FRENTE III QUÍMICA ORGÂNICA BIOQUÍMICA: CARBOIDRATOS E LIPIDEOS

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1 CARBOIDRATOS Os carboidratos são as biomoléculas mais abundantes na natureza. Estima-se que, por meio da fotossíntese, as plantas produzem de toneladas do carboidrato celulose por hora no mundo. Essa reação ocorre por remoção de CO2 da atmosfera. A velocidade de produção é limitada pela baixa concentração de CO 2 que gira em torno de 0,04%. O termo carboidrato é derivado da formula mínima que grande parte dos carboidratos possui C(H 2 O) carbono hidratado. Existem três tipos principais de carboidratos: monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. Outra forma de referencia aos carboidratos é o termo açúcares, mais comum entre os mono e oligossacarídeos. Como pode ser observado, nas formula estruturais, os monossacarídeos possuem carbonos quirais e, consequentemente, atividade óptica. Estrutura cíclica dos sacarídeos Por simplicidade, os monossacarídeos foram representados por suas estruturas abertas. No entanto, monossacarídeos de cinco e seis carbonos, quando em solução, existem predominantemente em duas formas cíclicas. A formação do ciclo é resultado da reaçõa entre um grupo hidroxila e o grupo carbonila do aldeído nas aldoses ou da cetona nas cetoses. A figura a seguir ilusta a ciclização da glicose. Monossacarídeos São os carboidratos mais simples. Suas moléculas possuem funções aldeídos (aldoses) ou cetona (cetoses) com dois ou mais grupos hidroxilas na molécula. Apesar de existir monossacarídeos de três a sete átomos de carbono, os mais importantes possuem cinco (pentoses) e seis (hexoses) átomos de carbono. A figura a seguir ilustra os quatro monossacarídeos mais importantes: Ciclização da glicose A frutose apresenta uma ciclização semelhante, no entanto, o ciclo formado é de uma furanose. Monossacarídeos Página 1

2 Polissacarídeos A maioria dos carboidratos encontrados na natureza está na forma de polissacarídeos. Os principais são: - Amido e glicogênio, as duas principais formas de armazenamento de carboidratos nos vegetais (amido) e nos animais (glicogênio). - Celulose e quitina, os polissacarídeos estruturais dos vegetais (celulose) e do exoesqueleto dos artrópodes (quitina). Amido e glicogênio O amido e o glicogênio são homopolímeros de condensação de α-d-glicose (monômero). As ligações glicosídicas entre as glicoses ocorrem entre as hidroxilas ligadas aos carbonos um e quatro de diferentes moléculas de glicose, semelhantes àquelas da maltose. Ciclização da frutose Oligossacarídeos Os principais oligossacarídeos são os dissacarídeos, que consistem em dois monossacarídeos conectados covalentemente por uma ligação chamada glicosídica. Os dissacarídeos mais comuns, encontrados na natureza, são: sacarose (glicose + frutose), maltose (glicose + glicose) e lactose (galactose + glicose). Formação da sacarose Figura ligação glicosídica no amido A principal diferença do amido e do glicogênio está relacionada ao grau de ramificação desses polímeros, que, sendo maior no glicogênio, permite uma melhor hidratação. É importante notar que o monômero desse polímero é a glicose do tipo alfa (α). A ligação glicosídica do tipo (α1 4) faz com que as glicoses se disponham sequencialmente em uma estrutura espiral, formando longos tubos mantidos por ligações de hidrogênio intramoleculares. Algumas características do amido podem ser facilmente explicadas por essa estrutura. O aquecimento do amido na presença de água quebra as ligações de hidrogênio intramoleculares e permite que as diversas hidroxilas do amido possam formar ligações de hidrogênio com a água. Quando esfriadas, essas megaestruturas coagulam na forma de gel. Página 2

3 Estrutura espiral do amido Figura estrutura linear da celulose Celulose e quitina A celulose, como no amido, também é um homopolímero de consensação de glicose. No entanto, nesse caso, o monômero é a β-dglicose e a ligação glicosídica do tipo (β 4). Pode aparecer uma diferença sutil, mas a disposição das glicoses sucessivas neste polímero permite um arranjo linear tal que as ligações de hidrogênio podem se formar entre cadeias vizinhas. Essa disposição linear com várias cadeias dispostas lado a lado, estabilizadas pelas ligações de hidrogênio entre cadeias vizinhas, confere a essa estrutura supramolecular uma grande resistência à tração. LIPIDEOS Ao contrário das demais biomoléculas, os lipídeos não são polímeros e possuem como característica comum o fato de não serem solúveis em água. As funções biológicas dos lipídeos são também muito variadas. Óleos e gorduras são as principais formas de armazenamento de energia em um grande número de organismos. Fosfolipídeo é o principal elemento estrutural das membranas celulares. Outros lipídeos, embora em pequenas quantidades, são cruciais no funcionamento dos organismos, tais como hormônios esteroides, ceras, cofatores de enzimas, pigmentos, agentes emulsificantes, etc. Ácidos Graxos São ácidos carboxílicos de cadeia longa usados pelos seres vivos na síntese de triacilgliceróis (lipídeos ou gorduras). Em ácidos insaturados, as ligações duplas são sempre cis e a primeira ligação dupla é no carbono 9. Em ácidos graxos poli-insaturados, as ligações duplas nunca estão conjugadas. Ligação glicosídica da celulose Página 3

