Água, proteínas e aminoácidos, lipídios, lipídeos de membrana - bioquímica

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RESUMO E ROTEIROS P1 – BIOQUÍMICA
ÁGUA COMO SOLVENTE BIOLÓGICO
As ligações de hidrogênio são responsáveis pelas propriedades incomuns da água
A água possui alto ponto de fusão e ebulição comparado a outros tipos de solventes devido a capacidade das moléculas de formar pontes de hidrogênio entre sim (são interações muito fortes)
Cada átomo de hidrogênio compartilha um par de elétrons com o átomo central de oxigênio que gera uma geometria aproximadamente tetraédrica. O oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio, portanto, o oxigênio tem uma carga parcial negativa e o hidrogênio uma carga parcial positiva. Os elétrons compartilhados estão mais na vizinhança do oxigênio do que do hidrogênio = compartilhamento desigual de elétrons.
O compartilhamento desigual forma dois dipolos elétricos na molécula ao longo de cada ligação O – H (cargas parciais positivas e negativas) gera uma interação eletroestática entre o átomo de oxigênio de uma molécula e o hidrogênio da outra molécula = LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO. 
Cada molécula de água devido a seu arranjo aproximadamente tetraédrico é capaz de interagir através de ligações de hidrogênio com até 4 moléculas vizinhas (água sólida – requer muita energia para quebrar as ligações que gera alto ponto de fusão). Na água líquida, as LH estão constantemente sendo formadas e rompidas o que não resulta em 4 interações e sim em 3,4 (instáveis) e permite a fluidez da água líquida. 
A água forma ligações de hidrogênio com solutos polares
	As ligações de hidrogênio não são exclusivas de molécula de água, elas se formam entre um átomo eletronegativo (aceptor de hidrogênio) e um átomo de hidrogênio ligado covalentemente a outro átomo eletronegativo (doador de hidrogênio) na mesma molécula ou em outra. 
	Biomoléculas polares não carregadas (açúcares, cetonas, polipeptídios) dissolvem rapidamente em água devido a grupamentos que são capazes de formar ligações de hidrogênio. 
	Para solutos polares as LH devem ser quebradas entre água – água e então formar novas entre soluto – água, esse processo deve ser termodinamicamente favorável e mais estável. 
A água interage eletrostaticamente com solutos carregados 
	A água é um solvente polar o que faz que ela dissolva a maioria das biomoléculas que em geral são compostos carregados ou polares (hidrofílicos). 
	A água dissolve sais como o NaCl através da hidratação (com as devidas cargas parciais positivas e negativas) e estabilização dos íons Na+ e Cl- (dificulta a interação entre eles – solubilização). 
	Íons hidratados são termodinamicamente mais favoráveis e estáveis porque as interações íon – água são “melhores” que água – água. Logo que um sal se dissolve, os íons abandonam a característica de rede cristalina e adquirem liberdade de movimento.
∆G = ∆H – T ∆S quando o delta G for negativo, a reação é espontânea e favorável energeticamente e quando ele for positivo é não espontâneo e termodinamicamente desfavorável.
Compostos apolares forçam mudanças energeticamente desfavoráveis na estrutura da água
	Compostos apolares são hidrofóbicos (incapazes de passar por interações energeticamente favoráveis com moléculas de água, podendo interferir nas ligações de hidrogênio entre as moléculas de água). 
	Compostos apolares quebram as LH da água (↑ entalpia (H)) mas não são capazes de formar novas LH com a água porque não tem H ligado a outro elemento eletronegativo. Após a quebra das LH água – água, as moléculas de água interagem com o soluto formando um envoltório. Ao diminuir a superfície do soluto livre para interagir com a água (agrupamento) a condição é mais estável termodinamicamente o que aumenta a entropia (∆S)
OBS: todas as moléculas ou íons em solução aquosa interagem com as LH de algumas moléculas de água nas suas vizinhanças, mas solutos polares ou carregados como o NaCl compensam a interações de hidrogênio água – água perdidas pela formação de novas interações água – soluto. A variação líquida em entalpia (∆H) para a dissolução desses solutos geralmente é pequena. Solutos hidrofóbicos (apolares) entretanto não fornecem essa compensação e a adição de água pode resultar em um pequeno ganho de entalpia (∆H), a quebra das LH entre as moléculas de água retira energia do sistema requerendo entrada de energia da vizinhança e a dissolução dos compostos hidrofóbicos em água produz um decréscimo mensurável na entropia (∆S).
	Compostos anfipáticos contém regiões que são polares (interage com a água) e regiões apolares (não interagem com a água, comente entre si). 
	A parte apolar que não interage com a água, interagem entre si e se agregam para obter menor área hidrofóbica possível formando micelas (aumenta a entropia ∆S e diminui o ∆G)
As interações Van der Waals são atrações interatômicas fracas 
	Quando dois átomos não carregados são colocados um próximo ao outro, as nuvens eletrônicas influenciam uma a outra e formam dipolos momentâneos positivos e negativos que interagem fracamente = Van der Waals. 
OBS: além das LH há as interações iônicas, hidrofóbicas e de Van der Waals. Essas interações não covalente são muito mais fracas que as ligações covalentes tanto que são continuamente formadas e rompidas. Apesar de serem individualmente fracas, o seu efeito cumulativo em proteínas e ácidos nucleicos é muito significativo. No caso de macromoléculas, a estrutura mais estável é aquela na qual a possibilidade de ligações fracas é máxima, ou seja, em nível molecular a complementaridade entre biomoléculas que interagem entre si reflete a complementaridade e as interações fracas entre grupos polares, carregados e hidrofóbicos na superfície das moléculas. 
