Introdução Geral a Bioquímica - Resumo Completo

Prévia do material em texto

BIOQUÍMICA – P1 
 
Fundamentos: 
- Macronutrientes: 
 Carboidrato: são a fonte energética primária para os seres vivos. Podem ser digeridos 
e ter seus monossacarídeos oxidados para a produção de energia. O monossacarídeo 
mais comum é a glicose, que possui 6 carbonos e participa dos mais diversos processos 
metabólicos. 
 Proteína: atuam como enzimas, catalisadores biológicos com alto especificidade e 
como transportadoras de substâncias como glicose e aminoácidos através da 
membranas celular e do plasma sanguíneo. Estruturam a célula, conferindo sua forma, 
suporte e resistência. Além disso, atuam na defesa do corpo contra os organismos 
invasores, produzindo anticorpos. 
- Micronutrientes: 
 Vitaminas: não são usadas nem como energia, nem como material de reposição 
celular. Funcionam como aditivos– são indispensáveis ao mecanismo de produção de 
energia e outros, mas em quantidades pequenas. 
- Complexos Supramoleculares: complexos nos quais as macromoléculas são unidas por 
interações não covalentes – individualmente mais fracas do que as covalentes. Entre essas 
ligações estão as ligações de hidrogênio (entre grupos polares), as interações iônicas (entre 
grupos carregados), as interações hidrofóbicas (entre grupos apolares em solução aquosa) e as 
interações de Van der Waals (forças de London), todas elas com energia muito menor do que 
as ligações covalentes. O grande número de interações fracas entre as macromoléculas em 
complexos supramoleculares estabilizam essas agregações, gerando suas estruturas singulares. 
 
Aminoácidos: 
 Grupos R alifáticos e apolares: glicina, alanina, prolina, valina, leucina, isoleucina e 
metionina (hidrofóbicos) 
 Grupos R aromáticos: fenilalanina (hidrofóbica), tirosina e triptofano (anfipáticos) 
 Grupos R polares e sem carga: serina, treonina, aspargina e glutamina (hidrofílico) 
 Grupos R positivamente carregados: lisina, arginina e histidina (hidrofílicos) 
 Grupos R negativamente carregados: aspartato e glutamato (hidrofílicos) 
 
- Pontes de hidrogênio com a água: 
 Ser, Thr, Asn, Gln (aminoácidos polares) 
 Lys, Arg, His, Glu, Asp (são aminoácidos carregados que podem estabelecer interações 
eletrostáticas; mas estes aminoácidos podem também formar pontes de hidrogênio) 
 Tyr,Trp (são classificados como aminoácidos aromáticos; estes grupos aromáticos têm caráter 
hidrofóbico; podem também formar pontes de hidrogênio - por exemplo, OH da Tyr pode 
formar ponte de hidrogênio) 
 Cys (grupo SH pode formar ponte de hidrogênio, embora mais fracamente) 
 
- Peptídeos: são produtos da condensação de aminoácidos com a perda de água: 
O grupo amino terminal sempre vai na esquerda e o grupo carboxila terminal na direita 
(convenção). O ponto isoelétrico (PI) é o pH no qual o aminoácido se encontra na sua forma 
dipolar, completamente ionizada nas sem carga elétrica líquida ( carga nula). Para aminoácidos 
que não possuem grupos ionizáveis em sua cadeia lateral, o PI é apenas a média aritmética dos 
2 valores de pka: PI = (pka 1 + pka2) / 2 
 
 
Exercícios (exemplos): 
1) Calcular a carga do Tyr-Glu-Arg-Ser no ph = 7,3 
R: Cargas dos aminoácidos: Tyr (zero) Glu (-) Arg (+) Ser (zero). Fazendo-se a soma, a carga dá 
zero. 
2) Explique por que o pka dos grupos ionizáveis difere do pka nos aminoácidos isolados. 
R: O pka dos peptídeos é maior do que o pka dos aminoácidos isolados, pois o grupo carboxila, 
ao se aproximar do grupo amino, facilita a perda do próton. No aminoácido isolado, o grupo 
amino repele o próton (H+) que se dissocia do grupo carboxila e o grupo COO- formado é 
estabilizado pelo NH3. Nos peptídeos a influência do grupo amino sobre o grupo carboxila é 
menor, e com isso a dissociação do próton se torna mais difícil (maior o pka). 
Assim, quanto maior o pka, mais difícil se torna a desprotonação (a perda de prótons) e 
quanto menor o pka, mais fácil será a perda de prótons. 
 
