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1 Escola de Enfermagem de Ribeirão Preto Universidade de São Paulo Disciplina de Biologia Celular INTRODUÇÃO À BIOQUÍMICA: BIOMOLÉCULAS Objetivos da Aula: 1. Água e Pontes de hidrogênio 2. Biomoléculas (ou Macromoléculas): 2.1. Estrutura e Composição 2.2. Classes 2.3. Funções Prof. Carlos Renato Tirapelli H 2 O Substância mais Abundante nos Sistemas Vivos Componente Proporção celular de H 2 O % do peso total da célula Água Proteínas Ácidos Nucléicos (DNA / RNA)... 7 Representa 70% da Massa da Maioria dos Organismos Polissacarídeos... 3 Lipídeos... 2 Total: 97% 1

2 H 2 O = Vida Água Molécula da Água Oxigênio: Mais eletronegativo que o H (atrai e - do H) Carga elétrica negativa (2δ - ) Maioria dos Processos Bioquímicos que Regulam o Funcionamento Celular em Sistemas Vivos Ocorre em H 2 O Orbitais externos formam um tetraedro: determinante para geometria da molécula Pontes de Hidrogênio Molécula da Água Ponte de Hidrogênio Interação entre átomos de hidrogênio de uma molécula com átomos de elementos altamente eletronegativos (oxigênio, flúor e nitrogênio) de forma que o hidrogênio sirva como "elo" entre os átomos com os quais interage. Molécula da Água Semelhante Dissolve Semelhante Polar Dissolve Polar Apolar Dissolve Apolar Solubiliza: 1) Compostos polares; 2) Solutos com cargas elétricas (ex.: íons) Água: molécula polar Conferem à água: Ponto de fusão = 0 o C Ponto de ebulição = 100 o C 2

3 Molécula da Água 1) Solubilidade de compostos polares Com Base na Solubilidade em H 2 O Compostos Podem Ser: Ponte Hidrogênio Compostos que solubilizam em água são chamados: Polares ou Hidrofílicos ou Hidrossolúveis 1. Polares, Hidrofílicos ou Hidrossolúveis. 2. Apolares, Hidrofóbicos ou Lipossolúveis. 3. Moléculas Anfipáticas: 2) Solubilidade de solutos com cargas - Regiões Polares e Apolares Objetivo da Bioquímica: Explicar a Forma e a Função Biológica em Termos Químicos - Espécies de moléculas presentes nos organismos vivos e suas proporções. - Estruturas dessas moléculas e as forças que as estabilizam. - Propriedades químicas dessas moléculas. - Como interagem entre si. - Função biológica dessas moléculas. 1. Proteínas Formadas Macromoléculas Formadas a partir de 20 aminoácidos. 2. Polissacarídeos polímeros 3. Lipídios polímeros de açúcar (Ex.: glicose) Lipídios Derivados de hidrocarbonetos 4. Ácidos Nucléicos DNA e RNA (4 nucleotídeos) 3

4 Macromoléculas: Compostos Orgânicos Moléculas que Contêm Esqueletos Carbônicos Carbono: Macromoléculas Formadas por subunidades monoméricas - Unidas por ligações químicas - Arranjadas em diferentes seqüências - Representa mais de 50% do peso seco de uma célula - Família 4A. - 4 elétrons desemparelhados. - 4 ligações químicas (simples, duplas ou triplas). - Forma ligação C C covalente (linear, ramificadas ou cíclicas). - Grupos funcionais podem ser adicionados ao esqueleto carbônico. Macromoléculas - Proteínas - Ácidos Nucléicos - Polissacarídeos - Lipídeos Subunidade Monomérica - Aminoácidos - Nucleotídeos - Monossacarídeos - Cadeias de Hidrocarbonetos Macromoléculas Proteínas Componentes % do peso total da célula Água Proteínas Ácidos Nucléicos (DNA / RNA)... 7 Polissacarídeos... 3 Lipídeos... 2 São polímeros (unidade monomérica = aminoácidos) Existência de ~ 300 aminoácidos. Apenas 20 aminoácidos formam todas as Proteínas. Possibilidades teóricas Proteína com n aminoácidos = 20 n possibilidades Por exemplo uma proteína com n = 100 aminoácidos = 1,27 x cadeias possíveis Total: 97% 4