Pressão osmótica
	As moléculas de água tendem a se mover de uma região de maior concentração de água para uma de menor concentração de água. Quando duas soluções aquosas são separadas por uma membrana semipermeável (permite a passagem de água mas não de moléculas de soluto) a difusão das moléculas de água da região de maior concentração para a de menor concentração produz uma pressão osmótica. 
AMINOÁCIDOS
Aminoácidos compartilham características estruturais comuns
Todos os vinte aminoácidos comuns são alfa – aminoácidos e possuem um grupo carboxila e um grupo amino ligados ao mesmo átomo de carbono. Eles diferem um do outro devido ao grupamento lateral (grupo R) as quais variam em estrutura, tamanho, carga elétrica e solubilidade em água. 
Com exceção da glicina (que ao invés do grupo R, possui outro átomo de hidrogênio ligado), o carbono alfa tem quatro substituintes diferentes (grupo amino, grupo R, grupo carboxil e um átomo de hidrogênio) o que confere a ele característica assimétrica ou quiral e uma estereoisomeria a molécula. 
O átomo de carbono alfa é um centro estereogênico portanto os 4 grupos ligantes podem ocupar dois arranjos espaciais diferentes e não sobreponíveis entre si o que resulta em dois enantiômeros. As duas formas são idênticas quanto as propriedades físico-químicas com exceção de uma, a direção do desvio da luz polarizada.
Na bioquímica, não é importante saber para onde a luz polarizada é desviada e sim somente saber que são aminoácidos diferentes denominados por D e L porque as enzimas reconhecem o D ou L por isso a identificação. Para um químico é difícil distinguir D e L mas para as enzimas a diferença é brutal.
Essa nomenclatura especial foi desenvolvida para especificar a configuração absoluta dos quatro substituintes do átomo de carbono quiral, tendo como referência o L – gliceraldeído (OH para a esquerda) e o D – gliceraldeído (OH para a direita). Para determinar D e L para um aminoácido, devemos fixar o grupo COO- com o CHO do gliceraldeído e vemos onde se encontra o grupamento NH3, se coincidir com o grupo OH do gliceraldeído a esquerda recebe nome L e se coincidir na direita recebe D. 
	Assim, os símbolos D e L referem-se a configuração absoluta dos quatro ligantes ao redor do carbono assimétrico e não a direção da luz polarizada. Por exemplo a L – alanina possui uma rotação específica de + 1,8 sendo um destrógiro.
	Nanatureza quase 100 % dos aminoácidos são L, portanto a representação de um L aminoácido, a amina tem que estar a esquerda. 
Aminoácidos podem ser classificados pelo grupo R
	Esse tópico pode ser simplificado agrupando os aa em cinco classes principais com bases nas propriedades de seus grupos R, em particular, suas polaridades ou tendências de interagir com a água em pH biológico, aproximadamente 7. A polaridade dos grupos R varia amplamente desde polares e hidrofílicos a apolares e hidrofóbicos. 
	As cadeias laterais dos 20 aminoácidos primários determinam suas propriedades químicas no meio aquoso e assim, as interações entre essas cadeias determinam por sua vez a conformação espacial das proteínas.
- grupo R apolares (hidrofóbicos), alifáticos: as cadeias laterais alanina, valina, leucina e isoleucina tendem a se aglomerar entre si estabilizando a estrutura proteica através de interações hidrofóbicas. 
- grupos R aromáticos: com suas cadeias laterais aromáticas são relativamente apolares (hidrofóbicos). 
- grupo R polares (hidrofóbicos) não carregados: os grupos R são mais solúveis em água quando comparados a grupos R de aminoácidos apolares porque contém grupos funcionais capazes de formar LH com a água. 
- grupos R carregados positivamente (básicos) ou negativamente (ácidos): os grupos R mais hidrofílicos são os carregados positivamente ou negativamente, em pH 7 eles vão sofrer interações com um aminoácido de carga oposta ou se repelir de aminoácidos com carga igual.
OBS: a cisteína é um aa que pode sofrer oxidação do grupo tiol (SH) e ao oxidar pode juntar através de ligações covalentes com outra cisteína formando uma cistina (S – S). A prolina tem o radical interagindo covalentemente com a cadeia amina que confere uma rigidez. 
Aminoácidos podem atuar como ácidos e bases
	Os grupos amino e carboxil de aa juntamente com os grupos R ionizáveis de alguns aa funcionam como ácidos e bases fracas. 
	Os aminoácidos sem grupo R ionizável quando dissolvidos em água a pH neutro eles passam a existir em solução como um íon dipolar/híbrido o qual pode atuar como um doador de prótons (ácido) ou como receptor de H+ (base). Substâncias possuindo esta natureza dual, são denominadas anfóteras. 
Aminoácidos possuem curvas de titulação características
- pH isoelétrico é o pH em que o aminoácido se encontra neutro, ou seja, o grupo amino está em forma protonada + e o grupo carboxílico está em forma desprotonada - . É calculado pela soma dos pKa’s envolvidos para a espécie neutra e dividido por 2. Não é necessariamente o grupo amina ou carboxílico, pode ser o grupo R.
pH > PI = aa negativo pH < PI = aa positivo 
- pKa tem associação com a facilidade em perder prótons, ou seja, quanto menor o pKa mais forte é o ácido e mais facilmente é desprotonado (tem a ver com aa que sofrem mais que duas desprotonações.
O grupamento carboxílico dentro dos aminoácidos tem um pKa menor que o grupamento fora do aminoácido porque ocorre uma repulsão entre a carga + do grupo amina e o próton que está saindo do grupo carboxílico (o próton sai mais facilmente). O grupo amino também sofre esse efeito porém ao contrário. A variação do pka do grupo amino ou carboxílico para diferentes aa varia de acordo com a interferência das cadeias sobre eles = perturbação de pka.
