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Bioquímica Estrutural - Visão Geral MSc Fábio Cáuper Bioquímica; sua importância e suas aplicações Tema Conteúdo Metabolismo Intermediário Identificação dos diferentes tipos de substâncias constituintes dos alimentos e suas transformações no meio interno; Bioenergética Modo como o organismo obtém, armazena e utiliza a energia necessariamente às suas atividades; Renovação Estrutural Modo como se processa continuamente a renovação químico-molecular do organismo, acompanhando a síntese e a degradação das substâncias a nível celular; Homeostasia Regulação do equilíbrio entre o meio interno e externo com emprego de enzimas, vitaminas e hormônios; Biologia Molecular Continuidade da vida (reprodução, transmissão e expressão das informações genéticas); Dieta Manutenção da saúde através do suprimento de compostos essenciais, prevenção e controle de moléstias; Exames Laboratoriais Evidências, avaliação e interpretação das alterações do metabolismo através de exames de sangue, urina, etc; Medicina Forense Estudo da fertilização assistida, disputas de paternidade (DNA); análise de fragmentos humanos para elucidação de crimes; Funções Específicas Contração muscular, condução dos impulsos nervosos, permeabilidade das membranas, etc. As moléculas biológicas surgiram de materiais inorgânicos Produção abiótica de biomoléculas. Aparelhos do tipo utilizado por Stanley Miller e Harold Urey (1953) em experiências que demonstram formação abiótica de compostos orgânicos nas condições da atmosfera primitiva. Após sujeição dos conteúdos gasosos da sistema de faíscas elétricas, os produtos foram recolhidos por condensação. Biomoléculas tais como aminoácidos estavam entre os produtos. Complexos sistemas autorreplicantes evoluíram de moléculas simples Durante um período de evolução química, moléculas orgânicas simples se condensaram para formar moléculas orgânicas mais complexas ou se combinaram pelas extremidades como polímeros de unidades repetitivas. Complexos sistemas autorreplicantes evoluíram de moléculas simples O pareamento específico entre grupos funcionais complementares permite que o membro de um par determine a identidade e orientação do outro membro. Essa complementaridade torna possível uma macromolécula replicar-se, ou copiar a si mesma, ao comandar a montagem de uma nova molécula a partir de unidades complementares menores. Replicação por complementaridade. Neste caso simples, um polímero serve de molde para a montagem de uma molécula complementar, que, devido à complementaridade molecular, é uma cópia exata da original. As células executam reações metabólicas São muitas as vantagens da compartimentalização. Além de receber alguma proteção das forças ambientais adversas, um sistema fechado pode manter altas concentrações locais de componentes que de outro modo se difundiriam para longe. Substâncias mais concentradas podem reagir mais prontamente, levando a maior eficiência na polimerização e outros tipos de reações químicas. As células executam reações metabólicas Células eucarióticas geralmente têm 10 a 100 mm de diâmetro; por isso, têm de mil a um milhão de vezes o volume típico das procarióticas. O que melhor caracteriza as células eucarióticas não é o tamanho, mas a profusão de organelas envolvidas por membranas. Dados moleculares revelam três domínios evolutivos de organismos Relações filogenéticas são melhor deduzidas ao se comparar moléculas poliméricas – RNA, DNA ou proteína – de diferentes organismos Evolução dos eucariontes através da endossimbiose Esse diagrama transmite um sentido de escala entre células vivas e átomos. Cada painel mostra uma imagem que é então aumentada por um fator de 10 em uma progressão imaginária a partir de um dedo polegar, para a pele, para células da pele, para uma mitocôndria, passando por um ribossomo e por último até um grupo de átomos que fazem parte de uma das várias moléculas proteicas em nosso corpo. Os detalhes da estrutura molecular, como mostrado nos dois últimos painéis, estão além do poder de um microscópio eletrônico. Qual o tamanho de uma célula, e qual o tamanho das suas partes? Os organismos podem ser classificados de acordo com sua fonte de energia (luz solar ou compostos químicos oxidáveis) e sua fonte de carbono para a síntese de material celular. 