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1 Bioquímica Acetatos elaborados com base nos diapositivos fornecidos pela Prof. Dra. Filomena Barreiro e na bibliografia adoptada Docente: Joana Amaral Engenharia Biomédica 2 Bibliografia Texto de referência: D.L. Nelson, M.M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 4th edition, W.H. Freeman and Company, New York, 2005 Garrett e Grisham, Biochemistry, 3rd edition, Saunders College Publishing, 2005 Bibliografia adicional: Luís S. Campos, Entender a Bioquímica. O metabolismo fundamental em animais e plantas, Escolar Editora, 1998 J.M. Berg, J.L. Tymoczko, J.L. Stryer, Biochemistry. WH Freeman and Company. 5ª edição, New York, 2002. J.M. Becker, G.A. Caldwell, E.A. Zachgo. Biotechnology. A laboratory course. Academic Press, 2nd edition, 1996. 3 Objecto da bioquímica A bioquímica (química da vida) não é apenas uma parte da biologia e da química é um novo campo de estudo. A bioquímica utiliza as leis fundamentais da química, biologia e física para explicar os processos que ocorrem nos sistemas vivos. O principal objectivo da bioquímica consiste em estudar os processos da vida ao nível molecular. Até a célula mais pequena contém milhares de substâncias químicas (orgânicas e inorgânicas), muitas delas moléculas de grandes dimensões macromoléculas. 4 Curiosidade: A existência de macromoléculas Em 1920, o químico alemão Hermann Staudinger iniciou um árduo combate com a ciência “oficial” para fazer aceitar a existência de longas cadeias moleculares, unidas por ligações covalentes. Nessa época suponha-se que as moléculas com algumas centenas de átomos estavam associadas por ligações de Van der Waals em agregados complexos. Para ajuizar das dificuldades desta luta, podem citar-se alguns comentários de participantes na discussão a seguir a uma conferência de Zurique em 1925: “Caro colega, deixe em paz e sossego essa ideia das grandes moléculas, não existem moléculas orgânicas com massa molecular maior que 5000. Purifique os seus produtos e mostrará que são substâncias de baixa massa molecular”; “Uma molécula não pode ser maior que uma unidade elementar cristalográfica, portanto é um absurdo supor que há macromoléculas. em “Elementos de Química dos Polímeros” Mário Rui P. F. N. da Costa - FEUP 5 Curiosidade: Macromoléculas biológicas Hlassiweth e Habermann (1871) sugerem que as proteínas e os polissacáridos são macromoléculas. Mas a incapacidade destes investigadores provarem esta hipótese medindo a massa molecular levou a que as suas ideias não tivessem tido grande aceitação. Emil Fisher (prémio Nobel da Química em 1902) consegue no final do século XIX estabelecer as bases da Química dos aminoácidos e açúcares e prepara os primeiros peptídeos. No entanto, não é capaz de se libertar dos preconceitos da ciência do seu tempo, e considera as proteínas associações coloidais. No domínio da bioquímica a teoria coloidal ainda iria resistir várias décadas, apesar da descoberta da cristalização das enzimas (urease, por Sumer (1926); pepsina, por Northrop (1930). Svedberg (prémio Nobel da Química em 1926) ao inventar a ultracentrífuga (Svedberg, 1940), resolve finalmente a questão da medida das elevadas massas moleculares, dando, também por essa via, inteira razão a Staudinger. em “Elementos de Química dos Polímeros” Mário Rui P. F. N. da Costa - FEUP 6 Biomoléculas: as moléculas da vida Todas as biomoléculas contêm carbono. Os elementos C, H, O, N, P e S representam mais