5 Aminoácidos Protéicos Estrutura de um aminoácido Glicina... Gly Alanina... Ala Valina... Val Leucina... Leu Isoleucina... Ile Treonina... Thr Aspargina... Asn Glutamina... Gln Tirosina... Tyr Cisteína... Cys Diferem nas estruturas de suas cadeias laterais (Grupo R) Metionina... Met Prolina... Pro Fenilalanina... Phe Triptofano... Trp Serina... Ser Lisina... Lys Arginina... Arg Histidina... His Ácido Aspártico... Asp Ácido Glutâmico... Glu Difere em: a. Estrutura b. Tamanho c. Carga elétrica Afeta Solubilidade e Conformação da Proteína Ligações Peptídicas Aminoácidos podem ser polimerizados para formar cadeias Polimerização ocorre por causa das Ligações Peptídicas Polipeptídeos são cadeias lineares Por convenção o resíduo da esquerda é chamado aminoterminal ou N-Terminal e o da direita carbóxi-terminal ou C-terminal Ligação Covalente Reação de Condensação (eliminação de uma molécula de H 2 O) 5

6 Classificação dos Aminoácidos Grupo R Apolar Classificado pela polaridade de sua cadeia lateral 1. Grupo R apolar 2. Grupo R polar não carregado 3. Grupo R polares carregados Grupo R Polar (não carregado) Grupo R Polar (carregado) 6

7 Classificação dos Aminoácidos 1. Aminoácidos não essenciais - São produzidos pelos organismos Proteínas Níveis de Organização 2. Aminoácidos Essenciais (Leucina, isoleucina, valina, triptofano, metionina, fenilalanina, treonina e lisina) - Não são produzidos pelo organismo e devem ser obtidos através da alimentação 1.Estrutura Primária - Consiste na seqüência de aminoácidos da sua cadeia polipeptídica Peptídeo: cadeia curta (variável). Algumas proteínas têm 2600 aminoácidos. 2. Estrutura Secundária É o arranjo espacial dos átomos de um esqueleto polipeptídico, sem levar em consideração a conformação de suas cadeias laterais (grupo R) Estrutura Primária Hélice Estrutura Secundária Folha Pregueada 7

8 Propriedades geométricas dos grupos peptídicos: 1. Ligação C-N do grupo peptídico é mais curta que N-Cα Conformação de hélice é sustentada por Pontes de Hidrogênio que se formam entre o oxigênio do C=O e o Hidrogênio do N H no interior da cadeia Cα 2. Ligações N-Cα e C-Cα Ângulo de Ligação (ângulo de torção) = 180 graus Plano do grupo Amida Cα Na conformação de folha pregueada (β-folha) as Pontes de Hidrogênio ocorrem entre cadeias polipeptídicas vizinhas ao invés de no interior da cadeia 3. Estrutura Terciária Descreve o dobramento dos elementos estruturais secundários e especifica as posições de cada átomo na proteína, incluindo as cadeias laterais (Grupos R). Pontes de Hidrogênio 8

9 As cadeias laterais (Grupos R) dos aminoácidos nas proteínas globulares são distribuídas espacialmente de acordo com suas polaridades -Resíduos não polares: interior da proteína (fora do contato com o solvente aquoso). - Resíduos polares carregados: superfície da proteína (contato com o solvente aquoso). - Resíduos polares não carregados: freqüentemente localizados na superfície da proteína podendo também ocorrer no interior. 4. Estrutura Quaternária Estabilidade das Proteínas Desnaturação - É o arranjo espacial de cadeias polipeptídicas associadas - As subunidades associam-sese de modo não-covalente covalente: a. Pontes de Hidrogênio b. Interações apolares - Perda da estrutura terciária. - Sequência de aminoácido não se altera. - Ligações peptídicas são mantidas. - Perda da função - Induzida por: 1. Temperatura 2. ph 9

