1. Introdução à Bioquímica

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Bioquímica Estrutural
Docentes
Helotonio Carvalho
Karin Argenti Simon 
Giselle Zenker Justo
Nídia Alice Pinheiro 
Edimar Pereira
1º semestre de 2012
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Visão Geral da Bioquímica; Teorias para a origem da vida; Importância da água em organismos vivos; sistemas tampão.
Estrutura e propriedades de aminoácidos; ligação peptídica.
Estruturas secundárias, terciárias e quaternárias de proteínas: proteínas fibrosas e globulares.
Funções das proteínas: o modelo da hemoglobina; proteínas musculares.
Carboidratos: Isomeria. Monossacarídeos, dissacarídeos.
Polissacarídeos estruturais e de reserva.
Glicosaminoglicanos e peptideoglicanos. Proteoglicanos e glicoproteínas
Métodos experimentais utilizados com proteínas.
Tópicos a serem abordados 
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Enzimas: atividade catalítica e especificidade; coenzimas. 
Cinética enzimática; regulação da atividade enzimática.
Fontes de ácidos graxos e lipídios de armazenamento.
Lipídios estruturais e de sinalização.
Lipoproteínas, glicolipídios e vitaminas lipossolúveis.
Tópicos a serem abordados 
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1-VOET D / VOET J - Bioquímica, 3a ed, Ed Artmed, 2004 (Básica), R$253,00-R$338,00. 
2-LEHNINGER - Princípios de Bioquímica, NELSON D. L. & COX M. M., 4a ed., Ed. Sarvier, 2007. (básica), R$398,00-R$498,00.
3-DEVLIN T. M. , Manual de Bioquímica com Correlações Clínicas, 6a Ed. Edgard Blucher, 2007. R$268,00 (25% c/ Ed. R$201,00).
4-MARZZOCO, A; TORRES, B.B. - Bioquímica Básica, 2a ed, Ed. Guanabara Koogan, 1999. (complementar), R$120,00.
5-CAMPBELL, M. K., FARRELL, S.O.- Bioquímica, 1ª ed, ARTMED., 2007 ISBN: 8573076763 (complementar) (Obs: Existe também uma edição em três volumes da Ed. Thomson, 2006, O conteúdo correspondente ao dessa UC é o do 1º volume,, mas este não contém o capítulo sobre açúcares). 
6-BERG, J.M.; TYMOCZKO, J.L.; STRYER, L. – Bioquímica, 5a ed, Ed. Guanabara Koogan, 
Bibliografia 
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Critérios de avaliação 
L = Média das notas de laboratórios
S = Notas dos seminários
A prova substitutiva será aplicada apenas aos alunos que perderam uma das provas regulares P1 ou P2. 
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Introdução à Bioquímica
Prof. Dr. Helotonio Carvalho
Diadema, agosto de 2011
Unidade Curricular de Bioquímica Estrutural
UNIFESP – Campus Diadema
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O que é Bioquímica??
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A bioquímica descreve em termos moleculares as estruturas, mecanismos e processos químicos necessários à vida dos mais diferentes tipos de organismos. 
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O que define um ser vivo? 
Alto grau de complexidade química e organização microscópica.
Existência de sistemas que extraem, transformam e utilizam energia do ambiente.
Capacidade de auto-replicação.
Mecanismos que sentem alterações no ambiente e respondem a estas alterações.
Cada um dos componentes possui uma função definida, além de interagirem entre si de maneira regulada. 
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A origem da vida na Terra
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A origem da vida na Terra
A Terra tem aproximadamente 4,5 bilhões de anos.
Logo após ter sido formada, a Terra era um ambiente extremamente inóspito, com temperaturas muito altas, elevados índices de radiação ultravioleta, devido à ausência de O3, e uma atmosfera com gases tóxicos (CH4, CO, NH3, H2S...) 
Evidências de fósseis indicam que a vida na terra surgiu há 3,5 bilhões de anos, com o aparecimento das primeiras bactérias, provavelmente nos oceanos. Isto ocorreu graças ao resfriamento progressivo do planeta e ao aparecimento das primeiras moléculas orgânicas de importância bioquímica. 
Os eventos que levaram ao surgimento da vida na Terra e como isto ocorreu exatamente são temas de extensos debates entre especialistas da área. 
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Uma teoria para a origem da vida na Terra: A teoria da “sopa” primordial
NH3, H2S, CO, CO2, CH4, N2, H2 e H2O. Um ambiente bastante redutor. 
