Introdução à Bioquímica

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Introdução à Bioquímica
Profa. Dra. Daniela Luz Ambrósio
Bioquímica = química da vida
- Quais são as estruturas químicas e tridimensionais das moléculas
biológicas?
- Como as moléculas biológicas interagem?
- Como as células sintetizam e degradam as moléculas biológicas?
- Como a energia é conservada e usada pela célula?
- Quais são os mecanismos de organização das moléculas biológicas e de
coordenação das atividades?
- Como a informação genética é armazenada, transmitida e expressa?
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Origem da Vida
- Há 15-20 bilhões de anos – surgimento do universo
- Há ~4 bilhões de anos – surgimento da vida
- Organismos descendem de um ancestral comum: base genética e
bioquímica
- C, N, O, H, Ca, P, K e S: 98% peso seco dos seres vivos
- Anos 30 – Oparin & Aldane – radiações do sol ou descargas elétricas
dos raios simples geraram compostos orgânicos a partir metano,
amônia e H2O.
- Miller & Urey (1953): H2O, CH4, NH3 e H2 -
descargas elétricas geram aa e compostos
bioquímicos (hidroxiácidos, aldeídos e HCN).
- HCN e aldeído fórmico (CH2O) – bases ác.
nucléicos e açúcares
- O que veio primeiro, o DNA ou a proteína?
Nenhum. Pode ser o RNA ou algo semelhante
- Evolução química: condensação de moléculas (moléculas complexas e
polímeros) – maior versatilidade química
- Moléculas que se ligam a moléculas complementares - DNA
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- As primeiras células foram quase certamente químio-heterotróficas
- Em seguida os heterotróficos começaram a utilizar a energia obtida para 
a síntese de compostos (fotossintetizadores).
Filogenia clássica: baseada em estruturas macroscópicas – Linnaeus (séc. 
XVIII) e Darwin (séc. XIX)
Filogenia molecular: Séc. XX
Darwin Linnaeus
Arquitetura Celular
- Vesículas membranosas: primeiras células
- Compartimentação: proteção e 
possibilidade de manter diferentes 
concentrações de determinados 
componentes
- Membrana plasmática: define a 
periferia da cél, é composta por 
lipídeos e proteínas e permite a 
passagem de vários compostos.
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- O conteúdo celular é composto basicamente por proteínas, ácidos
núcleicos, polissacarídeos e lipídeos
- Material genético (DNA): no núcleo ou nucleóide (bactérias).
- Células primitivas: suprimento presente no meio-ambiente – seleção
natural de células capazes de sintetizar compostos
- Reações biossintéticas requerem energia: desenvolvimento de rotas
metabólicas produtoras de energia (Ex: fotossíntese)
- Citoplasma: composto por solução aquosa (citosol) e
várias partículas suspensas, é organizado pelo citoesqueleto
Procariotos
- Organismos mais numerosos espalhados por todos os tipos de habitats
- não possuem núcleo (estruturas simples e unicelulares)
- 1-10 μm: coco, bacilo ou espirilo
- Possuem membrana celular externa, mas não possui internas
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Eucariotos
- Núcleo delimitado por membrana que encapsula o DNA (mais complexos
e podem ser uni ou multicelulares) - 10-100 μm
- Organelas delimitadas por membranas: núcleo, nucléolo, retículo 
endoplasmático, aparelho de Golgi, mitocôndria, cloroplastos, lisossomos, 
peroxissomos, vacúolos
Evolução dos organismos
- Taxonomia: classificação dos organismos pela morfologia
- Filogenia: DNA, RNA e proteínas
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Carl Woese: agrupados após análise de RNA
-Evolução x Mutação: a
mutação pode ser benéfica
ao organismo, tornando-o
melhor adaptado e essa
informação é passada para
as gerações seguintes,
gerando organismos mais
evoluídos
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- O desenvolvimento evolutivo se deu pelo surgimento dos mecanismos para
a reprodução sexual, troca de material genético, presença de cromossomos
múltiplos
- Mitocôndria e cloroplasto: evoluíram de bactérias anaeróbicas - simbiose
Como a energia é armazenada e manipulada na célula?
