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BIOQUIMICA O que é a bioquímica? • Ciência e tecnologia que estuda e aplica a química da vida e os processos químicos que ocorrem nos organismos vivos; • Analisa as estruturas moleculares, como também as funções metabólicas de biomoléculas; • Está intimamente relacionada com outras áreas: Biologia celular, genética, fisiologia; • Estuda os mecanismos moleculares. Introdução à história da Bioquímica Período Empírico: Conhecimento adquirido através da observação; resultante do senso comum, por vezes baseados na experiência. Sabiam fazer, mas não sabiam explicar como. Período Descritivo: Descoberta, síntese e separação dos primeiros compostos dos organismos (açucares, etc.) Período Quantitativo: Descobrimento das enzimas e do material genético. Período Qualitativo (até à atualidade): Avanço tecnológico Os avanços mais notáveis da história da Bioquímica foi a descoberta do papel das enzimas como catalisadores e a identificação dos ácidos nucleicos como moléculas de informação. O CARBONO É O PRINCIPAL ELEMENTO! – Liga-se a si próprio e a outros elementos de forma estável. Forma novas moléculas com novas funções. A ligação desses elementos gera variedade de estruturas químicas. É através de princípios de organização biológica que os seres vivos manifestam as principais caraterísticas à vida, ou seja, a capacidade de movimento, crescimento, resposta a estímulos externos e reprodução. 1. Principio da Assimetria • Por exemplo as biomoléculas e as moléculas “espelho”, que possuem carbonos quirais. • As principais causas da assimetria resultaram na seleção do Carbono como principal elemento da evolução e o aparecimento de moléculas que são espelho umas das outras (isómeros) • Quanto às consequências, a assimetria resultou estruturas polares e moléculas com funções diferentes. 2. Principio da Hierarquia • Manter o metabolismo e integridade do organismo de forma a subsistir e a reproduzir-se. • Função de proteção e de trabalho de grupo/equipa. 3. Principio da especialização/especificidade • Cada componente tem a sua própria função. • Há moléculas que têm especificidade para combater agentes patogénicos. 4. Principio da complementaridade • As biomoléculas interagem umas com as outras porque se complementam. • Há interação porque há complementaridade. • Por exemplo o espermatozoide reconhece o óvulo e a Adenina interage com a timina na estrutura do DNA. 5. Principio da Integridade • Cada compartimento tem a sua função/especialização • Podem ser de diferentes tamanhos A Água – essencial a todas as formas de vida Compõe a maior parte da massa corporal do ser humano (cerca de 60% a 75%), sendo importante para o nosso funcionamento e pensamento. A água preenche 80% da célula e 77% do planeta Terra. É o solvente quase ideal, que inclui iões Na+, K+, Cl-, açucares e aminoácidos. Nela estão dissolvidas ou suspensas moléculas e partículas necessárias para o bom funcionamento celular. É essencial no transporte no interior das células, e entre as células dos reagentes, produtos de reações metabólicas, nutrientes, e produtos de excreção. Os dois H+ são mantidos num ângulo em relação ao outro, de tal forma que o oxigénio está carregado negativamente e o hidrogénio positivamente. A sua natureza polar e a capacidade de formar pontes de hidrogénio torna-a uma molécula com grande poder de interação. Solvata facilmente moléculas polares ou iónicas pelo enfraquecimento das interações eletrostáticas e das pontes de H+. As moléculas da água rodeiam cada ião, separando-os do cristal de sal e dispersando-os na água: tal enfraquece as interações eletrostáticas dos sais, impedindo a reassociação para formar uma rede cristalina. Mesmo com as cargas ligeiramente separadas, a carga total na molécula fica em equilíbrio (com o mesmo número de eletrões e de protões). A água dissolve sais por hidratação e estabiliza iões e dissolve biomoléculas que tenham grupos ionizáveis e até grupos funcionais polares e neutros. As associações com a água ocorrem entre os grupos funcionais carbonilo, aldeído, cetona