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19/04/2018 1 Introdução à Bioquímica Aula 1 Prof. Dra. Adamara Machado Nascimento Universidade Federal do Acre – UFAC Campus Floresta IntroduçãoCaracterísticas dos organismos vivos que o diferenciam da matéria inanimada Alto grau de complexidade química e organização microscópica Sistemas para extrair, transformar e utilizar a energia do ambiente Funções definidas para cada um dos componentes e interações reguladas entre eles Mecanismos para sentir e responder as alterações no seu ambiente Capacidade para se autorreplicar e automontar com precisão (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011) 2 19/04/2018 2 IntroduçãoCaracterísticas dos organismos vivos que o diferenciam da matéria inanimada Capacidade de se alterar ao longo do tempo por evolução gradual O jardim do Éden por Jan van Kessel, o Jovem (1626-1679) (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011)3 O que a Bioquímica estuda? Descreve em termos moleculares, as estruturas, mecanismos e processos químicos compartilhados por todos os organismos vivos e propõe princípios organizadores que são comuns a todas as distintas formas de vida. Introdução 4 19/04/2018 3 Fundamentos CelularesTrês domínios de vida (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014) 5 Aeróbios Anaeróbios – Obrigatórios e facultativos Escherechia coli 6 2 μm comprimento 1 μm diâmetro ~15000 ribossomos - Cópias de 1000 diferentes enzimas - 1000 moléculas orgânicas com massa < 1000 - Íons inorgânicos - Nucléoide com 1 DNA circular e o citoplasma com segmentos de DNA chamados plasmídeos (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014) Fundamentos Celulares 19/04/2018 4 (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014) Fundamentos Celulares 7 Células eucarióticas Fundamentos CelularesCompostos orgânicos que compõem as células (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014) 8 19/04/2018 5 Fundamentos QuímicosElementos químicos que compõem os organismos vivos (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014) 9 Fundamentos QuímicosElementos químicos que compõem os organismos vivos 10 19/04/2018 6 Fundamentos QuímicosBiomoléculas são compostos de carbono 11 (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014) Hibridização sp3 Hibridização sp2 Hibridização sp Fundamentos QuímicosGrupos funcionas em biomoléculas NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014 Fenil Metil Etil Carbonil (cetona) Carbonil (aldeído) Carboxil Hidroxil Enol Éter Éster Acetil Anidrido Anidrido mistoFosfoanidridoFosforil Tioéster DissulfetoSulfidril ImidazolGuanidina Imina N-substituída Base de Schiff Amino Amida Imina 12 19/04/2018 7 Fundamentos QuímicosGrupos funcionais diferentes formando uma mesma molécula (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014) 13 Fundamentos QuímicosQuais moléculas são encontradas nas células? Moléculas orgânicas com Mr ~100 a ~500 - metabólitos – aminoácidos, nucleotídeos, açúcares e seus derivados fosforilados, ácidos mono, di e tricarboxílicos... Metabólitos secundários – moléculas pequenas que desempenham papéis específicos em plantas Metaboloma – conjunto de pequenas moléculas de uma célula Macromoléculas – polímeros com peso molecular maior que ~5000 Oligômeros Subunidades monoméricas - Mr ~500 ou menor que unidos por ligações covalentes compõem as macromoléculas 14 19/04/2018 8 Fundamentos Químicos Configuração molecular - estereoisômeros - Ligações duplas em torno das quais não há liberdade de rotação (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011) 15 Isômeros geométricos ou cis-trans Estereoquímica arranjo dos constituintes atômicos de uma molécula no espaço tridimensional Fundamentos Químicos 16 19/04/2018 9 Fundamentos Químicos Configuração molecular - estereoisômeros - Presença de centros quirais (carbono assimétrico) (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011) Isômeros ópticos Enantiomeros estereoisômeros