Bioquímica e Medicina: Uma Relação Cooperativa

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1Bioquímica e medicina
Victor W. Rodwell, Ph.D. e Robert K. Murray, M.D., Ph.D.
S E Ç Ã O 
I Estruturas e funções de proteínas e enzimas
C A P Í T U L O 
IMpORTÂNCIA BIOMÉDICA
A bioquímica e a medicina desfrutam de uma relação mu-
tuamente cooperativa. Os estudos bioquímicos esclareceram 
muitos aspectos da saúde e da doença, e o estudo de vários 
aspectos da saúde e da doença fi zeram surgir novas áreas da 
bioquímica. A relevância médica da bioquímica em situa-
ções normais e anormais é enfatizada ao longo deste livro. 
A bioquímica traz signifi cativas contribuições para áreas da 
biologia celular, fi siologia, imunologia, microbiologia, farma-
cologia e toxicologia, assim como para as áreas de infl amação, 
dano celular e câncer. Essas relações íntimas enfatizam que 
a vida, como a conhecemos, depende de reações e processos 
bioquímicos.
A BIOQUÍMICA TEVE INÍCIO COM A 
DESCOBERTA DE QUE EXTRATOS DE 
LEVEDURAS LIVRES DE CÉLULAS 
pODEM FERMENTAR AÇÚCAR
O conhecimento de que leveduras podem converter os açúcares 
em álcool etílico antecede os registros históricos. No entanto, 
foi somente durante os primeiros anos do século XX que esse 
processo levou diretamente à ciência da bioquímica. Apesar de 
suas investigações inspiradoras da fabricação de cerveja e de 
vinifi cação, o grande microbiologista Louis Pasteur acreditava 
que o processo de fermentação só poderia ocorrer em células 
O B J E T I V O S
Após o estudo deste capítulo, 
você deve ser capaz de:
„„ Entender a importância da habilidade de extratos de levedura livres de células 
fermentarem açúcares, uma observação que possibilitou a descoberta dos in-
termediários da fermentação, da glicólise e de outras vias metabólicas.
„„ Reconhecer a abrangência da bioquímica e seu papel central nas ciências da 
vida, e que a bioquímica e a medicina são disciplinas intimamente relacionadas.
„„ Compreender que a bioquímica integra conhecimentos de processos químicos 
em células vivas com estratégias para se manter saudável, entender doenças, 
identifi car terapias em potencial e aumentar o entendimento sobre as origens 
da vida na Terra.
„„ Descrever como as abordagens genéticas têm sido cruciais para a elucidação 
de muitas áreas da bioquímica e como o Projeto Genoma Humano promoveu 
ainda mais avanços em vários aspectos da biologia e da medicina.
2 SEÇÃO I Estruturas e funções de proteínas e enzimas
intactas. O seu erro foi demonstrado, em 1899, pelos irmãos 
Büchner, que descobriram que a fermentação pode, de fato, 
ocorrer em extratos livres de células. Essa revelação resultou 
do armazenamento de um extrato de levedura em um pote de 
solução concentrada de açúcar adicionada como conservante. 
Ao longo da noite, o conteúdo do pote fermentado, que der-
ramou sobre a bancada do laboratório e no chão, demonstrou 
que, sem dúvida alguma, a fermentação pode prosseguir na 
ausência de células intactas. Essa descoberta possibilitou uma 
série de investigações rápidas e altamente produtivas nos pri-
meiros anos do século XX que deram início à ciência da bio-
química. Essas investigações revelaram o papel vital do fosfato 
inorgânico, do ADP, do ATP e do NAD(H) e, por fim, identifi-
caram os açúcares fosforilados e as reações químicas e enzimas 
(Gk “em leveduras”) que convertem glicose em piruvato (gli-
cólise) ou em etanol e CO2 (fermentação). Pesquisas subse-
quentes rea lizadas nos anos 1930 e 1940 identificaram os in-
termediários do ciclo do ácido cítrico e da biossíntese da ureia 
e forneceram uma visão sobre as funções essenciais de certos 
cofatores derivados de vitaminas ou “coenzimas”, como tia-
mina pirofosfato, riboflavina e, finalmente, coenzima A, co-
enzima Q e coenzimas cobamida. Os anos 1950 revelaram 
como carboidratos complexos são sintetizados, e quebrados 
a açúcares simples, e delinearam as vias para a biossíntese das 
pentoses e da quebra de aminoácidos e de lipídeos.