Os aa variam quanto as suas propriedades ácido-básicas e possuem curva de titulação especificas. Aminoácidos monoaminos e monocarboxílicos (com grupo R ionizáveis) são ácidos dipróticos em pH baixo, existindo em diversas formas iônicas à medida que o pH aumenta. Aminoácidos com grupo R ionizáveis possuem espécies iônicas adicionais dependendo do pH do meio e do pka do grupo R. 
Aminoácido que sofre 3 desprotonações 
	Em um aminoácido que sofre 3 desprotonações (tem um grupo amino, um carboxílico e um grupo R que todos sofrem desprotonação) vai acontecer na ordem de menor para maior pKa. 
EX: 1 grupo amina (pKa = 9,67) e 2 grupos carboxílicos (pKa = 2,19 e 4,25) a desprotonação ocorre do 2,19 em diante. GLUTAMINA
- 1 grupo amina (pka = 9,17) 1 grupo carboxílico (pka = 1,82) e um grupo midazol (pka = 6,0) a dissociação ocorre do menor para maior pka. HISTIDINA
 Peptídeos são cadeias de aminoácidos
Duas moléculas de aa podem se ligar covalentemente através da formação de uma ligação peptídica, formando um dipeptídeo. Essa ligação é formada pela remoção dos elementos da água (desidratação) de um grupo alfa carboxil de um aa e o grupo alfa amino do outro, ou seja, é a condensação de duas proteínas através da saída de uma molécula de água e formação de um grupo amida. Quando mais aa são assim ligados, há a formação de oligo ou polipeptídeos.
A ligação é planar e no grupo carboxílico e amina não existe rotação porque ocorre um efeito de ressonância dos elétrons entre os grupos e embora a ligação C – N não seja dupla, ela se comporta como tal. 
Os aa das extremidades são chamados de resíduo amino terminal e resíduo carboxiterminal, segundo apresentem uma extremidade livre com amina ou carboxila, respectivamente. 
OBS: as unidades de aa em um peptídeo são chamadas de resíduos, já que não são mais aa (perderam H+ do amino e OH- do carboxílico) 
	Resíduos de aa internos não apresentam grupo amina e carboxila ionizáveis, mas podem conter grupos ionizáveis em suas cadeias laterais: o comportamento ácido/base global de um peptídeo é previsto com base em seus grupos alfa – amino e alfa – carboxílico livres nas pontas da cadeia, além da natureza e número de grupos R ionizáveis (apresentam curvas de titulação características, assim como pH isoelétrico. O valor do pka de um grupo ionizável pode se modificar quando um aa se torna resíduo em um peptídeo.
Algumas proteínas contem grupos químicos além de aminoácidos
Muitas proteínas como por exemplo a ribonuclease A e a quimotripsina contém somente resíduos de aminoácidos sem nenhum outro constituinte químico, elas são consideradas proteínas simples. 
	Contudo algumas proteínas contém componentes químicos ligados a elas, são chamadas de proteínas conjugadas. A parte não aminoacídica de uma proteína conjugada é normalmente denominada grupo prostético que dão nome e classificam as proteínas, exemplo lipoproteínas (lipídeos ligados), glicoproteínas (grupos sacarídicos ligado) e metaloproteínas (tem metais ligados). Algumas proteínas contém mais de um grupo prostético e é ele que exerce papel importante na função biológica da proteína.
OBS: muitos peptídeos ocorrem de forma livre na natureza não associados a estruturas proteicas sendo que alguns possuem intensa atividade biológica (ex: hormônios). A especificidade da ação e os efeitos biológicos são evidentemente conferidos pela sequência de aa dos peptídeos. 
- subunidades: são estruturas proteicas separadas porém, ligadas não covalentemente e portanto diferente das cadeias onde as ligações são covalentes. 
Diferentes níveis de estrutura proteica
Primária: descrição de todas as ligações covalentes unindo resíduos de aminoácidos em uma cadeia, a questão mais importante é a sequência de resíduos de aminoácidos porque determina a conformação espacial das proteínas assim como sua função e atividade biológica.
Secundária: padrões estruturais decorrentes da sequência de aminoácidos e possui organização espacial em alfa – hélice. 
Terciária: dobramento tridimensional de um polipeptídio – enovelamento sem padrão determinado. 
Quaternária: interação entre subunidades polipeptídicas diferentes.
PROTEÍNAS: ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL
Visão geral sobre a estrutura das proteínas
	A proteína em seu estado natural e ativo é denominada de proteína nativa, sendo a conformação mais estável e funcional. Essa maior estabilidade é explicada termodinamicamente: à medida que as moléculas de água organizadas são eliminadas da camada de solvatação, há um aumento favorável da entropia e diminuição da energia de Gibbs devido a diminuição da superfície de contato com a água. Além das interações moleculares que a estabiliza: hidrofóbicas, iônicas, ligações de hidrogênio e ligaçõesdissulfeto. 
	A desnaturação proteica é a alteração da conformação, associada a perda de atividade biológica. Pode ser provocada por calor, por valores extremos de pH, por solventes orgânicos miscíveis com a água como o etanol e acetona, por solutos como a ureia, pela exposição a detergentes ou pela agitação vigorosa da solução proteica até a formação abundante de espuma. 
	Quando há a desnaturação, não há rompimento das ligações covalentes do esqueleto da cadeia polipeptídica, apenas o arranjo tridimensional, desenrolando-se em estruturas diversas perdendo sua função biológica. 
A conformação de uma proteína é estabilizada por interações fracas
	No contexto de proteína o conceito de estabilidade pode ser entendido como a tendência a manter a conformação nativa. A estrutura das proteínas é estabilizadas por múltiplas interações fracas. Interações hidrofóbicas são contribuintes majoritárias para a estabilização da forma globular da maioria das proteínas solúveis. Ligações de hidrogênio e interações iônicas são otimizadas nas estruturas termodinamicamente mais estáveis. 