e hidroxilo. A água permite a formação de estruturas supramoleculares (ex. membranas) e vários processos bioquímicos (enovelamento proteico). As biomoléculas com grupos apolares (ex. lípidos) são insolúveis em água porque as interações intramoleculares são mais fortes que as interações da água. As superfícies polares ficam expostas à água e as apolares ficam protegidas, ou seja, há um efeito hidrofóbico. Substâncias cujas moléculas contêm regiões hidrofílicas e hidrofóbicas são denominadas anfipáticas. Exemplos: fosfolípidos, proteínas, ácidos nucleicos. Classificação dos compostos de acordo com a sua capacidade de interagir com a água: • Hidrofílicos: Compostos que se dissolvem facilmente em água (gostam de água), tais como sais e moléculas polares. • Hidrofóbicas: Compostos não polares tais como os lípidos e as ceras, são insolúveis em água. • Anfipáticos: Compostos que contém simultaneamente regiões hidrofílicas e hidrofóbicas (Ex. Detergentes). Importância bioquímica e estrutural do efeito hidrofóbico A organização estrutural das membranas biológicas é consequência do efeito hidrofóbico a que estão sujeitos os fosfolípidos anfipáticos da membrana. O efeito hidrofóbico é essencial para a estabilização da estrutura nativa das proteínas. Como a água forma micelas, ela interage com a parte hidrofílica duma molécula e repele a parte hidrofóbica. Porque a mioglobina e tantas outras proteínas são solúveis em água? As cadeias laterais de aminoácidos polares, voltam-se para o meio aquoso e fazem contacto (pontes de H) com as moléculas de água do meio. As proteínas têm moléculas de água em torno de si, formando uma camada de solvatação, o que garante a solubilidade dessas moléculas em meio aquoso. Funções da água 1) Termorregulação • Dissipa o excesso de calor corporal durante o exercício/movimento: quando a água evapora através da transpiração tem a função de arrefecimento corporal. • Vias de eliminação: pele, pulmões, rins e intestino 2) Equilíbrio • Todos os aspetos de estrutura celular e suas funções são adaptadas às propriedades físico-químicas da água. 3) Reações de hidrólise 4) Equilíbrio ácido-base 5) Metabólica • A quantidade de água é diretamente proporcional à atividade metabólica da célula, exemplo: Neurónio 80% de água, Célula óssea 50% de água • Facilita reações químicas: Reações químicas ocorrem mais facilmente com os reagentes em estado de solução. A percentagem de água varia de acordo com a espécie, idade e atividade metabólica do organismo. 6) Lubrificante • Nas articulações e entre os órgãos a água exerce um papel lubrificante para diminuir o atrito entre essas regiões • A lágrima diminui o atrito das pálpebras sobre o globo ocular • A saliva facilita a deglutinação de alimentos Aquaporinas: Canais formados por proteínas especiais que atravessam a membrana celular e conduzem seletivamente as moléculas de água para dentro e fora da célula, ao mesmo tempo, prevenindo a passagem de iões e outros solutos. A sua presença aumenta a permeabilidade das membranas à água. Os iões H+ são constantemente produzidos no corpo, seja através de alimentos ingeridos na dieta ou pelo metabolismo geral. Podem ser produzidos ácidos voláteis (como o CO2) e não voláteis (como o ácido lático, corpos cetónicos), que seriam capazes de alteraro ph do organismo. Todo o H+ produzido é excretado na urina!!! O H+ é resultante de processos metabólicos. O H+ é o ião mais importante nos organismos. A [H+] de uma solução é quantificada em unidade de ph – Potencial de hidrogénio que indica a acidez, neutralidade ou alcalinidade de uma solução aquosa. Há equilíbrio entre a entrada ou produção de iões H+ e a remoção desses iões no organismo. A manutenção do ph é fundamental para as células. O organismo dispõe de mecanismos para manter o ph sanguíneo (e consequentemente o ph corporal), dentro da normalidade, ou seja, mantém a homeostasia. A importância do controlo da concentração de H+: • Regulação de funções celulares • Carga final das proteínas • Atividade enzimática • Caraterísticas da membrana • A forma, estrutura e função das enzimas • A velocidade das reações químicas • Mudanças na concentração de H3O+ ou OH- alteram a solubilidade das substâncias e compostos hidrossolúveis Manutenção do Equilíbrio Ácido-Base • Tampões Plasmáticos (ação em segundos ou milissegundos) • Sistema Respiratório (ação em minutos) • Sistema Renal (ação em horas/dias) Sistema Tampão: São soluções formadas por um ácido fraco e sua base conjugada, que em solução aquosa têm a propriedade de resistir a alterações na concentração de H+ e consequentemente alterações de ph, quando adicionadas pequenas quantidades de ácidos fortes ou bases. Sistemas tampão mais importantes: Ácido carbónico/bicarbonato, Hemoglobina, Fosfato, Proteínas Nos tecidos e estruturas vegetais, os principais tampões são: Fosfato, Carbonatos, Ácidos orgânicos e alguns aminoácidos 1. Tampão Bicarbonato • É o principal responsável pelo tamponamento do sangue humano e é geralmente encontrado nos fluidos corporais na forma de bicarbonato de sódio. • O bicarbonato mantém o ph do sangue numa faixa segura compreendida entre 7,35 e 7,45, mantendo ao mínimo as variações de ph para cima ou para baixo desses valores. • O sistema tampão mais importante do organismo pois atua diretamente na regulação do ph. • O ácido carbónico produzido dissocia-se em CO2 e água; o CO2 é eliminado nos pulmões recompondo a relação do sistema. • Quando uma base atinge o sangue, o ácido carbónico prontamente reage a ela, produzindo bicarbonato e água. O ácido carbónico diminui. Os rins aumentam a eliminação de bicarbonato para preservar a relação do sistema tampão. Regulação Renal do Equilíbrio Ácido-Base Todo o H+ tamponado deve ser excretado pelo rim, recuperando o HCO3- do filtrado glomerular e equilibrando a sua concentração no plasma. No rim o CO2 combina-se com a H2O e forma H2CO3 que se dissocia em H+ e HCO3-. O H+ é secretado para o filtrado por troca com Na+ (mecanismo de contra-transporte). O Na+ acaba por se difundir no plasma. PRINCIPAL TAMPÃO RENAL É O FOSFATO!! Na urina, o H+ também é tamponado pela AMÓNIA. Os principais órgãos que regulam o ph do sistema tampão ácido carbónico-bicarbonato são os pulmões e rins. 2. Sistema tampão das proteínas • As proteínas intracelulares e plasmáticas podem funcionar como moléculas- tampões. • Os grupos funcionais que constituem as proteínas podem funcionar como ácidos ou bases fracas, sendo responsáveis pela sua capacidade-tampão, permitindo o controlo da concentração de H+. • A albumina, a hemoglobina e as histonas associadas a ácidos nucleicos são moléculas intracelulares que podem funcionar como tampões. • A hemoglobina nas hemácias é também um tampão importante. 3. Tampão fosfato • É formado pelo ácido fosfórico e fosfato de sódio e é eficaz nos seguintes locais: Plasma, líquido intracelular e Túbulos Renais • O tampão fosfato é muito importante nos líquidos intracelulares, visto que a concentração de fosfato nesses líquidos é muitas vezes maior que a dos líquidos extracelulares. • Este tampão é importante nos líquidos tubulares dos rins, por 2 razões: O fosfato fica geralmente muito concentrado nos túbulos, aumentando a capacidade de tamponamento do sistema fosfato e o liquido tubular é mais ácido que o liquido extracelular, o que faz com que o tampão atue mais próximo do pk do sistema. 4. Outros tampões: Amónia • O tampão amónia é um tampão importante do fluido tubular: Promove a produção do novo bicarbonato. • Nas células do túbulo proximal do rim ocorre a quebra do aminoácido glutamina que origina dois iões: NH4+ e 2 HCO3-. • O bicarbonato é absorvido no plasma e o NH4+ é secretado para o canal tubular e excretado na urina. Aminoácidos e a Ligação Peptídica – A Base Estrutural das Proteínas Caraterísticas dos Aminoácidos São compostos orgânicos formados por átomos de C, H, O2 e N. Alguns tipos de aminoácidos também contêm átomos de enxofre e fosforo que aparecem, portanto na composição das proteínas. São moléculas pequenas e solúveis à temperatura ambiente: solúveis em água e pouco solúveis em solventes orgânicos. Diferenciam-se entre si quanto ao tipo de cadeia lateral, ou