1 Biomoléculas

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BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Na natureza existem 81 elementos estÆveis,
estando apenas 15 deles presentes em todos os
seres vivos e sendo os mais abundantes o hidro-
gŒnio, oxigŒnio, carbono e nitrogŒnio.
Como mostrado na Tabela 1.1, se descontar-
mos a Ægua que corresponde a 70% do peso total
do corpo humano, a composiçªo de Ætomos no
organismo Ø bastante diferente da encontrada na
crosta terrestre e na Ægua do mar. Todos os seres
vivos apresentam uma composiçªo de elementos
bastante semelhante, que se mantØm praticamente
constante durante a vida dos organismos e que
difere consideravelmente do meio que os cer-
cam. A Tabela 1.1 tambØm nos mostra que, ex-
cluindo-se as molØculas de Ægua, o hidrogŒnio e
o carbono sªo responsÆveis por aproximadamen-
te 80% dos Ætomos que constituem o ser huma-
no, sendo esta tambØm a constituiçªo de todos
os organismos vivos. A predominância do car-
bono na matØria viva Ø sem dœvida o resultado
da tremenda versatilidade química deste Ætomo
quando comparado com os outros elementos.
O carbono tem a habilidade singular de formar
um infinito nœmero de compostos, como resul-
tado de sua capacidade de fazer quatro ligaçıes
covalentes estÆveis (incluindo simples, dupla e
tripla ligaçıes) combinada a sua habilidade de
BiomolØculas
formar cadeias (C-C) de extensªo ilimitada (li-
neares, ramificadas ou cíclicas). Assim, dos mais
de 10 milhıes de compostos químicos conheci-
dos atØ o momento, quase 90% sªo substâncias
orgânicas, isto Ø, que contŒm Ætomos de carbo-
no em sua estrutura. A química dos organis-
mos vivos estÆ, portanto, organizada ao redor
do elemento carbono que corresponde a aproxi-
madamente 60% do peso seco (38% do total de
Ætomos) das cØlulas.
Aos esqueletos de carbono, podem estar li-
gados conjuntos de Ætomos com característi-
cas peculiares, chamados “grupos funcionais”.
Os grupos funcionais conferem às molØculas a
que estªo ligados propriedades químicas dife-
rentes. A Fig. 1.1 representa os principais gru-
pos funcionais encontrados nas biomolØculas,
que podem ser multifuncionais, ou seja, apre-
sentarem dois ou mais grupos funcionais em
sua estrutura.
As molØculas orgânicas nos organismos vi-
vos sªo geralmente grandes e formadas de um
conjunto de molØculas menores ligadas entre
si formando as chamadas macromolØculas. Os
seres vivos sªo constituídos basicamente de
quatro tipos de macromolØculas:
Lucia O. Sampaio
Leny Toma
Yara M. Micchelacci
Helena B. Nader
MarimØlia A. Porcionato
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VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1
1. Proteínas (polipeptídeos) fi polímeros de
aminoÆcidos.
2. Carboidratos (açœcares) fi monossacarí-
deos e polímeros de monossacarídeos.
3. Lipídeos fi macromolØculas hidrofóbicas
contendo longas cadeias (lineares ou cí-
clicas) de hidrocarboneto na forma de
Æcido graxo ou isoprenóides e derivados.
4. `cidos nuclØicos fi polímeros de nucleotí-
deos (serªo tratados em capítulo específico)
AMINO`CIDOS E PROTE˝NAS
Proteínas sªo as macromolØculas mais abun-
dantes da cØlula, sendo formadas por uma longa
cadeia de aminoÆcidos unidos entre si por liga-
çıes peptídicas.
AminoÆcidos
Sªo os blocos constituintes das proteínas e
se caracterizam por apresentarem dois grupos
funcionais ligados ao mesmo carbono (carbono
a ): uma amina e uma carboxila. A Fig. 1.2 mos-
tra a estrutura geral de um aminoÆcido, e a Fig.
1.3 mostra a estrutura da glicina (œnico amino-
Æcido que nªo apresenta um grupo “R” no car-
Tabela 1.1
Composiçªo do Corpo Humano, Crosta Terrestre
e `gua do Mar
Corpo Crosta `gua do
Humano Terrestre Mar
% H2O*
70 0 96
% de Ætomos**
H 41 O 47 Cl 49
C 38 Si 28 Na 42
N 5 Al 8 Mg 5
O 4 Fe 5 S 2
Ca 1 cA 3 Ca 1
outros 11 outros 9 outros 1
*Valores dados como porcentagem do peso total.
**Valores dados como porcentagem do total de Ætomos
excluindo-se os constituintes das molØculas de Ægua.
Fig. 1.1 — Principais grupos funcionais encontrados nas
biomolØculas. Todos os grupos estªo mostrados em sua for-
ma nªo-ionizada.
bono a ) e da prolina (œnico aminoÆcido que nªo
possui um grupo amina ligado ao carbono a ).
A identidade e as propriedades químicas de cada
aminoÆcido sªo determinadas pela natureza da
cadeia lateral (grupo “R”) covalentemente liga-
da ao carbono a . Dependendo do tipo do grupo
“R” ligado, podemos encontrar na natureza 20
diferentes aminoÆcidos. A Fig. 1.4 nos mostra
esses aminoÆcidos classificados segundo a pola-
ridade de seus grupos substituintes.
Isomeria Óptica dos AminoÆcidos
Com exceçªo da glicina, o carbono a de
todo aminoÆcido Ø assimØtrico, ou seja, estÆ liga-
do a quatro diferentes grupos de Ætomos (grupo
amina, grupo carboxila, grupo “R” e hidrogŒ-
nio). Um carbono assimØtrico determina a iso-
meria óptica de um composto, que pode,
portanto, se apresentar sob duas formas opti-
camente ativas: isômero “D” ou isômero “L”.
Estes isômeros sªo imagens especulares um do
outro e tŒm a característica de desviar o plano
da luz polarizada para lados opostos. Se, por
exemplo, o isômero “L” desvia a luz polarizada
de x graus para a esquerda, o isômero “D” des-
viarÆ este plano para a direita com um ângulo
do mesmo valor.
Por convençªo, quando um aminoÆcido Ø
colocado com sua carboxila para cima e gru-
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BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Fig. 1.3 — Estrutura da glicina que nªo apresenta um gru-
po R substituinte e da prolina que Ø o œnico aminoÆcido
cujo carbono a se liga a um grupo imida, em vez de amina
(grupo “R” ligado a amina e gerando um grupo imida).
po “R” para baixo, dizemos que este aminoÆci-
do Ø “D” quando sua amina estÆ representada
para direita e “L” quando estÆ para a esquerda
(Fig. 1.5).
Os aminoÆcidos que ocorrem nas proteínas
sªo todos da forma “L”, embora existam na na-
tureza alguns “D” aminoÆcidos, como, por exem-
plo, os presentes na parede celular de bactØrias
e alguns antibióticos.
O nœmero de isômeros ópticos (I) de um com-
posto orgânico depende do nœmero de carbonos
assimØtricos (n) da molØcula fi I =2n.
Entre os 20 aminoÆcidos existentes, apenas
dois deles tŒm outro carbono assimØtrico alØm
do carbono a : a treonina e a isoleucina. Estes
aminoÆcidos apresentam um segundo carbono
assimØtrico (o carbono b ) e portanto podem exis-
tir sob a forma de 22=4 isômeros ópticos: dois
isômeros “D” (D-Ile/Thr e D-allo-Ile/Thr) e
dois isômeros “L” (L-Ile/Thr e L-allo-Ile/Thr).
A Fig. 1.6 mostra a representaçªo dos isômeros
ópticos de trŒs diferentes aminoÆcidos incluin-
do os da isoleucina.
Ligaçªo Peptídica
Para formar proteínas os aminoÆcidos de-
vem se unir entre si atravØs de ligaçıes covalen-
tes, resultantes de uma reaçªo de desidrataçªo
envolvendo o grupo amino de um aminoÆcido e
o grupo carboxila do outro. A Fig. 1.7 represen-
ta de forma esquemÆtica a uniªo entre dois ami-
noÆcidos formando um dipeptídeo.
