Biomoléculas e a Base Molecular da Vida

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA DQMC BIOQUÍMICA BIO0001 Biomoléculas e a Base Molecular da Vida Prof Karine P. Naidek Agosto/2016

2 A BIOLOGIA NO SEC. XIX Vitalismo, élan vital: característica particular e única existente apenas em organismos vivos pensamento místico em círculos acadêmicos Desenvolvimento da bioquímica e da genética Tentativa de explicar a vida em bases físicas Trazer o rigor das ciências exatas para as ciências biológicas Objetivo alcançado com a biologia molecular Estudos do fim do sec. XIX e início do sec. XX mostram que apenas as forças químicas das moléculas inanimadas é capaz de explicar a constituição dos organismos vivos

3 SACO DE MOLÉCULAS? Organismos vivos são compostos de moléculas sem-vida O que distingue, então, um organismo vivo de um saco de moléculas? Complexidade e Organização Capacidade de extrair, transformar e utilizar a energia do ambiente Capacidade de replicação

4 DIVERSIDADE DOS ORGANISMOS

5 OLHANDO MAIS DE PERTO Por trás da diversidade anatômica existe uma incrível similaridade em nível celular e químico ORGANISMO Sistemas Órgãos Tecidos Células A LÓGICA MOLECULAR DA VIDA Poucas generalizações podem ser feitas para todos os organismos Proteínas Aminoácidos Polissacarídeos Organelas Moléculas Acidos Nucléicos Açúcares simples A, T, C e G

6 ALFABETO QUÍMICO Todos os organismos vivos são constituídos a partir das mesmas unidades monoméricas A estrutura das macromoléculas é o que determina a sua função biológica Cada espécie apresenta um conjunto distinto de macromoléculas

7 VIDA E ABUNDÂNCIA DE ÁTOMOS 99% Seres Vivos C, H, O, N 1% Outros elementos 99% Crosta Terrestre C, H, N Outros elementos 1%

8 VIDA E ABUNDÂNCIA DE ÁTOMOS A maioria dos constituintes moleculares dos seres vivos são compostos de átomos de C ligados a outros átomos de C, H, O, N, P e S Se encontrássemos vida fora da Terra... Massa celular -- 99% CHON

9 BIOELEMENTOS Principais bioelementos C H O N P S Elementos presentes como íons Na K Mg Ca Cl Microelementos Fe Cu Zn Mn Co I Mo V Ni Cr F Se Si Sn B As

10 UM POUCO DE QUÍMICA Hidrogênio Água Átomo Número de elétrons não emparelhados Camada Completa Amônia Metano Sulfeto de Hidrogênio Ácido Fosfórico

11 TRÊS VIVAS PARA O CARBONO Corresponde a mais de 50% do peso seco das células Versatilidade na formação de ligações químicas Formação de cadeias lineares, cadeias ramificadas e estruturas cíclicas Compostos orgânicos moléculas que apresentam esqueletos de carbono covalentemente ligados

12 GRUPOS FUNCIONAIS EM MOLÉCULAS VIVAS

13 EXEMPLOS DE BIOMOLÉCULAS

14 BIOMOLÉCULAS Ácidos Nucleicos Armazenamento da informação genética Proteínas Enzimática Estrutural Transporte Hormônios Polissacarídeos Armazenamento Estrutura Lipídeos Armazenamento Estrutura Hormônios Características em comum: ALTO PESO MOLECULAR

15 ÁCIDOS NUCLEICOS DNA, RNA Armazenamento da informação genética Polímeros de nucleotídeos

16 DNA E RNA Polímeros de nucleotídeos Esqueleto de ribose-fosfato ligado às bases nitrogenadas

17 REPLICAÇÃO DO DNA O DNA é composto por uma dupla-hélice Replicação semi-conservativa: as bases presentes em uma das fitas contém toda a informação necessária para a síntese da nova fita A complementaridade das bases A = T, G = C As duas fitas do DNA são antiparalelas

18 EVOLUÇÃO POR MUTAÇÕES A modificação das moléculas de DNA ao longo do tempo (mutação) é um dos principais fatores evolutivos

19 DOGMA CENTRAL E TRADUÇÃO

20

21 PROTEÍNAS Moléculas mais importantes? Polímeros de aminoácidos Apenas 20 diferentes aminoácidos estão presentes nas moléculas biológicas Amino Carboxil

22 AMINOÁCIDOS

23 LIGANDO AMINOÁCIDOS

24 ESTRUTURA DAS PROTEÍNAS

25 COMPOSTOS PRECURSORES Aminoácidos Proteínas Hormônios peptídeos Neurotransmissores Alcalóides Adenina Ácidos nucléicos ATP Coenzimas Ácido úrico

26 HIERARQUIA ESTRUTURAL

27 HIERARQUIA ESTRUTURAL Células Organelas Complexos supramoleculares Macromoléculas Núcleo Mitocôndria Complexo de Golgi Retículo endoplasmático Proteínas DNA/RNA Polissacarídeos Membrana Ribossomos Cromatina Microtúbulos Unidades Fundamentais Aminoácidos Glicose Adenina e outras bases Ácidos palmítico

28 AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS

29 FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS Vagalume Enzima luciferase quebra a proteína luciferina na presença de ATP

30 Os aminoácidos Os aminoácidos presentes nas proteínas são isômeros L A biologia é canhota Glicina não tem isomeria óptica Carbono alfa

