Introdução à Bioquímica

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Bioquímica
São Cristóvão/SE
2009
Paulo de Tarso Gonçalves Leopoldo
Projeto Gráfico e Capa
Hermeson Alves de Menezes
Diagramação
Lucílio do Nascimento Freitas
Ilustração
Luzileide Silva Santos
Elaboração de Conteúdo
Paulo de Tarso Gonçalves Leopoldo
Leopoldo, Paulo de Tarso Gonçalves.
L587b Bioquímica / Paulo de Tarso Gonçalves Leopoldo -- São
Cristóvão: Universidade Federal de Sergipe, CESAD, 2009.
1. Bioquímica. I. Título.
CDU 577.1
Copyright © 2009, Universidade Federal de Sergipe / CESAD.
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Bioquímica
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Péricles Morais de Andrade Júnior
AULA 1
Introdução à Bioquímica .................................................................... 07
AULA 2
A química da água ............................................................................ 29
AULA 3
A química dos aminoácidos e peptídeos ........................................... 51
AULA 4
Introdução ao estudo das proteínas .................................................. 71
AULA 5
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas fibrosas .. 83
AULA 6
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas
globulares....................................................................................... 103
AULA 7
A Química dos carboidratos ............................................................. 119
AULA 8
Estruturas e funções biológicas dos nucleotídeos: Os ácidos nucléicos ... 147
AULA 9
A química dos lipídios ..................................................................... 169
AULA 10
Introdução ao estudo das enzimas ................................................. 195
AULA 11
Inibição e regulação enzimática ...................................................... 217
AULA 12
Introdução ao metabolismo ............................................................. 237
AULA 13
Metabolismo oxidativo da glicose ................................................... 251
Sumário
INTRODUÇÃO À BIOQUÍMICA
META
Introduzir alguns conceitos de química, essenciais na compreensão dos tópicos abordados nas
aulas de Bioquímica.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
descrever a estrutura atômica;
diferenciar número atômico de massa atômica;
definir elemento químico;
distinguir moléculas de compostos químicos;
diferenciar compostos orgânicos de compostos inorgânicos;
descrever a formação da ligação covalente;
relacionar eletronegatividade com a formação de ligações covalentes polar e apolar;
representar moléculas orgânicas com modelos bidimensionais;
identificar a estrutura tridimensional de moléculas orgânicas;
definir enantiômeros ou isômeros ópticos;
diferenciar configuração de configuração absoluta;
reconhecer grupos funcionais, correlacionando-os com funções orgânicas.
PRÉ-REQUISITOS
Para acompanhar esta aula você deverá rever conceitos de Química Geral e Química Orgânica
estudados no ensino médio.
Aula
1
(Fonte: http://www.gettyimages.com)
8
Bioquímica
INTRODUÇÃO
A Bioquímica é uma disciplina cujo campo de atuação engloba o es-
tudo das estruturas químicas, funções biológicas e o metabolismo das
biomoléculas, ou seja, as transformações químicas que essas moléculas
sofrem no ambiente celular. Todas as biomoléculas são moléculas orgâni-
cas (compostos de carbono) e são agrupadas em quatro classes: proteí-
nas, ácidos nucléicos, carboidratos e lipídios.
O átomo de carbono das moléculas orgânicas faz ligação covalente
com hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Esses elementos químicos totali-
zam um percentual de 96% da massa corpórea. Dessa massa corpórea,
cerca de 3,9% corresponde aos elementos cálcio, fósforo, potássio, enxo-
fre, sódio, cloro, magnésio, iodo e ferro . Outros treze elementos quími-
cos encontrados no corpo humano são chamados de elementos traços,
por serem encontrados a concentrações muito baixas. A concentração
desses elementos traços corresponde ao 0,1% restante.
A maioria das moléculas que compõem as biomoléculas apresenta
estruturas tridimensionais ou formas bem definidas. O conhecimento das
estruturas tridimensionais dessas moléculas é fundamental na compreen-
são da Bioquímica, uma vez que a função biológica que elas exercem no
ambiente celular resulta da forma que essas moléculas apresentam.
Estrutura molecular da hemoglobina (Fonte: www.hemoglobinopatias.com.br).
9
Introdução à Bioquímica Aula
1A ESTRUTURA DO ÁTOMO
O átomo é a unidade fundamental da matéria. É formado por duas
regiões básicas: o núcleo atômico e a eletrosfera. O núcleo é constituído
de prótons, que são as cargas positivas, e os nêutrons, partículas sem
carga elétrica (neutra). Em torno do núcleo, na eletrosfera, orbitam os
elétrons, com cargas negativas (Figura 1). Os elétrons são atraídos pela
carga positiva dos prótons. Como a carga do elétron é igual à carga do
próton, embora de naturezas opostas, o
átomo é eletricamente neutro.
Figura 1. Estrutura do átomo de nitrogê-
nio, destacando o núcleo atômico forma-
do por partículas positivas (prótons em es-
feras amarelas) e sete partículas sem carga
(nêutron em esferas laranja). Em torno do
núcleo orbitam sete partículas com cargas
negativas (elétrons em esferas brancas)
NÚMERO ATÔMICO (Z)
Cada átomo de um elemento químico apresenta um número específico
de prótons, e é exatamente esse número de prótons que é considerado para
diferenciar um átomo de outro. Assim, o total de número de prótons de um
átomo é denominado número atômico. O hidrogênio com um próton em
seu núcleo apresenta número atômico igual a 1. O cálcio, com um total de
20 prótons no seu núcleo, apresenta número atômico igual a 20 (Figura 2).
MASSA ATÔMICA (A)
A massa atômica (A) de umátomo é igual à soma de prótons e nêutrons
no núcleo. O núcleo contém, praticamente, toda a massa do átomo. O hidro-
gênio, por exemplo, é formado por um próton e um elétron, e nenhum nêu-
tron. Portanto, sua massa atômica é igual a 1. A Figura 2 representa o número
atômico e a massa atômica do cálcio e hidrogênio, respectivamente.
Figura 2. Número atômico e massa atô-
mica do Cálcio e Hidrogênio. Os núme-
ros 20 abaixo do símbolo do elemento
cálcio (Ca) e o 1 no hidrogênio (H) indi-
cam o seu número atômico. Os núme-
ros 40 escritos acima do símbolo cálcio
e o 1 do hidrogênio representam sua massa atômica.
(Fonte: http://www.explicatorium.com).
(Fonte: http://www.explicatorium.com).
10
Bioquímica
CAMADAS ELETRÔNICAS OU NÍVEIS DE ENERGIA
Os elétrons são distribuídos em uma série de anéis concêntricos de-
nominadas camadas eletrônicas ou níveis de energia. As camadas eletrô-
nicas são representadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Essa represen-
tação é muito útil para a compreensão da formação das ligações covalen-
tes e não covalentes. (Sobre as ligações covalentes e não covalentes, tra-
taremos mais adiante – tópico 3). O número máximo de elétrons permiti-
do nas camadas K é 2 e na L é 8. A camada M é completada com 18
elétrons se ela não for a última camada na distribuição eletrônica. Para
esses níveis de energia maiores, sendo a camada mais externa, ela deve
ser preenchida com 8 elétrons. Esse requisito atende à regra do octeto.
Essa regra define que a última camada de um átomo deve apresentar oito
elétrons para adquirir a configuração estável dos gases nobres. A exceção
a essa regra é a camada K, que é preenchida com dois elétrons. (Figura 3).
Os elementos conhecidos como gases nobres % hélio (He), neônio (Ne),
argônio (Ar), criptônio (Kr), xenônio (Xe) e radônio (Rn) são gases que não
se combinam com outros elementos químicos porque são pouco reativos,
ou seja, não são capazes de reagir quimicamente. A maioria apresenta 8
elétrons na sua camada de valência – daí a regra do octeto – , excetuando-
se o gás hélio, que apresenta apenas dois elétrons na camada K.
Figura 3. Distribuição eletrônica dos átomos hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio.
(Fonte: Biochemistry and Molecular Life Science Visual Library, John Willey & Sons Inc, 2009).
11
Introdução à Bioquímica Aula
1ELEMENTO QUÍMICO
A matéria é composta por um número limitado de unidades básicas cha-
madas elementos químicos. Denomina-se elemento químico todos os áto-
mos que apresentam o mesmo número atômico (Z). Os elementos químicos
não podem ser separados em substâncias mais simples por meio de reações
químicas comuns.O oxigênio é o elemento químico constituído por todos os
átomos de oxigênio com número atômico 8. O cálcio é o elemento químico
constituído por todos os átomos de cálcio com número atômico 20. Os ele-
mentos químicos são representados por letras chamadas símbolos químicos:
como a letra H para o hidrogênio, C para o carbono, O para oxigênio, N para
nitrogênio, Na para sódio, K para potássio, Fe para Ferro e Ca para Cálcio.
MOLÉCULA
Dois ou mais átomos ligados entre si formam uma molécula. A molécula de
água contém dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio e é representada
pela fórmula molecular H
2
O. Dois átomos de oxigênio ligados formam a molécu-
la do gás oxigênio, representada por O
2
. A molécula de glicose é C
6
H
12
0
6
, indica
que ela contém seis átomos de carbono, doze átomos de hidrogênio e seis átomos
de oxigênio. Os átomos nas moléculas estão ligados entre si por uma ligação
química denominada ligação covalente, que será estudada no tópico 3 desta aula.
COMPOSTOS QUÍMICOS
Substâncias constituídas por um único tipo de molécula são denominadas
compostos químicos. Os compostos são representados por uma fórmula mole-
cular que traz a sua composição atômica. A fórmula do composto de cloreto de
sódio é NaCl , a do composto de glicose é C
6
H
12
0
6
. Assim, a partir das suas
fórmulas, é possível verificar que cada molécula do composto de NaCl contém
um átomo de sódio e um de cloro e cada molécula do composto glicose contém
seis átomos de carbono, doze átomos de hidrogênio e seis átomos de oxigênio.
COMPOSTOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS
Os compostos químicos são agrupados em duas classes: compostos orgâ-
nicos e inorgânicos. Os compostos orgânicos são formados por moléculas que
apresentam carbono na sua composição. Todas as biomoléculas são compos-
tos orgânicos. As moléculas que não apresentam carbono em suas estruturas
são denominadas compostos inorgânicos, como HCl, H
2
SO
4
, HNO
3
, etc.
ÍONS
Os átomos são eletricamente neutros por apresentar iguais quantidades
de prótons e elétrons. No entanto, existem átomos ou grupos de átomos, os
12
Bioquímica
íons, que apresentam tendência a ganhar ou perder elétrons. Essa tendência
dos íons a ganhar e perder elétrons é para adquirir uma configuração estável,
como indicado pela regra do octeto. O átomo de cloro, cujo número atômico
é 17, apresenta 7 elétrons na camada M, necessitando de mais 1 para preen-
cher essa camada. O sódio, com número atômico 11, apresenta 1 elétron na
camada M. O sódio pode doar esse último elétron para o cloro, ficando assim
com a sua camada anterior L preenchida, com oito elétrons, de acordo com a
regra do octeto (Figura 4). Os íons que ganham elétrons são denominados
ânions e apresentam carga negativa. Os íons que perdem elétrons são deno-
minados cátions e apresentam carga elétrica líquida positiva. O cátion de
sódio é representado pelo símbolo Na+ e o ânion de cloro por Cl- (Figura 4).
FORMAÇÃO DA LIGAÇÃO COVALENTE
Os átomos nas moléculas são unidos por um tipo de ligação química
denominada ligação covalente. A ligação covalente ocorre com átomos com
igual tendência a ganhar e perder elétrons, ou seja, a ligação covalente consis-
te no compartilhamento de um par de elétrons entre dois átomos. É esse tipo
de ligação que é verificado na ligação química entre o carbono e o hidrogênio
formando a molécula do metano (-CH
3
) e entre o oxigênio e dois átomos de
hidrogênio formando a molécula de água (H
2
O), por exemplo. (Figura 5).
Para os propósitos deste curso, conceituaremos a valência de um áto-
mo como o número de elétrons que um átomo pode doar, receber, ou com-
partilhar com outro átomo para realizar uma ligação química. Na descrição
da valência dos átomos dos elementos químicos descritos neste tópico
(Tabela 1), utilizaremos a representação de Lewis. Essa representação des-
creve os elétrons da valência dos átomos com pontos (Figura 6). O carbono
apresentando quatro elétrons na camada L, necessitará de mais quatro elé-
trons para ser preenchida de acordo com a regra do octeto. Dessa forma, o
carbono se une a quatro átomos de hidrogênio, que apresenta um elétron na
camada K. A camada K por sua vez, necessita de mais um elétron para
atingir a configuração do gás nobre hélio. A representação química da liga-
ção covalente é feita com um traço horizontal ou vertical. (Figura 5) .
Figura 4. Distribuições eletrônicas dos átomos cloro e sódio e a
formação da molécula de cloreto de sódio (NaCl).
13
Introdução à Bioquímica Aula
1Tabela 1: Valência de átomos encontrados nas biomoléculas
Figura 5. Formação de ligação covalente do carbono com hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Os
pontos representam os elétrons. As ligações covalentes são representadas por traços verticais,
horizontais e diagonais (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
14
Bioquímica
ELETRONEGATIVIDADE
Para que você compreenda o conceito de moléculas polares e apo-
lares, é necessário entender antes o conceito de eletronegatividade. A
eletronegatividade é a propriedade do átomo, quando ligado covalen-
temente a outro átomo, de atrair elétrons para próximo do seu núcleo.
Na ligação covalente feita com o mesmo tipo de átomo,como nas
moléculas de Cl
2
 , F
2
 , H
2
 , etc., formadas por átomos de cloro, flúor e
hidrogênio, respectivamente; os elétrons estão igualmente distribuí-
dos entre os dois núcleos desses átomos; mas se a molécula é formada
por dois elementos diferentes, como o oxigênio e o hidrogênio, como
na molécula da água (H
2
O), observa-se que os elétrons vão ser mais
fortemente atraídos pelo núcleo do oxigênio. Esta propriedade de atra-
ção por elétrons na ligação covalente exercido por um dos átomos é
denominada eletronegatividade. Os átomos que apresentam essa pro-
priedade são chamados átomos eletronegativos. A Tabela 2 descreve
os valores de eletronegatividade de alguns elementos químicos.
Figura 6. Ligações covalentes simples, dupla e tripla, em que se representa o compartilhamento
de elétrons com pontos (representação de Lewis) como: para ligação simples (:), para ligação
dupla (::) e para ligação tripla (:::). Na representação da ligação covalente com traço, temos:
ligação simples (-), ligação dupla (=) e ligação tripla (º).
Quando os átomos compartilham apenas um único par de elé-
trons, eles formam ligações covalentes simples, representada por um
único traço horizontal ou vertical. A ligação entre dois átomos de
carbono (C-C) é uma ligação simples. Quando compartilham mais de
dois pares de elétrons, formam uma ligação dupla. Como exemplo
de ligação dupla, temos a ligação de um carbono a dois átomos de
oxigênio, formando a molécula do gás dióxido de carbono (CO
2
 ou
O=C=O). Quando os átomos compartilham três pares de elétrons,
como na molécula do gás nitrogênio (N
2
), temos uma ligação tripla
(Figura 6).
15
Introdução à Bioquímica Aula
1Tabela 2 – Valor de eletronegatividade de alguns elementos químicos
LIGAÇÕES COVALENTES POLAR E APOLAR
Uma vez compreendido o conceito de eletronegatividade podemos
entender o que vem a ser a polaridade de uma molécula. A polaridade é,
portanto, a separação de cargas em uma ligação química devido à diferença
de eletronegatividade entre os átomos covalentemente ligados. Quanto à
polaridade, as ligações são de dois tipos: ligação polar e ligação apolar.
LIGAÇÃO COVALENTE POLAR
A ligação covalente formada por átomos que apresentam diferença
entre os valores de eletro negatividade maior do que 0,5 é uma ligação
covalente polar. Uma ligação covalente entre o átomo de carbono e oxi-
gênio é polar devido à diferença entre a eletronegatividade do oxigênio
(3,5) e a do carbono (2,5), ser igual a 1. Nessa ligação covalente, os elé-
trons compartilhados se aproximam mais do núcleo do oxigênio. Como o
oxigênio é um átomo mais eletronegativo que o carbono, fica com uma
carga parcial negativa, representada por (??). O carbono, com um caráter
parcial de deficiência em elétrons, apresentará carga parcial positiva (??).
Denomina-se carga parcial (representada pela letra grega ?) o comparti-
lhamento desigual de elétrons entre os átomos ligados covalentemente. A
Figura 7 representa a ligação covalente polar entre carbono e oxigênio.
Figura 7. Ligação covalente polar entre os átomos carbono e oxigênio, que apresentam diferentes
valores de eletronegatividade. A letra grega (?) significa carga parcial.
16
Bioquímica
LIGAÇÃO COVALENTE APOLAR
Esse tipo de ligação covalente ocorre quando é feita com átomos que
apresentam o mesmo valor de eletronegatividade ou quando se verifica
uma diferença de eletronegatividade menor que 0,5. A ligação covalente
entre dois átomos de carbono, entre dois átomos de hidrogênio, entre dois
átomos de oxigênio, são ligações covalentes apolares, pois nelas não ocorre
formação de pólos elétricos (Figura 8).
As moléculas que apresentem ligações covalentes polares são pola-
res, sendo dessa forma solúveis em água, enquanto as que apresentam
apenas ligações covalentes apolares são apolares e insolúveis em água.
REPRESENTAÇÃO DAS ESTRUTURAS
MOLECULARES POR FÓRMULAS DE PROJEÇÃO
A representação da estruturas tridimensionais das moléculas nas aulas des-
se curso será feita com modelos bidimensionais como projeção de Fischer,
projeção em perspectiva, modelo bola e bastão e modelo do tipo espaço cheio.
PROJEÇÃO DE FISCHER
A projeção de Fischer recebe esse nome em homenagem ao seu ideali-
zador, o bioquímico Emil Fischer. Nessa projeção, as ligações covalentes
entre os átomos são representadas por traços horizontais e verticais (Figura
9a). Os traços verticais indicam que os átomos dessa ligação estão projeta-
dos acima do plano dessa folha (voltados para a direção dos seus olhos),
enquanto que os átomos que estão ligados aos traços verticais projetam-se
para trás do plano da folha desse livro (se afastando dos seus olhos).
PROJEÇÃO EM PERSPECTIVA
De acordo com o dicionário de Houaiss, a perspectiva é uma téc-
nica de representação tridimensional que possibilita a ilusão de espes-
sura e profundidade das figuras, a partir da projeção das linhas parale-
Figura 8. Ligações covalentes apolar entre átomos que apresentam o mesmo valor de eletronegatividade.
17
Introdução à Bioquímica Aula
1las do primeiro plano para um ponto de fuga, de maneira que haja uma
diminuição das figuras que ocupam o segundo plano da obra. Na pro-
jeção em perspectiva (Figura 9b), essa ilusão de espessura e profundi-
dade dos átomos ligados a uma molécula é representada por triângu-
los tracejados, indicando os átomos que estão para trás do plano da
folha desse livro (se afastando dos seus olhos), enquanto os triângulos
pretos representam os átomos projetados acima do plano dessa folha
(voltados para a direção dos seus olhos).
MODELO BOLA E BASTÃO
O modelo bola e bastão representa o comprimento relativo das liga-
ções covalentes e o ângulos formados entre elas. Nesse modelo, os áto-
mos das moléculas são representados por bolas coloridas, enquanto as liga-
ções covalentes que unem esses átomos são representadas por bastões
(Figura 9b). O átomo de hidrogênio é representado por uma bola de cor
branca, o carbono por uma cinza ou preta, o nitrogênio por uma azul, o
oxigênio por uma vermelha, o fósforo por uma verde, o enxofre por uma
amarela e um metal por uma bola roxa (Figura 9b).
MODELO DO TIPO ESPAÇO CHEIO
Esse modelo representa os átomos em forma de esferas fundidas
uma na outra. Essa representação demonstra a forma e o tamanho da
molécula (Figura 9c).
Figura 9. Modelos bidimensionais de representação das estruturas tridimensionais das moléculas.
(a) Projeção em perspectiva. (b) Modelo bola e bastão. O átomo de hidrogênio é representado por
uma bola de cor branca, o carbono por uma cinza ou preta, o nitrogênio por uma azul, o oxigênio
por uma vermelha, o fósforo por uma verde, o enxofre por uma amarela e um metal por uma bola
roxa. (c) Modelo do tipo espaço cheio (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
18
Bioquímica
ESTEREOQUÍMICA DAS MOLÉCULAS ORGÂNICAS
As moléculas orgânicas apresentam estruturas químicas bem defini-
das. O conhecimento da estrutura tridimensional dessas moléculas é fun-
damental em Bioquímica, uma vez que a função que essa molécula de-
sempenhará no ambiente celular dependerá de sua forma. A estereoquí-
mica é a parte da Química que estuda a estrutura tridimensional das mo-
léculas, ou seja, o arranjo espacial dos átomos nas moléculas.
Para compreendermos a estereoquímica das moléculas orgânicas como
os aminoácidos e os carboidratos, iniciaremos esse tópico conceituando
alguns termos essenciais na compreensão da estrutura tridimensional de
moléculas como: carbono assimétrico (ou carbono quiral), carbono simé-
trico (ou carbono aquiral), enantiômeros ou isômeros ópticos, configura-
ção e configuração absoluta.
Carbono Assimétrico e Carbono Simétrico. O carbono assimétrico
ou carbono quiral é o carbono que faz ligação covalente com quatro subs-
tituintes diferentes (grupos químicos). O carbono simétrico, por sua vez,
faz ligação com pelo menosdois grupos químicos idênticos. Na Figura 10
estão demonstradas as estruturas de duas moléculas, em que é possível
verificar na Figura 10a uma molécula assimétrica ligada a quatro grupos
químicos diferentes, sendo esses grupos representados pelas letras x, y b
e a. Na Figura 10b, é destacada a forma de uma molécula simétrica ligada
a dois grupos químicos idênticos x e x.
ENANTIÔMEROS OU ISÔMEROS ÓPTICOS
Os enantiômeros ou isômeros ópticos são imagens especulares (ou
do espelho) que não se sobrepõem (Figura 11). Para uma molécula apre-
Figura 10. Carbono assimétrico e carbono simétrico. (a) O carbono assimétrico ou quiral faz
ligação covalente com quatro grupos químicos diferentes, representados pelas letras a, b, x e y. (b)
O carbono simétrico ou aquiral faz ligação covalente com dois grupos químicos idênticos (x).
Ambas as moléculas são representadas pelo modelo bola e bastão (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
19
Introdução à Bioquímica Aula
1sentar isômeros ópticos, é necessário ter em sua estrutura carbono assi-
métrico. Os enantiômeros têm em comum as mesmas propriedades quí-
micas (como o pontos de fusão e ebulição) e quase todas as proprieda-
des físicas, distinguindo-se entre si apenas pela maneira como desviam
a luz plano polarizada em um equipamento denominado polarímetro
(equipamento que serve para medir esse desvio). A luz plano polariza-
da é o feixe de luz no qual todos os raios vibram paralelos a um mesmo
plano. O isômero óptico que desvia a luz para a direita é dextrorrotatório
e o que a desvia para a esquerda é levorrotatório.
DIFERENÇA ENTRE OS TERMOS
CONFIGURAÇÃO E CONFIGURAÇÃO ABSOLUTA
O termo configuração relaciona-se ao arranjo espacial dos átomos em
uma molécula assimétrica. A configuração é a estrutura tridimensional (ou
a forma) de moléculas assimétricas. Emprega-se o termo configuração ab-
soluta de uma molécula orgânica para se referir a sua estrutura tridimensio-
nal quando comparada à configuração dos isômeros D e L- do Gliceraldeí-
do. Os isômeros ópticos D- e L- do Gliceraldeído são usados como referên-
cias na determinação de configuração de qualquer molécula orgânica.
Para se determinar a configuração das moléculas orgânicas, é necessá-
rio desenhar a sua estrutura utilizando a projeção em perspectiva (Figura
12). Na projeção em perspectiva, os triângulos tracejados indicam os áto-
mos que estão para trás do plano da folha desse livro e os triângulos pretos
representam os átomos projetados acima do plano dessa folha (Figura 12).
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 11. Isômeros ópticos ou enantiômeros. A molécula representada na Figura pelo modelo bola
e bastão é assimétrica ou quiral, pois 4 diferentes átomos se ligam ao carbono. As letras A, Y, X e B
representam os diferentes átomos. Os isômeros ópticos são imagens especulares não superpostas. A
imagem do espelho da molécula representada não se sobrepõe à estrutura da molécula à direita.
20
Bioquímica
GRUPOS FUNCIONAIS E FUNÇÕES ORGÂNICAS
Os grupos funcionais são átomos ou grupos de átomos que substitu-
em um ou mais átomos de hidrogênio ligados ao carbono (Figura 13).
Esse grupo químico confere reatividade à molécula orgânica. Já funções
orgânicas são grupos de compostos orgânicos com estruturas químicas
semelhantes e, consequentemente, comportamento químico similar. A
Figura 13 traz listados vários grupos funcionais, estruturas químicas e as
respectivas funções orgânicas que esses grupos conferem à molécula.
Figura 12. Estruturas em projeção em perspectiva dos isômeros ópticos do Gliceraldeído: Os
isômeros ópticos D-Gliceraldeído e L-Gliceraldeído (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 13. Grupos funcionais e funções orgânicas. A função orgânica a que corresponde cada
grupo funcional é apresentada entre parênteses (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
21
Introdução à Bioquímica Aula
1CONCLUSÃO
As biomoléculas proteínas, ácidos nucléicos, carboidratos e lipídios são
compostos orgânicos polifuncionais que apresentam em sua composição os
átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre e fósforo. A
maioria é formada por moléculas assimétricas, que conferem a essas biomo-
léculas uma ampla diversidade de formas moleculares. A forma que uma
molécula apresenta está adaptada à função biológica que essa molécula de-
sempenhará no ambiente celular. A configuração de uma molécula assi-
métrica é a sua forma tridimensional. As moléculas assimétricas apresen-
tam enantiômeros ou isômeros ópticos, que são imagens especulares não
superpostas. A configuração absoluta de uma molécula orgânica assimé-
trica é a sua forma, tendo como referência as estruturas dos isômeros D-
Gliceraldeído e L- Gliceraldeído. As biomoléculas são polifuncionais, ou seja,
apresentam dois ou mais diferentes grupos funcionais em suas estruturas.
RESUMO
As células de todos os seres vivos são formadas pelas biomoléculas prote-
ínas, ácidos nucléicos, carboidratos e lipídios. Essas biomoléculas são forma-
das por átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio, enxofre e fósforo interligados
por ligação covalente. Os compostos orgânicos apresentam o átomo de carbo-
no em suas estruturas, enquanto os compostos inorgânicos, como a água (H
2
O),
não são formados por carbono. Devido à diferença de eletronegatividade entre
os átomos ligados covalentemente, as moléculas podem apresentar ligações
polares ou apolares. As ligações covalentes polares são as que formam um pólo
elétrico em razão da diferença de eletronegatividade dos átomos ligados cova-
lentemente. Nas ligações covalentes apolares a diferença de eletronegatividade
entre os átomos ligados é menor do que 0,5, não formando pólo elétrico. As
moléculas apolares ou hidrofóbicas são insolúveis em água, enquanto as molé-
culas polares ou hidrofílicas se solubilizam nesse líquido. A maioria das molé-
culas orgânicas são compostos assimétricos em que o carbono faz ligação
com quatro grupos químicos diferentes. Esse carbono é denominado carbo-
no assimétrico ou quiral. Os carbonos simétricos ou aquiral estão ligados a
pelo menos dois grupos químicos iguais. As moléculas assimétricas apresen-
tam enantiômeros ou isômeros ópticos. Os enantiômeros apresentam todas
as propriedades químicas como ponto de fusão, ebulição, dentre outros, mas
diferem na forma como desviam a luz plano polarizada no polarímetro. O
isômero que desvia a luz para a direita é dextrorrotatório, enquanto o que
desvia para a esquerda é levorrotatório. Os grupos funcionais são átomos ou
grupos de átomos que substituem um ou mais hidrogênios ligados ao carbo-
no. Esses grupos químicos conferem reatividade à molécula. As funções or-
gânicas são grupos de compostos orgânicos com grupos funcionais comuns.
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Bioquímica
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
ATIVIDADES
1. Descreva as estruturas atômicas dos átomos, diferenciando o número
atômico da massa atômica desses átomos. Fundamente sua resposta, to-
mando o átomo de nitrogênio como exemplo.
2. Explique o que é um elemento químico.
3. Explique a diferença entre moléculas, compostos orgânicos e inorgâni-
cos apresentando exemplos de cada um deles.
4. Por que os cátions como o íon sódio (Na+) apresentam cargas positivas
e os ânions como o cloreto (Cl-) cargas negativas?
5. Defina eletronegatividade e explique por que o grupo metil (um hidrocar-
boneto) é uma molécula apolar, enquanto o etanol é uma molécula polar.
6. Dada a estrutura da molécula orgânica D-Gliceraldeído representada
na projeção de Fischer utilize a Projeção em perspectiva para representar
essa molécula.
7. Defina enantiômeros ou isômeros ópticos, explicando suas principais
características comuns e a única propriedade em que eles se diferenciam.
8. Diferencie os termos configuração de configuração absoluta.
9. Dada a estrutura do hormônio adrenalina (epinefrina) apresentada na
10. Figura 16, identifique os grupos funcionais dessa molécula e suas
respectivasfunções orgânicas.
23
Introdução à Bioquímica Aula
1
1. Caso você tenha se baseado na estrutura do átomo de nitrogênio
mostrada na Figura 1 para apresentar a sua resposta, terá sido uma
boa alternativa, pois ela destaca a estrutura básica de um átomo.
Pois o átomo é a unidade fundamental da matéria, formado por duas
regiões básicas: o núcleo atômico e a eletrosfera. O núcleo é
constituído de prótons, que são as cargas positivas, e os nêutrons,
partículas sem carga elétrica. Em torno do núcleo, orbitam os elétrons,
com cargas negativas. O número atômico de um átomo corresponde
ao número de prótons, pois cada átomo de um elemento químico
apresenta um número específico de prótons. Já a massa atômica de
um átomo é igual à soma de prótons e nêutrons presentes no núcleo.
Assim, o núcleo contém toda a massa do átomo. O nitrogênio possui
sete prótons em seu núcleo, apresentando assim número atômico
igual a 7 e sete nêutrons. Como a massa atômica é igual à soma de
prótons e nêutrons, tem-se que a massa atômica desse átomo é 14.
2. Para responder essa atividade é essencial que você tenha uma
compreensão de que um elemento químico é formado por um grupo
de átomos com uma característica comum. Remontando ao tópico
1.5 dessa aula você vai perceber que essa característica comum a um
elemento químico é que todos os seus átomos apresentem o mesmo
número de prótons em seu núcleo, ou seja, o mesmo número atômico
(Z). A compreensão da simbologia utilizada para representar um
elemento químico é um aspecto também importante a ser destacada
nessa resposta. Assim, o elemento químico é representado por
símbolos, como o hidrogênio (representado pela letra H), oxigênio
(O), nitrogênio (N), carbono (C), entre outros.
3. Para uma compreensão correta dessa atividade é necessário
deixar bem claro que quando se refere à molécula, fala-se de átomos
que se unem ou por ligação covalente ou por ligação iônica. Assim,
quando os átomos compartilham elétrons, formam uma ligação
química denominada ligação covalente. Essa ligação covalente entre
os átomos é a ligação química que forma as moléculas. Assim, dois
ou mais átomos ligados entre si formam uma molécula. Quando
dois átomos de hidrogênio reagem para formar H
2
, temos a molécula
do gás hidrogênio. Os compostos orgânicos e inorgânicos, por sua
vez, são aglomerados de moléculas. Enquanto os compostos
orgânicos apresentam átomos de carbono em suas estruturas, os
compostos inorgânicos são formados por outros elementos químicos
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
24
Bioquímica
que não o carbono. Como exemplos de compostos orgânicos você
pode apresenta o açúcar glicose, (C
6
H
12
O
6
) e de compostos
inorgânicos a H
2
O, o ácido clorídrico (HCl), o ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
), entre muitos outros.
4. Para responder o porquê de os íons apresentarem carga é necessário
que se tenha em mente que o átomo é uma partícula eletricamente
neutra. Essa neutralidade do átomo se deve a ele apresentar igual
número de partículas com cargas positivas (prótons) e partículas
negativas (elétrons). Contudo, existem elementos químicos que para
adquirir a estabilidade eletrônica de acordo com a regra do octeto,
como os átomo de sódio (com um número atômico igual a 11) e o
cloro (com um número atômico igual a 17), precisam doar ou ganhar
elétrons, respectivamente. Dessa forma, enquanto o átomo de cloro,
cujo número atômico é 17, apresenta 7 elétrons na camada M,
necessita de mais 1 para preencher essa camada; o sódio (com número
atômico 11) apresenta 1 elétron na camada M e pode doar esse último
elétron para o cloro, ficando assim com a sua camada anterior L
preenchida, com oito elétrons, de acordo com a regra do octeto.
Portanto, o átomo de cloro que ganha um elétron, totalizando 18,
apresenta uma carga líquida negativa. O átomo de sódio com 11
prótons (carga positiva) e 11 elétrons (carga negativa) apresentará
carga líquida negativa de +1 quando doar um elétron para o cloro.
5. A definição de eletronegatividade foi discutida no tópico 3 dessa
aula, caso você tenha tido alguma dificuldade em responde a esse
conceito, leia-o mais uma vez. Você encontrará que a
eletronegatividade é a propriedade do átomo, quando ligado
covalentemente a outro átomo, de atrair elétrons para próximo do
seu núcleo. As estruturas do grupo metil e a do etanol estão destacadas
na Figura 13 desse capítulo. Para responder a segunda parte da
pergunta, que é a de reconhecer a polaridade das moléculas dos grupos
metil e etanol, é necessário reconhecer os grupos funcionais e as
funções orgânica estudadas no tópico 6 dessa aula. A Figura 13 mostra
as estruturas dessas moléculas. Assim, conferindo a estrutura do grupo
metil nessa figura percebe-se que essa molécula é formada apenas
por carbono e hidrogênio, como a diferença de eletronegatividade
entre esses dois átomos é menor do que 0,5, essa molécula é
considerada apolar (valor de eletronegatividade do hidrogênio é igual
a 2,1 e do carbono 2,5). O etanol é uma molécula orgânica polar por
apresentar um grupo hidroxila (OH) em que se observa a formação
de um pólo elétrico devido o átomo de oxigênio apresentar um valor
25
Introdução à Bioquímica Aula
1
de eletronegatividade de 3,5, apresentando uma diferença de
eletronegatividade entre esses dois átomos de 1,4, o que confere um
pólo elétrico a essa molécula.
6. A representação das estruturas tridimensionais das moléculas é
feita com modelos bidimensionais como projeção de Fischer, projeção
em perspectiva, modelo bola e bastão e modelo do tipo espaço cheio.
A projeção em perspectiva representa a estrutura da molécula
utilizando triângulos pretos, para destacar os grupos que estão
projetos na sua direção, acima do plano dessa folha; e os triângulos
hachurados para representar os grupos da molécula que estão para
trás do plano da folha desse livro. O D-gliceraldeído é uma molécula
orgânica que apresenta um grupo aldeído, duas hidroxilas, um grupo
CH
2
 e um hidrogênio ligado ao carbono assimétrico. O arranjo
desses grupos químicos em torno do carbono assimétrico nessa
molécula, de acordo com o modelo da projeção em perspectiva,
está mostrado na Figura 14.
7. Os enantiômeros ou isômeros ópticos são imagens especulares
(ou do espelho) que não se sobrepõem. A condição para que uma
molécula orgânica apresente isômeros ópticos é que elas devam
apresentar em sua estrutura carbono assimétrico. Os enantiômeros
têm em comum as mesmas propriedades químicas (como o pontos
de fusão e ebulição) e quase todas as propriedades físicas,
diferenciando-se entre si apenas pela maneira como desviam a luz
plano polarizada em um equipamento denominado polarímetro
(equipamento que serve para medir esse desvio). Os isômeros ópticos
que desviam a luz plano polarizada para esquerda são os
levorrotatórios, enquanto que os que desviam a luz plano polarizada
para a direita são os levorrotatórios.
8. O termo configuração designa o arranjo espacial dos átomos em
uma molécula assimétrica, ou seja, corresponde à estrutura
tridimensional (ou forma) de moléculas assimétricas. Já o termo
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
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Bioquímica
configuração absoluta é empregado para se referir à estrutura
tridimensional de uma molécula orgânica quando comparada à
configuração dos isômeros D e L- do Gliceraldeído, uma vez que
esses isômeros ópticos são usados como referências na determinação
de configuração de qualquer molécula orgânica.
9. Para responder essa atividade você deve conferir a Figura 13 dessa
aula para uma correta identificação dos grupos funcionais das
estruturas químicas das moléculas apresentadas nesta questão. No
tópico 6 dessa aula você aprendeu que os grupos funcionais são
átomos ou grupos de átomos que substituem um ou mais átomos de
hidrogênio ligados ao carbono, conferindo reatividade à molécula
orgânica. Na estrutura da adrenalina, um hormônio queapresenta
diversos grupos funcionais (sombreados) destacam-se os seguintes
grupos funcionais, como hidroxila (conferindo uma função orgânica
álcool), um grupo metil (conferindo uma função orgânica de
hidrocarboneto) e um grupo fenil ou anel aromático (conferindo uma
função orgânica de composto aromático).
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
PRÓXIMA AULA
Na próxima aula teremos a oportunidade de apresentar a química da água,
buscando entender porque a água é uma molécula dipolar capaz de solu-
bilizar solutos tão distintos como açúcar e sal, reconhecer interações quí-
micas não-covalentes, definir ácidos, bases e tampões. Até lá!
27
Introdução à Bioquímica Aula
1REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5 ed. Rio
de Janeiro: Guanabara-Koogan, 2004.
CHAMPE, P. C.; HARVEY, R. A. Bioquímica Ilustrada, 2 ed. Editora
Artes Médicas, 1997.
HOUAISS A.; VILLAR, M. DE S.; FRANCO, F. M. Dicionário Hou-
aiss da Língua Portuguesa. Rio de Janeiro: Objetiva, 2001, p. 2566.
NELSON, D. L, COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 2
ed. São Paulo: Sarvier, 1995.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica.
3 ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
STRYER, L. Bioquímica. 4 ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1996.
A QUÍMICA DA ÁGUA
META
Apresentar a química da água, relacionando alguns conceitos químicos essenciais na
compreensão da Bioquímica.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
identificar a natureza dipolar da molécula da água;
descrever a formação de pontes de hidrogênio na água e entre biomoléculas;
explicar as propriedades incomuns da água como solvente;
relacionar a importância das ligações químicas não covalentes na bioquímica;
descrever a formação de uma ligação iônica;
descrever a formação de uma interação hidrofóbica;
reconhecer a química do pH;
definir ácidos e base; e
reconhecer tampões e sua atividade tamponante.
PRÉ-REQUISITOS
Para acompanhar esta aula, possibilitando
uma melhor compreensão dos conteúdos
trabalhados, você deverá rever conceitos de
Química Geral e Química Orgânica
estudados no ensino médio e também na
aula Introdução à Bioquímica.
Aula
2
(Fonte: http://www.gettyimages.com).
30
Bioquímica
INTRODUÇÃO
Estudos revelam que a vida em nosso planeta começou na água e
hoje, em qualquer ambiente onde é encontrado esse líquido, quase sem-
pre são encontradas diversas e numerosas formas de vida. Três quartos
da superfície da Terra estão cobertos por água. A água é um dos mais
importantes elementos para a vida dos seres vivos e é a substância mais
abundante no corpo humano, correspondendo a 70% da massa corpórea.
A água é o meio onde ocorrem as interações moleculares e as reações do
metabolismo celular, ou seja, as reações químicas da célula. Para uma
compreensão de todos esses processos é fundamental conhecer as liga-
ções químicas que estão envolvidas tanto na formação das biomoléculas,
como na manutenção de suas estruturas e interações moleculares que
ocorrem no ambiente celular.
As ligações químicas envolvidas na formação das biomoléculas são
as ligações covalentes, que ocorrem com compartilhamento de elétrons
(já estudadas na aula anterior). As ligações químicas não covalentes como
pontes de hidrogênio, ligação iônica, forças de van der Walls e a interação
hidrofóbica são fundamentais para a manutenção das estruturas das bio-
moléculas, bem como nas suas interações moleculares no ambiente celu-
lar, como as que são observadas na ligação do substrato (a molécula que
vai ser modificada pela enzima) à estrutura do sítio ativo da enzima (local
da enzima onde se liga o substrato).
Água fluída (Fonte: www.vestibulandoweb.com.br).
31
A química da água Aula
2ESTRUTURA QUÍMICA DA MOLÉCULA DA ÁGUA
Como já sabemos, a água é composta de um átomo de oxigênio e
dois átomos de hidrogênio (Figura 1). Cada átomo de hidrogênio liga-
se covalentemente ao átomo de oxigênio, compartilhando com ele um
par de elétrons. O oxigênio apresenta dois pares de elétrons não com-
partilhados. Assim, há quatro pares de elétrons em torno do átomo de
oxigênio, dois deles envolvidos nas ligações covalentes com o hidro-
gênio e dois pares não-compartilhados no outro lado do átomo de oxi-
gênio (Figuras 1a e 1b).
A POLARIDADE DA MOLÉCULA DA ÁGUA
O átomo de oxigênio da molécula da água é mais eletronegativo que
o seu átomo de hidrogênio. Desta forma, a molécula da água apresenta
uma carga parcial negativa ( ) no átomo de oxigênio, por causa dos pares
de elétrons não-compartilhados, e duas cargas positivas parciais ( ) nos
átomos de hidrogênio, cargas essas que assumem uma configuração tetra-
édrica (formando quatro ângulos) na molécula de água.
FORMAÇÃO DAS PONTES DE HIDROGÊNIO
A atração entre as cargas parciais positivas dos átomos de hidrogê-
nio de uma molécula de água e a carga parcial negativa do átomo de
oxigênio de outra molécula de água resulta na formação de uma ligação
química não covalente chamada ponte de hidrogênio (Figura 1c). O
oxigênio ligado covalentemente ao hidrogênio é denominado doador de
hidrogênio e o oxigênio da outra molécula de água que atrai o átomo de
hidrogênio é designado aceptor de hidrogênio (Figura 1c). As pontes de
hidrogênio são interações mais fracas que as ligações covalentes, pois
as pontes de hidrogênio na água líquida apresentam uma energia de li-
gação (a energia necessária para romper a ligação) de 4,7 kcal/mol, com-
parada com 110kcal/mol para a ligação covalente entre os átomos de
oxigênio e hidrogênio (O-H).
32
Bioquímica
Figura 1. (a) Polaridade da molécula da água representada pelos modelos bola e bastões. Nesse modelo,
a bola vermelha representa o átomo de oxigênio e a bola branca o átomo de hidrogênio e o bastão azul
a ligação covalente. (b). Molécula da água representada pelo modelo espaço cheio. (c) Devido à
natureza dipolar da molécula da água, ela pode formar uma interação não covalente fraca denomi-
nada ponte de hidrogênio, representada por traços horizontais azuis (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Observe que o arranjo tetraédrico (de quatro ângulos) das cargas par-
ciais positivas e negativas dos átomos de oxigênio e hidrogênio permite a
cada molécula de água formar pontes de hidrogênio com até quatro molé-
culas de água adjacentes (Figuras 1a e 1b). Em qualquer instante na água
líquida à temperatura ambiente, uma molécula forma pontes de hidrogênio
com uma média de 3,4 outras moléculas de água adjacentes. No estado líqui-
do, as moléculas de água estão em movimento contínuo, possibilitando, as-
sim, que as pontes de hidrogênio sejam formadas e quebradas muito rapida-
mente. No gelo, ou seja, na água em estado sólido, cada molécula de água
está fixa em um determinado ponto (não apresentando um movimento
cinético tão acelerado quanto no estado líquido), formando pontes de
hidrogênio com quatro outras moléculas de água adjacentes, constituin-
do, desta forma, uma rede regular de pontes de hidrogênio (Figura 2).
A água é uma das poucas substâncias que se expande com o congela-
mento (à temperatura de 0oC, a água líquida apresenta densidade de 1,0g/
ml e o gelo tem densidade de 0,92g/ml). A expansão da água sob conge-
lamento apresenta inúmeras conseqüências para a vida no planeta. Supo-
nha que a água se contraísse sob congelamento, isto é, ficasse mais densa
em vez de menos densa, o gelo acabaria afundando e se concentrando no
fundo dos lagos e oceanos em vez de flutuar, o que acarretaria o congela-
mento por inteiro desses ambientes aquáticos nas regiões polares do glo-
bo terrestre, inviabilizando a existência de formas de vida nesses ambien-
tes. Se assim o fosse, a Terra estaria confinada a uma era de gelo perma-
nente e a vida talvez nunca tivesse prosperado.
33
A química da água Aula
2
Figura 2. Estrutura cristalina do gelo. Cada molécula de água nesse arranjo cristalino é
representada pelo modelo bolae bastão. Cada molécula de água pode formar quatro pontes
de hidrogênio com quatro moléculas vizinhas. As pontes de hidrogênio são representadas por
traços horizontais (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 3. Direcionamento das pontes de hidrogênio (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
As pontes de hidrogênio mais fortes ocorrem quando os três átomos
envolvidos permanecem em linha reta formando as pontes de hidrogênio.
Esse arranjo apresenta uma maior interação entre a carga parcial positiva do
átomo de hidrogênio com a carga parcial negativa e os elétrons não compar-
tilhados do segundo átomo eletronegativo, nesse caso, o oxigênio (Figura 3).
34
Bioquímica
Figura 4. Formação de pontes de hidrogênio entre as biomoléculas. O átomo eletronegativo que
se liga covalente ao hidrogênio é o doador de hidrogênio e o que atrai a carga parcial positiva desse
átomo é o aceptor de hidrogênio (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
FORMAÇÃO DE PONTES DE HIDROGÊNIO
NAS BIOMOLÉCULAS
As pontes de hidrogênio são interações não-covalentes envolvi-
das na manutenção das estruturas das biomoléculas. A formação de
pontes de hidrogênio nas biomoléculas ocorre com o hidrogênio liga-
do covalentemente a um átomo eletronegativo (geralmente nitrogênio
ou oxigênio) denominado doador de hidrogênio, sendo atraído por outro
átomo de oxigênio ou nitrogênio (o aceptor de hidrogênio) como de-
monstrado na Figura 4.
Na estrutura das biomoléculas, as pontes de hidrogênio podem ser de
dois tipos: intermolecular (intercadeia) e intramolecular (intracadeia).
Intermoleculares ou intercadeia. Esse tipo de ponte de hidrogênio
pode ocorrer nas proteínas e no DNA, como, por exemplo, entre
duas cadeias polipeptídicas ou entre pares de bases da fita dupla do
DNA (Figura 5).
Intramoleculares ou intracadeia. As pontes de hidrogênio ocorrem dentro
da própria molécula (Figura 5).
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A química da água Aula
2
PROPRIEDADES DA ÁGUA COMO SOLVENTE
A natureza polar da água determina, em grande parte, suas proprieda-
des de solvente. Compostos iônicos com cargas, como o cloreto de sódio
(NaCl) em solução, e compostos polares com cargas parciais, como o eta-
nol (álcool etílico) ou acetona, tendem a dissolver-se em água. O princípio
físico envolvido é a atração entre cargas opostas dessas moléculas atraindo
as cargas da água. Dessa forma, a extremidade negativa do dipolo da água
atrai os íons positivos das substâncias iônicas ou a extremidade positiva
das substâncias polares. Por outro lado, o pólo positivo da molécula de água
atrai um íon negativo do sal ou o pólo negativo da substância polar.
CLASSES DE SUBSTÂNCIAS QUE SE
SOLUBILIZAM NA ÁGUA
SUBSTÂNCIAS IÔNICAS
As substâncias iônicas são as que apresentam cargas elétricas positi-
va ou negativa. Essas substâncias se dissolvem em água devido à capaci-
dade de formar uma camada de hidratação (ou solvatação), entre elas e as
moléculas de água. A carga positiva da substância iônica atrai a carga
parcial negativa da molécula da água, da mesma forma que a carga nega-
tiva da substância iônica atrai a carga parcial positiva da água. Assim, a
solubilização do NaCl (Cloreto de sódio, ou sal de cozinha) se dá com
a dissociação dessa molécula em seus íons sódio (Na+) e cloreto (Cl-)
(Figura 6). O oxigênio da água (com carga parcial negativa) atrai a carga
Figura 5. Pontes de hidrogênio intramolecular (quando o doador e o aceptor de hidrogênio são da
mesma molécula) e intermoleculares (quando o doador de hidrogênio é de uma molécula e o
aceptor é de outra molécula) (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
36
Bioquímica
positiva do Na+ e o hidrogênio da água (com carga parcial positiva) atrai
a carga negativa do Cl-.
SUBSTÂNCIAS POLARES (HIDROFÍLICAS)
São as substâncias que se solubilizam em água devido à capacidade
de elas interagirem com a água por formação de pontes de hidrogênio. A
solubilização dessas substâncias em água se dá por formação de pontes
de hidrogênio entre os grupos polares dessas moléculas e a água. Glico-
se, etanol, acetona, entre outras, são exemplos de moléculas polares que
se solubilizam em água por formação de pontes de hidrogênio.
SUBSTÂNCIAS ANFIPÁTICAS
São as substâncias que apresentam uma natureza dupla, tendo um gru-
po polar e outro apolar na mesma molécula. O grupo polar é denomina-
do cabeça polar e o grupo apolar é a cauda apolar (Figuras 7a e 7b)
Exemplos: Sabões (detergentes), lipídios de membranas, proteínas, etc.
As membranas biológicas são bicamadas lipídicas formadas por lipídios
anfipáticos e proteínas (Figura 7c). Quando as substâncias anfipáticas
são agitadas em águas podem formar estruturas como micela (Figura
7d) e lipossomos (vesículas microscópicas compostas de uma ou mais
membranas lipídicas envolvendo um compartimento aquoso).
Figura 6. Estrutura cristalina do cloreto de sódio, em que o cátion (Na+) atrai a carga negativa do
cloreto (Cl-) por ligação iônica e a dissolução de seus íons em água, em que se observa a formação de
uma camada de solvatação em torno dos íons sódio (Na+) e cloreto (Cl-) (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
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A química da água Aula
2
LIGAÇÕES QUÍMICAS NÃO-COVALENTES
As ligações químicas não covalentes são forças fracas e exercem pa-
péis importantes na manutenção das estruturas e nas interações molecu-
lares das biomoléculas. As ligações não covalentes fundamentais nos pro-
cessos bioquímicos são pontes de hidrogênio (já estudada no tópico 1.1),
ligação iônica, interações de van der Waals e a interação hidrofóbica. Elas
diferem em geometria, força e especificidade. Além disso, estas ligações
são profundamente afetadas de diferentes modos pela presença de água.