- Os organismos mantêm a composição intracelular constante,
independente do meio ambiente – estado de equilíbrio dinâmico
- Balanço entre síntese e degradação, consumo ou conversão
- A energia é obtida pela extração de alimentos ou absorção pela luz solar
- A energia obtida é convertida em ATP
- A transdução de energia é direcionada pelos elétrons – reações de 
oxidação-redução
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ÁGUA
- Substância mais abundante nos sistemas vivos (70% ou mais do peso)
- Natureza incolor, inodora e insípida
- Os primeiros organismos sem dúvida surgiram em meio aquoso
- Importância da água para a bioquímica:
1) Moléculas bioquímicas adotam suas formas em reposta às propriedades 
físicas e químicas da água circundante
2) Meio para a maioria das reações bioquímicas
3) Participa ativamente de muitas reações químicas
4) Sua oxidação produz O2
ÁGUA
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- O O2 (eletronegativo) atrai os e- mais fortemente, gerando um desequilíbrio
elétrico que resulta em 2 dipolos elétricos (molécula polar)
O
H H
Interações fracas em sistemas aquosos:
1) Ligações de H
2) Van der Waals
3) Interações iônicas
4) Interações hidrofóbicas
1) Ligações de Hidrogênio
- Ocorre quando o H está ligado ao O, F ou N
- Ligações de H – coordenam as moléculas, forma líquida e sólida
- Na água líquida, as moléculas formam agrupamentos oscilantes
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- No gelo, moléculas estão fixas e fazendo pontes de H com outras 4 moléculas
2) Interações de van der Waals
- Dipolo: presença de distribuição desigual de cargas positivas e negativas –
moléculas polares e apolares
Dipolo-dipolo Dipolo-dipolo induzido
- As forças de van der Waals podem ser dipolo-dipolo (moléculas polares) 
ou dipolo-dipolo induzido (moléculas apolares)
- Pontes de H > dipolo-dipolo > dipolo-dipolo induzido
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3) Interações Iônicas
- Interações entre íons positivos e negativos, por ex. Na+ Cl-
4) Interações hidrofóbicas
- Interações entre uma molécula polar e uma molécula apolar
1) Água e solutos polares
- A água é capaz de formar ligações de H com solutos polares
A água como solvente
- Substâncias polares são solúveis em água e as apolares não
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2) Água e solutos carregados
- Hidratação (cátions e ânions atraídos pela H2O) promove a quebra do 
retículo cristalino - dissolução 
3) Compostos anfipáticos
- Possuem uma porção hidrofílica (polar) e uma porção hidrofóbica (apolar) –
interações hidrofóbicas (fracas)
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4) Gases
- Os gases CO2, O2 e N2 são apolares
- A soma de interações fracas maximiza a interação (Ex: enovelamento de
uma proteína, ligação Ag-Ac, ligação enzima-substrato, etc)
Propriedades coligativas da água
- pressão de vapor, ponto de evaporação, ponto de fusão e pressão
osmótica
- O soluto afeta as propriedades coligativas e está relacionado ao número 
de partículas do soluto.
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- A água tende a se mover de uma região com maior concentração de
água para uma de menor concentração por uma membrana semi-
permeável (osmose), para a produção de uma solução homogênea –
pressão osmótica
- Membranas plasmáticas são mais permeáveis à água do que a outras 
moléculas pequenas, íons e macromoléculas
Soluções isotônicas, hipertônicas ou hipotônicas
Isotônico
hipertônico hipotônico
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- As células geralmente encontram-se em meios hipotônicos – pressão
osmótica direciona para a entrada de água
Mecanismos de prevenção:
- parede celular não expansível (bactérias e plantas)
- vacúolo contrátil (certos protistas de água fresca)
- plasma sanguíneo e líquido intersticial com osmolaridade próxima 
(organismos multicelulares)
- As plantas utilizam a osmolaridade para a obtenção de água – alta
concentração de soluto nos vacúolos
Ionização da água, ácidos e bases fracas 
- Apesar das propriedades de solvente da água, precisamos considerar 
também o pequeno grau de ionização em íons H+ e OH-
- Os íons H+ são imediatamente hidratados gerando íons hidroxônio H3O+
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- A ionizaçãoda água pode ser 
medida pela condutividade elétrica –
mais rápida que íons Na+, K+ e Cl-
- Algumas moléculas de água que interagem com a estrutura de proteínas,
DNA ou RNA possuem propriedades distintas das moléculas presentes
como solvente (Ex: citocromo f).