1. O equilíbrio com o meio Os seres vivos Elevado grau de complexidade Capacidade de extrair energia do meio ambiente e utilizá-la na sua renovação estrutural. Seres autótrofos – incorporam diretamente a energia solar. Seres Heterótrofos – recebem na forma de nutrientes orgânicos. Noções Básicas Sobre Metabolismo Noções Básicas Sobre Metabolismo Desse modo qualquer ser vivo permanece em equilíbrio dinâmico com o meio, retirando as substâncias (alimento), transformando-as em matéria igual a si próprio (metabolismo) e devolvendo os produtos da degradação (excreção). Também serve para fornecer as moléculas essenciais ao crescimento, regeneração dos tecidos e renovação das estruturas. A energia é, então extraída dos alimentos e empregada para realizar trabalho, locomoção, transporte, etc. Os seres vivos 1. O equilíbrio com o meio 2. Organização molecular dos seres vivos Açúcares (carboidratos) e gorduras (lipídios) relacionados com o metabolismo energético Ácidos nucléicos ou moléculas da informação. Compostos nitrogenados (aminoácidos e proteínas) relacionados com a estrutura da célula Noções Básicas Sobre Metabolismo Noções Básicas Sobre Metabolismo 3. As reações químicas do metabolismo são catalisadas por enzimas específicas Metabolismo Reações orgânicas são lentas dada sua complexidade e tamanho das moléculas Enzimas catalisam ou aceleram as moléculas proteicas. Ao contrário das proteínas estruturais, tem a vida muito curta. são sua produção depende Das informações genéticas contidas no DNA. Noções Básicas Sobre Metabolismo 3. As reações químicas do metabolismo são catalisadas por enzimas específicas Como as enzimas são específicas para cada reação metabólica, elas frequentemente funcionam em sequências A B C D → etc. Enzima 1 Enzima 2 Enzima 3 Essas sequências são chamadas vias metabólicas ou rotas do metabolismo. Muitas vias estão relacionadas entre si e, no seu conjunto, estão representadas no Mapa Metabólico Alimentos fornecedores de ENERGIA •Carboidratos •Lipídeos •Proteínas C A TA B O LISM O Produtos da excreção (pobres em energia) •CO2 •H2O •NH3 → Uréia Energia: •ATP •NADH A N A B O LI SM O Macromoléculas •Polissacarídeos •Lipídeos •Proteínas •Ácidos Nucleicos Moléculas Precursoras •Aminoácidos •Açúcares Simples •Ácidos Graxos •Bases Nitrogenadas Noções Básicas Sobre Metabolismo 4. Vias metabólicas de síntese e degradação Anabolismo vias de síntese são Formação de macromoléculas e produtos de armazenamento permitem Catabolismo vias de degradação são Dão como produtos finais os materiais a serem excretados permitem Noções Básicas Sobre Metabolismo 5 . O s tr ê s e st ág io s d o c at ab o lis m o Proteínas Polissacarídeos Lipídeos Macromoléculas Aminoácidos Glicose Glicerol, Ácidos Graxos Moléculas Fundamentais PIRUVATO Acetil-CoA NH3 Uréia Ciclo da Uréia H2O Ciclo de Krebs CO2 Produto Comum de degradação Produtos finais do catabolismo (excreções) Estágio I Estágio II Estágio III Variação de Energia Depende somentedo estado inicial e do estado fina. Não importam os mecanismos. Reação Espontânea (exergônica) Parte de um nível de energia para um outro nível menor de energia. Reação Endergônica Parte de um nível baixo de energia para um outro nível maior de energia. Energia Só ocorre se fornecermos 6. Princípios de Termodinâmica Noções Básicas Sobre Metabolismo O que determina o valor de ΔG: -Concentração -Temperatura -Natureza química dos reagentes -Pressão OBS: Condições padrão ΔG0 Temperatura = 25ᵒC ATM = 1 Concentração = 1 Molar pH = 7 → ΔG0’ Variação de Energia A espontaneidade de uma reação não significa que sua velocidade seja alta ou baixa. Variação de Energia de → ΔG A + B C + D ΔG - ΔG + EN ER G IA A + B C + D ΔG + Não é espontânea EN ER G IA A + B C + D ΔG - É espontânea Membranas Altera as concentrações das substâncias envolvidas para que o ΔG fique negativo, de acordo com interesse da célula. A + B C + D ΔG - ΔG + ΔG = 0 Reação atinge o equilíbrio. A velocidade nos dois sentidos é igual. 4A 8B EQUILÍBRIO 4A 8B EQUILÍBRIO Condição I 8A 4B ΔG Muito Negativo 6A 6B ΔG NegativoCondição II 4A 8B ΔG ZeroCondição III 2A 10B ΔG Positivo Condição III Os organismos trocam energia e matéria com o meio ambiente: variação de energia livre Exemplo mecânico Perda de energia potencial Trabalho realizado Um objeto no alto de um plano inclinado apresenta uma certa quantidade de energia potencial devido à sua altura Quando o objeto desliza para baixo a sua energia potencial de posição pode ser acoplada para realizar uma certa quantidade de trabalho Algumas conversões de energia nos organismos vivos (a) Viver extrair energia de seus arredores; (b) converter algumas moléculas em formas úteis de energia para produzir trabalho; (c) devolver um pouco de energia ao ambiente como o calor; (d) Liberação de moléculas do produto final que estão menos bem organizado do que o combustível de partida, aumentando o entropia do universo. Um dos efeitos de todas estas transformações é (E) produção ordenada (diminuição da aleatoriedade) de formas de macromoléculas complexas
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