BIOQUÍMICA GERAL BIOQUÍMICA. Prof. Dr. Franciscleudo B. Costa UATA/CCTA/UFCG. Aula 1 Introdução à Bioquímica. Então, vamos compreender...

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1 Universidade Federal de Campina Grande Centro de Ciências e Tecnologia Agroalimentar Unidade Acadêmica de Tecnologia de Alimentos BIOQUÍMICA GERAL FRANCISCLEUDO BEZERRA DA COSTA PROFESSOR Aula 1 Introdução à Bioquímica Os organismos vivos são compostos de moléculas inanimadas. ORGANISMOS VIVOS: Operam dentro das mesmas leis físicas que são aplicadas todos os processos naturais; Essas leis levam a uma série de pré-supostos, que constroem a lógica molecular da vida. Câmpus de Pombal Pombal - PB Então, vamos compreender... As diferenças entre células procarióticas e eucarióticas; A importância da água: propriedades físicas e químicas; Os termos ph, pk, tampão e seu significado biológico; Propriedades biologicamente importantes do carbono; A estrutura tridimensional das moléculas biológicas; As macromoléculas como polímeros de pequenas moléculas; As moléculas híbridas X conjugadas de diferentes classes de biomoléculas; A estrutura, as propriedades e as funções dos aminoácidos, proteínas, enzimas, ácidos nucléicos, carboidratos e dos lipídeos; Metabolismo celular. BIOQUÍMICA Analisa as estruturas moleculares, os mecanismos e os processos químicos responsáveis pela vida. Os organismos vivos continuamente efetuam atividades que permitem a sua sobrevivência, crescimento e reprodução. Para realizar as suas funções, os seres vivos dependem da capacidade de obter, transformar, armazenar e utilizar energia. Nível de organização biológica SIMPLES COMPLEXO Nível 4: A célula e suas organelas Nível 3: Nível 2: Nível 1: DNA Nucleotídeos Cromossomo Proteína Amino ácido Membrana Plasmática Celulose Parede Celular Açúcares 1

2 CARACTERÍSTICAS DOS ORGANISMOS VIVOS São estruturalmente complexos e altamente organizados; Cada parte de um organismo possui função específica; Possuem a habilidade de extrair, transformar e usar a energia do seu ambiente como nutrientes orgânicos ou energia solar; Interagem para manter e perpetuar o estado vital; Capacidade de auto-replicação e automontagens precisas. OBJETIVO BÁSICO DA BIOQUÍMICA: Descrever em termos moleculares como um conjunto de moléculas inanimadas que constituem os organismos vivos, interagem para manter e perpetuar o estado vital, com as estruturas, os mecanismos e os processos químicos compartilhados por esses organismos. PRÉ-SUPOSTOS DA LÓGICA MOLECULAR: Todas as macromoléculas biológicas são constituídas basicamente de compostos simples; Todos os organismos vivos usam basicamente as mesmas moléculas como unidades fundamentais e, portanto, parecem descender de um mesmo ancestral; Esquema de classificação em 5 reinos A identidade de cada espécie de organismo é preservada pela posse de distintos conjuntos de ácidos nucléicos e proteínas; As células vivas funcionam a temperatura constante; As necessidades energéticas de todos os organismos vivos (plantas e animais) trocam matéria e energia com o ambiente; As células são motores químicos auto-reguláveis, sintonizados e sincronizados (ajustadas) para operarem na máxima economia; Todas as biomoléculas possuem funções específicas na célula; Os organismos vivos criam e mantém suas estruturas complexas ordenadas e diferenciadas às expensas da energia livre do seu ambiente, ao qual retornam a energia de forma útil; A informação genética está codificada em seqüência linear de unidades de dimensões sub-moleculares: estas unidades constituem os quatro nucleotídeos que compõem o DNA; A dupla-hélice da molécula de DNA contém um molde interno para sua auto-replicação e reparo. 2