Na ligaçªo peptídica a ligaçªo covalente C-N
Ø usualmente representada por uma “simples li-
gaçªo”, mas apresenta características de dupla
(C = N) em decorrŒncia da ressonância de um
par de elØtrons que Ø, na realidade, compartilha-
do pelos Ætomos de nitrogŒnio e oxigŒnio como
mostrado na Fig. 1.8a. Como resultado da resso-
nância entre as duas formas, e a conseqüente ca-
racterística de “dupla”, a ligaçªo peptídica Ø planar
e rígida, apresentando, entretanto, livres rotaçıes
ao redor dos eixos Ca-C (ângulo f ) e N-Ca (ân-
gulo Y ), como esquematizado na Fig. 1.8b. Como
conseqüŒncia dos diferentes ângulos de torçªo (Y
e f ) que os eixos rotatórios podem assumir, os
planos de duas ligaçıes peptídicas consecutivas
podem sofrer deslocamentos variÆveis sendo, en-
tretanto, algumas conformaçıes estericamente
proibidas. Os valores normalmente permitidos
Fig. 1.2 — Estrutura geral de um aminoÆcido. Todos os
aminoÆcidos (com exceçªo da prolina) tŒm a mesma es-
trutura geral, isto Ø, que apresentam1 amina (NH2) e 1
carboxila (COOH) ligadas ao mesmo carbono (carbono
a ), diferindo apenas no que diz respeito à constituiçªo do
grupo “R”. Em pH fisiológico, a amina e a carboxila en-
contram-se na forma protonada (+) e desprotonada (-),
repectivamente.
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VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1
Fig. 1.4 — Grupo “R” dos 20 aminoÆcidos mais comuns classificados segundo sua polaridade em quatro classes.
Fig. 1.5 — Isomeria óptica de um aminoÆcido. Com exceçªo da glicina, o carbono a de todo aminoÆcido Ø assimØtrico (*)
e pode, portanto, se apresentar sob duas formas opticamente ativas: isômero D ou isômero L. Estes isômeros sªo imagens
especulares um do outro e tŒm a característica de desviar o plano da luz polarizada para lados opostos. Por convençªo,
quando desenhamos o aminoÆcido como na figura (COOH para cima e “R” para baixo) representamos a forma “D” com
o grupo NH2 (n) para direita e “L” com o NH2 para a esquerda.
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BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Proteínas
Sªo polímeros de aminoÆcidos covalente-
mente ligados entre si por ligaçıes do tipo ami-
da, envolvendo a amina de um resíduo e a
carboxila do outro. Sªo, portanto, constituídas
de uma cadeia de ligaçıes peptídicas (regiıes
planares) unidas umas às outras atravØs de Æto-
mos de carbono (Ca) ao qual tambØm estªo li-
gadas as chamadas “cadeias laterais” (grupos
“R”) dos diversos aminoÆcidos (Fig. 1.10).
As proteínas ou peptídeos sªo usualmente
representados como uma seqüŒncia linear dos
aminoÆcidos que a constituem na ordem cor-
reta, iniciando pela extremidade aminotermi-
nal (aminoÆcido que contØm o grupo a -NH2
livre) e terminando com a carboxiterminal (ami-
noÆcido que contØm o grupo a -COOH livre).
A estrutura primÆria do citocromo c huma-
no (104 resíduos) estÆ abaixo representada uti-
lizando-se para os aminoÆcidos a abreviaçªo de
uma letra:
Fig. 1.6 — Representaçªo dos isômeros ópticos da sØrie “D” e “L”da valina, leucina e isoleucina. A valina e a leucina tŒm
apenas um carbono assimØtrico (Ca) e, portanto, dois isômeros ópticos (“D” e “L”), sendo um a imagem especular do outro
(enantiômeros). A isoleucina tem dois carbonos assimØtricos (Ca e Cb) e quatro isômeros ópticos: D-Ile, L-Ile (enantiôme-
ros), D-allo-Ile e L-allo-Ile (enantiômeros).
Fig. 1.7 — Formaçªo de uma ligaçªo peptídica entre dois
aminoÆcidos envolvendo a carboxila do aminoÆcido 1 e a
amina do aminoÆcido 2 numa reaçªo de desidrataçªo.
para os dois ângulos de torçªo estªo limitados a
trŒs pequenas regiıes, como mostra o mapa con-
formacional esquematizado na Fig. 1.9 (diagra-
ma de Ramachandran).
H2N-GDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAA
NKNKGIIWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNE-COOH
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VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1
Fig. 1.8 — Características da ligaçªo peptídica: a) estrutu-
ra de ressonância do par de elØtrons entre o Ætomo de oxi-
gŒnio e de nitrogŒnio b) plano da ligaçªo amida e pontos
de rotaçªo entre esse plano e dois carbonos a consecuti-
vos: rotaçªo no eixo Ca - C=O ( f ) e eixo C a — N (y ). por resíduos similares (ex.: Glu « Asp, Lys« Arg,
Leu « Ile etc.).
Conformaçªo
As cadeias polipeptídicas podem assumir
diferentes arranjos espaciais, enrolando-se e/ou
dobrando-se em estruturas tridimensionais que
podem ser descritas levando-se em conta dois
aspectos: 1) estrutura secundÆria e 2) estrutura
terciÆria.
A estrutura secundÆria de uma proteína
pode ser entendida como o arranjo no espaço
dos Ætomos que formam a cadeia peptídica pro-
priamente dita (... ¾ Ca ¾ CO ¾ NH ¾ Ca ¾ ...),
e a conformaçªo das cadeias laterais (grupos
“R”) dos aminoÆcidos nªo faz parte desta es-
trutura. VÆrios tipos de estruturas secundÆrias
podem ocorrer nas proteínas, mas as mais fre-
qüentemente encontradas sªo trŒs: a -hØlice (a ),
folha b -pregueada (b ) e hØlice do colÆgeno (C).
Esses trŒs arranjos secundÆrios formam estru-
turas periódicas que se repetem a intervalos re-
gulares de 5.4(a ), 7.0( b ) e 86.1(C) angstrons e
que ocorrem a cada 3.6(a ), 2.0(b ) e 30.0(C)
resíduos.
As Figs. 1.10 e 1.11 mostram esquematica-
mente a estrutura de uma cadeia polipeptídica
arranjada em a -hØlice e folha b -pregueada
À seqüŒncia de aminoÆcidos que caracteriza
uma determinada proteína damos o nome de es-
trutura primÆria.
Para um mesmo indivíduo, a seqüŒncia de
aminoÆcidos de uma determinada proteína Ø
sempre a mesma e o molde que codifica essa
estrutura primÆria estÆ guardado no nœcleo da
cØlula como molØculas de Æcido desoxirribonu-
clØico (DNA).
Dentro da mesma espØcie, entretanto, a es-
trutura primÆria de uma proteína nem sempre Ø
totalmente invariÆvel. Aproximadamente 25% das
proteínas humanas sªo polimórficas, ou seja,
apresentam dentro da populaçªo alguma varia-
çªo na seqüŒncia de seus resíduos sem prejuízo
da funçªo.
Entre diferentes espØcies encontramos, mui-
tas vezes, proteínas homólogas, que desempe-
nham geralmente a mesma funçªo, como Ø o caso
da citocromo c. A estrutura primÆria desta pro-
teína foi determinada em mais de 50 espØcies
animais e/ou vegetais, sendo verificado que apro-
ximadamente 30% de seus resíduos sªo invariÆ-
veis (aminoÆcidos iguais na mesma posiçªo em
relaçªo ao polímero). Mesmo entre os aminoÆ-
cidos que variam, muitos deles sªo substituídos
Fig. 1.9 — Diagrama de Ramachandran. ´ngulos de tor-
çªo f e y estericamente permitidos para a polialanina
(retângulos amarelos) e estruturas secundÆrias mais co-
mumente encontradas nas proteínas (círculos verdes): • a -
hØlice ( a ). • folha b -pregueada paralela (b 2) e antiparalela
( b 1). • hØlice do colÆgeno (C).
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BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Fig. 1.10 — Cadeia polipeptídica. Polímero de aminoÆcidos unidos por ligaçıes peptídicas em uma determinada seqüŒncia.
(a estrutura do colÆgeno nªo serÆ discutida nes-
te capítulo).
Na a -hØlice a cadeia contendo as ligaçıes
peptídicas estÆ enrolada como numa espiral sen-
do cada volta constituída por 3,6 resíduos de
aminoÆcidos e a distância entre cada elo (passo
da hØlice) de 5.4A. A estrutura Ø estabilizada por
pontes de hidrogŒnio de 2.8A envolvendo o oxi-
gŒnio da carbonila (C=O) de uma ligaçªo pep-
tídica e o hidrogŒnio da amida (NH) de outra
ligaçªo peptídica distante quatro resíduos na se-
qüŒncia da cadeia.