Uma das teorias para a origem das primeiras moléculas pré-bióticas sugere que estas surgiram a partir da conjunção de fatores como altas temperaturas, grandes quantidades de radiação UV e elevada incidência de descargas elétricas provenientes de relâmpagos. 
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O experimento de Urey-Miller (1953)
Produtos:
Formaldeído  Carboidratos
HCN  Adenina
Glicina
Alanina
Ácido Glutâmico
Leucina
Reações entre outras moléculas simples levam à formação de outras bases nitrogenadas.
Os aminoácidos são produzidos muito mais facilmente que os nucleotideos!! 
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Geração de adenina a partir da condensação de moléculas de HCN
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Aminoácidos também podem ter sido usados para a síntese de bases nitrogenadas
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Polimerização em condições abióticas
A polimerização abiótica de carboidratos e nucleotídeos também ocorre, mas menos facilmente. 
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Os RNAs podem ter atividade catalítica! (Ribozimas)
Esta descoberta, ocorrida na década de 1980, levou à hipótese de um “mundo de RNA”, habitado por formas de vida primitivas dependentes de RNA para exercer todos os papéis principais em um organismo, como herança, armazenamento de informação e catálise de reações específicas envolvidas na síntese de biomoléculas e no metabolismo energético. 
De acordo com a teoria do “mundo do RNA” o surgimento de uma forma de RNA capaz de codificar sua própria replicação foi o principal evento na origem da vida.
Este sistema deve ter evoluído para a síntese de catalisadores mais eficientes (proteínas).
O DNA teria então assumido o papel de material genético principal enquanto o RNA passou a ter um papel intermediário. 
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Evolução de um sistema de RNAs auto-replicantes
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A importância da compartimentalização com o uso de membranas
Em algum momento durante a evolução, quantidades suficientes de lipídeos devem ter se acumulado formando vesículas que, eventualmente aprisionaram ácidos nucléicos, formando estruturas semelhantes a células.
Vantagens da compartimentalização: 
Produtos de reações enzimáticas não se difundem para o ambiente, podendo ser usados pela célula. Isto ocorre também devido ao fato de a maioria das biomoléculas serem carregadas e não se difundirem pela membrana. 
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Outras teorias para a origem da vida
Teoria do Impacto: Moléculas orgânicas vieram do espaço, trazidas por condritos carbonáceos (um tipo de meteoro). Presença de aminoácidos e bases nitrogenadas. 
Teoria das fendas submarinas (organismos termofílicos): água super-aquecida rica em íons de metais de transição e H2S. Locais de grande atividade biológica, independente da luz solar. A redução de CO2 por FeS geraria moléculas orgânicas mais complexas. 
Teoria da argila: Moléculas orgânicas surgiram inicialmente em reações catalisadas por silicatos. 
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A química dos organismos vivos
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Composição química comparativa da crosta terrestre, da água do mar e do corpo humano
* Valores expressos em % de átomos
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A química das biomoléculas é baseada no carbono
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Grupos funcionais mais comuns em biomoléculas
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Vários grupos funcionais podem ser encontrados na mesma molécula
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Importância da água em sistemas bioquímicos
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A vida surgiu provavelmente em ambiente aquoso. 
A água representa 70 % ou mais do peso da maioria dos organismos. Uma atividade metabólica normal só pode ocorrer em células que têm pelo menos 65 % de H2O.
As propriedades físicas e químicas da água determinaram a vida como se conhece hoje. 
Dentre essas propriedades, são essenciais as forças atrativas entre moléculas de água (pontes de H) e a tendência da água em se ionizar, ainda que muito fracamente.
As propriedades da água possibilitam a existência dos sistemas tampão, essenciais aos organismos vivos. 
As propriedades da molécula de água e seus produtos de ionização (H+ e OH-), influenciam profundamente a estrutura e as propriedades dos diversos componentes celulares como proteínas, lipídeos e ácidos nucléicos. 
Importância da água em organismos vivos
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A natureza polar da molécula de água
As diferenças de eletronegatividade entre H e
O conferem um momento de dipolo à água.
Este momento de dipolo, e a presença de pares de elétrons não compartilhados no O, é responsável pela formação de pontes de hidrogênio entre moléculas de água. 
Os orbitais da molécula de água, incluindo os orbitais não-ligantes do oxigênio, possuem um arranjo aproximadamente tetraédrico.
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Interações fracas em sistemas aquosos
Pontes de Hidrogênio
Ponte de hidrogênio são responsáveis pelas forças coesivas que tornam a água líquida à temperatura ambiente e que favorecem um arranjo extremamente ordenado das moléculas de água em cristais de gelo.