A ligação peptídica é rígida e planar
	As ligações covalentes também impõem importantes restrições na conformação de um polipeptídio. 
	Os carbonos alfa de resíduos adjacentes de aminoácidos são separados por três ligações covalentes, arranjados na forma: C alfa – C – N – C alfa. Experimentos mostraram que de alguma forma, a ligação C – N é mais curta que a ligação C – N de aminas simples devido ao compartilhamento de elétrons entre o oxigênio (ligado ao carbono – posição trans) e o hidrogênio (ligado ao nitrogênio) formando um dipolo por causa das cargas parciais e também que átomos associados a ligação peptídica são planares. 
	Os seis átomos do grupo peptídico situam-se no mesmo plano. Com base nas observações feitas experimentalmente, conclui-se que as ligações C – N não podem girar livremente por causa de seu caráter parcial de ligação dupla. A rotação é permitida ao redor das ligações N – C alfa e C alfa – C. 
	O esqueleto de uma cadeia polipeptídica pode então, ser descrito como uma série de planos rígidos, com planos consecutivos compartilhando um ponto comum de rotação no C alfa.
Estrutura secundária das proteínas 
	Se refere a qualquer segmento de uma cadeia polipeptídica e descreve o arranjo espacial de seus átomos na cadeia principal, sem considerar a conformação de suas cadeias laterais ou sua relação com outros segmentos. Se refere a arranjos estáveis com padrões regulares de enovelamento.
A α – hélice é uma estrutura secundária muito comum em proteínas
	O arranjo mais simples que a cadeia polipeptídica pode assumir, dada a rigidez de suas ligações peptídicas mas também a livre rotação em torno das demais ligações simples, é uma estrutura helicoidal chamada alfa – hélice. 
	Nessa estrutura, o esqueleto polipeptídico é firmemente enrolado em torno de um eixo imaginário no centro da hélice e os grupos R dos resíduos de aminoácidos se projetam para fora do esqueleto helicoidal. 
	Os segmentos da alfa – hélice em proteínas normalmente se torcem para a direita em sentido anti – horário. A estabilidade da hélice deve-se a formação de LH entre cada átomo de H ligado ao átomo de N (eletronegativo) da ligação peptídica e o átomo de O da carbonila do quarto aminoácido na sequência, ou seja, otimiza as LH entre 1 e 4, 2 e 5, 3 e 6, etc. 
	Portanto a estabilidade = LH intracadeia + restrições a livre rotação ao redor das lig simples.
A sequência de aminoácidos afeta a estabilidade da α – hélice
- Interações eletrostáticas entre as cadeias lateria (grupos R) carregados: a mutua repulsão será mais forte que a influência estabilizadora das ligações de hidrogênio. 
- grande volume dos grupos R adjacentes
- ocorrência de resíduos prolina e glicina: quando a prolina está presente na alfa – hélice, desestabiliza completamente e desmonta a hélice porque o anel de sua estrutura não permite a rotação da cadeia enquanto a glicina apresenta uma flexibilidade conformacional maior do que os outros aa.
- interação entre resíduos nas extremidades do segmento helicoidal e o dipolo inerente da hélice. 
- Tanto adjacentes quanto espaçados de 4 em 4: os grupos devem ser compatíveis positivo com negativo; apolar com apolar. 
As conformações β organizam as cadeias polipeptídicas em forma de folha
	É uma conformação mais estendida das cadeias polipeptídicas, o esqueleto da cadeia está estendido em forma de zigue – zague ao invés de uma estrutura helicoidal, formando uma estrutura que lembra um conjunto de pregas dispostas lado a lado.
	Nesse arranjo as ligações de hidrogênio são formadas entre os segmentos adjacentes da cadeia polipeptídica, intercadeias. 
	Os grupos R de resíduos adjacentes projetam – se em direções opostas e as cadeias polipeptídicas adjacentes podem ser classificadas em: 
- paralelas: orientações amino e carbonila iguais 
- antiparalelas: orientações diferentes
OBS: a influência desestabilizadora é semelhante à da alfa – hélice principalmente quanto ao volume dos grupos R, ou seja, para ser mais estável a cadeia lateral tem que ser menos volumosa. 
Dobra β
	A dobra beta é uma dobra de 180º que inverte a posição da cadeia polipeptídica, sem padrão estabelecido e acontece entre duas folhas beta. Envolve quatro resíduos de aminoácidos com o O do grupo carbonilico do primeiro formando uma ligação de hidrogênio com o H do amino do quarto.
	Na inversão geralmente os resíduos envolvidos são a glicina e a prolina. A prolina possui ligações peptídicas tanto cis quanto trans, enquanto os outros resíduos apenas trans. Na cis há uma dobra na molécula, eu forma um ângulo de 180º que inverte toda a cadeia polipeptídica. A glicina por possuir uma cadeia lateral pequena, ameniza o grupo R volumoso da prolina. 
	A dobra beta é uma transição para a estrutura terciária, pois permite o envolvimento despadronizado característico, já que inverte a sequência da cadeia polipeptídica. 
Estrutura terciária e quaternária das proteínas 
	 A estrutura terciária é o arranjo tridimensional global de todos os átomos de uma proteína. Já a quaternária é o arranjo das subunidades em proteínas que contém duas ou mais cadeias polipeptídicas separadas em complexo 3D. Considerando estes níveis mais altos de estrutura, é conveniente classificar as proteínas em dois grandes grupos: 
- proteínas fibrosas: possui cadeias polipeptídicas arranjadas ao longo de filamentos ou folhas e consistem principalmente de um único tipo de estrutura secundária e sua estrutura terciária é relativamente simples. Fornecem suporte, proteção externa e forma aos vertebrados, ex colágeno e alfa – queratina. 