10 Função das Proteínas 1. Enzimas: maioria são proteínas tendo função catalítica na reação de biomoléculas orgânicas. 2. Proteínas Transportadoras: transportam moléculas ou íons específicos (Ex.: Hemoglobina transporta oxigênio). 3. Proteínas Contráteis: Actina e miosina mudam conformação quando ativadas pelo Ca Proteínas Estruturais: servem como filamentos de suporte (Ex.: Tubulina) Carboidratos 1. Mais da metade do carbono orgânico do planeta está apenas duas moléculas de carboidratos: amido e celulose. 2. São compostos por Carbono, Hidrogênio e Oxigênio 3. Ocorrem naturalmente como açúcares 4. Presentes na dieta como amido e celulose armazenado em 5. Ambos são polímeros do monômero glicose, diferenciando-se apenas pela forma na qual estão ligados. 6. Principal fonte de energia rápida 7. Açúcares de 6C são os mais abundantes na natureza, mas açúcares de 5C, ribose e desoxirribose, ocorrem no RNA e DNA, respectivamente. 1. Monossacarídeos Classes de Carboidratos 1. Monossacarídeos (Aldoses e Cetoses) -Cadeia carbonada não ramificada formada por Ligações C-C simples - 1 carbono ligado ao oxigênio por uma dupla ligação (grupo carbonila) Na extremidade: aldeído Outra posição: cetona 3 Classes 2. Oligossacarídeos (Cadeias curtas de monossacarídeos) 3. Polissacarídeos Aldeído (Aldose) Cetona (Cetose) 10

11 Estereoisômeros enantiômeros Monossacarídeos - Estereoisomeria com imagens especulares são (ex: L-gliceraldeído e D-gliceraldeído) também chamados» Na configuração D, o grupo hidroxila está à direita do carbono quiral (carbono ligado a quatro substituintes diferentes, dispostos segundo os vértices de um tetraedro), ao passo que, na configuração L, está à esquerda. de Monossacarídeos - Estereoisomeria Espelho D-Gliceraldeído L-Gliceraldeído Projeção de Fischer D-Gliceraldeído L-Gliceraldeído C 6 H 12 O 6 Formação das duas formas cíclicas da D-glicose Aldeído do C-1 com OH do C-5 forma a ligação Hemiacetal. Produz dois estereoisômeros: anômero α e β Glicose - Monossacarídeo presente no Sangue -Também chamado de açúcar do Sangue Glicose - Tem por função fornecer energia para as células 1/3 Carbono Anomérico 2/3 - É degradado para formar ATP dentro das células (Glicólise) - Estocada na forma de glicogênio - Fontes: alimentação (amido), síntese endógena e quebra do glicogênio. 11

12 2. Oligossacarídeos Lactose: açúcar presente no leite Dissacarídeos: Dois monossacarídeos ligados por uma ligação glicosídica D-Galactose Lactose D-Glicose Sacarose: : açúcar formado somente por plantas (açúcar de mesa) Galactose Glicose D-Glicose Sacarose D-Frutose 3. Polissacarídeos Armazenamento Glicogênio (animais) Amido (vegetais) Reserva de Energia Homopolissacarídeos Ramificada Não Ramificada Ramificada Celulose 3. Polissacarídeos Glicogênio Heteropolissacarídeos 2 monômeros Não Ramificada Vários monômeros Ramificada Estrutural Celulose Mucopolissacarídeos Quitina Proteção ou Lubrificação e revestimento de células Peptidoglicanos Estruturais Componentes Bacterianas das Paredes Celulares Homopolissacarídeos: forma de armazenamento de energia (amido e glicogênio) e componente estrutural de parede celular de vegetais e exoesqueleto (celulose e quitina) Heteropolissacarídeos: suporte extracelular em componente estrutural de parede celular de bactérias muitas formas de vida e 12