3) Analisando-se a tabela abaixo, indique a carga do aminoácido Thr nos pHs: 
a) 0.5, o grupo COOH ainda não desprotonou, pois 
só desprotona quando estiver no pH = 2,1. Assim a 
carga do Thr é +1 
b) 2.1, ph = pk1, este pH é exatamente o pka em 
que a Thr perde seu próton do grupo amino, assim, 
50% está desprotonado (carga zero) e 50% 
protonado (carga +1). A carga é +0,5 (+1 + zero / 2 = 
+0,5) 
c) 5.9, este é o PI (2,1 + 9,1 = 5,9) em que a carga é 
zero 
d) 7.4, a carga é muito próxima de zero 
(somente no pI a carga é exatamente zero). Para 
saber a carga exata, a equação de H-H deveria 
ser aplicada. Entretanto, como pH 7.4 é 
diferente tanto do pK1 quanto do pK2 por pelo 
menos 2 unidades, podemos aproximar e 
considerar que todos grupos COOH estão 
desprotonados e todos NH3
+ estão protonados 
neste pH. Portanto, no pH 7.4 a carga é 
praticamente zero. 
e) 9.6, pH = pk2, 50% está com o grupo 
carboxila desprotonado e 50% com o grupo 
amino desprotonado (-1 + zero / 2 = -0,5). A 
carga é -0,5 
f) 13, como já desprotonou o grupo NH3
+, a carga é -1 
 
4) A His tem um pKR = 6. Vimos na aula que para o pH de 7.3 a porcentagem de His no 
estado protonado (positivamente carregado) é de 4.8%. Assumindo que esta interação 
eleve o pKR da His para 9, calcule agora a porcentagem de His positivamente 
carregadas. 
 pH + pka + log (A/HA+) 
 A + HA+ = 1 (100%) 
R: pH + pka + log (A/HA+)  7,3 = 9,0 + log (A/HA+)  HA+/A = 50 
Substituindo... na segunda equação, [A] = 0,01960 (1,96 %) e [HA+] = 98,03 % 
 
Estrutura tridimensional das proteínas: 
Estrutura Primária: 
É a sequência de aminoácidos e determina a estrutura dimensional. As variações na estrutura 
primária dos peptídeos podem ser: 
1. Quando não comprometem a função: 
 Regiões não críticas 
 Por substituições conservativas (ex: um aminoácido é trocado por outro da mesma 
classe) 
2. Quando comprometem a função: 
 Regiões críticas (ex: sítios de ligação) 
 Substituição não conservativa 
 Variações na sequência de aminoácidos que podem levar a doenças (ex: anemia 
falciforme) 
Exemplo: Um resíduo de Lisina (polar) no exterior é mutado por uma Serina (polar). Outro 
resíduo de Lisina no interior da mesma proteína é também mutado por uma Serina. Qual 
dessas duas mutações é uma mutação conservativa? 
R: Como a superfície externa é polar (reage com a água) a troca por uma Serina, que também é 
polar, é conservativa, pois não compromete a função. 
Cadeia lateral e pKa: quando dois aminoácidos de cargas opostas (um positivo e outro 
negativo) são aproximados, o pKa diminui, pois a carga positiva equilibra a carga negativa e a 
desprotonação se torna mais fácil. Por exemplo, quando uma Lya (+) se aproxima do Glu (-) o 
pka diminui. Aminoácidos de mesma carga procuram se protonar para se estabilizarem, 
fazendo o pka aumentar. 
Exemplos: 
1) Calcule a cadeia lateral do tripeptídeo Val-Arg-Lys: 
R: O aminoácido da esquerda (Val) utiliza-se o pk2 (pk para retirar o próton do NH3
+). O da 
direita utiliza-se o pk1 (pk para se desprotonar o COOH). Coloca-se todos os pkr e os pkas em 
ordem crescente. 
 Pk2 Val: 9,62 ordem crescente: - 2,8 – 9,62 – 10,52 – 12,48 - 
 Pkr Arg: 12,48 cargas: +3 +2 +1 0 (PI) -1 
 Pk1 Lys: 2,18 
 Pkr Lys: 10,53 
Vendo a fórmula estrutural do tripeptídeo percebe-se que no pH fisiológico (7,0), quando 
nenhuma cadeia sofreu desprotonação ainda, a sua carga é +2. A partir disso é possível se 
calcular o PI. Como 7,0 fica entre os valores de pH 2,8 e 9,62, a carga +2 é colocada nesta 
posição e percebe-se que a carga zero fica entre os valores 10,52 e 12,48. O PI é calculado com 
esta média aritmética: PI = 10,52 + 12,48 / 2 = 11,5 
EstruturaTridimensional: As ligações peptídicas C-N não podem girar livremente por causa de 
seu caráter parcial de ligação dupla e a rotação é permitida ao redor das ligações N-Cα e Cα-C. 
As ligações peptídicas rígidas limitam a variação de conformações possíveis para uma cadeia 
polipeptídica. Esta conformação é definida por três ângulos (phi, psi e ômega) que refletem a 
rotação sobre cada uma das três ligações. A ligação peptídica está geralmente na conformação 
trans, restringindo o ω de 180°. 
Diagrama de Ramachandran: as áreas em azul 
escuro representam as conformações que não 
envolvem impedimento estérico e são totalmente 
permitidas. Já as áreas em azul claro indica as 
conformações que não são permitidas. 
 