- proteínas globulares: possuem cadeias polipeptídicas enoveladas em forma esférica ou globulares e contém diversos tipos de estruturas secundárias. São as enzimas e a proteínas regulatórias, como exemplo a mioglobina. 
	As proteínas fibrosas são estruturalmente adaptadas para uma função, apresentando propriedades que conferem resistência e/ou flexibilidades. São insolúveis em água devido a elevada concentração de resíduos de aminoácidos hidrofóbicos. A unidade fundamental é um elemento repetitivo de estrutura secundária que são EMPACOTADOS em conjuntos formando elaborados complexos supramoleculares. 
- Colágeno 
Hélice orientada para a esquerda e possui três resíduos de aminoácidos (glicina, prolina/hidroxi-prolina e alanina) e NÃO é uma alfa hélice pois tem sentido contrário.
Numerosos resíduos de prolina: conformação rígida e com curvaturas curtas resultando em uma hélice bastante retorcida – três cadeias polipeptídicas (cadeias alfa) helicoidais estão superenoveladas, além de estarem interligadas por ligações de hidrogênio e formando interligações covalentes entre lisina e duas cadeias e possui orientação para a direita (mais forte que aço) 
OBS: doenças características pelo enfraquecimento do colágeno envolvem a troca de glicina por um aminoácido de cadeia maior -> não haverá eficiente empacotamento e portanto diminuirá a rigidez.
- α queratinaÉ parte da família das proteínas dos filamentos intermediários que fazem papel estrutural e sua hélice é para a direita. Duas fitas de alfa queratina orientadas em paralelo enovelam-se uma a outra para formar um espiral super retorcido com orientação para a esquerda. 
	Pontes dissulfeto formam as ligações cruzadas entre as proteínas e ela esta presente em cabelo, unha, espinhos, chifre, casco e camada externa da pele. É uma proteína rica em resíduos de aminoácidos hidrofóbicos. 
PROTEÍNAS GLOBULARES: MIOGLOBINA E HEMOGLOBINA
	O grupo HEME presente na mioglobina e na hemoglobina consiste em uma complexa estrutura orgânica em anel, chamada protoporfirina à qual um átomo de ferro no estado reduzido (ferroso Fe 2+) está ligado. 
O átomo de ferro possui seis valências de coordenação, sendo que quatro ligam-se a protoporfirina (estrutura plana) e as duas outras perpendiculares a esse plano. 
	Na hemo e na mioglobina, uma dessas valências perpendiculares liga-se a um átomo de N de um resíduo de histidina (proximal). A restante é “livre” servindo como sitio de ligação para uma molécula de O.
OBS: a heme portanto, é um grupo prostético ou seja, é composto associado permanentemente a uma proteína e que contribui para sua função. 
	Quando isolado em solução, ou seja, não ligado a proteína, o grupo heme possui uma afinidade 20.000 vezes maior com o monóxido de carbono do que com o O. Porém como a concentração de O2 na atmosfera é muito maior, a quantidade de CO torna-se insignificante, não causando mal uma vez que ele é toxico.
	O CO2 liga-se a molécula heme livre mais de 20.000 vezes melhor do que O2, mas somente 200x quando o grupo heme está ligado a mio ou hemoglobina. Explicações: 
- impedimento estéreo: quando o O2 liga-se a heme livre, o eixo da molécula de O é posicionado em um ângulo enquanto o CO posiciona-se em linha reta, devido a HISTIDINA DISTAL. 
	Este resíduo não ligado está próximo da 6ª coordenação do Fe onde o gás se liga, interagindo como tal: forma uma ligação de hidrogênio com o O2 e impede a ligação linear de CO reduzindo a seletividade deste, pois adota um ângulo inadequado, enfraquecendo a ligação de CO – Mioglobina. 
- movimentos moleculares “respirações” na estrutura da proteína: a flexibilização rápida das cadeias laterais dos aminoácidos gera cavidades transitórias na estrutura e o O2 entra e sai por estas (não há um caminho direto/fixo entre o sitio de ligação e o oxigênio) 
- mioglobina 
	É uma proteína de transporte que facilita a difusão de O2 no musculo. Consiste em um único polipeptídio de 153 resíduos de aminoácidos com uma molécula, possuindo uma única conformação e seu interior apolar. O polipeptídio é formado por oito seguimentos alfa – helicoidais conectados, sendo que 80% dos resíduos estão nessa alfa hélice. 
	O grupamento heme + proteína se liga através do ferro que se liga a uma histidina proximal na 5ª posição. A histidina distal está presente para atrapalhar a ligação do CO no grupamento heme que se encontra fora da cadeia polipeptídica porque fora da cadeia ele tem muito mais afinidade pelo CO do que pelo O. 
- hemoglobina 
	É uma proteína tetraédrica contendo quatro grupo prostéticos heme, cada um associado com uma cadeia polipeptídica: alfa 1 e alfa 2 (141 aa) e beta 1 e beta 2 (a46 aa). 
	A estrutura tridimensional das quatro subunidades é muito semelhante apesar da sequência de aa ser bem diferente. São também parecidas com a mioglobina. A estrutura quaternária da hemoglobina caracteriza ligações fortes entre as subunidades diferentes (alfa + beta) havendo interações hidrofóbicas, ligações de hidrogênio e pontes dissulfeto.
	 A hemoglobina é muito sensível a variações de concentração de O2 e CO2. Ela capta o O2 no pulmão que tem alta pressão parcial de O2 e leva para os tecidos onde a pressão parcial de O2 é baixa, ou seja, variações muito pequenas nas concentrações já definem sua ação. 