3 ENERGIA: construir e manter as suas próprias estruturas; realizar trabalho mecânico de locomoção; transportar materiais através de membranas. Determinar como uma coleção de moléculas, que constituem os organismos vivos, interagem para manter e perpetuar o estado vital. Os componentes químicos são compostos orgânicos de carbono, onde os átomos estão covalentemente ligados com outros átomos de C, H, O ou N. Cada organismo possui: conjunto próprio de proteínas e ácidos nucléicos, diferente de outras espécies. Isolar moléculas orgânicas pode parecer difícil, entretanto são reduzíveis a uma simplicidade básica. Todas as macromoléculas das células são compostas de moléculas pequenas e simples, de unidades fundamentais. Ex: as cadeias de DNA; as proteínas. Essas unidades fundamentais são idênticas em todas as espécies. E têm mais de uma função nas células vivas. Os organismos requerem energia Absorvem as formas de energia que lhes são úteis, nas condições especiais de temperatura e pressão em que vivem; Energia livre: Retornam ao ambiente uma quantidade equivalente de alguma outra energia, menos útil. J. Willard Gibbs, A energia útil que a célula requer é a ENERGIA LIVRE de Gibbs (Gs). É o tipo de energia que pode realizar trabalho a temperatura e pressão constante. A energia menos útil que as células retornam ao seu ambiente consiste principalmente de calor. Essa energia dissipada aleatoriamente é chamada de ENTROPIA. 3

4 S univ = S viz + S sistema S univ. H T sistema S sistema A entropia (do grego εντροπία, entropía) é uma grandeza termodinâmica geralmente associada ao grau de desordem. Ela mede a parte da energia que não pode ser transformada em trabalho. É uma função de estado cujo valor cresce durante um processo natural em um sistema isolado Multiplicar tudo por -T -T S univ = H sistema - T S sistema -T S univ = variação da energia livre de Gibbs para o sistema = G sistema Sob condições padrão: G sistema = H sistema - T S sistema J. Willard Gibbs, Variação da energia livre de Gibbs = variação total de energia do sistema (entalpia) energia perdida no desordenamento do sistema (entropia) Se a reação for: exotérmica ( Hº negativo) (energia é dispersada) e a entropia aumenta ( Sº positivo) matéria é dispersada então Gº é NEGATIVO ( Gº < 0) a reação é espontânea, sendo o produto-favorecido C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + H 2 O ( Gº < 0) Variação da energia livre de Gibbs = variação total de energia do sistema (entalpia) energia perdida no desordenamento do sistema (entropia) Se a reação for: endotérmica ( H positivo) e a entropia diminui ( S negativo) então G é POSITIVO ( Gº > 0) a reação não é espontânea, sendo reagente-favorecido ADP + HPO 4 2- ATP + H 2 O ( Gº > 0) H S G Reação Exo (-) Aumenta (+) - Produto-favorecida Endo (+) Diminui (-) + Reagentefavorecida Exo (-) Diminui (-)? Depende da T Há dois métodos de se calcular G a) Determinar H reação e S reação e usar a equação de Gibbs. b) Usar valores tabelados de energia livre de formação, G f. G reação = G f (produtos) - G f (reagentes) Endo (+) Aumenta (+)? Depende da T 4

5 Energia Livre de Formação Note que G f para substância simples = 0 Combustão do acetileno C 2 H 2 (g) + 5/2 O 2 (g) --> 2 CO 2 (g) + H 2 O(g) Use entalpias de formação para calcular H o reação = kj Use entalpias molares padrão para calcular S o reação = -97,4 J/K ou -0,0974 kj/k G o reação = kj - (298 K)(-0,0974 J/K) = kj A reação é produto-favorecida apesar do S o reação negativo. A reação é movida a entalpia NH 4 NO 3 (s) + calor ---> NH 4 NO 3 (aq) NH 4 NO 3 (s) + calor ---> NH 4 NO 3 (aq) A dissolução do nitrato de amônio é produtofavorecida? Caso seja, ela é movida a entalpia ou a entropia? Nas tabelas de dados termodinâmicos, encontramos que H o reação = +25,7 kj S o reação = +108,7 J/K ou +0,1087 kj/k G o reação = +25,7 kj - (298 K)(+0,1087 J/K) = -6,7 kj A reação é produto-favorecida apesar do H o reação negativo. A reação é movida a entropia G o = H o - T S o Há dois métodos de se calcular G o a)determinar H o reação e S o reação e usar a equação de Gibbs. b)usar valores tabelados de energia livre de formação, G fo. G o reação = G fo (produtos) - G fo (reagentes) G o reação = G f o (produtos) - G f o (reagentes) Combustão do carbono C(grafite) + O 2 (g) --> CO 2 (g) G o reação = G fo (CO 2 ) - [ G fo (graf.) + G fo (O 2 )] G o reação = -394,4 kj - [ 0 + 0] Note que a energia livre de formação de uma substância simples é 0. G o reação = -394,4 kj A reação é produto-favorecida conforme o esperado 5