grupo R, o que varia em estrutura, tamanho e carga elétrica. Classificação dos aminoácidos • Propriedades do grupo R • Destino no metabolismo • Classificação segundo a essencialidade QUALQUER CONDIÇÃO QUE MODIFIQUE UM DOS SISTEMAS TAMBÉM INFLUIRÁ NO EQUILIBRIO DOS DEMAIS. OS SISTEMAS TAMPÃO AUXILIAM-SE UNS AOS OUTROS. Apresentam: Um grupo Amina: NH2 Um grupo carboxilo: COOH Um Hidrogénio: H Uma cadeia lateral: R Quanto à natureza do grupo R: Aromáticos, Básicos, Ácidos, Ramificados, Sulfurados, Apolares ou Hidrofóbicos e Polares ou Hidrofílicos. Quanto ao Destino no metabolismo: • Glucogénicos: Podem ser transformados em glicose. • Glucocetogénicos: Podem se transformar em glicose ou em corpos cetónicos. • Cetogénicos: Podem-se transformar em corpos cetónicos. Classificação segundo a essencialidade: Essenciais: Obtidos dos alimentos e não podem ser sintetizados e devem ser absorvidos diariamente através dos alimentos. Há 9 aminoácidos que o nosso organismo não consegue sintetizar. Não Essenciais: São também necessários para o funcionamento do organismo, mas podem ser sintetizados in vivo, a partir de fontes de carbono e grupos aminas. GRUPOS R POLARES, SEM CARGA • Solubilidade intermediária em água • Possuem grupos funcionais capazes de formar ligações de hidrogénio com a água • Serina e Treonina: Grupos Hidroxilos • Asparagina e Glutamina: Grupo amida • Cisteína: Grupo Sulfidrilo e Ligações Dissulfeto GRUPOS R COM CARGA POSITIVA (BÁSICOS) • Aminoácidos Hidrofílicos • Carga positiva Nota: Sempre que acaba em ina, tem carga positiva GRUPOS R CARREGADOS NEGATIVAMENTE (ÁCIDOS) • Aminoácidos ácidos • Carga negativa • Possuem segundo grupo carboxilo Nota: Acabam sempre em ato Proteínas podem ser definidas como polímeros compostos de n unidades monoméricas, os aminoácidos, ligados entre si por ligações peptídicas A ligação Peptídica é uma ligação que ocorre entre o grupo carboxilo de um aminoácido e amina de outro aminoácido. Nota: A ligação peptídica é covalente simples, curta e muito forte, sendo semelhante a uma ligação dupla Os ângulos de torsão psi e fi são responsáveis pela curvatura na estrutura da proteína. Começa sempre com amina e acaba com grupo carboxilo!! Até 50 a.a é péptido, mais de 51 a.a é proteína. O estado de ionização do aminoácido depende do Ph do meio,o que faz variar a carga elétrica da molécula. Aminoácidos, peptídeos e proteínas são bons tampões, pois possuem grupos ionizáveis capazes de doar e de receber protões H+. O PH influencia não só a carga mas também a forma das proteínas. Função proteica: Enzimas O que são enzimas? Proteínas altamente especializadas: alto grau de especificidade para com os substratos, possui poder catalítico e aceleram reações químicas. Estas são necessárias para a expressão dos genes, das proteínas, no metabolismo e sua regulação. São consideradas as unidades funcionais do metabolismo celular. As enzimas são fundamentais na degradação e síntese de macromoléculas. Nem todas as enzimas são proteínas. Há alguns RNAs com capacidade autocatalítica (ribozimas = ácido ribonucleico + enzima) As enzimas têm componentes químicos adicionais necessários à função: • Cofator: Iões inorgânicos (um ou mais) • Coenzima: Moléculas orgânicas Sistema de classificação enzimático 2:7:1:1 2: Transferase – CLASSE 7: Fosfotransferase - TIPO DE REAÇÃO QUE FAZ 1: Transfere P para grupo OH- - DE ONDE PARA ONDE 1: Tem D-glicose com aceptor – TIPO DE SUBSTRATO Adequação da estrutura da enzima ao substrato: AJUSTE INDUZIDO As enzimas podem interagir com um, dois ou três substratos, separados ou juntos. Os sítios ativos são complementares, não aos substratos, mas aos estados transitórios. Quando o substrato está ligado à enzima, há a formação de interações transitórias com o substrato: Catálise geral ácido-base, Catálise covalente e Catálise por iões metálicos. As enzimas muitas vezes usam as 3 estratégias de catálise em conjunto. Há enzimas que necessitam dos dois Síntese e degradação de proteínas As proteínas e demais compostos constituintes de um organismo não são permanentes, estando em