Com relaçªo aos ângulos de torçªo, como
vimos no diagrama de Ramachandran da Fig.
1.10, a a -hØlice apresenta f= –57 e y= –47. Os
grupos “R” dos aminoÆcidos, como dissemos,
nªo tŒm participaçªo direta na formaçªo da
a -hØlice e estªo todos voltados para o lado ex-
terno da espiral como mostra a Fig. 1.11.
Na folha b -pregueada a cadeia contendo as
ligaçıes peptídicas estÆ dobrada numa estrutura
em “ziguezague”, sendo cada prega constituída
por 2.0 resíduos de aminoÆcidos e a distância
entre duas arestas do mesmo lado de 7.0¯ (Fig.
1.11). A formaçªo b -pregueada tambØm Ø esta-
bilizada por pontes de hidrogŒnio que ligam re-
giıes da cadeia polipeptídica, que podem estar
associadas num arranjo paralelo (pontes ligam
regiıes que correm na mesma direçªo) ou anti-
paralelo (pontes ligam regiıes que correm em
direçıes opostas). A Fig. 1.12 mostra a disposi-
çªo das pontes de hidrogŒnio nos arranjos para-
lelo e antiparalelo que apresentam em relaçªo à
cadeia peptídica uma orientaçªo perpendicular
(ponte medindo 3.3 ¯) e oblíquo (ponte medin-
do 3.5 ¯) respectivamente. Com relaçªo aos ân-
gulos de torçªo, temos para a conformaçªo
b -pregueada paralela os valores de f = –119 e
y = +113, e para a antiparalela f = –139 e y =
+135. Os grupos “R” dos aminoÆcidos estªo ori-
entados perpendicularmente ao plano da folha
Fig. 1.11 — Estrutura secundÆria das proteínas . Os pla-
nos formados pelos Ætomos que constituem as ligaçıes pep-
tídicas podem sofrer deslocamentos uns em relaçªo aos
outros, formando diferentes arranjosentre os quais os mais
freqüentes sªo os conhecidos como a -hØlice (formaçªo em
espiral) e folha b -pregueada (formaçªo em ziguezague). A
figura nos mostra um esquema dessas configuraçıes sob
dois ângulos.
dobrada, estendendo-se alternadamente para os
lados opostos deste plano (Fig. 1.11).
Uma œnica cadeia protØica pode apresentar
uma ou mais tipos de estrutura secundÆria. Em-
bora existam proteínas globulares constituídas
apenas de a -hØlice (mioglobina, citocromo c) ou
folha b -pregueada (concanavalina A), a maioria
delas apresenta ambas as estruturas na mesma
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VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1 molØcula (em mØdia 31% de a -hØlice e 28% de
folha b -pregueada).
Tomando-se como exemplo uma proteína ge-
nØrica constituída de 150 aminoÆcidos (aproxi-
madamente 15.000 Da), e considerando-se as
dimensıes de a -hØlice e de folha b -pregueada ilus-
tradas na Fig. 1.11, podemos estimar que o com-
primento dessa proteína esticada seria:
• Se constituída apenas de a -hØlice fi 1,46
angstrons por resíduo (5,4/3,7) x 150 resí-
duos = cadeia de 219 angstrons de com-
primento.
• Se constituída apenas de folha b -preguea-
da fi 3,50 angstrons por resíduo (7/2) x
150 resíduos = cadeia de 525 angstrons de
comprimento.
• Se constituída de 50% de regiıes em a -hØ-
lice e 50% em folha b -pregueada fi = ca-
deia de 372 angstrons de comprimento.
A maioria das proteínas contendo de 100 a
200 aminoÆcidos, entretanto, mede aproxima-
damente apenas 30 angstrons, o que implica que
essas cadeias encontram-se dobradas sobre si
mesmas formando uma espØcie de novelo ou
glóbulo. As proteínas, portanto, independente-
mente de sua estrutura secundÆria podem se
apresentar de forma fibrilar (esticada) ou glo-
bular (dobrada). A Tabela 1.2 nos mostra alguns
tipos de proteínas e suas dimensıes estimadas
(quando totalmente esticadas) e reais.
A maneira com que a estrutura secundÆria
de uma proteína se arranja no espaço tridimen-
sional Ø conhecida como estrutura terciÆria. Es-
trutura terciÆria de uma proteína, portanto, Ø o
arranjo tridimensional de todos os Ætomos da
proteína, incluindo os da cadeia lateral e qual-
quer outro grupo prostØtico (outros Ætomos li-
gados à proteína que nªo sªo aminoÆcidos).
Algumas das interaçıes entre cadeias laterais de
aminoÆcidos estªo representadas na Fig. 1.13 e
Tabela 1.2
Estrutura No de Tamanho Tamanho real
SecundÆria Resíduos Estimado Fibrilar Globular
a -hØlice 500 730 ¯ a -queratinafi @ 700 ¯ Actina fi @ 40 ¯
Tubulina fi @ 40 ¯
folha b -pregueada 250 875 ¯ Fibroína da seda fi @ 900 ¯ Concanavalina A fi @ 40 ¯
Fig. 1.12 — Pontes de hidrogŒnio que estabilizam as con-
formaçıes em a -hØlice e folha b -pregueada. A estrutura
secundÆria de uma proteína Ø estabilizada por pontes de
hidrogŒnio. As a -hØlice sªo geralmente enroladas para di-
reita (d), mas tambØm podemos ter o sentido inverso (e). As
folhas b -pregueada podem se associar de forma paralela (a
com b) ou antiparalela (b com c) sendo a conformaçªo pa-
ralela menos estÆvel (pontes de hidrogŒnio mais distorcidas).
sªo muito importantes na determinaçªo do ar-
ranjo terciÆrio da cadeia protØica.
Interaçªo Entre Proteínas
Duas ou mais cadeias peptídicas podem in-
teragir entre si formando agregados molecula-
res (oligômeros). As vÆrias molØculas protØicas
que constituem o complexo multimØrico se unem
atravØs de ligaçıes nªo-covalentes como às re-
presentadas na Fig. 1.13, que se estabelecem en-
11
BIOMOLÉCULAS
Cap. 1tre as subunidades (interaçıes intermoleculares).
Ao arranjo formado pela interaçªo entre as di-
versas subunidades de um oligômero dÆ-se o
nome de estrutura quaternÆria. O nœmero de ca-
deias protØicas de um oligômero pode variar (ex.:
Ælcool desidrogenase = 2, aldolase = 3, piruvato
quinase = 4 insulina = 6 glutamina sintetase =
12, apoferrina = 24), e as subunidades que o
constituem podem ser todas iguais (lactato desi-
drogenase = 4) ou diferentes (hemoglobina =
2a +2 b ). A Fig. 1.14 mostra o exemplo de um
heterodímero.
Em resumo, a maneira com que a cadeia de
aminoÆcidos de uma determinada proteína (es-
trutura primÆria) se enrola e se dobra (estrutu-
ras secundÆrias e terciÆrias), e a forma com que
duas ou mais dessas cadeias podem interagir para
formar agregados (estrutura quaternÆria) estªo
esquematicamente representadas na Fig. 1.15.
Desnaturaçªo de Proteínas
A estrutura primÆria de uma proteína depen-
de da formaçªo de ligaçıes peptídicas, que sªo
covalentes. As estruturas secundÆrias, terciÆrias
e quaternÆrias dessas cadeias, entretanto, sªo
mantidas atravØs de forças fracas (nªo covalen-
tes) como, por exemplo, pontes de hidrogŒnio,
atraçıes eletrostÆticas, interaçıes hidrofóbicas,
pontes com íons metÆlicos de coordenaçªo etc.
A conformaçªo (estrutura 2Æria e 3Æria) e a agre-
Fig. 1.13 — Forças que estabilizam a estrutura terciÆria e quaternÆria de proteínas atravØs do grupo “R” (cadeias laterais) de
seus aminoÆcidos.
gaçªo (estrutura 4Æria) de cadeias protØicas po-
dem ser, portanto, facilmente desfeitas. A perda
da estrutura tridimensional de uma proteína Ø
acompanhada pela perda de sua atividade bioló-
gica, sendo esse processo conhecido como des-
naturaçªo (Fig. 1.16).