Modelos animais, órgãos intactos perfundidos, fatias de te-
cidos, homogenatos de células e suas subfrações e enzimas pu-
rificadas foram utilizados para isolar e identificar metabólitos 
e enzimas. Esses avanços foram possíveis devido ao desenvol-
vimento, no fim dos anos 1930 e início dos anos 1940, de técni-
cas, como ultracentrifugação analítica, cromatografia em pa-
pel e outras formas de cromatografia, e a disponibilidade, após 
a Segunda Guerra Mundial, de radioisótopos, principalmente 
14C, 3H e 32P, como “marcadores” para identificar os interme-
diários em vias complexas, como a via que leva à biossíntese de 
colesterol e outros isoprenoides e às vias de biossíntese e cata-
bolismo de aminoácidos. A cristalografia de raios X foi, então, 
utilizada para resolver estruturas tridimensionais, primeiro da 
mioglobina e, subsequentemente, de várias proteínas, polinu-
cleotídeos, enzimas e diversos vírus, incluindo o do resfriado 
comum. Os avanços genéticos que se seguiram à constatação 
de que o DNA é uma dupla-hélice inclui a reação em cadeia 
da polimerase e animais transgênicos ou com genes knockouts. 
Os métodos utilizados para preparar, analisar, purificar e 
identificar metabólitos e as atividades de enzimas naturais e 
recombinantes e suas estruturas tridimensionais são discuti-
dos nos capítulos seguintes.
A BIOQUÍMICA E A MEDICINA 
ESTIMULARAM AVANÇOS MÚTUOS
As duas principais preocupações para os pesquisadores das 
ciên cias da saúde – particularmente os médicos – são a com-
preensão e a manutenção da saúde, bem como a compreensão 
e o tratamento efetivo das doenças. A bioquímica abrange es-
sas duas preocupações fundamentais, e a inter-relação entre 
a bioquímica e a medicina é uma via ampla e de duas mãos. 
Os estudos bioquímicos esclareceram muitos aspectos da saúde 
e da doença e, em contrapartida, o estudo de vários aspectos da 
saúde e da doença abriram novas áreas da bioquímica (Figu­
ra 1­1). O conhecimento da estrutura e da função das proteínas 
foi necessário para identificar e entender a diferença indivi dual 
na sequência de aminoácidos da hemoglobina normal e da he-
moglobina falciforme, e a análise de numerosas variantes de 
hemoglobinas falciformes e outras hemoglobinas contribuiu 
significativamente para o o entendimento da estrutura e da 
função da hemoglobina normal e de outras proteínas. Duran-
te o início dos anos 1900, o médico inglês Archibald Garrod 
estudou pacientes com doenças relativamente raras – alcapto-
núria, albinismo, cistinúria e pentosúria – e estabeleceu que 
essas condições eram geneticamente determinadas. Garrod 
chamou essas condições de erros inatos do metabolismo. 
As suas percepções proporcionaram uma base importante 
para o desenvolvimento do campo da genética bioquímica hu-
mana. Um exemplo mais recente foi a investigação das bases 
genéticas e moleculares da hipercolesterolemia familiar, uma 
doença que resulta no início precoce de aterosclerose. Além 
de esclarecer as mutações responsáveis por essa doença, esse 
estudo forneceu um entendimento mais profundo de recepto-
res celulares e mecanismos de captação não apenas do coleste-
rol, mas de como outras moléculas atravessam as membranas 
celulares. Estudos de oncogenes e dos genes supressores de 
tumor em células cancerosas direcionaram a atenção para os 
Bioquímica
Medicina
Lipídeos
 Aterosclerose
Proteínas
Anemia
falciforme
Ácidos
nucleicos
Doenças
genéticas
Carboidratos
Diabetes
melito
FIGURA 1-1 Uma via de mão dupla conecta a bioquímica e a medicina. O conhecimento de tópicos de bioquímica mostrados na parte 
superior da linha verde do diagrama esclareceu o nosso entendimento das doenças mostradas na parte inferior da linha verde. Além disso, a 
análise das doenças elucidou muitas áreas da bioquímica. A anemia falciforme é uma doença genética, e tanto a aterosclerose quanto o diabetes 
melito possuem componentes genéticos.