Abaixo são relacionadas as características de cada uma delas:
LIGAÇÃO IÔNICA
A ligação iônica ocorre com a atração de cargas elétricas opostas dos
átomos. Átomos podem se ionizar para atingir um número estável de elé-
Figura 7 Classes de substâncias que se solubilizam em água (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
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Bioquímica
trons, perdendo ou ganhando elétrons, como por exemplo, o sódio (Na)
que pode doar um elétron para o cloro (Cl), gerando os íons Na+ e Cl-. O
par iônico é mantido junto por uma forte atração eletrostática denomina-
da ligação iônica (Figura 8).
INTERAÇÃES DE VAN DER WAALS
A interação de van der Waals ocorre devido à distribuição de carga ele-
trônica em torno de um átomo mudar com o tempo. Em um dado ins-
tante, a distribuição de cargas não é perfeitamente simétrica. Esta assi-
metria transitória na carga elétrica em tomo de um átomo age por meio
de atração de cargas opostas induzindo uma assimetria complementar
na distribuição de elétrons em tomo dos átomos vizinhos. A atração
resultante entre um par de átomos aumenta à medida que cheguem mais
perto, até que estejam separados pela distância de contato de van der
Waals. A uma menor distância, predominam forças de repulsão muito
intensas porque as nuvens externas de elétrons se superpõem.
Figura 8 - Formação da ligação iônica entre os átomos de sódio e cloro na molécula do cloreto de sódio
(Fonte: Biochemistry and Molecular Life Science Visual Library, John Willey & Sons Inc, 2009).
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A química da água Aula
2INTERAÇÃO HIDROFÓBICA
A interação hidrofóbica é a associação dos grupos apolares (hidro-
carbonetos) em meio aquoso, direcionada pela minimização das intera-
ções desfavoráveis das moléculas da água com os grupos apolares. Quan-
do moléculas anfipáticas (como ácidos graxos) são misturadas com a água
(Figura 9a) eles podem formar estruturas como micelas, lipossomos e
bicamadas lipídicas. Na formação das micelas ocorre a associação das
caudas apolares dos ácidos graxos para escapar da água formando dessa
forma um núcleo compacto apolar. A interação hidrofóbica é a atração
que mantém as caudas apolares nesse núcleo apolar (Figura 9b). Os
grupos polares do ácido graxo, por sua vez, se voltam para a água inte-
ragindocom esse líquido por formação de pontes de hidrogênio ou for-
mando uma camada de solvatação. (Figura 9b). Na formação dos lipos-
somos, os ácidos graxos formam vesículas microscópicas compostas de
uma ou mais membranas lipídicas, não envolvendo um compartimento
aquoso (Figura 9c). As membranas biológicas são bicamadas lipídicas
formadas por lipídios anfipáticos e proteínas. Esse arranjo molecular será
estudado na aula “Química dos lipídios”.
A QUÍMICA DE PH E TAMPÕES
O PRODUTO IÔNICO DA ÁGUA E PH
A água é um eletrólito fraco, substância que se ioniza muito dificil-
mente gerando partículas com cargas elétricas. A ionização da água pro-
duz H+ + OH-, como está demonstrado na equação 1:
H
2
O H+ + OH- ( 1 )
Figura 9 Substâncias anfipáticas, micelas e lipossomos (Fonte: Voet et al., 2000).
40
Bioquímica
Mas apesar de essa ionização ser difícil, precisamos quantificar
quanto desses íons (H+ + OH-) são produzidos, uma vez que eles
influenciam na manutenção das estruturas das biomoléculas. A ex-
pressão matemática que nos fornecerá esses dados é a constante de
equilíbrio (Keq), que para a reação 1 é:
Keq = [H+] [OH-] (2)
 [H
2
O]
A concentração em molaridade da água (concentração molar) é
encontrada dividindo a massa em grama de 1litro de água (1000g)
pela massa molecular desse líquido que é igual a 18. Daí tem-se que a
concentração molar da água é 55,5M. Substituindo essa concentração
na equação teremos:
Keq = [H+] [OH-] (3)
 55,5
Nas equações (2 e 3) os colchetes significam que a concentração dos
reagentes é molar. Multiplicando os termos da equação 3 teremos:
55,5M x Keq = [H+] [OH-] (4)
A constante de equilíbrio da água é um valor conhecido ( 1 x 10-16). Esse
valor foi encontrado a partir de medidas da condutividade elétrica dos íons
H+ e OH- na água líquida. Substituindo esse valor na equação 4 teremos:
55,5M x 1 x 10-16 = [H+] [OH-] (5)
Multiplicando os termos obteremos:
99,9 x 10-16 = [H+] [OH-] (6)
Deslocando a vírgula dois algarismos à esquerda tem-se:
0,999 x 10-14 = [H+] [OH-] (7)
Aproximando 0,99 para 1, tem-se:
1,0 x 10-14 = [H+] [OH-] (8)
Esse é o valor que corresponde ao produto iônico da água (Kw).
Como o produto de [H+] [OH-] é 1,0 x 10-14, a concentração de cada um
41
A química da água Aula
2desses dois íons ([H+] [OH-]) é encontrada elevando-se a concentração de
[H+] ou de [OH-] ao quadrado, conforme a equação 10 abaixo:
[H+] [OH-]= Kw = 1 x 10-14 (9)
[H+]2 =1,0 x 10-14 Portanto: (10)
Tirando a raiz quadrada de [H+] tem-se:
[H+] = 1,0 x 10-14 = 1,0 x 10-7 (11)
Como a concentração de [H+] é igual a 1,0 x 10-7 e de acordo com a
equação 9 tem-se que [H+] [OH-]= Kw
[OH-] = Kw (12)
[H+]
Como não lidamos no nosso dia a dia com números tão pequenos
como as concentrações para H+ e OH- expressas em exponencial nas equa-
ções acima, o químico dinamarquês Sorenseon estabeleceu uma expres-
são matemática mais conveniente para visualizar esses números, estabe-
lecendo que a concentração de H+ é encontrada pelo logaritmo negativo
da concentração desse íon, então:
pH = -log [H+] (13)
pH = -log 1,0 x 10-7 (14)
pH = 7,0 (15)
Se multiplicarmos a expressão [H+] [OH-]= 1,0 x 10-14 pelo logaritmo
negativo tem-se:
-log[H+]-log[OH-]= -log1,0 x 10-14 (16)
O logaritmo negativo da concentração de H+, como já foi visto é
igual a pH e o logaritmo da concentração de OH é igual a pOH, enquanto
o logaritmo negativo de 1,0 x 10-14 é igual a 14 tem-se a expressão:
pH + pOH = 14 (17)
42
Bioquímica
A ESCALA DO pH
A escala de pH que avalia a acidez ou basicidade de soluções apresenta
valores que vão do 0 até 14. Dessa forma, uma solução ácida apresenta valo-
res de pH de 0 a 6.9. Uma solução neutra tem o valor de pH igual a 7 e as
soluções alcalinas ou básicas apresentam valores de pH de 7.1 até 14. Diver-
sas substâncias com as quais lidamos no nosso dia-a-dia são soluções ácidas
básicas ou neutras. Como exemplo de soluções ácidas (Figura 10) tem-se o
suco de frutas cítricas como o limão (pH 2,0), vinagre (3,4), café (5,0) e
coca-cola (3,0). Como exemplo de básicas temos as soluções de bicarbonato
de sódio, que preparamos para combater a acidez estomacal (pH 9,0), o alve-
jante doméstico hipoclorito de sódio (pH 12,5) e a amônia (pH 12).
ÁCIDOS E BASES
Muitas das reações químicas que ocorrem nas células são influenciadas
pelos íons H+ e OH-, oriundos da ionização da molécula de água. Variações
nas concentrações celulares desses íons podem alterar diversos processos
biológicos causando a desnaturação de proteínas e ácidos nucléicos. Os
organismos multicelulares desenvolveram estratégias químicas sofisticadas
para evitar essas alterações, através da ação dos tampões, que são sistemas
Figura 10. A escala do pH.
43
A química da água Aula
2químicos que mantêm o valor do pH constante. Antes de entendermos a
ação dessas substâncias, é necessário compreender o conceito de ácidos e
bases definidos por Bronsted e Lowry. Para Bronsted e Lowry um ácido é
um doador de H+ enquanto a base é um aceptor de H+. Portanto:
 AH A- + H+
Em que AH é o ácido, pois se dissocia liberando H+
 A- + H+ AH
Nessa reação A- é a base, pois reage com H+ formando AH. Essas duas
reações podem ser combinadas em uma terceira reação reversível, ou seja,
que ocorre tanto na dissociação de AH quanto em sua formação. A reversi-
bilidade dessa reação é indicada pela seta que aponta nos dois sentidos (”!):
AH A- + H+, AH e A- formam o par ácido base conjugado.
ÁCIDOS E BASES FORTES E FRACOS
De acordo com o grau de dissociação em seus íons, os ácidos e
bases são classificados em fortes e fracos. Os ácidos e bases fracas são
os que dificilmente dissociam em seus íons, enquanto os fortes estão
completamente dissociados em seus íons, quando em solução. O HCl
se dissocia completamente em H+ + Cl- , portanto, é um ácido forte. O
hidróxido de sódio (NaOH) é uma base forte porque é dissociado total-
mente em seus íons: Na+ e OH-. O ácido acético (CH
3
COOH) dificil-
mente dissocia seu hidrogênio, sendo dessa forma um ácido fraco. A
tabela 1 abaixo apresenta alguns exemplos dos ácidos e bases fracos e
suas respectivas bases conjugadas.
Tabela 1. Ácidos fracos e suas bases conjugadas
TAMPÕES E AÇÃO TAMPONANTE
Os fluidos celulares apresentam um pH constante e específico, geral-
mente próximo de 7,4. Nos organismos multicelulares, o pH dos líquidos
extracelulares (sangue, por exemplo) é também estreitamente regulado
através da ação dos tampões biológicos. Os tampões são misturas de
44
Bioquímica
ácidos fracos e suas bases conjugadas, que evitam variações bruscas de
pH de soluções, quando a elas são adicionadas quantidades relativamen-
te pequenas de ácido (H+) ou base (OH-). Quando se adiciona 1 mL de
uma solução ácida (como HCl) a 99mL de água destilada, o pH da água
que é em torno de 7,0 cai para cerca de 2,3. Por outro lado quando se
adiciona 1mL de uma solução básica (como NaOH) a 99mL de água
destilada, observaremos que o pH se elevará para cerca de 12.
Se experimentarmos agora adicionar 1mL da solução de HCl a
99mL da solução tampão acetato, que consiste de uma mistura de
ácido acético (CH
3
COOH) e acetato (CH
3
COO-), verificaremos que
o pH dessa solução não se alterará, devido à forma básica desse tam-
pão (CH
3
COO-) captar o íon H+ (Figura 11). Quando se adicionar 1mLda solução de NaOH 0,1N a 99mL da solução tampão de acetato de
sódio, o pH dessa solução não se alterará, devido a forma ácida do
tampão (CH
3
COOH) liberar o íon H+, que reagirá com a hidroxila
(OH-), produzindo H
2
O. Portanto, o papel de um sistema tampão é
neutralizar as ações de H+ e OH-.
CONCLUSÃO
A água é uma molécula dipolar devido à diferença de eletronegativi-
dade entre os átomos de oxigênio e hidrogênio ligados covalentemente.
Pontes de hidrogênio é uma interação molecular fraca que ocorre com a
carga parcial negativa de um átomo eletronegativo atraindo a carga parci-
al positiva do hidrogênio. Na estrutura das biomoléculas, as pontes de
hidrogênio são de dois tipos: intermolecular (intercadeia) e intramolecu-
lar (intracadeia).. Devido a sua natureza dipolar, a água é capaz de solubi-
lizar substâncias tão distintas entre si como moléculas polares (glicose e
etanol), sais (cloreto de sódio) e substâncias anfipáticas (ácido graxo). A
água é um anfólito, ionizando-se em H+ e OH-. O pH é definido como o
logaritmo negativo da concentração de H+. As soluções ácidas apresen-
tam valores de pH abaixo de 7,0, soluções neutras têm pH igual a 7,0 e as
básicas apresentam pH acima de 7,0. Os tampões são misturas de ácidos
fracos com suas bases conjugadas que atuam evitando variações de pH
quando da adição de H+ ou OH-.
Figura 11. Ação tamponante do tampão acetato.
45
A química da água Aula
2RESUMO
A água é a substância mais abundante do corpo humano, correspon-
dendo a 70% da massa corpórea. Na molécula da água cada átomo de
hidrogênio compartilha um par de elétrons com um átomo de oxigênio
formando entre eles uma ligação covalente polar. Essa ligação polar se
deve à diferença de eletronegatividade entre os átomos de oxigênio e hidro-
gênio. Essa diferença de eletronegatividade gera pólos elétricos positivo e
negativo nessa molécula permitido que seus átomos possam interagir por
meio de uma ligação química não covalente denominada pontes de hidrogê-
nio. A formação de pontes hidrogênio entre as moléculas de água ocorre com a
carga parcial negativa de um átomo de oxigênio de uma molécula de água
atraindo a carga parcial positiva do hidrogênio de outra molécula de água. Nas
biomoléculas, a formação de pontes de hidrogênio é do tipo intramolecular (ou
intracadeia) e intermolecular (ou intercadeia). Nesse caso, um hidrogênio liga-
do covalente a um átomo eletronegativo (doador de hidrogênio) é atraído por
outro átomo eletronegativo (aceptor de hidrogênio). A água solubiliza molécu-
las tão diferentes como substâncias polares, sais e substâncias anfipáticas. As
ligações não covalentes como pontes de hidrogênio, ligação iônica, van der
Walls e interação hidrofóbica são interações químicas muito fracas e facilmen-
te rompidas, que exercem um papel crucial na manutenção das estruturas
químicas das biomoléculas e nas suas interações moleculares no ambiente
celular. A água se dissocia em H+ e OH-. As soluções ácidas apresentam
valores de pH menores do que 7,0 e nessas soluções a concentração de H+ é
maior do que a concentração de OH-. Nas soluções neutras o pH é igual a 7,0
e a concentração de H+ é igual a concentração de OH-. As soluções básicas
apresentam valores de pH maior do que 7,0 e a concentração de OH- é
maior do que a concentração de H+. Os ácidos são doadores de H+ enquan-
to as bases são aceptores de H+. Os ácidos e bases fracos são importantes,
pois podem atuar como tampões. Os tampões são misturas de ácidos fracos
com suas bases conjugadas, que atuam evitando variações de pH.
ATIVIDADES
1. Por que a molécula da água é um dipolo elétrico? Explique.
2. Por que o gelo é menos denso do que a água líquida? Que implicação
biológica pode ser tirada dessa propriedade?
3. Como o etanol e cloreto de sódio (NaCl) se solubilizam em água?
4. O que são substâncias anfipáticas e como elas se comportam em água?
Exemplifique-as.
5. Como os íons cloro e sódio formam a molécula de cloreto de sódio?
6. O que é uma interação hidrofóbica?
7. Qual o valor do pH da solução de NaOH 0,01M?
8. Como os tampões evitam variações de pH de soluções, quando a ela
são adicionados H+ e OH-?
46
Bioquímica
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
1. Se você respondeu essa pergunta afirmando que a formação do
dipolo elétrico na molécula de água se deve a essa molécula ser
formada por dois átomos (oxigênio e hidrogênio) que apresentam
diferença de eletronegatividade, então você compreendeu bem a
natureza polar dessa molécula. Assim, o caráter polar da molécula
da água se deve à diferença de eletronegatividade entre os átomos de
oxigênio e hidrogênio ligados covalentemente. Como os elétrons
compartilhados entre o oxigênio e hidrogênio são atraídos mais
fortemente para a proximidade do núcleo do oxigênio, esse átomo
fica com duas cargas parciais (d-) negativas. O hidrogênio (com caráter
parcial de deficiência de elétron), apresentando uma carga parcial
positiva (d+) em cada um dos átomos de hidrogênio. Assim, as cargas
parciais negativas (do oxigênio) e positivas (dos átomos de hidrogênio)
fazem da água um dipolo elétrico.
2. Imagino você respondendo essa atividade se perguntando: Por que
o gelo flutua na água, ou então, por que quando colocamos um
refrigerante no congelador e deixarmos lá por várias horas a garra de
vidro vai arrebentar. Esses questionamentos estão diretamente
relacionados ao fato do gelo ser menos denso do que a água líquida.
Dessa forma, no estado sólido, cada molécula de água está fixa em
um determinado ponto, apresentando baixo movimento cinético.
Assim, cada molécula passa a formar pontes de hidrogênio com quatro
outras moléculas de água adjacentes, constituindo, desta forma, uma
rede regular, estável e compacta de pontes de hidrogênio, o que acaba
por conferir uma densidade menor à água congelada do que a que se
encontra em estado líquido. Você se recorda que boa parte da biosfera
é composta por mares e oceanos e mesmo nas áreas mais frias - como
os pólos - a parte da água que se solidifica flutua, não ficando
acumulada nas profundezas dos ambientes aquáticos. Assim, por
possuir menor densidade e ficar mais compacta que a água líquida, o
gelo não submerge por completo e ao flutuar não se dissemina por
todo o ambiente aquático, permitindo que parte do calor dos mares,
lagos e oceanos sejam preservado abaixo das plataformas de gelo,
tornando possível que diferentes e numerosas formas de vida
prosperem nos ecossistemas aquáticos.
3. Você não deve ter tido a menor dificuldade em reconhecer que
água é um excelente solvente devido a sua natureza dipolar. Assim,
moléculas polares (como o etanol) se solubilizam em água devido à
47
A química da água Aula
2
presença do seu grupo hidroxila (OH) poder formar pontes de
hidrogênio com a água. Com relação ao sal cloreto de sódio, esse sal
em água é dissociado em seus íons cloreto (Cl-) e sódio (Na+),
conforme pode ser visto na figura 6. A molécula da água forma
uma camada de solvatação em torno do íon cloreto, em que a carga
parcial positiva do hidrogênio é atraída pela carga negativa do
cloreto. Com o sódio se observa também a formação dessa camada
de solvatação, tendo a carga parcial negativa do hidrogênio atraindo
a carga positiva do íon sódio.
4. Com a leitura dessa aula certamente você aprendeu que em
relação à polaridade as moléculas são classificadas em polares e
apolares. Aprendemos também que existem moléculas que
apresentam tanto grupos polares, quanto apolares em suas
estruturas, que são as substâncias. Quando essas moléculas
anfipáticas são agitadas na água elas podem formar estruturas como
micelas (disposição na qual os grupos apolares se protegem no
interior dessa estrutura e os grupos polares se voltam para a água
interagindo com esse líquido por formação de pontes de hidrogênio
ou de uma camada de solvatação) e lipossomos (vesículas
microscópicas compostas deuma ou mais membranas lipídicas
envolvendo um compartimento aquoso). São exemplos: os sabões
(detergentes), lipídios de membranas, proteínas, etc.
5. Você aprendeu nessa aula que os átomos são eletricamente neutros.
A neutralidade dos átomos é explicada pelo fato de eles apresentarem
o número de cargas positivas (os prótons) igual com o de cargas
negativas (os elétrons). No entanto existem átomos que para adquirir
uma configuração estável (como o que é estabelecido pela regra do
octeto), precisam perder ou ganhar elétrons. No caso de o átomo
perder elétrons (como o sódio, que perde 1 elétron), o número de
prótons vai ser maior do que o número de elétron. Nessa situação o
sódio apresentará carga líquida positiva (Na+). Se o átomo ganhar
um elétron (como o cloro), o número de elétrons vai ser maior do
que o de prótons, deixando o átomo com carga líquida negativa.
Dessa forma, a ligação iônica é uma interação química que se forma
com a atração de cargas elétricas opostas dos íons. Íons com carga
positiva (cátions) atraem íons com carga negativa (ânions). A rede
cristalina da molécula do cloreto de sódio (NaCl) é mantida pela
ligação iônica. Nessa estrutura cristalina o cátion (Na+) atrai a carga
negativa do cloreto (Cl-).
48
Bioquímica
6. Você certamente não deve ter tido grandes dificuldades em
reconhecer o que é uma interação hidrofóbica. O próprio termo
hidrofóbico deve ter guiado você para uma correta identificação da
resposta, tendo em vista que ele indica fobia ou aversão à água.
Imagino você afirmando que essa interação deve ocorrer devido ao
fato dos grupos apolares, por não terem afinidade com a água, tentam
escapar desse meio. Dessa forma, a associação dos grupos apolares
(hidrocarbonetos) em meio aquoso, orientada pela minimização das
interações desfavoráveis das moléculas da água com os grupos
apolares. Quando moléculas anfipáticas (como ácidos graxos) são
misturadas com a água ocorre a associação das caudas apolares dessas
moléculas para escapar da água, o que acaba por formar um núcleo
apolar. Resumindo, portanto, a interação hidrofóbica é a atração que
mantém as caudas apolares nesse núcleo apolar.
7. O químico dinamarquês S. L. P. Sorenson definiu pH como o
logaritmo negativo da concentração de hidrogênio, ou seja, pH = -
log [H+]. Ocorre que no problema apresentado propomos o cálculo
do pH de uma solução de NaOH (solução básica). Em meio aquoso
o NaOH se dissocia em Na+ e OH-, dessa forma, a concentração
molar da solução de NaOH expressa no problema de 0,01M é a
concentração de OH-. A concentração do íon hidroxila (OH-) pode
ser relacionada com a de H+ pela equação [H+] [OH-] = 1 x 10-14.
Como a concentração de NaOH é 0,01M ou 1 x 10-2 e o kW é igual
a 1 x 10-14, substituindo esses valores na equação abaixo teremos:
[H+] = Kw
[OH]
[H+] = 1 x 10-14
 1 x 10-2
[H+] = 1 x 10-12
Como pH = - log [H+]
-log 1 x 10-12 = 12
pH = 12
8. Uma boa alternativa para responder essa atividade seria imaginar
algumas situações experimentais, como por exemplo, adicionar
soluções ácidas e básicas a água e em outro momento adicionar essas
soluções ácidas e básicas a uma solução tampão. Se você procedeu
assim imagino você contatando quê: A adição de ácidos (H+) a água
resultará no abaixamento do pH desse líquido que é neutro (pH 7,0)
para um pH ácido (2,0). Por outro lado, quando se adicionar OH-, o
49
A química da água Aula
2
pH passará para um valor básico (12). Essa variação de pH brusca
não é verificada em soluções tampões quando da adição desses dois
íons (H+ e OH-). Os tampões são misturas de um ácido fraco com
sua base conjugada . Na situação estudada em aula exemplificamos
a atuação tamponante do tampão acetato, que consiste de uma mistura
de ácido acético (CH
3
COOH) e acetato (CH
3
COO-). A ação do
tampão acetato pode ser compreendida em duas situações distintas:
(1) Quando da adição de H+ a essa solução tampão, a forma básica
desse tampão (CH
3
COO-) reagirá com o íon H+, regenerando a forma
CH
3
COOH, neutralizando assim o íon H+. (2) Quando da adição de
OH- a solução tampão acetato, o pH dessa solução não sofrerá
alteração, devido à forma ácida do tampão (CH3COOH) liberar o
íon H+, que reagirá com a hidroxila (OH-), produzindo H
2
O. Portanto,
o papel de um sistema tampão é neutralizar as ações de H+ e OH-.
PRÓXIMA AULA
Na próxima aula passaremos a estudar a química dos aminoácidos e pep-
tídeos, enfatizando a estrutura geral, a estereoquímica e a classificação
química e nutricional dessas moléculas. Introduziremos também o estudo
dos peptídeos, que são pequenas cadeias de aminoácidos. Até lá!
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5 ed. Rio de
Janeiro: Guanabara-Koogan, 2004.
CHAMPE, P., C.; HARVEY, R. A. Bioquímica ilustrada, 2 ed. Editora
Artes Médicas, 1997.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 2.
ed. São Paulo: Sarvier, 1995.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 3
ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
STRYER, L. Bioquímica. 4 ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1996.
VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica.
Porto Alegre: Editora Artmed, 2000.
A QUÍMICA DOS AMINOÁCIDOS
E PEPTÍDEOS
META
 Introduzir o estudo do conhecimento das estruturas e das propriedades químicas dos
aminoácidos e peptídeos.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
reconhecer algumas das funções biológicas dos aminoácidos;
descrever a estrutura química dos aminoácidos;
representar os aminoácidos com abreviaturas de uma e de três letras;
descrever a estereoquímica dos aminoácidos;
classificar os aminoácidos segundo a polaridade de suas cadeias laterais;
classificar aminoácidos de acordo com as suas necessidades nutricionais;
diferenciar aminoácidos derivados ou especiais de aminoácidos padrões;
descrever a formação de peptídeos;
reconhecer alguns peptídeos de ocorrência biológica.
PRÉ-REQUISITOS
Para acompanhar esta aula você deverá estudar ou rever conceitos de química abordados nas
aulas Introdução à Bioquímica e a Química da Água.
Aula
3
(Fonte: http://www.gettyimages.com).
52
Bioquímica
INTRODUÇÃO
Os aminoácidos são as unidades estruturais fundamentais de proteí-
nas e peptídeos. São moléculas orgânicas que apresentam os seguintes
grupos químicos comuns a todos eles: um grupo carboxila (COOH), um
grupo amino (NH
2
), um átomo de hidrogênio (H) e um radical ou cadeia
lateral (R). Os diversos aminoácidos diferem apenas na natureza química
do grupo ligado à cadeia lateral.
A maioria dos aminoácidos encontrados em peptídeos e proteínas
são moléculas assimétricas. Esses aminoácidos assimétricos (como vere-
mos ao longo do desenvolvimento dessa aula) apresentam configuração
absoluta L. Os vinte aminoácidos mais comumente encontrados na es-
trutura de proteínas são denominados aminoácidos padrões ou primários.
Utiliza-se esse termo para diferenciar os aminoácidos primários dos ami-
noácidos derivados ou especiais. Os aminoácidos derivados ou especiais
são formados a partir de reações químicas sofridas por um dos vinte ami-
noácidos primários.
O grupo amino (NH
2
) de um aminoácido reage com o grupo carboxi-
la (COOH) de outro aminoácido formando uma ligação covalente deno-
minada ligação peptídica. A ligação peptídica une os aminoácidos for-
mando os peptídeos e proteínas. Os peptídeos são pequenas cadeias de
aminoácidos enquanto as proteínas são cadeias enormes.
(Fonte: http://www.gettyimages.com).
53
A química dos aminoácidos e peptídeos Aula
3ESTRUTURA GERAL DOS AMINOÁCIDOS
Os aminoácidos são moléculas orgânicas formadas por um grupo
amino (NH
2
), uma carboxila (COOH), um átomo de hidrogênio (H) e
um radical ou cadeia lateral (R), ligados ao átomo de carbono 2 (C-2).
O carbono 2 dos aminoácidos é denominado carbono a. Os aminoáci-
dosdiferem entre si apenas na natureza do grupo químico das suas
cadeias laterais ligados ao carbono a (Figuras 1a e 1b). Os aminoáci-
dos em pH 7,0 são encontrados na forma ionizada, isto é, o grupo
carboxila com carga negativa (COO-) e o grupo amino com carga
positiva (+NH
3
). Essa forma ionizada do aminoácido é denominada
íon dipolar, íon híbrido ou zwitterion (termo alemão que significa íon
híbrido) (Figura 1b).
Figura (1a) Estrutura geral dos aminoácidos. Essa estrutura é comum a
todos os aminoácidos das proteínas, exceto a prolina, um aminoácido
cíclico. O grupo R, ou cadeia lateral ligada ao carbono a é diferente em
cada um dos aminoácidos Fonte: Voet et al., 2006 b) zwitterion ou íon
híbrido, forma ionizada do aminoácido em pH 7,0 ou ambiente aquoso.
Fonte: Nelson e Cox, 2002.
Os vinte aminoácidos mais comumente encontrados em proteínas
são denominados aminoácidos primários ou padrões. Esses aminoáci-
dos são produzidos a partir de uma informação genética contida na
molécula do DNA (o DNA será assunto da aula Estruturas e fun-
ções dos nucleotídeos). Os carbonos adicionais da cadeia lateral dos
aminoácidos são designados pelas letras gregas b, g, d, e, etc., e são
assim nomeados a partir do carbono a (Figura 2). O carbono do grupo
carboxila (COOH) de um aminoácido é o carbono 1 (C-1), o carbono
a é o carbono 2 (C-2), o carbono â é o C-3, o carbono g o C-4, e assim
sucessivamente.
54
Bioquímica
NOMENCLATURA E REPRESENTAÇÕES
DOS AMINOÁCIDOS
Os aminoácidos foram denominados com nomes comuns de acordo
com três critérios:
1. a fonte a partir da qual eles foram pela primeira vez obtidos na forma
pura, como a tirosina, (termo que vem de tyros, do grego, que significa
queijo) nomeada assim por ter sido obtida do queijo. A asparagina, assim
denominada por que foi obtida do aspargo;
2. uma característica química do aminoácido, como por exemplo a
fenilalanina, assim nomeada por apresentar um grupo fenil ligado ao
aminoácido alanina; e
3. uma propriedade do aminoácido, como, por exemplo, a glicina, que
recebe esse nome por ter o sabor doce, lembrando os glicídios (açúcares).
A maioria dos aminoácidos tem seus nomes terminados com o
sufixo “ina”, como: prolina, glicina, alanina asparagina, etc. Outros
têm nomes terminados em “ano”, como o triptofano e em “ico”, como
o ácido aspártico e o ácido glutâmico. O ácido aspártico e o ácido
glutâmico, em suas formas ionizadas, apresentam carga líqüida nega-
tiva, sendo nomeados aspartato e glutamato, respectivamente, uma
vez que a terminação “ato” é usada para designar os ácidos carrega-
dos negativamente.
A tabela 1 traz os 20 aminoácidos padrões, acompanhados das abre-
viaturas de uma e de três letras. Essas abreviaturas são utilizadas para
descrever de forma prática a seqüência de aminoácidos das proteínas. A
regra seguida na abreviatura de três letras da maioria dos aminoácidos
consiste em registrar as três primeiras letras iniciais do seu nome em in-
glês. A abreviatura de uma letra é usada em textos científicos quando se
quer comparar as seqüências de aminoácidos de diversas proteínas. Essa
abreviatura é feita, para a maior parte dos aminoácidos, usando a primei-
Figura 2. Numeração dos carbonos dos aminoácidos que utilizam tantos
numerais quanto letras gregas. O carbono á de todos os aminoácidos é o
carbono 2.
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
55
A química dos aminoácidos e peptídeos Aula
3ra letra do nome do aminoácido correspondente. Alguns têm símbolos
que não têm nenhuma relação com os seus nomes, como por exemplo, o
triptofano e a lisina, que são representados por W e K, respectivamente.
Como já existem dois aminoácidos representados pelas letras L (a leuci-
na) e T (a treonina), convencionou-se representar a lisina com a letra K e
o triptofano com a letra W.
Tabela 1: Nome e abreviatura dos aminoácidos
ESTEREOQUÍMICA DOS AMINOÁCIDOS
 A maioria dos aminoácidos como a alanina (cuja cadeia lateral é um
grupo metil) apresenta carbono assimétrico, sendo a glicina a única exce-
ção. Como a cadeia lateral da glicina é um átomo de hidrogênio, esse
aminoácido apresenta um carbono simétrico (Figura 3).
Figura 3. Estruturas dos aminoácidos glicina e L-alanina. As estruturas
da glicina e alanina são representadas pela projeção de Fischer. Como a
cadeia lateral da glicina é um átomo de hidrogênio, essa molécula é simé-
trica. A alanina é assimétrica por apresentar um carbono quiral ligado a 4
56
Bioquímica
grupos químicos ou átomos diferentes. A cadeia lateral da alanina é um
grupo hidrocarboneto (CH3, metil).
DETERMINAÇÃO DA CONFIGURAÇÃO
ABSOLUTA DOS AMINOÁCIDOS
Para determinação da configuração absoluta dos aminoácidos o gru-
po carboxila (COOH) é posicionado na parte superior da molécula, na
mesma posição do grupo aldeído (CHO) da molécula de referência (o
Gliceraldeído). O grupo amino (NH
2
) e o átomo de hidrogênio (H) loca-
lizam-se no plano horizontal da molécula e a cadeia lateral na parte infe-
rior. Se o grupo amino (NH
2
) estiver para o lado direito, coincidindo com
a mesma posição da hidroxila (OH) do D-Gliceraldeído, diz-se que a con-
figuração do aminoácido é D; se o grupo amino (NH
2
) estiver para a es-
querda, coincidindo com a mesma posição da hidroxila (OH) no L-Glice-
raldeído, a configuração será L (Figura 4). A maioria dos aminoácidos
encontrados em proteínas apresenta configuração absoluta L, excetuan-
do-se a glicina que não tem carbono assimétrico.
Figura 4. Determinação da configuração absoluta dos aminoácidos em relação ao D e L Gliceral-
deído. Nessas fórmulas em perspectiva, os carbonos são alinhados verticalmente, com o átomo
quiral no centro. Os carbonos nessas moléculas são numerados iniciando-se pelo grupo aldeído
(do Gliceraldeído) ou a carboxila de uma extremidade (do aminoácido alanina) de 1 a 3 de cima
para baixo, conforme mostrado. Quando apresentado desta forma, o grupo R do aminoácido
(neste caso, o grupo metil da alanina) está sempre abaixo do carbono a. Os L-aminoácidos
apresentam o a-aminogrupo à esquerda e os D-aminoácidos à direita.
57
A química dos aminoácidos e peptídeos Aula
3DISTINÇÃO ENTRE OS TERMOS
CONFIGURAÇÃO ABSOLUTA E DESVIO
DA LUZ PLANO POLARIZADA
Convém destacar que as letras maiúsculas D e L que antecedem os
nomes dos aminoácidos não se referem ao desvio da luz plano polarizada,
mas, à configuração absoluta dessas moléculas. Portanto, deve ser evita-
do o freqüente equívoco de fazer associação entre essas letras e o desvio
da luz plano polarizada. Para se referir ao desvio da luz plano polarizada
são utilizados os símbolos (+), para dextrorrotatório e (-) para levorrota-
tório, escritos após as letras D e L, seguido do nome do aminoácido. Por
exemplo, aminoácido L (-) serina, apresenta configuração absoluta L e é
levorrotatório, enquanto L (+) serina, apresenta configuração absoluta L
e é dextrorrotatório.
MOTIVOS QUE EXPLICAM A ASSIMETRIA
DOS AMINOÁCIDOS
A configuração das moléculas enquanto estruturas assimétricas, é
explicada por duas razões principais:
A enorme diversidade de formas percebidas na natureza somente
poderia ser possível com moléculas assimétricas. Se as biomoléculas fos-
sem simétricas, teríamos um mundo pobre em formas, previsível e monó-
tono, enfim, sem a riqueza da diversidade observada na biosfera.
As moléculas que entram na composição da matéria viva, na sua gran-
de maioria, não estão isoladas no ambiente celular. Elas interagem entre
si e essa interação ocorre com o encaixe de uma molécula em outra atra-
vés da complementaridade das suas formas. A forma da molécula é deter-
minada por sua estrutura assimétrica e tal configuração é que possibilita a
relação de complementaridade que existe entre elas.
CLASSIFICAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS QUANTO
À POLARIDADE DA CADEIA LATERAL (R)
Os aminoácidos são classificados de acordo com a polaridade da sua
cadeialateral em apolares (hidrofóbicos ou insolúveis em água), polar
neutro (hidrofílico ou solúveis em água), polar com carga negativa (áci-
do) e polares com carga positiva (básico). Entende-se por polaridade a
capacidade de um grupo químico formar pólos elétricos, o que possibilita
a esse grupo se solubilizar em água interagindo com ela por pontes de
58
Bioquímica
hidrogênio; Os aminoácidos apolares são insolúveis em água por apre-
sentarem em sua cadeia lateral apenas hidrocarboneto. Os aminoácidos
polares são solúveis em água porque apresentam em sua cadeias laterais
grupos polares como OH, NH e C=O, que fazem pontes de hidrogênio
com a água. Os aminoácidos básicos apresentam carga líquida positiva
no pH 7,0; enquanto os aminoácidos ácidos apresentam carga líquida
negativa no pH 7,0, permitindo a esses aminoácidos formarem uma ca-
mada de hidratação quando adicionados à água, revelando, portanto, sua
propriedade hidrofílica.
AMINOÁCIDOS APOLARES OU HIDROFÓBICOS
Os grupos R nesta classe de aminoácidos são apolares ou hidrofóbicos
(Figura 5). São formados em sua maioria por hidrocarbonetos. Os amino-
ácidos dessa classe são L-alanina, L-valina, L-leucina, L-fenilalanina, L-
prolina, L-triptofano, L-metionina e L-isoleucina.
AMINOÁCIDOS POLARES OU POLARES NEUTROS
Os grupos R destes aminoácidos são hidrofílicos, ou solúveis em
água. Isso se deve aos grupos funcionais de suas cadeias laterais que
formam pontes de hidrogênio com a água. Esta classe de aminoácidos
inclui serina, L-treonina, L-cisteína, L-asparagina, L-tirosina, L-gluta-
mina e glicina (Figura 6).
Figura 5. Aminoácidos apolares ou hidrofóbicos apresentam em sua cadeia lateral (R) hidrocarbo-
netos. A L-metionina é apolar devido à eletronegatividade do átomo enxofre (S) ser próxima da
eletronegatividade do carbono.
59
A química dos aminoácidos e peptídeos Aula
3
AMINOÁCIDOS POLARES ÁCIDOS (COM CARGA
LÍQUIDA NEGATIVA) NO pH 7,0
Os aminoácidos ácidos apresentam grupos R com carga líquida nega-
tiva em pH 7,0 que são L-aspartato e L-glutamato. Vale destacar que
cada um deles possui na cadeia lateral um segundo grupo carboxila ioni-
zado em pH 7,0 (Figura 7).
Figura 7 Aminoácidos ácidos. Os aminoácidos ácidos L-glutamato e L-aspartato
apresentam carga líquida negativa no pH 7,0 (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 6. Aminoácidos polares. Os aminoácidos polares apresentam em sua cadeia lateral grupos
químicos que interagem com a água por pontes de hidrogênio.
60
Bioquímica
Figura 8. Aminoácidos básicos. Os aminoácidos L-arginina, L-histidina e L-lisina apresentam
carga líquida positiva (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 9. Os aminoácidos aromáticos L-fenilalanina, L-tirosina e L-
triptofano apresentam em sua cadeia lateral o grupo funcional fenil ou
anel aromático (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
AMINOÁCIDOS POLARES BÁSICOS (COM CARGA
LÍQUIDA POSITIVA) NO pH 7,0
Os aminoácidos cujos grupos R apresentam carga positiva líquida
em pH 7,0 são denominados aminoácidos básicos. Dessa classe fazem
parte lisina, arginina e histidina (Figura 8)
AMINOÁCIDOS AROMÁTICOS
Os aminoácidos que apresentam em sua cadeia lateral um grupo fenil
ou anel aromático são denominados aminoácidos aromáticos, que são L-
tirosina, L-triptofano e L-fenilalanina (Figura 9).
61
A química dos aminoácidos e peptídeos Aula
3
Tabela 2: Aminoácidos essenciais e não-essenciais
CLASSIFICAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS QUANTO
AS SUAS NECESSIDADES NUTRICIONAIS
Levando em consideração o critério nutricional, os aminoácidos são
classificados em essenciais e não essenciais. Definem-se os aminoácidos
essenciais como aqueles que não são produzidos nas células e, desta for-
ma, devem ser obtidos por meio da alimentação. Os aminoácidos não
essenciais são os que podem ser produzidos pelas células. A tabela 2 lista
os aminoácidos essenciais e não essenciais.
AMINOÁCIDOS DERIVADOS OU ESPECIAIS
Os aminoácidos derivados ou especiais são formados a partir de um
dos 20 aminoácidos padrões ou primários. Esses aminoácidos resultam
de modificações químicas sofridas por um dos aminoácidos primários após
a sua produção na célula. A L-cistina é um aminoácido derivado formada
a partir da oxidação de duas moléculas de L-cisteína (Figura 10). A oxida-
ção das moléculas orgânicas tanto pode ocorrer com a perda de átomos
de hidrogênio como com o aumento de átomo de oxigênio ligado ao car-
bono. A oxidação da cisteína ocorre com a perda de átomo de hidrogênio
do grupo tiol (SH) da cadeia lateral (Figura 10).
62
Bioquímica
O aminoácido g-carboxiglutâmico, cuja função é ligar o cálcio, é en-
contrado na proteína da coagulação sangüínea, a protrombina. O amino-
ácido 4-hidroxiprolina, derivado da prolina, e a 5-hidroxilisina, derivado
da lisina, são encontrados no colágeno que é uma proteína fibrosa com
uma função estrutural. 6-N-metilisina é encontrado na miosina, proteína
que atua na contração muscular (Figura 11).
Desmosina e isodesmosina são aminoácidos derivados formados a
partir da reação de quatro moléculas de lisina. A elastina, uma proteína
de propriedade elástica, é rica em desmosina e isodesmosina. Esses ami-
noácidos têm importância fundamental na atividade biológica dessa pro-
teína, pois são eles que conferem a ela elasticidade, uma vez que esses
aminoácidos interligam cadeias polipeptídicas (Figura 11).
Figura 10. Formação de cistina a partir da oxidação de duas moléculas de cisteína. Duas unidades
de L-cisteína são oxidadas no grupo sulfidrila (SH) formando uma ligação covalente denominada
ligação dissulfeto (S-S) resultando na formação de L-cistina.(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 11. Estruturas químicas dos aminoácidos derivados ou especiais (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
63
A química dos aminoácidos e peptídeos Aula
3
NOMENCLATURA DOS RESÍDUOS DE
AMINOÁCIDOS NA CADEIA PEPTÍDICA
A extremidade de uma cadeia polipeptídica que contém o grupo
amino corresponde ao primeiro resíduo de aminoácido e a que con-
tém o grupo carboxila corresponde ao último resíduo de aminoáci-
do. Os resíduos de aminoácidos na cadeia polipeptídica são nomea-
dos por substituição do sufixo ina do nome do aminoácido corres-
pondente por il, como serina, que passa a ser denominada seril e
glicina de glicil. Aminoácidos como tirosina, são nomeados apenas
por substituição da letra a por il, portanto, tirosinil. O último amino-
ácido de uma cadeia polipeptídica é nomeado sem qualquer altera-
ção no seu nome. O peptídeo Ser·Gly·Ala·Val·Phe·Met·Ala forma-
Figura 12. Formação de um peptídeo. O grupo carboxila (COOH) de um aminoácido reage com
um grupo amino (NH
2
) de outro aminoácido, com eliminação de H
2
O, produzindo uma ligação
covalente denominada ligação peptídica (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
PEPTÍDEOS
Os peptídeos são cadeias pequenas de aminoácidos formadas a partir
da reação dos aminoácidos. Nessa reação, o grupo carboxila de um ami-
noácido reage com o grupo amino de um outro aminoácido, produzindo
uma ligação covalente denominada ligação peptídica (Figura 12). Uma
unidade de aminoácido na cadeia polipeptídica é denominada resíduo
devido à perda de uma hidroxila pelo grupo carboxila de um aminoácido
e a eliminação de um átomo de hidrogênio pelo grupo amino.
64
Bioquímica
do por 7 resíduos de aminoácidos, quais sejam: serina, glicina, vali-
na, fenilalanina, metionina e alanina é nomeado serilglicilalanilvalil-
fenilalanilmetionilalanina.
NOMENCLATURA DOS PEPTÍDEOS
Os peptídeos que apresentam até dez resíduos de aminoácidos, são
nomeados empregando os prefixos di, tri, tetra, penta, hexa, hepta, octa, nona
e deca ao nome peptídeo. Por exemplo: o peptídeo formado por dois ami-
noácidos é denominado dipeptídeo; o que é formado por três, tripeptí-
deo; por quatro, tetrapeptídeo; por cinco, pentapeptídeo, etc. Para os pep-
tídeos que apresentam mais de dez resíduos deaminoácidos utilizamos
os termos oligopeptídeos ou polipeptídios.
Os oligopeptídeos são cadeias pequenas de aminoácidos. Esse ter-
mo se aplica a peptídeos com um número máximo de 20 resíduos de
aminoácidos. Polipeptídio é um termo empregado para se referir a pep-
tídeos com mais de 20 resíduos de aminoácidos. Esse termo é empre-
gado também como sinônimo de proteína ou de uma cadeia de prote-
ína. Alguns autores divergem na diferenciação de peptídeos de prote-
ínas. Segundo Lehninger, um polímero de aminoácidos é considerado
uma proteína quando apresentar uma cadeia com 100 unidades de ami-
noácidos. Devlin defende que uma proteína deve conter uma cadeia
com um número mínimo de 70 aminoácidos e para Donald Voet, a
partir de 40 aminoácidos. Então, para evitar dúvidas ao se nomear
peptídeo com mais de dez aminoácidos, é conveniente chamá-los sim-
plesmente de peptídeos.
PEPTÍDEOS DE OCORRÊNCIA BIOLÓGICAS
A tabela 3 traz exemplos de alguns peptídeos com importantes
atividades biológicas como os dipeptídeos carnosina e anserina que
atuam como tampões. Os tampões são misturas de ácidos e bases
fracos que atuam no tamponamento do pH, ou seja, atuam evitando
variações no valor de pH tanto para valores ácidos como básicos.
Esses dipeptídeos atuam tamponando o pH de células musculares.
O tripeptídeo glutationa atua como um antioxidante, evitando a oxi-
dação de moléculas orgânicas e de metais, como o íon F2+ que pode
ser oxidado a Fe3+.
65
A química dos aminoácidos e peptídeos Aula
3
O aspartame é um dipeptídeo formado por fenilalanina e aspartato.
O aspartame é um adoçante de baixa caloria, obtido por processos indus-
trializados, é bastante utilizado em dietas de emagrecimento.
CONCLUSÃO
Os aminoácidos são as unidades estruturais formadoras dos peptíde-
os e proteínas. Os vinte aminoácidos comumente encontrados nessas
moléculas são alfa aminoácidos formados por um grupo amino, uma car-
boxila, um átomo de hidrogênio e uma cadeia lateral. Esses aminoácidos
são denominados padrões ou primários e apresentam uma configuração
absoluta L, com exceção da glicina (que é o único aminoácido que não
apresenta carbono assimétrico). Os aminoácidos primários se classificam
de acordo com a polaridade da cadeia lateral em apolar (ou hidrofóbico),
polar neutro (ou hidrofílico), polar com carga positiva e polar com carga
negativa (ou ácido). Os grupos amino e carboxila desses aminoácidos
reagem em uma reação de desidratação (eliminação de água) formando
os peptídeos (que são pequenas cadeias de aminoácidos) e as proteínas
(grandes cadeias de aminoácidos).
Tabela 3: Peptídeos de ocorrência biológica
66
Bioquímica
RESUMO
Os aminoácidos são moléculas orgânicas formadas por um grupo
carboxila, um grupo amino, um átomo de hidrogênio e um radical ou ca-
deia lateral. São as unidades estruturais das proteínas e peptídeos. Os 20
aminoácidos comumente encontrados na estrutura de proteínas são de-
nominados aminoácidos padrões ou primários. A maioria dos aminoáci-
dos tem seus nomes terminados com o sufixo “ina”, como: prolina, glici-
na, alanina asparagina, etc. Outros têm nomes terminados em “ano”, como
o triptofano e em “ico”, como o ácido aspártico e o ácido glutâmico. A
maioria dos aminoácidos encontrados em proteínas apresenta configura-
ção absoluta L, excetuando-se a glicina que não tem carbono assimétrico.
Os aminoácidos são classificados de acordo com a polaridade da sua ca-
deia lateral em apolar (hidrofóbico), polar neutro (hidrofílico), polar com
carga negativa (ácido) e polar com carga positiva (básico). A cadeia late-
ral dos aminoácidos apolares é formada por hidrocarbonetos ou átomos
com valores de eletronegatividade próximos do carbono e hidrogênio como
alanina, valina, leucina, fenilalanina, prolina, triptofano, metionina e iso-
leucina. Os aminoácidos polares ou polares neutros apresentam grupos
R solúveis em água como serina, treonina, cisteína, asparagina, tirosina,
glutamina e glicina. Os aminoácidos básicos apresentam grupos R com
carga positiva líquida em pH 7,0 como lisina, arginina e histidina e os
ácidos têm grupos R com carga líquida negativa como aspartato e gluta-
mato. Os aminoácidos essenciais não são produzidos nas células e devem
ser obtidos da alimentação. Os aminoácidos não essenciais são produzi-
dos pelas células. Os aminoácidos derivados ou especiais são formados a
partir de modificações químicas sofridas por um dos 20 aminoácidos pri-
mários após a síntese da cadeia polipeptídica. Os peptídeos são cadeias
pequenas de aminoácidos, que podem ser formados pela reação dos ami-
noácidos ou pela hidrólise de proteínas. O grupo carboxila de um amino-
ácido reage com o grupo amino de um outro aminoácido, produzindo
uma ligação covalente denominada ligação peptídica. Os peptídeos que
apresentam até dez resíduos de aminoácidos, são nomeados empregando
os prefixos di, tri, tetra, penta, hexa , hepta, octa, nona e deca ao nome
peptídeo. Para os peptídeos que apresentam mais de dez resíduos de ami-
noácidos, utilizam-se os termos oligopeptídeos ou polipeptídios.
67
A química dos aminoácidos e peptídeos Aula
3
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
1. Certamente você não deve ter encontrado qualquer dificuldade
em diferenciar os aminoácidos padrões dos aminoácidos especiais.
Pois vejamos, tanto os aminoácidos primários quanto os aminoácidos
especiais são moléculas orgânicas formadas por um grupo amino
(NH
2
), uma carboxila (COOH), um átomo de hidrogênio (H) e um
radical ou cadeia lateral (R), ligados ao átomo de carbono a. A única
diferença entre esses dois aminoácidos apontadas por você deve está
relacionada forma como eles são produzidos nas células. Enquanto
os aminoácidos padrões são produzidos a partir de uma informação
genética contida na molécula do DNA, os aminoácidos especiais,
por sua vez, resultam de modificações químicas sofridas pelos
aminoácidos padrões após a sua produção.