As proteínas podem ser desnaturadas de vÆ-
rias maneiras: calor, variaçªo de pH, variaçªo
da força iônica do meio, uso de detergentes
(desfazem forças hidrofóbicas) e outros reagen-
tes como urØia e cloreto de guanidina (desfa-
zem pontes de hidrogŒnio). Se o meio volta às
Subunidade a
Subunidade b
Proteína oligomérica
(heterodímero)
Fig. 1.14 — Estrutura quaternÆria de uma proteína oligo-
mØrica constituída de duas cadeias protØicas diferentes. As
subunidades sªo unidas por ligaçıes fracas (nªo-covalen-
tes) e podem ser dissociadas facilmente.
H
C
C
C
C
N
N
N
12
VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1
condiçıes fisiológicas, a proteína desnaturada
pode tambØm voltar à sua conformaçªo nativa
e, portanto, reaver sua atividade biológica. Em-
bora a renaturaçªo de uma proteína possa ser
conseguida espontaneamente in vitro, como
conseqüŒncia da informaçªo contida em sua
própria estrutura primÆria, o dobramento de
uma proteína na cØlula Ø feito de forma dife-
rente. Recentes estudos mostraram a existŒn-
cia de uma família de proteínas conhecida como
chaperones, que parecem ser essenciais para a
conformaçªo e associaçªo corretas das proteí-
Fig. 1.15 — Conformaçªo de uma proteína. A cadeia protØica Ø formada por uma seqüŒncia de aminoÆcidos ligados
covalentemente (estrutura primÆria), que pode se enrolar de vÆrias maneiras (estrutura secundÆria) sendo os arranjos mais
estÆveis os conhecidos como a -hØlice e folha b -pregueada (a mesma cadeia pode conter estruturas secundÆrias diferentes, em
diferentes regiıes). O arranjo secundÆrio pode permanecer linear como um bastonete (forma fibrilar) ou dobrar-se vÆrias
vezes sobre si mesmo como num novelo (forma globular). A maneira como a estrutura secundÆria se arranja no espaço
formando bastıes ou novelos constitui a estrutura terciÆria de uma proteína. Uma ou mais cadeias protØicas podem, even-
tualmente, formar agregados funcionais, sendo o arranjo conformacional resultante desta interaçªo intermolecular conhecido
como estrutura quaternÆria.
nas in vivo. Os chaperones, portanto, nªo só
aceleram certas etapas do dobramento, mas
tambØm impedem e corrigem interaçıes incor-
retas ou prematuras.
CARBOIDRATOS
Carboidratos sªo as biomolØculas mais
abundantes da Terra. O nome carboidrato (car-
bono hidratado) deriva de sua fórmula empírica
(C H2O)n, onde n ‡ 3. Na realidade, podemos
definir carboidrato de forma mais precisa como
13
BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Fig. 1.16 — Desnaturaçªo de uma proteína. A conformaçªo espacialde uma proteína (estrutrura secundÆria, terciÆria e
quaternÆria) Ø estabilizada por forças fracas (nªo-covalentes) que podem ser dissociadas facilmente (variaçªo de tempe-
ratura, pH, força iônica etc.) Este processo de desenrolamento, desdobramento e dissociaçªo oligomØrica Ø conhecido
como desnaturaçªo, e pode ser revertido se as condiçıes do meio voltarem ao normal.
Fig. 1.17 — Estrutura bÆsica dos carboidratos da sØrie das aldoses e cetoses. Os carboidratos possuem no mínimo trŒs
Ætomos de carbono, sendo um deles substituído por uma carbonila e os outros por agrupamentos hidroxilas.
poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas e subs-
tâncias que, por hidrólise, geram estes compos-
tos. A Fig. 1.17 ilustra a estrutura geral das
unidades bÆsicas de carboidrato, mostrando tra-
tar-se de compostos contendo uma carbonila
(–C=O) e pelo menos dois agrupamentos hi-
droxilas (-OH). A carbonila pode estar na for-
ma de aldeído ou cetona, o que caracteriza as
duas principais sØries de açœcares: as aldoses e
as cetoses, respectivamente. Por convençªo os
carbonos que constituem as unidades de car-
boidratos sªo numerados a partir do terminal
mais próximo da carbonila. No caso das aldo-
ses, portanto, o carbono da carbonila Ø sempre
o nœmero 1, e no caso das cetoses, sempre o
nœmero 2.
Como jÆ vimos, o menor carboidrato deve
conter pelo menos trŒs Ætomos de carbonos
(treose), sendo as hexoses (C=6) os açœcares
mais abundantes na natureza. A Fig. 1.18 nos
mostra o nome dos açœcares contendo trŒs, qua-
tro, cinco e seis carbonos das duas sØries. As di-
14
VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1
Fig. 1.18 — Tipos de grupos “R” que podem substituir a estrutura bÆsica das aldoses e cetoses representadas na Fig. 1.17,
e nome dos carboidratos encontrados em cada classe.
Fig. 1.19 — Isomeria óptica das treoses. O œnico açœcar que nªo possui isomeria óptica Ø a cetotreose (diidroxicetona)
pois nªo possui carbono assimØtrico. A aldotreose (gliceraldeído), por outro lado, possui 1carbono assimØtrico (*) e portan-
to pode se apresentar sob duas formas opticamente ativas: isômero D e isômero L. O D e o L -gliceraldeído sªo imagens
especulares um do outro e tem a característica de desviar o plano da luz polarizada com a mesma intensidade mas para
lados opostos. No caso do gliceraldeído, o isômero D desvia a luz polarizada para a direita (dextrógero) e o L para a
esquerda (levórgero).
15
BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Fig. 1.20 — Isomeria óptica das hexoses. As aldo-hexoses possuem quatro carbonos assimØtricos* e, portanto, podem-se
apresentar sob 16 formas opticamente ativas, sendo oito na forma D (hidroxila de C-5 voltada para direita) e oito na forma
L (hidroxila de C-5 voltada para esquerda). A posiçªo relativa das demais hidroxilas dos carbonos assimØtricos (C-2, C-3,
C-4) determina os outros isômeros ópticos da aldo-hexose (glicose, manose, galactose, idose, alose altrose, gulose e
talose). As ceto-hexoses posuem trŒs carbonos assimØtricos (oito estereoisômeros), sendo metade deles da forma D e a
outra metade na forma L (OH de C-5 para a direita e esquerda, respectivamente). A posiçªo das hidroxilas dos carbonos
C-3 e C-4 define os outros isômeros (frutose, psicose, sorbose e tagatose).
ferenças estruturais entre os compostos da mes-
ma classe (mesma sØrie e mesmo nœmero de car-
bonos) serªo analisadas após o entendimento da
estereoquímica das unidades bÆsicas que consti-
tuem os carboidratos.
Estereoquímica dos Carboidratos
(isomeria óptica)
Como vimos anteriormente quando nos re-
ferimos aos aminoÆcidos, um carbono assi-
mØtrico (ligado a quatro diferentes grupos de
Ætomos) determina a isomeria óptica de um
composto.
Na Fig. 1.19 temos representados os dois
carboidratos mais simples, ou seja, a aldotreo-
se (tambØm conhecida como gliceraldeído) e a
cetotreose (diidroxicetona). Ao analisarmos
suas fórmulas estruturais, vemos que apenas o
gliceraldeído apresenta carbono assimØtrico (o
carbono no 2), podendo, portanto, apresentar
isomeria óptica.
16
VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1 Por convençªo, quando a fórmula de um
açœcar Ø representada na forma vertical, com
o carbono nœmero 1 para cima, dizemos que
este isômero Ø “D” quando a hidroxila do œlti-
mo carbono assimØtrico estÆ voltada paro o
lado direito e “L” quando estÆ para a esquer-
da. No caso do gliceraldeído, o œltimo carbo-
no assimØtrico (C-2) Ø tambØm o œnico e
temos, portanto, apenas dois isômeros ópti-
cos (2n = 21 = 2): o D-gliceraldeído e o L-
gliceraldeído.