continua síntese e degradação. Existe uma enorme variação na velocidade de renovação devido ao tempo de meia vida das proteínas. As proteínas da dieta são degradadas enzimaticamente em aminoácidos porque são grandes demais para seres absorvidas pelo intestino, e como tal, devem ser hidrolisadas para dar origem aos seus aminoácidos, visto que estes podem ser absorvidos. Os aminoácidos libertados pela hidrólise de proteínas de dieta juntamente com outros aminoácidos livres constituem o ‘pool’ (stock) de aminoácidos do organismo. A degradação da maioria dos aminoácidos inicia-se com a remoção do grupo α-amina. Dependendo do tecido e do organismo, tem lugar de reações de desaminação ou de transaminação. Depois de retirado o grupo amina, a cadeia carbónica é encaminhada para o metabolismo energético: a.a. glucogénicos, a.a. glucocetogénicos e a.a. cetogénicos. O processo de formação de uma proteína, desde a cadeia primária de aminoácidos até à estrutura final e funcional, segue uma sequência. • A estrutura ou conformação tridimensional depende da sequência de a.a. • A função depende da estrutura • Em cada proteína existe um pequeno número de formas estruturalmente estáveis • As principais forças para a estabilização de estruturas são forças não covalentes • Existem padrões estruturais comuns nas proteínas (domínios). Cada proteína tem uma estrutura especifica que depende: Da sua estrutura primária, de interações químicas entre as cadeias laterais de aminoácidos, de modificações pós-traducionais e das condições do meio em que elas estão inseridas Tempo necessário para que a concentração plasmática de determinada substância fique reduzida a metade. Cada proteína tem uma conformação espacial ou tridimensional especifica, que corresponde ao arranjo espacial dos seus átomos. Proteína dobrada em conformação espacial Dobramento espacial dá-se principalmente por interações fracas: principalmente hidrofóbicas e ligações de H e iónicas são otimizadas em estruturas termodinamicamente mais favoráveis. Estabilidade estrutural: Tendência a manter a conformação nativa. O ENOVELAMENTO PROTEICO É A INTERPRETAÇÃO DA INFORMAÇÃO DA SEQUÊNCIA PRIMÁRIA NUMA INFORMAÇÃO ESTRUTURAL SECUNDÁRIA, TERCIÁRIA OU QUATERNÁRIA. A estrutura primária é a sequência de aminoácidos na cadeia polipeptídica; mantida por ligações peptídicas. A estrutura secundária é o enovelamento de partes da cadeia polipeptídica em duas formas: α- hélice e β-pregueada, estabilizadas por pontes de hidrogénio. R grande - α-hélice R pequeno - β-pregueada A estrutura terciária consiste no arranjo espacial de hélices e folhas beta. Estrutura quaternária consiste na associação de uma cadeia polipeptídica. As subunidades mantêm-se unidades por forças covalentes e ligações não covalentes. A estrutura primária = estrutura covalente • Ligação peptídica • Pontes dissulfureto (são covalentes e podem ser rompidas por agentes redutores). Estrutura secundária é o arranjo espacial de segmentos repetitivos da cadeia polipeptídica principal: Hélices α, Folhas β e Indefinida (servem de ponte para que tudo se compacte). A α-Hélice é o arranjo mais simples que as proteínas podem assumir. A α-Hélice é comum porque as posições das ligações de hidrogénio estão otimizada: Ligações de H ocorrem entre o hidrogénio do grupo -NH e o oxigénio do grupo C=O, cada ligação peptídica também confere estabilidade Todos os a.a. precisam de ter o mesmo tipo de isomeria ótica (L ou D), sendo o L mais estável que o D. O GRUPO R INTERFERE NA CAPACIDADE DO A.A. EM FORMAR HÉLICES. Na estrutura β-pregueada o esqueleto da cadeia polipeptídica está estendido em forma de zigue-zague. Quando as folhas são próximas, os grupos R são pequenos. A estrutura terciária consiste no enovelamento de uma proteína como um todo, é o arranjo tridimensional total de todos os átomos da cadeia polipeptídica. Neste nível estrutural surgem as proteínas fibrosas (fixa) e globulares (estrutura mais compacta e mais fácil de se movimentar no meio. É a mais comum porque todas as proteínas possuem a forma de globo). A mioglobina é a proteína