13 Glicogênio Glicogênio São polímeros de α-d-glicose, que ocorrem em animais, sendo uma forma de armazenamento de energia. Possui cadeia ramificada, com ligações (1 4) eα(1 6) nos pontos de ramificação. - Maior local de reserva - Uso próprio Formado a partir da glicose da alimentação (Glicogênese) Degradado no período entre refeições para fornecer glicose ao organismo (Glicogenólise) Grânulos de Glicogênio Fígado: 7% do peso Lipídios Características Gerais dos Lipídios: Funções dos Lipídios 1. Grupo de compostos quimicamente diferentes 2. Não são polímeros mas se agregam 3. Substâncias gordurosas ao toque 4. Geralmente são sólidos brancos ou líquidos amarelados 5. Insolúveis em água (característica comum a todos lípídios) 5. Compostos orgânicos formados por cadeias de carbono ligados ao oxigênio e hidrogênio (e outros radicais) 6. Funções biológicas diversificadas 1. Fonte de energia 2. Isolamento térmico 3. Estrutura das membranas celulares 4. Comunicação celular Estruturas diferentes 13

14 Lipídios de Armazenamento Lipídios de Membrana As Classes dos Lipídios 1. Ácidos Graxos 2. Triacilgliceróis 3. Ceras 4. Fosfolipídios Fosfolipídios (Glicerofosfolipídios ou Esfingolipídios) 5. Glicolipídios (Esfingolipídios) 6. Esteróis 1. Ácidos Graxos Ácidos Carboxílicos com cadeias hidrocarbonadas (C 4 C 36 Saturadas (ligação C- C simples) Insaturadas (ligação C - C dupla) Poliinsaturados 36 ) 2. Triacilgliceróis - Também chamados: TRIGLICERÍDIOS ou GORDURAS - Compostos por 3 Ác. Graxos ligados a uma molécula de glicerol por ligações do tipo éster 1. Quanto > a cadeia hidrocarbonada, menor polaridade. 2. Ligação Dupla causa curvatura na cadeia do hidrocarboneto = interações mais fracas = menor ponto de fusão Mesmo Número de Carbonos Temperatura Ambiente (25 0 C) Ac. Graxo Saturado = Cera Ac. Graxo Insaturado = líquidos oleosos - Ác. Graxos podem ser iguais (Simples) ou diferentes (Mistos) Triacilglicerídio Misto Não Polar Maioria 14

15 Função Principal dos Triacilgliceróis 1. Reserva de energia Lipídios - Armazenados nos adipócitos ou células gordurosas - Lipases degradam triacilgliceróis para formar energia Função Principal dos Triacilgliceróis 2. Servem como isolante térmico em focas, leões marinhos, pingüins e ursos. -Isolante térmico em ursos - Fonte de energia durante hibernação (6 meses) - Normalmente: Kcal / dia Substrato Peso Molec. Rendimento ATP - Antes do período de hibernação: Kcal /dia Glicose Palmitato (16C) Adaptado de: Bioquímica Médica (Baynes & Dominiczack) ~ 3 vezes maior!!! Fontes dos Triacilgliceróis 1. Óleos vegetais (milho, oliva) 2. Laticínios (leite, queijos) 3. Gorduras animais 4. Grãos (milho, amendoim) 3. Ceras São ésteres de Ác. Graxo de cadeia longa com álcoois Repele água Consistência Firme - Proteção de alguns pássaros - Uso na indústria Farmacêutica - Proteção para plantas tropicais 15

16 Lipídios Estruturais em Membranas 4. Fosfolipídios Fosfolipídios (Glicerofosfolipídios ou Esfingolipídios) Lipídios Estruturais em Membranas 5. Glicolipídios (Esfingolipídios) 6. Esteróis 1 a Classe 2 a Classe 3 a Classe 4. Fosfolipídios 4a. Glicerofosfolipídios 4. Fosfolipídios 4b. Esfingolipídios (Johann Thudichum relacionou essas estruturas com a Esfinge) Esfingosina = Aminoálcool 16

17 5. Glicolipídios Esfingolipídios 6. Esteróis -Constituinte de Membrana - Precursor de Produtos com Atividade Biológica (Hormônios, vitamina D...) Colesterol (Anfipático) 4 anéis fundidos = 3 com 6 Carbonos 1 com 5 Carbonos Lipídios na membrana celular Importância dos Lipídios como Sinalizadores Biológicos Hormônio Sexual Masc. Hormônio Sexual Fem. Metabolismo da Glicose Retenção de Na + no Rim Agentes esteroidais antiinflamatório 17