Se analisarmos agora os açœcares contendo
seis Ætomos de carbono (Fig. 1.20) notaremos
que as aldexoses apresentam quatro carbonos
assimØtricos (16 isômeros ópticos), e que as
cetexoses apresentam apenas trŒs (oito isôme-
ros ópticos). Metade destes isômeros pertence
à sØrie L, pois apresentam a hidroxila do œlti-
mo carbono assimØtrico (C-5) voltada para a
esquerda, e a outra metade à sØrie D (OH de
C-5 para a direita).
Dentro de cada sØrie de hexoses (L ou D),
as hidroxilas dos demais carbonos assimØtricos
podem tambØm estar voltadas para direita ou
esquerda, e em cada caso temos um tipo de isô-
mero diferente. As aldexoses podem, portanto,
dependendo da posiçªo das hidroxilas de seus
carbonos assimØtricos, se apresentar sob a forma
de isômeros D ou L de oito tipos de açœcares:
glicose, manose, altrose, idose, alose, gulose,
galactose e talose. No caso das cetexoses temos,
para cada sØrie (D ou L), quatro isômeros dife-
rentes: frutose, psicose, sorbose e tagatose. A
Fig. 1.21 nos mostra os isômeros ópticos da
sØrie D das aldo e cetexoses e as posiçıes rela-
tivas de seus OH em relaçªo à molØcula da gli-
cose e frutose, respectivamente. A cada um dos
isômeros da sØrie D temos um correspondente
isômero na sØrie L, resultando num total de 16
espØcimes opticamente ativas de aldexoses e oito
de cetexoses.
Seguindo-se o mesmo raciocínio temos 12
isômeros ópticos para as pentoses (forma D e
L da ribose, arabinose xilose, lixose ribulose e
xilulose) e seis para as tetroses (forma D e L
da eritrose, treose e eritrulose).
Com raríssimas exceçıes (cÆpsula das bac-
tØrias, por exemplo), os carboidratos encontra-
dos na natureza sªo da forma “D”.
Estrutura Cíclica dos Açœcares
(Formas AnomØricas)
Em soluçªo aquosa e pH neutro, menos de
0,1% das molØculas de açœcar estÆ com seus
grupos carbonila livres.
Nestas condiçıes e a partir de um determi-
nado nœmero de carbonos, a carbonila tende a
reagir com uma das hidroxilas da mesma molØ-
cula do açœcar formando uma estrutura cíclica
chamada hemiacetal. As carbonilas (C-1 das al-
doses e C-2 das cetoses) tendem a reagir com
hidroxilas dos carbonos C-4 ou C5, formando,
portanto, anØis de cinco ou seis elementos. A
Fig. 1.22 nos mostra a ciclizaçªo da D-glicose,
na qual a carbonila de C-1 reage com a hidro-
xila de C-5 formando um anel de seis mem-
bros, contendo cinco carbonos e um oxigŒnio.
Ao se estabelecer a ligaçªo carbonila-hidroxila,
cria-se um novo carbono assimØtrico na molØ-
cula (C-1), e a D-glicose pode se apresentar,
agora, sob a forma de 32 estereoisômetros (2n
= 25 = 32). No momento em que o açœcar se
cicliza, a hidroxila criada a partir da antiga car-
bonila pode ficar de um lado ou outro da molØ-
cula, formando, portanto, isômeros do tipo a
(OH de C-5 para direita) ou b (OH de C-5
para esquerda). Os isômeros ópticos do tipo
a /b só aparecem quando a cadeia estÆ fechada
e sªo conhecidos como anômeros, pois sua con-
formaçªo diz respeito à posiçªo relativa da hi-
droxila do carbono anomØrico, que vem a ser o
antigo carbono da carbonila na cadeia aberta.
Os açœcares quando na forma aberta sªo
apresentados na fórmula de projeçªo de Fischer
(cadeia linear posicionada verticalmente com a
carbonila para cima) e quando ciclizados sªo
normalmente representados na fórmulade pro-
jeçªo de Haworth. As regras para conversªo da
fórmula de Fischer para a fórmula de Haworth
estªo sumariadas na Fig. 1.23.
A Fig. 1.24 mostra como representar a es-
trutura da D- e L-glicose na fórmula de proje-
çªo de Fischer e de Haworth, e a Fig. 1.25 nos
mostra estas mesmas fórmulas para D-ribose e
D-frutose.
É importante mencionar que, para maior
simplicidade, a fórmula de projeçªo de Haworth
considera os anØis do anel formado na cicliza-
çªo dos açœcares como planares, o que nªo acon-
17
BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Fig. 1.21 — Aldo e ceto-hexoses da sØrie D. A D-glicose Ø o composto orgânico mais encontrado na natureza (como
polímeros de celulose e amido) e, portanto, definiremos todas as hexoses a partir dela. A D-glicose : • Ø uma aldo-hexose fi
6 carbonos, sendo o carbono 1 um aldeído e os outros substituídos por hidroxilas, • estÆ na forma D fi hidroxila de C-5
(carbono assimØtrico mais distante da carbonila) para a direita • Ø glicose fi tem o C-2 e C-4 do mesmo lado de C-5 e C-
3 do lado oposto. Se, a partir da D-glicose, invertemos apenas a hidroxila de C-2, temos a D-manose; se invertermos C-2
e C-3, temos a altrose; se invertemos C-2, C-3 e C-4 teremos a D-idose e assim por diante. A D-frutose Ø o açœcar mais
comum entre as cetoses e Ø um “isômero de funçªo” da D-glicose (a carbonila passa e C-1 para C-2 transformando o grupo
aldeído em cetona). A partir da D-frutose podemos, alterando-se a posiçªo relativa dos OH de C-3 e/ou C-4, obter as
outras ceto-hexoses. Para se transformar qualquer açœcar da forma D em L Ø necessÆrio inverter os OH de todos os
carbonos assimØtricos, gerando uma estrutura que Ø a imagem especular da anterior e que, portanto, desvia o plano da luz
polarizada com a mesma intensidade, porØm em sentidos opostos.
tece nem para as piranoses nem para as furano-
ses.
Mutarrotaçªo e Poder Redutor
dos Açœcares
Como jÆ foi dito, quando em soluçªo, me-
nos de 1% das molØculas de açœcar estÆ na for-
ma aberta. A imensa maioria delas assume a
forma hemiacetÆlica (cíclica), entretanto, as for-
mas a e b nªo estªo fixadas na molØcula. As duas
formas estªo sempre se interconvertendo uma
na outra num processo dinâmico conhecido
como mutarrotaçªo. A glicose, por exemplo,
quando em soluçªo aquosa em pH neutro, atin-
ge o equilíbrio apresentando a seguinte propor-
çªo de suas formas anomØricas:
a D-glicose b D-glicoseD-glicose
± 33% < 1% ± 33%
A proporçªo da mistura de anômeros na so-
luçªo varia com o tipo de açœcar e com as con-
diçıes do meio (solvente, pH, temperatura etc.).
Esta interconversªo das formas anomØri-
cas Ø possível graças à abertura da cadeia, pois
quando a ligaçªo hemiacetÆlica se desfaz, o
carbono anomØrico perde a assimetria, pode
18
VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1
Fig. 1.22 — Ciclizaçªo da D-glicose (reaçªo hemiacetal intramolecular). Quando em soluçªo, a D-glicose se cicliza
atravØs de uma reaçªo hemiacetÆlica entre a carbonila e a hidroxila de C-5. Neste processo o carbono 1 passa a ter
assimØtrico e portanto, os 16 isômeros identificados na forma aberta do açœcar podem agora se apresentar como duas
estruturas diferentes apresentando atividades ópticas distintas. Essas duas novas formas isomØricas (a e b ) criadas como
conseqüŒncia da reaçªo hemiacetÆlica intramolecular sªo chamadas de enântiomeros. Se no momento da ciclizaçªo o OH
do novo carbono assimØtrico (C-1) estiver voltado para a direita, teremos o isômero a e em caso contrÆrio o isômero b .
se virar e, eventualmente, refazer a ciclizaçªo
com a hidroxila voltada para o outro lado. Se,
no entanto, o OH do carbono anomØrico (na
forma cíclica a ou b ) reagir e se ligar a um
radical qualquer, o anel fica “trancado” numa
forma anomØrica específica. Nesta condiçªo
(OH do carbono assimØtrico substituído por
um grupo qualquer), nªo existe mais mutar-
rotaçªo e o açœcar assume uma forma ano-
mØrica fixa. O grupo substituinte pode ser de
natureza variÆvel, como, por exemplo, outro
açœcar; uma proteína; um lipídeo; grupos
metil, fenil, sulfato, fosfato etc.