 
 
 
Estrutura Secundária: 
Se refere a qualquer segmento de uma cadeia polipeptídica e descreve o arranjo espacial de 
seus átomo na cadeia principal, sem considerar a conformação de suas cadeias laterais ou sua 
relação com outros segmentos. 
 
 Hélice α: 
Nesta estrutura o esqueleto polipeptídico é firmemente enrolado em torno de um eixo 
longitudinal no centro da hélice, e os grupos R dos resíduos de aminoácidos se projetam para 
fora do esqueleto helicoidal. A unidade se repete formando uma hélice que é estabilizada por 
uma ligação de hidrogênio entre o átomo de hidrogênio ligado ao átomo de nitrogênio 
eletronegativo de uma ligação peptídica e o átomo de oxigênio eletronegativo do carbonila do 
4º aminoácido no lado aminoterminal da ligação (a ligação de hidrogênio ocorre entre o 
oxigênio com o hidrogênio ligado ao nitrogênio n +4). 
Um dos grupos laterais é positivo e o outro negativo, formando uma interação iônica que 
ajuda a estabilizar a hélice. Se houver um conjunto de grupos de mesma cara a hélice é 
desestabilizada. 
Aminoácidos: 
 Alanina: alta propensão a forma hélice α (favorável) 
 Prolina: desestabiliza a hélice α, pois sua geometria irregular induz a dobra da hélice e 
sua desestabilização 
 Glicina: desestabiliza a hélice α, por ter uma alta flexibilidade, tende a formar 
estruturas espiraladas diferentes da hélice 
Fatores que influenciam a estabilidade da hélice α: 
 Tendência de um aminoácido formar uma hélice α 
 Interações entre os grupos R 
 Volumes de grupos R adjacentes 
 Ocorrência de Pro e Gly 
 Interações entre os resíduos de aminoácidos das extremidades do segmento helicoidal 
e o dipolo elétrico da hélice α 
 
 Conformação β: 
O esqueleto da cadeia polipeptídica está estendido em forma de zigue-zague, ao invés de uma 
estrutura helicoidal. As cadeias podem se arranjar lado a lado, chamado de folhas β, na qual as 
ligações de hidrogênio são formadas entre segmentos adjacentes da cadeia polipeptídica. As 
folhas beta podem ser paralelas ou antiparalelas e algumas estruturas proteicas limitam os 
tipos de aminoácidos que podem ocorrer em folhas beta. Quando duas ou mais folhas beta 
estão próximas na estrutura de uma proteína, os grupos R dos resíduos de aminoácidos na 
superfície interna devem ser pequenos. Os resíduos Gly e Ala são os dois aminoácidos com 
menores grupos R. 
 Voltas β: 
Conectam as extremidades de dois segmentos adjacentes de uma folha β antiparalela e é uma 
volta em 180º que ocorre ao longo de 4 aminoácidos, gerando uma mudança abrupta da 
direção da cadeia polipeptídica. A Pro e Gly são comuns nas voltas beta, a Gly pois é pequeno 
e flexível. 
 