A água como reagente
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hidrólise
condensação
- A hidrólise tb é responsável pela despolimerização enzimática de
proteínas, CHs e ác nucléicos - hidrolases
- Além de participar como substrato, a água também pode ser responsável
pela transferência de prótons (reações de oxidação-redução) - fotossíntese
- Os organismos utilizam a água como um tampão de calor, para a liberação 
de suor, transporte de nutrientes através de transpiração nas plantas
Estrutura e Função dos 
Carboidratos
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Carboidratos
- Base da dieta na maior parte do mundo
- Oxidação de CH é a principal via metabólica fornecedora de energia na
maioria das células não-fotossintetizantes
- Alguns polímeros insolúveis de CH funcionam como elementos estruturais
e de proteção nas paredes de bactérias e vegetais e nos tecidos conjuntivos
de animais
- Outros polímeros agem como lubrificantes em articulações esqueléticas e
estão envolvidos no reconhecimento e coesão entre as células
- De forma geral desempenham as funções de fonte e reserva de energia,
função estrutural e matéria prima para a biossíntese de outras moléculas
- Carboidratos são compostos contendo um grupo aldeído ou um grupo
cetona e 2 ou + grupos OH
- Muitos CH possuem a fórmula empírica (CH2O)n – CH ou hidratos de C
- Alguns CH contém N, P e S
- 3 classes principais, de acordo com o tamanho: monossacarídeos,
oligossacarídeos e polissacarídeos – sacarídeo = açúcar (grego sakcharon)
- Polímeros mais complexos podem estar ligados covalentemente a
proteínas e lipídeos, com função sinalizadora - glicoconjugados
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1) Monossacarídeos
- Açúcares simples que contém uma única
molécula de poliidroxialdeído ou cetona,
com no mínimo 3C e grupos OH
- Na nomenclatura de monossacarídeos e dissacarídeos, os nomes
terminam em “ose”
- Os átomos de C ligados a grupos OH são centros quirais -
estereoisômeros
- São compostos incolores, sólidos cristalinos, solúveis em água e
insolúveis em solventes apolares
- A maior parte possui sabor doce
gliceraldeído
aldose
diidroxicetona
cetose
3C: triose (aldotriose ou cetotriose)
4C: tetrose
5C: pentose
6C: hexose
7C: heptose 
- As hexoses D-glicose e D-frutose 
são os mais abundantes na natureza
D-glicose D-frutose
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- As pentoses D-ribose e 2-desoxi-D-ribose são componentes dos nt e ác 
nucléicos
D-ribose 2-desoxi-D-ribose
Centros Assimétricos
- Todos os monossacarídeo, com exceção da diidroxiacetona, possuem 1
ou mais centros quirais
gliceraldeído
- Em geral uma molécula com n centros quirais pode ter 2n
estereoisômeros
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- A configuração do átomo de C referência (mais distante da carbonila) é
utilizada para a comparação com a estrutura do gliceraldeído (D e L-
isômeros)
- Alguns açúcares ocorrem naturalmente na forma L, como a L-
arabinose
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- epímeros: dois açúcares que
diferem na configuração de
um único C
- Na realidade, em soluções aquosas, as aldotetroses e os monossacarídeos
de 5 ou + C ocorrem como estruturas cíclicas
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- Os anéis de 6 membros são chamados de piranoses pela semelhança
com o pirano e os de 5 membros de furanose pela semelhança com o
furano
