Fundamentos de Bioquímica

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ROTEIRO DA AULA 
1. SERES VIVOS E FORMAÇÃO DA VIDA
2. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
3. OBTENÇÃO DE ENERGIA PARA MANUTENÇÃO DA ORGANIZAÇÃO E REALIZAÇÃO DE TRABALHO.
Organismos fototróficos
Organismos quimiotróficos
4. COMO A CÉLULA MATÉM SUA ORGANIZAÇÃO E FUNCIONAMENTO SEGUINDO OS PRINCÍPIOS FÍSICOS
Leis da termodinâmica
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
Proteínas 
Lipídeos 
Polissacarídeos 
Ácidos nucleicos 
Macromoléculas
Monômeros
Aminoácidos 
 Monossacarídeos
Nucleotídeos 
Carbono 
Hidrogênio
Oxigênio
Nitrogênio
Elementos traço
Elementos 
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
Os principais elementos que compõe as biomoléculas
O átomo de carbono
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
A maioria das biomoléculas deriva de hidrocarbonetos, tendo seus átomos de hidrogênio substituídos por uma variedade de grupos funcionais que lhes confere propriedades químicas à molécula formando diversas famílias de compostos orgânicos.
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
H – C – C – H 
H
H
H
H
ETANO
N3H – C – CH3
H
COOH
AMINOÁCIDO GLICINA
O átomo de carbono
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
Compostos de carbono podem formar centros quirais e estereoisômereos
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
Enantiômeros podem ter duas configurações de acordo com a sua capacidade de desviar a luz polarizada.
Sistema de classificação D (dextrorrotatório) e L (levorrotatório) (Emil Fisher, 1891)
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
Isômeros geométricos ou cis-trans 
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
Qual a importância dos estereoisômeros?
Podem ter atividade parecida, mas não a mesma.
1. FUNDAMENTOS QUÍMICOS DA CÉLULA E DAS BIOMOLÉCULAS
Qual a importância dos estereoisômeros?
Enzimas e interações entre as biomoléculas são em sua maioria restritas a somente uma das séries de estereoisômeros.
L-asparaginase
L-asparagina
D-asparagina
2. OBTENÇÃO DE ENERGIA PARA MANUTENÇÃO DA ORGANIZAÇÃO E REALIZAÇÃO DE TRABALHO.
Toda célula e organismo necessita de energia para realizar suas atividades metabólicas e vitais como:
Manter sua organização celular
Realizar trabalho físico e mecânico
Realizar reações metabólicas
2. OBTENÇÃO DE ENERGIA PARA MANUTENÇÃO DA ORGANIZAÇÃO E REALIZAÇÃO DE TRABALHO.
2. OBTENÇÃO DE ENERGIA PARA MANUTENÇÃO DA ORGANIZAÇÃO E REALIZAÇÃO DE TRABALHO.
Quanto a forma de obtenção de energia os organismos vivos podem ser divididos em duas classes:
Fototróficos:
São aqueles organismos que utilizam a luz solar e algumas moléculas orgânicas ou gás carbônico para sintetizar moléculas energéticas e oxidá-las para gerar energia
Ex: Fotossíntese
Quimiotróficos:
Utilizam moléculas orgânicas (provenientes dos organismos fototróficos) ou gás carbônico e compostos inorgânicos para obter energia.
Ex: Oxidação da molécula de glicose para gerar ATP.
3. COMO A CÉLULA MATÉM SUA ORGANIZAÇÃO E FUNCIONAMENTO SEGUINDO OS PRINCÍPIOS FÍSICOS
3. COMO A CÉLULA MATÉM SUA ORGANIZAÇÃO E FUNCIONAMENTO SEGUINDO OS PRINCÍPIOS FÍSICOS
Vimos que a célula necessita de energia para manter sua organização e realizar trabalho e metabolismo.
Assim a célula está em constante atividade de transformação da matéria e energia do seu meio. 
Desta maneira posso dizer que a célula segue a primeira Lei da Termodinâmica, que descreve o princípio da conversão de energia:
“em qualquer mudança física ou química, a quantidade de energia total de energia no universo permanece constante embora a forma da energia possa mudar”.
3. COMO A CÉLULA MATÉM SUA ORGANIZAÇÃO E FUNCIONAMENTO SEGUINDO OS PRINCÍPIOS FÍSICOS
É possível concluir também que a célula troca energia e matéria com meio, ou seja, é um sistema de rações químicas ABERTO.
3. COMO A CÉLULA MATÉM SUA ORGANIZAÇÃO E FUNCIONAMENTO SEGUINDO OS PRINCÍPIOS FÍSICOS
organismo
Meio
Em desequilíbrio
Estado estacionário dinâmico
Energia
Falta de energia
organismo
Meio
Morte
Equilíbrio com o meio
A célula é complexa e organizada.
Sua organização, composição e concentração dos componentes químicos diferem do meio em que ela se encontra.