Ao se bloquear a abertura do açœcar, o gru-
po carbonila passa a nªo existir na soluçªo e,
portanto, sua antiga capacidade redutora desa-
parece. As unidades bÆsicas dos açœcares quan-
do em sua forma nªo-substituída sªo redutoras,
isto Ø, seus grupos aldeído ou cetona quando
expostos na forma aberta do açœcar tŒm a capa-
cidade de se oxidar a Æcido carboxílico, liberan-
do elØtrons (carbonila fi carboxila+el–) que
podem reduzir outros compostos. Quando o OH
do carbono anomØrico reage de forma a se ligar
a outro agrupamento, o poder redutor do açœ-
car desaparece.
Derivados de Monossacarídeos
Os açœcares estudados atØ agora (ver Fig.
1.18) sªo chamados de monossacarídeos e cons-
tituem as unidades bÆsicas de todos os carboi-
dratos encontrados na natureza. Na natureza esses
monossacarídeos podem se apresentar na forma
pura, ou seja, contendo apenas carbono oxigŒ-
nio e hidrogŒnio (fórmula empírica [CH2O]n),
ou como derivados destas estruturas, nas quais
um ou mais grupos hidroxila sªo modificados
ou substituídos por outros grupos funcionais.
Alguns dos derivados mais comuns dos monos-
sacarídeos sªo os dioxi-açœcares, aminoaçœca-
res, carboxi-açœcares e Østeres de açœcares. A
Fig. 1.26 define essas classes de derivados dan-
do alguns exemplos.
Ligaçªo Glicosídica
(Di, Oligo e Polissacarídeos)
Os monossacarídeos, ou derivados, podem
tambØm ligar-se covalentemente uns aos outros
atravØs de ligaçıes covalentes formando oligo ou
polissacarídeos. A ligaçªo entre os monossacarí-
deos Ø feita atravØs de uma reaçªo de condensa-
19
BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Fig. 1.23 — Regras bÆsicas para converter açœcares da fórmula de projeçªo de Fischer (cadeia aberta e horizontal) para
Haworth (representaçªo na forma cíclica).
çªo envolvendo o OH hemiacetÆlico do carbono
anomØrico (C-1 das aldoses ou C-2 das cetoses)
de um açœcar e qualquer outra hidroxila alcoólica
de outro resíduo. Nesta reaçªo, temos a elimina-
çªo de uma molØcula de Ægua e a formaçªo de
uma ligaçªo covalente chamada de ligaçªo glico-
sídica. A Fig. 1.27 nos mostra a formaçªo de qua-
tro dissacarídeos, formados a partir de duas
molØculas de D-glicose.
Ao se formar a ligaçªo glicosídica, o OH do
carbono anomØrico, envolvido na condensaçªo,
fica fixo em uma forma específica ( a ou b ), nªo
apresentando, portanto mutarrotaçªo. Estando
impedido de abrir sua cadeia, este resíduo deixa
de expor sua carbonila, perdendo desta forma, a
capacidade de oxidar outros compostos. O se-
gundo resíduo envolvido na ligaçªo continua apre-
sentando seu carbono anomØrico nªo-substituído
e, portanto, redutor. À medida que mais monos-
sacarídeos vªo sendo adicionados, mais ligaçıes
sªo formadas (envolvendo sempre o OH de um
carbono anomØrico) e a cadeia formada apresen-
tarÆ em sua forma completa, um œnico resíduo
nªo substituído. O terminal da cadeia que apre-
senta o resíduo com carbono anomØrico livre Ø
denominado terminal redutor, sendo a outra ex-
tremidade chamada de terminal nªo-redutor.
A maioria dos carboidratos encontrados na
natureza ocorre como polissacarídeos, ou seja,
polímeros de alto peso molecular. Eles tambØm
20
VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1
Fig. 1.24 — Formas a e b da D-glicose hemiacetÆlica
representadas na fórmula de projeçªo de Haworth. • for-
ma piranosídica fi anel de 6 elementos; • isomeria D/L fi
D -“grupo externo ao anel” (C-6) para cima L -“grupo ex-
terno ao anel” (C-6) para baixo; • isomeria a / bfi b - OH
de carbono anomØrico (C-1) no mesmo plano (cis) em rela-
çªo a C-6; • a - OH de carbono anomØrico (C-1) no plano
oposto (trans) em relaçªo a C-6; • outros OH de carbonos
assimØtricos fi direita (Fischer) - para baixo (Haworth); •
esquerda (Fischer) - paracima (Haworth). Note bem: para
se transformar um açœcar da forma D em seu enantiômero
L (imagem especular), deve-se inverter as hidroxilas de to-
dos os carbonos assimØtricos (nªo basta mudar apenas a
hidroxila do œltimo carbono assimØtrico).
sªo conhecidos como “glicanos” e diferem uns
dos outros quanto à composiçªo de seus mo-
nossacarídeos, tamanho da cadeia e tipos de
ramificaçıes, se existentes. Os polissacarídeos
podem conter apenas um tipo de monossaca-
rídeo (homopolissacarídeos) ou apresentar di-
ferentes açœcares em sua composiçªo
(heteropolissacarídeos). O tipo de ligaçªo entre
os resíduos tambØm pode variar e a cadeia poli-
mØrica pode se apresentar na forma linear ou
ramificada. A Fig. 1.28 mostra a estrutura geral,
localizaçªo preferencial e possível papel biológi-
co dos principais polissacarídeos encontrados na
natureza. VÆrios polissacarídeos se apresentam
ligados covalentemente a proteínas ou lipídeos
Fig. 1.25 — Formas b D-ribose e b D-frutose representa-
das na fórmula de projeçªo de Fischer e Haworth. A ribose
e frutose se ciclizam na forma furanosídica, reagindo o car-
bono da carbonila com C4 e C-5, respectivamente.
formando uma classe de compostos conhecida
como glicoconjugados. Os proteoglicanos, gli-
coproteínas, peptideoglicanos, glicolipídeos e li-
popolissacarídeos sªo alguns dos representantes
destes carboidratos complexos. Maiores detalhes
sobre a caracterizaçªo e o papel biológico dos
glicoconjugados nªo serªo apresentados neste
capítulo.
LIP˝DEOS
Os lipídeos representam um grupo quimi-
camente diverso de compostos sendo a carac-
terística comum entre eles sua insolubilidade
em Ægua. Sªo, portanto, macromolØculas hidro-
fóbicas, contendo longas cadeias (lineares ou cí-
clicas) de hidrocarboneto na forma de Æcido
graxo ou isoprenóides e derivados.
Os lipídeos podem, devido a sua diversida-
de estrutural, ser classificados de vÆrias formas.
Em nossos estudos, dividiremos este grupo de
substâncias hidrofóbicas em duas classes prin-
cipais: os formados a partir de Æcidos graxos (tri-
21
BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Fig. 1.26 — Principais derivados de monossacarídeos encontrados na natureza.
glicerídeos, fosfolipídeos, glicolipídeos e eicosa-
nóides), e os formados a partir de isoprenóides
(terpenos lineares e colesterol). A Fig. 1.29 mos-
tra a estrutura esquemÆtica dessas duas unida-
des bÆsicas que podem constituir as biomolØculas
lipídicas. A longa cadeia de hidrocarboneto, pre-
sente tanto na estrutura dos Æcidos graxos quanto
nos poliisoprenóides, confere a essas molØculas
o carÆter hidrofóbico que caracteriza os com-
postos lipídicos.
Lipídeos Formados a Partir
de `cidos Graxos
Os Æcidos graxos sªo Æcidos carboxílicos
(carga negativa em pH fisiológico) com longas
cadeias de hidrocarbonetos (características hi-
drofóbicas), sendo, portanto, compostos anfipÆ-
ticos, isto Ø, apresentam uma porçªo polar
(solœvel em Ægua) e uma regiªo apolar (insolœ-
vel em Ægua). A cauda polar Ø linear (Æcidos gra-
xos ramificados só ocorrem em bactØrias), cons-
tituída de um nœmero par de carbonos, podendo
ou nªo apresentar insaturaçıes (duplas ligaçıes).
O nœmero e a posiçªo das insaturaçıes podem
variar, mas quando presentes assumem sempre
a configuraçªo “cis”.
