meio de pontes de hidrogênio a 3,5 outras, em média.
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PONTES DE HIDROGÊNIO
As pontes de hidrogênio influenciam profundamente as propriedades físicas da água.
Gelo: cada molécula de água forma 4 pontes de hidrogênio.
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PONTES DE HIDROGÊNIO
- As pontes de hidrogênio não são exclusivas entre moléculas de água.
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PONTES DE HIDROGÊNIO
- As pontes de hidrogênio são interações predominantemente eletrostáticas e relativamente fracas
Energia necessária para desfazer interações químicas:
24 kJ/mol – ponte de hidrogênio
470 kJ/mol – ligação covalente O-H
348 kJ/mol – ligação covalemte C-C
 O tempo de vida de uma ponte de hidrogênio é de apenas 1 a 20 picossegundos.
 Depois da quebra de uma ponte de hidrogênio, forma-se uma outra, com o mesmo parceiro ou um novo, dentro de 0,1 ps.
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PONTES DE HIDROGÊNIO
- As pontes de hidrogênio são mais fortes quando as moléculas ligadas são orientadas para maximizar as interações eletrostáticas, o que ocorre quando o átomo de hidrogênio e os dois átomos que o compartilham estão em linha reta.
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PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA
- As pontes de hidrogênio conferem à água a propriedade de dissolver muitas biomoléculas orgânicas contendo grupos funcionais capazes de participar de pontes de hidrogênio
- A água forma pontes de hidrogênio com os solutos polares.
- A água interage eletricamente com os solutos carregados.
 Hidrofílicos: compostos que dissolvem facilmente na água.
 Hidrofóbicos: compostos que não dissolvem facilmente na água 
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PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA
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PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA
Compostos apolares forçam interações energeticamente desfavoráveis na estrutura da água e não são solubilizados.
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PROPRIEDADES DA ÁGUA
- As moléculas de água exibem uma leve, mas importante tendência a se dissociarem.
O próton transferido associa-se a um aglomerado de moléculas de água, existindo em solução como H3O+, H5O2+ e H7O3+. Contudo, ele é rotineiramente representando como H+.
 Os íons hidrônio e hidróxido recombinam-se continuamente para formar moléculas de água. Em um determinado momento são íons, em outro são partes da molécula de água.
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pH
- Valores baixos de pH correspondem a altas concentrações de H+ e valores altos de pH correspondem a baixas concentrações de H+.
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ÁCIDOS E BASES
Os ácidos são doadores de prótons e as bases são receptores de prótons.
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ÁCIDOS E BASES
“Força de um ácido é a intensidade com que fornece o próton. O ácido forte fornece próton com mais facilidade.”
Ácidos fortes dissociam-se completamente em ânions e cátions, mesmo em soluções já fortemente ácidas.
Ácidos fracos dissociam-se apenas parcialmente em soluções ácidas
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“Força de uma base é a intensidade com que recebe próton. A base forte recebe próton com mais facilidade.”
Bases fortes dissociam-se completamente em pH muito alto
Bases fracas dissociam-se apenas parcialmente em soluções muito básicas
ÁCIDOS E BASES
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BIOMOLÉCULAS COMO ÁCIDOS E BASES
Muitos compostos bioquímicos possuem grupos funcionais que são ácidos fracos ou bases fracas (grupos carboxila, grupos amino e ésteres fosfato).
A espécie protonada é denominada ácido e a espécie não-protonada é denominada de sua base conjugada.
Alternativamente a espécie não-protonada pode ser denominada base e a espécie protonada é denominada de seu ácido conjugado.
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ÁCIDOS, BASES E pH
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DISSOCIAÇÃO DE UM ÁCIDO FRACO
Constante de dissociação (Ka)
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Tampões
Soluções contendo ácidos fracos e suas bases conjugadas que tamponam alterações do pH
Nos organismos, a manutenção de um pH constante envolve o tamponamento por fosfato, bicarbonato e proteínas que aceitam ou liberam prótons de modo a impedir uma alteração do pH.
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Equação de Henderson-Hasselbach
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LIGAÇÕES QUEESTABILIZAM AS BIOMOLÉCULAS
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LIGAÇÕES QUE ESTABILIZAM AS BIOMOLÉCULAS
Embora esses quatro tipos de interações sejam individualmente fracas em relação às ligações covalentes, o efeito cumulativo de muitas delas pode ser significante.
A dissociação de duas moléculas associadas de maneira não-covalente por meio de interações fracas múltiplas requer que todas essas interações sejam rompidas ao mesmo tempo.
Como as interações flutuam aleatoriamente, tal rompimento simultâneo é muito improvável.
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As biomoléculas se dobram para posicionar na superfície os grupos polares carregados
As macromoléculas, tais como proteínas, DNA e RNA contêm tantos sítios potenciais para as pontes de hidrogênio, as interações iônicas, van der Waals ou hidrofóbicas. 
Para macromoléculas, a estrutura mais estável é usualmente aquela em que as possibilidades de ligações fracas são maximizadas.
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