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- O anel piranosídico de 6 átomos não é plano, ocorre na conformação de
“cadeira”
Derivados das Hexoses
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- N-acetilglicosamina e N-acetilmurâmico (derivados da glicosamina) -
polímeros estruturais, incluindo os presentes nas paredes celulares
bacterianas
- L-fucose (derivado da L-galactose) e a L-ramnose (derivado da L-manose) -
polissacarídeos de plantas e oligossacarídeos complexos de glicoproteínas
e glicolipídeos
- Quando o C da carbonila é oxidado até ác carboxílico, são produzidos
ácidos aldônicos. Ex: glicose ác glicônico
- A oxidação do C6 forma os ácidos urônicos. Ex: glicose ác glicurônico
D-glicose
- Os monossacarideos podem ser oxidados pelos íons Fe3+ ou Cu2+ -
açúcares redutores
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2) Oligossacarídeos
- Cadeias curtas de unidades monossacarídicas, unidas por ligações
glicosídicas
- Os mais abundantes são os dissacarídeos (2 unidades de mono) -
sacarose
D-glicose + D-frutose 
- Os monossacarídeos são unidos covalentemente por uma ligação O-
glicosídica
- A ligação pode ser hidrolisada por ácido, mas resistem à clivagem por
base
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- Com a ligação glicosídica – açúcar
deixa de ser redutor – extremidade
redutora
Nomenclatura dos dissacarídeos
- A patir do terminal não-redutor (esquerda):
1) Configuração  ou  da primeira unidade do monossacarídeo
2) Nome da unidade da extremidade não-redutora, adicionando o termo 
“furano” ou “pirano”
3) Os átomos de carbono unidos na ligação glicosídica, com os números 
indicados entre parênteses
4) Nome da segunda unidade
-D-galactopiranosil-(14)--D-glicopiranose
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Sacarose Trealose
- Os dissacarídeos não-redutores são chamados de glicosídios
(não-redutor) (não-redutor)
-D-galactopiranosil-(14)--D-glicopiranose
3) Polissacarídeos
- Contém mais de 20 unidades de monossacarídeos, podendo chegar a
centenas ou milhares
- Os polissacarídeos, também
chamados de glicanos,
diferem entre as unidades que
os compõem, nos tipos de
ligação, na comprimento da
cadeia e no grau de
ramificação
Homopolissacarídios
Não-ramificado ramificado
Heteropolissacarídios
Não-ramificado ramificado
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- Ex. homopolissacarídios: amido e glicogênio (combustíveis celulares),
celulose e quitina (estrutura de parede celular em plantas e exoesqueleto
de animais)
- Ex. heteropolissacarídios: peptidioglicano (parede bacteriana),
polissacarídeos envolvidos na proteção, forma e suporte para células,
tecidos e órgãos
Amido
- Molécula altamente hidratada
- Composto por 2 polímeros de glicose:
amilose e amilopectina
- Vegetais sintetizam amido – tubérculos
(batata) e sementes (grão de milho)
Amilose: cadeias longas não-ramificadas de D-glicose (14), que variam
de milhares até um milhão de unidades
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Amilopectina: cadeias longas ramificadas (a cada 24-30 unidades) de D-
glicose (14), nos pontos de ramificação a ligação é 16
Glicogênio
- Molécula altamente hidratada
- Principal polissacarídeo de 
armazenamento nos animais – fígado e 
músculo esquelético
- Polímero de subunidades de D-glicose (14), bastante ramificado
(16), a cada 8 a 12 unidades, massa de milhões
- Para a liberação de energia, cada glicose vai sendo liberada, uma a uma
- Porque a glicose não é estocada na forma monomérica?
