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INTRODUÇAO Os componentes químicos da célula 2-1. Os componentes químicos da célula são classificados em inorgânicos e orgânicos A estrutura da célula é a conseqüência de uma combinação de moléculas organizadas em uma ordem muito precisa. Mesmo havendo ainda muito por aprender, j,á se conhecem os princípios gerais da organização molecular da maioria das estruturas celulares, como os cromossomos, as memlnanas , os ribossomas, as mitocôndrias, os cloroplastos etc. A biologia celular é inseparável da biologia molecular; da mesma fo1ma que as células são os tijolos com os quais se edificam os tecidos e os organismos, as moléculas são os tijolos com os quais se constroem as células. No início, o estudo da composição química da célula foi feito mediante a análise bioquímica de órgãos e tecidos inteiros, como o fígado , o cérebro, a pele ou o meristema vegetal. Estes estudos só possuem um valor citológico relativo, porque o material analisado geralmente é composto por uma mescla de diferentes tipos celulares e contém material extracelular. Nos últimos anos, o desenvolvi- mento .de diversos métodos de fracionamento celular (Caps. 23-28 a 23-32) permitiu isolar os ele- mentos subcelulares e recolher informações mais precisas sobre a estrutura molecular da célula. ~ Os componentes químicos da célula são classificados em inorgânicos (água e minerais) e orgâ-, nicos (ácidos nucléicos, carboidratos, lipíoios e proteínas). / Do total dos componentes da célula, cerca de 75 a 85% correspondem a água, entre 2 e 3% são , constituídos de sais inorgânicos e o restante é formado por compostos orgânicos qw;~ represen- tam as moléculas da vida. A maior parte das estrnturas celulares contém lipídios e moléculas muito , grandes - denominadas macromoléculas ou polímeros - integradas por unidades ou monôme~ rosque se conectam por meio de ligações covalentes. Nos organismos, existem três polímeros importantes: 1) os ácidos nucléicos, formados pela , associação de quatro unidades químicas diferentes denominadas nucleotídeos; a seqüência linear dos quatro tipos de nucleotídeos na molécula de DNA é a fonte primária da informação genética; 2) os polissacarídeos, que podem ser polímeros de glicose - com os quais se formam glicogê- nio, amido ou celulose - ou compreender a repetição de outros monossacarídeos, com os quais t se formam polissacarídeos mais complexos; e 3) as proteínas (polipeptídeos), que são constituí- das por aminoácidos - existem 20 tipos - combinados em diferentes proporções; as quantida- j des e as possibilidades de ordenamento desses 20 monômeros permitem um número extraordiná- rio de combinações, o que determina não somente a especificidade, mas também a atividade bio- lógica das moléculas protéicas. Além de destacar as características e propriedades dos componentes químicos da célula, neste capítulo abordaremos o estudo das enzimas - um tipo específico de proteínas - como instru- mentos moleculares capazes de produzir transformações em muitos desses componentes. Também veremos como as macromoléculas podem se agregar e se organizar em estruturas supramoleculares mais complexas, até se tomarem visíveis ao microscópio eletrônico. É provável que tais agregações moleculares tenham atuado durante o período de evolução química e biológi- ca que originou a primeira célula. Por esse motivo, no final deste capítulo, teceremos algumas considerações especulativas acerca da possível origem das células procariontes e eucariontes, quer dizer, do aparecimento da vida em nosso planeta. Os conceitos emitidos neste capítulo servem apenas como uma introdução elementar ao conhecimento da biologia molecular e celular. O estu- do mais amplo de seus temas compete aos textos de bioquímica. 2 18 • OS COM PONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Fig. 2.1 Esquema que mostra a distribuição assimétrica das cargas na molécula de água. ' ÁGUA E MINERAIS 2-2. A água é o componente mais abundante dos tecid~s Água. Com poucas exceções - por exemplo, o osso e o dente - a água é o componente en- contrado em maior quantidade nos tecidos. O conteúdo de água do organismo está relacionado com a idade e com a atividade metabólica; é maior no embrião (90-95%) e diminui com o passar dos anos. A água atua como solvente natural dos íons e como meio de dispersão coloidal da maior parte das macromoléculas. Mais ainda, é indispensável à atividade metabólica, já que os proces- sos fisiológicos ocoITem exclusivamente em meios aquosos. Na célula, a água é encontrada em duas frações, uma livre e outra ligada. A água livre repre- senta 95 % da água total , e é parte usada principalmente como solvente para os solutos e como meio de dispersão do sistema coloidal. A água ligada representa apenas 5% e é a que está unida frouxamente a outras moléculas por ligações não covalentes (Seção 2-10); assim, compreende a água imobilizada no seio das macromoléculas. Como resul tado da distribuição assimétrica de suas cargas, uma molécula de água comporta-se como um dipolo , conforme ilustra a Fig. 2.1. Devido a esta propriedade, a água pode se ligar eletrostaticamente, por seus grupos positivos e negativos, tanto a ânions e cátions quanto a molé- culas com ambos os tipos de carga (p. ex., proteínas). Outra propriedade da molécula de água é sua ionização em um ânion hidroxila (OH- ) e em um próton ou íon hidrogênio (H+). A uma tem- peratura de 25ºC, 10- 7 M de H+ por litro de água se dissociam, concentração que COITesponde ao pH neutro 7. A água intervém na eliminação de substâncias da célula. Além disso, absorve calor (graças a seu elevado coeficiente calórico) que evita que sejam geradas mudanças drásticas da temperatura na célula. Sais. A concentração de íons é diferente no interior da célula e no meio que a circunda. Assim, a célula tem uma alta concentração de cátions K+ e Mg2+, enquanto o Na+ e o c1 - estão localiza- dos principalmente no líquido extracelular. Os ânions dominantes nas células são o fosfato (HPO/ - ) e o bicarbonato (HC03 - ). Os sais dissociados em ânions (p. ex., ci - ) e cátions (Na+ e K+) são importantes para manter a pressão osmótica e .o equi líbrio ácido-básico da célula. A retenção de íons produz um aumento da pressão osmótica e, portanto, a entrada de água. Alguns íons inorgânicos (como o Mg2+) são indispensáveis como co-fatores enzimáticos. Ou- tros fazem parte de moléculas distintas. O fosfato , por exemplo, é encontrado nos fosfolipídios e nos nucleotídeos; um destes, a adenosina trifosfato (A TP), é a principal fonte de energia para os processos vitais da célula. Os íons de Ca2+ que se encontram nas células desempenham um impor- tante papel como transmissores de sinais. Outros íons presentes nas células são o sulfato, o carbo- nato etc. Certos minerais são encontrados na forma não ionizada. Assim oc01Te com o cálcio, que nos ossos e nos dentes encontra-se unido ao fosfato e ao carbonato sob a forma de cristais. Outro exem- plo compreende o feITO, que na hemoglobina, na ferritina, nos citocromos e em várias enzimas encontra-se unido por ligações carbono-metal. Para manter a atividade celular normal são indispensáveis quantidades diminutas de manga- nês, cobre, cobalto, lodo, selênio, níquel , molibdênio e zinco. Quase todos esses elementos vesti- giais (ou oligoelementos) são necessários para a atividade de certas enzimas. O iodo é um compo- nente do hormônio tireóideo. ÁCIDOS NUCLÉICOS 2-3. Existem dois tipos de ácidos nucléicos, o DNA e o RNA Os ácidos nucléicos são macromoléculas de enorme importância biológica. Todos os seres vi- vos contêm dofs tipos de ácidos nucléicos, chamados ácido desoxirribonucléico (DNA) e ácido ribonucléico (RNA). Os vírus contêm um só tipo de ácido nucléico, DNA ou RNA. O DNA constitui o depósito da informaitão genética. Esta informação é copiada ou transcrita em moléculas de RNA mensageiro, cujas seqüências de nucleotídeos contêm o código que esta- belece a seqüência dos aminoácidos nas proteínas. É por isso que a síntese protéica também é conhecida como tradução do RNA. A esta série de fenômenos é atribuído o caráter de dogma central da biologia molecular, que pode ser expresso da seguinte maneira: DNA transcrição RNA tradução PROTEÍNA OS COMPO E 1TES QUÍMICOS DA CÉLULA • 19 O papel biológico