CAPÍTULO 1 Bioquímicae medicina 3
mecanismos moleculares envolvidos no controle do cresci-
mento da célula normal. Esses exemplos ilustram como o es-
tudo das doenças pode abrir áreas de investigação bioquímica 
básica. A ciência fornece aos médicos e a outros profissionais 
da saúde e da biologia uma base que impacta a prática, estimu-
la a curiosidade e promove a adoção de abordagens científicas 
para o aprendizado contínuo. Enquanto o tratamento médico 
estiver firmemente fundamentado no conhecimento de bio-
química e de outras ciências básicas, a prática da medicina 
terá uma base racional capaz de acomodar e adaptar novos 
conhecimentos.
OS pROCESSOS BIOQUÍMICOS 
NORMAIS SÃO A BASE DA SAÚDE
A pesquisa bioquímica tem efeito na 
nutrição e na medicina preventiva
A Organização Mundial da Saúde (OMS) define saúde como 
estado de “bem-estar físico, mental e social completo, e não 
simplesmente a ausência de doença e enfermidade”. Do ponto 
de vista bioquímico, a saúde pode ser considerada a situação em 
que todas as milhares de reações intracelulares e extracelulares 
que ocorrem no organismo o fazem em taxas proporcionais 
com a sobrevivência do organismo sob a pressão dos desafios 
internos e externos. A manutenção da saúde requer a ingestão 
otimizada de um certo número de produtos químicos; dentre 
eles estão as vitaminas, certos aminoácidos e ácidos graxos, 
vários minerais e água. O entendimento da nutrição depende, 
em grande parte, do conhecimento de bioquímica, e as ciên-
cias da bioquímica e da nutrição compartilham o foco nessas 
substâncias químicas. Recentemente, tem sido dada grande 
ênfase sobre as tentativas sistemáticas com o objetivo de man-
ter a saúde e prevenir a doença, ou medicina preventiva, que 
inclui abordagens nutricionais para a prevenção de doenças, 
como aterosclerose e câncer.
A maioria das doenças possui uma base 
bioquímica
Com exceção de organismos infecciosos e poluentes ambien-
tais, muitas doenças são manifestações de anormalidades em 
genes, proteínas, reações químicas ou processos bioquímicos, 
sendo que cada uma dessas anormalidades pode afetar negati-
vamente uma ou mais funções bioquímicas essenciais. Exem-
plos de distúrbios da bioquímica humana responsáveis por 
doenças ou outras condições debilitantes incluem desequilí-
brio eletrolítico, ingestão ou absorção deficiente de nutrien-
tes, desequilíbrio hormonal, agentes químicos ou biológicos 
tóxicos e doenças genéticas. Para abordar esses desafios, a pes-
quisa bioquímica continua a ser entrelaçada com estudos em 
disciplinas como genética, biologia celular, imunologia, nutri-
ção, patologia e farmacologia. Além disso, muitos bioquími-
cos estão extremamente interessados em contribuir para so-
luções de problemas fundamentais, como a sobrevivência da 
humanidade e a educação da população para o uso de méto-
dos científicos na solução de problemas ambientais e de outros 
grandes problemas com os quais somos confrontados.
O impacto do Projeto Genoma Humano na 
bioquímica, na biologia e na medicina
O rápido progresso no fim dos anos 1990 no sequenciamento 
do genoma humano levou ao anúncio, em mea dos dos anos 
2000, de que mais de 90% do genoma tinha sido sequenciado. 
Esse esforço foi liderado pelo International Human Genome 
Sequencing Consortium (Consórcio Internacional para o Se-
quenciamento do Genoma Humano) e pela Celera Genomics, 
uma companhia privada. Exceto por algumas lacunas, o se-
quenciamento completo do genoma humano foi finalizado, 
em 2003, apenas 50 anos após a descrição da natureza de du-
pla-hélice do DNA por Watson e Crick. As implicações para 
a bioquímica, a medicina e, de fato, para toda a biologia são 
praticamente ilimitadas. Por exemplo, a habilidade de isolar 
e sequenciar um gene e de investigar sua estrutura e função 
por meio de experimentos de sequenciamento, e, com o gene 
knockout, revelaram genes previamente desconhecidos e seus 
produtos, além de novas ideias a respeito da evolução humana 
e de procedimentos para identificar genes relacionados a do-
enças humanas.
Os principais avanços na bioquímica e no entendimento 
da saúde e da doença humana continuam a ser feitos por mu-
tação dos genomas de organismos-modelo, como levedura e 
eucariotos, como a mosca-da-fruta, Drosophila melanogaster, 
e o verme Caenorhabditis elegans. Cada organismo tem tempo 
de geração curto e pode ser geneticamente manipulado para 
fornecer conhecimentos sobre as funções de genes individuais. 