2. Certamente você deve ter identificado a sequência de aminoácidos
acima com a sequência de um peptídeo. Para ser mais preciso, imagino
que você identificou que esta é sequência de um pentapeptídeo. Os
aminoácidos nessa sequência são representados pela abreviatura de
três letras. Essas abreviaturas são utilizadas para descrever de forma
prática a seqüência de aminoácidos tanto de peptídeos quanto de
proteínas. A regra seguida na abreviatura de três letras da maioria
dos aminoácidos consiste em escrever as três primeiras letras iniciais
do seu nome em inglês. Assim, a sequência acima é formada pelos
aminoácidos: Tirosina, Glicina, Glicina, fenilalanina e Leucina.
3. Uma confusão observada com certa freqüência quando se refere
às letras D- e L- antes dos nomes dos aminoácidos, é a de relacionar
ATIVIDADES
1. Diferencie os aminoácidos padrões ou primários dos aminoácidos deri-
vados ou especiais.
2. O que significa a sequência descrita abaixo?
Tyr·Gly·Gly·Phe·Leu
3. Explique o significado das letras D- e L- antes dos nomes de aminoáci-
dos seguidas dos sinais (+) e (-).
4. Como são classificados os aminoácidos de acordo com a polaridade de
seu grupo R?
5. O que são aminoácidos essenciais?
6. Como são formados os peptídeos e como eles são nomeados?
68
Bioquímica
essas letras com o desvio da luz plano polarizada. Esse equívoco é
justificado pela letra D ser a inicial da palavra dextrorrotatório e L de
levorrotatório. Na verdade, as letras D e L referem-se à configuração
absoluta desses aminoácidos. Assim, espera-se que você tenha
identificado que a configuração absoluta do aminoácido é a estrutura
tridimensional dessas moléculas quando comparadas com a
configuração dos isômeros D e L- do Gliceraldeído. Esses dois
isômeros do Gliceraldeído são usados como padrões na determinação
de configuração de qualquer molécula orgânica. A maioria dos
aminoácidos apresenta configuração absoluta L, sendo a única
exceção o aminoácido glicina,que não apresenta carbono assimétrico.
Com relação aos símbolos (+) e (-), certamente você terá respondido
corretamente se reconheceu que o símbolo (+) representa o desvio
da luz plano polarizada para a direita e (-) com o desvio da luz plano
polarizada para a esquerda.
4. Certamente você reconheceu corretamente que a classificação dos
aminoácidos baseia-se na capacidade da cadeia lateral dos
aminoácidos se solubilizar ou não em água. Essa solubilidade
diferenciada dos aminoácidos é um reflexo da polaridade da cadeia
lateral desses aminoácidos. Dessa forma, a polaridade deve ser
compreendida como a capacidade de um grupo químico formar pólos
elétricos (os polares), possibilitando-o interagir com a água por
formação de pontes de hidrogênio, Os grupos apolares não formam
pólos elétricos, não interagindo assim com a água. Em termos
práticos, a polaridade relaciona-se com a capacidade de um grupo
interagir ou não com água, se solubilizando nesse meio, ou não. Dessa
forma, os aminoácidos são classificados de acordo com a polaridade
da sua cadeia lateral em apolares (hidrofóbicos ou insolúveis em água),
polares neutros (ou hidrofílicos ou solúveis em água), polares com
carga negativa (ou ácidos) e polares com carga positiva (ou básicos).
5. Aprendemos com a classificação dos aminoácidos nessa aula que
o termo essencial em nutrição significa o que a célula não consegue
produzir e, portanto, deve obter da alimentação. Dessa forma os
aminoácidos essenciais são aqueles que a célula não consegue
produzir. São dez os aminoácidos considerados essenciais para os
seres humanos: Triptofano, valina, treonina, fenilalanina, isoleucina,
metionina, histidina, arginina, lisina e leucina.
6. Certamente você não deve ter tido dificuldade em reconhecer que
os grupos COOH e NH
2
 dos aminoácidos podem reagir produzindo
69
A química dos aminoácidos e peptídeos Aula
3
uma ligação covalente denominada ligação covalente. A ligação
peptídica une os aminoácidos formando os peptídeos e proteínas.
Dessa forma, os peptídeos são pequenas cadeias de aminoácidos.
Os peptídeos são nomeados empregando os prefixos di, tri, tetra,
penta, hexa , hepta, octa, nona e deca ao nome peptídeo. Por exemplo:
o peptídeo formado por dois aminoácidos é denominado dipeptídeo,
por três, tripeptídeo, por quatro, tetrapeptídeo, por cinco,
pentapeptídeo, etc. Para os peptídeos com mais de dez resíduos de
aminoácidos utilizamos os termos oligopeptídeos ou polipeptídios.
Os oligopeptídeos são cadeias pequenas de aminoácidos. Esse termo
se aplica a peptídeos com um número máximo de 20 resíduos de
aminoácidos. Polipeptídio é um termo empregado para se referir a
peptídeos com mais de 20 resíduos de aminoácidos.
PRÓXIMA AULA
Na próxima aula teremos a oportunidade de introduzir o estudo das pro-
teínas, identificando algumas funções biológicas que essas biomoléculas
desempenham nas células e como elas são classificadas. Até lá!
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5 ed. Rio
de Janeiro: Guanabara-Koogan, 2004.
CHAMPE, P. C.; HARVEY, R. A. Bioquímica ilustrada, 2 ed. Editora
Artes Médicas, 1997.
KOOLMAN, J.; RÖHM, Klaus-Heinrich. Bioquímica. 3 ed. Porto Ale-
gre: Editora Artmed, 2005.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica.
2 ed. São Paulo: Sarvier, 1995.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica.
3. ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
STRYER, L. Bioquímica. 4 ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1996.
VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica.
1 ed, Porto Alegre: Editora Artmed, 2000.
INTRODUÇÃO AO ESTUDO
DAS PROTEÍNAS
META
Introduzir o estudo das proteínas, compreendendo algumas de suas principais funções
biológicas e de suas classificações.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
identificar algumas das principais funções biológicas das proteínas;
reconhecer o valor nutricional de proteínas vegetais e animais;
descrever as proteínas quanto à solubilidade;
classificar as proteínas quanto à composição;
distinguir as proteínas quanto ao número de cadeias polipeptídicas; e
diferenciar as proteínas quanto à forma;
PRÉ-REQUISITOS
Para acompanhar esta aula você devera
estudar ou rever conceitos de química
abordados nas aulas introdução à
Bioquímica e a química dos aminoácidos e
peptídeos.
Aula
4
(Fonte: http://www.gettyimages.com).
72
Bioquímica
INTRODUÇÃO
As proteínas são as biomoléculas mais abundantes da matéria viva,
representando cerca de 50 a 80% do peso seco da célula (sem o peso da
água) sendo, portanto, o composto mais abundante de matéria viva. Nos
animais, as proteínas correspondem à cerca de 80% do peso dos múscu-
los desidratados, cerca de 70% da pele e 90% do sangue seco. São com-
postos orgânicos formados por carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigê-
nio, e enxofre. Algumas proteínas contêm elementos adicionais, particu-
larmente fósforo, ferro, zinco e cobre. Essas biomoléculas apresentam
elevadas massas moleculares. São encontradas em todas as partes das
células e desempenham funções fundamentais na manutenção dos pro-
cessos vitais de todos os organismos vivos como o transporte de oxi-
gênio, função essa desempenhada no sangue pela hemoglobina e nos
tecidos pela mioglobina. Daí por que o motivo que explica o termo
proteína ser derivado da palavra grega proteos, significando “a primei-
ra” ou a “mais importante”. Todas as proteínas são formadas a partir
do mesmo conjunto dos 20 aminoácidos padrões, ligados covalente-
mente em seqüências lineares características, sequências essas deno-
minadas estrutura primária.
(Fonte: http://www.alimentacaoforadolar.com.br).
73
Introdução ao estudo das proteínas Aula
4ALGUMAS FUNÇÕES BIOLÓGICAS
DAS PROTEÍNAS
As proteínas são as biomoléculas com as mais diversas e versáteis
funções biológicas, como:
Catalisadores biológicos (enzimas). Aceleram velocidade de reações quí-
micas. Exemplos: As enzimas ribonuclease, tripsina, etc.
Proteínas de transporte. Atuam no transporte de moléculas nas células,
como por exemplo, a hemoglobina que transporta oxigênio dos pulmões
para os tecidos e a mioglobina, que armazena oxigênio nos músculo, trans-
portando-o, quando necessário para as mitocôndrias.
Proteínas nutritivas e de reserva energética. São nutrientes necessá-
rios no desenvolvimento dos seres vivos e na manutenção dos seus
processos vitais. Exemplos: gliadina, proteína das sementes de tri-
go, é necessária na germinação dessa planta; zeína, encontrada nas
sementes do milho; ovoalbumina, proteína clara do ovo, é o alimento
do embrião
Proteínas contráteis ou de movimento. Desempenham função contrátil
ou de conferir movimento. A actina e a miosina, proteínas dos músculos
envolvidas na contração muscular. As dineínas são famílias de proteínas
motoras que executam movimentos.
Proteínas estruturais. São as proteínas que dão forma e sustentação aos
tecidos, como por exemplo: colágeno, elastina, a e b-queratinas, etc.
Transportadores de elétrons. Essas proteínas transportam elétrons das
coenzimas (NADH e FADH
2
) produzidas no metabolismo ao oxigê-
nio, o aceptor final de elétrons na célula como os citocromos, proteí-
nas da cadeia respiratória.
Proteínas de defesa. Atuam na defesa de seres vivos contra ação de pató-
genos (agentes causadores de doenças como vírus, fungos e bactérias), de
predadores, etc. O veneno de serpente contém proteínas tóxicas, que
uma vez lançada na circulação de suas presas ou de seus predadores,
podem levá-los a morte. A ricina, toxina vegetal encontrada nas se-
mentes da mamona, defende essa planta do ataque de herbívoros, evi-
tando, assim, que eles comam as suas sementes. Os anticorpos são
proteínas secretadas pelos linfócitos b, cuja função é proteger o corpo do
ataque de antígenos, como bactérias.
Proteínas reguladoras. Atuam na regulação nos níveis de determinados
constituintes celulares.A insulina, hormônio protéico, regula os níveis
da glicose sangüínea. Quando a glicose está elevada no sangue, a in-
sulina é secretada pelas células b do pâncreas, facilitando a passagem
da glicose pelas membranas celulares, para que ela seja armazenada na
forma de glicogênio.
74
Bioquímica
VALORES NUTRICIONAIS DAS PROTEÍNAS
ANIMAIS E VEGETAIS
Para um alimento ser considerado uma boa fonte de proteína, deve
apresentar as seguintes características: ser rico em aminoácidos essenci-
ais, ser de boa digestibilidade e não conter princípios tóxicos. As proteí-
nas vegetais são importantes fontes de alimentos para homens e animais
domésticos, contudo, o valor delas como excelentes fontes de proteínas é
limitado por: sua baixa composição em aminoácidos essenciais, sua baixa
digestibilidade e, em alguns casos, como as sementes de algodão e mamo-
na, por apresentar princípios tóxicos para homem e animais.
Por sua vez, as proteínas obtidas de fontes animais são ricas em ami-
noácidos essenciais e são de boa digestibilidade, sendo consideradas me-
lhores do que as proteínas vegetais em termos nutricionais. As proteínas
ovoalbumina, obtida da clara do ovo, a caseína, do leite, são excelentes
fontes protéicas de origem animal. Contudo, existem proteínas animais
pobres em aminoácidos essenciais, como o colágeno. A gelatina é um
produto alimentício obtido da hidrólise do colágeno, portanto, essa não é
uma boa fonte protéica.
CLASSIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS QUANTO
À SOLUBILIDADE
Quanto à solubilidade ou insolubilidade em água as proteínas são
classificadas em: albuminas, globulinas glutelinas, prolaminas, protami-
nas e escleroproteínas. As albuminas são solúveis em água ou solução de
cloreto de sódio 0,9% (NaCl 0,9%) diluída; as globulinas, insolúveis em
água, mas solúveis em solução de NaCl, as glutelinas, solúveis em solu-
ções ácidas ou soluções básicas; as prolaminas, solúveis em solução de
etanol 70 - 80%, mas insolúveis em água. A tabela 1 resume as principais
características dessas proteínas.
75
Introdução ao estudo das proteínas Aula
4Tabela 1 - Classificação das proteínas quanto à solubilidade
CLASSIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS QUANTO
À COMPOSIÇÃO
Quanto à composição, as proteínas são classificadas em simples e
conjugadas. As proteínas simples são formadas somente por aminoáci-
dos, enquanto que as proteínas conjugadas apresentam um cofator ligado
à cadeia polipeptídica. O cofator é um grupo químico de natureza inorgâ-
nica (normalmente um íon metal como o Fe2+, Cu2+, Mg2+, etc.) ou de
natureza orgânica (composto de carbono, como o grupo heme da hemo-
globina). O cofator de natureza orgânica é denominado coenzima. Quan-
do o cofator se liga de forma covalente a cadeia polipeptídica da proteína
conjugada ele passa a ser denominado grupo prostético
A apoproteína é a porção protéica da proteína conjugada sem o cofa-
tor ou grupo prostético, enquanto holoproteína refere-se à proteína con-
jugada completa, ou seja, ligada ao seu cofator ou grupo prostético. As
proteínas conjugadas são classificadas de acordo com a natureza química
dos cofatores em: lipoproteínas, glicoproteínas, fosfoproteínas, hemepro-
teínas, flavoproteínas, metaloproteínas, etc. A tabela 2 apresenta a classi-
ficação das proteínas conjugadas, apresentando o grupo prostético de cada
uma dessas proteínas, seguidos de alguns exemplos.
76
Bioquímica
Tabela 2 - Classificação das proteínas conjugadas
CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO NÚMERO
DE CADEIAS POLIPEPTÍDICAS
Quanto ao número de cadeias polipeptídicas as proteínas são classifi-
cadas em monoméricas e multiméricas.
Proteínas monoméricas. São formadas por apenas uma única cadeia poli-
peptídica (Figura 1a). Exemplos: Mioglobina, albumina, caseína, etc.
Proteínas multiméricas. São formadas por mais de uma cadeia polipep-
tídica, interligadas por ligação covalente (Figura 1b). Dentre as multi-
méricas existem ainda as proteínas oligoméricas, que são formadas por
mais de uma cadeia polipeptídicas não interligadas por ligação covalen-
te (Figura 1c). A a hemoglobina é um exemplo clássico de proteína
oligomérica. A hemoglobina é formada por quatro cadeias polipeptídi-
cas, sendo duas cadeias a e duas cadeias â. A estrutura dessa proteína
será estudada mais detalhadamente na aula “estruturas tridimensionais
e funções biológicas das proteínas globulares”.
77
Introdução ao estudo das proteínas Aula
4
Figura 2. Proteínas quanto ao número de cadeias polipeptídicas a) Proteína monomérica (b)
Estrutura da insulina, uma proteína multimérica formada por duas cadeias polipeptídicas interli-
gadas por ligação dissulfeto. (c) (Fonte: Garret & Grisham, 1995).
CLASSIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS QUANTO À FORMA
De acordo com a sua estrutura ou forma, as proteínas são classifica-
das em fibrosas e globulares. As proteínas fibrosas são insolúveis em água
e desempenham funções estruturais e de proteção externa, como por exem-
plo, a a-queratina, encontrada em estruturas como: garra de animais, ca-
belo, pena, casco de animais (Tabela 4). Como muitas proteínas dessa
classe formam estruturas em forma de fibras foram denominadas fibrosas
(figura 2a). Nem toda proteína fibrosa apresenta estrutura em forma de
fibra, exemplo disso são a elastina, alguns tipos de colágenos e as â-que-
ratinas, sendo consideradas como dessa classe devido a sua insolubilida-
de em água e as suas funções estruturais.
78
Bioquímica
Tabela 4: Tipos de proteínas fibrosas
Figura 2. Tipos de proteínas quanto à forma: a) proteína fibrosa e b) proteína globular
(Fonte: Garret & Grisham, 1995).
CONCLUSÃO
As proteínas são as biomoléculas que apresentam as mais diversas e
versáteis funções biológicas. São moléculas orgânicas solúveis e insolúveis
em água. As albuminas são exemplos de proteínas solúveis em água e glo-
bulinas, glutelinas, prolaminas, protaminas e escleroproteínas, por sua vez,
são exemplos de proteínas insolúveis em água. Quanto à presença ou não
de um cofator as proteínas podem ser simples (formadas apenas por amino-
ácidos) ou conjugada (que apresenta um cofator, grupo químico diferente
do aminoácido). Quanto ao número de cadeias as proteínas são classifica-
das em monoméricas (apresentando apenas uma cadeia polipeptídica) e
multiméricas (formadas por mais de uma cadeia polipeptídica). As proteí-
nas oligoméricas são do tipo multiméricas, cujas cadeias polipeptídicas são
79
Introdução ao estudo das proteínas Aula
4interligadas apenas por ligação covalente. A mioglobina e a hemoglobina
são proteínas conjugadas do tipo hemeproteína, enquanto a mioglobina é
monomérica, a hemoglobina é oligomérica. Quanto à forma as proteínas
são classificadas em fibrosas e globulares. As proteínas fibrosas apresen-
tam funções estruturais e são insolúveis em água e as proteínas globula-
res, por sua vez, apresentam funções versáteis e são solúveis em água. Os
tipos de proteínas fibrosas são α-queratina, â-queratina, elastina e colá-
geno. As proteínas globulares apresentam funções biológicas dinâmicas
como: proteínas de transporte, catalisadores biológicos (enzimas) proteí-
nas reguladoras, proteínas nutricionais, entre outras.
RESUMO
As proteínas são as biomoléculas que apresentam as mais diversas e
versáteis funções biológicas, como catalisadores biológicos, transporta-
dores, nutrientes, agentes da contração muscular, componentes estrutu-
rais das células, transportadores de elétrons, defesa dos seres vivos con-
tra ação de patógenos, de predadores, reguladoras, entre outras. As prote-
ínas de origem vegetal são deficientes em um ou mais aminoácidos essen-
ciais, enquanto, as proteínas de fontes animais são ricas em aminoácidos
essenciais e são de boa digestibilidade, sendo consideradas melhores do
que as proteínas vegetais em termos nutricionais. Quanto à solubilidade
ou insolubilidade em água as proteínas são classificadas em: albuminas,
globulinasglutelinas, prolaminas, protaminas e escleroproteínas. Quanto
à composição, as proteínas são classificadas em simples e conjugadas. As
proteínas simples são formadas somente por aminoácidos, enquanto as
proteínas conjugadas apresentam um cofator ligado à cadeia polipeptídi-
ca. As proteínas conjugadas são classificadas de acordo com a natureza
química dos cofatores em: lipoproteínas, glicoproteínas, fosfoproteínas,
hemeproteínas, flavoproteínas, metaloproteínas, etc. Quanto ao número
de cadeias polipeptídicas as proteínas são classificadas em monoméricas
e multiméricas. As proteínas monoméricas são formadas por apenas uma
única cadeia polipeptídica e as multiméricas por mais de uma cadeia po-
lipeptídica. De acordo com a sua forma as proteínas são classificadas em
fibrosas e globulares. As proteínas fibrosas são insolúveis em água e de-
sempenham funções estruturais e de proteção externa. Como exemplo de
proteínas fibrosas temos as proteínas a-queratina, â-queratina, elastina e
colágeno. As proteínas globulares, por sua vez, apresentam cadeias poli-
peptídicas enoveladas, assumindo um aspecto globular ou esférico. São
solúveis em água e desempenham diversas funções biológicas dinâmicas
como: proteínas de transporte, catalisadores biológicos (enzimas) proteí-
nas reguladoras, proteínas nutricionais, entre outras.
80
Bioquímica
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
1. Se você respondeu essa atividade partindo da constatação de que
a mioglobina e hemoglobina são hemeproteínas encontradas em
diferentes tecidos animais, então essa foi uma boa estratégia, haja
vista que a hemoglobina (uma proteína oligomérica, formada por
quatro cadeias polipeptídicas) transporta o oxigênio no sangue dos
pulmões para o tecido e a mioglobina (uma proteína monomérica),
por sua vez, é que transporta oxigênio nos tecidos musculares, fazendo
a difusão desse gás para as mitocôndrias onde ocorre a produção de
energia nas células.
2. Caso você tenha marcado um x na letra E, então você acertou
essa atividade, pois um dos fatores que limitam os vegetais como
fontes protéicas é a presença de princípios tóxicos. Além do mais,
como estudamos nessa aula para um alimento ser considerado uma
boa fonte de proteína ele não deve conter princípios tóxicos. Deve
ser rico em aminoácidos essenciais e ser de boa digestibilidade. A
ricina é um das proteínas mais tóxicas que se conhece, o que limita o
uso dessa semente na alimentação.
3. Caso você tenha associado essas classes de proteínas às diferentes
solubilidades que essas proteínas apresentam em água, certamente
terá sido uma boa associação. Assim, enquanto as albuminas e
globulinas são proteínas plasmáticas, as escleroproteínas são proteínas
ATIVIDADES
1. Explique como duas diferentes proteínas como mioglobina e hemoglo-
bina desempenham a mesma função biológica de transporte de oxigênio.
2. A proteína ricina encontrada em sementes de Ricinus communis (mamo-
na) não é uma boa fonte de proteína em termos nutricionais devido a:
a) ( ) apresenta boa digestibilidade b) ( ) é um produto industrializado
c) ( ) é pobre em aminoácidos não essenciais d) ( ) é um produto de origem animal
e) ( ) apresenta princípios tóxicos
3. O que são albuminas, globulinas e escleroproteínas?
4. Diferencie cofator de grupo prostético.
5. Explique o que são proteínas oligoméricas.
6. Em que aspectos se diferenciam as proteínas fibrosas de proteínas
globulares?
81
Introdução ao estudo das proteínas Aula
4
com função estrutural, encontradas na matriz extracelular. No que
se refere à solubilidade dessas proteínas em água, certamente você
deve ter indicado que a albumina é uma proteína solúvel em água e
as globulinas e escleroproteínas insolúveis nesse líquido.
4. Certamente você deve ter pensado no grupo prostético como
sendo o próprio cofator ligado a cadeia polipeptídica por ligação
covalente. Esses grupos apresentam a mesma natureza química, o
que vai diferir entre eles é o tipo de ligação química que os liga à
cadeia polipeptídica das proteínas conjugadas. O cofator é um grupo
químico de natureza inorgânica ( normalmente um íon metal como
o Fe2+, Cu2+, Mg2+, etc) ou de natureza orgânica (composto de
carbono, como o grupo heme da hemoglobina). O cofator de natureza
orgânica é denominado coenzima.
5. Aprendemos nessa aula que quanto ao número de cadeias
polipeptídicas, as proteínas são classificadas em monoméricas e
multiméricas. Como os termos sugerem, as monoméricas são proteínas
que apresentam apenas uma cadeia polipeptídica, enquanto as
multiméricas apresentam mais de uma cadeia polipeptídica. As
cadeias polipeptídicas das proteínas multiméricas podem ser
interligadas por ligação covalente, ou interligadas por ligações não
covalentes. Certamente você deve ter identificado as proteínas
oligoméricas como proteínas multiméricas, cujas cadeias
polipeptídicas são interligadas por ligações químicas não covalentes.
Como exemplo clássico de uma proteína oligomérica você deve ter
apontado a hemoglobina, que é formada por quatro cadeias
polipeptídicas, não interligadas por ligação covalente.
6. Certamente você deve ter reconhecido que essas duas proteínas
apresentam tanto diferenças estruturais quanto funcionais. Dessa
forma, as proteínas fibrosas e globulares se diferenciam tanto nas
funções biológicas que elas desempenham, quanto em suas estruturas
tridimensionais e em suas solubilidades em água. Quanto às funções
biológicas as proteínas fibrosas desempenham funções estruturais,
conferindo forma e dando sustentação a tecidos. As proteínas
globulares, por sua vez, apresentam funções versáteis e dinâmicas.
Quanto à solubilidade as proteínas fibrosas são insolúveis em água e
as proteínas globulares solúveis nesse líquido.
82
Bioquímica
PRÓXIMA AULA
Na próxima aula teremos a oportunidade de introduzir o conhecimento
das estruturas tridimensionais das proteínas fibrosas, visando compreen-
der como essas proteínas estão aptas a desempenhar as funções estrutu-
rais no mundo vivo. Então, até lá!
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5 ed. Rio
de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1992.
DEVLIN, T. M. Manual de Bioquímica com correlações clínicas.
Editora Edgard Blücher LTDA, 1998.
GARRET, R. H.; GRISHAM, C. M. Biochemistry. Saunders College
Publishing, 1995.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 2
ed. São Paulo: Sarvier, 1995.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 3
ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
STRYER, L. Bioquímica. 4 ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1996.
VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica.
Porto Alegre: Artmed, 2000.
ESTRUTURAS TRIDIMENSIONAIS
E FUNÇÕES BIOLÓGICAS DAS
PROTEÍNAS FIBROSAS
META
Identificar a arquitetura molecular das proteínas fibrosas, associando-as com as funções
biológicas que essas proteínas exercem na natureza.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
reconhecer os níveis estruturais da organização das proteínas fibrosas;
definir estrutura primária
definir estrutura secundária das a-queratinas;
citar características das ?-queratinas;
descrever a organização das a-queratinas no cabelo;
descrever a estrutura secundária das ß-queratinas;
citar características das ß-queratinas;
diferenciar as estruturas secundárias das a- e ß-queratinas;
citar as funções biológicas do colágeno;
descrever a estrutura secundária do colágeno; e
descrever as características da elastina.
PRÉ-REQUISITOS
Para acompanhar esta aula, possibilitando uma melhor compreensão dos conteúdos
trabalhados, você deverá rever conceitos nas aulas Introdução à Bioquímica, A química dos
aminoácidos e peptídeos e a Introdução ao estudo das proteínas.
Aula
5
(Fonte: http://cftc.cii.fc.ul.p).
84
Bioquímica
INTRODUÇÃO
A estrutura tridimensional de uma proteína ou seja, a forma dessa
molécula, é determinada por quatro níveisestruturais, a saber: estrutura
primária, estrutura secundária, estrutura terciária e estrutura quaternária.
A combinação desses quatro níveis estruturais origina as diversas estru-
turas, ou a conformação das proteínas (Figura 1). O termo conformação
se refere às diversas formas que uma molécula pode apresentar devido às
ligações simples entre os átomos de carbono poder girar livremente, assu-
mindo um número muito grande de diferentes estruturas moleculares.
Nessa aula e na próxima estudaremos as estruturas tridimensio-
nais das proteínas levando em consideração os quatros aspectos des-
tacados abaixo:
- A estrutura tridimensional de uma proteína é determinada por sua se-
qüência de aminoácidos;
- A função biológica que uma proteína exerce está relacionada a sua es-
trutura tridimensional;
- Uma proteína apresenta uma estrutura tridimensional própria, não exis-
tindo duas proteínas com a mesma conformação, assim podemos afirmar
que a sua forma é singular ou quase singular;
- As ligações covalentes e não covalentes são as forças químicas envolvi-
das na manutenção da estrutura nativa de uma proteína, ou seja, da for-
ma em que ela tem atividade biológica;
- Entre o número imenso de estruturas possíveis de conformação das
proteínas, podem-se reconhecer alguns padrões estruturais comuns na
arquitetura protéica.
Representação esquemática dos níveis de organização molecular de uma proteína (Fonte: http://
www.universitario.com.br ).
85
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas fibrosas Aula
5A ESTRUTURA PRIMÁRIA
As proteínas são formadas pelos 20 aminoácidos padrões ou primá-
rios, e algumas delas (como colágeno e a a-queratina) ainda podem apre-
sentar alguns aminoácidos especiais (Figura 1). Apesar de serem forma-
das pelo mesmo repertório dos 20 aminoácidos padrões, as proteínas
diferem tanto na sua seqüência de aminoácidos (estrutura primária)
quanto nas suas formas e em suas funções biológicas. A estrutura pri-
mária é o nível mais básico da organização estrutural de proteínas, de-
terminando a formação de todos os outros níveis estruturais. A Altera-
ção de um único aminoácido da estrutura primária pode, em alguns ca-
sos, modificar a forma da proteína. Essa substituição de aminoácido na
sequência de uma proteína pode acarretar em um melhor desempenho
da função, como também em outras circunstâncias, pode causar sérios
problemas de saúde, como é o caso da anemia falciforme, doença gené-
tica provocada pela substituição de um único aminoácido de cada ca-
deia β da hemoglobina. Essa substituição acarreta em mudança da for-
ma da proteína, resultando em prejuízo do desempenho de sua função
biológica da hemoglobina.
Figura 1. Níveis estruturais da organização das estruturas de protéicas (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
ESTRUTURA SECUNDÁRIA DAS ααααα-QUERATINAS
DEFINIÇÃO DE ESTRUTURA SECUNDÁRIA
A estrutura secundária é o arranjo espacial dos resíduos de aminoáci-
dos sucessivos e próximos na cadeia polipeptídica, em torno de um eixo
imaginário. A estrutura secundária ou a conformação de todas as α-que-
ratinas é a α-hélice. As proteínas do tipo α-queratina são encontradas em
estrutura como o cabelo, unhas, casco de animais, escamas de peixe, chi-
fre de animais, penas de aves etc.
86
Bioquímica
Figura 2: a) Estrutura da a-hélice destacando a disposição helicoidal da cadeia e a periodicidade, tendo
essa estrutura 3,6 resíduos de aminoácidos por volta b) Estabilização da a-hélice por formação de
pontes de hidrogênio intramolecular ou intracadeia, representada por tracejados cor rosa. C) Os grupos
das cadeias laterais (R) são projetados para fora do plano da hélice (Fonte: Berg et al. 2004).
CARACTERÍSTICAS DA ESTRUTURA
SECUNDÁRIA DAS PROTEÍNAS
- É formada por aminoácidos sucessivos e próximos na sequência de ami-
noácidos da cadeia polipeptídica;
- A cadeia lateral dos aminoácidos (ou grupo R) não participam na for-
mação dessa estrutura;
- É estabilizada apenas pela interação não covalente pontes de hidrogênio.
O MODELO DA ααααα-HÉLICE
O modelo da α-hélice foi proposto por Linus Pauling e Robert Corey
em 1951. Nesse modelo a cadeia polipeptídica está enrolada em torno de
um eixo imaginário em disposição helicoidal. A cada volta da hélice são
encontrados 3,6 resíduos de aminoácidos (Figura 2a). Essa volta tem um
comprimento de 0,54 nm, sendo essa a periodicidade (o padrão de repe-
tição) da α-hélice. As cadeias laterais (grupos R) dos aminoácidos es-
tão projetadas para fora do plano da α-hélice (Figura 2b). Essa estrutu-
ra é mantida por pontes de hidrogênio intracadeia. A formação das pon-
tes de hidrogênio se dá com os grupos C=O e NH da ligação peptídica,
entre os resíduos de aminoácidos sucessivos e próximos na seqüência de
aminoácidos (Figura 2c).
87
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas fibrosas Aula
5
ORGANIZAÇÃO DAS CADEIAS POLIPEPTÍDICAS
DAS ααααα- QUERATINAS NO CABELO
Quando fios de cabelo em seu estado natural são examinados ao
microscópio eletrônico, precisamente nas pontas, em que se fez o cor-
te do fio, observa-se que essa estrutura é formada por várias fibrilas
(Figura 4a). A estrutura básica dessas fibras é a unidade formada por
cerca de oito dímeros (Figura 4a) de á-hélice, o protofilamento (Figu-
ra 4b). Dois protofilamentos se associam formando uma protofibrila
(Figura 4c) e 4 unidades de protofibrilas formam um filamento inter-
mediário ou microfibrila (Figura 4d). Várias microfibrilas se associam
formando macrofibrilas, que unidas preenchem todo o citoplasma das
células do cabelo, o que faz dela, uma estrutura morta, em que a mem-
CARACTERÍSTICAS DAS PROTEÍNAS A-QUERATINAS
As α-queratinas são proteínas fibrosas, cujas cadeias polipeptídicas apre-
sentam disposição em α-hélice e apresentam as seguintes características:
- São ricas em aminoácidos apolares, sendo, portanto, insolúveis em água;
- São ricas no aminoácido derivado cistina, cuja função principal é inter-
ligar as cadeias polipeptídicas por ligação dissulfeto (S-S), conferindo ri-
gidez (dureza) e insolubilidade a essas proteínas (Figura 3). O casco da
tartaruga é mais rígido do que cabelo, porque a α-queratina do casco
apresenta um maior número de ligações dissulfeto do que o cabelo;
- São esticadas ao dobro do seu tamanho quando aquecidas. Isso explica
o fato do cabelo poder ser esticado quando do tratamento por escova.
Figura 3 Ligação dissulfeto entre as cadeias polipeptídicas
das a-queratinas (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
88
Bioquímica
brana celular se transforma em uma estrutura alongada e tubular de-
nominada cutícula (Figura 4a).
Figura 4. (a) Corte transversal de um fio de cabelo representado a organização das α-
queratinas nessa estrutura. Fonte: Nelson e Cox, 2002. (b) Organização molecular das fibras
das α-queratinas (Fonte: Voet et al., 2000).
ESTRUTURA DAS βββββ-QUERATINAS
O MODELO ESTRUTURAL DAS βββββ-QUERATINAS,
A CONFORMAÇÃO βββββ
Os insetos e aracnídeos produzem vários tipos de seda para fabri-
car estruturas como casulos, teias, ninhos e pedúnculos de ovos. A
fibroína da seda é uma proteína fibrosa obtida de larvas cultivadas do
bicho da seda Bombyx mori. Em 1951, ano em que estabeleceram o
modelo da α-hélice para as a-queratinas, Linus Pauling e Robert Co-
rey também propuseram um segundo modelo para descrever a estru-
tura secundária das cadeias polipeptídicas das βββββ-queratinas, denomi-
nando-o conformação b ou folha β-pregueada. Nessa conformação as
cadeias polipeptídicas estão dispostas lado a lado assumindo um as-
pecto em ziguezague, tendo os grupos R dos aminoácidos localizados
acima e abaixo do plano da folha b. A estabilização da folha preguea-
da é feita por pontes de hidrogênio intercadeia, com os grupos C=O e
NH da ligação peptídica (Figura 5).
89
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas fibrosas Aula
5Análise da seqüência de aminoácidos da fibroína demonstra que essa
proteína apresenta repetição de cadeias polipeptídicas dispostas lado a lado,
ricas em uma seqüência de seis resíduos de aminoácidos (glicina-serina-
glicina-alanina-glicina-alanina)
n
. Uma vez que os grupos laterais dos ami-
noácidos nas cadeias polipeptídicas das b-queratinas se estendem para la-
dos opostos da folha b as cadeias laterais de glicina da fibroína projetam-se
para uma superfície de uma folha b, enquanto os resíduos de alanina e seri-
na projetam na outra superfície (Figura 6). As folhas b empilham-se para
formar um arranjo micro cristalino, em que camadas de folhas adjacentes
unidas pelo contato de cadeias laterais de glicina se alternam com camadas
de folhas unidas pelo contato de cadeias laterais de serina e alanina.
Figura 5. Estrutura da b-conformação ou folha b-pregueada. (a) Representação da b-conforma-
ção em forma de uma folha pregueada. A posição dos grupos da cadeia lateral (esferas vermelhas)
dispostas acima e abaixo do plano da folha. (b) Estabilização da b-conformação por pontes de
hidrogênio intercadeia.(Fonte: Voet et al., 2000).
Figura 6. Posições da alanina e glicina na conformação â (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
90
Bioquímica
As cadeias polipeptídicas das β-queratinas assumem tanto disposi-
ção paralela quanto antiparalela. Na disposição paralela as cadeias poli-
peptídicas apresentam todos os grupos amino (NH
2
) em uma das extre-
midades, e todos os grupos carboxila (COOH) na outra extremidade
(Figura 7a). Na disposição antiparalela, as posições dos grupos amino
(NH
2
) e dos grupos carboxila (COOH) se alternam entre as cadeias
polipeptídicas (Figura 7b). A conformação antiparalela é mais estável
do que a disposição paralela, devido à orientação das pontes de hidro-
gênio nelas permitir uma maior interação eletrostática, do que nas for-
mas paralelas as. As cadeias polipeptídicas da fibroína apresentam dis-
posição antiparalela.
Figura 7 a) β-conformação paralela e b) β-conformação antiparalela (Fonte: Voet et al., 2000).
CARACTERÍSTICAS DAS βββββ-QUERATINAS
As β-queratinas apresentam as seguintes características:
- São formadas por aminoácidos cuja cadeia lateral apresenta grupos quí-
micos pequenos como glicina; alanina e serina;
- Entre as cadeias polipeptídicas das β-queratinas não ocorre formação
de ligação covalente dissulfeto (S-S),
- Não se distendem quando aquecidas, mas suas cadeias polipeptídicas
são flexíveis e dobráveis.
91
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas fibrosas Aula
5
Tabela 1 - Diferenças entre as proteínas a e b-queratinas
ESTRUTURA E FUNÇÃO DO COLÁGENO
O colágeno é a proteína mais abundante em mamíferos, compondo a
quarta parte de seu peso total. Forma uma família de proteínas fibrosas
encontrada em todos os organismos multicelulares, sendo de importância
fundamental na formação da matriz extracelular do tecido conjuntivo,
conferindo a esse tecido grande parte de suas propriedades físicas. No
homem existem pelo menos 30 tipos de colágeno, que diferem tanto em
suas estruturas quanto em suas funções.
O colágeno se caracteriza por formar estruturas insolúveis em água,
resistentes à força de tensão. São fibras rígidas e resistentes ao estira-
mento. O colágeno é o principal elemento fibroso da pele, matriz or-
gânica de dentes e ossos, tendão, cartilagem, vasos sangüíneos, cór-
nea dos olhos, etc.
DIFERENÇAS ENTRE AS PROTEÍNAS
ααααα-QUERATINAS E βββββ-QUERATINAS
As proteínas α e β-queratinas apresentam diferenças, quer seja, na
suas estruturas primária e secundária, como nas suas propriedades físi-
cas (Tabela 1).
92
Bioquímica
COMPOSIÇÃO DE AMINOÁCIDOS
DO COLÁGENO
O colágeno apresenta 35% de glicina, 11% de alanina e 21% de pro-
lina e hidroxiprolina (um aminoácido especial derivado da prolina por
hidroxilação). A glicina, o menor aminoácido, é encontrado a cada três
posições na cadeia polipeptídica (Figura 8a). A glicina se encaixa no es-
paço restrito em que as três cadeias polipeptídicas estão juntas. Os resí-
duos de glicina são parte de uma seqüência repetitiva Gli-X-Y-, em que X
freqüentemente é a prolina e Y a hidroxiprolina ou hidroxilisina. Estes
dois últimos aminoácidos resultam da hidroxilação de certos resíduos de
prolina e lisina, após a sua incorporação na cadeia polipeptídica. Ressal-
te-se que as posições de X e Y podem ser ocupadas por qualquer um dos
20 (vinte) aminoácidos padrões ou primários.
A ESTRUTURA SECUNDÁRIA DO COLÁGENO:
A TRIPLA-HÉLICE OU TROPOCOLÁGENO
A unidade básica do colágeno é denominada tropocolágeno. O
tropocolágeno é constituído de três cadeias polipeptídicas de mes-
mo tamanho, apresentando cerca de 1000 resíduos de aminoácidos.
Cada uma das três cadeias apresenta uma conformação helicoidal,
enrolando-se uma em torno da outra, formando um cabo rígido (Fi-
guras 8b e c). Essa hélice é pontuada de curvas devido à presença
dos aminoácidos prolina e hidroxiprolina (Figuras 8a e b) Apesar de
introduzir curvas na hélice do colágeno, prolina e hidroxiprolina con-
ferem rigidez ao colágeno. Essa é a estrutura secundária do coláge-
no, proposta por Rich e Francis Crick, sendo denominada tripla héli-
ce ou tropocolágeno. A tripla hélice apresenta uma periodicidade de
0,29nm, apresentando 3,3 aminoácidos por volta. É estabilizada por
formação de pontes de hidrogênio intracadeia, que se dá com os gru-
pos C=O e NH da ligação peptídica. A cadeia lateral do aminoácido
especial hidroxiprolina interage com o meio aquoso por formação de
pontes de hidrogênio.
93
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas fibrosas Aula
5
Várias fibrilas de colágeno, denominadas tropocolágeno arranjam-se
em feixes paralelos formando fibras. Essas unidades se distribuem ao lon-
go da fibra com um espaçamento entre as cabeças de tropocolágeno de
64nm, originando as estriações característica dessas fibras, visíveis ao
microscópio eletrônico (Figura 9).
Figura 8. A tripla hélice do colágeno. a) Estrutura da tripla hélice destacando aposição dos
aminoácidos glicina e prolina. b) Representação da molécula do colágeno através do modelo de
fita, destacando a forma de hélice cheia de curva das cadeias polipeptídicas (c) As cadeias do
colágeno se arranjam lado a lado formando fibras.
94
Bioquímica
Figura 9. Fibrilas de colágeno vistas ao microscópio eletrônico (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
IMPORTÂNCIA DA GLICINA NA ESTRUTURA DA
TRIPLA HÉLICE (TROPOCOLÁGENO)
Como o interior do cabo helicoidal trifilamentar é muito apertado, o
único aminoácido que pode se comportar nesse espaço é a glicina (Fi-
gura 8a). Isso explica o motivo pelo qual ela ocupa sempre a terceira
posição do tropocolágeno. Este exemplo é esclarecedor da importân-
cia da glicina apresentar um átomo de hidrogênio na sua cadeia late-
ral, sendo, portanto, uma molécula simétrica. A presença da glicina a
cada terceira posição é tão importante, que a substituição desse ami-
noácido, pode levar a formação de colágenos defeituosos, tendo es-
truturas frouxas, não aptas para o desempenho de suas funções bioló-
gicas. Alguns defeitos genéticos humanos na estrutura do colágeno
ilustram a relação próxima que existe entre a seqüência de aminoáci-
dos e a estrutura tridimensional desta proteína. A osteogenesis imperfecta
(conhecida também com doença dos ossos de vidros); é uma doença
genética, caracterizada por uma formação óssea anormal em que os
ossos são quebradiços; a síndrome de Ehlers-Danlos, também uma
95
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas fibrosas Aula
5doença genética caracterizada pela presença de ligamentos frouxos,
que se esticam como elástico. Ambas as condições podem ser letais e
resultam da substituição de um resíduo de glicina em cada cadeia a
por um resíduo de aminoácido com um grupo R maior, como a fenila-lanina ou serina. Essas substituições de um único resíduo têm um efeito
catastrófico sobre a função do colágeno porque elas rompem a repeti-
ção Gly-X-Pro que dá ao colágeno a sua estrutura helicoidal característi-
ca. Dado o seu papel na hélice tripla do colágeno a glicina não pode ser
substituído por outro resíduo de aminoácido sem levar a efeitos substan-
cialmente deletérios sobre a estrutura.
O ESCORBUTO
A hidroxiprolina no colágeno é formada após a síntese da cadeia
polipeptídica. Alguns resíduos de prolina do colágeno são convertidos
em hidroxiprolina em uma reação catalisada pela enzima prolil hidroxi-
lase. Essa enzima necessita de ácido ascórbico (a vitamina C) como
coenzima em sua atividade catalítica. No escorbuto, doença que ocorre
devido à deficiência de vitamina C na alimentação, o colágeno recém
sintetizado não pode formar fibras adequadas, o que resulta em lesões
na pele, fragilidade dos vasos sanguíneos, cicatrização dificultada e até
mesmo a morte. O escorbuto era comum em marinheiros em longas
viagens, durante as quais a alimentação deles era destituída de frutas e
vegetais, alimentos ricos em vitamina C. James Cook propôs a introdu-
ção de limão na alimentação desses marinheiros, resolvendo o proble-
ma do escorbuto.
ESTRUTURA E FUNÇÃO DA ELASTINA
A elastina é também uma proteína fibrosa da matriz extracelular
com propriedades elásticas As cadeias polipeptídicas da elastina po-
dem ser distendidas até várias vezes seu comprimento normal, mas
retorna à sua forma original quando a força de estiramento é relaxada.
Essa proteína é encontrada na parede das artérias de grande calibre e
nos ligamentos elásticos.
A elastina é composta principalmente de resíduos de aminoácidos
pequenos e apolares, como glicina, alanina e valina. Na sua composi-
ção também podem ser encontrados os aminoácidos prolina, lisina,
hidroxiprolina, mas nenhum resíduo de hidroxilisina. As fibras de elas-
tina são formadas como uma rede tridimensional de polipeptídios, de
conformação irregular. As. Quatro cadeias laterais de lisina (de quatro
96
Bioquímica
cadeias polipeptídicas diferentes de elastina) podem ser covalente-
mente unidas para formar uma ligação cruzada de desmosina ou iso-
desmosina. Isto resulta em uma rede elástica extensamente interco-
nectada, que quando forçada pode estirar-se e dobrar-se em qualquer
direção dando elasticidade ao tecido.
A elastina parece não ter uma estrutura secundária regular, mas
apresenta uma estrutura enovelada em que os resíduos de aminoáci-
dos são móveis. A elevada distensão das cadeias polipeptídicas da elas-
tina, embora apresente ligações cruzadas, confere a elastina uma elas-
ticidade como a da borracha. Os resíduos de lisina na elastina são
oxidados em presença da enzima lisil oxidase, sendo convertidos a
alisina. Três resíduos de alisina e uma lisina de regiões diferentes da
cadeia polipeptídica reagem formando a estrutura heterocíclica da
desmosina ou isodesmosina, estabelecendo ligações cruzadas cova-
lentemente entre as cadeias polipeptídicas da elastina.
CONCLUSÃO
A estrutura tridimensional das proteínas é definida por quatro níveis
estruturais da organização protéica: estrutura primária, estrutura secun-
dária, estrutura terciária e a estrutura quaternária. Na estrutura secundá-
ria das α-queratinas, denominada -hélice, a cadeia polipeptídica tem um
arranjo helicoidal, em torno de um eixo imaginário, sendo estabilizada
por pontes de hidrogênio intracadeia. As β-queratinas apresentam a con-
formação β ou folha β pregueada como estrutura secundária. Nessa es-
trutura as cadeias polipeptídicas assumem uma disposição em zigueza-
gue. Podem ser paralelas ou antiparalelas e são estabilizadas por pontes
de hidrogênio intercadeia. O colágeno é a proteína mais abundante do
corpo. Apresenta como estrutura básica uma unidade trifilamentar deno-
minada tripla hélice. A hélice do colágeno é pontuada por curvas, sendo
formada principalmente pelos aminoácidos glicina, prolina e hidroxipro-
lina. A elastina é uma proteína da matriz extracelular. Confere elasticida-
de aos tecidos e suas cadeias polipeptídicas são interligadas pelos amino-
ácidos especiais desmosina e isodesmosina.
97
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas fibrosas Aula
5RESUMO
A estrutura tridimensional de uma proteína ou seja, a forma dessa
molécula, é determinada por quatro níveis estruturais, a saber: estrutu-
ra primária, estrutura secundária, estrutura terciária e estrutura quater-
nária. A estrutura primária é a sequência de aminoácidos de uma prote-
ína. É o nível mais básico da organização estrutural de proteínas, deter-
minando a formação de todos os outros níveis estruturais. Nas proteí-
nas fibrosas a cadeia polipeptídica forma estruturas tridimensionais, que
se caracterizam pela proximidade dos aminoácidos na sua formação.
Esse nível estrutural é a estrutura secundária, que é definida como o
arranjo espacial dos resíduos de aminoácidos sucessivos e próximos na
cadeia polipeptídica, em torno de um eixo imaginário. A estrutura se-
cundária das proteínas do tipo Nesse modelo a cadeia polipeptídica está
enrolada em torno de um eixo imaginário em disposição helicoidal. A
cada volta da hélice são encontrados 3,6 resíduos de aminoácidos. Essa
estrutura é estabilizada por pontes de hidrogênio intracadeia. As â-
queratinas são proteínas fibrosas encontradas em estruturas como fios
de seda, teia de aranha, alguns tipos de ninho de aves. A estrutura
secundária dessas proteínas é a conformação ou folha â pregueada.
Nessa conformação as cadeias polipeptídicas estão dispostas lado a
lado, em forma de ziguezague. Formam disposição paralela e antipa-
ralela e são estabilizadas por pontes de hidrogênio intercadeia. O co-
lágeno é uma das proteínas da matriz extracelular. Essa é a proteína
mais abundante do corpo. As fibras do colágeno são resistentes, es-
tando bem adaptadas a suportar força de tensão. A estrutura secundá-
ria do colágeno é a tripla hélice. A cada terceira posição na cadeia
polipeptídica do colágeno é encontrado o aminoácido glicina, que per-
mite a essa proteína formar fibras resistentes. A elastina é também
uma proteína da matriz extracelular. A elastina confere elasticidade a
pele, paredes de vasos, e ligamentos. É uma proteína rica nos aminoáci-
dos especiais desmosina e isodesmosina. Os aminoácidos desmosina e
isodesmosina interligam as cadeias polipeptídicas da elastina conferin-
do a elasticidade dessa proteína.
98
Bioquímica
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
1. A estrutura primária de uma proteína é o nível mais básico da
organização protéica. É a sequência de aminoácidos de uma proteína,
formada pelos 20 aminoácidos padrões ou primários e os aminoácidos
derivados ou especiais.
2. Certamente você reconheceu a estrutura secundária de uma
proteína como a estrutura tridimensional ou a forma dessa proteína.
Em termos moleculares você deve ter associado a estrutura
secundária das proteínas fibrosas com o arranjo tridimensional da
cadeia polipeptídica, em uma estrutura em que os aminoácidos são
sucessivos e próximos. A estrutura secundária das á-queratinas é a
á-hélice. Nessa estrutura a cadeia polipeptídica enrola-se em torno
de um eixo imaginário, assumindo uma disposição helicoidal. A cada
volta da hélice são encontrados 3,6 resíduos de aminoácidos. Essa
volta tem um comprimento de 0,54 nm, sendo essa a periodicidade
da á-hélice. As cadeias laterais (grupos R) dos aminoácidos estão
projetadas para fora do plano da á-hélice. A á-hélice é estabilizada
por pontes de hidrogênio intracadeia. Essas pontes de hidrogênio
são formadas com os grupos C=O e NH da ligação peptídica.
3. Caso você tenha consultado a Figura 4 dessa aula, pode constatar
que a estrutura básica das fibras das a-queratinas no cabelo é uma
unidade formada por duas cadeias polipeptídicas, denominada dímero
(demonstrado naFigura 4b). Cerca de oito dímeros de á-hélice formam
uma estrutura denominada protofilamento. Você deve ter observado
ATIVIDADES
1. O que é a estrutura primária de uma proteína?
2. Descreva a estrutura secundária da cadeia polipeptídica das proteínas
α-queratinas.