dos ácidos nucléicos será estudado com maiores detalhes nos Caps. 12 a 17; aqui só consideraremos sua estrutura química, o que permitirá compreender suas funções. Nas células superiores, o DNA encontra-se no núcleo integrando os cromossomos (uma pe- quena quantidade encontra-se no citoplasma, dentro das mitocôndrias e dos cloroplastos) . ORNA localiza-se tanto no núcleo (onde é formado) como no citoplasma, para o qual se dirige a fim de reger a síntese protéica (Quadro 2.1 ). Os ácidos nucléicos contêm carboidratos (pentases), bases nitrogenadas (purinas e pirimidi- nas) e ácido fosfórico. A hidrólise do D A ou do RNA gera: PENTOSE BASES ÁCIDO FOSFÓRICO { ?urinas Pirimidinas DNA desoxirribose adenina, guanina citosina, timina P04H3 RNA ribose adenina, guanina citosina, uracila P04H3 A molécula de ácido nucléico é um polímero cujos monômeros são nucleotídeos sucess iva- mente ligados por meio de ligações fosfodiéster (Fig. 2.2). Nestas ligações, os fosfatos unem o carbono 3' da pentase do nucleotídeo com o carbono 5 ' da pentase do nucleotídeo seguinte. Como conseqüência, o eixo de um ácido nucléico é constituído por pentases e fosfatos, e as bases nitrogenadas surgem das pentases . A extremidade da molécula que contém a pentase com o C5' livre é chamada extremidade 5 ' e a que possui a pentase com o C3' livre é denominada extremidade 3' . Como ilustra a Fig. 2.2, o ácido fosfórico utiliza dois dos seus três grupos ácidos nas liga- çõ.es 3' ,5 ' -diéster. O grupo restante confere ao ácido nucléico suas propriedades ácidas , o que possibilita a formação de ligações iônicas com proteínas básicas (no Cap. 1-14 assinalamos que, iias células eucariontes, o DNA está associado a proteínas básicas chamadas histonas, com as quais forma o complexo nucleoprotéico denominado cromatina). Além disso, esse grupo ácido livre faz com que os ácidos nucléicos sejam basófilos (isto é, coram-se com corantes básicos). As pentoses são de dois tipos: desoxirribose no DNA e ribose no RNA. A diferença entre estes açúcares é que a desoxirribose tem um átomo de oxigênio a menos (Fig. 2.2). Para visualizar o DNA com microscópio óptico podemos utilizar uma reação citoquímica específica denominada reação de Feulgen (Cap. 23-21 ). As bases nitrogenadas encontradas nos ácidos nucléicos são também de dois tipos: pirimi- dinas e purinas .. As pirimidinas possuem um anel heterocíclico, enquanto as purinas têm dois anéis fundidos entre si : No DNA, as pirimidinas são a timina (T) e a citosina (C), e as purinas, a adenfna (A) e a guanina (G) (Fig. 2.5). O RNA contém a üracila (U) no lugar da timina. Existem três diferenças fundamentais entre o DNA e o RNA. Como acabamos de assinalar, o DNA tem desoxirribose e timina (T) e o RNA possui ribose e uracila (U). Outra diferença é que a molécula de DNA é sempre dupla (contém duas cadeias polinucleotídicas), com veremos na seção seguinte. \ A combinação de uma base com uma pentase (sem o fosfato) constitui um nucleosídeo. Por exemplo, a adenosina (adenina + ribose) é um nucleosídeo, enquanto a adenosina monofosfato (AMP), a adenosina difosfato (ADP) e a adenosina trifosfato (A TP) são exemplos de nucle.otí- deos (Fig. 2.3). · · Quadro 2.1 Ácidos nucléicos Localização Papel na célula Pen tose Bases pirimidínicas Bases purínicas Ácido desoxirribonucléico Principalmente no núcleo (também nas mitocôndrias e nos cloroplastos) Informação ge:_nética Desoxirribose Citosina Timina Adenina Guanina Ácido ribonucléico Principalmente no citoplasma (também no núcleo, nas mitocôndrias e nos cloroplastos) Síntese de proteínas Ribose Citosina Uracila Ade nina Guanina 1 1 20 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Fig. 2.2 Setor de uma cadeia de ácido nucléico que mostra os diferentes tipos de nucleotídeos que a compõem. Fig. 2.3 Estrutura química do nucleosídeo adenosina e do nucleotídeo adenosina trifosfato (ATP). ADENINA . CITOSINA TIMINA = CH3 URACILA =H RIBOSE X =OH DESOXIRRIBOSE 3' X =H Além de atuarem como tijolos para construção dos ácidos nucléicos, os nucleotídeos - por exemplo, o já citado A TP - são utilizados para depositar e transferir energia química. A Fig. 2.3 mostra que as duas ligações fosfato terminais do ATP contêm grande quantidade de energia. Quando ocorre a hidrólise nestas ligações, a energia liberada pode ser utilizada pela célula para realizar suas atividades (Fig. 8.1). A ligação -P de alta energia permite que a célula acumule grande quan- tidade dela em um espaço reduzido e que a mantenha pronta para ser usada no momento em que for necessário. Outros nucleotídeos, como a citidina trifosfato (CTP), a uridina trifosfato (UTP), a guanosina trifosfato (GTP) e a timosina trifosfato (TTP), também têm ligações de alta energia, porém a fon- te principal de energia da célula é o ATP. NH 2 N&> N bT HO OH Nucleosídeo HO OH Nucleotídeo OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA • 21 O DNA é encontrado nos organismos vivos sob a forma de molécula de peso molecular muito alto. Por exemplo , a Escherichia coli tem uma molécula de D A circular de 3.400.000 pares de bases com um comprimento de 1,4 mm. A quantidade de D A nos organismos superiores pode ser várias centenas de vezes maior - 1.200 vezes no caso do homem. Assim, o DNA completamente estendido de uma célula diplóide humana tem um comprimento total de cerca de 1,70 m . Toda a informação genética de um organismo vivo encontra-se acumulada na seqüência linear das quatro bases de seus ácidos nucléicos. A estrutura primária de todas as proteínas (quer dizer, a quantidade e a seqüência de seus aminoácidos) é codificada por um alfabeto de quatro letras (A, T, G, C). Uma das descobe11as mais extraordinárias da biologia molecular foi o achado e a inter- pretação deste código genético (Cap. 13-4). Um passo prévio a esse descobrimento - que teve uma grande influência na elucidação da estrutura do DNA - foi saber que, em cada molécu la de D A, a quantidade de adenina é igual à de timina (A = T) e a de citosina igual à de guanina (C = G). Conseqüentemente, o número de purinas é idêntico ao de pirimidinas (A + G = C + T). Como é lógico, a relação AT/GC varia entre as espécies (p. ex ., no homem, a relação é de 1,52 e na Escherichia coli é de 0,93) . 2-4. O DNA é uma dupla hélice Em 1953, com base nos dados obtidos por Wilkins e Franklin, mediante difração de raios X, Watson e Crick propuseram um modelo para a estrutura do DNA que contemplava as proprieda- des químicas já citadas e, ainda, as propriedades biológicas, em especi al a capacidade de duplica- ção da molécula. A molécula de DNA é ilustrada na Fig. 2.4. Ela é formada por duas cadeias de ácidos nucléi- cos helicoidais com uma rotação para a direita, que compõem uma dupla hélice em tomo de um mesmo eixo central. As duas cadeias são antiparalelas, o que significa que suas ligações 3',5 ' - fosfodiéster seguem sentidos opostos. As bases estão situadas no lado interno da dupla hélice, quase em um reto perpendicular com relação ao eixo helicoidal. Cada volta completa da dupla hélice compreende 10,5 pares de nucleotídeos e mede 3,4 nm. Ambas as cadeias estão unidas entre si por pontes de hidrogênio estabelecidas entre os pares de bases (seção 2-10). Tendo em vista que entre as pen toses das cadeias opostas existe uma dis- tância fi xa, apenas certos pares de bases podem se estabelecer dentro da estrutura. Como se nota nas Figs. 2.4 e 2.5, os únicos pares possíveis são A-T, T -A, C-G e G-C. É importante observar que ente~ as A e as T formam-se duas pontes de hidrogênio , e entre as C e G, três. Conseqüente- mente, o par C-G é mais estável que o par A-T. A dupla estrutura helicoidal mantém-se estabili- .zada gray-as às pontes de hidrogênio e às interações hidrófobas existentes entre as bases de cada cadeia. Apesar de, nas diferentes moléculas de DNA, as seqüências das bases ao longo das cadeias variarem consideravelmente, em uma mesma molécula de DNA, as seqüências das duas cadeias são complementares, como se percebe no exemplo seguinte: Cadeia 1 Cadeia 2 5 ' T 1 3' A G 1 e T 1 A G 1 c A 1 T c 1 G G 1 c T 1 A 3 ' 5' Devido a esta propriedade, quando as cadeias se separam durante a duplicação do DNA, cada uma delas serve de molde para a síntese de uma nova cadeia complementar. Deste modo são ge- radas duas moléculas-filhas de DNA com a mesma constituição molecular que possuía a progeni- tora (Cap. 17-2). 