globular mais conhecida, possui uma única cadeia e é 75% em conformação α-hélice. No seu interior há a.a. apolares (hidrofóbicos) e no seu exterior a.a. hidrofílicos. A mioglobina retém O2 no musculo. Nas proteínas globulares surgem motivos estruturais. Padrões identificáveis e comuns no enovelamento de proteínas. São encontrados em várias proteínas e têm função bem definida. UMA PROTEINA PODE CONTER VARIOS MOTIVOS ESTRUTURAIS DIFERENTES. As proteínas muitas vezes estão organizadas em domínios estruturais que são regiões compactas, formadas por elementos de estruturas secundária. A estrutura quaternária = Oligomerização Algumas proteínas formam agregados de dois ou mais subunidades e mantém-se unidas por forças covalentes e ligações não covalentes. Estas subunidades podem atuar de forma independente ou cooperativa. A hemoglobina para além de transportar O2, também transporta H+ e CO2. A maior parte do CO2 é transportado como bicarbonato e o restante é carregado pela hemoglobina na forma de carbamato. Formas da Mb: Desoximioglobina, Oximioglobina e Ferrimioglobina. ESTAS VARIAM COM O ESTADO DE OXIDAÇÃO DO FERRO EFEITO DE BOHR: O aumento da concentração de CO2 e de H+ favorece a libertação do O2 nos tecidos metabolicamente ativos ENOVELAMENTO DAS PROTEÍNAS Condições diferentes dos ambientes celulares resultam em alterações estruturais (em maior ou menor preporção). A perda da estrutura 3D é suficiente para causar a perda da função, isto denomina-se de desnaturação. A maioria das proteínaspode ser desnaturada pelo calor, o qual afeta as interações fracas (Ligações H-H). A estrutura das proteínas pode ser destruída pela desnaturação, o que mostra que a função depende da estrutura. Como é que as proteínas atingem o estado nativo? Depende do tipo ou composição do a.a. e das caraterísticas das cadeias laterais (R) As chaperonas moleculares estão envolvidas no enovelamento e degradação de proteínas, e, portanto, ajudam a manter e a modular vários processos celulares. Estas vias estão dependentes da função proteica e da disponibilidade das proteínas. Determinam o tipo de forças, covalentes e não covalentes que irão estabilizar a estrutura tridimensional de uma proteína. A maioria das HSP são chaperonas moleculares que ajudam no enovelamento e ocorrem no citoplasma, mitocôndrias, RE e no cloroplasto, pois é onde ocorre a síntese proteica As HSP atuam para prevenir a agregação proteica antes do processo de “folding” estar completo. Estas não modificam o resultado final do processo de “folding” ou enovelamento. Hsp70 ajudam no enovelamento e impedem que proteínas malformadas, com sequencia hidrofóbicas expostas, formem agregados. Estas chaperonas ligam-se em sequências hidrofóbicas expostas e mantêm a cadeia peptídica desenovelada até que esta assuma conformação 3D correta. Hsp90 está presente em abundancia nas células, mesmo na ausência de stress. Ajuda a manter proteínas menos estáveis produzidas em resultado de mutações do DNA. Chaperoninas Hsp60 atuam sempre sobre uma proteína enovelada que tenha um erro na conformação terciária. São estruturas quaternárias com subunidades cilíndricas que ajudam a ligar as proteínas desenroladas na sua cavidade central hidrofóbica. É comum que as proteínas malformadas tenham sequencias hidrofóbicas expostas! Esta situação provoca a agregação das proteínas malformadas. As chaperonas também encaminham proteínas ao proteossoma para serem degradadas, caso estas não atingem a configuração correta ou tenham alguma falha grave na estrutura. Proteossoma: É um complexo de proteínas que ocorre no citoplasma, capaz de degradar outras proteínas em oligopeptidos e aminoácidos. Amiloide: Grupo de doenças derivadas do “folding” incorreto de proteínas. As proteínas que têm falhas polimerizam e formam fibrilas amiloides insolúveis estando na base de várias doenças como as do Alzheimer e de priões. Doença do Alzheimer – agregados de proteínas beta-amiloide no interior dos microtúbulos dos neurónios Doença de priões – Alteração na estrutura secundária
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