3. Como se organizam as cadeias polipeptídicas da α-queratinas no cabelo?
4. O que é a conformação b?
5. Quando agasalhos de lã ou meia são lavados em água quente e secos
em aquecedores elétricos são inicialmente esticados e depois eles
encolhem. A seda, por outro lado, não estica e nem encolhe nas mesmas
condições. Explique esse comportamento desses diferentes tecidos.
6. Descreva e estrutura secundária do colágeno.
7. Qual a importância dos resíduos de lisina na elastina?
99
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas fibrosas Aula
5
ainda que duas unidades de protofilamentos se associam, formando
uma protofibrila. Em uma etapa posterior quatro unidades de
protofibrilas formam um filamento intermediário ou microfibrila. Várias
microfibrilas se associam formando macrofibrilas, que unidas preenchem
todo o citoplasma das células do cabelo, o que faz dela, uma estrutura
morta, em que a membrana celular se transforma em uma estrutura
alongada e tubular conhecida como cutícula (Figura 4a).
4. Certamente você não deve ter tido qualquer dificuldade em ter
apontado a conformação b como a estrutura secundária das proteínas
do tipo β-queratinas. Naturalmente deve ter indicado que essa
estrutura secundária é encontrada em proteínas como a fibroína
(encontrada nos fios de seda e teia de aranha). Na conformação-β
ou folha β pregueada as cadeias polipeptídicas estão dispostas lado a
lado, assumindo um aspecto em ziguezague. As cadeias laterais dos
aminoácidos (os grupos R dos aminoácidos) se localizam acima e
abaixo do plano da folha β. As distâncias entre os grupos R nessa
estrutura pregueada são de 0,70 nm. Você deve ter reconhecido
também que para as cadeias polipeptídicas dessa proteína manter-se
nessa conformação β é necessário que ela seja estabilizada por
interações químicas. Naturalmente você deve ter reconhecido que a
única interação química envolvida na estabilização da estrutura
secundárias das proteínas são as pontes de hidrogênio. Sendo assim,
a estabilização da folha pregueada é feita por pontes de hidrogênio
intercadeia, com os grupos C=O e NH da ligação peptídica. A
conformação β pode formar estruturas com folhas paralelas e
antiparalelas. Na disposição paralela as cadeias polipeptídicas
apresentam todos os grupos amino (NH
2
) em uma das extremidades,
e todos os grupos carboxila (COOH) na outra extremidade. Na
disposição antiparalela, as posições dos grupos amino (NH
2
) e dos
grupos carboxila (COOH) se alternam entre as cadeias polipeptídicas
5. Se você reconheceu que os agasalhos de lã são feitos de a-queratinas
e que os tecidos de seda são obtidos a partir da fibroína. Se reconheceu
ainda que essas duas proteínas apresentam propriedades diferenciadas
quando aquecidas, certamente terá concluído que:
a) O tecido de lã se esticou quando aquecido por que as a-queratinas
desse tecido são esticadas ao dobro sob aquecimento. Esse
estiramento das a-queratinas se deve a ruptura das pontes de
hidrogênio que estabilizam a estrutura da α-hélice.
b) O tecido encolhe, voltando ao seu tamanho original, com o
resfriamento porque ocorre a formação das pontes de hidrogênio
100
Bioquímica
originais que foram rompidas com o aquecimento. Ocorrendo nesse
ponto o retorno da estrutura da cadeia polipeptídica para a
conformação em α-hélice.
c) Quanto aos tecidos de seda não se esticarem sob aquecimento,
certamente você deve ter reconhecido que as cadeias
polipeptídicas da fibroína desse tecido apresentam a propriedade
de não se distenderem sob aquecimento, sendo apenas flexíveis e
dobráveis.
6. Caso você tenha reconhecido o tropocolágeno como a unidade
básica do colágeno é denominada tropocolágeno, certamente não terá
tido dificuldade em descrever a estrutura secundária do colágeno. O
tropocolágeno é constituído de três cadeias polipeptídicas de mesmo
tamanho, apresentando cerca de 1000 resíduos de aminoácidos. Cada
uma das três cadeias apresenta uma conformação helicoidal,
enrolando-se uma em torno da outra, formando um cabo rígido Essa
hélice é pontuada de curvas devido à presença dos aminoácidos
prolina e hidroxiprolina. Essa é a estrutura secundária do colágeno,
proposta por Rich e Francis Crick, sendo denominada tripla hélice
ou tropocolágeno. A tripla hélice apresenta uma periodicidade de
0,29 nm, tendo 3,3 resíduos de aminoácidos por volta. Essa estrutura
é estabilizada por formação de pontes de hidrogênio intracadeia, que
se dá com os grupos C=O e NH da ligação peptídica. A cadeia lateral
do aminoácido especial hidroxiprolina interage com o meio aquoso
por formação de pontes de hidrogênio.
7. A elastina é uma proteína fibrosa da matriz extracelular com
propriedades elásticas. É encontrada na parede das artérias de
grande calibre e nos ligamentos elásticos. A elastina é composta
principalmente de resíduos de aminoácidos pequenos e apolares,
como glicina, alanina e valina. Na sua composição também podem
ser encontrados os aminoácidos prolina e l is ina, pouca
hidroxiprolina e nenhuma hidroxilisina. As. Quatro cadeias laterais
de lisina (de quatro cadeias polipeptídicas diferentes de elastina)
podem ser covalentemente unidas para formar uma ligação
cruzada de desmosina e isodesmosina. Os resíduos de lisina na
elastina são oxidados em presença da enzima lisil oxidase, sendo
convertidos a alisina. Três resíduos de alisina e uma lisina de
regiões diferentes da cadeia polipeptídica reagem formando a
estrutura heterocícl ica da desmosina ou isodesmosina,
estabelecendo ligações cruzadas covalentemente entre as cadeias
polipeptídicas da elastina.
101
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas fibrosas Aula
5PRÓXIMA AULA
Na próxima aula teremos a oportunidade de introduzir o estudo das
estruturas tridimensionais proteínas globulares, procurando associar
essas estruturas com as funções biológicas que essas proteínas exer-
cem na natureza.
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5 ed. Rio
de Janeiro: Guanabara-Koogan, 2004.
CHAMPE, P., C.; HARVEY, R. A. Bioquímica Ilustrada. 2 ed. Editora
Artes Médicas, 1997.
KOOLMAN, J.; RÖHM, Klaus-Heinrich. Bioquímica. 3 ed. Porto Ale-
gre: Editora Artmed, 2005.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 2
ed. São Paulo: Sarvier, 1995.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 3
ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
STRYER, L. Bioquímica. 4 ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1996.
VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica.
Porto Alegre, Editora Artmed, 2000.
ESTRUTURAS TRIDIMENSIONAIS
E FUNÇÕES BIOLÓGICAS DAS
PROTEÍNAS GLOBULARES
META
Identificar as estruturas tridimensionais das proteínas globulares, relacionando-as com as
funções biológicas que essas proteínas exercem na natureza.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
descrever a estrutura tridimensional da mioglobina;
reconhecer o grupo heme;
reconhecer os padrões de enovelamento das proteínas globulares;
definir estrutura terciária;
demonstrar como as interações químicas covalentes e não covalentes estão envolvidas na
manutenção da estrutura terciária;
definir estrutura quaternária; e
definir desnaturação e renaturação.
PRÉ-REQUISITOS
Pré-requisito: Para acompanhar esta aula, possibilitando uma melhor compreensão dos conteúdos
trabalhados, você deverá rever conceitos nas aulas A química dos aminoácidos e peptídeos,
Introdução ao estudo das proteínas e estruturas tridimensionais das proteínas fibrosas.
Aula
6
As baleias têm mais quantidade de mioglobina do que os outros animais, o que permite que
armazenem uma maior quantidade de oxigênio(Fonte: www.portalsaofrancisco.com.br).
104
Bioquímica
INTRODUÇÃO
A mioglobina foi a proteína primeira proteína globular a ter a sua
estrutura tridimensional conhecida. A mioglobina é uma proteína encon-
trada nos tecidos, cuja função é armazenar oxigênio e facilitar a difusão
deste gás para as mitocôndrias do tecido muscular. Esse transporte é es-
sencial para a produção de energia celular, energia essa que é produzida
na forma de adenosina nucleotídeo trifosfato (ATP), um nucleotídeo, cuja
estrutura será tema da nossa próxima aula.
A mioglobina é uma hemeproteína monomérica. Apresenta uma ca-
deia polipeptídica contendo 153 resíduos de aminoácidos e um grupo
heme ligado a essa cadeia. O grupo heme é uma coenzima que confere a
cor marrom ou vermelha aos tecidos em que é encontrada a proteína
mioglobina e sua função é ligar o oxigênio. A mioglobina é particularmen-
te abundante nos músculos de animais aquáticos como a baleia, a foca e
o boto. O armazenamento do oxigênio pela mioglobina muscular permite
a esses animais permanecer submerso por longos períodos de tempo.
Outra proteína globular, cuja estrutura foi elucidada no início do ano
de 1960 e será estudada nessa nossa aula é a hemoglobina. A hemoglobi-
na é uma hemeproteína oligomérica, formada por quatro cadeias polipep-
tídicas (duas cadeias a e duas cadeias b). Em cada cadeia polipeptídica é
encontrado um grupo heme. A função da hemoglobina é transportar oxi-
gênio no sangue, carreando esse gás dos pulmões para os tecidos.
Formação da estrutura quaternária da hemoglobina (Fonte: http://www.biocristalografia.df.ibilce.unesp.br).
105
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas globulares Aula
6ESTRUTURA DA MIOGLOBINA
A cadeia polipeptídica da mioglobina é formada por oito segmentos
em a-hélice, que são interrompidos por curvas ou dobras nas cadeias po-
lipeptídicas. O segmento mais longo em a-hélice da cadeia polipeptídica
da mioglobina possui 23 resíduos de aminoácidos e o mais curto é forma-
do por apenas sete resíduos de aminoácidos. Mais de 70% dos resíduos de
aminoácidos na mioglobina se encontram em a-hélice (Figura 1).
Estrutura do grupo heme. O grupo heme, coenzima que liga oxi-
gênio, se localiza em um interior apolar da cadeia polipeptídica da
mioglobina. O grupo heme é uma coenzima, cuja estrutura é formada
por quatro anéis pirróis (daí por que esse grupo é denominado anel
tetrapirrólico). No centro dessa estrutura se encontra o átomo de fer-
ro no estado de oxidação reduzido (Fe2+), que é a forma que transpor-
ta oxigênio (Figura 1). Quando o anel tetrapirrólico faz quatro liga-
ções entre seus átomos de nitrogênio e o Ferro no estado ferroso (Fe2+),
tem-se a estrutura do grupo heme que passa a ser denominada anel de
protoporfirina IX.
Figura 1. Estrutura da mioglobina. Representação da cadeia polipeptídica em fita, destacando
os segmentos em a-hélice e os segmentos de curvatura da cadeia denominados voltas ou dobras-
â. O grupo heme é representado em vermelho, localizando-se no interior da cadeia polipeptídi-
ca (globina) (Fonte: Voet et al., 2000).
106
Bioquímica
Figura 2. Enovelamento da cadeia polipeptídica da mioglobina, representada no modelo de
preenchimento espacial, em que as esferas amarelas representam os aminoácidos com cadeia
lateral apolar e as esferas azuis os aminoácidos polares (Fonte: Berg et al., 2004).
PADRÃO DE ENOVELAMENTO DAS
PROTEÍNAS GLOBULARES
Dos estudos realizados com cristais da proteína mioglobina, em que
John Kendrew pretendia esclarecer a estrutura dessa proteína, ele obser-
vou que a cadeia polipeptídica dessa proteína se dobrava sobre si mesma
adquirindo um aspecto enovelado e nesse dobramento (ou enovelamen-
to) a mioglobina apresentava os seguintes padrões, padrões esses que são
seguidos no enovelamento das proteínas globulares que estão inseridas
em um ambiente aquoso (Figura 2a):
- O interior da mioglobina é tão compacto, que comporta apenas quatro
moléculas de água;
- A maioria dos aminoácidos com cadeia lateral polar localiza-se na su-
perfície e os que apresentam cadeia lateral apolar situam-se no interior da
cadeia polipeptídica;
- Nas curvas ou dobras das cadeias polipeptídicas são encontrados os
aminoácidos: prolina, glicina, serina, treonina ou asparagina;
- O grupo heme está localizado em uma fenda, ou bolsa, no interior hi-
drofóbico das hemeproteínas (Figuras 1 e 2). Esse padrão é observado
apenas para as proteínas do tipo hemeproteínas, como hemoglobina, mi-
oglobina e os citocromos.
107
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas globulares Aula
6A ESTRUTURA TERCIÁRIA
As proteínas globulares apresentam formas esféricas, cujas estru-
turas tridimensionais são mais complexas do que as estruturas das pro-
teínas fibrosas. A conformação das proteínas globulares é a estrutura
terciária, que é definida como sendo o arranjo espacial de todos os
átomos dessa molécula, incluindo a cadeia lateral de todos os amino-
ácidos. Em outras palavras, pode se afirmar que a estrutura terciária é
o enovelamento da cadeia polipeptídica, assumindo um aspecto glo-
bular ou esférico.
A ESTRUTURA TERCIÁRIA SE DIFERENCIA EM
DOIS ASPECTOS FUNDAMENTAIS DA
ESTRUTURA SECUNDÁRIA:
A estrutura terciária é formada por aminoácidos que estão distan-
tes na seqüência de aminoácidos, mas que se aproximam com o eno-
velamento da cadeia polipeptídica. A estrutura secundária, por sua
vez, é formada por resíduos de aminoácidos sucessivos e próximos na
cadeia polipeptídica;
A estrutura terciária é estabilizada tanto por interações covalentes
quanto não covalentes dos grupos R da cadeia lateral. A estrutura secun-
dária é estabilizada apenas por pontes de hidrogênio entre a C=O e o
NH, grupos química da ligação peptídica.
ESTABILIZAÇÃO DA ESTRUTURA TERCIÁRIA
A estabilização da estrutura protéica está relacionada com as liga-
ções químicas que estão envolvidas na manutenção da forma em que a
proteína é biologicamente ativa, ou seja, em que ela desempenha sua
função biológica. Essa forma em que a proteína é biologicamente ativa
é denominada conformação nativa. Assim, a estrutura terciária das pro-
teínas globulares é estabilizada tanto por ligação covalente quanto por
interações químicas não covalentes. Tanto as ligações químicas cova-
lentes quanto as interações não covalentes ocorrem entre os grupos
químicos da cadeia lateral dos aminoácidos que estão distantes na ca-
deia polipeptídica, mas são aproximados no dobramento ou enovela-
mento da proteína (Figura 3).
108
Bioquímica
LIGAÇÃO QUÍMICA COVALENTE
A ligação covalente mais freqüentemente encontrada em proteínas
é a ligação dissulfeto (S-S). Essa ligação ocorre com os grupos sulfidri-
las (SH) de resíduos de cisteína (Figura 3). As sulfidrilas são oxidadas
(perdem hidrogênio) formando um resíduo de cistina A ligação dissul-
feto é crucial em proteínas da matriz extracelular celular ou que estão
voltadas para esse meio, como as proteínas de membrana, as a-querati-
nas. No meio extracelular, essas ligações protegem a estrutura das pro-
teínas das alterações do pH que ocorrem nesse ambiente celular.
INTERAÇÕES NÃO COVALENTES
As interações não covalentes encontradas na estabilização da es-
trutura terciária são: pontes de hidrogênio, ligação iônica e interação
hidrofóbica. Dessas a interação hidrofóbica é a que mais contribui na
estabilização da estrutura terciária das proteínas globulares, promoven-
do um enovelamento tão compacto da proteína, resultando na forma-
ção de um interior apolar, inacessível a moléculas de água.
PONTES DE HIDROGÊNIO
As pontes de hidrogênio são interações químicas fracas. A formação
das pontes de hidrogênio ocorre com um hidrogênio covalentemente liga-
do a um átomo eletronegativo sendo compartilhado com outro átomo
eletronegativo. Nas proteínas globulares essa interação ocorre entre os
resíduosde aminoácidos polares que apresentam um hidrogênio ligado
covalentemente a um átomo eletronegativo, normalmente oxigênio ou
nitrogênio é compartilhado com outro átomo eletronegativo da cadeia
lateral de outro aminoácido (Figura 3).
INTERAÇÕES HIDROFÓBICAS
As interações hidrofóbicas nas proteínas globulares ocorrem quando
os grupos apolares dos aminoácidos se acomodam no interior de uma
estrutura dobrada, para fugir do contato com a água (Figura 3).
LIGAÇÃO IÔNICA
A ligação iônica ocorre com grupos químicos da cadeia lateral dos
aminoácidos básicos e ácidos. Na ligação iônica um grupo com carga
negativa (o COO- de um aminoácido ácido) atrai um grupo químico
com carga positiva (o NH
3
+ de um aminoácido básico), como por exem-
109
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas globulares Aula
6
A ESTRUTURA QUATERNÁRIA
A estrutura quaternária é a estrutura tridimensional das proteínas que
apresentam mais de uma cadeia polipeptídica, ou seja, é a conformação
das proteínas oligoméricas. Nessas estruturas as cadeias polipeptídicas
não podem ser interligadas por ligação covalente. Cada cadeia polipeptí-
dica das proteínas oligoméricas é denominada subunidade. Quando duas
ou mais cadeias das proteínas oligoméricas são iguais, elas são denomi-
nadas protômeros. A hemoglobina foi a primeira proteína oligomérica
que teve a estrutura tridimensional determinada. A hemoglobina é for-
mada por quatro cadeias polipeptídicas, cada uma delas apresentando
um grupo heme. Nos grupos heme de cada cadeia os átomos de ferro
estão no estado ferroso (Fe2+).
Figura 3. Interações químicas covalentes e não covalentes que estabilizam a estrutura
terciária. 1. Ligação covalente,(ligação dissulfeto); 2 interação hidrofóbica; 3. ligação
iônica; 4. Pontes de hidrogênio (Fonte: Biochemistry and Molecular Life Science Visual
Library, John Willey & Sons Inc, 2009).
plo, a tração entre o COO- do ácido aspártico com o –NH
3
+ da argini-
na (Figura 3).
110
Bioquímica
A porção protéica da hemoglobina, denominada globina, é formada
por duas cadeias a
1
 e a
2 
e duas cadeias b
1
 e b
2
. Nesse ponto, cabe destacar
que o emprego desses símbolos (as letras gregas a e b) para nomear as
cadeias polipeptídicas da hemoglobina não tem qualquer relação com as
conformações dessas cadeias ser do tipo a-hélice ou do tipo conforma-
ção-b, mas foi apenas um símbolo utilizado para denominar essas cadei-
as. Os protômeros a
1
 e a
2
 e b
1
 e b
2
 apresentam pouca interação entre si,
sendo maior o contato entre as subunidades a
1
 e b
1
 e a
2
 e b
2
 (Figura 4).
Figura 4 A estrutura quaternária da hemoglobina a) Ocorre mais contatos
entre as subunidades a e b. Os grupos heme (em vermelho) estão relativamente
afastados uns dos outros (Fonte: Voet et al., 2000).
DESNATURAÇÃO PROTÉICA
As proteínas apresentam uma seqüência linear de resíduos de amino-
ácidos que se enovela adquirindo sua estrutura tridimensional funcional-
mente ativa denominada conformação nativa. Alterações físicas e quími-
cas no meio em que se encontra a proteína provocadas por agentes desna-
turantes podem resultar em modificações estruturais que afetam a função
biológica da proteína. Assim, a desnaturação protéica é a perda da estru-
tura tridimensional da proteína quando ela é exposta a agentes desnatu-
rantes, com conseqüente perda de sua função biológica.
A desnaturação envolve alterações nas estruturas quaternária, terciá-
ria e secundária de proteínas, mas não na estrutura primária. Existem
vários agentes desnaturantes de proteínas, tais como: agitação mecânica
111
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas globulares Aula
6de uma solução protéica, exposição da proteína a temperaturas elevadas,
a ácidos fortes (ácido clorídrico, ácido nítrico, ácido sulfúrico, entre ou-
tros), a bases (como hidróxido de sódio), a solventes orgânicos (como
etanol ou álcool etílico), a soluções concentradas de uréia e guanidina, a
detergentes e a sais de metais pesados, etc.
Entre as alterações que se observam em decorrência da desnaturação
protéica, pode-se citar:
Diminuição da solubilidade, com formação de um glóbulo insolú-
vel, como observado no cozimento da clara do ovo ou na agitação
mecânica ao se bater as claras de ovo em neve. Essa diminuição da
solubilidade pode ser explicada pela exposição de radicais hidrofóbi-
cos e outros que prejudiquem a interação proteína-água e favoreçam a
interação proteína-proteína.
Perda de função biológica da proteína, como observado na ação de
proteínas do tipo enzima.
Aumento da reatividade de radicais da cadeia polipeptídica;
MECANISMO DE AÇÃO DOS AGENTES
DESNATURANTES NA ESTRUTURA PROTÉICA
DESNATURAÇÃO PELO CALOR
De maneira geral, o calor pode desnaturar a maioria das proteínas,
uma vez que a agitação térmica afeta as interações que estabilizam a
estrutura tridimensional das proteínas, como as pontes de hidrogênio, a
ligação iônica e as interações hidrofóbicas (Figura 5).
DESNATURAÇÃO POR SOLVENTES ORGÂNICOS,
URÉIA E DETERGENTES
Os solventes orgânicos, uréia e os detergentes atuam principalmente
promovendo a ruptura de interações hidrofóbicas que estabilizam as pro-
teínas globulares (Figura 5).
DESNATURAÇÃO POR EXPOSIÇÃO DA
PROTEÍNA A EXTREMOS DE pH
As variações bruscas do valor de pH alteram o estado iônico da ca-
deia lateral dos aminoácidos, alterando, portanto a distribuição de cargas
e a exigência de pontes de hidrogênio.
112
Bioquímica
DESNATURAÇÃO POR AGENTES REDUTORES
Agentes redutores como o mercaptoetanol reduzem as ligações
dissulfetos entre os resíduos de cistina nas cadeias polipeptídicas pro-
vocando o desenovelamento da cadeia polipeptídica.
Desnaturação por íons de matais pesados. Metais pesados como o
mercúrio (Hg2+) e chumbo (Pb2+) afetam a estrutura protéica de várias
formas. Podem romper as ligações iônicas com grupos carregados nega-
tivamente. Os metais pesados também se ligam com sulfidrilas, um proces-
so que pode resultar em profundas alterações das estruturas e funções
protéicas. Por exemplo, o chumbo liga-se a sulfidrilas de duas enzimas da
via sintética da hemoglobina causando anemia severa. O chumbo se liga
também a resíduos de SH das proteínas plasmáticas como a albumina.
RENATURAÇÃO PROTÉICA
A estrutura terciária de uma proteína globular é determinada por sua
seqüência de aminoácidos. A prova mais importante disso vem de experi-
mentos mostrando que a desnaturação de algumas proteínas é reversível.
Certas proteínas globulares desnaturadas pelo calor, exposição a soluções
Figura 5. Desnaturação de uma proteína pelo
calor, detergente aniônico e uréia.
113
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas globulares Aula
6com valores extremos de pH ou a reagentes desnaturantes retornarão a
sua conformação nativa e a sua atividade biológica se elas forem expos-
tas às condições em que a conformação nativa seja estável. Esse proces-
so é denominado renaturação. Assim, a renaturação é o re-enovelamento
da cadeia polipeptídica a sua conformação nativa, quando o agente des-
naturante é retirado do meio em que a proteína se encontra.
Um exemplo clássico é a desnaturação e a renaturação da ribonuclease.
A ribonuclease purificada pode ser completamente desnaturada por expo-
sição a uma solução concentrada de uréia em presença de um agente redu-
tor. O agente redutor rompe as quatro ligações dissulfeto, produzindo oito
resíduos de cisteínas e a uréia rompe as interações hidrofóbicas estabilizan-
tes, liberando assim todo o polipeptídio de sua conformação enovelada. A
desnaturação da ribonuclease é acompanhada por uma perda completa na
sua atividade catalítica. Quando a uréia e o agente redutor são removidos,
a ribonuclease desnaturada, na forma de uma cadeia de conformaçãoalea-
tória, espontaneamente retorna a sua estrutura terciária correta, com a res-
tauração completa de sua atividade catalítica (Figura 6).
Esse experimento clássico realizado por Christian Anfinsen em 1950
forneceu a primeira evidência de que a seqüência de aminoácidos de uma
cadeia polipeptídica contém toda a informação necessária para o enove-
lamento da cadeia em sua estrutura tridimensional nativa.
Figura 6. Desnaturação e renaturação da enzima ribonuclease (Fonte: Nelson e Cox. 2002).
114
Bioquímica
CONCLUSÃO
As proteínas globulares apresentam como estruturas tridimensionais
as estruturas terciária e a quaternária. Enquanto a estrutura terciária é o
enovelamento das proteínas monoméricas (mioglobina), assumindo um
aspecto esférico, a estrutura quaternária é a maneira como as cadeias po-
lipeptídicas se arranjam no espaço para formar a estrutura tridimensional
das proteínas oligoméricas ( hemoglobina). A mioglobina é uma heme-
proteína com função de transportar oxigênio nos tecidos, fazendo a difu-
são desse gás para as mitocôndrias. A hemoglobina, por sua vez, trans-
porta oxigênio no sangue, carreando esse gás dos pulmões para os teci-
dos. A estrutura terciária das proteínas globulares é mantida por intera-
ções covalentes e não covalentes. A ligação dissulfeto é a ligação cova-
lente envolvida na manutenção da estrutura terciária. Entre as interações
não covalentes destacam-se a ligação iônica, pontes de hidrogênio e a
interação hidrofóbica. A interação hidrofóbica é a que mais contribui na
manutenção da estrutura terciária. A estabilização da estrutura quaterná-
ria é feita apenas por interações não covalentes. As proteínas são desna-
turadas quando expostas a agentes desnaturantes como (solventes orgâ-
nicos, uréia, detergentes, metais pesados e agentes redutores). Algumas
proteínas, como a ribonuclease, podem retornar a sua conformação nati-
va, quando são retiradas do meio em que estavam expostas a um agente
desnaturante. Esse processo é denominado renaturação.
RESUMO
A mioglobina é uma proteína globular do tipo hemeproteína, cuja
função é armazenar oxigênio e facilitar a difusão deste gás para as mito-
côndrias do tecido muscular. A hemoglobina, por sua vez, é uma heme-
proteína oligomérica, formada por quatro cadeias polipeptídicas (a e b),
cuja função é transportar oxigênio no sangue, carreando esse gás dos pul-
mões para os tecidos. A estrutura tridimensional da mioglobina é a estru-
tura terciária, que é definida como sendo o arranjo espacial de todos os
átomos dessa molécula, incluindo a cadeia lateral de todos os aminoáci-
dos, ou o enovelamento da cadeia polipeptídica, assumindo um aspecto
globular ou esférico. As proteínas globulares se enovelam guardando no
seu interior a maioria dos aminoácidos apolares e na superfície os amino-
ácidos polares. A estrutura terciária é mantida por interações químicas
covalentes e não covalentes. A ligação covalente mais freqüentemente
encontrada em proteínas é a ligação dissulfeto (S-S). Essa ligação ocorre
com os grupos sulfidrilas (SH) de resíduos de cisteína. As interações não
115
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas globulares Aula
6
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
1. Se você levou em consideração na sua resposta para esta atividade
as observações feitas por John Kendrew no enovelamento da
mioglobina ( que é uma proteína globular), então esse foi um bom
caminho, pois considerando que, as proteínas globulares se enovelam
assumindo um aspecto globular ou esférico. Nesse enovelamento as
proteínas globulares expõem em sua superfície a maioria dos
aminoácidos com cadeias laterais polares (ou hidrofílicos) e encerram
no seu interior os aminoácidos com cadeias laterais apolares ou
hidrofóbicas. Nas curvas ou dobras das cadeias polipeptídicas são
encontrados os aminoácidos: prolina, glicina, serina, treonina ou
covalentes que mantêm a estrutura terciária são: pontes de hidrogênio,
ligação iônica e interação hidrofóbica. Dessas, a interação hidrofóbica é a
que mais contribui na estabilização da estrutura terciária. A desnaturação
protéica, que é a perda da estrutura tridimensional da proteína globulares
quando expostas a agentes desnaturantes,envolve alterações nas estrutu-
ras quaternária, terciária e secundária de proteínas, mas não na estrutura
primária. Existem vários agentes desnaturantes de proteínas, tais como:
agitação mecânica de uma solução protéica, exposição da proteína a tem-
peraturas elevadas, a ácidos fortes, a solventes orgânicos, a soluções con-
centradas de uréia e guanidina, a detergentes e a sais de metais pesados.
Algumas proteínas globulares desnaturadas pelo calor, exposição a solu-
ções com valores extremos de pH ou a reagentes desnaturantes retorna-
rão a sua conformação nativa e a sua atividade biológica se elas forem
expostas às condições em que a conformação nativa seja estável. Esse
processo é denominado renaturação. Assim, a renaturação é o re-enove-
lamento da cadeia polipeptídica a sua conformação nativa, quando o agen-
te desnaturante é retirado do meio em que a proteína se encontra.
ATIVIDADES
1. Cite as características gerais observadas no enovelamento de proteínas
globulares.
2. O que é a estrutura terciária de uma proteína?
3. Qual a importância da ligação dissulfeto na estabilização da estrutura
terciária das proteínas globulares da matriz extracelular?
4. O que é a estrutura quaternária de uma proteína?
5. O que são desnaturação e renaturação protéica?
116
Bioquímica
asparagina. Como o modelo de enovelamento para as proteínas
globulares foi o da mioglobina, caberia ainda comentar em sua
resposta que o grupo heme dessa proteína, ( e de todas as
hemeproteínas) localiza-se em uma fenda, ou bolsa, no interior
hidrofóbico dessas proteínas
2. Imagino você respondendo esta atividade procurando associar a
estrutura terciária das proteínas globulares com a forma dessas
proteínas. Questionamentos posteriores podem ter orientado você a
estabelecer uma correlação entre a estrutura terciária com o
enovelamento da cadeia polipeptídica das proteínas globulares. Nesse
ponto penso que você já tenha definido corretamente a estrutura
terciária como o arranjo espacial de todos os átomos da proteína
globular, incluindo a cadeia lateral de todos os aminoácidos. Podendo
afirmar também que essa estrutura é formada com os aminoácidos
que estão distantes na sequência de aminoácidos, mas que se
aproximam com o enovelamento da cadeia polipeptídica.
3. Se você se lembra da importância da ligação dissulfeto na formação
da estrutura das a-queratinas, então deve ter respondido
corretamente essa atividade, pois a ligação dissulfeto, que é formada
por reação de dois aminoácidos cisteínas é uma importante ligação
covalente que interliga cadeias polipeptídicas das proteínas.
Naturalmente você deve ter reconhecido que a única ligação
covalente encontrada em proteínas globulares é a ligação dissulfeto
(S-S). Essa ligação ocorre com os grupos sulfidrilas (SH) de resíduos
de cisteína. As sulfidrilas são oxidadas formando um resíduo de
cistina A ligação dissulfeto é crucial em proteínas da matriz
extracelular celular ou que estão voltadas para esse meio, como as
proteínas de membrana, as a-queratinas. No meio extracelular, essas
ligações protegem a estrutura das proteínas das alterações do pH
que ocorrem nesse ambiente celular.
4. Para uma resposta correta dessa atividade é esperado que você
tenha feito uma associação da estrutura quaternária com a forma ou
estrutura tridimensional de proteínas oligoméricas como a
hemoglobina, reconhecendo ainda que as proteínas oligoméricas são
formadas por mais de uma cadeia polipeptídica. A característica
marcante dessa estrutura tridimensional é que entre as cadeias
polipeptídicas das proteínas oligoméricas não ocorre a formação de
ligação covalente. Dessa forma, a estrutura quaternária é a estrutura
tridimensionaldas proteínas que apresentam mais de uma cadeia
117
Estruturas tridimensionais e funções biológicas das proteínas globulares Aula
6
PRÓXIMA AULA
Na próxima aula teremos a oportunidade de introduzir o estudo das es-
truturas e funções biológicas dos carboidratos. Nessa aula procuraremos
relacionar as estruturas dos carboidratos com as funções biológicas que
eles exercem na natureza.
polipeptídica, ou seja, é a conformação das proteínas oligoméricas.
Cada cadeia polipeptídica das proteínas oligoméricas é denominada
subunidade. Quando duas ou mais cadeias das proteínas oligoméricas
são iguais, elas são denominadas protômeros. A hemoglobina foi a
primeira proteína oligomérica que teve a estrutura tridimensional
determinada.
5. Certamente você deve ter reconhecido a desnaturação e a
renaturação como processos distintos. Enquanto a desnaturação
acarreta em perda da estrutura das proteínas, a renaturação está
envolvida com o retorno da forma de algumas proteínas que sofreram
desnaturação. Dessa forma, você pode afirmar com mais detalhes
que a desnaturação protéica é a perda da estrutura tridimensional da
proteína, quando ela é exposta a agentes desnaturantes, com
conseqüente perda de sua função biológica. A desnaturação envolve
alterações nas estruturas quaternária, terciária e secundária de
proteínas, mas não na estrutura primária. Existem vários agentes
desnaturantes de proteínas, tais como: agitação mecânica de uma
solução protéica, exposição da proteína a temperaturas elevadas, a
ácidos fortes (ácido clorídrico, ácido nítrico, ácido sulfúrico, entre
outros), a bases (como hidróxido de sódio), a solventes orgânicos
(como etanol ou álcool etílico), a soluções concentradas de uréia e
guanidina, a detergentes e a sais de metais pesados, etc. A renaturação,
por sua vez, é o re-enovelamento da cadeia polipeptídica das
proteínas globulares a sua conformação nativa, quando o agente
desnaturante é retirado do meio em que essa proteína se encontra.
Quando a proteína é renaturada ela refaz a sua estrutura terciária
correta, com a restauração completa da sua atividade biológica.
118
Bioquímica
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5 ed. Rio
de Janeiro: Guanabara-Koogan, 2004.
CHAMPE, P. C.; HARVEY, R. A. Bioquímica Ilustrada, 2 ed. Editora
Artes Médicas, 1997.
KOOLMAN, J.; RÖHM, Klaus-Heinrich. Bioquímica. 3 ed. Porto Ale-
gre: Editora Artmed, 2005.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 2
ed. São Paulo: Sarvier, 1995.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 3
ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
STRYER, L. Bioquímica. 4 ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1996.
VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica.
Porto Alegre: Editora Artmed, 2000.
A QUÍMICA DOS CARBOIDRATOS
META
Meta: Introduzir o conhecimento das estruturas químicas dos carboidratos, relacionando essas
estruturas com as diversas funções biológicas que os carboidratos exercem na natureza.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
definir carboidratos;
classificar carboidratos;
agrupar os monossacarídeos em famílias;
descrever a estereoquímica dos carboidratos;
representar graficamente as estruturas cíclicas dos monossacarídeos;
reconhecer derivados de monossacarídeos;
descrever a formação da ligação glicosídica;
reconhecer oligossacarídeos;
identificar polissacarídeos ou glicanos;
comparar as estruturas e as funções biológicas do amido e do glicogênio; e
correlacionar a estrutura da celulose com sua função biológica.
PRÉ-REQUISITOS
Para um melhor acompanhamento desta aula, você deverá estudar ou rever conceitos de
Química abordados na aula Introdução à Bioquímica.
Aula
7
(Fonte: cravoecaneladegabriela.blogspot.com).
120
Bioquímica
INTRODUÇÃO
O açúcar que as pessoas utilizam para adoçar sucos, as fibras de uma
folha de papel, a madeira das árvores, o exoesqueleto (a carapaça) de
crustáceos são alguns exemplos de substâncias que são formadas por car-
boidratos. É muito comum também associar os carboidratos às massas
como macarrão, pães, bolos e pizzas. Eles são conhecidos também como
glicídios ou sacarídeos e são as principais fontes alimentares para produ-
ção de energia em plantas e animais. Essas biomoléculas são, ainda, com-
ponentes estruturais das paredes celulares de microrganismos e plantas.
Durante esta aula, buscaremos entender essa classe de biomoléculas que
apresenta as mais variadas estruturas químicas. A grande maioria dos car-
boidratos apresenta uma proporção entre os átomos de carbono, hidrogê-
nio e oxigênio de 1:2:1. Essa proporção entre os átomos desses elemen-
tos sugere que os carboidratos apresentem um carbono hidratado (ligado
à água). Isso explica o porquê das moléculas dessa classe ter sido denomi-
nada carboidratos ou hidratos de carbono (termo não mais adotado). No
entanto, alguns carboidratos não apresentam a proporção acima mencio-
nada entre os átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio. São conhecidos
outros carboidratos que apresentam em sua composição outros átomos,
como nitrogênio, enxofre e fósforo.
Ultimamente atletas têm utilizado o carboidrato gel. Isso permite que o desempenho corporal seja
renovado em um curto período de tempo (Fonte: g1.globo.com).
121
A Química dos Carboidratos Aula
7
FUNÇÕES BIOLÓGICAS DOS CARBOIDRATOS
Os carboidratos desempenham diversas funções na natureza, a saber:
Reservas energéticas de plantas e animais. Os carboidratos são os
combustíveis da vida. A energia nos seres vivos é armazenada na forma
dos polissacarídeos amido e glicogênio. O amido é a reserva energética
das plantas e o glicogênio dos animais.
Função estrutural. Os polissacarídeos desempenham importante fun-
ção estrutural, conferindo forma e dando sustentação a estruturas mole-
culares, como a celulose (encontrada na parede celular de plantas) a pep-
CONCEITO DE CARBOIDRATOS
Os carboidratos são poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas, ou subs-
tâncias que por hidrólise liberam um desses dois compostos. Para com-
preendermos esse conceito, vamos inicialmente nos concentrar no pri-
meiro conceito que é poliidroxialdeído. O termo poliidroxi se refere à
presença de várias (daí o emprego de “poli”) hidroxilas (OH). Enquanto
o termo aldeído é empregado pelo fato de a carbonila (C=O) localizada
na extremidade da estrutura do carboidrato conferir-lhe uma função or-
gânica do tipo aldeído (Figura 1). A explicação para o termo poliidroxice-
tona também pode ser apresentada seguindo esses mesmos parâmetros,
ou seja, decompondo-o. Esses monossacarídeos também apresentam mais
de um grupo hidroxila, razão pela qual temos uma poliidroxi. Como a
carbonila (C=O) nesses monossacarídeos se localiza em qualquer posi-
ção que não a extremidade, é conferida assim uma função orgânica do
tipo cetona (Figura 1).
Figura 1 Estruturas da D-gliceraldeído (poliidroxialdeído) e da diidroxiacetona (poliidroxice-
tona). A carbonila (C=O), destacada em rosa, confere aos poliidroxialdeídos uma função
orgânica cetona e aos poliidroxicetonas uma função cetona. Essas moléculas são representadas
pela projeção de Fischer (Fonte: Nelson et al., 2002).
122
Bioquímica
tidoglicano (encontrada na parede celular de bactérias) e a quitina (no
exoesqueleto de artrópodes), etc.
Participam na adesão e reconhecimento celular. Os carboidratos
assumem grande importância em determinados eventos moleculares
como a interação entre células, a adesão de uma bactéria à superfície de
uma membrana celular, dentre outros. Essa adesão ocorre com a intera-
ção de um receptor protéico localizado na superfície das bactérias com
a porção glicídica das glicoproteínas ou de glicolipídios encontrados
nas membranas celulares (Figura 2). Os carboidratos, que são exclusi-
vamente encontrados na monocamada externa de membranas plasmáti-
cas, interagem com glicoproteínas ecom glicolipídios, formando uma
estrutura denominada glicocálix. O glicocálix é uma camada de glico-
proteínas e glicolipídios encontrada na superfície externa da membrana
citoplasmática da maioria das células eucarióticas. O glicocálix desem-
penha inúmeras funções e elas refletem, na verdade, funções desempe-
nhadas por seus componentes, atuando na inibição do crescimento ce-
lular por contato, adesão e reconhecimento celular, determinação de
grupos sanguíneos, dentre outras funções.
CLASSIFICAÇÃO DOS CARBOIDRATOS
Os carboidratos são classificados em três classes, de acordo com o
número de unidades de poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas. Classifi-
cam-se em monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos:
Monossacarídeos são os carboidratos formados por uma única unida-
de de poliidroxialdeído ou poliidroxicetona. Exemplos: glicose, galacto-
se, manose, frutose, entre outros.
Figura 2 Carboidratos com função biológica na adesão e reconhecimento celular (Fonte:
Nelson et al., 2002).
123
A Química dos Carboidratos Aula
7Oligossacarídeos são pequenas cadeias de monossacarídeos ligados
entre si por ligações covalentes. As cadeias de oligossacarídeos mais abun-
dantes na natureza contêm até dez unidades de monossacarídeos. Exem-
plos; sacarose (o açúcar da cana-de-açúcar), lactose (o açúcar do leite), etc.
Polissacarídeos são formados por longas cadeias contendo cente-
nas ou milhares de unidades de monossacarídeos, exemplos: celulose
(encontrada na parede celular de plantas), glicogênio (reserva energé-
tica dos animais), quitina (principal componente da carapaça de artró-
podes), etc.
ESTUDO DOS MONOSSACARÍDEOS
Propriedades dos monossacarídeos. Os monossacarídeos são sóli-
dos cristalinos, incolores, solúveis em água e muitos deles apresentam
sabor adocicado.
Família de monossacarídeos. Os monossacarídeos são classificados
em duas famílias: aldoses e cetoses. Essa classificação é baseada na posi-
ção da carbonila (C=O) na cadeia do monossacarídeo. O monossacarí-
deo do tipo aldose apresenta a carbonila na extremidade da cadeia, confe-
rindo a esse monossacarídeo uma função orgânica do tipo aldeído (Figu-
ras 3). O monossacarídeo do tipo cetose apresenta a carbonila em qual-
quer posição da molécula que não a extremidade da cadeia, conferindo a
ele uma função orgânica do tipo cetona (Figuras 3).
Figura 3. Estruturas da Glicose (aldose) e da Frutose (cetose) (Fonte: Voet et al., 2000).
Classificação dos monossacarídeos quanto ao número de carbo-
no. Quanto ao número de carbono, os monossacarídeos são classifica-
dos em: trioses, tetroses, pentoses, hexoses e heptoses. Um monossa-
124
Bioquímica
carídeo do tipo triose apresenta três átomos de carbono, uma tetrose
possui quatro, uma pentose tem cinco, uma hexose conta seis e uma
heptose apresenta sete. Uma aldose contendo três carbonos é deno-
minada aldotriose; para quatro carbonos, aldotetrose; para cinco
carbonos aldopentose e para seis carbonos aldohexose (Tabela 1).
Para cada uma dessas aldoses, existe uma cetose correspondente:
cetotriose (3C), cetotretose (4C), cetopentose (5C), cetohexose (6C),
e cetoheptose (7C).
Tabela 1: Monossacarídeos da série das Aldoses e Cetoses
A maioria dos monossacarídeos tem nomes terminados com o
sufixo ose. As cetoses com 4 e 5 átomos de carbono são denomina-
das com a inserção do sufixo ul ao nome das aldose correspondente,
por exemplo, a D-Eritrulose é a cetose correspondente a D-eritrose,
ambas tetroses. As cetoses do tipo hexose não seguem essa regra e
apresentam nomes comuns, como, D-frutose, D-psicose e D-sorbo-
se (Tabela 1).
ESTEREOQUÍMICA DOS MONOSSACARÍDEOS
Neste tópico, retomaremos alguns conceitos de estereoquímica de
moléculas orgânicas (caso você tenha alguma dúvida, releia o tópico 5 da
aula Introdução à Bioquímica, que será útil para uma melhor compreen-
são do que será abordado adiante).
125
A Química dos Carboidratos Aula
7
Como a maioria dos monossacarídeos apresenta mais de um carbono
assimétrico, ficou estabelecido que o carbono quiral usado para determi-
nar a configuração absoluta é o último carbono assimétrico em relação à
carbonila. Assim, quando a hidroxila (OH) nesse carbono estiver para o
lado direito, tem-se um monossacarídeo com configuração absoluta D;
mas se a OH estiver para o lado esquerdo, tem-se um monossacarídeo
com configuração absoluta L (Figura 5 e 6). Os monossacarídeos com
configuração absoluta L também são encontrados na natureza, entretan-
to são mais raros.
Figura 4 Estruturas químicas dos D- e L-gliceraldeído, monossacarídeos que são usados para
determinar a configuração absoluta das moléculas orgânicas. A forma D do Gliceraldeído
apresenta a posição da OH no carbono assimétrico (C-2) para a direita, enquanto na forma L
está para a esquerda (Fonte: Nelson et al., 2002).
Enantiômeros ou Isômeros Ópticos. A maioria dos monossacarídeos
apresenta um ou mais átomos de carbono assimétrico podendo, portanto,
apresentar enantiômeros (ou isômeros ópticos). O único monossacarídeo
que não possui isômeros ópticos é a diidroxiacetona, não apresentando
nenhum carbono assimétrico. O monossacarídeo D-gliceraldeído, com um
único carbono assimétrico, apresenta dois isômeros ópticos (Figura 4). A
fórmula para encontrar o número de isômeros ópticos é 2n, em que n é
igual ao número de carbonos assimétricos.
Determinação da configuração absoluta dos monossacarídeos. Os
monossacarídeos D- gliceraldeído e L-gliceraldeído são usados como re-
ferência na determinação da configuração absoluta das moléculas orgâni-
cas (Figura 4), como já foi visto nas aula “Introdução ao estudo da Bio-
química” e na aula da “Química dos aminoácidos e peptídeos”. A deter-
minação da configuração absoluta do Gliceraldeído é feita de acordo com
a seguinte convenção:
– Quando a OH se encontra para o lado direito no gliceraldeído (C-2)
esse monossacarídeo apresenta configuração D (Figura 4).
– Quando a OH desse carbono assimétrico está voltada para o lado es-
querdo, o gliceraldeído apresenta configuração absoluta L (Figura 4).
126
Bioquímica
Figura 5 - Estruturas químicas dos monossacarídeos da família das aldo-
ses, todos eles apresentando configuração absoluta D. Na aldotriose o
carbono assimétrico é o C-2, nas aldotetroses o C-3, nas aldopentoses o
C-4 e nas aldoexoses o C-5.
(Fonte: Voet et al., 2000).
127
A Química dos Carboidratos Aula
7
EPÍMEROS
Os monossacarídeos que apresentam a mesma fórmula molecular,
mas diferem apenas na configuração de um único centro assimétrico são
denominados epímeros. A estrutura da manose difere da estrutura da gli-
cose apenas na configuração do segundo carbono assimétrico, enquanto a
estrutura da galactose difere na configuração do quarto carbono assimé-
trico. Dessa forma, a manose é epímero da glicose no carbono 2 e a galac-
tose é epímero da glicose no carbono 4 (Figura 7).
Figura 6 - Estruturas químicas dos monossacarídeos da família das cetoses. A maioria desses monos-
sacarídeos apresenta configuração absoluta D, com exceção da diidroxiacetona, que não tem carbo-
no assimétrico. Nas cetotetroses o carbono assimétrico utilizado na determinação da configuração
absoluta é o C-3, nas cetopentoses o C-4 e nas cetoexoses o C-5 (Fonte: Voet et al., 2000).
128
Bioquímica
Estrutura da sacarose. A sacarose é o açúcar da beterraba e da cana-
de-açúcar. Esse dissacarídeo é formado pelos monossacarídeos frutose e
glicose, que são unidos por ligação β (2 1). As hidroxilas do carbono
anomérico da frutose e glicose estão envolvidas na formação da ligação
glicosídica (Figura 16). A ligação glicosídica que une os resíduos de fru-
tose e glicose na sacarose é hidrolisada pela sacarase ou invertase.
Figura 7. Epímeros da glicose (Fonte: Nelson et al., 2002).
Figura 8: Reação de hemiacetal (para aldoses) e hemicetais (para cetoses) envolvidas naformação
das estruturas cíclicas dos monossacarídeos (Fonte: Voet et al., 2000).
A ESTRUTURA CÍCLICA DOS MONOSSACARÍDEOS
Em soluções aquosas, os monossacarídeos com cinco ou mais átomos
de carbono na cadeia ocorrem, predominantemente, como estruturas cícli-
cas (anel) cujo grupo carbonila forma uma ligação covalente com o oxigê-
nio de um grupo hidroxila ao longo da cadeia. A formação destas estruturas
em anel é resultado da reação geral entre aldeídos ou cetonas e álcoois
formando derivados hemiacetais ou hemicetais, respectivamente (Figura
8). Essas formas cíclicas são denominadas piranoses ou furanoses por se
assemelhar às estruturas do pirano e furano, respectivamente (Figura 9).
129
A Química dos Carboidratos Aula
7
Figura 9: Estruturas do pirano e do furano (Fonte: Voet et al., 2000).
As estruturas cíclicas dos monossacarídeos apresentam um car-
bono assimétrico adicional. A D - glicose existe, em solução, como
um hemiacetal intramolecular, no qual a hidroxila livre do Carbono 5
reagiu com o grupo aldeído do carbono 1, formando uma estrutura
cíclica com seis ângulos denominada piranose (Figura 10). A D-glico-
se existe em duas formas piranosídicas á e â. A nomenclatura siste-
mática para os dois anéis da D-glicose são á-D-glicopiranose e β-D-
glicopiranose. A forma α-D-glicopiranose apresenta a OH do C-1 para
baixo do plano do anel piranosídico e a forma β-D-glicopiranose apre-
senta a OH no C-1 da estrutura cíclica para cima do plano do anel
(Figura 11). Como veremos no próximo tópico (5.1), essas formas são
denominadas anômeros
Anômeros. As formas em anel dos monossacarídeos que diferem
uma da outra apenas em sua configuração ao redor do átomo de car-
bono do hemiacetal ou hemicetal, são denominadas anômeros, e, por
conseqüência, o átomo de carbono da carbonila ou hemiacetal é de-
nominado carbono anomérico. O anômero da forma á-D-glicopirano-
se é a β-D-glicopiranose (Figura 11).
Figura 10: Formação das estruturas cíclicas da glicose em que sua estrutura cíclica é semelhante à do
pirano. As formas a e â da D-glicopiranose diferem apenas na configuração da OH no carbono 1
(carbono anomérico). Essas formas são estereoisômeros do tipo anômero (Fonte: Voet et al., 2000).