2-5. Existem vários tipos de RNA A estrutura do RNA é semelhante à do DNA, exceto pela presença de ribose no lugar de deso- xirribose e de uracila no lugar de timina (Quadro 2. 1). Ademais, a molécula de RNA é formada por uma única cadeia de nucleotídeos. Existem três tipos principais de RNA: 1) RNA mensageiro (RNAm); 2) RNA ribossômico (RNAr); 3) RNA de transferência (RNAt). Os três intervêm na síntese protéica. O RNAm leva a informação genética - copiada do DNA - que estabelece a seqüência dos aminoácidos na proteína. O RNAr representa 50% da massa do ribossoma (os outros 50% são proteínas) , que é a estrutura que proporciona o apoio molecular para as reações químicas que originam a síntese pro- téica. Os RNAt identificam e transportam os aminoácidos até o ribossoma. 5' 3' 5' 3' Fig. 2.4 A dupla hélice de DNA. As cadeias desoxirribose-fosfato foram desenhadas como fitas. As bases são perpendiculares ao eixo do DNA e , nesta visão lateral, as bases aparecem representadas por barras horizontais. Observa-se que as duas cadeias são antiparalelas e que a dupla hélice dá uma volta completa a cada 10 pares de bases (3 ,4 nrn). Além disso, observa-se que a dupla hélice dá lugar a duas fendÇts externas, o sulco maior e o sulco menor do DNA. 22 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Fig. 2.5 Os dois pares de bases do DNA. As bases complementares são adenina e timina (A-T) e citosina e guanina (C-G). Observa-se que, no par A-T, há duas pontes de hidrogênio, enquanto no par C-G existem três . A distância entre as cadeias de desoxirribose-fosfato é de aproximadamente 1, 1 nm. (De L. Pauling e R. B. Corey.) 3' Apesar de cada molécula de RNA ter uma única cadeia de nucleotídeos, isso não significa que ele seja sempre uma estrutura linear simples. Nas moléculas de RNA podem existir segmentos com bases complementares, o que dá lugar a pontes de hidrogênio, quer dizer, à formação de pa- res de nucleotídeos A-U e C-G entre várias regiões da mesma molécula. As Figs. 14.20, 15.4, ~ .5, 15.11e16.3 mostram como a molécula de RNA pode dobrar-se sobre si mesma, pareand~-se. Nelas pode ser formada uma estrutura helicoidal semelhante à do DNA. As estruturas tridimensi- onais do RNA têm importantes conseqüências biológicas. CARBOIDRATOS 2-6. Os carboidratos constituem a principal fonte de energia da célula Os carboidratos (ou hidratos de carbono), compostos por carbono, hidrogênio e oxigênio, representam a principal fonte de energia para célula e são constituintes estruturais importantes das membranas celulares e da matriz extracelular. De acordo com o número de monômeros que contêm, classificam-se em monossacarídeos, dissacarídeos, oligossacarídeos e polissaca- rídeos. Monossacarídeos. Os monossacarídeos são açúcares simples com uma fórmula geral Cn(H20)n. São classificados, com base no número de átomos de carbono que contêm, em triases, tetroses, pentases e hexases . Como vimos, as pentases ribose e desoxirribose estão presentes nos nucleotídeos (Fig. 2.2). A xilose é uma pentase presente em algumas glicoproteínas (Fig. 2.11). A glicose, que é uma hexa- se (Fig. 2.6), constitui a fonte primária de energia para a célula. Outras hexases muito importantes - que podem estar associadas entre si, sob a forma de oligossacarídeos ou polissacarídeos - são a galactose , a manose, afrutose, afucose, o ácido glicurônico e o ácido idurônico. Algumas possuem um grupo amina e se encontram acetiladas como a N -acetilglicosamina e a N- acetilgalactosamina. O ácido N-acetilneuramínico (ou ácido siálico) resulta da ligação de uma amino-hexose com um composto de três carbonos, o ácido pirúvico. Dissacarídeos. Os dissacarídeos são açúcares formados pela combinação de dois monôme- ros de hexase, com a perda correspondente de uma molécula de água. Portanto, sua fórmula é C12H220 11. Um dissacarídeo importante nos mamíferos é a lactose (glicose + galactose), o açúcar do leite. OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA • 23 Oligossacarídeos. No organismo, os oligossacarídeos não estão livres , mas sim unidos a lipí- dios e a proteínas, de modo que fazem parte de glicolipídios e de glicoproteínas. Estes carboidra- tos são cadeias - às vezes ramificadas - compostas por distintas combinações de vários tipos de monossacarídeos. Os oligossacarídeos correspondentes aos glicolipídios serão analisados, juntamente com os lipídios , na próxima seção. Os oligossacarídeos das glicoproteínas conectam-se com a cadeia protéica por intermédio do grupo OH (ligação 0-glicosídica ou ligação O) de uma serina ou de uma treonina ou por meio do grupo amida (ligação N-glicosídica ou ligação N) de uma asparagina. A serina, a treonina e a asparagina são aminoácidos (Seção 2-8). No que diz respeito ao oligossacarídeo, nas ligações 0-glicosídicas pode· intervir uma N- galactosamina e, nos N-glicosídicos, uma N-acetilglicosamina (Figs. 2.7 e 2.8). Portanto, estes monossacarídeos são os mais próximos da proteína. Ao contrário, os ácidos siálicos às vezes se localizam na periferia do oligossacarídeo. Os oligossacarídeos ligados por ligações O (isto é, a uma serina ou a uma treonina) podem possuir uma galactose ligada à primeira N-acetilgalactosamina (Fig. 2.7) . Em seguida, os monossacaríde- os restantes combinam-se de forma diferente, segundo o tipo de oligossacarídeo. Os oligossacarídeos ligados por meio de ligações N contêm um núcleo pentassacarídico co- mum, composto por duas N-acetilglicosaminas (uma delas ligada à asparagina) e três manoses (Fig. 2.8). Os monossacarídeos restantes unem-se a este núcleo em combinações distintas, o que gera uma extensa variedade de oligossacarídeos e, por conseguinte, uma grande diversidade de glicoproteínas. Devemos assinalar que o número de cadeias oligossacarídeas que se ligam a uma mesma pro- teína é muito variável. Polissacarídeos-. Os polissacarídeos resultam da combinação de muitos monômeros de hexa- ses, co1l1 a perda correspondente de moléculas de água. Sua fórmula é (C6H 100 s) 11 • Ao se hidroli- sar, dão lugar a monossacaiídeos. Os polissacarídeos como o amido e o glicogênio representam as substâncias de reserva alimentícia das células vegetais e animais, respectivamente (Fig. 2.9). Outro polissacarídeo, a celulose , é 0 elemento estrutural mais importante da parede da célula ve- getal (Fig. 3.30). Esses três polissacarídeos são polímeros de glicose, porém diferem porque exibem distintos tipos de ligações entre seus monômeros. Por exemplo, o glicogênio é uma molécula ramificada na qual as glicoses estão ligadas por ligações al-4 e a l-6 (Fig. 2.9) . · Existem polissacarídeos complexos chamados glicosaminoglicanas (GAG), que são compos- tos por uma.sucessão de uma mesma unidade dissacarídica na qual um dos dois monômeros é um ácido glicurônico, um ácido idurônico ou uma galactose e o outro possui um grupo amina, já que é uma N-acetilglicosamina ou uma N-acetilgalactosamina (Fig. 2.10) . As GAG mais importantes são o ácido hialurônico , * o sulfato de condroitina, o dermatansulfato, o heparansulfato e o queratansulfato. No Quadro 6.1 mencionamos as unida- des dissacarídicas repetitivas que os integram; como se pode perceber, com exceção do ácido hia- lurônico, todos os demais são sulfatados. Quase todas as GAG estão ligadas às proteínas com as quais formam glicoproteínas complexas chamadas proteoglicanas (Fig. 2.11). Estas moléculas prevalecem no meio extracelular (Cap. 6- 3). A GAG liga-se à proteína mediante um tetrassacarídeo composto por uma xilose, duas galac- NANA Gal - GlcNAc ' Gal - GalNAc - o - S·T Gal - GalNAc / Proteína *N.R.T.: Atualmente chamado hialuronana. CH,OH 1 NH 1 .. ·- o-vt-º"'-l o l ~ CH CH HNCOCH, co GalNAC Serina . .. - o VCH,O~ r 7 H OH - O - CH - CH . 