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Dextranas
- poli-D-glicose unidas por ligações 16, com ramificações 13 (alguns
possuem 12 ou 14)
- presentes em bactérias e fungos, placa bacteriana, sephadex
Celulose
- fibrosa, resistente, insolúvel em água
- encontrada na parede celular dos vegetais
- homopolissacarídeo linear de D-glicose
na configuração  (10.000-15.000 unid),
unidas por ligações 14
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- o glicogênio e o amido da dieta é hidrolisado por -amilases (saliva e
pâncreas) - 14, mas a celulose não é usada como fonte de energia pela
maioria dos animais pela ausência de uma enzima que hidrolise 14
- os cupins digerem a celulose pela presença de um microorganismo
simbiótico (Trichonympha). Alguns fungos e bactérias também são capazes
Quitina
- homopolissacarídeo linear de N-acetilglicosamina em ligação 
- forma fibras estendidas semelhantes à celulose e 
tambem nao pode ser digerida
- presente no exoesqueleto duro de uma série de 
artrópodes
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Influência no dobramento de homopolissacarídeos
- subunidades com estruturamais ou menos rígida
- presença de grupos OH – ligações de H
- existe rotação ao redor das ligações C – O que unem 2 monossacarídeos,
com limitações
- ligações covalentes que formam estruturas macromoleculares
tridimensionais, estabilizadas por interações fracas
- Amido e glicogênio: hélice é forma mais estável, estabilizada por ligações 
de H 
- celulose: estrutura estabilizada por ligações de H inter e intracadeia
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Heteropolissacarídeos estruturais
- Paredes de bactérias: resíduos
alternantes de N-acetilglicosamina e
ác N-acetilmurâmico (ligação 14)
- Polímeros lineares são interligados
por peptídeos pequenos
- Lisozima: clivagem da ligação 14
(lágrima e alguns vírus)
- Penicilina e seus derivados:
impedem a síntese das ligações
cruzadas da parede – lise por osmose
- Algumas algas possuem paredes que contém ágar, heteropolissacarídeos
sulfatados compostos por D-galactose e um derivado de L-galactose unidos
por ligações éter entre C-3 e C-6
- ágar: agarose (polímero não ramificado) +
agaropectina (ramificado)
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Heteropolissacarídeos da matriz extracelular
- Matriz extracelular: material gelificado presente no espaço extracelular dos
tecidos de animais multicelulares
- Composta por rede de heteropolissacarídeos e proteínas fibrosas
interconectadas (colágeno, elastina, fibronectina e laminina)
- glicosaminoglicanos: polímeros lineares compostos por unidades
repetitivas de dissacarídeos, sendo sempre uma N-acetilglicosamina ou N-
acetilgalactosamina e o outro um ácido urônico (exclusivo em animais e
bactérias)
- Presença de de grupos sulfato e grupos carboxilato – carga negativa –
conformação estendida e ligação a proteínas (proteoglicanos)
-Ácido hialurônico (articulacoes e humor vitreo)
-sulfato de condroitina (a resistência à tensão das cartilagens, tendões,
ligamentos e das paredes da aorta)
-dermatan-sulfato (flexibilidade da pele e também está presente nos vasos
sanguíneos e válvulas do coração)
-queratan-sulfato (córnea, cartilagens, ossos e estruturas formadas por
células mortas (chifres, cabelos, cascos, unhas e garras)
Garantem a matriz extracelular viscosidade, adesão e resistencia a
compressão.
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Glicoconjugados
- Além das funções de reserva de combustível e estruturais, os CHs agem
como portadores de informações (reconhecimento, mediadores de
interações específicas, endereçamento de proteínas)
- glicoconjugado: ligação de um CH a uma proteína ou lipídeo
- proteoglicanos, glicoproteínas e glicolipídeos
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1) Proteoglicanos
- Uma ou mais cadeias de glicosaminoglicanos ligadas covalentemente a
uma proteína de membrana ou a uma proteína a ser secretada
- Presentes na superfície celular ou matriz extracelular, como pontos de
adesão, reconhecimento e transferência de informações
- Maior componente dos tecidos conjuntivos, nas quais múltiplas
interações não-covalentes com outros proteoglicanos, proteínas e
glicosaminoglicanos produzem resistência e elasticidade
- O ponto de ligação do proteoglicano com a proteína geralmente é um
resíduo de Ser (-Ser-Gly-X-Gly) e ele está ligado através de uma ponte feita
por um trissacarídeo
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- Agregados de proteoglicanos:
conjuntos de proteínas centrais,
todas ligadas a uma única molécula
de hialuronato
- várias agrecanas, que possui
cadeias múltiplas de condroitina
sulfato e queratana sulfato, se unem
ao hialuronato
- as agrecanas interagem fortemente
com o colágeno na matriz extracelular
das cartilagens, contribuindo para o
desenvolvimento e resistência à
tensão deste tecido conjuntivo
2) Glicoproteínas
- Têm ligados covalentemente à porção protéica, um ou vários
oligossacarídeos de complexidades variadas, menores e estruturalmente
mais variados que os glicosaminoglicanos nos proteoglicanos
- Encontrados no lado externo da membrana plasmática, na matriz
extracelular e no sangue
- No interior das células são encontrados no CG, grânulos secretores e
lisossomos
- A porção carboidrato pode constituir 1 a 70% ou ainda mais da massa da
glicoproteína
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- Os CHs estão unidos ao grupo OH de resíduos de Ser ou Thr, por ligação
glicosídica (O-ligados) ou por ligação glicosídica com o N de uma Asn (N-
ligado)
- A superfície externa da membrana plasmática possui muitas glicoproteínas.