que são imagens especulares um do outro Molécula com 1 C quiral = 2 estereoisômeros n– número de carbonos quirais Dois ou mais C quirais 2n estereoisômeros 17 Fundamentos Químicos Configuração molecular - estereoisômeros (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011) 18 19/04/2018 10 Fundamentos Químicos Configuração molecular - estereoisômeros (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011) Diastereoisômeros pares de estereoisômeros que não são imagens especulares um do outro 19 Fundamentos Químicos Configuração molecular - estereoisômeros Interação dos enantiômeros com a luz polarizada l-isômeros – levorrotatório - desvio da luz polarizada para esquerda d-isômeros – dextrorrotatório - desvio da luz polarizada para direita Compostos sem centro quiral não são capazes de provocar rotação da luz polarizada Misturas racêmicas 20 19/04/2018 11 Fundamentos QuímicosConformação molecular Arranjo espacial de grupos substituintes que, sem quebrar nenhuma ligação é livre para assumir diferentes posições no espaço devido a liberdade de rotação em torno das ligações simples C-C 21 Fundamentos QuímicosOs sistemas biológicos são estereoseletivos Estereoisômeros moléculas com as mesmas ligações químicas mas com diferentes configurações Interações moleculares são estereoespecíficas (requer configurações específicas) 22 Moléculas idênticas com conformações espaciais diferentes 19/04/2018 12 Fundamentos QuímicosOs sistemas biológicos são estereoseletivos 23 Moléculas idênticas com conformações espaciais diferentes Mistura racêmica – CELEXA (S)-Citalopram - LEXAPRO Fundamentos Químicos 24 19/04/2018 13 Ligações covalentes Fundamentos Químicos Ligações químicas – biomoléculas Interações iônicas Ligações de Hidrogênio Ligações de van der Walls Maior plasticidade molecular Menor energia para serem quebradas do que as ligações covalentes DIVERSIDADE DE FUNÇÕES 25 Fundamentos Químicos As interações entre as biomoléculas são estereoespecíficas (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011) 26 19/04/2018 14 Fundamentos Físicos 27 Fundamentos Físicos Tipos de energia e matéria os organismos trocam com o ambiente 28 Trabalho realizado pela célula: - Trabalho osmótico (gradientes químicos) - Trabalho químico (síntese de biomoléculas) - Trabalho mecânico (contração muscular) METABOLISMO 19/04/2018 15 Fundamentos FísicosClassificação dos organismos conforme a fonte de energia e carbono (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014) 29 Fundamentos Físicos A vida envolve um constante fluxo de matéria e energia entre os organismos vivos O fluxo de matéria é cíclico! O fluxo de energia é irreversível! 30 19/04/2018 16 Fundamentos Físicos Termodinâmica - Estuda a energia e seus efeitos sobre a matéria 31 Universo – sistema + meio ao redor dele Sistema – tudo dentre de uma região definida do espaço (reagentes, produtos, ) Sistema isolado – não troca matéria nem energia com o meio Sistema aberto – troca energia e matériaSistema fechado – troca energia mas não matéria Energia? Capacidade de realizar trabalho ORGANISMOS VIVOS OBEDECEM AS LEIS DA TERMODINÂMICA A 1º Lei da Termodinâmica 32 Em qualquer mudança física ou química, a quantidade total de energia vai permanecer constante, contudo a forma da energia pode mudar Fundamentos Físicos 19/04/2018 17 A 2º Lei da Termodinâmica 33 Fundamentos FísicosA entropia total do universo está continuamente amentando A 2º Lei da Termodinâmica 34 Fundamentos Físicos O fluxo de energia entre os organismos vivos obedecem as leis da termodinâmica 19/04/2018 18 Um sistema rico em energia livre é instável e tende a evoluir espontaneamente para um estado mais estável com menor quantidade de energia livre Reações bioquímicas x exemplo concreto de um processo espontâneo 35 Reação espontânea é termodinamicamente favorável EXERGÔNICA O que leva uma biomolécula a ser transformada em outra coisa? Fundamentos Físicos Reações espontâneas - exergônicas 36 Fundamentos Físicos