1 1 HNCOCH, 90 GalNAC Treonina Fig. 2.6 Molécula de glicose. Fig. 2.7 Oligossacarídeo ligado a uma proteína por meio de uma ligação 0-glicosídica. S · T, serina ou treonina; NANA, ácido N-acetilneuramínico; GalNAc, N-acetilgalactosamina; GlcNAc, N-acetilglucosamina; Gal, galactose. / 24 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Fig. 2.8 Oligossacarídeo ligado a uma proteína por meio de uma ligação N-glicosídica. Man, manose; A, asparagina. Fig. 2.9 O glicogênio é uma molécula ramificada que contém até 30.000 unidades de glicose. As ligações glicosídicas são estabelecidas entre os carbonos 1 e 4 das glicoses, exceto nos pontos de ramificação (1 e 6). A parte superior da figura mostra a molécula com pequeno aumento. Na parte inferior, se acha representada a composição química dil segmento molecular ressaltado. Fig. 2.10 Representação de um pequeno segmento de uma glicosaminoglicana (GAG). A, ácido glicurônico ou ácido idurônico ou galactose; B,N- acetilgalactosam ina ou N- acetilglicosamina. - o NANA - Gal - Man " NANA - Gal - Man / Man - GlcNAc - GlcNAc - N - A Proteína ~º\7 ~\J ~'\f H~~O~Q H O H H O H H OH } ~H2 6 HcXH2 HO~H2 ~ 1 o H O H H OH H H 'IH 'IH OH ' ·'" HO~H 2 H R OH NH toses e um ácido glicurônico. A xilose liga-se a uma serina da proteína mediante uma ligação O, enquanto o ácido glicurônico o faz com a primeira hexose da GAG. LIPÍDIOS 2-7. Os triglicerídios, os fosfolipídios e os esteróides são os lipídios mais abundantes da célula Os lipídios são um grupo de moléculas caracterizadas por sua insolubilidade em água e solubi- lidade nos solventes orgânicos. Tais propriedades são devidas às suas longas cadeias hidrocarbo- nadas alifáticas ou anéis benzênicos, que são estruturas não polares ou hidrófobas. Em alguns li- OS COMPONE TES QUÍMICOS DA CÉLULA • ?-- :l i o~º-Grº-Grº~o-CH,- E : 1 -' n GAG Tetrassacarídeo pídios, estas cadeias podem estar ligadas a um grupo polar que lhes permite unir-se à água. Os lipídios mais comuns da célula são os triglicerídios, fosfolipídios, glicolipídios, esteróides e poliprenóides. Triacilgliceróis. Os triacilgliceróis (ou triglicerídios) são triésteres dos ácidos graxos com glicerol. Cada ácido graxo é constituído por uma longa cadeia hidrocarbonada, cuja fórmula geral é: COOH 1 (CH2ln 1 CHJ Os grupos carboxila destes ácidos reagem com os grupos hidroxila do glicerol da maneira ex- posta na Fig. 2.12. Quando apenas dois carbonos do glicerol estão ligados a ácidos graxos, a molécula é chamada diacilglicerol (DAG) (Fig. 2.13). Os ácidos graxos têm sempre um número par de carbonos, já que são sintetizados a partir de grupos .. acetila de dois carbonos. Por exemplo, o ácido palmítico tem 16 carbonos, enquanto o esteárico e o oléico possuem 18. A cadeia hidrocarbonada pode exibir ligações duplas (--C=C- ), e, neste caso, o ácido graxo é denominado insaturado. Estas ligações duplas são importantes por- que produzem angulosidades nas cadeias hidrocarbonadas (Fig. 2.20). Os triacilgliceróis servem como reserva energética para o organismo. Seus ácidos graxos libe- ram grandes quantidades de energia quando são oxidados; mais do dobro da que liberam os car- boidratos. Fosfolipídios. Nas células, existem dois tipos de fosfolipídios, os glicerofosfolipídios e os esfingofosfolipídios. Os glicerofosfolipídios têm dois ácidos graxos unidos a uma molécula de glicerol, já que o terceiro grupo hidroxila deste álcool encontra-se esterificado com um fosfato, ligado por sua vez a um segundo álcool (Fig. 2.14). A combinação do glicerol com os dois ácidos graxos e o fosfato dá lugar a uma molécula cha- mada ácido fosfatídico (AF) (Fig. 2.13), que constitui a estrutura básica dos glicerofosfolipídi- os. Como acabamos de mencionar, estes possuem um segundo álcool, que pode ser a etanolami- na, a serina, a colina ou o inositol (Fig. 2.14). Com eles , são obtidos os fosfolipídios chamados fosfatidiletanolamina (PE),fosfatidilserina (PS),fosfatidilcolina (PC) efosfatidilinositol (PI) (Fig. 2.15). Como o inositol do PI pode estar combinado com um, dois ou três fosfatos, a célula também temfosfatidilinositol 4-fosfato (PIP), fosfatidilinositol 4,5-difosfato (PIP2) e fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP3) (Fig. 2.16). Por outro lado, na membrana interna das mitocôndrias, existe um glicerofosfolipídio duplo denominado difosfatidilglicerol, que comumente tem o nome de cardiolipina (Cap. 8-11). É com- posto de dois ácidos fosfatídicos ligados entre si por uma terceira molécula de glicerol (Fig. 2.17). O esfingofosfolipídio existente nas células é a esfingomielina, que é produzida pela combina- ção da fosforilcolina com a ceramida (Fig. 2.18). A fosforilcolina (um fosfato ligado à colina) encontra-se também na fosfatidilcolina (Fig. 2.1 5) , enquanto a ceramida é formada pela agrega- ção de um ácido graxo à esfingosina que, como ilustra a Fig. 2.19, é um amino-álcool que possui uma cadeia hidrocarbonada relativamente longa. CH, -OH + HOOC - (C H2 ln- CH3 1 CH - O H + HOOC -(CH2 ln-CH, = 1 CH, - OH + HOOC-{CH,ln-CH, Glicerol Ácidos graxos CH, -0-CO- (CH2}0 - CH, + H, O 1 CH,-0 - CO-{CH,>n-CH, + H, O 1 CH2- 0 - CO - (CH21n- CH3 + H20 Triacilglicerol Água Serina Fig. 2.11 Representação de uma proteoglicana. É mostrado como a GAG se une à proteína. AcGlu, ácido glicurônico; Gal, galactose; Xil , xilose. Fig. 2.12 Formação de um triacilglicerol (triglicerídio) a partir de um glicerol e três ácidos graxos. 26 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Fig. 2.13 Fórmulas do diacilglicerol (DAG) e do ácido fosfatídico (AF). Fig. 2.15 Representação dos glicerofosfol ipídios fosfatidiletanolamina (PE), fosfatidilserina (PS), fosfatidilcolina (PC) e fosfatidilinositol (PI). Fig. 2.16 Representação dos glicerofosfolipídios fosfatidilinositol fosfato (PIP), fosfatidilinositol difosfato (PIP,) e fosfatidilinositõl trifosfato (PIP3). Fig. 2.17 Molécula do difosfatidilglicerol ou cardiolipina. CH,- 0 - CO-(CH,}"-CH, 1 ?H - O- CO - (CH,10 - CH, CH, - OH Diacilgl ice ro l CH, - O - CO - ICH,) 0 - CH, 1 CH - O - CO - (CH 1 CH, 1 ,_ ,, o- CH, - 0- P~(]H Ácido fosfatídico ·~H1 ~H2 CH, l o o:;;;P - o· o ' CH~- fH-TH7 o o l 1 f f Fosfatidiletanolamina a· O= ~-o· H001 0 0H HO OH o O ::::: ~ - 0~ 1 e 1 CH, - ~H - · <(. Ht o o 1 1 C:;;:O C::;;O ) ( H \ \ Fosfatid ilinositol fosfato / Etanolam_ina Álcool Senna 1 ~Colina O= P- 0 - ~lnositol 1 o 1 CH2- CH 1 o 1 C=O 1 CH, 1 o 1 C=O 1 Fig. 2.14 Estrutura química geral dos glicerofosfolipídios. ICH,l" 1 CH 3 (CH,ln 1 CH 3 0 NH ' ' H-C-COO 1 CH, 1 o 1 -O=P - 0 o 1 CH2 - CH - CH 1 1 1 e o- ' 1 rr Fosfatidilserina a · 1 -O=P-0 ' ~HJ CH, ' o O.= ~ - o· 1 o 1 CH1 - CH CH1 1 1 o o 1 1 f f Fosfatidilcolina o·-r-001 - 1 OH HO . OH - - o O= P- 0 ' ' o 1 CH~"- 7H ?Hi o o 1 1 f f Fosfatidilinositol difosfato CH 2-CH- CH,. 1 1 1 O OH O 1 1 O= P - OH HO - P=O 1 1 o o 1 1 ~H1 - fH - CH 2 CHi -7H 7H~ o o o o 1 l ! f rr Tl Cardiolipina 00 HO OH HO OH o D= ~ ·- 0" 1 o 1 CH1 -CH - CHi ' ' o o 1 ' f f Fosfatidilinositol a· O = ~-o- o'-Loo1 _ ºJ~º li H o o HO OH o 1 -0=~ - 0 ? CHi - CH CH1 1 1 o o 1 1 f f Fosfatidilinositol trifosfato OS COMPO ENTES QUÍMICOS DA CÉLULA • 27 CH~ HlC,.~ _,., CH l 1 ~H2 ~H, o O= ~-o ' O OH 1 1 CH - CH - CH ' 1 1 NH CH 1 li ºI f Esfingomiel ina Fig. 2.18 Representação do esfingolipídio esfingomielina (EM). OH OH 1 1 OH OH 1 1 CH,- CH - CH • 1 1 CH,- CH- CH 1 1 .NH1 ~H NH CH 1 n ºI f f Ceramida Esfingosina Fig. 2.19 Representação das moléculas de ceramida e esfingosina. A Fig. 2.20 mostra que os fosfo lipídios possuem duas caudas hidrófobas não-polares lon- gas (dois ácidos graxos) e uma cabeça hidrófila polar constituída por glicerol (exceto na esfin- gomielina), um segundo álcool e um fosfato. Portanto, os fosfolipídios são moléculas anfi pá- ticas. Os fusfolipídios são os principais componentes das membranas celulares e tanto sua anfipatia como as características de seus ácidos graxos (número de carbonos, presença de ligações duplas) conferem-lhes muitas de suas propriedades. Além disso, quando os fosfolipídios se di spersam em água, adotam espontaneamente uma organização idêntica à das membranas celulares, com suas cabeças polares dirigidas para fora e suas caudas não-polares confrontadas entre si no interior da dupla camada (Cap. 3-2). Glicolipídios. Os glicolipídios presentes nas células são classificados em cerebrosídios e gan- gliosídios. Os cerebrosídios são formados pela ligação de uma glicose ou de uma galactose com a cera- mida (Fig. 2.21). Assim, trata-se de esfingomielinas cujas fosforilcolinas são substituídas por um destes monossacarídeos. Colloo { Fosfato { Glicerol { Oleato e palmitato ~H ,0 H 1c- 7- 0-t 1 CH, 1 CH, ~ ---o - t -o G 1 Ô H H 1 1 1 H - C--C--C- H 1 1 1 o / o " O=C o = ( ' /C M1 H, C ., CM, / "•' ' '"• / HiC , CH, / HC ~\M "•' , ' ' "• , H2C, CH, / H,C ' /C.H2 HiC ' CH, ' CH, / H,C ' CH, / H2C, Cl"i1 / H,C ' CH, / H, C- H,C H,C ' CH, ' CH, / . ' O ·ll / H1C, CH , Caudas hidrófobas Fig. 2.20 Fosfolipídio com sua cabeça hidrófila e suas duas caudas hidrófobas. O fosfolipídio representado é o palmitoil-oleil-fosfatidilcolina. Observa-se que a ligação dupla no ácido oléico produz uma mudança de direção na cadeia hidrocarbonada (seta). 