Esses avanços podem ser traduzidos potencialmente em abor-
dagens que ajudam os seres humanos, fornecendo dicas para 
curar doenças humanas, como câncer e doença de Alzheimer. 
A Figura 1­2 salienta áreas que foram desenvolvidas ou acele-
radas como resultado direto do progresso feito com o Projeto 
Genoma Humano (PGH). Os novos campos da “­ômica” sur-
giram, e cada um deles concentra-se no estudo abrangente das 
estruturas e das funções das moléculas relacionadas a cada um 
deles. As definições dessas áreas mencionadas a seguir estão no 
Glossário deste capítulo. Os produtos dos genes (moléculas de 
RNA e proteínas) estão sendo estudados por meio das técnicas 
de transcriptômica e proteômica. Um exemplo espetacular 
da velocidade do progresso na transcriptômica é a ampliação 
de conhecimentos sobre pequenas moléculas de RNA como 
reguladoras da atividade gênica. Outros campos -ômica in-
cluem glicômica, lipidômica, metabolômica, nutrigenômica 
e farmacogenômica. Para manter o ritmo com as informações 
geradas, a bioinformática tem recebido muita atenção. Os ou-
tros campos relacionados para os quais o impulso decorren-
te do PGH transitou são a biotecnologia, a bioengenharia, a 
biofísica e a bioética. A nanotecnologia é uma área ativa que 
pode, por exemplo, envolver novos métodos de diagnóstico e 
tratamento para o câncer e outras patologias. A biologia de cé­
lulas­tronco está no centro de grande parte da pesquisa atual. 
A terapia gênica ainda tem que cumprir a promessa oferecida, 
mas parece que isso finalmente ocorrerá. Muitos exames diag­
nósticos moleculares foram desenvolvidos em áreas como os 
exames e diagnósticos genéticos, microbiológicos e imunoló-
gicos. A biologia dos sistemas também está em desenvolvi-
mento. Os resultados das pesquisas nas várias áreas supramen-
cionadas terão enorme impacto sobre o futuro da biologia, da 
4 SEÇÃO I Estruturas e funções de proteínas e enzimas
medicina e das ciências da saúde. A biologia sintética oferece 
o potencial de criar organismos vivos, inicialmente pequenas 
bactérias, a partir de material genético in vitro, que possam re-
alizar tarefas específicas, como a limpeza de derramamentos de 
petróleo. Todos os itens citados fazem do século XXI um perí-
odo emocionante para os que estão diretamente envolvidos na 
biologia e na medicina.
RESUMO
„„ A bioquímica é a ciência dedicada ao estudo de várias moléculas 
que ocorrem em células e organismos vivos, das reações químicas 
individuais e de suas catálises enzimáticas e da expressão e regu-
lação de cada um dos processos metabólicos. Como a vida depen-
de de reações bioquímicas, a bioquímica tornou-se a linguagem 
básica de todas as ciências biológicas.
„„ Apesar de este texto ter a bioquímica humana como foco, a bio-
química dedica-se ao espectro completo das formas vivas, desde 
vírus relativamente simples e bactérias até eucariotos complexos, 
como os seres humanos.
„„ A bioquímica, a medicina e outras disciplinas de cuidados à saú-
de estão intimamente relacionadas. A saúde em todas as espécies 
depende de um equilíbrio harmonioso das reações bioquímicas 
que ocorrem no organismo, sendo que a doença reflete as anor-
malidades nas biomoléculas, nas reações bioquímicas ou nos pro-
cessos bioquímicos.
„„ Os avanços no conhecimento bioquímico elucidaram muitas áreas 
da medicina, e, com frequência, o estudo das doenças revela aspec-
tos previamentenão percebidos da bioquímica.
„„ As abordagens bioquímicas são, frequentemente, fundamentais 
para que se esclareçam as causas das doenças e para que se proje-
tem terapias adequadas, e vários testes laboratoriais bioquímicos 
representam um componente integral do diagnóstico e do acom-
panhamento do tratamento.
„„ Um conhecimento adequado da bioquímica e de outras discipli-
nas básicas correlatas é essencial para a prática racional da medi-
cina e das ciências da saúde associadas.
„„ Os resultados do PGH e da pesquisa em áreas relacionadas te-
rão profunda influência no futuro da biologia, da medicina e de 
outras ciências da saúde.
„„ A pesquisa genômica em organismos-modelo, como as leveduras, 
a mosca-da-fruta, D. melanogaster, e o verme C. elegans, fornece 
pistas sobre o entendimento das doenças humanas.
