Fundamentos de Bioquímica 1

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19/04/2018
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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)
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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
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Fundamentos 
CelularesTrês domínios de vida
(NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014)
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Aeróbios
Anaeróbios
– Obrigatórios e facultativos
Escherechia coli
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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
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(NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014)
Fundamentos 
Celulares
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Células eucarióticas
Fundamentos 
CelularesCompostos orgânicos que compõem as células
(NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014)
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Fundamentos 
QuímicosElementos químicos que compõem os organismos vivos
(NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014)
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Fundamentos 
QuímicosElementos químicos que compõem os organismos vivos
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Fundamentos 
QuímicosBiomoléculas são compostos de carbono
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(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
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Fundamentos 
QuímicosGrupos funcionais diferentes formando uma mesma molécula
(NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014)
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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
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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)
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Isômeros geométricos ou cis-trans
Estereoquímica  arranjo dos constituintes atômicos de uma molécula no espaço tridimensional
Fundamentos 
Químicos
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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
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Fundamentos 
Químicos
Configuração molecular - estereoisômeros
(NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011)
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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
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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
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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
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Fundamentos 
QuímicosOs sistemas biológicos são estereoseletivos
Estereoisômeros  moléculas com as mesmas ligações químicas mas com diferentes configurações
Interações moleculares são estereoespecíficas (requer configurações específicas)
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Moléculas idênticas 
com conformações 
espaciais diferentes
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Fundamentos 
QuímicosOs sistemas biológicos são estereoseletivos
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Moléculas idênticas 
com conformações 
espaciais diferentes
Mistura racêmica – CELEXA
(S)-Citalopram - LEXAPRO
Fundamentos 
Químicos
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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)
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Fundamentos 
Físicos
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Fundamentos 
Físicos
Tipos de energia e matéria os organismos trocam com o ambiente
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Trabalho realizado pela célula: 
- Trabalho osmótico (gradientes químicos)
- Trabalho químico (síntese de biomoléculas)
- Trabalho mecânico (contração muscular)
METABOLISMO
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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)
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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!
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Fundamentos 
Físicos
Termodinâmica - Estuda a energia e seus efeitos sobre a matéria
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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
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Em qualquer mudança física ou química, a quantidade total de energia vai 
permanecer constante, contudo a forma da energia pode mudar
Fundamentos 
Físicos
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A 2º Lei da Termodinâmica
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Fundamentos 
FísicosA entropia total do universo 
está continuamente amentando
A 2º Lei da Termodinâmica
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Fundamentos 
Físicos
O fluxo de energia entre os organismos vivos obedecem 
as leis da termodinâmica
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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
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Reação espontânea é 
termodinamicamente favorável
EXERGÔNICA
O que leva uma biomolécula a ser transformada em outra coisa?
Fundamentos 
Físicos
Reações espontâneas - exergônicas
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Fundamentos 
Físicos
Caracterizada pela diminuição da energia livre
negativa
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Reações não-espontâneas - endergônicas
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Fundamentos 
Físicos
Caracterizada pelo aumento da energia livre
positivo
Outras características de reações bioquímicas
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Fundamentos 
Físicos
Constante de equilíbrio Keq
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Introdução
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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
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Fonte de energia livre em reações biológicas
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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
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Metabolismo
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(NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 5º ed., 2011)
Introdução
A 1º Lei da Termodinâmica
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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
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Fundamentos 
Químicos
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(NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de Bioquímica de Lehninger, 6º ed., 2014)
Representação de moléculas
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Reações bioquímicas
Reações espontâneas ou reações não espontâneas
Constante de equilíbrio
Direcionalidade
Velocidade
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Fundamentos 
Físicos