28 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA HKt>OC:,OH O ?H O - CH2 - CH - CH 1 1 OH NH CH Glicose ou galactose 1 li O=C CH Cerebrosídio Fig. 2.21 Representação de um cerebrosídio. Ácido siálico Galactose Glicose Gangliosídio Fig. 2.22 Representação de um gangliosídio. A estrutura básica dos gangliosídios é similar à dos cerebrosídios, porém o carboidrato não é a glicose nem a galactose mas sim um oligossacarídeo composto por vários monômeros, um a três dos quais são ácidos siálicos (Fig. 2.22). Os diferentes tipos de gangliosídios diferem entre si tan- to pelo número quanto pelo ordenamento relativo de seus monômeros. O monossacarídeo unido à ceramida é quase sempre uma glicose seguida de uma galactose. Em seguida pode haver uma N- acetilgalactosamina ou uma N-acetilglicosamina e em seguida outra glicose ou outra galactose. Às vezes, existe urna fucose. Geralmente, ela ou os ácidos siálicos localizam-se na parte final do oligossacarídeo. Esteróides. Os esteróides são lipídios derivados de um composto denominado ciclopentano- peridrofenantreno. Um dos mais importantes é o colesterol (Fig. 2.23), que é encontrado nas membranas e em outra~partes da célula e também fora dela. A hidroxila de seu carbono 3' lhe confere propriedades anfipática~. Os esteróides assumem funções diferentes de acordo com os grupos químicos que estejam unidos a sua estrutura básica. Os principais esteróides do organismo são os hormônios sexuais (estróge- nos, progesterona; testosterona), os hormônios supra-renais (cortisol, aldosterona), a vitamina D e os ácidos biliares. Poliprenóides. Os poliprenóides são compostos derivados do hidrocarboneto isopreno (Fig. 2.24). Entre eles encontra-se o dolicol fosfato, uma molécula pertencente à membrana do re- tículo endoplasmático desenhada para incorporar oligossacarídeos aos polipeptídeos durante a formação das glicoproteínas (Cap. 7-16). Trata-se de urna cadeia de 17 a 21 isoprenos que contém entre 85 e 105 átomos de carbono, esterificada com um fosfato (Fig. 2.24 ). Outro poliprenóide comum nas células faz parte da ubiquinona, uma molécula da membrana rnito- condrial interna (Cap. 8-11) que é composta de uma cadeia de 1 O isoprenos e de uma benzoquinona (Fig. 2.24). CH, CH3 1 1 CH-(CH2),-CH CH2 li C- CH3 1 CH li CH ,.-i--- -- 1 : CH ; 'li ' H '1 ' : C- CH,: '1 ' 'CH ' CH, 1 } f :<:H:----: : CH- CH3 : lsopreno • li • : CH : CH3 Colesterol Fig. 2.23 Molécula de colesterol derivada do composto de 17 carbonos chamado ciclopentanoperidrofenantreno. : li : : CH : ·+-- --- n CH (15a 19) 1 2 '1 ' TH - CH, Benzoquinona O .& OCH3 TH' CH2- 0- ~OC_H_, ____ i( .~) [ H3C .p-- O or oc~ . Dolicol fosfato Ubiquinona Fig. 2.24 Molécula de dolicol (composta por 17 a 21 isoprenos) e de ubiquinona (com seus 10 isoprenos). OS COMPO.NENTES QUÍMICOS DA CÉLULA • 29 PROTEÍNAS 2-8. As proteínas são cadeias de aminoácidos unidos por ligações peptídicas Os monômeros que compõem as proteínas são os aminoácidos. Um aminoácido é um ácido orgânico no qual o carbono unido ao grupo carboxila (- COOH) está também ligado a um grupo amina (-NH2). Além disso, esse carbono se encontra ligado a um H e a um resíduo lateral (R) , que é diferente em cada tipo de aminoácido. H 1 H.:-< -C - COOH - 1 R Por exemplo, na alanina, a cadeia lateral R tem um único carbono, enquanto na leucina tem quatro. Ácido aspártico (Asp) (D) H + 1 H 3N - C- COO 1 CH, 1 e // \ o o- ÁCIDOS Se ri na (Se r)( S) H + 1 H,N-c - coo- 1 CH2 1 OH NEUTROS POLARES G líci na (Gly)(G) H + 1 H,N-c-coo· 1 H Cisteína (Cys)(C) H + 1 H 3N-C-COO- I CH 2 1 SH Ácido g!utâmico (Glu)( E) H + 1 H 3N-c-coo- 1 CH2 1 CH1 1 e /)' \ o o- T re onina (Th r)(T ) H + 1 - H3N-C - COO 1 H-C - OH 1 CH, Alan ina ( Ala )(A) H + 1 H,N -c- coo- 1 CH 3 Pro!ina (Pro) (P) H + 1 H2 N-c- coo- I 1 H 2 C CH2 " / CH 2 NEUTROS NÃO-POLARES Histidina (His ) (H) H 1 H 3 N - c - coo- 1 CH, 1 c=CH + 1 HN ~ BÁSICOS Tirosina (Tyr) (Y) H + 1 e H,N -c-coo- 1 ~ OH Vali na (Val) (V) H + 1 H 3N - C - COO 1 CH / '\. CH 3 CH 3 Fen ila!anina (Phe) (F ) H 1 NH I + 1 -H 3N -C-COO 1 ó Li sina (lys) (K) H + 1 H 3 N - C- COO 1 CH1 1 CH1 1 CH, 1 CH1 1 +NH, Asparagina (Asn)( N) H + 1 H,N- c-coo- 1 CH1 1 e // \ O NH1 Leucina (Leu) (l ) H + 1 H,N-c - coo· 1 CH, 1 CH / '\ CH3 CH 3 Triplofano (Trp)(W) H + 1 H,N-c-coo- 1 cdH, H Arginina (A.<g) (R) H + 1 H,N-C-COO- 1 CH, 1 CH1 1 CH, 1 N- H 1 C= NH2 1 NH, Gtutamina (G ln)(Q) H + 1 H 3N-C-COO- I CH1 1 CH, 1 e //' O NH1 1soleucina (lle) (1) H 1 H,N- e-coo· 1 CH / '\. CH2 CH 3 1 CH 3 Metionina (M et)(M) H + 1 H 3 N-C- COO 1 CH , 1 - CH 2 1 s 1 CH , Fig. 2.25 Estrutura química dos vinte aminoácidos, classificados em ácidos, básicos, neutros polares e neutros não-polares. As estruturas que se encontram sob os grupos amina e carboxila são. as cadeias laterais R. 30 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Fig. 2.26 Formação de uma ligação peptídica entre dois am inoácidos. Também é mostrado um pentapeptídeo composto, da terminação amina à terminação carboxila, por uma tirosina, uma treonina, um ácido aspártico, uma metionina e uma leucina. Fig. 2.27 Estrutura primária de uma proteína (ribonuclease pancreática bovina). Vêem-se as q.uatro pontes dissulfeto entre as cisteínas. (De C. B. Anfinsen.) H H O H H O H H O H H O 1 1 li 1 1 li H-N- C- C- OH + 1 H- N-C-C-OH 1 Ligação H- y - OH H- h- b-~-~- b-~- OH + ~O 1 1 CH, H- C- OH CH, 0 ~ 1 OH Terminação amina peptídica CH, o !<, OH H H O H H O H H O H H O H H O 1 1 li 1 1 li 1 1 li 1 1 li 1 1 li H- N- y - C-N- ? - C- N- y -C-N-?-C-N-y-C-OH Terminação carboxila QCH, H-~~OH ~r ~,. :: J:~ O O S H,C CH 3 1 CH, OH A Fig. 2.25 mostra a estrutura de 20 tipos de aminoácidos existentes nas proteínas. Dois são ácidos (ácido aspártico, ácido glutâmico); três são básicos (histidina, lisina, arginina); cinco são neutros polares, quer dizer, hidrófilos (serina, treonina, tirosina, asparagina, glutamina) e dez são neutros não polares, isto é, hidrófobos (glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, cisteína, pro- lina, fenilalanina, triptofano, metionina). Os nomes dos aminoácidos são abreviados usando-se as três primeiras letras da nomenclatura inglesa (salvo cinco exceções) ou por meio de um código que empregue uma única letra. Vale lembrar que dois dos aminoácidos contêm um átomo de enxofre. No caso da cisteína, duas de suas moléculas podem formar uma ponte dissulfeto (-S-S-). Esta ligação é do tipo cova- lente, já que os átomos de H de ambos os grupos -SH são eliminados (Fig. 2.27). A combinação dos aminoácidos para formar uma molécula protéica ocorre de tal modo que o grupo NH2 de um aminoácido combina-se com o grupo COOH do aminoácido seguinte, com per- da de uma molécula de água (Fig. 2.26). A combinação -NH- CO- é conhecida pelo nome de ligação peptídica. A molécula formada mantém seu caráter anfotérico porque sempre contém um grupo NH2 em uma extremidade (terminação amina) e um grupo COOH na outra extremidade (terminação carboxila) , além dos resíduos laterais básicos e ácidos. Uma combinação de dois aminoácidos constitui um dipeptídeo; de três, um tripeptídeo. Quando se unem entre si alguns aminoácidos, o composto é um oligopeptídeo (Fig. 2.26). Finalmente, um polipeptídeo é formado por muitos aminoácidos. A maior proteína do organismo contém cerca de 27.000 aminoácidos (Cap. 5-33). A distância entre duas ligações peptídicas é de aproximadamente 0,35 nm. Uma proteína com peso molecular de 30 kDa é constituída por 300 aminoácidos e, estendida, tem o comprimento de cerca de 100 nm e uma largura de 1 nm. O termo proteína (do grego, protefon, proeminente) sugere que todas as funções básicas das células dependem de proteínas específicas. Podemos dizer que, sem as proteínas, não existiria vida; elas estão presentes em cada célula e em cada organela. Além disso, podem ser estruturais ou en- zimáticas. f OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA • 1 Existem proteínas conjugadas, ligada a porções não protéicas (grupos prostéticos). A esta categoria pertencem as glicoproteínas (associadas a carboidratos), as nucleoproteínas (associa- das a ácidos nucléicos), as lipoproteínas (associadas a gorduras) e as cromoproteínas, que têm ~ como grupo prostético um pigmento. Dois exemplos de cromoproteínas são a hemoglobina e a mioglobina, nas quais o grupo prostético é o heme, um composto orgânico que contém ferro e que se combina com o oxigênio. J 2-9. Existem quatro níveis de organização estrutural nas proteínas J- Na estrutura das proteínas podem-se distinguir quatro níveis sucessivos de organização. A estrutura primária compreende a ~üência dos aminoáciGes-fll:le-fu=an:ut-cadeiaprotéi- ca (Fig. 2.27). Tal seqüência determina os demais níveis de organização da molécula. Sua impor- tância biológica encontra um exemplo na doença hereditária chamada anemia falciforme, na qual ocorrem alterações funcionais profundas pela substituição de um único aminoácido na molécula de hemoglobina. A estrutura secundária diz respeito à configuração espacial da proteína, que se deriva da poµ_ç.