Biomoléculas polares se dissolvem na água devido ao fato de poderem trocar interações água-água por interações água-soluto, que são energeticamente mais favoráveis.
Biomoléculas não polares não conseguem formar interações água-soluto e, por isso, são muito pouco solúveis em água. 
A água pode atuar tanto como aceptor, como doador de H em pontes de H!!
As pontes de hidrogênio são isoladamente fracas
Energia de ligação de H: ~23 kJ/mol
Energia de ligação O-H na água: 470 kJ/mol
Energia de ligação C-C: 348 kJ/mol
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Pontes de Hidrogênio
O arranjo aproximadamente tetraédrico dos orbitais ao redor do O da molécula de H2O permite teoricamente pontes de hidrogênio com até 4 outras moléculas de H2O.
No estado líquido, devido ao estado desorganizado das moléculas de água e ao seu movimento constante, uma molécula de H2O forma pontes de hidrogênio com apenas outras 3,4 moléculas em média.
O gelo, ao contrário, apresenta uma estrutura muito mais organizada, com cada molécula de H2O fixa no espaço, o que permite que cada uma estabeleça pontes de H com outras 4 moléculas. 
Pontes de H no gelo
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Influência de pontes de hidrogênio nos pontos de fusão e de ebulição da água
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Pontes de hidrogênio importantes em sistemas biológicos
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Pontes de hidrogênio são direcionais
Pontes de hidrogênio são mais fortes quando orientadas de maneira a permitir interação eletrostática máxima, o que ocorre quando os átomos envolvidos na ponte de H estão em linha reta.
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Água como solvente
A solubilidade de uma substância em determinado solvente depende da capacidade que o solvente tem de interagir com esta de maneira mais forte que as partículas do soluto interagem entre si. 
A polaridade da água faz com que esta dissolva facilmente substâncias polares (hidrofílicas). Substâncias apolares, por outro lado, não são solúveis em água e são designadas hidrofóbicas.
Os íons de um sal interagem de acordo com a lei de Coulomb
F = força de interação entre as cargas elétricas
Q1 e Q2= cargas elétricas
r = distância entre as cargas
e = constante dielétrica do meio 
Assim, quanto maior a constante dielétrica, menor a força que une as duas cargas, ou seja, a constante dielétrica de um solvente é uma medida de sua capacidade de manter cargas opostas separadas. 
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A água é um dos solventes com maior constante dielétrica!
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Partículas carregadas são solvatadas pela água
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Exemplos de biomoléculas apolares, polares e anfifílicas
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Gases apolares são insolúveis em água
Isso tem implicações importantes no transporte de O2 dos pulmões para os tecidos e de CO2 dos tecidos para os pulmões! O O2 é transportado através de proteínas carreadoras (hemoglobina). O transporte te CO2 é feito principalmente sob a forma de HCO3-, bastante solúvel em água (100 g/L a 25 oC).
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As forças que mantêm as regiões apolares de moléculas diferentes juntas são denominadas interações hidrofóbicas, que resultam de uma maior estabilidade termodinâmica através da minimização de interações com a água. 
Proteínas, pigmentos, esteróis, algumas vitaminas e fosfolipídeos de membrana são anfipáticos e dependem de interações hidrofóbicas para sua estabilização.
Membranas biológicas são estabilizadas por interações hidrofóbicas. 
Interações hidrofóbicas entre aminoácidos apolares são importantes na estabilização de proteínas. 
Interações fracas em sistemas aquosos
Interações hidrofóbicas
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Os 4 tipos de interações fracas (não covalentes) entre biomoléculas e o meio aquoso.
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Esses 4 tipos de interações são muito mais fracas que uma interação covalente, mas em conjunto seu efeito pode ser muito significativo!
A ligação de uma enzima a seu substrato pode envolver várias pontes de H, além de interações iônicas, hidrofóbicas e de van de Waals.
Para separar a enzima de seu substrato é necessário romper todas essas interações simultaneamente! 
Todas estas interações são de importância primordial na manutenção da estrutura de biomoléculas!! 
A estrutura mais estável (nativa) de proteínas e ácidos nucléicos é normalmente aquela em que as interações fracas são maximizadas. Isto determina o dobramento de proteínas em folhas b pregueadas e a-hélices por exemplo, assim como a estrutura de dupla hélice do DNA. 
A importância das interações fracas em sistemas biológicos
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