de 92% da matéria seca dos sistemas vivos. H, O, C e N: propriedades que permitem que estes elementos desempenhem um papel importante na bioquímica? Os elementos tais como: Ca, Mg e I, embora presentes em quantidades residuais, são também essenciais à vida. Tabela 1. Composição elementar do corpo humano 7 Química Orgânica: estuda os compostos de carbono. A estrutura celular dos organismos vivos é constituída por compostos de carbono. O estudo das biomoléculas faz parte da química orgânica. A reactividade das biomoléculas pode ser descrita pelas reacções estudadas na química orgânica. Os hidratos de carbono, lípidos, aminoácidos, proteínas e ácidos nucleicos são biomoléculas. As proteínas, os ácidos nucleicos e os polissacarídeos são biopolímeros. Polímero (grego: poly+meros = muitas+partes) é constituído por monómeros (grego: mono+meros = uma+parte). Monómero Polímero Aminoácidos Proteínas Nucleotídeos Ácidos nucleicos Monossacarídedos Polissacarídeos DNA Proteína Polissacarídeo 8 Glúcidos L-GLICERALDEÍDO D-GLICERALDEÍDO 9 Os Glúcidos são compostos com grande importância biológica. Existem na natureza sob várias formas conhecidas: celulose, açúcar de mesa e amido. Nos organismos vivos possuem as seguintes funções: Fornecimento de energia através da sua oxidação Armazenagem de energia química Fonte de carbono para a síntese dos componentes da célula (percursores metabólicos na síntese de outras biomoléculas) Participação nos elementos estruturais de algumas células e tecidos 10 Os Glúcidos são aldeídos e cetonas poli-hidroxiladas ou substâncias que fornecem estes componentes por hidrólise. O termo hidrato de carbono (do inglês carbohydrate) tem sido também utilizado. Esta designação resulta do facto de um grande número destes compostos possuir a fórmula geral Cm(H2O)n, mas na realidade existem muitas excepções. O termo glúcido tem a vantagem de englobar os compostos deste grupo que possuem azoto e enxofre. Relativamente ao termo açúcar, deve reservar-se para as oses simples e para os di- e trissacarídeos. Os glúcidos podem ser classificados em: Monossacarídeos (unidade de açúcar simples). Não podem ser fragmentados em unidades mais simples. Oligossacarídeos (oligo = alguns) Formado pela combinação de 2 a 10 monossacarídeos. O oligossacarídeo com 2 unidades de monossacarídeo designa-se por dissacarídeo (muito comuns na natureza). Polissacarídeos (poli = muitos). São polímeros formados por unidades de monossacarídeos ( 10 ); podem ser lineares ou ramificados. 11 Monossacarídeos Os monossacarídeos contêm tipicamente entre 3 a 7 átomos de C, podendo ser aldoses ou cetoses (segundo contenham o grupo aldeído ou cetona respectivamente). Triose (3), tetrose (4) pentose (5) e hexose (6) designam o número de carbonos. As aldoses com mais de 3 carbonos e as cetoses com mais de 4 carbonos são quirais (logo a nomenclatura deve especificar a sua configuração) Isómero L Isómero D Gliceraldeído Diidroxiacetona CETOSE ALDOSE LEVÓGIRO ( - ) DEXTRÓGIRO ( + ) Carbono quiral Carbono com 4 grupos diferentes 12 Projecções de Fischer Representação bidimensional das estruturas tridimensionais. Regras 1.O carbono quiral é representado pela intersecção de duas linhas perpendiculares. 2.Os dois grupos desenhados na horizontal estão projectados para fora do plano do papel. 