130
Bioquímica
Figura 11: Anômeros da Glicose. A a-D-glicopiranose apresenta a OH (circulada) no carbono 1
(carbono anomérico) para baixo do plano do anel, enquanto a b-D-glicopiranose apresenta a OH
(circulada) para cima do plano do anel (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 12: Formação da estrutura cíclica da frutose em que se demonstra a forma a
denominada α-D-frutofuranose (Fonte: Voet et al., 2000).
As cetoexoses (cetoses com 6 átomos de carbono) também ocor-
rem em estruturas cíclicas denominadas furanoses, devido a sua estru-
tura assemelhar-se a estrutura do furano (Figura 9). Nesses compostos,
o grupo hidroxila do C-5 reage com a carbonila do C-2, formando um
anel furanosídico contendo uma ligação hemicetal (Figura 12). Como a
D-glicose, a frutose também apresenta duas formas anoméricas: α e β-
frutofuranoses. A D-frutose forma predominantemente a β-D-frutofu-
ranose (figura 13).
131
A Química dos Carboidratos Aula
7
Figura 13: Anômeros da Frutose. A a-D-frutofuranose apresenta a OH (circulada) no carbono 2
(carbono anomérico) para baixo do plano do anel, enquanto a b-D-frutofuranose apresenta a OH
para cima do plano do anel (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
DERIVADOS DOS MONOSSACARÍDEOS
Os grupos funcionais dos monossacarídeos como a hidroxila (OH) e
a carbonila (C=O) podem sofrer reações, produzindo derivados como
ésteres fosfóricos (Figura 8), monossacarídeos ácidos (urônicos e aldôni-
cos), desoxi-açúcares e açúcares aminados.
Ésteres fosfóricos. Os ésteres fosfóricos são obtidos por fosforilação
(adição de fosfato) a OH dos monossacarídeos como glicose e frutose,
formando glicose 6 fosfato e frutose 6 fosfato (Figura 14).
Ácidos aldônicos. Os ácidos aldônicos são os derivados de monossa-
carídeos de aldoses, que em vez de o grupo aldeído do C-1é convertido
em um ácido carboxílico (COOH). Os ácidos aldônicos são nomeados
por adição do sufixo ônico à raiz do nome da aldose parental. Por exem-
plo, a glicose oxidada no C-1 produz ácido D-glicônico, a D-galactose
produz D-galactônico, etc. Os ácidos aldônicos são derivados ácidos de
monossacarídeos (Figura 14).
Ácidos urônicos. Os ácidos urônicos são os que apresentam um gru-
po COOH em vez de um álcool (OH) no último carbono (nas hexoses
esse grupo COOH aparece no C-6) Os ácidos urônicos são nomeados
por adição do sufixo urônico à raiz do nome da aldose parental, por exem-
plo: a glicose oxidada no C-6 produz o ácido D-glicurônico, D-galactose
produz D-galacturônico, etc. Esses monossacarídeos são importantes na
formação dos polissacarídeos glicosaminoglicanos. Esse derivado é mo-
nossacarídeo ácido (Figura 14).
Desoxi-açúcares. Os Desoxi-açúcares são monossacarídeos deriva-
dos, nos quais um grupo de OH é substituído por um hidrogênio (H). O
desoxi-açúcar de maior importância biológica é a β-D-2-desoxirribose,
componente dos nucleotídeos do DNA (Figura 14).
132
Bioquímica
Figura 14: Derivados de monossacarídeos (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Amino açúcares. Os Amino açúcares são obtidos por substituição de
um ou mais grupo de OH do monossacarídeo por um grupo amino (NH
2
).
Esse grupo amino é freqüentemente acetilado (ou seja, o grupo acetil-
CH
3
CO, se liga ao NH
2
), como ocorre nos glicosaminoglicanos. Os mo-
nossacarídeos N-acetilglicosamina e N-acetilgalactosamina são os mais
comuns (Figura 14).
OLIGOSSACARÍDEOS
FORMAÇÃO DA LIGAÇÃO GLICOSÍDICA
A ligação glicosídica é uma ligação covalente que une os monossa-
carídeos produzindo os oligossacarídeos e os polissacarídeos. A for-
mação dessa ligação ocorre com a reação da hidroxila do carbono anomé-
rico de um monossacarídeo com qualquer hidroxila do outro monossacarí-
deo (Figura 15). As ligações glicosídicas que veremos nas estruturas dos
oligossacarídeos e polissacarídeos estudados nessa aula apresentam as se-
guintes configurações: a A explicação
para a representação da configuração α da ligação glicosídica é
a seguinte: Como a OH do carbono anomérico de uma das glicoses
(C-1) apresenta configuração a e a reação ocorre com a OH do C-4
da outra unidade de glicose; a ligação apresentará, portanto, a confi-
guração a .
133
A Química dos Carboidratos Aula
7
Figura 15: Formação da ligação glicosídica entre dois monossacarídeos. Essa ligação ocorre com
a OH de um carbono anomérico de um monossacarídeo (hemiacetal) ou carbono 1 na aldose com
a OH do C-4 do segundo monossacarídeo (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Os oligossacarídeos são pequenas cadeias contendo até dez unida-
des de monossacarídeos ligados entre si por ligação covalente denomi-
nada ligação glicosídica. Os oligossacarídeos mais comuns são os dissa-
carídeos e, dentre estes, a sacarose, a maltose e a lactose são os mais
abundantes na natureza.
Estrutura da maltose. A maltose é obtida da hidrólise do amido pela
ação da enzima a-amilase. Esse dissacarídeo é formado por duas unida-
des de glicose, que são unidas por ligação α . O segundo resíduo
de glicose da maltose possui uma hidroxila do carbono anomérico livre,
capaz de existir nas formas α e β, das quais a forma β predomina na
natureza (Figura 16). Os resíduos de glicose na maltose são hidrolisados
pela enzima maltase.
Estrutura da lactose. A lactose é o açúcar do leite. Esse dissacarídeo
é formado pelos monossacarídeos glicose e galactose, que são unidos por
ligação β . O resíduo de glicose da galactose possui uma hidroxila
do carbono anomérico com configuração β (Figura 16). A ligação glicosí-
dica que une os resíduos de glicose e galactose na lactose é hidrolisada
pela enzima lactase.
134
Bioquímica
POLISSACARÍDEOS OU GLICANOS
A maioria dos carboidratosé encontrada na natureza na forma de
polissacarídeos. Os polissacarídeos ou glicanos são formados por cadeias
contendo centenas ou milhares de unidades de monossacarídeos e dife-
rem entre si em três aspectos:
– O tipo de monossacarídeo que entra em sua composição;
– O comprimento das suas cadeias e
– O grau de ramificação da cadeia.
Os polissacarídeos apresentam diversas funções como, por exemplo,
servir de reserva energética e assumir função estrutural. São classificados
em homopolissacarídeos e heteropolissacarídeos, de acordo com as uni-
dades de monossacarídeos que entram em sua composição (Figura 17).
Os homopolissacarídeos são formados por um único tipo de unidade
de monossacarídeo. Assim, o amido, o glicogênio e a celulose, são exem-
plos de polissacarídeos formados apenas pelo monossacarídeo glico-
se. Já os heteropolissacarídeos são polissacarídeos formados por duas
ou mais unidades monoméricas diferentes. Exemplos: o ácido hialurô-
nico, que é formado por resíduos alternados de ácido D-glicurônico e
N-acetil-D-glicosamina.
Figura 16: Estruturas dos dissacarídeos maltose, lactose e sacarose (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
135
A Química dos Carboidratos Aula
7
Figura 17: Tipos de polissacarídeos: homopolissacarídeo e heteropolissacarídeo, apresentando
cadeias lineares ou ramificadas (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
POLISSACARÍDEOS DE RESERVA ENERGÉTICA
Amido. O amido é a reserva energética das plantas e é formado por
duas unidades poliméricas: amilose e amilopectina (Figura 18). A amilose
é o polímero não ramificado do amido e solúvel em água, sendo formada
por resíduos de glicose unidos por ligação α (1 4). A amilopectina é o
polímero ramificado e não solúvel em água, contendo resíduos de glicose
unidos por ligação α (1 4) e nos pontos em que há ramificação, os resí-
duos de glicose são unidos por ligação a (1 6).
As ligações α (1 4) que unem os resíduos de glicose no amido estão
perfeitamente adaptadas à função de reserva energética das plantas por
duas razões principais. Isso se deve ao fato de que as ligações α (1 4) são
dobráveis, o que permite que a molécula do amido se dobre sobre si mes-
ma, facilitando o enovelamento desse polímero na célula, formando grâ-
nulos densos. Ressalte-se, ainda, que a ligação a (1 4) é hidrolisada pela
enzima α-amilase, liberando como produto glicose, que será metaboliza-
do na célula para produzir energia (figura 17), possibilitando ao amido
atuar como reserva celular de glicose.
136
Bioquímica
GLICOGÊNIO
As células dos animais armazenam glicose na forma do polissacarí-
deo glicogênio. A estrutura do glicogênio é como a da amilopectina do
amido, dela diferindo apenas no fato de apresentar um maior número de
ramificações do que a amilopectina do amido (Figura 19). A maior par-
te dos resíduos de glicose na amilopectina está unida por ligações glico-
sídicas α (1 4). Nos pontos das ramificações, os resíduos de glicose são
unidos por ligação (1 6).
Figura 18: A estrutura dos polímeros amilose e amilopectina do amido. a) Estrutura da amilose e
b) Estrutura da amilopectina. c) Estrutura em hélice do amido. As ligações a (1 4) dos polímeros
da amilose e da amilopectina são dobráveis, o que facilita o armazenamento desses polímeros nas
células na forma de grânulos densos (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
137
A Química dos Carboidratos Aula
7
POLISSACARÍDEOS ESTRUTURAIS
Muitos polissacarídeos atuam como elementos estruturais das paredes
celulares de bactérias (peptidoglicano) e de vegetais superiores (celulose) e
da superfície externa de células animais (glicocálix). Outros polissacarídeos
são componentes do tecido conjuntivo de vertebrados (glicosaminoglica-
nos) e do exoesqueleto dos artrópodes (quitina). Os polissacarídeos estru-
turais conferem forma e dão proteção e suporte às células e aos tecidos.
Estrutura e função da celulose. A celulose é um homopolissacarídeo
linear não ramificado, formado por dez mil ou mais unidades de glicose
unidas por ligações glicosídicas β (1 4). A ligação glicosídica β (1 4) é
rígida e não é hidrolisada pela enzima a-amilase. Essas ligações permitem
que a celulose forme polímeros de glicose lineares, resistentes e insolú-
veis, possibilitando que a celulose desempenhe uma importante função
estrutural (Figura 20).
O sistema digestório dos vertebrados não produz qualquer enzima
capaz de hidrolisar as ligações β (1 4) da celulose, esse polímero não
pode ser hidrolisado em suas unidades de D-glicose e, portanto, é comple-
tamente inaproveitável como alimento para a maioria desses animais. Os
cupins digerem a celulose porque abrigam em seu sistema digestório um
microrganismo Triconympha, que secreta a celulase, enzima que hidrolisa a
celulose e capacita os cupins a se alimentarem de madeira. Os fungos e
bactérias que se alimentam de madeira também produzem a celulase.
Os mamíferos não possuem celulase e, dessa forma, não podem dige-
rir madeira e fibras vegetais. Contudo, alguns ruminantes como as ove-
lhas, boi, girafa e camelo, abrigam bactéria produtora de celulase no tubo
digestivo, razão pela qual podem digerir a celulose.
Figura 19: Estrutura da amilopectina do glicogênio. (a) Estrutura do glicogênio, que se assemelha
à da amilopectina, apenas mais ramificado. Fonte Lehninger 1986. (b) Ligações glicosídicas a
(1 4) que une os resíduos de glicose na cadeia linear e a ligação a (1 6), que une os resíduos de
glicose nos pontos de ramificação (Fonte Nelson e Cox, 2002).
138
Bioquímica
Função biológica e estrutura da quitina. Outro polissacarídeo com
função estrutural é a quitina, material insolúvel e resistente da carapaça
ou do exoesqueleto de lagostas, caranguejos e de muitos insetos (Figura
21a). Quitina é um homopolissacarídeo formado por unidades do monos-
sacarídeo N-acetil-D-glicosamina (Figura 21b). As unidades de N-acetil-
D-glicosamina são unidas por ligações β (1 4).
Figura 20: Estrutura da celulose. (a) A celulose forma fibras resistentes e insolúveis em água.
(b) As unidades de glicose são unidas por ligação glicosídica b (1 4) para formar fibras de
celulose. (c) A estrutura da celulose é estabilizada tanto por pontes de hidrogênio intercadeia
quanto intercadeia (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
139
A Química dos Carboidratos Aula
7
Figura 21: Estrutura da Quitina. (a) O exoesqueleto dos artrópodes é formado por polímeros de
quitina. (b) A estrutura química do monossacarídeo N-acetil-D-glicosamina, um derivado da
glicosamina por acetilação do grupo amino no carbono 2 do anel piranosídico. As unidades de N-
acetil-D-glicosamina são unidas por ligação glicosídica b (1-4), formando os polímeros da quitina
(Fonte: Voet et al, 2000)P.
CONCLUSÃO
Os carboidratos são poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas, ou subs-
tâncias que por hidrólise liberam um desses dois compostos. Classificam-
se em monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. Desempenham
diversas funções na natureza como reserva energética de plantas e ani-
mais, função estrutural e participam no reconhecimento e adesão celular.
Os monossacarídeos assimétricos apresentam isômeros ópticos, tendo con-
figuração absoluta D. Os monossacarídeos com 5 mais átomos de carbo-
nos podem formar estruturas cíclicas denominadas piranoses e furanoses.
Os monossacarídeos reagem em uma reação de eliminação de H
2
O pro-
duzindo uma ligação covalente denominada ligação glicosídica. A ligação
glicosídica une monossacarídeos formando oligossacarídeos e polissaca-
rídeos. Os oligossacarídeos são pequenas cadeias de monossacarídeos,
sendo os dissacarídeos os mais abundantes. Os polissacarídeos são cadei-
as enormes, contendo centenas ou milhares de unidades de monossacarí-
deos. Podem ser homo ou heteropolissacarídeo e desempenham função
estrutural, de reserva energética, entre outras. Celulose e quitina são ho-
mopolissacarídeos com função estrutural. Amido e glicogêniosão homo-
polissacarídeos com função de reserva energética.
140
Bioquímica
RESUMO
Os carboidratos são poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas, ou subs-
tâncias que por hidrólise liberam um desses dois compostos. Atuam como
reserva energética de plantas e animais, desempenham função estrutural
e participam, ainda, na adesão e reconhecimento celular. De acordo com
o número de unidades de poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas, classi-
ficam-se em: monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. Os
monossacarídeos são sólidos cristalinos, incolores, solúveis em água e
são agrupados em duas famílias: aldoses e cetoses. Os monossacarídeos
com 3 átomos de carbono são denominados trioses, com 4 tetroses, com
5 pentoses, com 6 hexoses e com 7 heptoses. A maioria dos monossacarí-
deos apresenta configuração absoluta D, com exceção da diidroxiacetona
(que não tem carbono assimétrico). Os monossacarídeos que apresentam
imagens especulares não superponíveis são enantiômeros ou isômeros
ópticos e aqueles que diferem apenas na configuração de um único centro
assimétrico são denominadas epímeros. Em soluções aquosas, os monos-
sacarídeos com cinco ou mais átomos de carbono ocorrem, predominan-
temente, como estruturas cíclicas (em anel) que resultam da reação geral
entre aldeídos ou cetonas e álcoois formando derivados hemiacetais ou
hemicetais, respectivamente. A formação de oligossacarídeos e polissa-
carídeos ocorre com a reação de unidades de monossacarídeos, em que se
produz uma ligação covalente denominada ligação glicosídica. Nessa re-
ação a hidroxila de um carbono anomérico de um monossacarídeo reage
com qualquer hidroxila do outro monossacarídeo. Os oligossacarídeos
são pequenas cadeias de carboidratos contendo até dez unidades de mo-
nossacarídeos. Os mais comuns são os dissacarídeos, dos quais a sacaro-
se, a maltose e a lactose são os mais abundantes na natureza. Os polissa-
carídeos são formados por cadeias contendo centenas ou milhares de
unidades de monossacarídeos e diferem entre si pelo tipo de monossaca-
rídeo que entra em sua composição, comprimento das suas cadeias e grau
de ramificação da cadeia. Assumem importante função estrutural e de
reserva energética e são classificados em homopolissacarídeos e hetero-
polissacarídeos, de acordo com as unidades de monossacarídeos que en-
tram em sua composição. Os polissacarídeos amido (reserva energética
das plantas), glicogênio (reserva energética dos animais) e celulose são
homopolissacarídeos de glicose que estão perfeitamente adaptados às
funções biológicas que desempenham na natureza.
141
A Química dos Carboidratos Aula
7ATIVIDADES
1. O que são carboidratos? Como são classificadas essas biomoléculas?
2. O que são aldoses e cetoses?
3. Por que a diidroxiacetona não apresenta isômeros ópticos nem confi-
guração absoluta, enquanto o gliceraldeído tem dois isômeros ópticos o
D- e L-Gliceraldeído?
4. Dados os itens abaixo, marque um x na alternativa falsa.
a) ( ) os ácidos urônicos apresentam grupo amino em suas estruturas
b) ( ) os derivados aldônicos da glicose apresentam um grupo COOH no C-1
c) ( ) os amino-açúcares se formam com a substituição de uma OH por
um grupo amino
d) ( ) o amino-açúcar N-acetil-D-glicosamina é encontrado no glicano quitina
e) ( ) os desoxi-açúcares são formados por substituição de uma hidroxila
do monossacarídeo por um hidrogênio.
5. Dada a estrutura da α-D-glicopiranose (Figura 22), represente a estru-
tura da β-D-glicopiranose.
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
6. Como ocorre a formação da ligação glicosídica que une os resíduos de
glicose para formar a maltose, um dissacarídeo de glicose unido por liga-
ção glicosídica a (1 4)?
7. O amido e o glicogênio são dois polímeros de glicose, em que aspectos
eles se diferenciam?
8. Por que a celulose não é fonte de glicose para o homem, mas o é para os
ruminantes e os cupins?
142
Bioquímica
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
1. Você não deve ter tido dificuldades em definir e classificar os
carboidratos. Apesar de o termo carboidrato sugerir uma molécula
orgânica contendo carbonos hidratados, você provavelmente
identificou outros carboidratos que além dos átomos de carbono,
hidrogênio e oxigênio, apresentam diferentes átomos em suas
estruturas como nitrogênio, enxofre, fósforo, entre outros. Sendo
assim, você deve ter conceituados os carboidratos como
poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas, ou substâncias que por
hidrólise liberam um desses dois compostos. Os carboidratos são
classificados em três classes, de acordo com o número de unidades
de poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas, apresentando-se como
monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. Glicose,
galactose, manose e frutose são exemplos de monossacarídeos. São
oligossacarídeos a sacarose (o açúcar da cana-de-açúcar) e a lactose
(o açúcar do leite). Como exemplos de polissacarídeos, temos a
celulose (encontrada na parede celular de plantas), o glicogênio
(reserva energética dos animais) e a quitina (principal componente
da carapaça de artrópodes).
2. A partir da leitura do trecho da aula que trata dos monossacarídeos
você deve ter identificado que os monossacarídeos são agrupados
em duas famílias: aldoses e cetoses. Essa classificação dos
monossacarídeos em duas famílias baseia-se na posição da carbonila
(C=O) na cadeia do monossacarídeo. Nas aldoses a carbonila
localiza-se na extremidade da cadeia, conferindo a esse
monossacarídeo uma função orgânica do tipo aldeído. No
monossacarídeo do tipo cetose, a carbonila localiza-se em qualquer
posição da molécula que não a extremidade da cadeia, conferindo
a ele uma função orgânica do tipo cetona. Glicose, galactose,
manose, gliceraldeído, entre outras, são aldoses. Frutose,
diidroxiacetona, eritrulose, xilulose, são exemplos de cetoses.
3. Você deve ter reconhecido que a condição para que uma molécula
orgânica apresente isômeros ópticos é que ela deva ter em sua estrutura
carbono assimétrico. Assim, como a diidroxiacetona é uma cetose com
três átomos de carbonos e a carbonila (C=O) se encontra no C-2, e
nos C-1 e C-2 são encontrados um grupo CH
2
OH (conforme figura 1),
tem-se uma molécula simétrica. Daí porque a diidroxiacetona não
apresenta isômeros ópticos. O gliceraldeído, por sua vez, apresenta
um centro assimétrico no C-2, podendo existir sobre duas formas
143
A Química dos Carboidratos Aula
7
isoméricas. Essas duas formas isoméricas (D-gliceraldeído e L-
gliceraldeído) são imagens especulares não superpostas.
4. Certamente você deve ter reconhecido que o item que traz a
alternativa falsa é a letra A, pois os ácidos urônicos são derivados de
monossacarídeos em que a OH do último carbono foi substituída
por um grupo carboxila e não por um grupo amino (NH2), como
está afirmado no item das alternativas. A alternativa β é verdadeira,
pois os derivados aldônicos da glicose apresentam um grupo COOH
no C-1. O item C também traz uma alternativa verdadeira ao afirmar
que os amino-açúcares se formam com a substituição de uma OH
por um grupo amino. A quitina é um homopolissacarídeo formado
por unidades de N-acetil-D-Glicosamina, como está corretamente
afirmado no item D. O item E também é uma alternativa verdadeira,
uma vez que os desoxi-açúcares são formados por substituição de
uma hidroxila (OH) do monossacarídeo por um hidrogênio.
5. Certamente você deve ter identificado a estrutura da α-D-
glicopiranose como uma das estruturas cíclicas da D-glicose.
Reconhecendo que a α-D-glicopiranose é um dos anômeros da
glicose, você deve ter facilmente desenhado a estrutura da β-D-
glicopiranose. Nessa aula aprendemos que os anômeros são formas
que diferem apenas na configuração do carbono anomérico na
estrutura cíclica dos monossacarídeos. O carbono anomérico das
aldoses na estrutura cíclica é o carbono 1 (e como a D-Glicose é
uma aldose), você facilmente deve ter desenhado a β-D-glicopiranoseconforme a estrutura representada na figura 23.
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
6. Para uma compreensão da estrutura dos oligossacarídeos e
polissacarídeos, é necessário identificar a reação química que une os
monossacarídeos, formando esses carboidratos citados
anteriormente. Certamente você reconheceu a ligação glicosídica
como sendo a ligação covalente envolvida na formação dos
144
Bioquímica
oligossacarídeos e polissacarídeos. A ligação glicosídica é uma ligação
covalente que une os monossacarídeos produzindo os
oligossacarídeos e os polissacarídeos. A formação dessa ligação ocorre
com a reação da hidroxila do carbono anomérico de um
monossacarídeo com qualquer hidroxila de outro monossacarídeo
(Figura 15). Na formação do dissacarídeo maltose duas unidades de
glicose reagem por meio da OH do C-1 de uma das unidades de
glicose com a OH do C-4 da outra unidade de glicose. Como a OH
do C-1 apresenta configuração a a ligação glicosídica desse
dissacarídeo apresenta a configuração α (1 4).
7. Certamente você deve ter identificado que a diferença básica entre
esses dois polímeros deve ser estrutural. No que diz respeito à função
que eles exercem na natureza, você aprendeu que esses dois polímeros
têm função de reserva energética. É bem verdade que você deve ter
reconhecido que o amido é a reserva das plantas e que o glicogênio é
a dos animais. Com relação às diferenças estruturais entre esses dois
polímeros você apontou que o amido é formado por duas cadeias
poliméricas de glicose: a amilose e a amilopectina. A amilose é uma
cadeia linear, em que os resíduos de glicose são unidos por ligação
glicosídica α (1 4). A amilose é solúvel em água. A amilopectina
do amido é apresenta na parte linear resíduos de glicose unidos por
ligação glicosídica α (1 4) e nos pontos de ramificação por ligação
glicosídica α (1 6). A amilopectina é insolúvel em água.
A estrutura do glicogênio é como a da amilopectina do amido, dela
diferindo apenas no fato de apresentar um maior número de ramificações
do que a amilopectina do amido. A maior parte dos resíduos de glicose
na amilopectina está unida por ligações glicosídicas α (1 4). Nos pontos
das ramificações, os resíduos de glicose são unidos por ligação α (1 6).
8. Certamente você deve ter reconhecido que a celulose é um
homopolissacarídeo linear não ramificado, formado por dez mil ou
mais unidades de glicose unidas por ligações glicosídicas β (1 4).
A ligação glicosídica β (1 4) é rígida, sendo hidrolisada pela enzima
celulase. Se você identificou que o homem e os animais ruminantes
não produzem a celulase terá sido uma boa estratégia para obtenção de
uma resposta correta. Contudo, você deve ter reconhecido que os
ruminantes abrigam em seu sistema digestório bactérias produtoras de
celulase. A celulase lançada no conteúdo estomacal dos ruminantes
hidrolisa a celulose em unidades de glicose. Os cupins, por sua vez,
abrigam em seu sistema digestório um microrganismo Triconympha, que
secreta a celulase, capacitando-os a ter a celulose como fonte de glicose.
145
A Química dos Carboidratos Aula
7PRÓXIMA AULA
Na próxima aula teremos a oportunidade de apresentar a química dos
nucleotídeos. O foco dessa aula será a compreensão das estruturas e fun-
ções dos ácidos nucléicos DNA e RNA. Até lá!
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5 ed. Rio
de Janeiro: Guanabara-Koogan, 2004.
CHAMPE, P. C.; HARVEY, R. A. Bioquímica Ilustrada, 2 ed. Editora
Artes Médicas, 1997.
KOOLMAN, J.; RÖHM, Klaus-Heinrich. Bioquímica. 3 ed. Porto Ale-
gre: Editora Artmed, 2005.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 2
ed. São Paulo: Sarvier, 1995.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 3
ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
STRYER, L. Bioquímica. 4 ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1996.
VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica.
Porto Alegre: Editora Artmed, 2000.
ESTRUTURAS E FUNÇÕES
BIOLÓGICAS DOS NUCLEOTÍDEOS:
OS ÁCIDOS NUCLÉICOS
META
Introduzir o estudo das funções biológicas, propriedades químicas e estruturas dos
nucleotídeos.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
descrever as unidades fundamentais dos nucleotídeos, reconhecendo algumas de suas
funções biológicas;
diferenciar nucleotídeos de nucleosídeos;
nomear nucleotídeos e nucleosídeos;
descrever a formação dos nucleotídeos;
reconhecer a estrutura primária do DNA e RNA;
descrever o modelo da dupla-hélice;
descrever a desnaturação do DNA;
reconhecer estruturas e funções do RNA; e
descrever estruturas e funções de alguns nucleotídeos não poliméricos.
PRÉ-REQUISITOS
Para acompanhar esta aula você
devera estudar ou rever conceitos
explorados na aula da Química dos
carboidratos
Aula
8
(Fonte: www.3dscience.com).
148
Bioquímica
INTRODUÇÃO
Os nucleotídeos desempenham uma grande variedade de funções no
metabolismo celular como:
– Participam das reações de transferência de energia metabólica. O ATP
é um nucleotídeo envolvido em reações de transferência de energia nas
reações do metabolismo celular;
– Atuam como segundo mensageiro na resposta hormonal, sendo elos quí-
micos essenciais na resposta das células aos hormônios e outros estímulos
extracelulares. Exemplo disso são os nucleotídeos AMP cíclico e o GMP;
– São componentes estruturais de cofatores enzimáticos e intermediários
metabólicos. Exemplo disso são as coenzimas NAD (nucleotídeo Adeni-
na Dinucleotideo) e FAD (Flavina Adenina Dinucleotídeo), que partici-
pam de reações de transferência de elétrons do metabolismo celular;
– Participam no armazenamento e na transmissão da informação gené-
tica. O ácido desoxirribonucléico (DNA). Em vírus de ácido ribonu-
cléico (RNA) como flavivírus (vírus da dengue) arbovírus (vírus de plan-
tas) retrovírus (HIV e HTLV-I), o RNA é a molécula repositória da
informação genética.
Cada célula do nosso organismo possui muitos milhares de genes. O
conjunto de todos os genes de um organismo é conhecido como genoma.
O armazenamento e a trans-
missão da informação gené-
tica é a única função conhe-
cida do DNA. A seqüência
do DNA de uma célula es-
pecifica uma seqüência de
RNA bem como uma se-
qüência de aminoácidos. O
gene é um segmento do DNA
que contém a informação
necessária para a síntese de
um produto biológico funci-
onal (proteína ou RNA).
(Fonte: http://www.teleantioquia.com.co)
149
Estruturas e funções biológicas dos nucleotídeos: os ácidos nucléicos Aula
8
ESTRUTURAS DOS NUCLEOTÍDEOS
E NUCLEOSÍDEOS
Os nucleotídeos são as unidades básicas dos ácidos nucléicos (DNA e
RNA). Os nucleotídeos são formados por três componentes básicos: (1)
DESENVOLVIMENTO
O fluxo da informação genética do DNA produzindo uma proteína
ou RNA é conhecido como o dogma central da informação genética (Fi-
gura 1). O dogma central da informação genética foi proposto por Fran-
cis Crick em 1957, quatro anos após ele e James Watson ter elucidado a
estrutura tridimensional do DNA. O Fluxo da informação genética en-
volve três etapas: replicação, transcrição e tradução.
– Replicação. É o processo em que uma fita de DNA é copiada, ou dupli-
cada. Ocorre antes da divisão celular, de forma que as duas células filhas
possam herdar esta informação, preservando-a. A replicação ocorre no
núcleo da célula.
– Transcrição: É o processo em que a informação contida na molécula de
DNA é transcrita na forma de RNA. O produto da transcrição é o RNA
mensageiro (mRNA). Esse processo ocorre no núcleo da célula.
– Tradução: É o processo em que a informação contida na molécula do
RNA é traduzida na forma de uma cadeia polipeptídica ou um RNA.
Esse processo ocorre nos ribossomos.
Figura 1: O fluxo da informação genética na célula (Fonte: Nelson e Cox, 2002).
150
Bioquímica
um açúcar pentose, (2) uma base nitrogenada e (3) uma ligação fosfato
(Figura 2a). O nucleosídeo,por sua vez, apresenta uma base nitrogenada,
uma pentose, mas tem a ligação fosfato. Em outras palavras, podemos afir-
mar que o nucleosídeo é um nucleotídeo sem o grupo fosfato (Figura 2b).
PENTOSES DO DNA E RNA
Iniciaremos o nosso estudo do conhecimento das estruturas quími-
cas dos nucleotídeos tratando de um dos elementos dessas biomoléculas
que são as unidades de pentoses (monossacarídeos com 5 átomos de car-
bono). Os ácidos nucléicos possuem dois tipos de pentoses: ribose e de-
soxiborribose (Figura 3a). A ribose é pentose do RNA e a desoxirribose
do DNA. Essas duas pentoses se diferenciam apenas na presença do gru-
po hidroxila (OH) no carbono-2 da ribose, enquanto na desoxirribose
essa hidroxila é substituída por um átomo de hidrogênio (Figura 3b). Por
apresentar ribose, os nucleotídeos de RNA são denominados ribonucleo-
tideos e os do DNA são desoxirribonucleotideos. As pentoses desses
dois nucleotídeos são encontradas na forma b-furanosídica (anel fechado
com cinco átomos e a OH do C-1 na forma b).
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 2: (a) Estruturas dos nucleotídeos e (b) nucleosídeos.
151
Estruturas e funções biológicas dos nucleotídeos: os ácidos nucléicos Aula
8
Figura 3. (a) Estruturas das pentoses ribose (RNA) e (b) dois’D-deso-
xirribose (DNA).
(Fonte Nelson e Cox, 2002).
BASES DO DNA E RNA
Tanto o DNA quanto o RNA contêm duas bases purínicas principais,
adenina (A) e guanina (G) e duas pirimidínicas principais. Em ambos,
DNA e RNA, uma das pirimidinas é a citosina (C), mas a segunda pirimi-
dina principal é a timina (T) no DNA e a uracila (U) no RNA. As estrutu-
ras das cinco principais bases são mostradas na Figura 4. A base de um
nucleotídeo se liga covalentemente a pentose através de uma ligação co-
valente denominada ligação glicosídica. As bases de pirimidinas se ligam
a pentose através do Nitrogênio do anel (N-1) com a hidroxila do C-1 da
ribose ou desoxirribose (Figura 5). As bases de purinas se ligam a OH das
pentoses através do nitrogênio 9 (N-9) do anel (Figura 5).
152
Bioquímica
Ligação Fosfato. A adição de um ou mais radicais fosfato à OH do
carbono 5 da pentose, através de uma ligação covalente completa a estru-
tura dos nucleotídeos (Figura 5). Os grupos fosfato são responsáveis pelas
cargas negativas dos nucleotídeos e dos ácidos nucléicos (DNA e RNA). A
adição de um segundo ou terceiro grupo fosfato ocorre em seqüência, dan-
do origem aos nucleotídeos di e trifosfatos, respectivamente.
A nomenclatura utilizada para nomear as bases dos DNA e RNA, os
quatro principais desoxirribonucleotideos e os quatro principais ribonu-
cleotídeos é destacada na Tabela 1.
Tabela1: Nomenclatura das bases, ácidos nucléicos e nucleotídeos de
DNA e RNA
Figura 4. Bases de purinas e de pirimidinas.
(Fonte Nelson e Cox, 2002).
Na Figura 5 estão destacadas as estruturas químicas e a nomenclatura
dos desoxinucleotídeos, ribonucleotídeos e seus respectivos nucleosídeos.
153
Estruturas e funções biológicas dos nucleotídeos: os ácidos nucléicos Aula
8
FORMAÇÃO DOS NUCLEOTÍDEOS
POLIMÉRICOS – A LIGAÇÃO FOSFODIÉSTER
Os nucleotídeos no DNA e RNA são ligados covalentemente por “pon-
tes” de grupos fosfato, em uma reação catalisada na célula por DNA polime-
rases, na replicação do DNA, e por RNA polimerases, na síntese de RNA.
Essa reação ocorre com a OH do C-5’ do grupo fosfato de uma unidade
nucleotídica com a OH do C-3’ da pentose do nucleotídeo seguinte produ-
zindo uma reação covalente denominada ligação fosfodiéster (Figura 6).
Os esqueletos covalentes dos ácidos nucléicos consistem de resíduos fos-
fatos e pentose alternados. Como a ligação fosfato e a pentose são grupos pola-
res por conseqüência o esqueleto covalente dos ácidos nucléicos é hidrofílico.
As bases nitrogenadas são grupos laterais unidos ao esqueleto covalente desses
nucleotídeos a intervalos regulares. Os grupos hidroxila dos resíduos de açúcar
(Fonte Nelson e Cox, 2002).
Figura 5. Estruturas químicas e nomenclatura dos desoxinucleotídeos,
ribonucleotídeos e seus respectivos nucleosídeos.
154
Bioquímica
formam pontes de hidrogênio com a água. Os grupos fosfato são carregados
negativamente em pH 7, o que permite a esses grupos interagirem por meio
de ligações iônicas com grupo com cargas positivas nas proteínas.
Todas as ligações fosfodiésteres possuem a mesma orientação ao lon-
go da cadeia, conferindo a cada fita linear do ácido nucléico uma polari-
dade específica e distinta nas extremidades 5’ e 3’. A extremidade 5’ con-
tém uma hidroxila (OH) livre ligada ao fosfato do C-5’ da pentose e a
extremidade 3’ contém uma OH do carbono 3’ da pentose (Figura 6a).
Por convenção estabeleceu-se que a extremidade 5’apresenta o primeiro
nucleotídeo e a extremidade 3’ o último nucleotídeo.
A ESTRUTURA PRIMÁRIA DOS ÁCIDOS NUCLÉICOS
A estrutura primária do DNA e RNA é a sua sequência de desoxinu-
cleotídeos ou ribonucleotídeos, respectivamente. A estrutura primária de
um segmento de DNA contendo cinco unidades de desoxinucleotídeos é
representada na Figura 6b. Nessa sequência as ligações fosfato são sim-
bolizadas por P e cada desoxirribose por uma linha vertical, do C-1’, no
topo, até o C-5’ na base. As linhas que ligam os nucleotídeos (por meio de
P) são desenhadas diagonalmente a partir do meio (3’) da desoxirribose
de um nucleotídeo até a base (5’) do seguinte. Por convenção, a estrutura
de uma fita simples do ácido nucléico é sempre escrita com a extremidade
5’ na esquerda e a extremidade 3’ na direita; isto é, na direção 5’’!3’.
(Fonte Nelson e Cox, 2002).
Figura 6. (a) A ligação fosfodiéster que une os
nucleotídeos formando os ácidos nucléicos
DNA e RNA. (b) Representação da estrutura
primária dos ácidos nucléicos.
155
Estruturas e funções biológicas dos nucleotídeos: os ácidos nucléicos Aula
8A ESTRUTURA SECUNDÁRIA DO DNA – O
MODELO DA DUPLA-HÉLICE DO DNA
A DUPLA HÉLICE
Em 1953, o norte americano James Watson e o britânico Francis Cri-
ck, apresentaram um modelo para explicar a estrutura do DNA. Esse
modelo estrutural é conhecido como dupla hélice. A dupla hélice consis-
te de duas fitas helicoidais de DNA. Essas duas fitas formam uma dupla
hélice com enrolamento no sentido da mão direita (Figura 7a). O esque-
leto hidrofílico de grupos alternantes desoxirribose e fosfatos localizam-
se na parte externa da dupla hélice (7b). As bases de purinas e pirimidinas
de ambas as fitas empilham-se na parte interna da dupla hélice.
O pareamento das duas fitas cria um sulco principal e um sulco se-
cundário na superfície da fita dupla (Figura 7a). Cada base de uma fita
está pareada no mesmo plano com uma base da outra fita, por formação
de pontes de hidrogênio. O pareamento das pares é feito entre uma guani-
na e uma citosina (GºC) e entre adenina e timina (A=T). Esse pareamen-
to é denominado do tipo Watson e Crick, nomeado assim em homena-
gem aos idealizadores de modelo. Os pares de bases Guanina e Citosina
formam fazem três pontes de hidrogênio (simbolizada como GºC) e os
pares adenina e timina fazem apenas duas pontes de hidrogênio (simbo-
lizada como A=T). As bases empilhadas verticalmente no interior da
dupla hélice estão separadas por uma distância de 3,4 Å e que a cada 34
Å são encontrados 10 resíduos de nucleotídeos em cada volta completa
da dupla hélice. (Figura 8).
As duas fitas de DNA na dupla hélice são antiparalelas, isto significa
que as duas fitas apresentam ligações fosfodiésteres 5’- 3’ correndo em dire-
ção opostas. Essas duas fitas do DNA não são idênticas nem na composição
nem na seqüência de bases, mas complementares entre si. Dessa forma,
para cada adenina de uma fita, timina será encontrada na outra; da mesma
forma para os resíduos de guanina, que fazem pareamento com citosina.
ESTABILIZAÇÃO DA DUPLA HÉLICE
A dupla hélice do DNA é mantida unida por duas forças: as pontes
dehidrogênio entre os pares de bases complementares (Figura 7a e 8) e as
interações de empilhamento das bases (Figura 7b). A complementaridade
entre as fitas de DNA é atribuída às pontes de hidrogênio entre pares de
bases. As interações de empilhamento das bases, que são em grande parte
inespecíficas com respeito à identidade das bases empilhadas, dão a mai-
or contribuição para a estabilidade da dupla hélice. As interações quími-
156
Bioquímica
cas de empilhamento das bases são ligações não covalentes fracas como
van der Walls, dipolo-dipolo e hidrofóbica. A interação hidrofóbica é a
que mais contribui no empilhamento dessas bases.
Figura 7. (a) Estrutura secundária do DNA, a dupla hélice. (b) O esque-
leto de desoxirribose e fosfato posiciona-se na parte externa e as bases
empilham no interior da hélice
Figura 8. Pareamento de bases entre adenina e timina e citosina e guani-
na. Os pares adenina e timina formam duas pontes de hidrogênio e os
pares guanina e citosina formam três pontes de hidrogênio.
(Fonte Nelson e Cox, 2002).
(Fonte Nelson e Cox, 2002).
157
Estruturas e funções biológicas dos nucleotídeos: os ácidos nucléicos Aula
8DESNATURAÇÃO OU FUSÃO DO DNA
Soluções de DNA nativo cuidadosamente isoladas são altamente vis-
cosas (espessa como um xarope) em pH 7 e à temperatura ambiente (25oC).
Quando tal solução têm seus valores de pH do ácido quanto básico ou
então, essas soluções são expostas a temperaturas acima de 80oC, sua
viscosidade diminui rapidamente, indicando que o DNA sofreu uma alte-
ração física. A exposição de DNA a calor e extremos de pH causa desna-
turação ou fusão da dupla hélice do DNA, que se dá com a ruptura das
pontes de hidrogênio entre o pareamento das bases e no desenrolamento
e separação da dupla hélice para formar duas fitas simples, completamen-
te separadas entre si ao longo de toda a extensão, ou parte da extensão
(fusão parcial). No processo da fusão nenhuma ligação covalente no DNA
é quebrada, mas apenas as interações não covalentes como pontes de
hidrogênio entre as bases e a interação hidrofóbica que proporciona o
empilhamento das bases no interior da hélice (Figura 9).
Cada espécie de DNA possui uma temperatura de fusão característi-
ca ou temperatura de fusão (t
f
): quanto maior o seu conteúdo de pares de
bases GºC maior o ponto de fusão do DNA. Isto porque os pares de bases
GºC, com três pontes de hidrogênio, são mais estáveis e requerem mais
energia calorífica para dissociar do que os pares de bases A=T.
(Fonte Nelson e Cox, 2002).
Figura 9. Fusão do DNA.
158
Bioquímica
(Fonte Nelson e Cox, 2002).
RNA mensageiro. O mRNA é responsável pelo código genético para a
síntese protéica, estabelecido entre ele e o DNA, sendo que a seqüência de 3
nucleotídeos do DNA corresponde a seqüência de 3 nucleotídeos do mRNA.
Essa sequência do mRNA é conhecida como códon. Nos procariotos uma
única molécula de mRNA pode codificar uma ou várias cadeias polipeptídi-
cas. Se ela transporta o código para apenas um polipeptídio, o mRNA é mo-
nocistrônico, se ela codifica dois ou mais polipeptídios, o mRNA é policistrô-
nico (Figura 11). Nos eucariotos, a maioria dos mRNA são monocistrônicos.
Figura 11. Seqüências codificadoras e não codificadoras do RNA: RNA
monocistrônico e RNA policistrônico.
A ESTRUTURA DO RNA
A forma estrutural básica dos nucleotídeos de RNA é uma fita sim-
ples em espiral que se arranja, na maioria das vezes, formando estruturas
secundárias denominadas hastes. A formação dessas hastes se deve às
pontes de hidrogênio entre as bases nitrogenadas dos nucleotídeos da
própria cadeia que dobra sobre ela mesma, proporcionando a formação
dessas estruturas. Nas regiões do RNA em que não ocorre pareamento de
bases são encontradas as alças. As moléculas de RNA pode também for-
mar estruturas em forma de pregas que dão a conformação desse nucleo-
tídeo um aspecto de grampo de cabelo. Essas estruturas em grampo de
cabelo são características das moléculas de tRNA e rRNA (Figura 10).
(Fonte Nelson e Cox, 2002).
Figura 10. Estrutura básica das moléculas de RNA.
159
Estruturas e funções biológicas dos nucleotídeos: os ácidos nucléicos Aula
8O tRNA de transferência. O tRNA transporta os aminoácidos para a
síntese protéica mediada pelo mRNA. Existem 20 tipos de tRNA (um
para cada aminoácido), possuindo quatro domínios comuns:
– O ponto de ligação com o aminoácido que transporta, ou seja, a se-
qüência ACC na extremidade 3’;
– Alça D, com a presença do nucleotídeo diidrouridina (formado por hi-
droxilação da uracila);
– Alça T com a presença de timina formada por metilação da uracila
(ribotimidina); e
– Alça do anticódon, que possui a seqüência que se ligará ao mRNA no
ribossomo durante a síntese protéica (Figura 12). Na molécula de tRNA é
observada a presença de outras bases modificadas como a pseudouridina
(Ø) e, algumas vezes, um mesmo tipo de tRNA pode apresentar ou C ou
G em áreas em que não há formação de pregas, representado na estrutura
simplesmente como uma pirimidina (Y).
(Fonte Nelson e Cox, 2002).
Figura 12. Estrutura secundária do tRNA do aminoácido fenilalanina.
160
Bioquímica
RNA ribossômico. O rRNA tem função estrutural, sendo um dos
componentes moleculares que entra na composição molecular dos ribos-
somos, local da síntese protéica. O rRNA possui uma estrutura secundá-
ria extremamente pregueada onde se revelam domínios responsáveis pela
estrutura tridimensional final dos ribossomos (Figura 13a). Os ribosso-
mos são compostos por duas subunidades de rRNA que diferem de acor-
do com o coeficiente de sedimentação obtido por ultra centrifugação (S).
Em ribossomos dos eucariotos, o rRNA é uma organela de 80S, compos-
to pelas subunidades 40S e 60S. Na fração 80S o rRNA se liga a 33 prote-
ínas e na fração 60S ele se liga a 49 proteínas. O rRNA dos procariotos é
menos complexo, possuindo duas subunidades de 30S e 50S. Na fração
30S o rRNA se liga a 21 proteínas e na fração 50S a 31 proteínas, consti-
tuindo uma unidade de 70S (Figura 13b).
(Fonte: Vieira, 2003).
NUCLEOTÍDEOS NÃO POLIMÉRICOS
Nessa parte da aula estudaremos agora a estrutura e a função de al-
guns nucleotídeos que são encontrados livres na célula, não formando
estruturas poliméricas como o DNA e RNA. Entre os nucleotídeos não
poliméricos daremos ênfase ao ATP, AMP cíclico, GMP cíclico, esses
dois últimos nucleotídeos reguladores.
Figura 13. (a) Estrutura secundária do RNA ribossômico. Representação
esquemática de uma molécula de rRNA 16s de E. coli e seus quatro domí-
nios. Estruturas em grampos são freqüentes nessa molécula.
161
Estruturas e funções biológicas dos nucleotídeos: os ácidos nucléicos Aula
8O ATP E SEUS PRODUTOS DE HIDRÓLISE
SÃO NUCLEOTÍDEOS
O grupo fosfato ligado covalentemente à hidroxila 5’ de um ribonu-
cleotídeo pode possuir um ou dois fosfatos adicionais ligados. As molé-
culas resultantes são referidas como nucleosídeos mono, di e trifosfatos,
respectivamente. A hidrólise dos nucleosídeo trifosfatos (ATP) fornece a
energia química para direcionar uma grande variedade de reações bioquími-
cas. O nucleotídeo adenosina 5’-trifosfato (ATP) é o intermediário energé-
tico mais importante nas reações de transferência de energia no metabolis-
mo celular, tanto é que ele é conhecido como a moeda energética da célula.
A energia liberada pelo ATP e outros nucleosídeos trifosfatos provem da
hidrólise da ligação fosfato desse nucleotídeo (Figura 14).
Figura 14. Estrutura dos nucleotídeos trifosfatos (NTP), difosfatos (NDP)
e monofosfato (NMP).
NUCLEOTÍDEOS REGULADORES
As células respondem ao seu ambiente retirando informação de hormô-
nios e outros sinais químicos no meio circundante. A interação destes sinais
químicos extracelulares (primeiro mensageiro) com receptores na superfície
celular, freqüentemente leva à produção de segundos mensageirosdentro da
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
162
Bioquímica
célula. O segundo mensageiro, por sua vez, promove alterações adaptativas
no interior celular, provocando uma resposta celular. Freqüentemente, o se-
gundo mensageiro é um nucleotídeo (Figura 15). Um dos segundo mensagei-
ro mais comuns é a adenosina 3’, 5’-monofosfato cíclico (AMP cíclico, ou
cAMP). O AMP cíclico é formado a partir da hidrólise o ATP, em uma rea-
ção catalisada pela adenilato ciclase. A adenilato ciclase é uma enzima de
membranas biológicas, que se insere na face interna da membrana plasmá-
tica. O AMP cíclico desempenha funções regulatórias quase em toda célula
animal. O nucleotídeo guanosina 3’,5’-monofosfato cíclico (cGMP) ocorre
em muitas células e possui também funções regulatórias.
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
CONCLUSÃO
Os nucleotídeos são moléculas orgânicas formadas por uma base nitro-
genada, um açúcar pentose e uma ligação fosfato. Desempenham diversas
funções biológicas como a do armazenamento e a transmissão da informação
genética, participam em reações de transferência de energia. Os nucleotídeos
de DNA são denominados desoxirribonucleotideos por serem formados por
2’-Desoxirribose (a pentose) e os do RNA são denominados ribonucleotíde-
os por conter ribose (pentose). As bases de purina do DNA e RNA são ade-
nina e guanina e a pirimidina comum é a citosina. Enquanto o DNA apresen-
ta a pirimidina timina o RNA apresenta uracila. Os nucleotídeos são unidos
por uma ligação covalente denominada fosfodiester formando os polímeros
de DNA e RNA. A estrutura primária dos ácidos nucléicos (DNA e RNA) é
a sua sequência de nucleotídeos. A estrutura secundária do DNA é a dupla
hélice, proposta por James Watson e Francis Crick em 1953. Há vários tipos
de RNA como o RNA de transferência (tRNA), RNA mensageiro (mRNA) e
RNA ribossômico (rRNA) Esses RNA apresentam estrutura bem com-
Figura 15. Estruturas dos nucleotídeos cíclicos: Guanosina monofosfato
3’5’cíclico e Guanosina 3’difosfato 5’difosfato.
163
Estruturas e funções biológicas dos nucleotídeos: os ácidos nucléicos Aula
8plexas que a estrutura do DNA. Além dos nucleotídeos poliméricos po-
dem ser encontrados na células nucleotídeos que não formam polímero
como ATP (participando em reações de transferência de energia), AMP
cíclico e GMP cíclico (nucleotídeos com função reguladora).