A Fig. 1.30 nos mostra uma relaçªo dos
principais Æcidos graxos saturados e insatura-
dos que ocorrem na natureza e a Fig. 1.31
apresenta, de forma esquemÆtica, a estrutura
de dois exemplos desses compostos.
Alguns Æcidos graxos poliinsaturados, neces-
sÆrios para processos vitais da cØlula, nªo sªo
sintetizados em mamíferos e devem, portanto,
ser ingeridos na dieta. Entre os Æcidos graxos
essenciais mais importantes estªo o linoleico e
linolŒnico.
Os Æcidos graxos raramente sªo encontra-
dos na forma livre, aparecendo geralmente na
22
VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1
forma esterificada. Na maior parte dos casos, os
Æcidos graxos se ligam às hidroxilas do glicerol
(acilglicerídeos) ou à amina da esfingosina (es-
fingolipídeos).
Entre os lipídeos derivados do glicerol te-
mos os triacilglicerídeos (lipídeos altamente hi-
drofóbicos), e os fosfoacilglicerídeos (lipídeos
anfipÆticos). A Fig. 1.32 nos mostra os princi-
pais tipos de lipídeos derivados da esterificaçªo
de Æcidos graxos e glicerol.
Triacilglicerídeos
Os triacilglicerídeos (gorduras neutras) sªo
os derivados do glicerol mais abundantes nos
animais e constituem a principal reserva ener-
Fig. 1.27 — Dissacarídeos derivados da D-glicose. Quando duas molØculas de monossacarídeos se unem para formar um
dissacarídeo, temos uma condensaçªo entre o OH do carbono anomØrico de um resíduo e um OH alcoólico do outro
resíduo. No caso dos quatro dissacarídeos aqui mostrados, a ligaçªo glicosídica entre as duas molØculas de D-glicose pode
envolver o carbono anomØrico na forma a (maltose, isomaltose e trealose) ou b (celubiose), e o OH de C-4 (celubiose e
maltose), C-6 (isomaltose) ou C-1 (trealose). • Celubiose: D-glicose (b1 fi 4) D-glicose; • Maltose: D-glicose (a1 fi 4) D-
glicose; • Isomaltose: D-glicose (a1 fi 6) D-glicose; • Trealose: D-glicose (a1 fi a1) D-glicose; Outros dissacarídeos impor-
tantes: •Lactose: D-galactose (b1 fi 4) D-glicose; • Sacarose D-glicose (a1fi b2) D-frutose; Obs.: a frutose e a trealose sªo
dissacarídeos sem poder redutor, pois a ligaçªo glicosídica envolve o OH do carbono carbonílico de seus dois resíduos.
gØtica de suas cØlulas. Sªo estruturas formadas
de trŒs Æcidos graxos esterificados a uma œnica
molØcula de glicerol. Os Æcidos graxos que cons-
tituem estes compostos podem ser iguais (gor-
duras simples) ou diferentes (gorduras mistas).
Quando se estabelece a ligaçªo Øster entre a car-
boxila dos Æcidos graxos e hidroxilas do glicerol,
estes dois compostos perdem sua polaridade e
se transformam numa macromolØcula hidrofó-
bica, essencialmente insolœvel em Ægua.
In vitro, as gorduras podem ser quebradas
por hidrólise alcalina, num processo conhecido
como “saponificaçªo”, liberando o glicerol e sais
de Æcidos graxos (sabıes). Sendo de natureza
anfipÆtica, os sabıes se ligam às gorduras atra-
23
BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Fig. 1.28 — Principais polissacarídeos encontrados na natureza.
Fig. 1.29 — Estrutura esquemÆtica de um Æcido graxo e um terpeno. Os lipídeos podem apresentar em sua estrutura
molØculas de terpenos e/ou Æcidos graxos, bem como derivados cíclicos destes compostos. • `cidos graxos: sªo Æcidos
carboxílicos (carga negativa em pH fisiológico) com longas cadeias de hidrocarbonetos (características hidrofóbicas); •
Terpenos: polímeros de isopreno (alcano insaturado e ramificado de cinco Ætomos de carbono) com características hidro-
fóbicas.
vØs de sua cauda polar e dissolvem na Ægua for-
mando micelas.
In vivo, a hidrólise das gorduras sªo realiza-
das atravØs de enzimas de especificidades diver-
sas chamadas lipases.
Fosfoacilglicerídeos
Os fosfoacilglicerídeos (fosfoglicerídeos)
tambØm sªo os derivados do glicerol que se liga,
neste caso, a duas molØculas de Æcidos graxos e
uma molØcula de Æcido fosfórico (Fig. 1.33). A
24
VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1
Fig. 1.30 — `cidos graxos biológicos mais comuns. Os Æcidos graxos mais comumente encontrados nos lipídeos naturais
tŒm cadeias de 12 a 24 carbonos, sendo os nomes, fórmulas e símbolos de alguns das estruturas mais freqüentes relacio-
nadas na figura acima. Nos Æcidos graxos insaturados, a primeira dupla fica entre o C-9 e C-10, e nos poliinsaturados as
vÆrias duplas sªo geralmente separadas umas das outras por trŒs Ætomos de carbono. As propriedades físicas dos Æcidos
graxos estªo largamente relacionadas com o tamanho e grau de insaturaçªo de suas cadeias: • solubilidade em Ægua:
inversamente proporcional ao tamanho da cadeia e diretamente proporcionalao no de insaturaçıes. •ponto de fusªo:
diretamente proporcional ao tamanho da cadeia e inversamente proporcional ao no de insaturaçıes.
NOME S˝MBOLO(1) ESTRUTURA
`cidos graxos saturados
`cido lÆurico 12:0 CH3(CH2)10COOH
`cido mirístico 14:0 CH3(CH2)12COOH
`cido palmítico 16:0 CH3(CH2)14COOH
`cido esteÆrico 18:0 CH3(CH2)16COOH
`cido araquídico 20:0 CH3(CH2)18COOH
`cidos graxos insaturados
`cido palmitoleico 16:1 (D 9) CH3(CH2)5CH=CH (CH2)7COOH
`cido olØico 18:1 (D 9) CH3(CH2)7CH=CH (CH2)7COOH
`cido linolŒico 18:2 (D 9,12) CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6COOH
`cido linolŒnico 18:3 ( D 9,12,15) CH3CH2(CH=CHCH2)3(CH2)6COOH
`cido araquidônico 20:4 (D 5,8,11,14) CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH
(1)X:Y ( D a). fi [no de carbonos: no de insaturaçıes (Dposiçªo de insaturaçªo)]
Fig. 1.31 — Estrutura esquemÆtica do Æcido olØico e este-
Ærico. Os dois Æcidos graxos aqui representados tŒm uma
cauda hidrofóbica constituída de 18 Ætomos de carbono,
entretanto, a cadeia do Æcido esteÆrico Ø saturada e o do
Æcido olØico insaturada (dupla entre carbono 9 e 10). Nos
Æcidos graxos saturados os carbonos da estrutura tŒm total
liberdade de rotaçªo, resultando numa cadeia bastante flexí-
vel e tendendo a adotar uma conformaçªo linear. Ao contrÆ-
rio, as cadeias insaturadas apresentam sua dupla ligaçªo
usualmente na configuraçªo “cis”, o que ocasiona uma dobra
na cadeia como mostrado no esquema.
estrutura formada (Æcido fosfatídico) tem carac-
terísticas anfipÆticas, pois apresenta uma regiªo
polar (Æcido fosfórico) e uma hidrofóbica (cau-
da dos Æcidos graxos). O Æcido fosfórico, alØm
de se ligar ao glicerol, pode tambØm se esterifi-
car com outro composto formando diferentes
tipos de fosfoacilglicerídeos: fosfatidilcolina (le-
citina), fosfatidiletanolamina (cefalina), fosfati-
dilglicerol e difosfatidilglicerol (cardiolipina)
fosfatidilserina e fosfatidilinositol (Fig. 1.34). Em
cada um desses compostos, a composiçªo de Æci-
dos graxos pode variar bastante, mas em geral
eles contŒm um Æcido graxo saturado na posi-
çªo C-1 do glicerol e um insaturado em C-2. Os
fosfoacilgliceróis sªo importantes componentes
das membranas biológicas.