4 Triacilgliceróis Os principais lipídeos são os triacilgloceróis, também chamados de óleos ou gorduras. Os óleos diferem das gorduras unicamente pelo estado físico; quimicamente, ambos são ésteres de ácidos graxos e glicerol. Estrutura geral do fosfolipídeo Tripalmitado de glicerila O estado físico dos lipídeos esta relacionado com a quantidade de ligações duplas dos ácidos graxos. Quanto mais insaturados forem os ácidos graxos, maior a tendência do lipídeo a ser líquido. Como os lipídeos são praticamente apolares, as forças intermoleculares em questão são as forças de Van der Waals; assim, quanto mais eficiente for o empacotamento das moléculas (contato entre as moléculas), maior será sua temperatura de fusão. Ácidos graxos saturados empacotam mais eficientemente do que ácidos graxos insaturados, pois as ligações duplas encontradas na natureza são sempre de configuração cis, promovendo uma curva na cadeia e impedindo o empacotamento eficiente. O grupo X pode ser uma variedade grande de grupos altamente hidrofílicos (etanamina, colina, serina, açúcares, etc). Em geral os fosfolipídeos de membrana possuem um ácido graxo saturado de 16 ou 18 carbonos na posição 1 do glicerol, um ácido graxo monoinsaturado de 18 ou 20 carbonos na posição 2 do glicerol. Uma representação comum aos fosfolipídeos, geralmente encontrada em livros de bioquímica e biologia, é uma forma esferoidal (em azul) representando a parte hidrofílica e duas caudas representando a parte hidrofóbica (em amarelo), como mostra a figura a seguir: Fosfolipídeos A estrutura das membranas biológicas é baseada em uma camada dupla de moléculas, os fosfolipídeos, como comportamento químico semelhante ao dos saboões, ou seja, uma parte hidrofóbica e outra hidrofílica na mesma molécula. Representação esquemática de um fosfolipídeo Página 4

5 Utilizando a representação esquemática a seguir, fica mais fácil entender a estrutura de uma membrana celular. 04 (UFOP) Mantendo-se constante a concentração de uma enzima, o efeito da temperatura sobre a velocidade de reação pode ser representado pelo gráfico abaixo: Representação esquemática da membrana celular EXERCÍCIOS 01 - Os açúcares complexos, resultantes da união de muitos monossacarídeos, são denominados polissacarídeos. a) Cite dois polissacarídeos de reserva energética, sendo um de origem animal e outro de origem vegetal. b) Indique um órgão animal e um órgão vegetal, onde cada um destes açúcares pode ser encontrado. a) A partir de uma determinada temperatura ocorre o fenômeno conhecido como desnaturação. Explique esse fato com base na estrutura das enzimas. b) Considere a frase: A clara de ovo é rica em proteínas, portanto, tendo em vista seu valor nutricional, seria melhor ingeri-la crua. Indique se ela é verdadeira ou falsa e justifique sua escolha. c) Considere os grupos de lipídeos: triglicerídeos, fosfolipídeos e ceras. Qual desses é um importante componente das membranas plasmáticas? Qual característica estrutural do componente citado em 1 distingue-o dos demais e é essencial para a estrutura das membranas? 02 São substâncias usadas preferencialmente como fonte de energia: a) fosfolipídios e esteróides. b) glicerídeos e polissacarídeos, como o amido. c) proteínas e glicerídeos. d) cerídeos e esteróides. e) carotenóides e polissacarídeos, como a celulose. 03 (UFS) As proteínas são substâncias que estão presentes em todos os seres vivos. As proteínas são formadas por unidades menores, denominadas de: a) ácidos nucléicos b) aminoácidos c) monossacarídeos d) enzimas e) ligação peptídica Gabarito 01 a) Polissacarídeo de reserva animal: Glicogênio Polissacarídeo de reserva vegetal: Amido. b) Glicogênio é armazenado nos músculos esqueléticos e no fígado. Amido pode ser armazenado na raiz (mandioca), no caule (batata-inglesa), nos sementes (milho). 2 B 3 B 4 - a) A desnaturação corresponde a alterações na estrutura secundária e terciária das enzimas, com o consequente comprometimento de sua função biológica. b) A afirmativa é falsa, pois, crua ou cozida, a clara apresentará os mesmos componentes os aminoácidos que serão absorvidos pelo organismo. c) Os fosfolipídeos. A ocorrência de uma região hidrofóbica (cauda) e de uma região hidrofílica (cabeça), o que faz com que essas moléculas se organizem em dupla camada, quando em total contato com a água. Página 5