RESUMO
Os nucleotídeos desempenham diversas funções biológicas. São as unida-
des do DNA e RNA, participando no armazenamento e na transmissão da
informação genética. Atuam nas reações de transferência de energia química
nas células, são componentes estruturais de cofatores enzimáticos e atuam como
segundos mensageiros. Os nucleotídeos são unidades formadas por uma base
nitrogenada (purina ou pirimidina), uma pentose e uma ligação fosfato. Os nu-
cleosídeos diferem dos nucleotídeos por não apresentar a ligação fosfato. Os
ácidos nucléicos são polímeros de nucleotídeos, unidos por ligações fosfodiés-
teres entre a hidroxila 5’ de uma pentose e a hidroxila 3’ da ribose do nucleotí-
deo seguinte. O esqueleto covalente do DNA e RNA é hidrofílico, sendo for-
mado por fosfato e pentose. Os nucleotídeos de RNA contêm ribose e as bases
de pirimidinas uracila e citosina. Os desoxinucleotideos do DNA contêm a 2’-
desoxirribose e as bases de pirimidinas timina e citosina. Tanto no RNA quanto
no DNA as purinas são adenina e guanina. A estrutura primária dos ácidos
nucléicos é a sua sequência de nucleotídeos. Em 1953 James Watson e Francis
Crick apresentaram um modelo estrutural para o DNA, denominando-o dupla
hélice. A dupla hélice é a estrutura secundária do DNA. Ela consiste em duas
cadeias antiparalelas enroladas no sentido da mão direita. Pareamentos de ba-
ses complementares A=T e GºC são formados por pontes de hidrogênio dentro
da hélice e os esqueletos hidrofílicos açúcar-fosfato são localizados na superfí-
cie da dupla hélice. Os pares de bases são empilhados no interior da hélice.
Cada volta completa da dupla hélice apresenta cerca de 10,5 pares de bases. O
DNA sofre desnaturação reversível sob aquecimento ou quando exposto a ex-
tremos de pH. Pelo fato de os pares de bases GºC serem mais estáveis que os
pares A=T, o ponto de fusão dos DNA ricos em pares de GºC é maior que o
dos DNA ricos em pares A=T. O RNA mensageiro é o veículo pelo qual a
informação genética é transferida do DNA aos ribossomos para a síntese de
proteínas. O RNA de transferência e o RNA ribossômico são também envolvi-
dos na síntese protéica. O RNA pode ser estruturalmente complexo, com fitas
de RNA simples freqüentemente dobradas em grampos, regiões de fitas duplas
denominadas hastes e regiões em que não ocorrem pareamentos de bases. O
ATP é a moeda energética das reações do metabolismo celular. O AMP cíclico,
formado a partir do ATP em uma reação catalisada pela adenilato ciclase, é um
mensageiro secundário comum, produzido em resposta a hormônios e outros
sinais químicos.
164
Bioquímica
ATIVIDADES
1. O que são nucleotídeos e que funções essas moléculas exercem na célula?
2. Como são nomeadas as bases nitrogenadas do DNA e RNA?
3. O que é a estrutura primária dos ácidos nucléicos?
4. Descreva estrutura tridimensional do DNA.
5. Por que solução contendo DNA (que são viscosas) quando expostas a
temperaturas acima de 80oC apresentam diminuição de sua viscosidade?
6. O que são hastes, alças e grampos ?
7. O que são nucleotídeos reguladores?
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
1. Caso você tenha pensado nos nucleotídeos como uma molécula
formada por uma base nitrogenada , uma pentose e uma ligação
fosfato, a sua resposta foi acertada e certamente você percebeu a
diferença entre essas moléculas e os nucleosídeos. Como aprendemos
nessas aula, os nucleosídeos são moléculas que apresentam uma
base nitrogenada e uma pentose. Os nucleosídeos não apresentam
uma ligação fosfato. Com relação à função que os nucleotídeos
desempenham na célula você poderia pensar no ATP, um
nucleotídeo que participa das reações de transferência de energia
química na célula. Uma outra função bastante conhecida dos
nucleotídeos é que eles são moléculas envolvidas no
armazenamento e na transmissão da informação genética. Essas
funções estão associadas ao DNA e RNA. Os nucleotídeos
desempenham ainda função coenzimática (exemplo disso é o NAD) e
de segundo mensageiro (AMP cíclico e GMP cíclico).
2. Espera-se nessa atividade que você reconheça que as bases
nitrogenadas dos nucleotídeos são de dois tipos, quais sejam: purinas
e pirimidinas. Com relação às bases de purina, que são adenina e
guanina, você deve ter identificado que elas são comuns tanto para
os polímeros de DNA quanto para os de RNA. Com relação às
pirimidinas, que são citosina, uracila e timina, certamente você
identificou a citosina como a base de pirimidina comum a DNA e
RNA. As diferenças estão relacionadas à uracila, que é encontrada
no RNA, e timina no DNA.
3. Certamente você já conhece o conceito de estrutura primária da
aula “Estrutura das proteínas fibrosas”. Uma correlação do conceito
165
Estruturas e funções biológicas dos nucleotídeos: os ácidos nucléicos Aula
8
aprendido naquela aula com o que aprendemos agora com a estrutura
dos nucleotídeos deve ter conduzido você a identificar a estrutura
primária dos ácidos nucléicos (DNA e RNA) com sua sequência
de nucleotídeos. A sequência de nucleotídeos do DNA e RNA
apresentam um sentido 5’ 3’. Esse sentido da cadeia se deve a
forma como os nucleotídeos reagem, numa ligação covalente
denominada ligação fosfodiester, formando sequência de
nucleotídeos desses ácidos nucléicos.
4. Você aprendeu nessa aula que a estrutura tridimensional do DNA
apresenta um formato helicoidal semelhante ao das proteínas a-
queratinas. A estrutura secundária do DNA (diferentemente da
estrutura das a-queratinas), é formada por duas fitas de nucleotídeos,
tanto é assim que ela é denominadadupla hélice. A dupla hélice consiste
de duas fitas antiparalelas de DNA. Essas duas fitas formam uma dupla
hélice com enrolamento à direita, apresentando o esqueleto de
desoxirribose e fosfatos na parte externa dessa estrutura. As bases de
purinas e pirimidinas de ambas as fitas empilham-se no interior da
dupla hélice. O pareamento das duas fitas cria um sulco principal e um
sulco secundário na superfície da fita dupla. Cada base de uma fita
está pareada no mesmo plano com uma base da outra fita, por formação
de pontes de hidrogênio. O pareamento das pares é feito entre uma
guanina e uma citosina (GºC) e entre adenina e timina (A=T). As bases
empilhadas verticalmente no interior da dupla hélice estão separadas
por uma distância de 3,4 Å e que a cada 34 Å são encontrados 10
resíduos de nucleotídeos em cada volta completa da dupla hélice.
5. Vimos nessa aula que como as proteínas, as moléculas de DNA
podem também sofre desnaturação. Um dos indícios que evidenciam
a desnaturação do DNA é diminuição da viscosidade das soluções
de DNA. As soluções de DNA nativo cuidadosamente isoladas são
espessas como um xarope (ou seja, viscosas). Quando essas soluções
são expostas a temperaturas acima de 80oC, essa viscosidade diminui
rapidamente, indicando que o DNA sofreu desnaturação ou fusão. A
fusão da dupla hélice do DNA ocorre com ruptura das pontes de
hidrogênio entre o pareamento das bases e com o desenrolamento e
separação da dupla hélice, formando duas fitas simples,
completamente separadas ou apenas parcialmente separadas. Na
fusão nenhuma ligação covalente no DNA é quebrada, mas apenas
as interações não covalentes como pontes de hidrogênio entre as
bases e a interação hidrofóbica que proporciona o empilhamento das
bases no interior da hélice.
166
Bioquímica
6. É provável que você tenha identificado esses termos com
segmentos do ácido nucléico RNA. Certamente você deve ter
percebido que as estruturas dos RNAs são mais complexas que a
dupla hélice do DNA. Assim, a forma estrutural básica dos
nucleotídeos de RNA é uma fita simples em espiral que se arranja,
na maioria das vezes, formando estruturas secundárias denominadas
hastes. A formação dessas hastes se deve às pontes de hidrogênio
entre as bases nitrogenadas dos nucleotídeos da própria cadeia que
dobra sobre ela mesma, proporcionando a formação dessas estruturas.
As alças são regiões do RNA em que não ocorre pareamento de bases.
As estruturas em grampo de cabelo são características das moléculas
de tRNA e rRNA., As estruturas em grampo se caracterizam por
formação de pregas nas estruturas desses dois tipos de RNA.
7. Com o estudo dos nucleotídeos que não formam polímeros
aprendemos que essas moléculas orgânicas podem desempenhar
diversas funções nas células. Entre essas funções destacamos nessa
atividade a função de reguladores celulares. Certamente você deve ter
identificado a adenosina 3’, 5’-monofosfato cíclico (AMP cíclico, ou
cAMP) e a guanosina 3’, 5’-monofosfato cíclico (cGMP), como
nucleotídeos reguladores, desempenhando a função de segundo
mensageiro no ambiente celular. Dessa forma, aprendemos que as células
respondem ao seu ambiente retirando informação de hormônios e outros
sinais químicos no meio circundante. A interação destes sinais químicos
extracelulares (primeiro mensageiro) com receptores na superfície celular
freqüentemente leva à produção de segundos mensageiros dentro da
célula que, por sua vez, leva às alterações adaptativas no interior celular.
Freqüentemente, o segundo mensageiro é um nucleotídeo.
PRÓXIMA AULA
Na próxima aula teremos a oportunidade de apresentar a química dos lipí-
dios. Nessa aula procuraremos correlacionar as diversas estruturas quími-
cas dessa classe de biomoléculas com as suas funções biológicas. Até lá!
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5 ed. Rio
de Janeiro: Guanabara-Koogan, 2004.
167
Estruturas e funções biológicas dos nucleotídeos: os ácidos nucléicos Aula
8CHAMPE, P. C.; HARVEY, R. A. Bioquímica Ilustrada, 2 ed. Editora
Artes Médicas, 1997.
KOOLMAN, J.; RÖHM, Klaus-Heinrich. Bioquímica. 3 ed. Porto Ale-
gre: Editora Artmed, 2005.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 2.
Edição, São Paulo, Sarvier, 1995.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 3
ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
STRYER, L. Bioquímica. 4 ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1996.
VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica.
. Porto Alegre: Editora Artmed, 2000.
A QUÍMICA DOS LIPÍDIOS
META
Introduzir o conhecimento das estruturas químicas dos lipídios, relacionando essas estruturas
com as diversas funções biológicas que os lipídios exercem na natureza.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
definir e classificar lipídios;
descrever e classificar os ácidos graxos;
descrever e classificar os triacilgliceróis;
enumerar algumas funções biológicas dos triacilgliceróis;
descrever a estrutura das ceras ou graxas;
citar algumas funções biológicas das ceras;
reconhecer os lipídios de membranas biológicas;
descrever a estrutura dos glicerofosfolipídios ou fosfoglicerolipídios;
descrever a estrutura dos os esfingolipídios; e
descrever e apresentar exemplos de esteróides.
PRÉ-REQUISITOS
Para acompanhar esta aula você deverá estudar ou rever conceitos de química, já abordados na
aula Introdução à Bioquímica.
Aula
9
(Fonte: http://vidaempaz.files.wordpress.com).
170
Bioquímica
INTRODUÇÃO
Quando se fala em lipídios é comum associar esta classe de biomolé-
culas às gorduras, mas como veremos em nosso estudo, as gorduras são
apenas uma das espécies de lipídios. Essa associação equivocada se ex-
plica pelo fato de a maioria dos lipídios ter como característica comum
uma natureza oleosa. Os lipídios são biomoléculas abundantemente en-
contradas na natureza. Eles estão presentes em diversos alimentos como
gema do ovo, leite, gorduras animais e óleos vegetais, etc. Os lipídios
formam uma classe bem complexa de biomoléculas, que se caracterizam
mais por sua solubilidade em solventes orgânicos apolares (como cloro-
fórmio, éter, benzeno) e baixa solubilidade em solventes polares (como
água, etanol, metanol) e não por apresentar algum grupo funcional co-
mum a todos eles. Os lipídios se diferenciam das outras biomoléculas
estudadas por não formarem polímeros, como observado entre as prote-
ínas, os carboidratos e os ácidos nucléicos. A maioria dos lipídios é for-
mada por ácido graxo, que é um ácido orgânico mono carboxílico. Os
lipídios desempenham diversas e importantes funções biológicas, atuan-
do, por exemplo, como reserva energética de plantas e animais , isolante
térmico e mecânico do corpo de animais, estrutural (como componentes
das membranas biológicas), agentes emulsificantes (ácidos biliares), fun-
ção coenzimática (as vitaminas lipossolúveis A, D, E, K), entre outras.
O azeite pode ser identificado a partir da quantidade de ácidos graxos
monoinsaturados em sua composição (Fonte: cienciahoje.uol.com.br).
171
A Química dos lipídios Aula
9DESENVOLVIMENTO
Os lipídios são moléculas orgânicas que não se caracterizam por apre-
sentarem um grupo químico comum, mas sim por sua natureza oleosa e
solubilidade em solventes orgânicos apolares como clorofórmio, éter,
benzeno, entre outros.
FUNÇÕES DOS LIPÍDIOS
Os lipídios desempenham diversas funções na natureza, merecendo
destaque as seguintes:
– Reserva energética dos animais e sementes oleaginosas - Os lipídios
são armazenados nas células de animais e plantas na forma de triacilgli-
ceróis ou triglicerídeos (popularmente conhecidos como gorduras);
– São componentes estruturais das membranas biológicas - As mem-
branas das células animais e vegetais são estruturas formadas por pro-
teínas e lipídios. Os lipídios que compõem a membrana biológica são
moléculas anfipáticas (que apresenta naturezadupla: polar e apolar) e
formam uma bicamada lipídica separando dois ambientes aquosos; o
líquido intracelular (o citossol, na parte interna) e o extracelular (a ma-
triz extracelular, que fica fora da célula).
– Oferecem isolamento térmico, elétrico e mecânico para proteção de
células e órgãos e para todo o organismo.
CLASSIFICAÇÃO DOS LIPÍDIOS
Os lipídios se classificam em cinco classes, a saber:
– Triacilgliceróis;
– Ceras;
– Glicerofosfolipídios;
– Esfingolipídios e
– Esteróides
A QUÍMICA DOS ÁCIDOS GRAXOS
É importante iniciar o estudo dos lipídios abordando o conhecimen-
to das estruturas químicas dos ácidos graxos (que não podem ser confun-
didos com lipídios, embora sejam moléculas orgânicas que entram na com-
posição da maioria deles). Portanto, os ácidos graxos são as unidades bá-
sicas da maioria dos lipídios. São ácidos monocarboxílicos (contendo apenas
172
Bioquímica
um grupo carboxila - COOH). O grupo carboxila se liga a uma longa
cadeia hidrocarbonada, cujo número de carbono varia de 4 a 36.
Os ácidos graxos mais abundantes na natureza apresentam um nú-
mero par de átomos de carbono (12 a 24). Suas cadeias hidrocarbonadas
são lineares. O número par de carbonos resulta da maneira como esses
compostos são produzidos nas células, pois as reações de síntese dos áci-
dos graxos envolvem a condensação de unidades de acetato (dois átomos
de carbono) levando a uma composição par de átomos de carbono. Os
ácidos graxos com número ímpar de átomo de carbono podem ser encon-
trados na natureza, mas são bastante raros.
ÁCIDOS GRAXOS SATURADOS E INSATURADOS
Os ácidos graxos podem ser classificados em saturados e insatura-
dos. Os ácidos graxos saturados não apresentam duplas ligações em
suas cadeias, enquantos os insaturados apresentam uma ou mais du-
plas ligações (Figura 1).
Ácidos graxos saturados. O ácido graxo com cadeia hidrocarbonada
saturada não apresenta duplas ligações. Esses ácidos graxos são sólidos a
temperatura ambiente e são encontrados em gorduras animais.
Ácidos graxos insatu-
rados. São os ácidos graxos
que contêm uma ou mais
duplas ligações. Esses áci-
dos graxos são líquidos à
temperatura ambiente e
são encontrados em óleos
vegetais (na seção 3.3 ve-
remos a diferença entre
óleos e gorduras). Os áci-
dos graxos que apresentam
cadeia hidrocarbonada
com uma única ligação
dupla são mono insatura-
dos, enquanto que os que
apresentam cadeia hidro-
carbonada com duas ou
mais ligações duplas são
poli-insaturados (tabela 1).
Figura 1 Estruturas dos áci-
dos graxos saturados e in-
saturados com 18 carbonos.(Fonte: Voet et al., 2000).
173
A Química dos lipídios Aula
9NOMENCLATURA DOS ÁCIDOS
GRAXOS MAIS COMUNS
Os ácidos graxos são mais conhecidos por seu nome comum (como
apresentado na Tabela 1) do que pelo seu nome sistemático (cujo assunto
não será abordado no nosso curso). Nessa tabela encontram-se listados
os ácidos graxos mais abundantes na natureza, com seus respectivos nú-
mero de carbono e suas fórmulas moleculares.
Tabela 1. Ácidos graxos mais comuns na natureza.
REPRESENTAÇÃO QUÍMICA DOS ÁCIDOS GRAXOS
A representação dos ácidos graxos saturados é determinada especifi-
cando o seu número de átomos de carbono (o comprimento da cadeia) e
o número de duplas ligações por dois numerais separados por dois pontos
(como consta na segunda coluna da tabela 1). Nessa representação, o
primeiro numeral significa o número de átomos de carbono e o segundo
(o zero), indica que ele não apresenta nenhuma ligação dupla. Por exem-
plo, ácido graxo saturado com 16 átomos de carbono, o ácido palmítico, é
representado por 16:0 (Figura 2).
(Fonte: http://bioweb.wku.edu/courses/biol22000/2Bonds/Fig.html)
Figura 2. Estrutura do ácido palmítico, um ácido graxo saturado com 16
átomos de carbono. A cadeia hidrocarbonada desse ácido graxo apresenta
carbonos ligados entre si apenas por ligações simples. Essas ligações são
representadas por um traço horizontal.
174
Bioquímica
Outros exemplos dessa classe são os ácidos: láurico (12:0), mirístico
(14:0), palmítico (16:0) e esteárico (18:0), mostrados na tabela 2.
Os ácidos graxos insaturados podem ser representados tanto pelo sis-
tema delta (D), que se caracteriza por nomear o carbono a partir da
extremidade que contém a carboxila (COOH); como pela representa-
ção n-w, em que a numeração do carbono inicia-se com a extremidade
que tem o grupo metil (CH
3
).
REPRESENTAÇÃO PELO SISTEMA DELTA (D)
Para ácidos graxos monoinsaturados. O ácido oléico com 18 carbo-
nos e uma dupla ligação é representado no sistema delta (D) como 18:1(D9).
Nessa representação, o numeral 18 significa os 18 átomos de carbonos do
ácido graxo e o numeral 1 o número de dupla ligação desse ácido graxo,
que é apenas uma. A letra grega seguida pelo numeral 9 sobrescrito (D9)
, significa que a dupla ligação se encontra entre o C-9 e C10 (o carbono
carboxílico é o C-1), como ilustra a Figura 3:
(Fonte : http://bioweb.wku.edu/courses/biol22000/2Bonds/Fig.html).
(Fonte: Voet et al., 2000).
Outro exemplo mostrado nas tabelas 1 e 2 é o do ácido graxo palmi-
toléico, representado por 16.1 (D9).
Para ácidos graxos poli-insaturados. As posições de quaisquer duplas
ligações são especificadas pela letra grega (delta) seguida por numerais
sobrescritos, como vimos no exemplo anterior. O ácido linoléico é um
ácido graxo com 18 átomos de carbonos e com duas duplas ligações,
(sendo a primeira delas encontrada entre os C-9 e C-10 e a outra entre
os C-12 e C-13). Esse ácido graxo é representado por 18:2 (9,12) como
destacado na Figura 4.
Figura 3. Estrutura do ácido oléico, um ácido graxo insaturado com 18
átomos de carbono. Esse ácido apresenta uma dupla ligação (=) entre o
carbonos 9 e 10.
175
A Química dos lipídios Aula
9Figura 4. Estrutura do ácido linoléico, um ácido graxo insaturado com 18
átomos de carbono. Esse ácido apresenta duas duplas ligações: a primeira
entre o carbonos 9 e 10 e a segunda entre os carbono 12 e 13.
REPRESENTAÇÃO N-W PARA ÁCIDOS
GRAXOS POLI-INSATURADOS
Os ácidos graxos poliinsaturados podem ser nomeados de acordo com
a posição da primeira dupla ligação contada a partir da extremidade que
contém o grupo metil (CH
3
) em n-ômega ou n-ù (Quadro 2). Essa repre-
sentação agrupa os ácidos graxos em ômega-3 (ù -3), ômega-6 (ù -6), ôme-
ga-7 (ù -7) e ômega-9 (ù -9), como mostra a Tabela 2. O ácido á-linolênico
é um exemplo de ácido graxo do tipo ômega-3. Nessa representação, o
ácido á-linolênico é representado por 3n-3. Observe que o 3n representa
o número de duplas ligações (três duplas ligações) e o último 3 indica a
classe a que esse ácido graxo pertence no sistema ômega. Portanto, no
exemplo estudado, o ácido á-linolênico é do tipo ômega 3. A estrutura
abaixo (Figura 5) é a representação da cadeia do ácido graxo linolênico
(18:3 n-3), que é um ácido graxo do tipo ômega-3.
(Fonte: Voet et al., 2000).
Figura 5. Estrutura do ácido a-linoléico, um ácido graxo insaturado
com 18 átomos de carbono. Esse ácido apresenta três duplas ligações
contando a partir da extremidade com o grupo metil (-CH
3
): a primei-
ra entre o carbonos 3 e 4 e a segunda entre os carbono 6 e 7 e a tercei-
ra entre os carbonos 9 e 10.
Tabela 2 - Representações dos ácidos graxos poliinsaturados pelos siste-
mas delta (D) e ômega (ω)
176
Bioquímica
ESTUDO DOS TRIACILGLICERÓIS
Uma vez concluído o estudo das estruturas químicas dos ácidos gra-
xos, veremos agora como essas moléculas se combinam com os diferentes
constituintes celulares, formando as diversas classes de lipídios encontra-
dos na natureza. Iniciaremos, então, com o estudo dos triacilgliceróis, po-
pularmente conhecidos como gorduras animais ou os óleos vegetais.
Estrutura química. Os triacilgliceróis, também denominados triglicé-
rides, triglicerídeos ou gorduras são formados por trêsmoléculas de áci-
dos graxos, que se ligam covalentemente às hidroxilas (OH) do álcool
glicerol (Figura 6).
(Fonte: Voet et al., 2000).
Figura 6. (a) Esquema da molécula do triacilglicerol. (b) Estrutura da
molécula do glicerol (um álcool com três hidroxilas) e (c) de um triacilgli-
cerol. Os grupos R
1
, R
2
 e R
3
 representam as cadeias hidrocarbonadas dos
ácidos graxos.
Os triacilgliceróis são moléculas apolares ou hidrofóbicas essencialmen-
te insolúveis em água. Os lipídios apresentam uma densidade específica me-
nor do que a água e, por essa razão, as misturas de óleo e água se separam
em duas fases. Isso pode ser facilmente constatado quando o óleo fica flu-
tuando sobre a fase aquosa. O mesmo ocorre em mistura de óleo-vinagre,
usualmente empregado para tempero de saladas e molhos de carnes.
FUNÇÕES DOS TRIACILGLICERÓIS
Função de reserva energética. Nos animais vertebrados, os adipóci-
tos (as células que armazenam as gorduras) armazenam grandes quanti-
dades de triacilgliceróis como gotículas de gordura. Os triacilgliceróis são
também armazenados como óleos nas sementes de muitos tipos de plan-
177
A Química dos lipídios Aula
9tas que ajudam na germinação. Nos seres humanos o tecido adiposo é
composto principalmente de adipócitos situados sob a pele, na cavidade
abdominal e nas glândulas mamárias (neste último caso, de grande impor-
tância para viabilizar o aleitamento materno).
Isolante térmico para animais de climas muito frios. Esta é uma fun-
ção especialmente importante para os animais que habitam as zonas po-
lares do globo que suportam baixíssimas temperaturas. Animais como
urso, foca e pingüins apresentam uma espessa camada de gordura sob a
pele que impede a troca de calor do animal com o ambiente, mantendo
assim seus corpos aquecidos.
CLASSIFICAÇÃO DOS TRIACILGLICERÓIS
Os triacilgliceróis são classificados em simples e mistos. Os triacilgli-
ceróis simples apresentam o mesmo tipo de ácido graxo ligado às três
hidroxilas do glicerol. Os triacilgliceróis mistos apresentam pelo menos
dois ácidos graxos diferentes ligados à molécula de glicerol (Figura 7)
(Fonte: Voet et al., 2000).
Figura 7. (a) Triacilglicerol simples, formado apenas por um tipo de ácido
graxo (R) que se liga as três OH do glicerol, representados por R
1
, R
2
 e R
3
.
Os óleos vegetais e as gorduras animais são misturas complexas de
triacilgliceróis simples e mistos. Esses triacilgliceróis contêm uma varie-
dade de ácidos graxos que diferem quanto ao comprimento da cadeia e
grau de saturação. Os óleos vegetais, como os óleos de milho e azeite de
oliva são formados, principalmente, por triacilgliceróis que contêm áci-
dos graxos insaturados e, são, portanto, líquidos à temperatura ambiente.
Já as gorduras animais são formadas, principalmente, por triacilgliceróis
contendo ácidos graxos saturados. Como exemplo, é possível citar a tries-
tearina – encontrada abundantemente em gordura bovina –, que é um
sólido branco e gorduroso à temperatura ambiente (Figura 8).
178
Bioquímica
Figura 8. Composição de ácidos graxos saturados e insaturados de algu-
mas gorduras (bovina, manteiga e coco) e do óleo de milho.
CERAS OU GRAXAS
Outra classe de lipídios apolares ou hidrofóbicos são as ceras, tam-
bém conhecidas como graxas. As ceras são ésteres de ácidos graxos satu-
rados ou insaturados de cadeia longa (com 14 a 36 átomos de carbonos),
com alcoóis de cadeia longa (contendo de 16 a 30 carbonos) como pode
ser visto na Figura 9. A reação de formação de éster é denominada reação
de esterificação. A esterificação resulta da reação de um éster pela união
de um álcool e um ácido (neste caso um ácido graxo).
(Fonte: http://www.enq.ufsc.br/labs/probio/disc_eng_bioq/trabalhos_pos2003/
const_microorg/lipideos.htm).
179
A Química dos lipídios Aula
9
(Fonte: Nelson e Cox., 2002).
Figura 9. Estrutura química das ceras.
FUNÇÕES BIOLÓGICAS DAS CERAS
As ceras apresentam diversas funções na natureza, especialmente por
ter propriedade repelente à água e sua consistência firme. Dentre as prin-
cipais funções, merecem destaque:
Reserva energética – especialmente importante para a população de
organismos marinhos flutuando livremente e que estão na base da cadeia
alimentar dos ecossistemas aquáticos (o plâncton).
Impermebializante – Alguns animais vertebrados possuem glândulas
na pele que secretam ceras. A cera secretada por essas glândulas prote-
gem o pêlo e a pele desses mantendo-os flexíveis, lubrificados e à prova
de água (impermeáveis). Os pássaros marinhos, inclusive, secretam ce-
ras de suas glândulas para manter suas penas repelentes à água, evitando
o acúmulo de um sobrepeso – representado pelo líquido – sobre suas asas
que comprometeria sua mobilidade no ar e na água.
Proteção contra evaporação e ataque de parasitas. As folhas brilhan-
tes de azevinhos, rododentros, marfim venenoso e muitas outras plantas
tropicais são cobertas por uma grossa camada de cera. Essa camada de
cera serve para impedir a evaporação excessiva da água – evitando sua
desidratação – e proteger a planta do ataque de parasitas.
LIPÍDIOS DE MEMBRANAS BIOLÓGICAS
Os lipídios que entram na composição das membranas das células
são moléculas anfipáticas (Figura 10). Esses lipídios apresentam uma ca-
deia hidrocarbonada apolar (denominada cauda) e um grupo polar (deno-
minado cabeça). Essa estrutura em bicamada é estabilizada por interação
hidrofóbica, que ocorre com a associação das caudas apolares desses lipí-
dios, e as interações hidrofílicas – como pontes de hidrogênio – que ocor-
rem com os grupos polares e a água.
180
Bioquímica
Figura 10. Estrutura dos lipídios de membranas. Os lipídios das mem-
branas celulares são moléculas anfipáticas, que apresentam um gru-
po polar (cabeça), representado pela estrutura oval cinza; e uma
cadeia hidrocarbonada (cauda) apolar, representada pelo traço em
ziguezague.
(Fonte: Gilbert, 2000).
CLASSIFICAÇÃO DOS LIPÍDIOS
DE MEMBRANAS BIOLÓGICAS
Os lipídios de membranas biológicas são agrupados em três clas-
ses: glicerofosfolipídios, esfingolipídios e colesterol. Os glicerofosfo-
lipídios e esfingolipídios se agrupam em duas subclasses: fosfolipídi-
os e glicolipídios. Os fosfolipídios são lipídios de membranas que
apresentam fosfato em suas estruturas. Os glicolipídios são os lipí-
dios que apresentam como grupo polar um monossacarídeo ou oli-
gossacarídeos (Figura 11).
A enorme diversidade de estruturas químicas que se observa nas
classes dos lipídios de membranas se deve às diversas possibilidades
de combinações das cadeias hidrocarbonadas dos ácidos graxos e
com os grupos químicos que podem formar as cabeças polares.
181
A Química dos lipídios Aula
9Figura 11. Representação das estruturas dos lipídios de membranas biológicas.
GLICEROFOSFOLIPÍDIOS OU
FOSFOGLICERÍDEOS
Estruturas dos glicerofosfolipídios. Os glicerofosfolipídios ou fosfo-
glicerídeos são os lipídios de membranas mais abundantemente encontra-
dos nas membranas das células. Todos os lipídios dessa classe são deriva-
dos do ácido fosfatídico. O ácido fosfatídico é uma molécula formada
por glicerol, duas unidades de ácidos graxos e um grupo fosfato. As molé-
culas de ácidos graxos se ligam às hidroxilas (OH) do primeiro e do se-
gundo carbono do glicerol e o grupo fosfato se liga a OH do terceiro
carbono do glicerol (Figura 12)
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
(Fonte: http://www.bioq.unb.br/htm/aulas2D/sint_plip.htm).
Figura 12. Estrutura do ácido fosfatídico, precursor de todos os glicero-
fosfolipídios. As cadeias de ácidos graxos R1 e R2 se ligam as hidroxilas
(OH) dos C1 e C2 do glicerol, enquanto o grupo fosfato se liga a OH do
C3. O X é o átomo de H, que pode ser substituído pelo grupo polar,
formando os glicerofosfolipídios.
182
Bioquímica
Tipos de glicerofosfolipídios. Os glicerofosfolipídiossão classifica-
dos de acordo com o álcool ligado ao grupo fosfato em: fosfatidilcolina
(lecitina), fosfatidiletanolamina (cefalina), fosfatidilglicerol e fosfatidil-
serina (Figura 13). Os ácidos graxos freqüentemente encontrados nos gli-
cerofosfolipídios apresentam uma cadeia hidrocarbonada contendo entre
16 e 20 átomos de carbono. Os ácidos graxos saturados são encontrados,
geralmente, no C-1 do glicerol, enquanto a posição C-2 é freqüentemente
ocupada por ácidos graxos insaturados.
(Fonte: Motta, 2005).
Figura 13 - Estruturas químicas dos glicerofosfolipídios. O grupo R re-
presenta a cadeia hidrocarbonada dos ácidos graxos. Esses lipídios apre-
sentam o ácido fosfatídico, como molécula comum a todos eles, diferindo
apenas na natureza química do grupo polar.
183
A Química dos lipídios Aula
9ESFINGOLIPÍDIOS
Os esfingolipídios são formados por uma molécula de esfingosina
(um aminoálcool de cadeia longa), um ácido graxo de cadeia longa e um
grupo polar (Figura 10). Os carbonos, C-1, C-2 e C-3 da molécula de
esfingosina são estruturalmente análogos aos três grupos hidroxila do gli-
cerol, diferindo apenas pelo fato de que no C-2 é encontrado um grupo
amino (NH
2
), em vez de uma OH. Quando o ácido graxo está ligado ao
grupo -NH2 do C-2, o composto resultante é uma ceramida. Vale desta-
car, que a ceramida é o precursor estrutural de todos os esfingolipídios
(Figuras 14 e 15).
Os esfingolipídios, todos eles derivados da ceramida, são classifi-
cados em: esfingomielinas e glicoesfingolipídios. Os glicoesfingolipídi-
os, por sua vez, são subdivididos em, globosídeos, cerebrosídeos e gan-
gliosídeos (Figura 14).
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 14. Estruturas dos esfingolipídios
184
Bioquímica
ESFINGOMIELINAS
As esfingomielinas possuem a fosfocolina ou a fosfoetanolami-
na como seu grupo polar ligado ao C-1 da ceramida (Figura 10). As
esfingomielinas estão presentes na membrana plasmática de células
animai e na bainha de mielina (membrana que envolve e isola os
axônios dos neurônios).
(Fonte: Motta, 2005).
Figura 15. Estruturas das esfingomielinas. (a) Estrutura da ceramida. (b)
Estrutura da esfingomielina em que o grupo polar é a fosfocolina.
GLICOESFINGOLIPÍDIOS
Os glicoesfingolipídios possuem uma ou mais unidades de monossa-
carídeos como grupo polar ligado à hidroxila (OH) do C-1 da ceramida.
São agrupados em 4 classes: cerebrosídeos, globosídeos e gangliosídeos.
CEREBROSÍDEOS
 São glicoesfingolipídios que apresentam apenas uma unidade de
monossacarídeo ligado à ceramida. Os cerebrosídeos de galactose são
encontrados na membrana plasmática de células dos tecidos nervoso. São
denominados galactocerebrosídeo (Figura 16a). Os cerebrosídeos de gli-
cose são encontrados em membranas de tecidos não neurais e são deno-
minados glicocerebrosídeo (Figura 16a).
185
A Química dos lipídios Aula
9GLOBOSÍDEOS
São glicoesfingolipídios formados por duas ou mais unidades de monos-
sacarídeos, normalmente di, tri e tetrassacarídeos. Os monossacarídeos que
entram na composição desses lipídios são D-glicose, D-galactose ou N-ace-
til-D-galactosamina. Os globosídeos são encontrados na face externa da mem-
brana plasmática, voltando-se para a matriz extracelular (Figura 16b).
GANGLIOSÍDEOS
São os glicoesfingolipídios que apresentam estruturas químicas bem
mais complexas (Figura 13) quando comparados aos demais esfingoli-
pídios. Nesses lipídios, o grupo polar é uma cadeia de oligossacarídeo
formado por várias unidades de monossacarídeos que se ligam a OH do
C-1. O que os diferencia dos globosídeos, é que nos gangliosídeos uma
ou mais unidades de monossacarídeos são de ácidos N-acetilneuramíni-
co (ácido siálico). Os gangliosídeos estão presentes em cerca de 6% da
massa cinzenta do cérebro e em menores quantidades em tecidos não
neurais. Os nomes dos gangliosídeos incluem letras e números subscri-
tos. As letras M, D e T indicam que a molécula contém um, dois ou três
resíduos de ácido siálico, respectivamente. Já os números designam a
seqüência de açúcares ligados à ceramida. Os gangliosídeos GM1, GM2
e GM3 são os mais conhecidos (Figura 17).
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 16. (a) Cerebrosídeo. Esfingolipídio cujo grupo polar é uma unida-
de do monossacarídeo glicose, um galactocerebrosídeo. Fonte: Motta,
2005. (b) Globosídeo. Esfingolipídio cujo grupo polar é formado por uma
unidade de um di, tri ou tetrassacarídeo.
186
Bioquímica
ESTERÓIDES
Os esteróides são lipídios que se caracterizam por conter o núcleo
esteróide composto de quatro anéis fundidos, A, B, C e D (Figura 18a).
Os esteróides não são formados por ácidos graxos. O colesterol é o
principal esteróide presente nos tecidos animais, frequentemente en-
contrado nas membranas das células animais. O colesterol é uma molé-
cula anfipática, cujo grupo polar é uma hidroxila que se liga ao C-3 do
anel A. O grupo apolar do colesterol compreende tanto parte do núcleo
esteróide quanto a longa cadeia hidrocarbonada que se liga ao carbono
13 do anel D (Figura 18b).
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 17. Estruturas químicas dos Gangliosídeos do tipo GM, que apre-
sentam uma única unidade de ácido siálico.
187
A Química dos lipídios Aula
9
Figura 18. A. Núcleo dos esteróis, ou ciclo pentano peridro fenantreno. B
Estrutura do Colesterol.
Os ácidos biliares são esteróides formados a partir do colesterol. Como
exemplo, temos o ácido taurocólico (Figura 19), cuja cadeia lateral no C-
17 do núcleo esteróide é hidrofílica. Os ácidos biliares atuam como de-
tergentes nos intestinos, emulsificando as gorduras provenientes da dieta
alimentar. Dessa forma, a ação dos agentes emulsificantes facilita a ação
das lipases digestivas, enzimas que hidrolisam as gorduras obtidas da ali-
mentação.
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 19. Ácido taurocólico, um constituinte da bile.
188
Bioquímica
Os hormônios sexuais e do córtex da glândula adrenal são lipídios da
classe dos esteróides (Figura 20). Exemplos dessa classe de esteróides são a
testosterona (hormônio sexual masculino), o estradiol (hormônio sexual
feminino), o cortisol e a aldosterona (hormônios do córtex adrenal).
(Fonte: Voet et al., 2000).
CONCLUSÃO
Os lipídios são biomoléculas com uma ampla variedade estrutural.
Essas biomoléculas não se caracterizam por apresentar um grupo quími-
co comum a todos eles, mas por sua solubilidade em solventes apolares.
Classificam-se em triacilgliceróis, ceras, glicerofosfolipídios, esfingolipí-
dios e esteróides. Os ácidos graxos são ácidos orgânicos mono carboxíli-
co que entram na formação da maioria dos lipídios. Dentre os lipídios
formados por ácidos graxos encontram-se os triacilgliceróis, que são éste-
res de glicerol com três moléculas de ácidos graxos. As ceras ou graxas
são ésteres de ácidos graxos de cadeia longa com álcool de cadeia longa.
Duas outras classes de lipídios formadas por ácidos graxos são os glicero-
Figura 20. Hormônios esteroidais.
189
A Química dos lipídios Aula
9fosfolipídios e os esfingolipídios. Enquanto os glicerofosfolipídios são
derivados do ácido fosfatídico, os esfingolipídios são derivados da cera-
mida. Os lipídios dessas duas classes são moléculas anfipáticas e entram
na formação das membranas celulares. Os esteróides são lipídios que não
apresentam ácidos graxos em suas estruturas. São formados por um nú-
cleo de esteróide, comum a todos os lipídios dessa classe.
RESUMO
Os lipídios são uma classe bastante complexa de biomoléculas, que se
caracterizam por sua solubilidade em solventes orgânicos apolares. São en-
contrados em tecidos de animais e vegetais. Nos animais, os lipídios são
mais abundantes nas membranas celulares e nos adipócitos (células que
armazenam triacilgliceróis ou gorduras). Eles desempenham diversas fun-
ções na natureza:atuam como reserva energética dos animais e plantas; são
componentes estruturais das membranas biológicas; conferem isolamento
térmico, elétrico e mecânico para células e órgãos e, ainda, são precursores
de moléculas mensageiras, como hormônios e prostaglandinas. Os lipídios
são classificados em triacilgliceróis, ceras (ou graxas), glicerofosfolipídios
(ou fosfoglicerídeos), esfingolipídios e esteróides. A maioria dos lipídios é
formada por ácidos graxos, cujo grupo carboxila se liga a uma longa cadeia
hidrocarbonada. A cadeia hidrocarbonada dos ácidos graxos varia de tama-
nho, apresentado de 4 a 36 átomos carbonos e podem ser saturada ou insa-
turada. Os triacilgliceróis são lipídios apolares formados por uma unidade
de glicerol e três unidades de ácidos graxos, desempenhando função de
reserva energética, isolante térmico e participam na adaptação da flutua-
ção da baleia cachalote. As ceras ou graxas são formadas por uma longa
cadeia de ácido graxo e um álcool de cadeia longa. As ceras apresentam
diversas funções, especialmente atuando como impermebializante, reserva
energética e na proteção de plantas contra evaporação e ataque de preda-
dores. Os lipídios que compõem as membranas das células são moléculas
anfipáticas. São agrupados em três classes: glicerofosfolipídios, esfingolipí-
dios e esteróides. Os glicerofosfolipídios ou fosfoglicerídios são derivados
do ácido fosfatídico e são classificados de acordo com o álcool esterificado
ao grupo fosfato em: fosfatidilcolina (lecitina), fosfatidiletanolamina (cefa-
lina), fosfatidilglicerol e fosfatidilserina. Os esfingolipídios, todos deriva-
dos da ceramida, se classificam em duas classes: esfingomielinas e glicoes-
fingolipídios. Os glicoesfingolipídios, por sua vez, são subdivididos em glo-
bosídeos, cerebrosídeos e gangliosídeos. Os esteróides são lipídios que se
caracterizam por conter o núcleo esteróide, que consiste de quatro anéis
fundidos. O colesterol, ácidos biliares, os hormônios sexuais e do córtex da
glândula adrenal, são exemplos de lipídios da classe dos esteróides.
190
Bioquímica
ATIVIDADES
1. Explique porque o conceito de lipídios não os define com precisão
nem os caracteriza como uma classe de biomoléculas.
2. Dados os ácidos graxos abaixo:
I) CH
3
(CH
2
)
16
COOH II) CH
3
(CH
2
)
27
CH=CH(CH
2
)
7
COOH
 Ácido esteárico ácido oléico
III) CH
3
(CH
2
)
4
CH=CHCH
2
)
2
(CH
2
)
6
COOH
(ácido linoléico)
a) Qual deles é um ácido graxo saturado? Por quê?
b) Quais deles são ácidos graxos insaturados?
3. O que são triacilgliceróis? Cite algumas de suas principais funções biológicas.
4. Como são formadas as ceras ou graxas? Que funções biológicas esses
lipídios exercem na natureza?
5. O que são glicerofosfolipídios? Apresente alguns exemplos de lipí-
dios desta classe.
6. Descreva a estrutura dos esfingolipídios e cite as moléculas que fazem
parte dessa classe de lipídios.
7. O que são esteróides? Exemplifique-os.
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
1. Como você deve ter percebido durante a leitura desta aula os
lipídios formam uma classe diversas de biomoléculas e se diferenciam
das outras biomoléculas como as proteínas, os ácidos nucléicos e os
carboidratos por não apresentar uma unidade química comum a todos
eles, nem formar estruturas poliméricas (como um colar de pérolas,
por exemplo). A maioria dos lipídios apresenta em suas estruturas
uma unidade de ácido graxo, mas os esteróides não são compostos
de ácidos graxos. Assim, o melhor conceito para agrupar os lipídios
como uma classe de biomoléculas é justamente o conceito da
solubilidade dessas moléculas em solventes orgânicos apolares como
clorofórmio, éter, benzeno, entre outros e sua insolubilidade em
solventes polares como água e etanol. Muitas moléculas orgânicas
podem ser solúveis em compostos apolares e no entanto não
pertencerem à classe dos lipídios. Dessa forma um conceito baseado
na solubilidade e insolubilidade dessas moléculas não os caracteriza
como uma classe de biomoléculas.
191
A Química dos lipídios Aula
9
2. a) Para responder esta atividade é necessário diferenciar os ácidos
graxos saturados de ácidos graxos insaturados. Com a leitura do tópico
dessa aula que trata da química dos ácidos graxos, você aprendeu que
os ácidos graxos saturados são formados por carbono ligados
covalentemente por ligação simples, enquanto os ácidos graxos
insaturados apresentam um ou mais duplas ligações em suas estruturas.
Assim, dos ácidos graxos apresentados nessa atividade, o único que
não apresenta ligação dupla em sua estrutura é o ácido esteárico.
b) Certamente você deve ter percebido na estrutura desse ácido que
ele apresenta um grupo CH3 na extremidade da cadeia e dezesseis
unidades intermediárias do grupo CH2 (só apresentam ligações
simples. Comparando a estrutura do ácido esteárico com a dos outros
dois ácidos graxos oléico e linoléico, você pode constatar que esses
dois últimos são os ácidos graxos insaturados.
3. Naturalmente você deve ter associado os triacilgliceróis a gorduras.
E essa associação se deve a que essa classe de lipídios é a mais
comentada atualmente, devido aos problemas relacionados com a
obesidade. Os triacilgliceróis, também conhecidos como triglicérides,
triglicerídeos ou gorduras são formados por três moléculas de ácidos
graxos, que se ligam covalentemente às hidroxilas (OH) do álcool
glicerol. Esses lipídios são armazenados nas células adipócitos na
forma de gotículas de gorduras e desempenham diversas funções
biológicas como reserva energética de animais e plantas e isolante
térmico para animais de climas muito frios.
4. Certamente você não deve ter encontrado muitas dificuldades em
reconhecer em termos químicos as ceras ou graxas. Naturalmente
você identificou que as ceras são os lipídios que apresentam estruturas
químicas mais simples. Essa classe de lipídios é formada por dois
tipos de moléculas, quais sejam: uma cadeia de ácido graxo e outra
de álcool de cadeia longa. Se você reconheceu que essas moléculas
se unem por meio de ligação éster, então a sua identificação foi
precisa. Dessa forma, as ceras são ésteres de ácidos graxos saturados
ou insaturados de cadeia longa (com 14 a 36 átomos de carbonos),
com alcoóis de cadeia longa (contendo de 16 a 30 carbonos). As
ceras apresentam diversas funções na natureza, especialmente por
ter propriedade repelente à água e sua consistência firme. Atuam
como de reserva energética para a população de organismos plâncton,
atuam como impermebializante para penas e colméias de abelhas.
Para algumas plantas de clima muito quente as ceras atuam na
proteção contra evaporação e ataque de parasitas.
192
Bioquímica
5. Você deve ter reconhecido que os glicerofosfolipídios são
lipídios anfipáticos, com função estrutural, apresentando
estruturas químicas bem complexas. Deve ter apontado ainda que
eles são formados por uma unidade de glicerol, duas cadeias de
ácido graxo, uma ligação fosfato e um grupo polar. Detalhando
mais ainda a sua resposta você deve ter identificado como essas
moléculas se unem para formar os diferentes glicerofosfolipídios.
Assim, os glicerofosfolipídios são lipídios anfipáticos derivados
do ácido fosfatídico. O ácido fosfatídico é formado por uma
molécula do álcool glicerol, duas unidades de ácidos graxos que
se ligam as OH do C-1 e C-2 e um grupo fosfato que se liga a OH
do C-3 do glicerol. Os diversos glicerofosfolipídios se diferenciam
apenas no tamanho da cadeia dos ácidos graxos que entram na
formação desses lipídios e na natureza química dos seus grupos
polares que substituem um dos átomos de hidrogênio do grupo
fosfato. Exemplos de glicerofosfolipídios são fosfatidilserina,
fosfatidiletanolamina, cardiolipina, fosfatidilinositol, entre outros.
6. Certamente você reconheceu os esfingolipídios como uma classe
de lipídios anfipáticos e com função estrutural, uma vez queeles
entram na composição das membranas biológicas das células. Os
esfingolipídios são lipídios derivados da ceramida, que é uma
molécula formada por uma esfingosina (um aminoálcool) ligada
ao ácido graxo. Os carbonos, C-1, C-2 e C-3 da molécula de
esfingosina são estruturalmente análogos aos três grupos hidroxila
do glicerol, diferindo apenas pelo fato de que no C-2 é encontrado
um grupo amino (NH
2
), em vez de uma OH.. Os diversos
esfingolipídios se diferenciam apenas na natureza química do grupo
polar que se liga a OH do C-! bem como no tamanho da cadeia
hidrocarbonada do ácido graxo. Exemplos de esfingolipídios são
esfingomielinas, cerebrosídeos e gangliosídeos.
7. Você deve ter apontado que os esteróides são os únicos lipídios
que não apresentam ácidos graxos em suas estruturas. Certamente
deve ter reconhecido o núcleo de esteróide, como a unidade básica
comum a todos os lipídios dessa classe. Detalhando a estrutura do
núcleo esteróide você indicou que ele consiste de 3 anéis hexagonais
fundidos entre si e de um anel pentagonal. Essa estrutura é conhecida
também por ciclo pentano peridro fenantreno. Exemplos de esteróides
são as substâncias como ácidos biliares, colesterol, os hormônios
sexuais masculinos e femininos, entre muitos outros.
193
A Química dos lipídios Aula
9PRÓXIMA AULA
O que são enzimas? Como elas são classificadas? Qual a função dessas
biomoléculas nas células? Esses e outros questionamentos serão respon-
didos na próxima aula, então, até lá!
REFERÊNCIAS
GILBERT, H. F. Basic concepts in Biochemistry – A student´s sur-
vival guide. 2nd. McGraw Hill: New York, 2000.
MOTTA, V. T. Bioquímica, Editora EDUCS, 332p, 2005.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 3
ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica.
Porto Alegre: Artmed. 2000.
INTRODUÇÃO AO ESTUDO
DAS ENZIMAS
META
Apresentar a estrutura e a função biológicas das enzimas, bem como os fatores que interferem
nas reações enzimáticas.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
diferenciar catalisador químico de catalisador biológico;
reconhecer as propriedades das enzimas como catalisadores;
classificar as enzimas com base no tipo de reação catalisada;
descrever o papel do catalisador na atividade catalítica;
avaliar o efeito da concentração do substrato na catálise enzimática;
definir KM;
avaliar os efeitos da temperatura e do pH na catálise enzimática;
identificar a estrutura do sítio ativo das enzimas;
descrever a especificidade enzimática; e
descrever os modelos chave fechadura e ajuste induzido da enzima ao substrato.
PRÉ-REQUISITOS
Para acompanhar esta aula, é importante
buscar subsídios nos conteúdos trabalhados
nas aulas Introdução à Bioquímica, ao Estudo
das Proteínas e Estruturas e Funções das
Proteínas Globulares.
Aula
10
É conhecido por ter criado o termo “enzima”
(Fonte: http://pt.wikipedia.org).
196
Bioquímica
INTRODUÇÃO
O termo enzima foi introduzido por Kuhne em 1878 para designar a
presença no lêvedo (fermento) de um princípio químico responsável por
sua atividade fermentativa (de produzir etanol a partir de um açúcar, na
ausência de oxigênio). Todos os seres vivos utilizam a energia dos nutri-
entes (carboidratos, lipídios e proteínas) para manter os seus processos
vitais. A produção de energia na célula requer a participação de muitas
enzimas, num processo denominado metabolismo energético. Muitas
dessas reações ocorrem muito lentamente na ausência de um catalisa-
dor (substância que acelera velocidade de reações químicas). Para re-
solver esse problema, as células desenvolveram um modo de acelerar a
velocidade das reações. Neste contexto, surgem as enzimas que são os
catalisadores biológicos. A maioria das enzimas são proteínas globula-
res. Elas apresentam especificidade (preferência) tanto por seus subs-
tratos (a molécula que vai sofrer a reação química) como para o tipo de
reação efetuada sobre o substrato. Essa especificidade da enzima se deve
a uma cavidade ou fenda de ligação do substrato, denominada sítio ativo.