REFERÊNCIAS
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Scriver CR, Beaudet AL, Valle D, et al (editors): The Metabolic 
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2001.  Available online and updated as The Online Metabolic & 
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Weatherall DJ: Systems biology and red cells. N Engl J Med 
2011;364:376.
GLOSSÁRIO
Bioengenharia: aplicação da engenharia na biologia e na medicina.
Bioética: área da ética que se relaciona com a aplicação dos princí-
pios morais e éticos à biologia e à medicina.
PGH
(Genômica)
Transcriptômica Proteômica Glicômica Lipidômica
Nutrigenômica
Bioinformática
Biotecnologia
Bioética
Terapia gênica
Biologia sintéticaBiologia dos sistemasDiagnóstico molecular
Biologia de
células-tronco
Biofísica
Bioengenharia
Farmacogenômica
Metabolômica
Nanotecnologia
FIGURA 1-2 O Projeto Genoma Humano (PGH) influenciou muitas disciplinas e áreas de pesquisa. A bioquímica não está listada, já 
que ela antecede ao início do PGH, mas disciplinas como bioinformática, genômica, glicômica, lipidômica, metabolômica, diagnóstico molecu-
lar, proteômica e transcriptômica estão, por serem áreas ativas de pesquisa bioquímica.
CAPÍTULO 1 Bioquímica e medicina 5
Biofísica: aplicação da física e suas técnicas à biologia e à medicina.
Bioinformática: disciplina relacionada com a coleta, o armazena-
mento e a análise de dados biológicos, principalmente as sequên-
cias de DNA e proteína (ver Capítulo 10).
Biologia das células­tronco: células-tronco são células indiferencia-
das que possuem o potencial para autorrenovação e diferenciação 
em qualquer uma das células adultas de um organismo. A biolo-
gia das células-tronco preocupa-se com a biologia dessas células e 
seu potencial para o tratamento de várias doenças.
Biologia de sistemas: campo que se refere aos sistemas biológicos 
complexos estudados como entidades integradas.
Biologia sintética: campo que combina as técnicas biomoleculares 
com as condutas de engenharia para construir novas funções e 
sistemas biológicos.
Biotecnologia: campo em que a bioquímica, a engenharia e outras 
abordagens são combinadas para desenvolver produtos biológi-
cos de uso na medicina e na indústria.
Diagnóstico molecular: refere-se ao uso de abordagens molecula-
res, como sondas de DNA, para auxiliar no diagnóstico de várias 
condições biquímicas, genéticas, imunológicas, microbiológicas e 
de outras condições médicas.
Farmacogenômica: uso de informações genômicas e tecnologias 
para otimizar a descoberta e o desenvolvimento de novos fárma-
cos e alvos de fármacos.
Genômica: o genoma é o conjunto completo de genes de um orga-
nismo, e a genômica é o estudo minucioso das estruturas e das 
funções dos genomas.
Glicômica: o glicoma é o conteúdo total de carboidratos simples 
e complexos em um organismo. Glicômica é o estudo sistemá-
tico das estruturas e das funções de glicomas, como o glicoma 
humano.
Lipidômica: o lipidoma é o conteúdo completo de lipídeos encon-
trados em um organismo. A lipidômica é o estudo aprofundado 
das estruturas e das funções de todos os membros do lipidoma e 
de suas interações, tanto na saúde quanto na doença.
Metabolômica: o metaboloma é o conteúdo completo dos metabó-
litos (pequenas moléculas envolvidas no metabolismo) encon-
trados em um organismo. A metabolômica é o estudo aprofun-
dado de suas estruturas, funções e alterações nos vários estados 
metabólicos.
Nanotecnologia: desenvolvimento e aplicação na medicina e em 
outras áreas de dispositivos, como as nanocápsulas, que têm ape-
nas poucos nanômetros de comprimento (10−9 m = 1 nm).
Nutrigenômica: estudo sistemático dos efeitos dos nutrientes sobre 
a expressão genética e também dos efeitos das variações genéticas 
sobre o metabolismo dos nutrientes.
Proteômica: o proteoma é o conjunto completo das proteínas de um 
organismo. Proteômica é o estudo sistemático das estruturas e das 
funções dos proteomas e de suas variações na saúde e na doença.
Terapia gênica: aplica-se ao uso de genes geneticamente modifica-
dos para tratar várias doenças.
Transcriptômica: estudo abrangente do transcriptoma, o conjunto 
completo de transcritos de RNA produzidos pelo genoma duran-
te um determinado período de tempo.