6 Energia Livre e Temperatura 2 Fe 2 O 3 (s) + 3 C(s) ---> 4 Fe(s) + 3 CO 2 (g) H o reação = +467,9 kj S o reação = +560,3 J/K G o reação = +300,8 kj A reação é reagente-favorecida a 298 K A que temperatura o G o reação muda de (+) para (-)? Quando G o reação = 0 = H o reação - T S o reação H T S reação reação 467,9 kj 0,5603 kj 835,1 K Moléculas Orgânicas: são instáveis; não suportam altas temperaturas, correntes elétricas fortes ou condições extremas ácidas ou básicas. Células: possuem a mesma temperatura; não há diferença de pressão de uma parte a outra da célula; são incapazes de usar calor como fonte de energia, pois o calor apenas realiza trabalho se passar de um corpo a outro com temperatura inferior. Usam energia química para realizar: Trabalho químico de reparo e crescimento celular; Trabalho osmótico para transporte de nutrientes; Trabalho mecânico de contração e movimento. Enzimas: catalizadores das células vivas Capazes de aumentar a velocidade de reações químicas sem serem consumidas no processo. São moléculas de proteínas altamente especializadas, sintetizadas pelas células a partir de simples unidades ENERGIA Os organismos derivam sua energia da luz solar, que se origina da fusão nuclear dos átomos de hidrogênio para formar hélio nas altíssimas temperaturas do sol. fundamentais de aminoácidos. Cada enzima pode catalizar apenas um tipo específico de reação química. ENERGIA As células vivas capturam armazenam e transportam energia numa forma química, principalmente como adenosina trifosfato (ATP). ATP: funciona como principal transportador da energia química da célula de todas as espécies vivas. A energia livre é liberada do ATP quando um grupo fosfato é removido por hidrólise, produzindo uma molécula de ADP e um íon fosfato livre: ATP + H 2 O ADP + Fosfato + Energia ADP + H 2 O AMP + Fosfato + Energia Replicação dos Organismos Vivos A informação genética está codificada em unidades submoleculares; estas unidades são as quatro espécies de nucleotídeos que compõem o DNA. Estabilidade da informação genética armazenada no DNA; A fita serve como molde para replicação; Ocasionalmente o DNA pode sofrer alterações que são muito pequenas: mutação A informação genética está codificada na forma de uma seqüência linear unidimensional das unidades fundamentais de nucleotídeos do DNA. 6

7 RAÍZES FÍSICAS DO MUNDO BIOQUÍMICO: Uma célula viva constitui um sistema isotérmico de moléculas orgânicas auto-delimitada, auto-montada, auto-ajustada, autoperpetuada, de que extrai energia e matéria prima do meio ambiente; A célula realiza muita reações consecutivas promovidas por catalizadores orgânicos específicos, chamadas enzimas, que ela própria produz; A própria célula mantém um estado de equilíbrio dinâmico, à parte do equilíbrio com a sua vizinhança. Existe uma grande economia de parte de processos, atingida através da regulação da atividade catalítica de enzimas chaves; A auto-replicação através de muitas gerações é assegurada por um sistema linear de codificações auto-reparador; RAÍZES FÍSICAS DO MUNDO BIOQUÍMICO: A informação genética codifica as seqüências de nucleotídeos (DNA RNA) que especifica a seqüência de aminoácidos de cada proteínas distinta, que finalmente determina a estrutura tridimensional e função de cada proteína; Muitas interações fracas (não-covalentes), agindo cooperativamente, estabilizam a estrutura tridimensional das biomoléculas e complexos de supramolecular. COMO A BIOQUÍMICA BUSCA EXPLICAR A VIDA EM TERMOS Unidades químicas governam a diversidade biológica: uma árvore, um homem e uma bactéria do solo, superficialmente parecem ter pouco em comum, contudo, em níveis químico e microscópico estes organismos são bastantes similares; Todas as macromoléculas são construídas a partir de uns poucos e simples monômeros; Todos os organismos vivos possuem os mesmos tipos de subunidades monoméricas; Existem padrões determinados na estruturas de macromoléculas biológicas; A identidade de cada organismo é preservada por este possuir um conjunto distinto de ácidos nucléicos e proteínas. RELAÇÃO ENTRE O METABOLISMO, PRODUÇÃO DE ENERGIA E SEU CONSUMO Os organismos vivos nunca estão em equilíbrio estático com o ambiente; Os organismos trocam matéria e energia com o ambiente; O Fluxo de elétrons gera energia para os organismos; Enzimas promovem seqüências de reações químicas; O ATP é a forma universal de energia metabólica que liga o CATABOLISMO ao ANABOLISMO. 7