O sítio ativo é um arranjo de grupos químicos das cadeias laterais de
aminoácidos que ligam o substrato por interações não-covalentes, locali-
zado na sua superfície da enzima.
O desenvolvimento da catálise como ciência autónoma passou por diversas fases desde que, em
1836, o químico sueco Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) inventou o termo catálise, para descre-
ver processos em que pequenas quantidades de certas substâncias originavam extensas transfor-
mações químicas sem serem consumidas. Berzelius, contudo, interpretou erradamente esse efeito,
atribuindo-o a uma força catalítica (Fonte: http://www.infopedia.pt).
197
Introdução ao Estudo das Enzimas Aula
10CONCEITO E PROPRIEDADES DAS ENZIMAS
As enzimas são proteínas com a função específica de acelerar reações
químicas nas células. A maioria das enzimas é proteína globular, excetu-
ando-se as ribozimas, que são enzimas de ribonucleotídeos, as unidades
do RNA. As enzimas são os catalisadores mais notáveis, devido às pro-
priedades descritas abaixo:
Catalisam reações nas condições do ambiente celular. As enzimas
são capazes de acelerar velocidades de reações nas condições do ambien-
te celular, ou seja, a uma temperatura de 37oC e pH de 7,4 (valor do pH
do plasma sanguíneo). Os catalisadores químicos (como platina e níquel)
atuam apenas sob temperatura muito elevada, pressão alta e valores de
pH ácido ou básico. Se as enzimas atuassem em condições tão extremas
como os catalisadores químicos, a vida de animais (como os mamíferos)
não seria possível, pois essas condições levariam inevitavelmente à des-
truição da célula.
Apresentam especificidade por seu substrato. Diferentemente dos
catalisadores químicos que não demonstram especificidade por seus subs-
tratos, as enzimas são específicas por seus substratos. As ações catalíticas
das enzimas não levam à formação de contaminantes..
Apresentam alto poder catalítico. As enzimas podem acelerar veloci-
dade de reações químicas multiplicando-a por fatores de 1017. Na ausên-
cia de enzimas, a maioria das reações biológicas seria tão lenta, que essas
reações não ocorreriam nas condições de temperatura e pH das células.
Por exemplo, a hidratação do dióxido de carbono (CO
2
,) formando o áci-
do carbônico (H
2
CO
3
) na célula, pode ocorrer sem a presença de enzima,
no entanto, essa reação levaria muito tempo para se completar, o que não
seria compatível com as necessidades das células. A hidratação do CO
2
,
catalisada pela anidrase carbônica, ocorre em uma velocidade incompa-
ravelmente alta.
Apresentam regulação de sua atividade catalítica. As enzimas regula-
doras (alostéricas e as enzimas reguladas covalentemente) têm suas ações
catalíticas reguladas de acordo com as necessidades metabólicas das cé-
lulas. As moléculas que se ligam à estrutura protéica da enzima alostéri-
cas, regulando a sua atividade catalítica são denominados moduladores,
efetores ou reguladores. Os moduladores podem ser tanto ativadores quan-
to inibidores da atividade catalítica.
COFATORES E COENZIMAS
Como estudamos na aula de introdução a proteínas termos associa-
dos a proteínas conjugadas, vamos ver nesse tópico esses mesmos termos
198
Bioquímica
aplicados ao estudo das enzimas. Como proteínas, as enzimas podem ser
também simples e conjugadas, As enzimas conjugadas necessitam de co-
fatores (moléculas orgânica ou inorgânica) para exercer as suas atividades
catalíticas. Os cofatores se ligam (transitória e frouxamente) ao sítio ati-
vo da enzima por interações químicas não-covalente, como também po-
dem se ligar (permanentemente) por ligação covalente. Nem toda enzima
requer um cofator para exercer a sua atividade catalítica, exemplo desta
classe são as enzimas ribonuclease, tripsina, quimotripsina, etc. Oscofa-
tores inorgânicos são normalmente íons metálicos, como Fe2+, Cu2+, Zn2+
(Tabela 1). O cofator orgânico é denominado coenzima (Tabela 2).
A porção protéica da enzima conjugada é a apoproteína ou apoenzi-
ma. Quando o cofator se liga firme e permanentemente ao sítio ativo da
enzima é denominado grupo prostético. Exemplo: o grupo heme da he-
moglobina. Desta forma, a enzima conjugada cataliticamente ativa, ou
seja, ligada ao seu cofator é denominada holoenzima.
Tabela 1: Cofatores metálicos
Cofator Enzima
Zn2+ Anidrase carbônicacarboxipeptidase
Mg2+ hexocinase
Ni2+ urease
Mo Nitrato redutase
Se Glutationa peroxidase
Mn2+ Superóxido dismutase
K+ Propionil-CoA -carboxilase
Na Tabela 2 são encontrados exemplos das coenzimas mais comuns
nas reações catalisadas por enzimas, bem como o tipo de grupo químico
que elas transferem. As coenzimas são derivadas de modificações quími-
cas das vitaminas. A vitamina B1, a tiamina quando tem adicionado a sua
estrutura dois grupos fosfatos (um pirofosfato) se transforma na coenzi-
ma tiamina pirofosfato.
Tabela 2: Vitaminas e Coenzimas
199
Introdução ao Estudo das Enzimas Aula
10NOMENCLATURA E CLASSIFICAÇÃO
DAS ENZIMAS
Muitas enzimas são ainda designadas em livros textos de bioquímica
por seu nome comum, cuja regra na maioria dos casos é feita de duas
formas a saber:
Pela adição do sufixo -ase ao nome do substrato sobre os quais elas
atuam; por exemplo, a enzima que hidrolisa a uréia é denominada urease;
o amido, a amilase; ésteres do fosfato, as fosfatases. Outras são designa-
das pelo tipo de ação catalítica que realizam, tais como, anidrase carbôni-
ca; D-amino oxidase; lactato desidrogenase. Algumas levam nomes vul-
gares como a tripsina, pepsina, emulsina, etc.
Pela designação de nomes comuns, como os das proteínas, que se
caracteriza pela terminação ina, como: tripsina, pepsina, emulsina, etc.
A União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular (IUBMB)
adotou um sistema racional e prático de nomenclatura identificando as
enzimas em seis classes, de acordo com a natureza da reação química que
catalisam. Para cada enzima, são atribuídos dois nomes e um número de
classificação de quatro dígitos que identificam as classes, as subclasses e
as sub-subclasses. Mas essa nomenclatura não será objeto do nosso estu-
do, para nossos propósitos será mencionada nessa aula apenas a classifi-
cação internacional sistemática para as enzimas adotada pela IUBMB.
Nessa classificação as enzimas são agrupadas em seis classes segundo o
tipo de reação catalisada: oxirredutases, transferases, hidrolases, liases,
isomerases e ligases.
a) Oxirredutases. Catalisam reações de óxido-redução (reações com trans-
ferência de elétrons). Essa classe é subdivida em várias subclasses como,
por exemplo:
– Desidrogenases. Catalisam reações de óxido redução removendo elé-
trons na forma de um íon hidreto de seus substratos. O íon hidreto é um
átomo de hidrogênio carregado negativamente e com dois elétrons (-H:);
– Redutases. Catalisam reações de redução, ou seja, adicionam átomos de
hidrogênio ao substrato.
– Oxigenases. Catalisam a adição do oxigênio molecular ao substrato.
b) Transferases. São enzimas que catalisam reações de transferência de
grupos, como por exemplo:
– Transaminases ou aminotransferases. Transferem grupos amino (NH
2
)
de um aminoácido para um cetoácido.
– Quinases ou cinases. Transferem um grupo fosfato de um composto
fosforilado, como o ATP, para seus substratos.
c) Hidrolases. São enzimas que catalisam reações de hidrólise, como por
exemplo:
200
Bioquímica
– Hidroxilases – adicionam um átomo de oxigênio do O
2
 no substrato,
produzindo um grupo hidroxila (OH).
– Glicosidases. Hidrolisam ligações glicosídicas, ligações covalentes que
unem os monossacarídeos
– Peptidases. Hidrolisam ligações peptídicas.
d) Liases. Catalisam reações de adição de grupos químicos a duplas liga-
ções ou retiram esses grupos, produzindo duplas ligações.
e) Isomerases. Catalisam reações que levam a formação de isômeros.
f) Ligases. Catalisam reações em que há formação de ligações covalentes
C-C, C-S, C-O e C-N acopladas à energia de hidrólise de compostos do
tipo nucleotídeo trifosfato como ATP, ou de outros compostos ricos em
energia que não nucleotídeos trifosfatos.
COMO OS CATALISADORES ACELERAM
VELOCIDADES DE REAÇÕES QUÍMICAS
Uma reação química, tal como um reagente ou substrato (S) forman-
do um produto (P) somente formará o produto P, se uma determinada
fração das moléculas de S, em qualquer instante considerado, possuir ener-
gia suficiente para ser levada ao topo da colina de energia, o estado de
transição (Figura 1). A energia de ativação é a quantidade de energia ne-
cessária para levar o substrato para o estado de transição. No estado de
transição o substrato (S) está num estado ativado, com igual possibilida-
de dos reagentes (S) formarem os produtos (P) da reação, ou retornarem à
condição inicial, não reagindo.
Para as reações químicas reversíveis (reações que ocorrem nos dois
sentidos, ou seja, S produzindo P ou P produzindo S) como a reação em
que um substrato S forma um produto P, representada por S ®P, podemos
fazer as seguintes observações:
1. Se a reação se dá no sentido de formação do produto P, diz-se que ela é
energeticamente favorável, portanto, exotérmica (libera calor para o meio).
2. Se a reação ocorre no sentido de formação de S, diz-se que ela é ener-
geticamente desfavorável, portanto, endotérmica (absorve calor). Para
que uma reação endotérmica ocorra é necessária a adição de energia.
CONDIÇÕES QUE RESULTAM NO AUMENTO DA
VELOCIDADE DE REAÇÕES QUÍMICAS
A velocidade de uma reação química pode ser acelerada aumentando
a concentração do reagente químico no estado de transição, aumentando
a temperatura do meio em que a reação está ocorrendo e adicionando um
201
Introdução ao Estudo das Enzimas Aula
10catalisador a essa reação. Essas três situações serão discutidas agora na
sequência da aula.
 Concentração de reagentes no estado de transição. A velocidade de
qualquer reação química é proporcional à concentração de reagentes no
estado de transição. Portanto, a velocidade de uma reação química será
muito alta se uma grande fração das moléculas de reagentes estiver no
estado de transição, mas essa velocidade será muito baixa se apenas uma
pequena fração de reagentes estiver no estado de transição.
Aumento de temperatura. A velocidade de uma reação química pode
ser acelerada pela elevação da temperatura da reação. Isso provoca um
aumento de colisões entre os reagentes, o que faz com que grande parte
deles possua energia interna suficiente para alcançar o estado de transi-
ção. Geralmente a velocidade de uma reação dobra quando a temperatura
aumenta de 10 OC.
Adição de catalisador. A velocidade de uma reação pode ser aumen-
tada também pela adição de um catalisador, que direciona as reações, por
uma via de mais baixa barreira energética de ativação. Desta forma, os
catalisadores diminuem a energia de ativação das reações, permitindo
que uma fração muito maior de moléculas de uma dada reação forme
produtos por unidade de tempo (figura 1).
(Fonte: Nelson e Cox, 2002).
Figura 1:Variação de energia livre (DG) e a energia de Ativação (DG‘“) de
reações catalisadas e não catalisadas
202
Bioquímica
COMO AS ENZIMAS ACELERAM VELOCIDADES
DE REAÇÕES QUÍMICAS
As enzimas aceleram a velocidade de uma reação química diminuin-
do a energia de ativação. As enzimas não são modificadas (em termos
químicos) ou consumidas nessa reação química. As enzimas não modifi-
cam a constante de equilíbrio (Keq), nem alteram a variação de energia
livre da reação (DG). A constante de equilíbrio (keq) de uma reação quí-
mica reversíveis mede a concentração de reagentes e produtos quando a
reação atinge o equilíbrio. A Energia Livre de Gibbs (G) é a forma de
energia que realizatrabalho sob temperatura e pressão constantes. Como
as reações das células ocorrem num ambiente de temperaturas e pressão
constantes, diz-se que a energia livre é a energia das reações que ocorrem
no ambiente celular. A Energia Livre de Gibbs padrão (Go) é a energia
das células em que os reagentes e produtos estão em concentrações pa-
drões, ou seja, 1M, temperatura a 25oC, pressão de 1 atm e pH 7,0. A
variação da energia livre padrão de Gibbs é representada por (DGo). A
tabela 3 mostra a relação entre a constante de equilibro (Keq) de uma
reação e a variação da energia livre padrão de Gibbs (DGo). Os valores de
variação de energia livre de Gibbs (G) das reações exotérmicas são nega-
tivos e os das reações endotérmicas são positivos (Tabela 3).
Tabela 3. Relação entre DGo e Keq a 25º C.
EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DO SUBSTRATO
NA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
Se testarmos o efeito da variação crescente da concentração de
substrato em função da velocidade da reação, num meio em que a
203
Introdução ao Estudo das Enzimas Aula
10concentração da enzima é mantida constante, observaremos o seguin-
te: a concentrações bastante baixas de substrato, a velocidade da rea-
ção será igualmente baixa. Incrementos consideráveis da concentra-
ção do substrato resultarão em aumentos pronunciados da velocidade
enzimática. Com aumentos significativos das concentrações do subs-
trato, a velocidade da reação sofrerá pouca alteração (Figura 2). Isso
ocorre devido às enzimas demonstram o efeito de saturação por seus
substratos. Essa saturação significa que todas as enzimas estão com
seus sítios ativos ligados ao substrato. Portanto, a partir desse ponto
não importa o quanto seja aumentada a concentração do substrato, a
curva da velocidade tenderá a aproximar-se de um máximo, sem que
nunca seja alcançado. Essa velocidade da reação corresponde à velo-
cidade máxima (V
max
) da enzima.
Examinando a Figura 2, que mostra a relação entre a concentração
de substrato e a velocidade da reação enzimática, constata-se que é difícil
afirmar com exatidão qual a concentração de substrato que fornece a
velocidade máxima de uma reação. Isto se explica pelo fato da curva
que expressa essa relação ter o formato de uma hipérbole retangular, e
não o de uma reta. No entanto, Michaelis-Menten definiram uma cons-
tante chamada K
M
, utilizada para estabelecer essa relação. Assim sen-
do, a constante K
M
 é definida como a concentração de substrato neces-
sária para que uma enzima produza metade de sua velocidade máxima.
A equação matemática que descreve a forma característica da curva de
saturação das enzimas do tipo Michaelis-Menten (que apresentam curva
hiperbólica) é a seguinte:
Em que:
V
o
 = velocidade inicial da reação.
[S] = concentração do substrato.
V
max
 = velocidade máxima.
K
M
 = Constante de Michaelis-Menten para um dado substrato.
204
Bioquímica
SIGNIFICADO DA CONSTANTE DE
MICHAELIS-MENTEN (K
M
)
O conhecimento do valor da constante de Michelis-Menten (K
M
) das
enzimas é de grande importância uma vez que a partir dele podemos tirar
várias informações sobre a reação catalisada, tais como:
a) A constante K
M
 estabelece um valor aproximado da concentração in-
tracelular do substrato, tendo em vista que ela mede a concentração de
substrato que leva uma enzima a produzir metade de sua velocidade má-
xima. Portanto, é improvável que a sua concentração seja significativa-
mente maior ou menor do que a K
M
 (Figura 2).
b) A constante de Michaelis-Menten indica a afinidade da enzima por
seus substratos, de maneira que o substrato que apresentar o menor
valor de K
M
 terá uma maior afinidade pela enzima. Os substratos com
um K
M
 elevado apresentarão uma baixa afinidade pelo substrato. A
Figura 2: Efeito da concentração do substrato na velocidade inicial de
uma reação enzimática.
(Fonte: http://users.med.up.pt/ruifonte/PDFs/2008-2009/
Cinetica_Reg_Enz_Med_2008-09_slides29-48.pdf)
205
Introdução ao Estudo das Enzimas Aula
10
Tabela 4. Valores de K
M
 de algumas enzimas
EFEITO DO pH NA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
A maioria das enzimas apresenta um valor de pH em que a sua ativi-
dade catalítica é máxima (Figura 3). Esse valor de pH é denominado pH
ótimo. A atividade da enzima é afetada (é reduzida) quando ela está num
meio cujo valor de pH varia em torno do pH ótimo. O pH ótimo de uma
enzima não é necessariamente idêntico ao pH do meio em que normal-
mente ela se encontra; esse pode estar um pouco acima ou abaixo do
valor do pH ótimo. Variações bruscas de pH, tanto para valores ácido
como alcalino, podem causar a desnaturação da enzima, com conseqüen-
te perda da sua atividade biológica. A tabela 7 apresenta valores de pH
ótimo de algumas enzimas.
Tabela 5: Valor de pH ótimo de algumas enzimas
Tabela 4 mostra o exemplo de duas enzimas, hexocinase e quimotrip-
sina, que têm mais de um substrato. O substrato que apresenta uma
maior afinidade pela enzima hexocinase é a glicose, já a frutose é o de
menor especificidade. Para a enzima quimotripsina, o substrato N-
Benzoiltirosinamida apresenta uma maior afinidade do que o tripeptí-
deo Gliciltirosinilglicina.
206
Bioquímica
Fonte. Garret & Grishman, 2000.
Figura 3: Efeito do pH na atividade enzimática. Essas curvas demons-
tram o efeito do pH na atividade enzimática da enzima tripsina, pepsina,
papaína e acetilcolinesterase, que apresentam pH ótimo de 8,0, 2,0, 8,0 e
10, respectivamente. Essas enzimas apresentam ainda atividade catalíti-
ca em faixa de valores de pH em torno do ótimo, mas essa atividade é um
pouco mais baixa do que elas teriam no pH ótimo.
EFEITO DA TEMPERATURA NA
ATIVIDADE ENZIMÁTICA
A velocidade das reações enzimáticas aumenta com a temperatura,
dentro de determinada faixa na qual a enzima é estável e mantém sua
atividade catalítica. A velocidade das reações enzimáticas duplica a cada
elevação de 10o C. Mesmo que as reações catalisadas por enzimas pare-
çam muitas vezes apresentar uma temperatura ótima (Figura 4), o pico
desse gráfico de atividade enzimática versus temperatura ocorre desta
forma porque as enzimas, sendo proteínas, são desnaturadas pelo calor e
se tornam inativas à medida que a temperatura é elevada. O “ótimo” de
temperatura é assim resultante de dois processos:
1. o aumento usual na velocidade de reação com a temperatura e
2. o valor crescente de desnaturação térmica da enzima acima de uma
temperatura crítica.
A maioria das enzimas perde a sua atividade enzimática com tempe-
raturas acima de 55o C. Outras enzimas mantêm suas atividades com
temperaturas superiores a 55º C. As enzimas de várias espécies de bacté-
rias termofílicas (que habitam as fontes de água extremamente quente,
207
Introdução ao Estudo das Enzimas Aula
10
ESTRUTURA DO SÍTIO ATIVO DAS ENZIMAS
O sítio ativo da enzima é uma fenda ou sulco tridimensional localiza-
do na superfície da enzima. É formado pelos grupos das cadeias laterais
dos aminoácidos. Os aminoácidos do sítio ativo estão distantes entre si
na seqüência primária da enzima, mas se aproximam com o enovelamen-
to da cadeia polipeptídica da enzima. Esse enovelamento é o resultado
de interações não-covalentes na estrutura terciária, como foi visto na aula
de estrutura tridimensional das proteínas globulares, quando tratamos da
estrutura terciária das proteínas globulares.
O sítio ativo de uma enzima ocupa somente uma pequena parte
da molécula de enzima. Cerca de doze resíduos de aminoácidos estão
envolvidos na formação do sítio ativo de uma enzima. Dos doze ami-
noácidos, apenas dois ou três participam da ligação com substrato.
Então, qual é a lógica molecular que explica o fato das enzimas serem
proteínas grandes e não moléculas pequenas como di e tripeptídeos?
Se considerarmos que os dois ou três grupos R se ajustam perfeita-
(Fonte: Garret & Grishnam, 1999).
comoas águas vulcânicas), apresentam atividade enzimática com tempe-
raturas superiores a 85o C. A taqpolimerase, uma enzima obtida de bacté-
rias termofílicas é utilizada em técnicas de Biologia Molecular, amplifi-
cando moléculas de DNA. Essa enzima atua a temperaturas tão altas
quanto 85º C. A ribonuclease perde sua atividade com o aquecimento,
mas a recupera com o resfriamento.
Figura 4: Curva de atividade enzimática das enzimas em função da
temperatura.
208
Bioquímica
mente num espaço tridimensional, um peptídeo pequeno, linear, pode
conter todos os grupos necessários na ligação do substrato, porém as
distâncias fixas das ligações e dos ângulos não permitiriam que os
grupos R assumam a forma necessária. Uma proteína grande compos-
ta de centenas de resíduos de aminoácidos pode se curvar, torcer e se
enrolar sobre si mesma e, portanto, fixar exatamente a posição dos
grupos R no espaço. Os outros resíduos de aminoácidos (não catalíti-
cos) têm função igualmente importante, o de manter a estrutura terci-
ária da enzima através das ligações não covalentes como: pontes de
hidrogênio, ligação iônica, interação hidrofóbica e a ligação covalen-
te: ponte dissulfeto (S-S).
ESPECIFICIDADE ENZIMÁTICA
A especificidade enzimática é a propriedade das enzimas apresentar
preferência por seus substratos. Quanto à especificidade as enzimas se
classificam absolutas e relativas.
Especificidade absoluta. As enzimas que apresentam especifici-
dade absoluta por um dado substrato, não ligam em seu sítio ativo
nem mesmo moléculas bastante semelhantes, como os isômeros. Um
bom exemplo disso é a enzima aspartase, encontrada em plantas e
bactérias. A aspartase catalisa a adição reversível de íon amônio (+NH
4
)
à dupla ligação do fumarato, produzindo o L-aspartato (Figura 5a).
Entretanto, a aspartase não promove a adição de íon amônio a ne-
nhum outro ácido insaturado (ou seja, que apresenta dupla ligação). A
aspartase não reconhece nem o D-aspartato nem o maleato como subs-
tratos (Figura 5b). O D-aspartato é o isômero óptico do L-aspartato e
maleato é o isômero cis do fumarato. A aspartase apresenta tanto es-
pecificidade óptica por seu substrato, (reconhecendo diferenças entre
as formas D- e L- do aspartato) quanto especificidade geométrica (dis-
criminando as forma trans e cis do fumarato e maleato). A aspartase é
uma enzima estereoespecífica, ou seja, apresenta a propriedade da es-
tereoespecificidade. A estereoespecificidade permite as enzimas re-
conhecer moléculas de acordo com as suas formas.
209
Introdução ao Estudo das Enzimas Aula
10
Figura 5: Especificidade absoluta da enzima por seu substrato. A figura
5a mostra a reação catalisada pela enzima aspartase, uma liase, que adici-
ona grupo amino a dupla ligação do fumarato produzindo o L-aspartato.
Na reação reversa, ela retira o íon amônio (+NH
4
) do L-aspartato produ-
zindo o fumarato. 5b) O D-aspartato é o isômero óptico do L-Aspartato e
o Maleato é o isômero geométrico do fumarato.
ESPECIFICIDADE RELATIVA
As enzimas que apresentam especificidade relativa por seus substra-
tos, reconhece grupos químicos comuns encontrados nas estruturas dos
substratos. A quimotripsina (uma das enzimas da digestão) catalisa a hi-
drólise de alguns peptídeos (Figura 6). A quimotripsina cliva (quebra)
ligações peptídicas cujo grupo carbonila é de um dos aminoácidos aromá-
ticos (fenilalanina, tirosina e triptofano).
Figura 6: Especificidade relativa da enzima quimotripsina por seu substrato
210
Bioquímica
MODELOS QUE EXPLICAM A RELAÇÃO
ENZIMA-SUBSTRATO
MODELO CHAVE FECHADURA
O alto grau de especificidade da enzima por seu substrato levou
Emil Fischer em 1894 a propor um modelo que explicasse a ligação
do substrato ao sítio ativo da enzima. O modelo proposto por ele foi
denominado chave fechadura. O modelo chave fechadura considera
que o sítio ativo da enzima é complementar em tamanho, forma e
natureza química à molécula do substrato, proporcionando, assim,
um encaixe perfeito entre a enzima (a fechadura) e o substrato (a
chave) (Figura 7). Esse modelo não é suficiente para explicar a rela-
ção da enzima com o seu substrato por que as estruturas tridimensio-
nais das enzimas não são estáticas (rígidas) como uma fechadura, mas
sim, dinâmicas. As estruturas enzimáticas podem sofrer mudanças con-
formacionais quando na interação com o substrato.
 MODELO DO AJUSTE INDUZIDO DA ENZIMA
AO SUBSTRATO.
 Daniel E. Koshland propôs em 1958 um modelo alternativo para
explicar o encaixe da enzima ao seu substrato, denominando-o “modelo
do ajuste induzido da enzima ao substrato”. No ajuste induzido o sítio
ativo não apresenta uma forma geométrica rígida (como a do modelo
chave fechadura), mas um arranjo espacial preciso e específico dos gru-
pos R dos aminoácidos do sítio ativo das enzimas. Desta forma, quando o
substrato interage com a cadeia polipeptídica da enzima, induz nela uma
mudança conformacional (mudança na estrutura), ao que a enzima se
distorce, Quando a enzima se distorce, induz também uma mudança na
estrutura do substrato. O substrato distorcido se liga adequadamente ao
seu sítio ativo (Figura 7).
211
Introdução ao Estudo das Enzimas Aula
10
CONCLUSÃO
As enzimas são os catalisadores biológicos com propriedades inco-
muns. A maioria delas são proteínas globulares, com exceção das ribozi-
mas (enzimas de RNA). As propriedades que fazem das enzimas os cata-
lisadores notáveis é que elas aumentam a velocidade de reação químicas
nas condições do ambiente celular, apresentam especificidade por seus
substratos, não produzem sub produtos ou contaminantes e podem ter
sua atividade catalítica regulada. As enzimas se classificam em seis clas-
ses a saber: oxirredutases, transferases, hidrolases, isomerases, liases e
ligases. Esses catalisadores biológicos aumentam a velocidade de reações
químicas diminuindo a energia de ativação da reação catalisada, sem in-
terferir no perfil da energia livre padrão (DG) nem a constante de equilí-
brio da reação (Keq).As enzimas do tipo Michaelis-Menten demonstram
uma curva de saturação pelo substrato do tipo hipérbole retangular. Cons-
tante de substrato que dá metade da velocidade máxima é denominada
constante de Michaelis-Menten (K
M
) A velocidade das reações enzimáticas
podem ser alteradas tanto por variação na temperatura, como variações do
pH do meio em que as enzimas se encontram. A especificidade das enzi-
mas por seus substratos é absoluta ou relativa. As enzimas que apresentam
especificidade absoluta são estereoespecíficas (discriminam entre estereoi-
sômeros) e as que apresentam especificidade relativa reconhecem mais de
um substrato, desde que tenham um grupo químico comum.
Figura 7. Relação do encaixe do substrato à enzima substrato de acordo
com os modelos chave-fechadura e do ajuste da enzima ao substrato.
212
Bioquímica
RESUMO
As enzimas são proteínas com função específica de acelerar reações
químicas nas células. A maioria delas é proteína globular, excetuando-se
as ribozimas, que são enzimas de ribonucleotídeos. As enzimas são cata-
lisadores notáveis, pois além de apresentarem alto poder catalítico, cata-
lisam reações nas condições do ambiente celular. Apresentam, ainda, re-
gulação de sua atividade catalítica e especificidade por seu substrato. As
enzimas conjugadas requerem cofatores (moléculas orgânica ou inorgâni-
ca) para desenvolver suas atividades catalíticas. Normalmente, os cofa-
tores inorgânicos são íons metálicos e o cofator orgânico é um composto
orgânico denominado coenzima. A porção protéica da enzima conjugada
é a apoproteína ou apoenzima. Quando o cofator se liga firme e perma-
nentemente ao sítio ativo da enzima, é nominado grupo prostético. As
enzimas compõem seis classes conforme a reação catalisada: oxirreduta-
ses, transferases, hidrolases, liases, isomerases e ligases. As enzimasau-
mentam a velocidade de reações químicas por diminuir a energia de ati-
vação. Nesse processo as enzimas formam complexos com seus substra-
tos. As enzimas do tipo Michaelis-Menten descrevem uma hipérbole re-
tangular quando são lançados em gráfico os dados de velocidade da rea-
ção por variação na concentração do substrato. A concentração do subs-
trato que dá metade da velocidade máxima é denominada KM (Constan-
te de Michaelis-Menten). A maioria das enzimas apresenta um pH ótimo,
valor de pH em que a sua atividade catalítica é máxima. A atividade da
enzima é reduzida em meio cujo valor de pH varia em torno do pH ótimo.
A velocidade das reações enzimáticas duplica a cada elevação de 10o C,
dentro de certa faixa na qual a enzima é estável e mantém sua atividade
catalítica. A temperatura acima de 50 ºC as enzimas perdem sua função
biológica por sofrer desnaturação. A especificidade enzimática é a propri-
edade das enzimas apresentar preferência por seus substratos. Quanto a
especificidade por seus substratos as enzimas são classificadas em abso-
lutas (não ligam em seu sítio ativo nem mesmo moléculas bastante seme-
lhantes, como os isômeros ópticos) e relativas (reconhecem grupos quí-
micos comuns encontrados nas estruturas dos substratos). Os modelos
que explicam a relação das enzimas com seus substratos são o chave-
fechadura (que considera que o sítio ativo da enzima é complementar em
tamanho, forma e natureza química à molécula do substrato, gerando um
encaixe perfeito entre a enzima (a fechadura) e o substrato (a chave); e o
do ajuste induzido da enzima ao substrato (neste, o sítio ativo não apre-
senta uma forma geométrica rígida mas um arranjo espacial preciso e es-
pecífico dos grupos R dos aminoácidos do sítio ativo das enzimas).
213
Introdução ao Estudo das Enzimas Aula
10ATIVIDADES
1. Quais as propriedades das enzimas que fazem delas catalisadores in-
comparáveis?
2. O que são transferases e oxirredutases?
3. Como as enzimas aumentam a velocidade de uma reação química?
4. Como a concentração do substrato pode influenciar a velocidade de
uma reação enzimática?
5. Por que o modelo do ajuste induzido é mais aceito na explicação da
relação da enzima com o seu substrato do que o modelo chave-fechadura?
6. Como variações do valor de pH afetam a velocidade de uma reação
enzimática?
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
1. Certamente ao responder essa atividade você deve ter pensado na
ação catalítica de catalisadores químicos comuns como níquel e platina
com as propriedades dos catalisadores biológicos, as enzimas. Nessa
comparação você deve ter apontado as características das enzimas
que fazem delas os melhores catalisadores conhecidos como o fato de
essas moléculas catalisarem reações químicas nas condições do
ambiente celular, de elas apresentarem um poder catalítico
incomparavelmente alto, de apresentarem especificidade (ou preferência
por seus substratos) e de poderem ter suas atividades catalíticas. Como
nenhum catalisador químico é capaz de apresentar qualquer uma
dessas quatro propriedades acima citadas, você reconheceu
apropriadamente que as enzimas são os melhores catalisadores.
2. O sufixo ase (no plural) presente nos termos acima permitiu a
você associá-los a enzimas. A leitura do tópico sobre a nomenclatura
das enzimas destaca que esse sufixo é característico dessa classe de
biomoléculas. Os nomes dessas enzimas também são sugestivos, e
certamente conduziram você a uma correta identificação das
atividades dessas suas enzimas. Os termos oxirredutases e
transferases devem ter sugerido a você o tipo de reações que essas
enzimas devem catalisar no ambiente celular. Pois vejamos, as
oxirredutases catalisam reações de óxido-redução e as transferases
catalisam reações de transferência de grupos químicos.
3. Se ao responder essa atividade você além do texto consultou a
Figura 1 deve ter percebido que a única diferença entre uma reação
catalisada e a reação não catalisada é o nível da energia de ativação.
214
Bioquímica
A energia de ativação é a energia necessária para ativar um reagente,
levando-o ao topo de uma colina energética, denominada estado de
transição. A partir de dados da Figura 1 você pode concluir que as
reações catalisadas apresentam uma energia de ativação mais baixa
do que as reações não catalisadas. Assim, as enzimas aceleram a
velocidade de uma reação química diminuindo a energia de ativação.
4. Se você imaginou uma situação experimental em que a
concentração da enzima é mantida constante e criou diferentes
situações em que a concentração do substrato é variada, imagino
você concluindo que:
– Quando as concentrações do substrato são bastante baixas, a
velocidade da reação é igualmente baixa.
– Incrementos consideráveis da concentração do substrato resultarão
em aumentos pronunciados da velocidade enzimática.
– Com aumentos significativos das concentrações do substrato, a
velocidade da reação sofrerá pouca alteração devido às enzimas
demonstram o efeito de saturação por seus substratos.
5. Como já aprendemos na aula de proteínas globulares que
variações no valor de pH tanto para o lado ácido quanto para o
lado básico podem causar desnaturação protéica,espera-se nessa
atividade que você tenha associado as enzimas a proteínas
globulares. Você deve ter reconhecido também que as enzimas
apresentam um valor de pH em que a sua atividade catalítica é
máxima conhecido como pH ótimo. A atividade da enzima é afetada
(é reduzida) quando ela está num meio cujo valor de pH varia em
torno do pH ótimo. O pH ótimo de uma enzima não é
necessariamente idêntico ao pH do meio em que normalmente ela
se encontra; esse pode estar um pouco acima ou abaixo do valor do
pH ótimo. Variações bruscas de pH, tanto para valores ácido como
alcalino, podem causar a desnaturação da enzima, com conseqüente
perda da sua atividade biológica.
6. Certamente você deve terá identificado que quando o substrato se
liga ao sítio ativo das enzimas, eles provocam uma mudança nessa
estrutura. Ao ter sua estrutura modificada, as enzimas promovem
uma distorção também no substrato. Compreendendo que o modelo
chave-fechadura representa uma relação estática da enzima com
seu substrato, como uma chave que se encaixa perfeitamente na
fenda de uma fechadura, certamente você terá juntado elementos
para justificar o porquê de o modelo do ajuste induzido explicar
215
Introdução ao Estudo das Enzimas Aula
10
PRÓXIMA AULA
O que são inibidores enzimáticos? Como são classificados os inibidores
enzimáticos? O que é regulação enzimática e quais são os tipos de regula-
ção enzimática? Esses e outros questionamentos serão respondidos na
próxima aula, então, até lá!
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5 ed.
Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 2004.
CHAMPE, P. C.; HARVEY, R. A. Bioquímica ilustrada. 2 ed. Editora
Artes Médicas, 1997.
KOOLMAN, J.; RÖHM, Klaus-Heinrich. Bioquímica. 3 ed. Porto Ale-
gre: Editora Artmed, 2005.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica.
2 ed. São Paulo, Sarvier, 1995.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 3
ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
STRYER, L. Bioquímica. 4 ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1996.
VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica.
. Porto Alegre: Editora Artmed, 2000.
melhor a relação das enzimas com seus substratos. Assim, o modelo
do ajuste induzido atesta que o sítio ativo não apresenta uma forma
geométrica rígida, como é verificado no modelo chave fechadura,
mas um arranjo espacial preciso e específico dos grupos R dos
aminoácidos. Assim, quando o substrato interage com a cadeia
polipeptídica da enzima ele provoca uma mudança conformacional
na enzima. Uma vez distorcida, a enzima induz também uma mudança
na estrutura do substrato.
INIBIÇÃO E REGULAÇÃO
ENZIMÁTICA
META
Entender como os inibidores enzimáticose a regulação enzimática interferem na velocidade das
reações enzimáticas.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
definir inibição enzimática;
classificar inibição enzimática;
descrever a inibição irreversível;
descrever a inibição reversível competitiva;
descrever a inibição reversível incompetitiva;
reconhecer a inibição reversível mista;
descrever e classificar enzimas reguladoras;
descrever as propriedades das enzimas alostéricas;
descrever as propriedades das enzimas reguladas covalentes; e
definir zimogênios e descrever a sua formação.
PRÉ-REQUISITOS
Para acompanhar esta aula, é
importante buscar subsídios nos
conteúdos trabalhados na aula
introdução ao estudo das enzimas.
Aula
11
Modelo do enzima Purina nucleósido fosforilase (PNP) ge-
rado por computador (Fonte: http://pt.wikipedia.org).
218
Bioquímica
INTRODUÇÃO
Diversos fatores alteram a velocidade de uma reação enzimática, entre
eles temos a concentração do substrato no estado de transição, variações
no pH do meio em que a enzima se encontra e a elevação da temperatura.
Enquanto aumentos da concentração do substrato no estado de transição
elevam a velocidade da reação; as variações do pH do meio em que as
enzimas se encontram e as elevações da temperatura provocam a desnatu-
ração da enzima, diminuindo a velocidade da reação. A influência desses
fatores foi vista na aula introdutória do assunto enzimas. Nessa aula vamos
estudar dois outros fatores que interferem na velocidade enzimática: a ini-
bição e a regulação enzimática. De fato, muitos processos enzimáticos po-
dem ser interrompidos, inibidos ou ativados, durante certas fases no ciclo
de vida da célula. Se assim não fosse, a célula poderia apresentar um cresci-
mento descontrolado, como o que é observado nas células cancerosas. O
estudo da inibição enzimática permitiu aos enzimologistas (bioquímicos
estudiosos das enzimas) identificar a estrutura química dos aminoácidos
que participam na formação dos sítios ativos dessas moléculas, elucidar as
seqüências de diversas vias metabólicas, bem como no esclarecimento do
mecanismo de ação de algumas drogas terapêuticas, como por exemplo, o
ácido acetil salicílico (AAS, encontrado na aspirina). A regulação das vias
metabólicas envolve mecanismos sofisticados e complexos como a regula-
ção alostérica, modificações químicas covalentes da enzima, ativação de
zimogênios e produção celular de isoenzimas.
Eduard Buchner descobriu que os extratos de levedo podiam fermentar o açúcar até álcool e
provou que as enzimas envolvidas na fermentação continuavam funcionando mesmo quando
removidas das células vivas (Fonte: http://pt.wikipedia.org).
219
Inibição e regulação enzimática Aula
11DEFINIÇÃO DE INIBIDOR ENZIMÁTICO
Qualquer molécula que se ligue à cadeia polipeptídica de uma en-
zima, diminuindo a velocidade da reação, é considerada um inibidor
enzimático.
TIPOS DE INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
A inibição enzimática é classificada em irreversível e reversível. Essa
classificação baseia-se na natureza química da ligação do inibidor à enzi-
ma. Assim, a inibição irreversível ocorre com a ligação do inibidor de
forma covalente ao sítio ativo da enzima. Os inibidores reversíveis se
ligam de forma não covalente à cadeia polipeptídica da enzima.
INIBIÇÃO IRREVERSÍVEL
Na inibição irreversível o inibidor se liga através de ligação covalente
ao sítio ativo da enzima, impedindo a ligação do substrato. A inibição da
enzima acetilcolinesterase por organofosforados (como o diisopropilfluo-
rofosfato) é um exemplo de inibição irreversível. Os organofosforados
são utilizados como inseticidas na agricultura, para controlar as pragas
que atacam as plantações.
Figura 1: Inibição irreversível da enzima acetilcolinesterase pelo diiso-
propilfluorofosfato, um organofosforado.
220
Bioquímica
INIBIÇÃO REVERSÍVEL
 Na inibição reversível o inibidor se liga ao sítio ativo ou então a
outra parte da cadeia polipeptídica da enzima, impedindo que o substrato
seja transformado em produto. A ligação do inibidor reversível à enzima
ocorre através de uma ou mais interações químicas não covalentes como:
pontes de hidrogênio, interação hidrofóbica, ligação iônica, van der Walls,
dipolo-dipolo. A inibição reversível é de três tipos, a saber: Competitiva,
incompetitiva e mista.
INIBIÇÃO REVERSÍVEL
competitiva. A inibição competitiva ocorre devido à estrutura quími-
ca do inibidor competitivo assemelha-se à estrutura do substrato. O ini-
bidor competitivo se liga ao sítio ativo da enzima, impedindo a ligação do
substrato. A inibição da desidrogenase succníca, uma enzima do ciclo de
Krebs, (assunto que vamos estudar na aula 13) pelo malonato é um exem-
plo de inibição competitiva (Figuras 2a e 2b).
O succinato (Figura 2b), um ácido orgânico que apresenta dois gru-
pos carboxilatos (COO-), se liga ao sítio ativo da desidrogenase succínica
através de ligação iônica. Essa ligação iônica ocorre com a atração das
cargas negativas dos carboxilatos (COO-) e a carga positiva dos íons amônio
(+NH
3
). O malonato e o oxaloacetato são inibidores competitivos dessa
enzima. Tanto o malonato quanto oxaloacetato apresentam estruturas
químicas semelhantes a do succinato (Figura 2b) podendo dessa forma,
ligar-se ao sítio ativo também através de ligação iônica.
Este exemplo explica como o conhecimento desse inibidor permitiu
mapear o sítio ativo da enzima desidrogenase succínica. Assim, se tanto o
substrato como os inibidores dessa enzima apresentam carga negativa no
pH 7,0 (conferida pelos grupos COO-), é indicativo de que o sítio ativo
dessas enzimas deve conter aminoácidos com carga positiva (aminoáci-
dos básicos). Dessa forma, os substratos e inibidores com carga negativa
(COO-) interagem com os aminoácidos básicos do sítio ativo dessa enzi-
ma por formação de ligação iônica.
A inibição competitiva pode ser revertida aumentando-se a concen-
tração do substrato. Isso é explicado pelo fato de que incrementos na
concentração de substrato permitirão a eles competir com o inibidor pela
ligação ao sítio ativo da enzima.
221
Inibição e regulação enzimática Aula
11
Figura 2 (a) Inibição reversível da enzima desidrogenase succínica pelo
malonato. (b) Estruturas químicas do succinato, malonato e oxaloaceta-
to. (c) Representação esquemática da inibição competitiva.
INIBIÇÃO INCOMPETITIVA
A inibição incompetitiva se caracteriza pela ligação do inibidor apenas
ao complexo enzima substrato (representado por ES) originando um comple-
xo enzima-substrato-inibidor (ESI). O complexo ESI é inativo, o que signifi-
ca dizer que o substrato nessa condição não vai ser transformado pela enzi-
ma, formando o produto da reação (Figura 3). O esquema abaixo demonstra
como ocorre a reação enzimática em presença do inibidor incompetitivo.
222
Bioquímica
INIBIÇÃO MISTA
Na inibição mista o inibidor se liga a uma região da enzima, dife-
rente do sítio ativo, sem interferir na ligação do substrato ao sítio ca-
talítico. Uma vez ligado o substrato ao sítio ativo da enzima, ele tam-
bém não impede a ligação do inibidor. O inibidor pode se ligar tanto a
enzima livre [E] quanto ao complexo enzima-substrato [ES], forman-
do o complexo [ESI]. O complexo [ESI] é cataliticamente inativo, ou
seja, o substrato não vai ser transformado no produto da reação (Fi-
gura 4). São exemplos de inibidores mistos os metais pesados como
chumbo (Pb2+), prata (Ag2+), mercúrio (Hg2+), etc. Esses inibidores
se ligam a sulfidrilas (SH), grupo funcional encontrado na cadeia late-
ral do aminoácido cisteína.
Figura 4. Representação esquemática da inibição mista. O Complexo ES
representa a enzima ligada ao seu substrato; ESI a enzima ligada ao seu
inibidor misto e ao seu substrato. Nesta inibição o inibidor se liga a uma
região da enzima diferente do sítio catalítico, que é o local de ligação do
A inibição incompetitivanão é revertida com aumentos na concen-
tração do substrato.
Figura 3. Inibição incompetitiva.
223
Inibição e regulação enzimática Aula
11
ENZIMAS REGULADORAS
A regulação das vias metabólicas envolve mecanismos sofisticados e
complexos como:
Regulação não covalente ou controle alostérico. Essa regulação se
caracteriza pela ligação não covalente do efetor ou modulador ao sítio
regulador das enzimas alostéricas (sítio alostérico ou sítio modulador).
O modulador pode ativar ou inibir a atividade enzimática.
Modificação covalente reversível. As propriedades catalíticas de muitas
enzimas são alternadas pela ligação covalente e transitória de um grupo
químico à cadeia polipeptídica ou ao sítio ativo da enzima. No metabolis-
mo celular é bastante freqüente a regulação de enzimas reguladoras das
vias metabólicas por transferência de grupos fosfatos do ATP para sítios
ativos dessas enzimas.
Clivagem proteolítica. Nesse mecanismo de controle as enzimas se
alternam entre dois estados a saber, inativo (proenzimas ou zimogênios)
e enzimas cataliticamente ativas.
Produção de formas múltiplas de enzimas (isoenzimas). Esse tipo de
regulação se dá por formas múltiplas de enzimas relacionadas denomina-
das isoenzimas ou isozimas. As isozimas são enzimas homólogas dentro
de um mesmo organismo que catalisam a mesma reação, mas diferem
levemente em suas estruturas e nos valores de seus parâmetros cinéticos
como K
M
 e Vmax.
substrato. A inibição não competitiva pode ser revertida através da diáli-
se da enzima.
224
Bioquímica
Figura 5: Via meta-
bólica. Neste esque-
ma de uma via me-
tabólica, E1 a E6
representam as seis
enzimas que catali-
sam a transforma-
ção do substrato A
no produto P. As le-
tras B, C, D, E e F
representam os in-
termediários meta-
bólicos.
SISTEMA MULTIENZIMÁTICO OU VIA
METABÓLICA
Uma via metabólica se caracteriza como sendo uma seqüência de
reações químicas em que um grupo de enzimas (sistema multienzimáti-
co) atua em conjunto para converter um determinado substrato em um
ou mais produtos. Nessa via multienzimática, o produto da ação de uma
enzima é substrato da próxima enzima, e assim sucessivamente. Os pro-
dutos das ações dessas enzimas do metabolismo são denominados inter-
mediários metabólicos ou metabólitos (Figura 5).
A glicólise anaeróbica (metabolismo da glicose na ausência de oxigê-
nio), que pode ocorrer em células dos músculos e das hemácias, é um
exemplo de uma via metabólica. Nessa via metabólica o monossacarídeo
glicose, um dos principais substratos dessa via, vai ser transformado em
duas moléculas de ácido láctico, sob a ação conjunta de onze enzimas
(Estudaremos esse metabolismo com mais detalhes na aula metabolismo
aeróbico e anaeróbico dos carboidratos). Normalmente, a primeira enzi-
ma de uma via metabólica é uma enzima reguladora. Em regra, a enzima
reguladora que catalisa a reação mais lenta de uma via metabólica é a
enzima marca passo. As enzimas marca passos são enzimas reguladoras,
sendo classificadas em dois tipos: enzimas alostéricas (ou reguladas de
forma não covalente) e enzimas reguladas covalentemente.
225
Inibição e regulação enzimática Aula
11REGULAÇÃO ALOSTÉRICA OU REGULAÇÃO
NÃO-COVALENTE
As enzimas alostéricas são proteínas reguladoras que apresentam
um sítio catalítico e um sítio alostérico ou regulador em suas cadeias
polipeptídicas. Ao sítio alostérico se liga o efetor ou modulador, que é
a molécula que regula a atividade dessas enzimas. A ligação do mo-
dulador alostérico ocorre por interação química não covalente,
como pontes de hidrogênio, ligação iônica, dipolo-dipolo, intera-
ção de van der Waals e interação hidrofóbica. Os sítios ativos e
alostéricos dessas enzimas são localizados em regiões distintas da
cadeia polipeptídica. Pode ocorrer também de esses sítios se en-
contrarem em subunidades distintas da proteína. As enzimas alos-
téricas existem em duas formas: T (tensa), não ligada ao substrato,
e a forma R (Relaxada) ligada ao substrato (Figura 6). As enzimas
alostéricas demonstram especificidade tanto para o seu substrato quan-
to para o modulador. Os moduladores são ativadores ou inibidores da
atividade catalítica (Figura 6).
(Fonte: Garret & Grisham, 1995).
ENZIMAS ALOSTÉRICAS HOMOTRÓPICA
E HETEROTRÓPICA
De acordo com a regulação, as enzimas alostéricas classificam-se
em homotrópica ou heterotrópica. Na regulação homotrópica o modu-
lador é o próprio substrato da enzima. Quando o substrato atua como
modulador homotrópico ele se liga ao sítio alostérico, regulando assim,
a atividade da enzima. O regulador heterotrópico é qualquer substância
diferente do substrato. Algumas enzimas alostéricas apresentam ambos
os tipos de regulação homotrópica e heterotrópica.
Figura 6. Enzimas Alostéricas. O sítio Catalítico é representado por C e o
sítio regulador, por R..
226
Bioquímica
EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DO SUBSTRATO
NA ATIVIDADE ENZIMÁTICA DAS
ENZIMAS ALOSTÉRICAS
As enzimas alostéricas são enzimas complexas, possuindo duas ou
mais cadeias polipeptídicas. Essas enzimas são proteínas oligoméricas. A
curva de velocidade de reação em função do aumento da concentração
de substrato para as enzimas do tipo Michaelis-Menten, é uma hipérbole
retangular, (como aprendemos na aula de introdução ao estudo das enzi-
mas), as enzimas alostéricas, por sua vez, descrevem uma curva do tipo
sigmóide (Figura 7). Outro aspecto que merece ser destacado sobre as
enzimas alostéricas é que a concentração de substrato que corresponde à
metade da velocidade máxima é conhecido como K
0,5
.
As enzimas alostéricas apresentam propriedades cooperativas, ou seja,
comunicação entre as suas cadeias polipeptídicas, comunicação essa que se
caracteriza por uma mudança conformacional da enzima quando a ela se
ligam os seus moduladores. Isto pode ser constatado pelo efeito da concen-
tração do substrato na velocidade da reação. Sob concentrações baixas de
substrato, a velocidade da reação vai ser igualmente baixa, aumentos subse-
qüentes podem elevar a velocidade da reação, multiplicando-a por um fator
de 500 vezes a velocidade inicial. Isso ocorre por que as enzimas alostéricas
apresentam propriedades cooperativas ou cooperatividade. A cooperativida-
de é a comunicação entre as cadeias polipeptídicas das enzimas alostéricas é
de dois tipos: Cooperatividade positiva e cooperatividade negativa.