ãO-Ciuletenn.inaàes-ami-ooáG-i@GS-e.IlLSlla-c.ad_eja. Assim, algumas proteínas (ou pai:te delas) têm uma forma cilíndrica denominada hélice ex (ex, porque foi a primeira a ser descoberta); nela, a cadeia polipeptídica se enrola em tomo de um cilindro imaginário porque se formam pontes de hidrogênio entre os grupos amina de alguns aminoácidos e os grupos carboxila de outros, situados quatro posições mais adiante (Fig. 2.28). Outras proteínas (ou parte delas) exibem uma estrutura chamadafolha dobrada [3, nela, a molécula adota a configuração de uma folha dobrada em decor- rência da ligação, mediante pontes de hidrogênio laterais, de grupos amina com grupos carboxila da mesma cadeia polipeptídica (Fig. 2.28). A estrutura terciária é cqnseqüên.cia.daformavãe-00-neva·s-dob.radura.s_n~s_tru turas_secun- dári,flS hélice a e folha dobrada ~ , o que dáJ ugar à configuração tridimensional-da proteína. As novas dobraduras são produzidas porque certos aminoácidos distantes se relacionam entre si na cadeia polipeptídica. Segundo a dobradura que adotam, são geradas proteínas fibrosas ou globu- lares (Fig. 2.29). As proteínas fibrosas são formadas a partir de cadeias polipeptídicas (ou de seg- mentos protéicos) com estrutura secundária tipo hélice a exclusivamente. Por outro lado, as pro- teínas globulares são formadas tanto a partir de hélices a como de fo lhas dobradas ~ , ou de uma combinação de ambas. A estrutura quaternária resulta da combinação de dois ou mais ~s, o que origina moléculas de grande complexidade. Por exemplo, a hemoglobina é o resultado da integração de quatro cadeias polipeptídicas (Fig. 2.30). e---.._· e ---.._ C · C· / / N N "-c "' "' e"- / c / e N "'-._ ·N C· "'-._ C· A B Fig. 2.28 Estruturas secundári das proteínas. A. Hél ice a. B. • Folha dobrada ~· 32 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Fig. 2.29 Estruturas terciárias das proteínas. A. Fibrosa. B, C e D. Globular. Fig. 2.30 Estrutura quaternária das proteínas . Representa-se a hemoglobina composta por quatro subunidades, duas a e duas ~· São indicados os sítios onde se encontram localizados os quatro grupos heme, o mesmo que as terminações amina (N) e carboxila (C) das cadeias polipeptídicas. Fig. 2.31 Tipos de ligações não- covalentes que estabilizam a estrutura das proteínas: ligação iônica (amarelo); interação de van der Waals (azul-claro); ponte de hidrogênio (rosa); interação hidrófoba (verde). (De C. B. Anfinsen.) ~)cooH A COOH B e 2-1 O. Diversos tipos de ligações químicas determinam a estrutura das proteínas D A disposição espacial de uma molécula protéica se acha predeterminada pela seqüência de seus aminoácidos (estrutura primária). Os níveis restantes de organização dependem do estabelecimento de diferentes tipos de ligações químicas entre os átomos dos aminoácidos. Desta forma, são pro- duzidas ligações covalentes - por exemplo, pontes - S-S- entre os grupos -SH de duas cisteínas - e vários tipos de interações fracas, isto é, ligações não-covalentes. Entre estas últi- mas encontram-se (Fig. 2.31): NH 3 c~-NH2 + NH 2 + o /o 1 C=O C=O OS COMPO ENTES QUÍMICOS DA CÉLULA • 33 1) Pontes de hidrogênio, que são produzidas quando um próton (H+) é compartilhado entre dois átomos eletronegativos (de oxigênio ou de nitrogênio) próximos entre si. Já vimos que as pontes de hidrogênio são essenciais para o pareamento específico entre as bases complementares dos ácidos nucléicos, o que proporciona a força que mantém unidas as duas cadeias de DNA. As Figs. 2.5 e 2.31 mostram as pontes de hidrogênio no DNA e nas proteínas, respectivamente. 2) Ligações iônicas ou eletrostáticas, que são o resultado da força de atração entre grupos ionizados de carga contrária. 3) Interações hidrófobas, que dão lugar à associação de grupos não-polares na qual se exclui o contato com a água. Cabe acrescentar que, nas proteínas globulares, as cadeias laterais mais hidrófobas localizam-se no interior das moléculas , enquanto os grupos hidrófilos situam-se na superfície. Assim, os resíduos hidrófobos repelem as moléculas de água que rodeiam as proteínas e determinam que sua estrutura globular se tome mais compacta. 4) Interações de van der Waals , que são produzidas quando os átomos estão muito próximos. Esta proximidade induz a flutuações em suas cargas, que dão origem a atrações mútuas entre os átomos. A diferença fundamental entre as ligações químicas covalentes e as não-covalentes reside na energia necessária para romper estas ligações. Por exemplo, uma ponte de hidrogênio exige 4,5 kcal/mo1- 1, uma cifra bastante menor que as 11 O kcal/mo1- 1 que a ligação covalente 0-H da água necessita. Em geral, as ligações covalentes rompem-se pela intervenção de enzimas, enquanto as não-covalentes se dissociam por forças físico-químicas. Ainda que individualmente as ligações não-covalentes sejam fracas , quando são numerosas fazem com que a estrutura molecular se tome estável, como ocorre com a dupla cadeia do DNA. 2-11. As proteínas têm cargas positivas e negativas, mas no ponto isoelétrico sua carga é igual a zero A carg; real de uma molécula protéica é o resultado da soma de todas as suas cargas. Uma vez que os grupos ácidos e básicos se dissociam em concentrações distintas de íons hidrogênio no meio, o pH influi na carga final da molécula. A Fig. 2.32 mostra que, no meio ácido, os grupos amina captam H+ e se comportam como bases (-NH2 + H+ ___.,. -NH3 +), enquanto em um meio alcali- no ocorre o fenômeno inverso e se dissociam· os grupos carboxila (-COOH ___.,.coo- + H+). Existe um pH definido para cada proteína no qual a soma das cargas positivas 'e negativas é igual a zero (Fig. 2.32). Este pH é denominado· ponto isoelétrico. Nele, as proteínas colocadas em um campo elétrico não migram para nenhum dos pólos, enquanto num pH mais baixo deslocam- se para o catodo e num pH mais alto o fazem para o anodo. O processo que origina estes movi- mentos é chamado eletroforese (Cap. 23-31). ~ ENZIMAS 2-12. As proteínas enzimáticas catalisam as reações químicas A célula pode ser comparada a um m.inúsculo laboratório no qual ocorre a síntese e a degrada- ção de grande número de substâncias. Estes processos são efetuados por enzimas (do grego, en, dentro, e zyme·e, levedura) que atuam na temperatura do organismo e dentro de limites estreitos de pH. As enzimas são os catalisadores biológicos. Um catalisador é uma substância que acelera as reações químicas sem se modificar, o que significa que pode ser utilizado mais de uma vez. O conjunto das enzimas constitui o grupo de proteínas mais extenso e mais especializado do organismo, responsável pela direção da complexa rede de reações químicas que ocorrem na cé- lula. As enzimas (E) são proteínas ou glicoproteínas que têm um ou mais lugares denominados síti- / os ativos, os quais se unem ao substrato (S), isto é, a substância sobre a qual a enzima atua. O COOH NH,• ~ coo- NH "t)'::;;º;::º=H=~·LJ:;;º;::º=-=~·Qcoº- Em meio ácido as proteínas têm carga Com pH igual ao ponto isoelétrico a carga é nula Em meio alcalino, as proteínas têm carga - Fig. 2.32 A ionização das proteínas depende do pH do meio. ' l i :/11 li lt H tl 11 " n o ll 