- mioglobina: MbO2 -> Mb + O2 (gráfico 1)
Hipérbole 
P50 = 1mmHg e n = 1 (coeficiente de Hill - cooperatividade) 
PO2 = ½ ligado ao O2 e ½ dissociada 
- hemoglobina: Hb (O2) n -> Hb + nO2 
Sigmoide 
P50 = 26 mmHg e n = 2,8 (com cooperatividade – facilita a ligação ou desligamento de O2 nas subunidades) 
Portanto, de 50% a 100% de saturação indica o O2 sendo liberado nos tecidos e a PO2 nos tecidos é igual a 20mmHg e nos pulmões 100mmHg. O estimulo é a queda da PO2 e como resposta tem a liberação de O2. 
A mioglobina apresenta a função de armazenar O2 nos tecidos já que é relativamente insensível a pequenas alterações na concentração de O2 dissolvido. 
Já a hemoglobina, com suas múltiplas subunidades e sítios de ligação para o O2, é responsável por transportar O2 do pulmão (PO2 alta = ligada com O2) para os tecidos (PO2 baixa) em geral. A liberação é proporcional, exemplo, 15 mmHg – libera mais O2 – menos saturada e 25 mmHg libera menos O2. 
Uma proteína que se liga ao O2 com alta afinidade o ligara eficientemente nos pulmões, mas não liberara muito nos tecidos. Porém, se ligar-se com afinidade suficientemente baia para liberar O2 nos tecidos, não captará muito nos pulmões. A Hb resolve esse problema passando por uma transição de um estado de baixa afinidade (estado T - tensa, mais estável) para um de alta afinidade (estado R – relaxada, menos estável) à medida que mais moléculas de O2 vão sendo ligadas, ocorrendo um efeito alostérico. 
Uma proteína alostérica é aquela na qual a interação com um ligante em um sitio afeta as propriedades de ligantes de outros sítios na mesma proteína. No caso da hemoglobina, a ligação de O2 aumenta a afinidade com as outras subunidades (conformações), originando uma cooperatividade positiva, n > 1. 
A hemoglobina também transporta H+ e CO2, produtos finais da respiração celular dos tecidos para os pulmões e rins onde são excretados. A ligação de ambos tem uma relação inversa com a ligação de O2: no pH relativamente baixo, a alta concentração de CO2, a afinidade da Hb pelo O2 diminui quando o H+ e o CO2 se ligam, facilitando a saída do O = EFEITO BOHR (cooperação negativa, n < 1)
Devido ao Efeito Bohr que ocorre a troca gasosa: 
- nos pulmões: ↑ {O2} – ligação de O2 e liberação de CO2 
- nos tecidos: ↑ {CO2} – ligação de CO2 - ↓ afinidade por O2 = liberação de O2 
OBS: o CO2 liga-se como grupo carbomato ao alfa-amino da extremidade amino-terminal de cada cadeia de globina, formando a carbaminoemoglobina. 
CO2 + resíduo amino-terminal -> liberação H+ -> resíduo carbaminoterminal
Esta reação produz H+ contribuindo ainda mais para o efeito Bohr. 
	O DPG (difosfatoglicerato) reduz muito a afinidade da Hb pelo O2, apresentando também cooperatividade negativa. É importante na adaptação fisiológica à PO2 mais baixa nas grandes altitudes (em pessoas que sofrem hipóxia que é a redução de oxigenação nos tecidos) onde a liberação de O2 para os tecidos é reduzida. Assim, com o aumento da {DPG} no sangue, há uma redução na afinidade de O2 pela Hb, liberando-o. 
	Ao contrário do O2, somente uma molécula de DPG se liga a cada tetrâmero da Hb, reduzindo a afinidade desta pelo O2, pois estabiliza o estado T com sua alta densidade de carga negativa. Desloca o equilíbrio para a forma T porque ela tem carga negativa que se liga a carga positiva do ferro e contribui para a “amarração” das subunidades. 
Hb -> O2 -> HbO2 (forma R, ligada ao O2 e ↑ afinidade) 
HbO2 -> DPG, H+, CO2 -> Hb (forma T, não ligada com O2 ou ligada a CO2, H+ e DPG, ↓afinidade)
Em um gráfico de y x PO2, as curvas vão de Hb + DPG + CO2 ou H+ -> Hb + DPG + Hb fetal e finalmente Hb. Portanto concluímos que o aumento de P50 condiz com diminuição da afinidade. 
Hemoglobina fetal
Como o feto precisa captar O2 do sangue da mãe a hemoglobina fetal tem que ter maior afinidade por O2 do que a hemoglobina materna. O feto, assim, sintetiza subunidades gama ao invés de beta (substituição da histidina – resíduo positivo – por cerina – menos positivo) formando uma hemoglobina de alfa2 e gama2. Este tetrâmero tem uma afinidade muito mais baixa pelo DPG do quea hemoglobina adulta, tendo maior afinidade pelo O2. 
Anemia falciforme 
	A anemia falciforme é um exemplo de como pequenas alterações na sequência de aminoácidos (estrutura primaria) pode afetar drasticamente a conformação espacial (secundária, terciária e quaternária) e, consequentemente, a atividade biológica das proteínas. 
	É uma doença hereditária homozigota recessiva, caracterizada por eritrócitos anormais e em menor número. O sangue contém muitos eritrócito longos e finos em forma de foice, além de células imaturas e algumas normais. 
	É causada pela substituição do ácido glutâmico (resíduo de carga negativa) por valina (resíduo neutro) nas duas cadeias beta, ou seja, a hemoglobina S (das células falciformes) possui duas cargas negativas a menos que a Hb de células normais. 