A ligação de um modulador ativador a um sítio regulador pode facili-
tar a ligação de moléculas de substratos aos outros sítios catalíticos. Essa
é a cooperatividade positiva. No entanto, a ligação do modulador inibi-
dor a um sítio regulador, diminuirá a ligação da enzima pelo substrato,
verificando-se, portanto, a cooperatividade negativa.
Figura 7. Curva de ve-
locidade das enzimas
alostéricas em função
da variação da concen-
tração do substrato e
efeitos dos modulado-
res alostéricos hetero-
trópico positivo (M+)
e negativo (M-) na sua
curva de saturação.
Fonte: Garret &
Grisham, 1995.
227
Inibição e regulação enzimática Aula
11PROPRIEDADES DAS ENZIMAS ALOSTÉRICAS
– São proteínas oligoméricas, apresentando duas ou mais cadeias po-
lipeptídicas;.
– São reguladas pela ligação não covalente do efetor ou modulador ao
sítio regulador ou alostérico;
– Apresentam curva de saturação pelo substrato do tipo sigmóide;
– Apresentam propriedades cooperativas, ou seja, cooperação ou comu-
nicação entre as suas cadeias polipeptídicas;
– Não seguem o comportamento cinético descrito por Michaelis-Menten,
para as enzimas simples, ou seja, não apresentam curvas de velocidade
em função do aumento do substrato do tipo hiperbólico;
– A concentração do substrato que corresponde à metade da velocidade
máxima é denominada K
0,5
.
ENZIMAS REGULADAS COVALENTEMENTE
Na regulação covalente essas enzimas reguladoras são inter converti-
das entre duas formas ativa einativa. A ativação ou inativação dessas
enzimas ocorre através da ligação covalente de um grupo químico a um
átomo ou grupo de átomos dos sítios ativos dessas enzimas. A regulação
da enzima fosforilase do glicogênio é um exemplo desse tipo de regula-
ção. A fosforilase do glicogênio é uma enzima encontrada nos músculos e
fígado, e catalisa a seguinte reação.
(Glicogênio) + Fosfato (Glicogênio encurtado de um resíduo de
glicose)+ glicose-1-fosfato
As fosforilases do glicogênio ocorrem em duas formas: fosforilase A
e fosforilase B. A fosforilase A é a forma ativa, e a fosforilase B. e a
forma relativamente inativa. A fosforilase A tem duas subunidades poli-
peptídicas, cada uma delas com um resíduo de serina, que é fosforilado
no seu grupo hidroxila. Esses resíduos de serina fosfato são necessários
para a atividade máxima da enzima. Os grupos fosfatos podem ser remo-
vidos por hidrólise, catalisada por uma terceira enzima, com atividade
hidrolítica, a enzima fosforilase fosfatase. Nesta reação a fosforilase A é
transformada em fosforilase B.
 Fosforilase fosfatase
Fosforilase A + 2H
2
O Fosforilase B + 2Pi
228
Bioquímica
A fosforilase-B, por sua vez, pode ser convertida em fosforilase A
ativa, por meio de uma quarta enzima chamada fosforilase cinase. A fos-
forilase cinase catalisa a transferência de grupo fosfato do ATP para o
grupo hidroxila de resíduos específicos de serina na fosforilase B.
 Fosforilase cinase
Fosforilase b + 2ATP Fosforilase a+ 2ADP
ZIMOGÊNIOS
Um grande número de enzimas (como as enzimas proteolíticas) é sin-
tetizado na forma de precursores inativos denominados zimogênios ou
proenzimas. Os zimogênios são convertidos em suas formas ativas pela
ação de enzimas proteolíticas em órgãos diferentes daqueles em que
foram produzidos. As enzimas proteolíticas hidrolisam as ligações pep-
tídicas específicas dos zimogênios, produzindo proteínas encurtadas
de alguns aminoácidos (forma ativa) e peptídeos pequenos. Essas pro-
teínas encurtadas, que são a forma ativa dos zimogênios, apresentam
atividade hidrolítica.
Os zimogênios das enzimas digestivas quimotripsina e tripsina,
sintetizados nas células pancreáticas, são, respectivamente, quimo-
tripsinogênio e tripsinogênio. Um dos motivos pelo qual se explica a
síntese de proteínas na forma inativa é a de que a síntese dessas enzi-
mas como proenzimas evita que elas possam hidrolisar proteínas cons-
titutivas desse órgão. Se essas enzimas fossem produzidas em suas
formas ativas elas poderiam causar a destruição desse órgão. Um exem-
plo que ilustra bem isso é a pancreatite aguda. Na pancreatite aguda
verifica-se a síntese das proenzimas de tripsina e quimotripsina nas
células pancreáticas em suas formas ativas. A produção dessas proen-
zimas em suas formas ativas está associado com todos os sintomas
letais observados nessa doença.
ATIVAÇÃO DA TRIPSINA
A conversão do tripsinogênio pancreático em tripsina no intestino
pode ocorrer de duas formas distintas, como demonstram as reações 1 e
2. Na reação 1, essa conversão é feita pela enzima intestinal enteroqui-
nase (também conhecida por enteropeptidase). A própria tripsina intes-
tinal pode converter o tripsinogênio em tripsina, como pode ser verifi-
cado na reação 2.
229
Inibição e regulação enzimática Aula
11enteroquinase
1. Tripsinogênio Tripsina + hexapeptídeo
Tripsina
2. Tripsinogênio Tripsina + hexapeptídeo
ATIVAÇÃO DA QUIMOTRIPSINA
O quimotripsinogênio pancreático, que possui uma cadeia polipeptí-
dica composta de 245 resíduos de aminoácidos, é convertido em quimo-
tripsina no intestino por dois diferentes modos de ativação como pode
ser visto nas reações 1 e 2 e na Figura 8. Na reação 1, a tripsina intestinal
hidrolisa ao quimotripsinogênio, em duas cadeias polipeptídicas, que for-
mam a proteína ativa p-quimotripsina. A reação de ativação, catalisada
pela p-quimotripsina, hidrolisa a p-quimotripsina, formando três cadeias
polipeptídicas, A, B e C, que compõem a -Quimotripsina (Figura 8).
Tripsina
1 Quimotripsinogênio p-Quimotripsina
p-Quimotripsina
2 p-Quimotripsina a-Quimotripsina + 2 dipeptídeos
Figura 8. Ativação da quimotripsina.
230
Bioquímica
Os zimogênios são enzimas inativas porque não possuem um sítio
ativo. A hidrólise do zimogênio pelas enzimas hidrolíticas, resultam em
que interações antes não permitidas entre os aminoácidos sejam desco-
bertas. Isso proporciona mudanças conformacionais da cadeia polipeptí-
dica, fazendo com que o sítio ativo da enzima constitua-se como uma
estrutura tridimensional bem definida.
ISOENZIMAS
Outro fenômeno de regulação metabólica e que depende da estrutu-
ra quaternária das proteínas enzimáticas é a produção na célula de isoen-
zimas. As isoenzimas ou isozimas são formas moleculares múltiplas de
uma enzima, que realizam a mesma ação catalítica. A lactato-desidro-
genase (LDH), um tetrâmero formado por duas espécies diferentes
de cadeias polipeptídicas, denominadas M (músculo) e H (coração) é
um exemplo de isoenzima. Essas subunidades são codificadas por genes
diferentes (Tabela 1).
Tabela 1. Composição das subunidades da lactato-desidrogenase e suas
principais localizações
A lactato desidrogenase catalisa a redução reversível do piruvato a lacta-
to. Desse modo, no músculo esquelético a isoenzima LDH”5 apresenta Vmax
elevada para o piruvato e, portanto, converte rapidamente o piruvato a lacta-
to. No caso da LDH”1, encontrada no coração a Vmax é relativamente baixa
para o piruvato, não favorecendo a formação do lactato. O excesso de piru-
vato inibe a isoenzima LDH-1. O músculo cardíaco, um tecido essencial-
mente aeróbico, metaboliza a glicose a piruvato e, a seguir, a CO2 e H2O,
produzindo pouco lactato. Entretanto, em situações de déficit de oxigênio no
ambiente celular, o piruvato pode ser convertido a lactato. Assim, as caracte-
rísticas cinéticas distintas das duas enzimas determinam o tipo de metabolis-
mo em cada tecido. Foram estudadas isoenzimas de várias enzimas diferen-
tes, sendo as mais importantes, do ponto de vista clínico, além da lactato
desidrogenase, a creatina cinase e a fosfatase alcalina.
231
Inibição e regulação enzimática Aula
11CONCLUSÃO
Os inibidores enzimáticos são as substâncias que reduzem a veloci-
dade da reação das enzimas. A inibição enzimática é classificada em irre-
versível e reversível, classificação essa baseada na natureza química da
ligação do inibidor à enzima. O inibidor irreversível se liga de forma co-
valente e duradoura ao sítio ativo da enzima. O inibidor reversível, por
sua vez, se liga de forma não covalente a cadeia polipeptídica da enzima.
A inibição reversível é de três tipos: inibição competitiva, incompetitiva
e mista. O inibidor competitivo por apresentar uma estrutura química
semelhante a do substrato se liga ao sítio ativo dessa enzima. Na inibição
incompetitiva o inibidor se liga apenas ao complexo [ESI]. Na inibição
mista o inibidor tanto se liga a enzima livre, quanto a enzima ligada ao
seu substrato. A regulação das vias metabólicas envolve mecanismos so-
fisticados e complexos como regulação alostérica, modificação covalente
da enzima, ativação de zimogênios e produção celular de isoenzimas. As
regulação não covalente ou controle alostérico se caracteriza pela ligação
não covalente do efetor ou modulador ao sítio alostérico. O modulador
alostérico pode ser homotrópico ou heterotrópico. Na regulação covalen-
te as enzimas são alternadas pela ligação covalente e transitória de um
grupo químico à cadeia polipeptídica ou ao sítio ativo da enzima. Os
zimogênios ou proenzimas são enzimas cataliticamente inativas. Os zi-
mogênios são ativados através da ação de proteínas hidrolíticas que cli-
vam ligações específicas, descobrindo o sítio ativo dessas enzimas. As
isoenzimas ou isozimas são formas moleculares múltiplas de uma enzi-
ma, que realizama mesma ação catalítica.
RESUMO
Qualquer substância que se liga à cadeia polipeptídica de uma enzi-
ma diminuindo a velocidade da reação é considerada um inibidor enzimá-
tico. A inibição enzimática classifica-se em irreversível e reversível. A
inibição irreversível ocorre com a ligação do inibidor de forma covalente
ao sítio ativo da enzima, enquanto a inibição reversível ocorre com a
ligação não covalente do inibidor à cadeia polipeptídica da enzima. As
ligações não covalentes envolvidas na ligação do inibidor reversível são:
pontes de hidrogênio, interação hidrofóbica, ligação iônica, van der Walls,
dipolo-dipolo. A inibição da enzima acetilcolinesterase pelo diisopropil-
fluorofosfato é um exemplo de inibição irreversível. Os tipos de inibição
reversível são: competitiva, incompetitiva e mista. O inibidor competiti-
vo, por apresentar uma estrutura química semelhante a do substrato, se
liga ao sítio ativo da enzima, impedindo a ligação do substrato. O inibidor
232
Bioquímica
incompetitivo se liga apenas ao complexo enzima substrato (ES) origi-
nando um complexo enzima-substrato-inibidor (ESI) inativo. O inibidor
misto se liga a uma região da enzima (que não o sítio ativo), sem interferir
na ligação do substrato ao sítio catalítico. Na inibição mista o substrato
uma vez ligado ao sítio ativo, também não impede a ligação do inibidor. A
regulação das vias metabólicas envolve mecanismos sofisticados e com-
plexos como a regulação alostérica, modificações químicas covalentes da
enzima, ativação de zimogênios e a produção celular de isoenzimas. A
regulação não covalente ou controle alostérico se caracteriza pela ligação
não covalente do efetor ou modulador ao sítio regulador das enzimas
alostéricas. As enzimas alostéricas são proteínas oligoméricas, apresen-
tando duas ou mais cadeias polipeptídicas. Elas são reguladas pela liga-
ção não covalente do efetor ou modulador ao sítio regulador. Apresentam
curva de saturação pelo substrato do tipo sigmóide; curva essa que é
explicada pelas propriedades cooperativas dessas enzimas. Enzimas re-
guladas por modificação covalente reversível são alternadas entre as for-
mas ativas e inativas, pela ligação covalente e transitória de um grupo
químico à cadeia polipeptídica ou ao sítio ativo da enzima. A ativação ou
inativação dessas enzimas ocorre através da ligação covalente de um gru-
po químico a um átomo ou grupo de átomos dos sítios ativos dessas enzi-
mas. A regulação por clivagem proteolítica ocorre nas proenzimas ou zi-
mogênios. Nesse mecanismo de controle as enzimas se alternam entre
dois estados a saber, inativo (proenzimas ou zimogênios) e enzimas cata-
liticamente ativas. A produção de formas múltiplas de enzimas, como as
isoenzimas, é também um mecanismo de regulação celular, que se carac-
teriza pela presença de formas múltiplas de enzimas relacionadas deno-
minadas isoenzimas ou isozimas.
ATIVIDADES
1. O que são inibidores enzimáticos? Como eles contribuíram no estu-
do de enzimas?
2. O que é uma inibição irreversível? Exemplifique-a.
3. O que é uma inibição reversível? Como são classificados os inibi-
dores reversíveis?
4. Diferencie regulação homotrópica de regulação heterotrópica das enzi-
mas alostéricas.
5. Como ocorre a regulação de uma via metabólica?
6. Qual a importância dos zimogênios serem sintetizados em uma for-
ma inativa?
233
Inibição e regulação enzimática Aula
11COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
1. Observe que o termo é auto-explicativo, servindo para designar
qualquer substância que uma vez ligado à enzima, diminui a velocidade
da velocidade da reação. Você deve remontar à importância dos
inibidores que, ajudando na identificação dos aminoácidos que entram
na formação do sítio ativo das enzimas, no esclarecimento de
seqüências metabólicas e na compreensão da ação de algumas drogas
terapêuticas, em resumo, contribuíram de forma significativa na
compreensão de muitos processos bioquímicos envolvendo a ação
de enzimas.
2. Certamente você deve ter associado esse termo irreversível a uma
ligação covalente firme e duradoura. Dessa forma, você pode afirmar
que a inibição irreversível é a que ocorre com a ligação do inibidor
de forma covalente e duradoura ao sítio ativo da enzima. Como
exemplo de inibição irreversível você pode aponta a inibição da
enzima acetilcolinesterase por um organofosforado (o
diisopropilfluorofosfato).
3. Com a leitura do tópico da inibição reversível dessa aula você
aprendeu que essa inibição se caracteriza pela ligação não covalente
dos inibidores à cadeia polipeptídica da enzima. As ligações não
covalentes envolvidas na interação do inibidor com o sítio ativo das
enzimas são pontes de hidrogênio, ligação iônica, dipolo-dipolo, van
der Waals e interação hidrofóbica. A inibição reversível classifica-se
em: competitiva, incompetitiva e mista.
4. Certamente você não deve ter tido qualquer dificuldade em
diferenciar a regulação homotrópica da regulação heterotrópica.
Naturalmente você identificou que na regulação homotrópica o
modulador ou efetor (a molécula que se liga ao sítio regulador) é o
próprio substrato da enzima. Você deve ter reconhecido também que
quando o substrato atua como modulador homotrópico ele se liga ao
sítio alostérico e não ao sítio ativo da enzima. Com relação a regulação
heterotrópica você aprendeu nessa aula que o regulador heterotrópico
é qualquer substância diferente do substrato.
5. Aprendemos com a regulação de uma via metabólica ( ou sistema
multienzimático) que no que diz respeito á regulação desse processo,
as enzimas reguladoras podem ser de dois tipos: Enzimas alostéricas
(reguladas de forma não covalente) e as enzimas reguladas por
234
Bioquímica
PRÓXIMA AULA
Na próxima aula teremos a oportunidade de introduzir o estudo do meta-
bolismo energético celular. Nessa aula estudaremos os tipos de metabo-
lismo celular, procurando compreender o porquê do ATP ser a molécula
energética da célula. Até lá!
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5 ed. Rio
de Janeiro: Guanabara-Koogan, 2004.
CHAMPE, P. C.; HARVEY, R. A. Bioquímica Ilustrada. 2 ed. Editora
Artes Médicas, 1997.
modificação não covalente. Na regulação alostérica, o efetor se liga
através de ligação não covalente ao sítio modulador da enzima . Na
regulação covalente as enzimas reguladoras são inter convertidas
entre duas formas ativa e inativa. A ativação ou inativação dessas
enzimas ocorre através da ligação covalente de um grupo químico a
um átomo ou grupo de átomos dos sítios ativos dessas enzimas.
Certamente você deve ter indicado o exemplo da regulação da enzima
fosforilase do glicogênio como um exemplo desse tipo de regulação.
A fosforilase do glicogênio é uma enzima encontrada nos músculos e
fígado, e catalisa a seguinte reação.
6. Você aprendeu com a leitura da regulação de enzimas sintetizadas
na forma inativa (os zimogênios) que essas enzimas sofrem a ação
de enzimas proteolíticas para passar para sua forma ativa. Nessa ação
os zimogênios liberam proteínas encurtadas de alguns aminoácidos
(forma ativa) e peptídeos pequenos. Essas proteínas encurtadas (que
são a forma ativa dos zimogênios) apresentam atividade hidrolítica.
Certamente você reconheceu que se essas proteínas fossem ativadas
no órgão em que são produzidos, ou que fossem já sintetizadas na
forma ativa, resultaria na destruição desse órgão. Comentando o que
ocorre na pancreatite aguda, certamente você identificou que nessa
patologia verifica-se a síntese das proenzimas de tripsina e
quimotripsina nas células pancreáticas em suas formas ativas. A
produção dessas proenzimas em suas formas ativas está associada
com todos os sintomas letais observados nessa doença
235
Inibição e regulação enzimática Aula
11KOOLMAN, J.; RÖHM, Klaus-Heinrich. Bioquímica. 3 ed. Porto Ale-
gre: Editora Artmed, 2005.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípiosde Bioquímica. 2.
ed. São Paulo: Sarvier, 1995.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 3
ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
STRYER, L. Bioquímica. 4 ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 1996.
VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W. Fundamentos de Bioquímica.
. Porto Alegre: Editora Artmed, 2000.
INTRODUÇÃO AO METABOLISMO
META
Introduzir o estudo do metabolismo.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
definir metabolismo;
diferenciar metabolismo anabólico de metabolismo catabólico;
definir variação de energia livre;
relacionar à variação de energia livre as reações bioquímicas;
descrever reações de óxido redução do
metabolismo oxidativo;
reconhecer a formação de ATP; e
relacionar o processo de óxido redução
das coenzimas a formação de ATP.
PRÉ-REQUISITOS
Para acompanhar esta aula
possibilitando uma melhor compreensão
dos conteúdos trabalhados, você deverá
estudar ou rever a aula introdução ao
estudo das enzimas, proteínas
globulares, química dos carboidratos e
química dos lipídios.
Aula
12
A história do estudo científico do metabolismo estende-se por quatro séculos, tendo evoluído da
observação de organismos animais inteiros até ao estudo de reacções metabólicas individuais na
Bioquímica moderna. As primeiras experiências conduzidas de forma controlada foram publicadas
por Santorio Santorio em 1614 no seu livro Ars de statica medecina (Fonte: http://pt.wikipedia.org).
238
Bioquímica
INTRODUÇÃO
O metabolismo celular é o conjunto de reações que ocorrem no am-
biente celular com o objetivo de sintetizar as biomoléculas ou degradá-
las para produzir energia. O metabolismo de síntese das biomoléculas é
conhecido como anabólico (anabolismo) e o de degradação catabólico
(catabolismo). O anabolismo ocorre quando a célula dispõe de energia
ou substrato suficiente. O catabolismo, por sua vez, ocorre em situações
em que o organismo necessita de energia como, por exemplo, entre as
refeições e no jejum. O catabolismo produzirá energia na forma de ATP
quando as biomoléculas forem degradadas. Como visto na aula de ácidos
nucléicos o ATP é um nucleotídeo cuja função é participar das reações de
transferência de energia da célula, daí o porquê ser conhecido como a
moeda energética da célula. As reações do anabolismo e do catabolismo
são opostas, mas que ocorrem de maneira articulada, permitindo a maxi-
mização da energia disponível. Assim, enquanto o catabolismo ocorre de
maneira espontânea, reação exergônica, com produção de ATP o anabo-
lismo é não espontâneo, ou endergônico, necessitando energia para ocor-
rer. As biomoléculas energéticas são os carboidratos, lipídios e proteínas
que são obtidas em grandes quantidades durante a alimentação ou são
mobilizadas das reservas orgânicas quando são ingeridas em quantidade
insuficiente na alimentação ou quando o consumo energético aumenta
grandemente (p.ex.: durante a realização de exercícios físicos). A forma
final de absorção da energia contida nessas moléculas se dá na forma de
ligações de alta energia do ATP o qual é sintetizado nas mitocôndrias por
processos oxidativos que utilizam diretamente o O
2
. Desta forma, é es-
sencial a presença de mitocôndrias e de oxigênio celular para o aproveita-
mento energético completo das biomoléculas.
Modelo tridimensional da molécula de ATP (Fonte: http://pt.wikipedia.org).
239
Introdução ao metabolismo Aula
12
(Fonte: Motta, 2005).
O anabolismo, ou metabolismo construtivo, é o conjunto das reações
de síntese necessárias para o crescimento de novas células e a manuten-
ção de todos os tecidos. O catabolismo, ou metabolismo oxidativo é um
processo contínuo, centrado na produção da energia necessária para a
realização de todas as atividades físicas externas e internas. O catabolis-
mo engloba também a manutenção da temperatura corporal. Esse pro-
cesso catabólico implica na quebra de moléculas químicas complexas em
substâncias mais simples, que constituem os produtos excretados pelo
corpo. A excreção dos produtos do metabolismo é feita por diferentes
órgãos como os rins, o intestino, os pulmões e a pele.
As principais fontes de energia metabólica são os carboidratos, lipídi-
os (gorduras) e proteínas, produtos de alto conteúdo energético ingerido
O METABOLISMO CELULAR
O Metabolismo celular é o conjunto de reações químicas que aconte-
cem nas células dos organismos vivos, para que estes transformem a ener-
gia, conservem sua identidade e se reproduzam. Todas as formas de vida
(desde as algas unicelulares até os mamíferos) dependem da realização
simultânea de centenas de reações metabólicas, reguladas com absoluta
precisão. Existem dois grandes processos metabólicos: anabolismo ou
biossíntese e catabolismo.
Anabolismo. São os processos biossintéticos a partir de moléculas pre-
cursoras simples e pequenas. As vias anabólicas são processos endergô-
nicos e redutivos que necessitam de fornecimento de energia.
Catabolismo. São os processos de degradação das moléculas orgânicas
nutrientes e dos constituintes celulares que são convertidos em produtos
mais simples com a liberação de energia. As vias catabólicas são proces-
sos exergônicos e oxidativos.
Figura 1. Relação do anabolismo e catabolismo com a produção de ATP.
240
Bioquímica
pelos animais, para os quais constituem a única fonte energética e de
compostos químicos para a construção de células. Estes compostos se-
guem rotas metabólicas diferentes, que têm como finalidade produzir
compostos finais específicos e essenciais para a vida.
METABOLISMO CATABÓLICO AERÓBICO
E ANAERÓBIO
O metabolismo catabólico pode ser dividido também em relação à
presença de oxigênio (metabolismo aeróbio) e na ausência de oxigênio
(metabolismo anaeróbio). 
O metabolismo aeróbico refere-se às reações catabólicas geradoras
de energia nas quais o oxigênio funciona como um aceitador final de elé-
trons na cadeia respiratória e se combina com o hidrogênio para formar
água. A presença de oxigênio no “final da linha” determina em grande
parte a capacidade para a produção de ATP. No metabolismo anaeróbio
não há formação de água a partir do oxigênio durante a oxidação de com-
bustíveis metabólicos.
 
PRINCÍPIO GERAL DO METABOLISMO
ENERGÉTICO
Os organismos necessitam continuamente de energia para se manter
vivos e desempenhar várias funções biológicas. De fato, qualquer orga-
nismo vivo constitui, no seu conjunto, um sistema estável de reações
químicas e de processos físico-químicos mantidos afastados do equilí-
brio; a manutenção deste estado contraria a tendência termodinâmica
natural de atingir o equilíbrio e só pode ser conseguida à custa de ener-
gia, retirada do meio ambiente. Alguns organismos, chamados fototró-
ficos (como as plantas), estão adaptados a obter a energia de que neces-
sitam a partir da luz solar; outros, os quimiotróficos, obtêm energia oxi-
dando compostos encontrados no meio ambiente. Dentre os quimiotró-
ficos, certos microrganismos são capazes de oxidar compostos inorgâ-
nicos e são então chamados quimiolitotróficos. No entanto, a maioria
dos microrganismos e animais são quimiorganotróficos, pois necessitam
oxidar substâncias orgânicas.
As substâncias que podem ser metabolizadas pelos seres humanos,
em particular, estão presentes nos seus alimentos, sob a forma de car-
boidratos, lipídios e proteínas. Há também reservas endógenas, ou seja,
as moléculas estocadas nos organismos na forma de glicogênio e gor-
duras. Essas moléculas são metabolizadas para produção de energia
nos intervalos das refeições.
241
Introdução ao metabolismo Aula
12TERMODINÂMICA DAS REAÇÕES
A bioenergética, ou a termodinâmica bioquímica, é o ramo da Bio-
química que estuda a variação de energia que acompanha as reações que
ocorrem na célula. A bioenergética fornece os princípios básicos que ex-
plicam porque algumas reações químicas podem ocorrer espontaneamen-te enquanto outras não.
Os sistemas biológicos utilizam a energia química para impulsionar os
processos da vida. Para entender um pouco melhor sobre a energia química
precisamos entender o que é a variação de energia livre (“G). A variação de
energia livre é a porção da variação de energia livre do sistema, isto é dife-
rença entre a energia do produto e reagentes, disponível para o trabalho. As
reações podem ter a variação de energia livre igual a zero (“G = 0), negati-
va (“G-) ou positiva (“G+). Quando o “G é negativo, a reação ocorre es-
pontaneamente com perda de energia, isto é ela é exergônica. Ao contrário
um “G positivo a reação somente ocorre quando a energia livre for forneci-
da, isto é a reação é endergônica. Quando o “G é igual a zero não ocorrerá
nenhuma variação na energia livre e o sistema é dito em equilíbrio.
A FORMAÇÃO DE COMPOSTOS RICOS EM ENERGIA
Os nutrientes ao serem metabolizados nas células podem liberar pró-
tons (H+) e elétrons (e-) e seus átomos de carbonos são convertidos a
CO
2
. Os prótons e elétrons são recebidos por coenzimas na forma oxida-
da (Como NAD+ e FAD), que passam assim a forma reduzida, que são
formas carregadas com hidrogênio (NADH, NADPH e FADH
2
).
(Fonte: Motta, 2005).
Figura 2. Oxidorredução do NADP e a produção de ATP no metabolismo.
242
Bioquímica
A reoxidação das coenzimas reduzidas (NADH e FADH
2
) a suas for-
mas oxidadas (NAD+ e FAD) ocorrem na última etapa do metabolismo
aeróbico dos nutrientes, quando essas coenzimas reduzidas passam seus
elétrons para o aceptor final de elétrons, o oxigênio molecular. Esse pro-
cesso ocorre nas membranas mitocôndria, que é então convertido em água,
processo que será explorado no próximo capítulo. A energia derivada des-
sa oxidação é utilizada para sintetizar um composto rico em energia, a
adenosina trifosfato (ATP), a partir de uma molécula de adenosina difos-
fato (ADP) e um fosfato inorgânico (P
i
 =HPO
4
-).
FORMAÇÃO DE
COENZIMAS
REDUZIDAS
Em termos energéticos, elé-
tron equivale à energia para a cé-
lula. Logo, reações de oxidação –
que liberam elétrons – são catabó-
licas, pois liberam energia, e rea-
ções de redução são anabólicas,
pois utilizam elétrons/energia. Os
principais transportadores de elé-
trons na célula são o NAD+,
NADP e o FAD, e funcionam de
maneira muito parecida.
Nicotinamida Adenina
Dinucleotídeo – NAD+
Coenzima formada por um dinu-
cleotídeo contendo adenina, capaz
de aceitar um par de elétrons do
átomo de hidrogênio no catabolis-
mo, e liberar este par de elétrons
para ser utilizado no anabolismo.
A reação de oxirredução do
NAD é apresentada abaixo
NAD+ + 2 e- + 2 H+ NADH + H+
NAD+ = Forma Oxidada, acep-
tora de elétrons
(Fonte: Motta, 2005).
Figura 3 Estrutura do NAD+ e NADP.
243
Introdução ao metabolismo Aula
12
(Fonte: Motta, 2005).
NADH + H+ = Forma Reduzida, doadora de elétrons
Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo Fosfato – NADP:
Muito semelhante ao NAD, possui um fosfato a mais na sua estrutura;
atua de forma idêntica ao NAD.
Sua reação de oxirredução é:
Flavina Adenina Dinucleotídeo – FAD
Nucleotídeo de adenina como o NAD, atua de maneira idêntica, reduzin-
do-se no catabolismo e oxidando no anabolismo.
Figura 4. Estrutura do FAD.
244
Bioquímica
A reação de oxirredução do FAD é apresentada abaixo:
FAD + 2 e- + 2 H+ FADH2
FORMAÇÃO DO ATP
O principal composto fosfatado de alta energia presente na célula, e
que é também o principal transportador de energia, é a ADENOSINA
TRIFOSFATO ou ATP.
Figura 5 Estrutura do ATP.
A formação do ATP é um processo endergônico, ou seja, com a for-
mação de uma molécula que retirou calor do sistema reacional para poder
ser sintetizada. É a energia química do ATP que será usada para promo-
ver os processos biológicos que consomem energia. Em resumo, para que
a energia derivada da oxidação dos alimentos possa ser usada pelas célu-
las, ela deve estar sob a forma de ATP.
O aproveitamento da energia do ATP é feito associando a remoção do
seu grupo fosfato terminal aos processos que requerem energia. Desta forma,
a energia química armazenada no ATP pode ser utilizada em processos quí-
(Fonte: Motta, 2005).
245
Introdução ao metabolismo Aula
12micos (biossíntese), mecânicos (contração muscular), elétricos (condução doestímulo nervoso), osmótico (transporte ativo através das membranas), lumi-
nosos (bioluminescência), etc.. A retirada do fosfato do ATP para se utiliza-
da nas funções acima descritas não é por hidrólise, reação que ocorre utilizan-
do uma molécula de água. Embora essa reação seja possível de acontecer es-
pontaneamente acontece numa velocidade muito baixa. Essa reação de hidrólise
pode ser catalisada por enzimas denominadas ATP ases que atuam junto a pro-
cessos que requerem energia e tem suas atividades rigorosamente controladas.
Se não acontecesse esse rigoroso controle qualquer célula se tornaria inviável,
pois uma vez produzido o ATP a reação de hidrólise liberaria a energia como
calor uma forma de energia que não pode ser utilizada pelas células.
O mecanismo de aproveitamento de energia do ATP é bem complexo
e, comumente, envolve a transferência do grupo fosfato do ATP para mo-
léculas aceptoras. Essa transferência possibilita efetuar transformações
importantes nas células, como a síntese de compostos fosfatados que não
podem ser produzidos diretamente, por reação com fosfato inorgânico.
Exemplo para entender como a energia do ATP é aproveitada.
ATP + X X-P + ADP
Nos organismos vi-
vos também são encontra-
dos outros nucleotídeos
trifosfatados, entre eles:
guanosina trifosfato
(GTP); citosina trifosfato
(CTP); uridina trifosfato
(UTP) e tiamina trifosfa-
to (TTP). Esses nucleotí-
deos também podem atu-
ar como transportadores
de energia, de forma idên-
tica ao ATP, mas com
muito menos freqüência. (Fonte: Motta, 2005).
Figura 6. Quebra do
ATP com produção
de energia.
246
Bioquímica
CONCLUSÃO
Os processos vitais requerem que as moléculas consumidas como
nutrientes sejam decompostas para se sua extrair a energia e também para
que sejam fornecidos os blocos de construção para a criação de novas
moléculas. O processo de extração de energia ocorre em uma série de
pequenas etapas, nas quais os doadores de elétrons transferem energia
aos aceptores de elétrons. Essas reações de óxido redução são fundamen-
tais para a extração de energia de moléculas como a glicose. O principal
transportador de elétrons é a nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH,
forma reduzida e NAD+, forma oxidada). O NADH é oxidado a NAD+
quando perde dois elétrons, e o NAD+ é reduzido a NADH quando acei-
ta dois elétrons. Os dois elétrons de cada NADH e os dois prótons unem-
se a um átomo de oxigênio para formar H
2
O na oxidação completa da
glicose. A energia gerada nessa reação é conservada pela transformação
de ADP, molécula de baixa energia, em ATP molécula de alta energia. O
sistema ADP-ATP é semelhante a uma conta corrente muito movimenta-
da, na qual depósitos e saques encontram-se em um estado estacionário.
A energia do ATP nunca é esgotada, apenas transferida nas incontáveis
reações químicas que requerem energia dentro da célula.
RESUMO
As células possuem a capacidade espetacular de sobreviverem de
maneira independente desde que lhes sejam fornecidos os substratos bá-
sicos para as reações químicas intracelulares. Dispondo de alguns com-
postos carbonados (aminoácidos, carboidratos, lipídios), vitaminas, água
e minerais, a célula pode operar o processo de síntese da maioria dos
elementos necessários para seu funcionamento, sendo que em organis-
mos complexos, grupos celulares específicos agrupam-se formando os
órgãos com as mais diversas funções fisiológicas. Um grupo de substratos
possui uma função primordial para estas funções que é a de fornecer a
energia necessáriapara que essas reações ocorram. São os compostos
energéticos (carboidratos, lipídios e proteínas) que são degradados con-
vertendo a energia química que une seus átomos em energia térmica.
Entretanto, esta liberação térmica não acontece de forma indiscrimina-
da, pois haveria a incineração do meio celular se cada molécula energéti-
ca liberasse todo seu potencial térmico para o meio. Neste momento en-
tra em ação moléculas especializadas em captar esta energia térmica libe-
rada e liberá-la mais facilmente em etapas posteriores, fazendo com que
as moléculas energéticas transfiram a energia armazenada em suas liga-
ções químicas, para uma única molécula, que passa a funcionar como
uma moeda energética, essa molécula é denominada ATP.
247
Introdução ao metabolismo Aula
12
COMENTÁRIO SOBRE AS ATIVIDADES
1. Certamente ao responder essa pergunta você deve ter pensado nas
reações químicas que acontecem nos organismos. O Metabolismo é
o conjunto de reações químicas que acontecem dentro das células
dos organismos vivos, para que estes transformem energia, conservem
sua identidade e se reproduzam. Você deve também lembrar que o
metabolismo é divido em dois grandes processos: anabolismo ou
biossíntese e catabolismo Com essa definição você deve ter chagado
a conclusão que todas as formas de vida, desde as algas unicelulares
até os mamíferos, dependem da realização simultânea de centenas
de reações metabólicas, reguladas com absoluta precisão, desde o
nascimento e a maturação até a morte.
2. Como você deve ter mencionado na pergunta anterior o
metabolismo se divide em dois grandes grupos: anabolismo e
catabolismo. Você deve compreender que se chama anabolismo, ou
metabolismo construtivo, o conjunto das reações de síntese
necessárias para o crescimento de novas células e a manutenção de
todos os tecidos, enquanto que o catabolismo, ou metabolismo
oxidativo é um processo contínuo, centrado na produção da energia
necessária para a realização de todas as atividades físicas externas e
internas. Além disso, deve-se mencionar que o catabolismo engloba
também a manutenção da temperatura corporal e implica a quebra
das moléculas químicas complexas em substâncias mais simples, que
constituem os produtos excretados pelo corpo, através dos rins, do
intestino, dos pulmões e da pele.
3. Ao responder essa pergunta você deve inicialmente ter definido
variação de energia livre, que é a porção da variação de energia
ATIVIDADES
1. O que você entende por metabolismo?
2. Qual a diferença entre anabolismo e catabolismo?
3. O que é a variação de energia livre?
4. Relacione a variação de energia livre às reações bioquímicas?
5. Quais são as coenzimas usadas no metabolismo e explique o processo
de óxido redução das mesmas?
6. Como o ATP é produzido?
7. Como a reoxidação das coenzimas é usada para a síntese de ATP?
248
Bioquímica
livre do sistema, isto é diferença entre a energia do produto e
reagentes, disponível para o trabalho. È importante também
mencionar que as reações podem ter a variação de energia livre
igual a zero (“G = 0), negativa (“G-) ou positiva (“G+).
4. Certamente você já entendeu o que é a energia livre, então precisa
agora relacioná-la ao metabolismo que é a aula em questão. Pensando
no metabolismo você deve ter em mente que o mesmo é divido em
catabolismo e anabolismo. Assim a relação é a seguinte: quando o
“G é negativo, a reação ocorre espontaneamente com perda de
energia, isto é ela é exergônica, e quando o “G é positivo a reação
somente ocorre quando a energia livre for fornecida, isto é a reação
é endergônica. Conclua sua questão mencionando que quando o
“G é igual a zero não ocorrerá nenhuma variação na energia livre e o
sistema é dito em equilíbrio.
5. Para responder essa questão você deve inicialmente observar as
figuras 3 e 4. As coenzimas são: Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo
– NAD+, Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo Fosfato – NADP,
Flavina Adenina Dinucleotídeo – FAD. Essas três coenzimas atuam
de maneira idêntica, reduzindo-se no catabolismo e oxidando no
anabolismo. A reação de oxirredução é apresentada abaixo:
Coenzima oxidada + 2 e- + 2 H+ coenzima reduzida
6. Se você respondeu essa questão partindo do princípio que a
formação do ATP é um processo endergônico essa foi uma boa
estratégia, pois se deve entender que essa reação envolve a formação
de uma molécula que retirou calor do sistema reacional para poder
ser sintetizada. É importante ressaltar que embora o ATP possa ser
produzido em diferentes vias metabólicas e durante a reoxidação das
coenzimas a síntese desse composto rico em energia ocorre a partir
de uma molécula de adenosina difosfato (ADP) e um fosfato
inorgânico (P
i 
=HPO
4
-). É a energia química do ATP que será usada
para promover os processos biológicos que consomem energia. Em
resumo, para que a energia derivada da oxidação dos alimentos possa
ser usada pelas células, ela deve estar sob a forma de ATP.
7. Neste ponto da atividade você já deve ser capaz de associar a
produção de ATP a reoxidação das coenzimas NADH, NADPH E
FADH
2.
 A reoxidação das coenzimas é obtida pela transferência dos
prótons e elétrons (H+ e-) para o oxigênio molecular, que é então
convertido em água, processo que será explorado no próximo capítulo.
249
Introdução ao metabolismo Aula
12Para completar sua resposta é importante ressaltar que a energia
derivada dessa oxidação é utilizada para sintetizar um composto rico
em energia, a adenosina trifosfato (ATP), a partir de uma molécula
de adenosina difosfato (ADP) e um fosfato inorgânico (P
i 
=HPO
4
-).
PRÓXIMA AULA
Na próxima aula teremos a oportunidade de estudar como a glicose é
degradada nos organismos vivos visando à produção de energia na forma
de ATP. Então, até lá!
REFERÊNCIAS
BERG, J. M.; TYMOCZKO, J. L.; STRYER, L. Bioquímica. 5 ed. Rio de
Janeiro: Guanabara-Koogan, 2004.
CHAMPE, P. C.; HARVEY, R. A. Bioquímica Ilustrada. 2 ed. Editora
Artes Médicas, 1997.
CAMPBELL, M. K.; FARRELL, S.O. Bioquímica. v. 3. Tradução da 5
ed. São Paulo: Thompson, 2008.
MARZZOCO, A.; TORRES, B. B. Bioquímica Básica. 3 ed. Rio de
Janeiro: Guanabara-Koogan, 2007.
MOTTA, V. T. Bioquímica. 1 ed. Caxias do Sul: EDUCS, 2005.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger Princípios de Bioquímica. 3
ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
METABOLISMO OXIDATIVO
DA GLICOSE
META
Introduzir o metabolismo da glicose em aerobiose e anaerobiose, relacionando a esses
processos a produção de energia.
OBJETIVOS
Ao final desta aula, o aluno deverá:
identificar os três estágios do metabolismo oxidativo da glicose;
reconhecer as reações da via glicolítica;
diferenciar o destino do piruvato em aerobiose e anaerobiose;
definir fermentação;
identificar as reações do ciclo de Krebs;
definir via anfibólica;
reconhecer o papel do ciclo de Krebs em reações de síntese;
rescrever os complexos multienzimáticos que formam a cadeia transportadora de elétrons;
relacionar a cadeia transportadora de elétrons á síntese de ATP; e
descrever o saldo energético da oxidação de uma molécula de glicose.
PRÉ-REQUISITOS
Para acompanhar esta aula você deverá estudar ou rever conceitos estudados nas aulas
Enzimas 1 e 2 e a Química dos carboidratos e introdução ao Metabolismo.
Aula
13
(Fonte: blogs.onde.ir).
252
Bioquímica
INTRODUÇÃO
A glicose é o principal substrato oxidável para a maioria dos organis-
mos. Sua utilização como fonte de energia pode ser considerada universal
porque dos microrganismos até os seres humanos, quase todas as células
são capazes de atender a suas demandas energéticas apenas a partir desse
açúcar. A glicose é imprescindível para algumas células e tecidos, como
hemácias e tecido nervosos, porque é o único substrato que esses tecidos
conseguem oxidar para produzir energia. O metabolismo oxidativo da
glicose ocorre em três estágios: via glicolítica, ciclo deKrebs e a cadeia
transportadora de elétrons acoplada a fosforilação oxidativa. No primeiro
estágio chamado via glicolítica ou glicólise à glicose é convertida em duas
moléculas de piruvato. Essa última molécula tem dois destinos a depen-
der da disponibilidade de oxigênio nas células. Em anaerobiose, ausência
de oxigênio, o piruvato pode ser transformado em lactato ou etanol. Em
aerobiose, presença de oxigênio, o piruvato é transformado em acetil-
CoA que então segue para o segundo e terceiro estágio de degradação da
glicose. No segundo estágio, chamado ciclo de Krebs, ciclo dos ácidos
tricarboxílicos ou ciclo do ácido Cítrico a molécula de acetil-CoA é de-
grada produzindo dióxido de carbono e coenzimas reduzidas. No último
estágio, terceiro, os elétrons provenientes da degradação da glicose nas
duas etapas anteriores são transportados por uma série de moléculas até o
oxigênio produzindo água e energia na forma de ATP.
Hans Krebs (Fonte: http://pt.wikipedia.org).
253
Metabolismo oxidativo da glicose Aula
13A GLICÓLISE
A Glicólise é uma via metabólica que produz de energia e intermedi-
ários metabólicos para ser utilizados em reações de biossíntese. A glicóli-
se é uma via central quase universal do catabolismo da glicose. É a via
através da qual, na maioria das células, ocorre o maior fluxo de carbono.
Em certos tecidos e tipos celulares de mamíferos (eritrócitos, medula re-
nal, cérebro e esperma, por exemplo), a glicose, através da glicólise, é a
principal, ou mesmo a única, fonte de energia metabólica. Alguns tecidos
vegetais que são modificados para o armazenamento de amido, como os
tubérculos da batata e alguns vegetais adaptados para crescerem em áreas
regularmente inundadas pela água (agrião, por exemplo) derivam a maior
parte de sua energia da glicólise; muitos tipos de microrganismos anaeró-
bicos são inteiramente dependentes da glicólise.
A glicólise ocorre no citoplasma celular e nesse processo uma molé-
cula de glicose (uma hexose) é degradada a duas moléculas de piruvato
(ácido orgânico com três átomos de carbono) em uma série de 10 reações.
Cada reação da glicólise é catalisada por uma enzima específica para tal
reação. Os primeiros cinco passos enzimáticos formam a fase conhecida
como Fase preparatória, nesta fase a glicose será fosforilada enzimatica-
mente pelo ATP, primeiro no carbono 6 e depois no carbono 1, obtendo-
se assim a frutose 1,6-difosfato, a qual é quebrada ao meio, produzindo
duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato (molécula com 3 átomos de
carbono) produto da primeira fase da glicólise. Os cinco passos restantes
(Segunda fase da glicólise) representam o pagamento do rendimento da
glicólise, nela a energia liberada pela transformação de duas moléculas de
gliceraldeído 3-fosfato em duas moléculas de piruvato é conservada atra-
vés do acoplamento da fosforilação de quatro moléculas de ADP a ATP.
Embora quatro moléculas de ATP sejam formadas na segunda fase da
glicólise, o rendimento líquido final é de apenas duas moléculas de ATP
por molécula de glicose degradada, uma vez que duas moléculas são gas-
tas na fase preparatória.
254
Bioquímica
(Fonte Motta, 2005).
REAÇÕES DA FASE PREPARATÓRIA
Fosforilação da glicose: No primeiro passo da glicólise, a glicose é ativada
para as reações subseqüentes pela sua fosforilação no C-6 para liberar a
glicose-6-fosfato; o doador de fosfato é o ATP e a enzima que catalisa
essa reação é a hexoquinase.
Figura 1. Visão geral da via glicolítica.
255
Metabolismo oxidativo da glicose Aula
13Conversão da glicose 6-fosfato em frutose 6-fosfato. A enzima fosfo-
hexose isomerase (fosfoglicose isomerase) catalisa a isomerização reversí-
vel de uma aldose, a glicose-6-fosfato, em uma cetose, a frutose-6-fosfato.
Fosforilação da frutose-6-fosfato em frutose-1,6-bifosfato. Na segunda
das duas reações de ativação da glicólise, a fosfofrutoquinase-1 catalisa a
transferência de um grupo fosfato do ATP para a frutose-6-fosfato para
liberar a frutose-1,6-bifosfato.
Clivagem da frutose-1,6-bifosfato. A enzima frutose-1,6-bifosfato
aldolase, em geral simplesmente chamada aldolase, catalisa a condensa-
ção reversível de grupos aldol. A frutose-1,6-bifosfato é quebrada para
liberar duas trioses fosfato diferente, o gliceraldeído-3-fosfato, uma aldo-
se, e a diidroxiacetona fosfato, uma Cetose.
A interconversão das trioses fosfato. Apenas uma das trioses fosfato for-
mada pela aldolase – o gliceraldeído-3-fosfato – pode ser diretamente degrada-
da nos passos subseqüentes da glicólise. Entretanto, o outro produto, a diidro-
xiacetona fosfato, é rápida e reversivelmente convertida em gliceraldeído-3-
fosfato pela quinta enzima da seqüência glicolítica, a triose fosfato isomerase.
REAÇÕES DA FASE DE PAGAMENTO
Oxidação do gliceraldeído-3-fosfato em 1,3-bifosfoglicerato. O pri-
meiro passo da fase de pagamento da glicólise é a conversão do gliceral-
deído-3-fosfato em 1,3-bifosfoglicerato, catalisado pelo gliceraldeído-3-
fosfato desidrogenase.
Transferência do fosfato do 1,3-bifosfoglicerato para o ADP. A enzi-
ma fosfogliceratoquinase transfere o grupo fosfato de alta energia do gru-
po carboxila do 1,3-bifosfoglicerato para o ADP, formando ATP e 3-fos-
foglicerato.
Conversão do 3-fosfoglicerato em 2-fosfoglicerato. A enzima fosfo-
glicerato mutase catalisa a transferência reversível do grupo fosfato entre
C-2 e C-3 do glicerato.
Desidratação do 2-fosfoglicerato para fosfoenolpiruvato. A segunda
reação glicolítica que gera um composto com alto potencial de transfe-
rência de grupo fosfato é catalisada pela enolase. Esta enzima promove a
remoção reversível de uma molécula de água do 2-fosfoglicerato para
liberar fosfoenolpiruvato.
Transferência do grupo fosfato do fosfoenolpiruvato para o ADP. O
último passo na glicólise é a transferência do grupo fosfato do fosfoenol-
piruvato para o ADP, catalisada pela piruvato quinase.
Observação: Os números acima (1 a 10) correspondem à numeração das
dez reações da via glicolítica.
256
Bioquímica
CONVERSÃO DO PIRUVATO A ACETIL-COA
Em condições aeróbias, o primeiro passo para a oxidação do piru-
vato é a sua conversão a acetil-CoA. Essa conversão ocorre no cito-
plasma e é uma descarboxilação oxidativa (perda de CO
2
 acompanha-
da de perda de elétrons) catalisada por um complexo enzimático de-
nominado complexo piruvato desidrogenase. Esse complexo é forma-
do por três enzimas diferentes – piruvato desidrogenase, driidrolipoil
transacetilase e diidrolipoil desidrogenase – e por cinco coenzimas:
tiamina pirofosfato (TPP), coenzima A (CoA), nicotinamida adenina
dinucleotídeo (NAD+), flavina adenina dinucleotídeo (FAD) e ácido
lipóico. O complexo final ativo é formado por várias unidades de cada
enzima e das coenzimas.
(Fonte: Nelson e Cox 2002).
A GLICÓLISE ANAERÓBIA: FERMENTAÇÕES
Em anaerobiose, o piruvato (ou outro composto derivado dele) pro-
duzido pela glicólise é transformado em lactato e ou etanol. O piruvato
serve como aceptor de elétrons do NADH. Esse processo ocorre para
que o NADH seja reoxidado produzindo NAD+ que então retorna para a
via glicolítica assegurando prosseguimento da mesma. O piruvato é, por-
tanto o composto a partir do qual as oxidações aeróbias e anaeróbias da
glicólise divergem.
Figura 13. Conversão do piruvato em acetil-CoA pelo complexo piruvato
desidrogenase.
257
Metabolismo oxidativo da glicose Aula
13
(Fonte: Nelson e Cox 2002).
Transformação do piruvato em lactato e etanol durante a fermentação.
O rendimento energético final do metabolismo anaeróbio da glicose é:
– 1a. FASE: - 2 ATPs
– 2a. FASE: +4 ATPS (= saldo bruto: 2 por cada lactato e ou etanol
formado)
– SALDO: + 2 ATPs (saldo líquido)
258
Bioquímica
O CICLO DE KREBS
O Ciclo de Krebs (assim denominado em homenagem ao bioquímico
alemão Hans Krebs que estabeleceu, em 1937, as seqüências