Entre os lipídeos derivados da esfingosina
temos as esfingomielinas e os glicolipídeos. A
Fig. 1.34 nos mostra a estrutura genØrica destes
esfingolipídeos, comparando-se com os acilgli-
cerídeos. A estrutura fundamental dos esfingo-
lipídeos Ø a ceramida, que Ø formada por um
Æcido graxo ligada ao aminogrupo da esfingosi-
na por uma ligaçªo do tipo amida.
Nas esfingomielinas a hidroxila de C-1 da
ceramida se esterifica com um Æcido fosfórico,
que, por sua vez, tambØm se liga a uma molØcu-
la de colina. A estrutura final se assemelha mui-
to à fosfatidilcolina, sendo estes dois fosfolipídeos
encontrados preferencialmente nas faces “nªo-
citolólicas” das membranas biológicas.
25
BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Glicolipídeos
Nos glicolipídeos a hidroxila de C-1 da ce-
ramida se liga diretamente à hidroxila do carbo-
no anomØrico do açœcar. Dependendo do tipo
de carboidrato unido à ceramida, podemos ter
quatro tipos bÆsicos de glicolipídeos: cerebrosí-
deos (um monossacarídeo neutro); sulfatídeos
(um monossacarídeo sulfatado); globosídeos
(um oligossacarídeo neutro) e gangliosídeos (um
oligossacarídeo contendo um ou mais resíduos
de Æcido siÆlico).
Fig. 1.32 — Lipídeos formados por Østeres de Æcidos gra-
xos com glicerol. O glicerol Ø um Ælcool contendo trŒs hi-
droxilas que podem se esterificar com Æcidos orgânicos
ou inorgânicos. No caso das gorduras (triglicerídeos) te-
mos a ligaçªo do Ælcool com trŒs cadeias de Æcidos graxos
que podem ser saturadas ou insaturadas, podendo ocorrer
em qualquer combinaçªo. Ao se esterificar, a cabeça polar
do Æcido carboxílico perde sua carga negativa e o triacil-
glicerídeo formado passa entªo a apresentar característi-
cas altamente hidrofóbicas. Uma das hidroxilas do glicerol
pode, por outro lado, se esterificar com um Æcido fosfórico
formando agora o Æcido fosfatídeo e o lipídeo formado
passa a ter características anfipÆticas (cauda apolar cons-
tituída pelas duas cadeias de hidrocarboneto e cabeça po-
lar constituída do grupo fosfato). O grupo fosfato do Æcido
fosfatídico encontra-se geralmente esterificado a outros gru-
pos polares (R) constituindo uma família de lipídeos conhe-
cida como fosfoacilglicerídeos.
Fig. 1.33 — Os agrupamentos polares neutros ou carre-
gados positivamente que podem se esterificar ao Æcido fos-
patídico formando os vÆrios tipos de R-fosfoacilglicerídeos.
Eicosanóides
Uma outra classe de lipídeos formada a par-
tir de Æcidos graxos Ø a dos eicosanóides, que
constituem um importante grupo de media-
dores com efeitos diversos. Os eicosanóides
sªo todos derivados do Æcido araquidônico, um
Æcido graxo poliinsaturado de 20 Ætomos de car-
bono (grego: eikosi = 20). A síntese destes com-
postos começa na membrana plasmÆtica, onde
a fosfolipase A2 hidrolisa a liberaçªo do Æcido ara-
quidônico de seus fosfolipídeos (Fig. 1.35). Uma
vez liberado no citosol, esse Æcido graxo pode
seguir dois caminhos diferentes:
• Ser substrato de lipoxigenases, produzindo
Æcidos graxos hidroperoxi- e hidroxi-subs-
tituídos, que mais tarde sofrem uma desi-
drataçªo e vÆrias reaçıes de transferŒncias
para formar nos leucotrienos.
26
VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1
Fig. 1.34 — Lipídeos derivados de Æcidos graxos esterificados ao glicerol (triacilglicerídeos e fosfoacilglicerídeos) ou
esfingosina (esfingomielina e glicolipídeos). AlØm dos lipídeos derivados do glicerol, temos tambØm uma outra classe de
lipídeos no qual uma cadeia de Æcido graxo se liga a um Ælcool de cadeia longa chamado esfingosina, formando um
composto conhecido como ceramida. A ceramida pode, por sua vez, se esterificar com outros grupos funcionais formando:
• enfingomielina fi ceramida (esfingosina + Æcido graxo) + Æcido fosfórico + colina; • glicolipídeos fi ceramida (esfin-
gosina + Æcido graxo) + carboidrato.
• Ser substrato da prostaglandina-sintase, le-
vando à síntese dos substratos cíclicos do
Æcido araquidônico, as prostaglandinas e os
tromboxanos.
Os eicosanóides fazem parte de uma família
de hormônios de açªo local e estªo envolvidos
em processos diversos, como inflamaçªo, dor,
febre, processos reprodutivos, formaçªo de coÆ-
gulo e regulaçªo da pressªo sangüínea, entre
outros.
Lipídeos Formados a Partir
de Isoprenóides
Os isoprenóides sªo derivados do isopreno,
um alcano insaturado e ramificado de cinco Æto-
mos de carbono. A uniªo entre as unidades bÆ-
sicas de isopresos pode ser feita atravØs de
ligaçıes tipo “cabeça com cauda” ou “cauda com
cauda”, como mostra a Fig. 1.36. Os terpenos
sªo, portanto, uma classe de lipídeos formados
pela combinaçªo entre duas ou mais unidades
27
BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Fig. 1.35 — Eicosanóides. Em resposta a certos sinais hormonais, a fosfolipase A2 libera Æcido araquidônico dos fosfoli-
pídeos de membrana que serve como precursor para formaçªo dos eicosanóides. • prostaglandinas: C8 e C-12 do Æcido
araquidônico se juntam formando um anel de cinco Ætomos de carbono; • tromboxanes: C8 e C-12 do Æcido araquidônico
se juntam e um Ætomo de oxigŒnio Ø incorporado, formando um anel de seis Ætomos; • leucotrienos: a partir do Æcido
araquidônico, seguem outra via biossintØtica que resulta numa estrutura contendo uma sØrie de trŒs duplas conjugadas.
Fig. 1.36 — Estrutura do isopreno e das ligaçıes tipo “cabeça-cauda” e “cauda-cauda”. Dependendo do nœmero de
unidades de isoprenos do polímero podemos ter os diversos tipos de terpenos: n = 2 monoterpenos; n = 3 sesquiterpenos;
n = 4 diterpenos; n = 6 triterpenos; n > 8 poliprenóides.
28
VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 1
Fig. 1.37 — Caminhos biossintØticos de alguns dos principais isoprenóidesencontrados na natureza: Os terpenos linea-
res e cíclicos sªo sintetizados a partir do isopreno ativado (isoprenil difosfato).
Fig. 1.38 — Colesterol e seus derivados : vitamina D, Æcidos biliares e hormônios esteróideos.
29
BIOMOLÉCULAS
Cap. 1
Fig. 1.39 — Anel “ciclopentanoperidrofenantreno”.
de isoprenos ligados linearmente, e que podem,
eventualmente, se fundir em anØis, formando
estruturas cíclicas. Plantas e animais usam o iso-
prenil difosfato (isopreno ativado) para a sínte-
se de seus terpenos lineares e cíclicos (Fig. 1.37).
As unidades geralmente sªo polimerizadas uma
a uma atØ trŒs unidades (farnesol), podendo,
posteriormente, seguir duas vias biossintØticas
distintas: uma em que as cadeias continuam cres-
cendo via adiçªo de isoprenos (dolicol, ubiqui-
nona, vitaminas A, E e K, por exemplo), e outra
que envolve a polimerizaçªo tipo “cauda com
cauda” de molØculas de farnesol, formando es-
caleno e, posteriormente, os esteróides.
Os esteróides sªo compostos que apresentam
em sua estrutura, o anel “ciclopentanoperidrofenan-
treno”, que Ø uma estrutura contendo trŒs anØis de
seis carbonos (A, B, e C) e um anel de cinco carbo-
nos (D) fundidos:
O colesterol Ø um importante esteróide, e
apresenta em sua estrutura apenas um grupo
hidrofílico representado por um OH (ligado ao
carbono 3 do anel A) que pode estar esterifica-
do, ou nªo, com uma molØcula de Æcido graxo.
A Fig. 1.39 nos mostra a estrutura do colesterol
e os principais esteróides sintetizados a partir
dele: hormônios esteróides, vitamina D e Æcidos
biliares.