3.Os dois grupos desenhados verticalmente estão projectados para trás do plano ou no plano do papel. Nota: Se o composto for um glúcido, o grupo carbonilo é colocado no topo. HHO CHO CH 2 OH OHH CHO CH 2 OH L-GLICERALDEÍDO D-GLICERALDEÍDO 13 Estereoquímica (Revisão: Capítulo 5, Solomons) Os estereoisómeros que são a imagem um do outro no espelho designam-se por enantiómeros. D-Frutose L-Frutose ENANTIÓMEROS Imagem um do outro no espelho Os estereoisómeros que diferem em um ou mais centros quirais mas não são a imagem um do outro no espelho designam-se diastómeros. Quando dois açucares diferem apenas num único centro quiral designam-se por epímeros. A designação D e L refere-se à configuração do carbono quiral com número superior. A designação D e L nãotem nenhuma ligação directa com com o sentido da rotação do plano da luz polarizada. ex: D-Glucose ou D-(dextro)-glucose ou D-(+)-glucose D-Frutose ou D-(levo)-frutose ou D-(-)-frutose Os açucares com a configuração D predominam na natureza. 14 D -Gliceraldeído Número do carbono Número do carbono Número do carbono D-Eritrose D-Tetrose D-Ribose D-Arabinose D-Xilose D-Lixose D-Alose D-Altrose D-Glucose D-Manose D-Gulose D-Idose D-Galactose D-Talose Número do carbono Aldotetrose Aldotriose Aldopentose Aldo-hexose Família das D-aldoses 15 Número do carbono Número do carbono Número do carbono Número do carbono Cetotriose Cetotetrose Cetopentose Ceto-hexose Diidroxiacetona D-Eritrulose D-Ribulose D-Xilulose D-Psicose D-Frutose D-Sorbose D-Tagatose Família das D-cetoses 16 Monossacarídeos (estruturas cíclicas) Os aldeídos e as cetonas podem reagir com os álcoois originando, respectivamente, hemiacetais e hemicetais. Quando as duas funções estão presentes na mesma molécula originam-se estruturas cíclicas estáveis. Os monossacarídeos com pelo menos cinco átomos de carbono existem na natureza predominantemente como hemiacetais e hemicetais cíclicos. A reacção de ciclização pode ser catalizada por ácidos ou bases e é reversível. A glucose (aldose) pode sofrer uma reacção de ciclização originando um hemiacetal. A frutose (cetose) pode sofrer uma reacção de ciclização originando um hemicetal. Se a forma cíclica corresponder a um anel de seis membros designa-se por piranose. Se for o caso da glucose resulta a glucopiranose. Se a forma cíclica corresponder a um anel de cinco membros designa-se por furanose. Se for o caso da frutose resulta a frutofuranose. 17 Álcool Aldeído Hemiacetal Hemicetal Álcool Cetona 18 Álcool Aldeído Hemiacetal D-Glucose Pirano Ciclização -D-glucopiranose -D-glucopiranose ESTRUTURAS DE HAWORTH -D-glucopiranose -D-glucopiranose ESTRUTURAS DE FISCHER -D-glucopiranose Reacção de ciclização da D-Glucose 19 Reacção de ciclização da D-Frutose Álcool Cetona Hemicetal D-Frutose Furano Ciclização -D-frutofuranose -D-frutofuranose ESTRUTURAS DE HAWORTH -D-frutofuranose -D-frutofuranose ESTRUTURAS DE FISCHER 11 20 Na representação cíclica (fórmula de Haworth) e na projecção de Fisher (representação cíclica de Tollens) verifica-se a existência de um carbono assimétrico adicional (C1 no caso das aldoses e C2 no caso das 2-cetoses). Na projecção de Fisher conforme a posição do grupo hidroxilo ligado a esse carbono teremos as estruturas e (respectivamente se o hidroxilo do carbono anomérico está, ou não, do mesmo lado do hidroxilo que determina a classificação em D ou L). As estruturas e são anómeros. O prefixo anomérico ( ou ) apenas deve ser usado em conjugação com o prefixo conformacional (D ou L). Os grupos hidroxilo que na representação de Tollens se encontram à direita são representados para baixo na fórmula de Haworth e os que estão à