 
 Alças: 
São mais elaboradas que a volta beta e podem ser rígidas e bem definidas. Estão na superfície 
da proteína e participam de interações com outras proteínas, por exemplo, no sítio de ligação 
dos anticorpos. 
 
Exemplo: estrutura química do seguimento -Ala-Lys-Ala-Val-Glu- 
A ligação peptídica está marcada em vermelho. A estrutura de ressonância está representada 
com uma linha pontilhada, indicando que a ligação N-H tem um caráter parcial de ligação 
dupla. Os 6 átomos do plano rígido estão marcados em azul. A localização dos ângulos está 
indicada em verde. Linha roxa pontilhada: Pontes de hidrogênio nas hélices a são formadas 
entre o O do grupo C=O no resíduo i e o H do grupo N-H no resíduo i+4 
Sim, pode haver interação eletrostática entre aminoácidos de carga oposta nas hélices a, 
desde que estes aminoácidos estejam próximos e alinhados um com o outro. Neste exercício, 
a cadeia lateral R2 da Lys interage com a cadeia lateral R5 do Glu. 
 
Dicroísmo Circular: caracterização da estrutura secundária das proteínas 
Se refere a polarização circular em sentido horário e anti-horário. É a absorção d luz polarizada 
nesses dois snetidos. Estruturas quirais exibem este fenômeno. O espectro CD é 
correspondente a hélice alpha e conformação beta, usado para calcular a porcentagem destas 
na hdevido a alterações de pH e temperatura. 
 
Dobramento de Proteínas: o dobramento da cadeia deve apresentar uma energia livre de 
Gibbs favorável (G < 0) que torna a proteína marginalmente estável. As pontes de hidrogênio 
na hélice alpha estabilizam sua conformação, mas não contribuem para o G < 0. 
Nas hélice alpha e folhas beta as pontes de hidrogênio entre o H2O e certos aminoácidos (Ser, 
Asn, Glu, Lys, Glu, etc) são quebradas durante o processo de dobramento. Esta quebra está 
associada a um G positivo, e portanto, desfavorável ao dobramento. A principal força/energia 
motriz para o dobramento é de natureza entrópica. Durante o dobramento, água ao redor de 
resíduos hidrofóbicos na cadeia estendida é expulsa da interface entre estes resíduos quando 
eles se agrupam em 3D. Este é o chamado efeito hidrofóbico, de natureza entrópica. 
 
Doenças amiloidogênicas: é o dobramento incorreto de cadeias polipeptídicas que podem 
levar a formação de fibras amiloides. 
Formação das fibras: a associação dos peptídeos forma uma estrutura fibrilar estável. O 
processo de formação é espontâneo, mas lento, e as mutações podem acelerá-lo. 
 
Estrutura Terciária e Quaternária: 
A estrutura terciária é o arranjo tridimensional total de todos os átomos de uma proteína. A 
localização das curvaturas nas cadeias polipeptídicas e sua direção e seu ângulo são 
determinadas pelo número e pela localização de resíduos específicos que tendem a formá-las. 
A estrutura quaternária constitui no arranjo de subunidades proteicas em complexos 
tridimensionais. 
Há dois tipos de grupos de proteínas: 
 Proteínas Fibrosas: com cadeias polipeptídicas arranjadas em longos 
filamentos ou folhas (ex: mioglobina) 
 Proteínas Globulares: com Cdeias polipeptídicas dobradas em forma esférica 
ou globular (exs: colágeno e queratina) 
Colágeno: possui estrutura hélice α tradicional 
 Formado por Gly-X-Pro ou Gly-X-4Hyp 
 3 cadeias α se associam umas sobre as outras 
 Somente a Gly é pequena para se encaixar no centro da superhélice 
Queratina: 
 Duas hélices α “enganchadas” 
 Estruturas de ordem maior são mantidas por pontes de disulfeto 
Motivo (dobramento): é um padrão de dobramento identificável, envolvendo dois ou mais 
elementos da estrutura secundária e a conexão entre eles. Um exemplo é a alça β-α-β 
Domínio: é uma parte da cadeia polipeptícia que é independentemente estável ou pode se 
movimentar como uma entidade isolada em relação ao resto da proteína. Domínio diferentes 
possuem funções diferentes e proteínas pequenas geralmente possuem apenas um domínio (o 
domínio é a própria proteína). 
Grupos Prostéticos: são componentes funcionais ligados fortemente às proteínas 
Desnaturação e dobramento das proteínas: perda da integridade estrutural da proteína com a 
perda da função devido a uma alteração no pH, na temperatura e dos solventes orgânicos 
 