31 Grupo R apolar e alifáticos Aminoácidos apolares e hidrofóbicos Ligações de Van der Waals Ala, Val, Leu, Iso Interações hidrofóbicas Gly; menor aminoácido Met Possui átomo de enxofre Pro Iminoácido, menor flexibilidade estrutural

32 Grupo R aromáticos Aminoácidos hidrofóbicos Tirosina pode formar pontes de hidrogênio com a água Modificações póstraducionais Fosforilação do OH da tirosina Fenilalanina Mais apolar

33 Grupos R polares, não carregados Solubilidade intermediária em água Serina e treonina Grupos hidroxil Asparagina e glutamina Grupo amida Cisteína Grupo sulfidril Ligações dissulfeto

34 Grupos R carregados Aminoácidos básicos Carga positiva Lisina, segundo grupo amino Arginina, grupo guanidina Histidina, grupo aromático imidazol Aminoácidos ácidos Carga negativa Possuem segundo grupo ácido carboxílico

35 Aminoácidos incomuns Modificações pós-traducionais 4-hidroxiprolina 5-hidroxilisina 6-N-metil-lisina Gama-carboxiglutamato Fosforilação de resíduos Selenocisteína Selênio ao invés de enxofre na Cys É adicionado durante a tradução por mecanismo específico e regulado

36 ph e pka Constantes de dissociação dependem do ph do meio e são diferentes para diferentes moléculas Ionização < ph; > [H] + estado não-ionizado

37 Aminoácidos são ionizáveis Substâncias anfóteras: possuem natureza dual Podem funcionar assim como ácidos ou bases Doam ou recebem prótons

38 Titulação de um aminoácidos pka: tendência de um grupo fornecer um próton ao meio Aminoácidos podem perder até 2 prótons para o meio Conclusão: a função das proteínas depende do ph ao qual estão submetidas

39 Curvas de titulação predizem a carga elétrica dos aminoácidos Alguns aminoácidos podem ter átomos ionizáveis também em sua cadeia lateral

40 Polipeptídeo >Insulina [Homo sapiens] MALWMRLLPLLALLALWGPDPAAAFVN QHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKT RREAEDLQVGQVELGGGPGAGSLQPLA LEGSLQKRGIVEQCCTSICSLYQLENY CN

41 Peptídeos tbm são ionizáveis Ou seja, possuem curva de titulação característica Funcionam em faixas de ph ótimas

42 Número de resíduos por proteína

43 Uso de aminoácidos Varia bastante entre as proteínas Não permite predizer com precisão o comportamento molecular da molécula

44 Proteínas com outros grupos químicos Adicionados pós-traducionalmente

45 Proteínas podem ser separadas e purificadas Sabendo que a célula possui milhares de proteínas, como purificar uma única delas? Basta selecionar por propriedade Tamanho, carga e propriedades de ligação Obter o extrato bruto correr em cromatografia de coluna Fase estável (matriz) Fase móvel (solução com tampão) Coluna maior permite maior resolução na separação

46 Cromatografia por troca iônica Polímero carregado negativamente Proteínas positivas ligam ao polímero e demoram mais a ser eluídas da coluna Afinidade da proteína é definido também pelo ph

47 Cromatografia por exclusão de tamanho Grânulos porosos na matriz seguram as moléculas menores Moléculas grandes não entram nos poros e são eluídas primeiro

48 Cromatografia de afinidade Adiciona-se à matriz da coluna algum tipo de molécula ligante da molécula de interesse Molécula ligadora de ATP; adiciona-se ATP à matriz Elui-se com solução de ATP

49 Eletroforese -- Histórico 1952, Markham and Smith Ao estudarem hidrólise de RNA percebem que moléculas de diferentes estruturas têm sua mobilidade diferenciada quando aplicadas num papel e submetidas a um campo elétrico 1955, Smithies Géis de amido funcionam bem para separar proteínas do soro humano 1967, Loening Géis de acrilamida com maior resolução e permitem separar ainda moléculas grandes de DNA Tenho que ir senão vou perder meu gel Vou ali correr um gelzinho e já volto 1980, Schwartz and Cantor Eletroforese em campo pulsado separa fragmentos enormes É hoje impossível imaginar um laboratório de biomol sem eletroforese acontecendo a todo instante...

50 Eletroforese Movimento de partículas dispersas num fluído sob influência de um campo elétrico uniforme DNA, carga negativa Tem tendência a se dirigir ao polo positivo quando sujeito a um campo elétrico Serve para separar moléculas por tamanho/carga elétrica Proteína deve ser desnaturada com detergente (SDS) Técnica utilizada à exaustão em trabalhos de biologia molecular

51 Eletroforese, etapas 1.Preparação do gel 2.Aplicação das amostras 3.Eletroforese 4.Coloração 5. Análise dos resultados

52 Aplicação das amostras Definição do mapa das amostras por canaleta

53 Corrida do gel Aplicação do campo elétrico Fonte elétrica gera fluxo de íons através da solução tampão Terminais positivo e negativo Tempo adequado, senão o DNA sai do gel

54 Coloração das moléculas Prata Gel SDS-PAGE PoliAcrilamide Gel Electrophoresis Melhor resolução Coomassie blue, etc Brometo de etídio Agente intercalante do DNA Cancerígeno! Composto fluorescente à luz UV Gel de agarose

55 Eletroforese de um resultado de cromatografia

56 O marcador de peso molecular Comprado de uma empresa Possui proteínas de peso molecular bem conhecido Permite saber o peso molecular da(s) proteína(s) presente(s) numa amostra