esquerda ficam para cima (existem excepções). Para os açúcares D: (OH ) e (OH ); para os açúcares L é válido o inverso. -D-glucopiranose -D-glucopiranose 21 Monossacarídeos (estruturas cíclicas) Existem três formas da D-Glucose: uma estrutura de cadeia aberta e duas estruturas cíclicas. A reacção de formação do hemiacetal é reversível pelo que as três estruturas podem coexistir. A Figura anterior mostra o equilíbrio em meio aquoso. De uma forma geral, o equilíbrio é favorável às formas cíclicas (pirano ou furano) no caso de se poderem formar anéis com 5 ou 6 ligações; geralmente a forma linear (aldeído ou cetona) existe apenas em baixas quantidades (geralmente <1%). 22 Monossacarídeos (estruturas cíclicas) Cadeira Barco Eixo Eixo Ligação axial Ligação equatorial A -D-glucopiranose é a aldo-hexose para a qual uma das formas em cadeira tem todos os hidrogénios substituintes do ciclo em posições axiais e todos os substituintes mais volumosos em posições equatoriais É a mais abundante naturalmente. 23 Mutarrotação O poder rotatório específico dos dois anómeros e é diferente. Em solução, eles transformam-se reversivelmente no outro anómero até se atingir o equilíbrio. Por exemplo, quando se prepara uma solução de -D-glucopiranose à temperatura ambiente , observa-se que a rotação especifica da solução varia de 112o (medida no polarímetro para a risca D do sódio) até equilibrar no valor de 52o ao fim de algumas horas. Partindo da -D-glucopiranose, o poder rotatório específico inicial é de 18.7o, que depois aumenta até atingir o valor final de 52o. Este fenómeno chama-se mutarrotação. ? Com base nestes dados calcule qual a concentração dos dois anómeros da D-glucopiranose. Nota: Nas aldo-hexoses praticamente só se observam no equilíbrio as duas formas piranose (36% para a -glucopiranose e 64% para a -glucopiranose). Nas ceto- hexoses, observam-se tanto as formas piranose como as furanose: para a frutose, há 40% de furanoses no equilíbrio contra 60% das piranoses. 24 Monossacarídeos importantes Glucose Do ponto de vista nutritivo é o monossacarídeo mais importante. É também o mais abundante na natureza. Está presente no mel e nos frutos tais como uvas, figos e tâmaras. As uvas maduras, por exemplo, contém 20-30% de glucose. A glucose é o açúcar transportado pelo sangue para satisfazer as necessidades energéticas dos tecidos. Os outros açúcares absorvidos pelo organismo são convertidos em glucose pelo fígado. A glucose é utilizada como adoçante, por exemplo, em comida para bebés. Frutose É a única cetose que aparece naturalmente em grandes quantidades. É conhecida como o açúcar da fruta. Está presente no mel da proporção de 1:1 com a glucose. Tem bastante interesse comercial porque é mais doce que a glucose e pode ser facilmente obtida a partir desta. Nota: O aquecimento ligeiro em meio alcalino das aldoses produz uma mistura equilibrada com o seu epímero em C2 e com a 2-cetose correspondente. A separação dos produtos pode efectuar-se por cristalização ou mais modernamente, por cromatografia em fase líquida, pela tecnologia do leito móvel simulado. 25 Galactose Difere da estrutura da glucose na configuração do carbono 4. É sintetizada pelas glândulas mamárias onde é incorporada na lactose, o açúcar do leite. Ribose e Desoxirribose São utilizadas na síntese dos ácidos nucleicos (DNA e RNA), substâncias essenciais na síntese de proteínas e transferência de material genético. A desoxirribose difere da ribose porque o OH do carbono 2 foi substituído por um H. Nota: Os monossacarídeos em que um grupo OH foi substituído por um grupo H são conhecidos como desoxioses. Desoxirribose O hidroxilo da ribose foi substituído por um hidrogénio. 