 
 
Função Proteica 
Uma molécula que interage de modo reversível com uma proteína é chamada de ligante que 
pode ser qualquertipo de molécula, incluindo outra proteína. Um ligante interage com uma 
região da proteína chamada de sítio de ligação, que é complementar a ele em tamanho, 
forma e carga. Além disso, a interação é específica. 
A interação de uma proteína com seu ligante está acoplada a uma mudança de conformação 
da proteína que torna o sítio de ligação mais complementar ao ligante, permitindo uma 
interação mais firme. A adaptação estrutural que ocorre entre proteína e ligante é chamada 
de encaixe induzido. As moléculas que as enzimas exercem seus efeitos são chamadas de 
substratos da reação e o sítio de ligação é chamado de sítio ativo. 
Como o oxigênio é pouco solúvel em soluções aquosas, não pode ser transportado para os 
tecidos em altas quantidades se simplesmente estiver dissolvido no plasma. Nenhuma cadeia 
lateral dos aminoácidos das proteínas é adaptada para a ligação reversível de moléculas de 
oxigênio e por isso esta função é exercida por determinados metais de transição, entre eles o 
cobre e o ferro. O ferro é incorporado em um grupo prostético chamado de heme, ligado à 
proteína. 
 
A ligação de uma proteína (P) a um ligante (L) pode ser descrita por uma expressão de 
equilíbrio: 
P + L  PL 
Constante de equilíbrio (Ka) = [PL]/[P].[L] = Ka/Kd e Kd = 1/Ka 
Ka é uma constante de associação que mede a afinidade do ligante L pela proteína (unidade: 
M-1). Um alto valor de Ka corresponde a uma afinidade mais alta do ligante pela proteína. 
Logo, quanto menor o Kd maior a afinidade. 
Quando a concentração do ligante for muito maior do que a concentração dos sítios de 
interação com o ligante, a interação com a proteína não altera de modo significativo a 
concentração do ligante livre, isto é, [L] permanece constante: 
 
Quando Kd (constante de dissociação) for igual a concentração de ligante livre, θ = 0,5. Isto é, 
Kd equivale a concentração de ligante livre (L) na qual metade dos sítios de ligação estão 
ocupados. 
 
Mioglobina: 
 Encontrada principalmente no tecido muscular dos mamíferos 
 É uma proteína de transporte, que facilita a difusão do oxigênio no músculo 
 Consiste em um único polipeptídio de 153 resíduos de aminoácidos com uma 
molécula heme e é da família das globinas. O polipeptídeo é formado por 8 segmentos 
α-helicoidais e liga-se apenas a uma única molécula de O2 
Hemoglobina: 
Carrega quase todo o oxigênio dos tecidos nos eritrócitos e devido a múltiplas subunidades e 
As interações entre as subunidades da hemoglobina causam mudanças conformacionais que 
alteram a afinidade da proteína pelo oxigênio e a modulação da ligação do O2 permite que a 
proteína de transporte responda a alterações na demanda de oxigênio pelos tecidos. 
Possui duas cadeias α e duas cadeias β (interagindo através de ligações não covalentes), além 
de 4 grupos heme (um em cada subunidade), ligando-se a 4 moléculas de oxigênio. 
Suas conformações principais são: estado R (relaxado) e estado T (tenso). O oxigênio possui 
muito mais afinidade pela proteína no estado R e a ligação é estabilizada. A ligação modo O2 à 
subunidade da hemoglobina no estado T desencadeia uma mudança na conformação para o 
estado R. Os pares de subunidades αβ deslizam um sobre o outro e sofrem rotação, 
estreitando o bolsão entra as subunidade β. 
A hemoglobina passa de um estado de baixa afinidade (estado T) para um de alta afinidade 
(estado R). 
Estado T (desoxi-Hb): Estado R (Oxi-Hb): 
Sem oxigênio Com oxigênio (4 ligados) 
A histidina está na superfície da 
Hb 
A histidina está no meio da Hb 
 