Ex: glicoforina da membrana da He (16 oligossacarídeos, 15 O-ligados e 1 N-
ligado)
- Glicoproteínas secretadas pelas células: Ig, hormônio folículo-estimulante,
luteinizante e estimulante da tireóide, proteínas do leite, secretadas pelo
pâncreas e proteínas contidas nos lisossomos
- Uma mesma proteína produzida por 2 tecidos diferentes com vários padrões
de glicosilação. Ex: IFN-1 (células do ovário e glândula mamária) - marcador
- A vantagem biológica da adição de CH às proteínas não estão
completamente entendidas – enovelamento protéico, proteção ataque de
enzimas proteolíticas (carga negativa)
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3) Glicolipídios
- Lipídios de membrana nos quais a cabeça hidrofílica é um oligossacarídeo
- Encontrados na face externa da membrana plasmática
- Ex. gangliosídio – lipídeo de membrana das células eucarióticas no qual o
grupo-cabeça polar (porção externa) é um oligossacarídeo complexo
contendo ác siálico, relacionados com a determinação dos grupos
sanguíneos
- Os lipopolissacarídeos estão
presentes na membrana
externa de bactérias gram-
negativas como E. coli e S.
typhimurium
- Alvos primários do sistema
imune – sorotipo de
linhagens
- S. typhimurium: 6 ác graxos
ligados a 2 resíduos de
glicosamina, sendo um ligado
a um oligossacarídeo
complexo
porção 
central
cadeia 
específica O
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CHs como moléculas de informação
- As células utilizam determinados oligossacarídeos para codificar
informações sobre o endereçamento intracelular de proteínas, interações
célula-célula, crescimento dos tecidos e sinais extracelulares
- Riqueza de informações: ligações variadas e configurações  e 
Lectinas
- Proteínas encontradas em todos os organismos que se ligam a CHs com
alta afinidade e especificidade
- Atuam em ampla variedade de processos intercelulares de
reconhecimento, adesão e sinalização, como também no endereçamento
intracelular de proteínas recém-sintetizadas
- Em plantas, as lectinas sao abundantes em sementes e provavelmente
atuam como restringentes para insetos e outros pedradores
- Vários vírus se ligam à célula hospedeira por meio de interações com
oligossacarídeos expostos na superfície dessa célula. Ex: vírus influenza
– proteína HA (lectina) é essencial
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Selectinas
- Família de lectinas (membrana plasmática) que medeiam o
reconhecimento e a adesão célula-célula em vários processos celulares. Ex:
movimento de células T para locais de infecção ou inflamação
- Alguns patógenos microbianos possuem selectinas que fazem a adesão
da célula bacteriana à célula hospedeira ou que medeiam a entrada de
toxinas nas células
- Ex: Helicobacter pylori – adere na
superfície do estômago pelas interações
entre selectinas na superfície da bactéria
e CHs das glicoproteínas da membrana
celular
- Toxinas colérica e pertússis (lectinas) se ligam à célula alvo por meio de
um oligossacarídeo presente na membrana da célula – toxinas análogas
para vacinas ou oligossacarídeos sintéticos
- No complexo de golgi lectinas são responsáveis pelo endereçamento de
proteínas recém-sintetizadas para o lisossomo. Ex: resíduo de manose-6-
fosfato
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- A análise de CH é mais complexa que a das proteínas e ác nucléicos por
possuírem uma estrutura ramificada e união por vários tipos de ligações
- Para serem analisados, os CHs são separados das proteínas ou lipídeos
que estão conjugados e submetidos a etapas de degradação em posições
de ligações específicas ou estereoquímicas
- Uso de espectrometria de massa e espectroscopia por ressonância nuclear
magnética(RNM)
Análise dos CHs