Os organismos vivos existem em um estado estacionário dinâmico e nunca em equilíbrio com o seu meio
metabolismo
Consumo
síntese
Criar e manter ordem requer trabalho e energia
DNA, RNA e proteínas são macromoléculas constituídas de subunidades monoméricas. Para a síntese destas macromoléculas é necessário ordenar as subunidades que estão dispersas em sua sequência correta. Para isto há um grande investimento de energia.
Isto representa um aumento na ordem em população de moléculas; contudo de acordo com a segunda lei da termodinâmica, a tendência na natureza é mover-se no sentido oposto, sempre de maior desordem no universo: a entropia total do universo está continuamente aumentando. 
energia
Síntese de uma proteína 
através dos ribossomos
Em desordem e aleatório 
no sistema (entropia)
Aminoácidos
Aumento da ordem em 
Uma população de moléculas.
Diminui a entropia
Proteína
A aleatoriedade ou a desordem dos componentes de um sistema químico é expressa como entropia, S.
Qualquer alteração na aleatoriedade do sistema é expressa como variação de entropia, ΔS, que por convenção possui um sinal positivo quando a aleatoriedade aumenta.
Entropia (S)+
MANTER A ORGANIZAÇÃO REQUER MUITA ENERGIA
Entropia (S)-
J. Willard Gibbs, que desenvolveu a teoria da variação de energia durante as reações químicas, demonstrou que a energia livre total, G, de qualquer sistema fechado pode ser definida em termos de três quantidades:
Entalpia, H, que expressa o número e os tipos de ligações;
Entropia, S;
Temperatura absoluta, T (em Kelvin).
A definição de energia livre é G = H – TS.
Quando uma reação química ocorre a uma temperatura constante, a variação de energia livre ΔG, é determinada pela variação da entalpia ΔH, refletindo o tipo e o número das ligações químicas e a formação e a quebra de interações não covalentes, e a variação da entropia ΔS, que descreve a variação da aleatoriedade do sistema: 
 
 ΔG = ΔH - T ΔS
Onde por definição, ΔH,:
é negativo para uma reação que libera calor(reação exotérmica) 
é positivo para uma reação que absorve calor (reação endotérmica)
E ΔS é positivo para uma reação que aumenta a aleatoriedade do sistema (diminui a ordem).
Um processo tende a ocorrer espontaneamente somente se ΔG for negativo (se a energia livre é liberada no processo)
Já o funcionamento da célula depende basicamente de moléculas, como proteínas e ácidos nucleicos, para as quais a energia livre de formação é positiva: as moléculas são menos estáveis e mais altamente ordenadas do que a mistura de seus componentes monoméricos. Ou seja é positivo pois consome energia para a formação destas macromoléculas.
Para que essas reações consumidoras de energia (endergônicas) e, portanto termodinamicamente desfavoráveis ocorram , as células acoplam a outras reações que liberam energia (exergônicas) de forma que o processo como um todo é exergônico, ou seja a soma da variação de energia livre é negativa
Aminoácidos
Proteína
= ΔG1 é positiva (endergônica) 
ATP
AMP
P
P
Fornecimento de energia pela hidrólise do ATP
= ΔG2 é negativa (exergônica) 
Reação acoplada
+
ΔG é negativa (exergônica) 
Reações com ligações de acoplamento energético na biologia
A questão central na bioenergética é o meio através do qual a energia do metabolismo energético ou da captura de luz é acoplada as reações celulares que requerem energia. Ao pensar em acoplamento energético é útil considerar os exemplos ao lado:As enzimas promovem sequências de reações químicas
Muitas reações químicas que ocorrem nos organismos , se ocorrerem de um modo espontâneo demoraria muito tempo para chegar ao produto final. Portanto para resolver este problema biológico existem as enzimas, que são catalizadores biológicos e aumentam a velocidade das reações químicas, sem serem consumidas no processo.
Entretanto para que os reagentes cheguem a produto, existe uma barreira energética, chamada de potencial de ativação que precisa ser superada.
A quebra de ligações existentes e formação de novas geralmente requer em primeiro lugar a modificação das ligações já existentes para criar um estado de transição que tem energia livre maior que a dos reagentes ou produtos. 
O ponto mais alto no diagrama representa o estado de transição, e a diferença de energia entre o reagente no seu estado fundamental e em seu estado de transição consiste na energia de ativação, ΔG‡. 
As enzimas atuam em parte pela estabilização do estado de transição, reduzindo a energia de ativação ΔG‡, e aumentando a velocidade da reação em várias ordens de grandeza. 
Enzimas catalisam reações de degradação e síntese e muitas dessas reações são consecutivas, chamadas rotas, nas quais o produto de uma reação se torna reagente da outra.
As enzimas estão envolvidas no: 
Catabolismo: rotas que degradam nutrientes orgânicos em produtos finais simples para extrair energia química e convertê-las em formas úteis à célula.
Anabolismo: são as rotas de síntese, onde moléculas precursoras pequenas são transformadas progressivamente em moléculas maiores e mais complexas, a exemplo de proteínas e ácidos nucleicos.