34 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Fig. 2.33 Os substratos reagem de forma muito precisa com o sítio ativo da enzima. Algumas enzimas têm um encaixe induzido, pois o sítio ativo é complementar do substrato somente depois que este se liga à enzima. substrato é modificado quimicamente e convertido em um ou mais produtos (P). Como esta rea- ção geralmente é reversível, pode ser expressa do seguinte modo: E+S [ES] E+P, onde [ES] é um complexo enzima-substrato formado transitoriamente. Os diferentes tipos de en- zimas podem formar ligações covalentes entre átomos do substrato (síntese) ou podem rompê-las (degradação). As enzimas aceleram a reação até que seja alcançado um ponto de equilíbrio, e podem ser tão eficientes a ponto de a velocidade da reação ser de 108 a 1O 11 vezes mais rápida do que na ausência do catalisador. Uma característica muito importante da atividade enzimática é sua especificidade, o que sig- nifica que cada tipo de enzima atua somente sobre um determinado substrato. As enzimas podem ser tão específicas que são incapazes de atuar sobre substâncias estreitamente relacionadas, como por exemplo sobre uin estereoisômero do mesmo substrato. Em geral, as enzimas levam o nome do substrato que elas modificam ou o da atividade que exercem mais o sufixo "-ase". Desta forma, existem nucleases ou endonucleases (degradam áci- dos nucléicos), fosfatases (subtraem fosfatos), cinases (os agregam), sulfatases, proteases, glico- sidases, lipases, oxidases, redutases, desidrogenases etc. É oportuno advertir que na célula existem moléculas com atividade enzimática que não são proteínas e sim ácidos ribonucléicos. Recebem o nome de ribozimas e catalisam a formação da ruptura de ligações fosfodiéster entre os nucleotídeos (ver Caps. 15-5 e 16-10). 2-13. Algumas enzimas necessitam de co-fatores Algumas enzimas necessitam da presença de substâncias chamadas coenzimas para poder atu- ar. Por exemplo, as desidrogenases necessitam das coenzimas nicotinamida-adenina-dinucleotí- deo (NAD+ ou NADP+) ou flavina-adenina-dinucleotídeo (FAD) (Fig. 8.4), já que estas são as moléculas que recebem o hidrogênio extraído do substrato. A reação é a seguinte: E + S(H2) + NAD+ ~E+ S + NADH + W Em alguns casos, a coenzima é um metal ou outro grupo prostético que se encontra ligado de forma covalente à proteína enzimática. Em outros casos, as coenzimas associam-se frouxamente às enzimas. Numerosas coenzimas são vitaminas pertencentes ao grupo B. 2-14. Os substratos se ligam ao sít~o ativo das enzimas Como vimos, as enzimas têm uma grande especificidade para seus substratos e podem não acei- tar moléculas relacionadas ou que tenham uma forma ligeiramente diferente. Isto pode ser explicado considerando-se que a enzima e o substrato exibem uma interação semelhante à de uma fechadura com sua chave. Na Fig. 2.33, observa-se que a enzima possui um sítio ativo, complementar a um dos domínios do substrato. Ainda que a imagem da chave da fechadura seja válida, não significa que as enzimas e substratos sejam moléculas estruturalmente rígidas. Assim, o sítio ativo da enzima se faz complementar ao substrato somente depois de ter se unido a ele; é o chamado encaixe induzido. Como se observa na Fig. 2.33, a ligação com o substrato induz uma mudança de conformação na enzima, e somente então os grupos catalíticos entram em contato íntimo com o substrato. Na ligação do substrato com o sítio ativo da enzima participam forças químicas de natureza não covalente (ligações iônicas, pontes de hidrogênio, forças de van der Waals), cujo raio de ação OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA • 35 é muito limitado. Isto explica por que o complexo enzima-substrato somente pode ser formado se a enzima tiver um sítio exatamente complementar ao exposto na superfície do substrato. 2-15. O comportamento cinético de muitas enzimas é definido pelos parâmetros Vmáx e Km As reações enzimáticas são realizadas em duas etapas. A primeira corresponde à ligação da enzima com o substrato e pode ser escrita da seguinte maneira: K1 E + S ~ [ES] K2 Na segunda etapa, o complexo ES se desdobra no produto e a enzima, que fica disponível para atuar sobre uma nova molécula de substrato: K3 [ES] ~ E+P K4 Os valores K1, K2, K3 e K4 são constantes de velocidade das reações. Como está ilustrado na Fig. 2.34, a velocidade da reação depende da concentração do substra- to. Em baixas concentrações, a velocidade inicial (V) da reação descreve uma hipérbole. Toda- via, à medida que aumenta a concentração do substrato, a reação se satura e alcança um patamar. Nesse ponto - que corresponde a V rnáx - toda enzima intervém na formação do complexo ES. A equação da curva é: V rnáx [S] V =---- Km + [S] onde Km é a constante de Michaelis, que pode ser definida como a concentração do substrato na qual a metade das moléculas da enzima formam complexos ES. Quanto menor for o valor de Km, maior será a afinidade da enzima pelo substrato. Conseqüentemente, o comportamento cinético de uma enzima é definido pelos valores de V rnáx e K01 • 2-16. Algumas enzimas estão sujeitas a regulações alostéricas Na seção anterior, dissemos que, se diagramarmos a velocidade da reação de uma enzima em função da concentração crescente do substrato, observamos que, para muitas enzimas, a curva desenha uma hipérbole (Fig. 2.34). Deste modo, à medida que se agrega mais substrato, aumenta a quantidade da enzima no complexo ES e aumenta a velocidade de aparição do produto; porém, com altas concentrações do substrato, quase todas as moléculas da enzima se acham no complexo ES e se alcança a velocidade máxima (Vmãx) da reação. Km Concentração de substrato [S] Fig. 2.34 Diagrama da velocidade de reação de uma enzima a concentrações de substrato cada vez maiores. No texto estão descritas a V'""' e a K01 • A curva é uma hipérbole cuja primeira parte segue uma cinética de primeira ordem (quer dizer, a reação é proporcional à concentração do substrato); a segunda parte corresponde à saturação, que tem uma cinética de ordem zero Uá que não depende da concentração de substrato) . Concentração de substrato Fig. 2.35 Cinética da enzima alostérica ATPase que mostra uma curva sigmóide característica em lugar de uma hipérbole. Observam-se os efeitos de um ativador (ATP) e de um inibidor (CTP). 36 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Outras enzimas não obedecem à cinética anteriormente citada, já que mostram cooperativismo e estão sujeitas a regulações alostéricas. Por conseguinte, em lugar de uma hipérbole dão lugar a uma curva sigmóide (Fig. 2.35). 2-17. Os inibidores das enzimas são muito específicos As enzimas podem ser inibidas reversível ou irreversivelmente. A inibição irreversível pode decorrer da desnaturação da enzima ou da formação de uma liga- ção covalente entre ela e outra molécula. Existem duas formas de inibição reversível: competitiva e não-competitiva. Na primeira, um composto de estrutura similar à do substrato forma um complexo com a enzima, análogo ao com- plexo ES; este tipo de inibição pode ser revertido com concentrações altas do substrato. Na inibi- ção não competitiva, o inibidor e o substrato não se relacionam estruturalmente, porém, da mes- ma forma, se unem por outros pontos de suas moléculas. 