	A valina esta fixa na superfície externa da hemoglobina criando um ponto de contato hidrofóbico “adesivo”. Tais pontos fazem com que as moléculas desoxihemoglobina se associem anormalmente entre si, formando os agregados longos e fibrosos característicos da doença. Assim, há uma dificuldade de ligação do O2, pois diminui a polaridade e a superfície de contato com o O2. 
Histidina como tampão fisiológico 
	A histidina é um tampão fisiológico pois capta H+. Nos tecidos (PO2 baixa) a hemoglobina libera O2, retornando a forma tensa: ácido aspártico (negativo) se aproxima da histidina (positiva), tendo carga total negativa -> próton H+ é captado, aumentando o pKa da histidina (6,2 – 7,7). No pulmão a Hb capta O2, liberando H+ o que diminui o pH do meio. 
LIPÍDEOS
	São um grupo de compostos cuja característica em comum que os define é a sua insolubilidade em água. Gorduras e óleos são as principais fontes de armazenamento em muitos organismos, fosfolipídios e esteróis são os principais elementos estruturais das membranas biológicas. 
Lipídeos de armazenamento
	As gorduras e óleos utilizados de modo quase universal como forma de armazenamento são derivados de ácidos graxos. Ácidos graxos são derivados de hidrocarbonetos com estado de oxidação muito baixos. A oxidação celular de ácidos graxos (a CO2 e H2O) é altamente exergônica. 
Os ácidos graxos são derivados de hidrocarbonetos 
	Eles são ácidos carboxílicos com cadeias hidro carbonadas, em alguns ácidos graxos essas cadeias são totalmente saturadas (não contém ligação dupla) e não ramificadas, em outros, a cadeia contém uma ou mais ligações duplas (insaturadas) e em algumas contém anéis de três carbonos ou ramificações metil. 
	A nomenclatura de ácidos graxos não ramificados especifica o comprimento da cadeia, o número de duplas separados por dois pontos -> ácido oleico 18:1 (18 carbonos e 1 insaturação), quando tiver mais que uma insaturação, colocamos um delta como expoente e colocamos o número do carbono onde temos as duplas separados por vírgula. 
	Ácidos graxos mais comuns apresentam números pares de carbono em uma cadeia não ramificada e a maioria das insaturações ocorrem no carbono 9, 12 e 15. As ligações duplas dos ácidos graxos poli-insaturados quase nunca são conjugadas (alteram em simples e dupla ou são separadas por um metil) e geralmente encontram-se em configuração cis. 
	A cabeça do ácido graxo (grupo carboxil) recebe nomenclatura alfa enquanto sua outra extremidade (final da cadeia carbônica – carbono 1) recebe nomenclatura ômega, nesta convenção os ácidos graxos poli-insaturados com uma ligação dupla entre C3 e C4 recebem o nome de ômega 3 e aqueles com ligação dupla entre C6 e C7 recebem nome de ômega 6. 
OBS: ↑ cadeia hidrocarboneto ↓ insaturações ↓ solubilidade – como o grupo carboxil é polar, quanto menor a cadeia de hidrocarbonetos, pouco mais solúvel é o ácido graxo. Ácidos graxos saturados possuem maior ponto de fusão. ↓ insaturações ↑ ponto de fusão.
- consumir ácidos graxos trans (gordura trans) aumenta risco de ter doenças cardiovasculares e problemas nas artérias. Ácidos graxos trans aumentam o nível de LDL (colesterol ruim) e diminui os níveis de HDL também aumenta as respostas inflamatórias do corpo. 
Os triacilgliceróis são ésteres de ácidos graxos do glicerol
	Os lipídeos mais simples construídos a partir de ácidos graxos são os triacilgliceróis também chamados de triglicerídeos, gorduras ou gorduras neutras. Os triacilgliceróis são compostos por três ácidos graxos, cada um em ligação éster com o mesmo glicerol. 
	Como as hidroxilas polares do glicerol e os carboxilatos polares dos ácidos graxos estão em ligação éster, os triacilgliceróis são moléculas apolares, hidrofóbicas, essencialmente insolúveis em água.
	Ácidos graxos saturados se organizam lado a lado (flexibilidade) que gera uma alta estabilidade e força entre as moléculas (geralmente Van der Waals) = dificuldade em quebrar as ligações -> aumento do ponto de fusão (necessita de muita energia). As insaturações conferem maior liberdade de rotação.
OBS: o ácido graxo é o que fornece a energia portanto precisa “quebrar” o triglicerídeo que é a forma de armazenamento através de lipases. Em laboratório é preciso um ambiente com KOH que irá formar um sal de ácido graxo (sabão) ao diminuir o pH ocorre a protonação no O- que gera o ácido graxo. 
Os triacilgliceóis armazenam energia e proporcionam isolamento térmico 
	Na maioria dos eucariotos, os triacilgliceróis formam uma fase separada de gotículas microscópicas de óleo no citosol aquoso, servindo como depósito de combustível metabólico. Em vertebrados, os adipócitos que são células especializadas, armazenam grandes quantidades de triacilgliceróis em gotículas de gordura que quase preenchem a célula. Os adipócitos contém lipases, enzimas que catalisam a hidrólise de triacilgliceróis armazenados, liberando ácidos graxos para transportar para os locais onde eles são necessários como combustível. 
	Existem duas vantagens significativas em se usar triacilgliceróis para armazenamento em vez de polissacarídeos como o glicogênio e o amido. Primeiro, os átomos de carbono dos ácidos graxos estão mais reduzidos do que os dos açúcares, e a oxidação de triacilgliceróis libera mais que o dobro de energia por grama do que a oxidação de carboidratos. Segundo, como os triacilgliceróis são hidrofóbicos e portanto, não hidratados, o organismo que carrega a gordura como combustível não precisa carregar o peso extra da água da hidratação que está associada aos carboidratos. 