26 Derivados das oses Osaminas Possuem um grupo amina (-NH2) ou amina substituído. Encontram-se frequentemente nos poliósidos. Ácidos aldónicos Formados a partir das aldoses por oxidação do carbono hemiacetálico a COOH. Nomenclatura: substituição do sufixo “ose” por “ónico” com anteposição da palavra ácido. Ácidos urónicos Formados a partir das aldoses por oxidação do grupo hidroxilo terminal (CH2OH) a COOH. Nomenclatura: substituição do sufixo “ose” por “urónico” com anteposição da palavra ácido. -D-Glucosamina (2-amino-2-desoxi- - -D-glucopiranose) -D-Galactosamina (2-amino-2-desoxi- - -D-galactopiranose) COOH COHH CHOH COH COH CH 2 OH H H Ácido D-glucónico COHH CHOH COH COH H H COOH CHO Ácido D-glucurónico 27 Ácidos siálicos (ou neuramínicos) Formados pela condensação de uma molécula de ácido pirúvico com uma moléculade D- manosamina. São constituientes de diversas glicoproteínas e glicolípidos. COHH CHOH COH COH H H COOH COOH Ácido D-glucárico Ácido pirúvico N-acetil-D-manosamina Ácido N-acetil-neuramínico (forma linear) O CH 2 OH H H OH H OH OH H OPO 3 H 2 H Glucose-1-fosfato Ésteres fosfóricos das oses Resultam da esterificação da função álcool com ácido fosfórico. Glicósidos Resulta da substituição do hidrogénio do grupo hidroxilo do carbono anomérico de uma aldose ou cetose por um radical alquilo ou arilo. O CH 2 OH H H OH H OH OH H H OCH3 Ácidos aldáricos Formados a partir das aldoses por oxidação dos carbonos terminais obtendo-se um ácido dicarboxílico. Nomenclatura: substituição do sufixo “ose” por “árico” com anteposição da palavra ácido. -metilglucósido 28 Reacções dos monossacarídeos A variedade de grupos funcionais presentes nos monossacarídeos (hidroxilo, aldeído, cetona) originam uma variedade de reacções/produtos. Serão abordadas as reacções de importância biológica e as utilizadas na identificação/análise dos glúcidos. 1. Reacções de oxidação-redução: Oxidação: Formação de ácidos aldónicos, aldáricos e urónicos. Redução: Formação de alditois. 2. Reacções de esterificação: Derivados do ácido fosfórico. 3. Formação de derivados amina: Osaminas e N-acetilosaminas 4. Formação da ligação glicosídica: Dissacarídeos e polissacarídeos. 29 Açúcares redutores Os açúcares que dão ensaio positivo com as soluções de Tollens e Benedict são conhecidos como açúcares redutores. As reacções de Tollens e Benedict ocorrem em meio alcalino. É o grupo aldeído que sofre oxidação. Os hemiacetais e os hemicetais coexistem em equilíbrio com as estruturas abertas correspondentes. Em meio alcalino ocorrem reacções de isomerização: as cetoses convertem-se em aldoses. Assim, todos os monossacarídeos dão ensaio positivo e são açúcares redutores. Cu 2+ Cu 2 OALDOSE CETOSE H2O (complexo) ÁCIDO ALDÓNICO + AZUL TIJOLO Ag(NH 3 ) 2 + ALDOSE CETOSE ÁCIDO ALDÓNICO + Ag Espelho de prata H2O Tollens Benedict Nota: A solução de Benedict é usada para determinações quantitativas de açúcares redutores (expressos em glucose) no sangue e na urina. Não é um reagente preparativo adequado uma vez que em meio alcalino ocorrem reacções de isomerização. 