2-18. As enzimas da célula estão distribuídas em múltiplos compartimentos As enzimas catalisam as inúmeras reações químicas que ocorrem nas células. Em alguns ca- sos, as enzimas de uma via metabólica t ncontram-se no citosol, e o substrato e os produtos suces- sivos passam de uma enzima para a seguinte em cadeia. Em outros casos, as enzimas que inter- vêm em uma cadeia de reações estão associadas e atuam juntas sob a forma de um complexo mul- tienzimático; por exemplo, as enzimas que sintetizam os ácidos graxos se encontram intimamente vinculadas. Os sistemas multienzimáticos facilitam as reações sucessivas porque estas ocorrem a uma distância mínima entre si. As enzimas possuem padrões de distribuição bastante específicos. Por exemplo, algumas enzi- mas hidrolíticas se localizam nos lisossomos, enquanto outras enzimas são encontradas nas cister- nas do complexo de Golgi_e outras, como as RNA polimerases e as DNA polimerases, no núcleo. A ORIGEM DAS CÉLULAS 2-19. Os mecanismos de auto-encaixe deram origem às primeiras células Na Seção 2-9, vimos que uma proteína complexa (como a hemoglobina) é formada como re- sultado do auto-encaixe de várias unidades protéicas menores e, na Seção 2-7, estudamos que os fosfolipídios dispersos em água desenvolvem espontaneamente uma dupla camada lipídica seme- lhante à das membranas celulares. Outro exemplo de auto-encaixe é encontrado nos vírus (Cap. 1- 5), que são formados no interior da célula hospedeira a partir de material genético (DNA ou RNA) e proteínas (capsômeros). Como podemos observar, mediante estes mecanismos de auto-encaixe podem ser formadas tanto macromoléculas quanto estruturas subcelulares de complexidade variada. As causas pelas quais se formam nas células estruturas em ordem cada vez mais complexa devem ser buscadas na informação contida no DNA. É ela que determina a estrutura das proteínas. Por outro lado, a formação de complexos macromoleculares e estruturas de maior complexidade é re- sultado da interação entre duas ou mais proteínas diferentes e entre proteínas e carboidratos, lipí- dios e ácidos nucléicos. Um problema fundamental é determinar os mecanismos pelos quais se originou em nosso pla- neta a organização supramolecular que resultou na formação das células procariontes e eucarion- tes. Qualquer explicação sobre este tema é obviamente especulativa, pois tem a ver com nada menos que a origem da vida. Apesar de não se saber como se formaram as primeiras células, é possível estabelecer, por meio do registro de fósseis , que os organismos procariotas precederam os eucariotas e apareceram há três bilhões de anos. Observações recentes demonstraram que somente depois de bilhões de anos de a Terra ter se formado apareceram organismos semelhantes às bactérias atuais. Anteriormente, deve ter ocorrido o longo período de evolução química, no qual surgiram moléculas providas de carbono e os precursores macromoleculares dos organismos viventes, como os aminoácidos, os monossacarídeos e as bases dos nucleotídeos. Em seguida, por polimerização, formaram-se mo- léculas cada vez mais complexas. É possível que, durante este período, tenham entrado em ação os mecanismos de auto-encaixe antes mencionados , já que se formou a primeira estrutura supramolecular capaz de se auto-reproduzir (Fig. 2.36). 2- 20. A evolução química produziu moléculas orgânicas com carbono Nos tempos pré-bióticos, quer dizer, anteriores ao aparecimento da vida, a atmosfera da Terra não tinha oxigênio, da mesma forma que sucede com os outros planetas do sistema solar. Continha OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA • 37 Evolução química Evolução biológica Moléculas biogênicas, água, amônia, formaldeído, ácido cianídrico , acetonitrilo etc. Aminoácidos, açúcares, bases dos ácidos nucléicos t Proteínas Formação do sistema solar há 4,6 x 1 O' anos Descargas elétricas, luz ultravioleta, calor, pressão Polissacarídeos ! '..,.. Proteinóides Ácidos nucléicos \ ! Código genético Primeiro procariota J Há 3,5- 3,0 x 1 O' anos • + Primeiro eucariota Há 0,9 x 1 O' anos hidrogênio, nitrogênio, amoníaco, metano, monóxido de carbono e dióxido de carbono; também continha água que, em forma de vapor, cobr:ia parte da superfície terrestre. Apesar de, normal- mente, essas moléculas serem pouco reativas, poderiam ter interatuado graças à energia fornecida pela radiação ultravioleta, pelo calor e pelas descargas elétricas dos raios. Ness~ época, a atmosfera também não tinha a camada protetora de ozônio, de modo que os raios ultravioleta podiam banhar a superfície da Terra com uma intensidade que seria nefasta para a vida atual. Isso originou moléculas intermediárias sumamente reativas , como o acetald~ído, o cianeto, o formaldeído e outras, a partir das quais foram sintetizadas moléculas cada vez mais complexas. Em 1920, Oparin e Haldane consideraram que a polimerização dessas moléculas podia dar origem às proteínas, aos ácidos nucléicos e aos carboidratos presentes nos organismos vivos. Em 1953, Miller conduziu uma experiência fundamental na qual simulou as condições da atmosfera no período pré-biótico. Foram produzidas descargas elétricas em um recipiente que continha água, hidrogênio, amoníaco e metano. Na água, que se condensou, formaram-se aminoácidos (glicina, alanina, ácido aspártico e ácido glutâmico ). Por meio de experiências similares, foram obtidos quase todos os aminoácidos presentes nas proteínas. Vários monossacarídeos, ácidos graxos e as bases dos nucleotídeos foram obtidos dessa maneira. 2-21. Os mecanismos de agregação formaram os proteinóides primitivos O próximo passo provavelmente foi a polimerização dos aminoácidos para construir proteínas, o que foi possível pela ação catalítica das argilas. Todos esses processos podem ter sido produzi- dos em meios aquosos (lagunas) , nas quais as moléculas orgânicas se concentraram formando uma espécie de "caldo" que favoreceu as interações moleculares. A partir da formação da primeira proteína podem ter atuados mecanismos de agregação ou auto- encaixe descritos anteriormente. Desta maneira, poderiam ter se originado as funções enzimáti- cas. É provável que no "caldo" primordial, as macromoléculas tenham formado complexos mai- ores, denominados proteinóides ou coacervados , que têm uma parede semelhante à de uma mem- brana e um interior líquido. Estes proteinóides primitivos podiam ter atividade enzimática e per- . meabilidade, como no caso das membranas artificiais que mencionaremos no Cap. 3-2. Entretan- to, a ausência de ácidos nucléicos impediu sua continuidade, e é possível que tenham tido uma vida muito curta, já que não podiam se auto-reproduzir. 2-22. As células procariontes precederam as eucariontes Somente depois do aparecimento dos ácidos nucléicos, foi possível ter se originado um orga- nismo capaz de se autoperpetuar. Neste momento, teria aparecido a primeira célula procarionte e, assim, a vida na Terra. É provável que o RNA- e não o DNA - tenha sido o primeiro material genético que surgiu, de modo que, do ponto de vista cronológico, as macromoléculas teriam evoluído da seguinte maneira: RNA - - --> PROTEÍNAS ~----> DNA Fig. 2.36 Seqüência temporal da origem das células. 1 ~ 38 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA A replicação do RNA é mais simples do que a do DNA, pois exige um menor número de enzi- mas. Além disso, o RNA pode ser usado como material genético e como RNA mensageiro, e muitas das etapas da síntese protéica dependem de interações RNA-RNA (RNAm-RNAt, RNAm-RNAr, RNAr-RNAt) . Todos os organismos vivos têm o mesmo código genético, que seria uma prova de que a vida na Terra teve início a partir de um único organismo precursor. As forças da evolução, ao selecio- narem as mutações favoráveis das células, levaram mais tarde a uma variedade assombrosa de formas de vida. É possível que os primeiros procariotas tenham sido heterótrofos (quer dizer, que se tenham nutrido de moléculas orgânicas). Mais tarde, apareceram os procariotas autótrofos, como as algas azuis. Graças à fotossíntese, ocorreram a produção e o acúmulo de oxigênio na atmosfera, com o que foi possível o surgimento de células procariontes aeróbicas. A célula eucarionte pode ter se originado depois da aparição de uma célula eucarionte anaeró- bica. Esta deve ter sido parasitada por uma procarfonte anaeróbica que, mais tarde, converteu-se em mitocôndria (Cap. 8-29). De acordo com certos restos fósseis , os organismos eucariotas devem ter aparecido cerca de 1 bilhão e 500 milhões de anos atrás - ao se estabelecer uma atmosfera de oxigênio estável - e, como dissemos, esses organismos podiam ser primeiramente anaeróbicos e depois aeróbicos. Até então, a vida se encontrava somente na água, de onde as plantas e os animais passaram à terra. O surgimento da reprodução sexual, milhões de anos depois, acelerou a evolução das formas viventes, que até então era relativamente lenta. Os sexos tomaram possível o intercâmbio de in- formação genética entre os indivíduos, enquanto a mutação e a seleção produziram as diferentes formas de vida que hoje se encontram em nosso planeta. BIBLIOGRAFIA Anfinsen C.B. (1973) Principies that govern the (olding ofprotein chains. Science 181:223. Attenborough D. (1979) Life on Earth. Collins, England. Berna! 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