	Em alguns animais os triagliceróis armazenados sob a pele servem tanto como reserva energética quanto como forma de isolamento térmico a baixas temperaturas.
OBS: a função energética dos ácidos graxos se deve ao seu alto poder de oxidação devido a cadeia muito reduzida. Os elétrons são fornecidos à cadeia respiratória através de NAD e FAD ATP. 
	- ácidos graxos vegetais tem menor ponto de fusão que ácidos graxos animais pois os vegetais possuem mais insaturações (líquidos na temperatura ambiente) do que os animais (cerosos em temperatura ambiente).
As ceras servem como reservas de energia e como impermeabilizantes à água
	As ceras biológicas são ésteres de ácidos graxos saturados e insaturados de cadeia longa com álcoois de cadeia longa. Seu ponto de fusão geralmente é mais alto do que o triacilgliceróis. 
	As ceras também servem para diversas funções devido a sua característica impermeabilizante e consistência firme. 
Lipídeos estruturais de membrana 
	A característica central de membranas biológicas é uma dupla camada de lipídeos que atua como uma barreira à passagem de moléculas polares e íons. Os lipídeos de membrana são anfipáticos: uma extremidade da molécula é hidrofóbica e outra é hidrofílica. Suas interações hidrofóbicas entre si e hidrofílicas com a água direcionam seu empacotamento em camadas, chamadas bicamadas da membrana. Existem 5 tipos gerais de lipídeos de membrana: 
- glicerofosfolipideos (região hidrofóbica são dois ac. Graxos + glicerol)
- galactolipídeos e sulfolipídeos (também são dois ac. Graxos esterificados com glicerol sem fosfato característico de fosfolipídios)
- lipídeos tetra éter em Archaea
- esfingolipídios(único ac. Graxo ligado a amina graxa esfingosina) 
- esteróis (sistema rígido com quatro anéis hidrocarbonados fusionados) 
- glicofosfolipídeos o que os diferencia é o álcool que entra em sua cadeia. Geralmente, uma cadeia de ac. Graxo é saturado e a outra é insaturada. 
- nos esfingolipídeos, o que muda é o mono ou dissacarídeo. 
- esteróis: colesterol é o principal esterol, são precursores dos hormônios esteroides. Os colesteróis não contém ácidos graxos em sua estrutura (contém estrutura tetracíclica que conferem rigidez a estrutura e a única parte apolar da molécula é o OH do lado contrário da cadeia. 
Estados da bicamada
Paracristalino: fase gel, abaixo da temperatura fisiológica e é um arranjo uniforme quase sem movimento. 
Fluido: líquido desordenado, acima da temperatura fisiológica e possui maior movimento e é desorganizado 
Líquido ordenado: está na temperatura fisiológica, tem uma menor movimentação e movimentos laterais, é uma fluidez organizada. 
	A temperatura de transição de uma membrana é determinada pela natureza química dos componentes de membrana. 
OBS: o colesterol em concentrações normais tende a formar membranas menos deformáveis e menos permeáveis à água, mas não menos fluidas. Altas concentrações de colesterol inibe as possíveis transições de fase para cristalização. 
Permeabilidade seletiva
A permeabilidade seletiva é um processo fisiológico que ocorre através da membrana plasmática de todas as células e da parede celular de células vegetais que consiste na passagem seletiva de substâncias para o meio intra ou extracelular.
Para compreendermos melhor o processo de permeabilidade seletiva é preciso relembrar a estrutura da membrana plasmática. A membrana plasmática é formada por uma bicamada lipídica, tendo como principal componente moléculas de fosfolipídios, essa composição faz com que a membrana sirva de barreira para a entrada e saída de substâncias, facilitando a passagem de produtos lipossolúveis ao mesmo tempo que dificulta a passagem de elementos não solúveis em lipídios, ou seja grande parte dos lipídios ou moléculas lipofílicas, assim como gases tais como o oxigênio e o gás carbônico atravessam a membrana facilmente enquanto que moléculas hidrossolúveis não.
Íons como o sódio, cloro, potássio e cálcio conseguem atravessar a membrana através de canais iônicos enquanto que moléculas maiores como a glicose e pequenas proteínas passam e um lado ao outro da membrana através de proteínas chamadas de proteínas carreadoras.
A passagem seletiva de substâncias através da membrana ocorre de duas maneiras diferentes: o transporte ativo, quando envolve o uso de energia, e o transporte passivo quando não envolve a utilização de ATP.
Proteínas de membrana
Proteínas Estruturais: Cuja função é concentrar a membrana e o citoesqueleto para manter a forma da célula e criar junções celulares que fazem com que os tecidos permaneçam unidos. São exemplos desse grupo as micro vilosidades, junções de oclusão e junções comunicantes.
Proteínas Enzimas: Catalisam reações químicas que ocorrem na superfície externa ou na região próxima ao lado interno do citoplasma. A Angiotensina é um exemplo de proteína enzima.
Proteínas Receptores: Fazem parte do sistema químico de sinalização do corpo, sendo específicos para uma molécula ou família de moléculas relacionadas, assim como as enzimas reconhecem e ligam-se apenas a substratos específicos. A molécula que se liga ao receptor é denominada ligante, e geralmente esta ligação aciona outro evento na membrana. Um bom exemplo de ligante é o hormônio insulina, que se combina ao receptor da insulina para exercer seus efeitos.
Proteínas Transportadores: Este grupo de proteína pode ser subdivido em - Proteínas de canais: Realizam um transporte transmembrana mais rápido e pouco seletivo, apenas de moléculas menores. - Proteínas Carreadoras: Realizam um transporte mais lento, porém mais seletivo, e transportam moléculas maiores.