30 Reacções de oxidação Ácido D-Glucónico -D -Gluconolactona Ácido D-Glucónico Nota: O Ácido D-Glucónico existe em equilíbrio com as estruturas lactona ( e ) Oxidação C1 e C6 Oxidação C6 Oxidação C1 D-Glucose Ácido D-Glucurónico Ácido L-Glucurónico Ácido D-Glucárico Em solução ligeiramente ácida, os monossacarídeos não sofrem reacções de fragmentação ou isomerização. Ácidos Aldónicos Ácidos Aldáricos Ácidos Urónicos Nota: O Ácido D-Glucárico existe em equilíbrio com as estruturas lactona ( e ) 31 Reacções dos monossacarídeos Ácidos Aldónicos (C1) —CHO —COOH Oxidação suave por via química (p.ex. água de bromo, PH=6.0) ou enzimática. Compostos de grande interesse alimentar. O grande problema da utilização dos açúcares redutores é a sua reacção com as proteínas. Como os ácidos aldónicos ficam desprovidos do grupo aldeído, não são susceptíveis destas reacções. Ácidos Aldáricos (C1 e C6) C1: —CHO — COOH C6: —CH2OH —COOH Oxidação mais profunda (p.ex. ácido nítrico – agente oxidante mais forte que a água de bromo) Ácidos Urónicos (C6) —CH2OH —COOH Oxidação selectiva do hidroxilo primário. O ácido D-glucurónico é utilizado pelos mamíferos como agente desintoxicante, complexando com substâncias nocivas que são eliminadas pela urina. 32 Reacções de redução A redução dos grupos aldeído forma álcoois de cadeia aberta chamados alditois. D-Glucitol (Sorbitol) D-Manitol D-Xilitol Glicerol Mioinositol (Ciclitol – Poliálcool cíclico) D-Ribitol O Glicerol é o alditol mais simples. O D-glucitol (sorbitol) é usado na indústria química (fabrico de poliois ramificados) e como agente adoçante. O D-xilitol é utilizado como adoçante nos produtos designados “sem açúcar”. O mioinositol é usado pelos organismos vivos para armazenar fosfato. Juntamente com o glicerol são componentes importantes dos lípidos. 33 Reacções de esterificação Os ésteres formam-se por reacção de um grupo álcool com um grupo ácido. R OH R' COOH R O R' O + + H2OC Os hidroxilos dos glúcidos reagem de forma similar produzindo ésteres. Os derivados ésteres de maior importância biológica são os fosfatos resultantes da reacção com o ácido fosfórico. R OH P OH OH OH O P O OH ROH O + + H2O Ácido fosfórico Nota: As ligações trifosfato são a forma mais vulgar de os organismos vivos acumularem energia química. O ATP é o composto produzido (e destruído) em maior quantidade pelos organismos vivos. 34 Glucose-1-fosfato Frutose-1,6-difosfato Adenosina-trifosfato (ATP) 35 Derivados amina Resultam da substituição de um grupo hidroxilo por um grupo amina: osaminas. A substituição mais comum dá-se ao nível do C2. As osaminas mais importantes na natureza são a glucosamina e a galactosamina. O grupo amina pode sofrer substituição (normalmente acetilação) formando as N-acetilosaminas. As N-acetilosaminas mais importantes são a N- acetilglucosamina e o Ácido N-acetilmurâmico. Nota: A glucosamina e os seus derivados (N-acetilglucosamina e Ácido N- acetilmurâmico) encontram-se como componentes estruturais nas membranas das bactérias. A N-acetilglucosamina é um componente da quitina, um polímero encontrado nas carapaças dos insectos e de alguns crustáceos. Glucosamina Galactosamina Ácido N-acetilmurâmico 36 Ligação glicosídica Enquanto os hemiacetais e os hemicetais coexistem em equilíbrio com as estruturas de cadeia aberta, os glicósidos correspondentes (acetais e cetais) são mais estáveis e não exibem estruturas de cadeia aberta. Hemiacetal Hemicetal Acetal Cetal -Metilglucósido -Metilglucósido Reacção com o metanol Os dissacarídeos/polissacarídeos são glicósidos onde os monossacarídeos estão unidos por ligações glicosídicas.
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