Caracterizada pela diminuição da energia livre negativa 19/04/2018 19 Reações não-espontâneas - endergônicas 37 Fundamentos Físicos Caracterizada pelo aumento da energia livre positivo Outras características de reações bioquímicas 38 Fundamentos Físicos Constante de equilíbrio Keq 19/04/2018 20 39 Fundamentos Físicos Reações bioquímicas são reversíveis Direção que a reação acontece? Quando um equilíbrio dinâmico é perturbado (p. ex. por mudança de concentração em um dos lados da reação) a posição do equilíbrio muda para neutralizar a perturbação Direcionalidade Outras características de reações bioquímicas Direcionalidade 40 Fundamentos Físicos Se conhecemos a Keq para uma reação e a concentração inicial das moléculas que participam na reação, podemos prever a direção da reação Outras características de reações bioquímicas 19/04/2018 21 As reações que ocorrem em células de organismos vivos estão todas em equilíbrio??? Reações impedidas de atingir o equilíbrio – adição constante de substratos ou produtos aparecerem em etapas a distância Muitas reações são mantidas perto do equilíbrio x outras são fortemente reguladas e mantidas bem distantes do equilíbrio 41 Fundamentos Físicos Enquanto estamos vivos e funcionando as reações bioquímicas que ocorrem em nossas células não estão em equilíbrio Introdução Os seres vivos existem em um estado estacionário dinâmico e nunca estão em equilíbrio com o seu meio As moléculas e os íons contidos nos organismos vivos diferem em tipo e concentração daqueles existentes no meio circundante A constância da concentração das moléculas dentro de um organismo é o resultado de um estado estacionário dinâmico que está fora do equilíbrio 42 19/04/2018 22 Equilíbrio químico (Keq) x Energia livre (G) Variação de energia-livre padrão ΔGo Condições padrão T = 298 K (25°C) [Reagentes e Produtos]= 1M R= 1.98 x 10-3 kcal mol-1 deg-1 REAÇÃO NÃO-ESPONTÂNEA EM CONDIÇÕES PADRÃO 43 Introdução Mas a reação que acontece em nossas células... O que determina a espontaneidade de uma reação em uma célula é a mudança real de energia livre em condições fisiológicas. [S] e [P] realmente encontrados na célula REAÇÃO ESPONTÂNEA NAS CONDIÇÕES CELULARES ATUAIS Variação de energia-livre ΔG 44 Introdução 19/04/2018 23 45 ΔG mede a distância que um sistema está de sua posição de equilíbrio Quando uma reação alcança o equilíbrio (não há mais mudança líquida nas concentrações de S e P) não há trabalho sendo feito ΔG = 0 Cuidado na interpretação - ΔGo indica onde está o equilíbrio final de uma reação – se é espontânea ou não - não indica a rapidez com que esta reação pode ocorrer Equilíbrio químico (Keq) x Energia livre (G) Introdução 46(NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011) Velocidade das reações - ENZIMAS Outras características de reações bioquímicas Introdução 19/04/2018 24 Fonte de energia livre em reações biológicas 47 ΔG1 positiva (endergônica) Aminoácidos Proteínas ATP AMP + ATP ADP + ΔG2 negativa (exergônica) (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011) Introdução Reações acopladas Reações de acoplamento energético 48(NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011) Bioenergética – estuda a transformação de energia nos sistemas vivos Introdução 19/04/2018 25 Metabolismo 49 (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011) Introdução A 1º Lei da Termodinâmica 50 Princípio da conversão de energia Fluxo de elétrons provê energia aos organismos A 2º Lei da Termodinâmica A entropia total do universo está continuamente aumentando 6CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 Luz C6H12O6 + 6 O2 6CO2 + 6 H2O + energia Introdução 19/04/2018 26 Fundamentos Químicos 52 (NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014) Representação de moléculas 19/04/2018 27 Reações bioquímicas Reações espontâneas ou reações não espontâneas Constante de equilíbrio Direcionalidade Velocidade 53 Fundamentos Físicos
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