Ligação cooperativa: a hemoglobina liga o 
oxigênio nos pulmões onde o pO2 é alto (e 
a afinidade é baixa) e libera-o nos tecido 
onde o pO2 é baixo (e a afinidade é alta). 
A primeira molécula de O2 que interage 
com a desoxiemoglobina o faz 
fracamente, pois se liga a uma subunidade 
no estado T. Sua ligação leva a mudanças 
de conformações que são transferidas às 
subunidades adjacentes, facilitando a 
ligação de moléculas adicionais de O2. A 
última (quarta) molécula de O2 se liga 
com uma afinidade muito mais alta do 
que a primeira! Isto é chamado de 
cooperatividade, pois as diferentes 
subunidades se “comunicam” umas com as outras. 
Além de transportar 
oxigênio, a Hb transporta 
Co2 e H+ dos tecidos para 
os pulmões e para os rins, 
onde são excretados. Esta 
reação é catalisada pela anidrase carbônica. O efeito Bhor é o efeito do pH e da concentração 
de CO2 sobre a ligação e a liberação do oxigênio pela Hb. No pH baixo e em alta concentração 
de CO2, a afinidade da Hb pelo oxigênio diminui quando o H
+ e o CO2 se ligam e o oxigênio é 
liberado para os tecidos. Já nos capilares, quando o CO2 é excretado e o pH do sangue 
aumenta, a afinidade da Hb pelo oxigênio aumenta, e a proteína liga mais O2. 
A ligação do O2 à hemoglobina é regulada por BPG. A ligação de BPG no estado T estabiliza a 
Hb, reduzindo a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio. Quando a Hb muda para o estado R, 
o bolsão se torna estreito, impedindo a ligação BPG. O estado T é estabilizado através de 
pontes salinas entre a BPG (negativa) e os resíduos de aminoácidos (positivos). Em altas 
altitudes o nível de BPG aumenta, para poder liberar mais O2 e facilitar a respiração. 
 
 
 
Anticorpos: 
Um determinado anticorpo se liga somente a uma 
estrutura molecular específica dentro do antígeno, 
chamada de epitopo. A imunoglobulina (IgG) é formada 
por 4 cadeias polipeptídicas: duas cadeias pesadas 
(grandes) e duas cadeias leves, unidas por ligações não 
covalentes e ligações dissulfeto. As cadeias pesadas 
interagem em uma das extremidades e se ramificam para 
interagir separadamente com as cadeias leves, formando 
uma molécula com o formato de Y. A hidrólise da IgG 
libera o fragmento basal, chamado de Fc, e os dois 
ramos, chamados de Fab, isto é, os fragmentos de 
ligação ao antígeno. Cada ramo tem um único sítio de 
ligação. 
 
 
 
 
 
 
Espectrometria 
I) M + Z /Z = 742,0  M = 741,0 
Z 
II) M + Z + 1/Z +1 = 741,5  
741,5 Z + 741,5 = M + Z + 1  M = 
740,5 Z + 740,5 
Substituindo... M = 741,0 Z na II 
equação: 
741,0 Z – 740,5 Z = 740,5 
Z = + 1481 (carga) 
Logo: M = 741,0 x 1481 = 697551 Da 
Conceito: A digestão da proteína é seguida da detecção de peptídeos segundo a sua relação 
massa carga (m/z) seja na sua forma intacta, gerando íons com um ou mais cargas, ou na 
forma de fragmentos através da fragmentação do peptídeo na câmara de colisão. Embora 
ocorram vários tipos de fragmentações no peptídeo há uma predominância de fragmentações 
na ligação peptídica que resultam em picos no espectro de massa que diferem 
sequencialmente de um resíduo de aminoácido. A diferença de massa entre os picos é usada 
para reconstruir a sequência de aminoácidos (estrutura primária) do peptídeo.