Introdução a bioquímica

Introdução a bioquímica

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O dióxido de carbono fisicamente dissolvido está em constante equilíbrio com o ácido carbônico e também com o

CO2 alveolar. Alterações em qualquer dos componentes na fase aquosa, provocam modificações no equilíbrio; por exemplo, o aumento do CO2 eleva o H2CO3, que desvia o equilíbrio da reação de dissociação aumentando o H+. Assim, o CO2 é considerado parte do ácido conjugado e participa do componente ácido da equação:

3 a COCOH

Com a inclusão do CO2 o valor de pKa é 6,1. A quantidade de

H2CO3 não-dissociado é menor que 1/700 do conteúdo de CO2 e, normalmente, é desprezada. É uma prática comum referir-se ao CO2 dissolvido como o ácido conjugado. Existe uma relação direta entre o pH do sangue e a pressão do gás dióxido de carbono nos pulmões.

Embora o pKa para o sistema HCO3-/CO2 seja 1,3 unidades de pH menor do que o pH extracelular normal de 7,40, este sistema tampona extremamente bem, porque o CO2 pode ser regulado por alterações da ventilação alveolar.

20 • Motta • Bioquímica

2. Tampão fosfato. Consiste de um ácido fraco-base conjugada H2PO4-/HPO4-(diidrogeno fosfato/hidrogeno fosfato):

Com pKa 7,2, poderia parecer que o tampão fosfato é uma escolha excelente para o tamponamento sangüíneo. No entanto, as concentrações do H2PO4- e HPO42- no sangue são muito baixas para exercer atividade significante. Por outro lado, o sistema fosfato é fundamental para o tamponamento dos líquidos intracelulares onde suas concentrações são de, aproximadamente, 75 mEq/L. Os níveis de fosfato nos líquidos extracelulares como o sangue está ao redor de 4 mEq/L. Como o pH normal dos líquidos extracelulares é cerca de 7,2 (o intervalo é de 6,9 a 7,4) uma mistura equimolecular de H2PO4- e HPO42- está presente. Apesar das células conterem outros ácidos, eles são de pouca importância pois seus valores de pKa são baixos para o pH intracelular. Por exemplo, o ácido láctico tem um pKa de 3,86.

3. Tampão de proteínas. As proteínas apresentam uma grande capacidade tamponante. Composta de aminoácidos ligados entre si por ligações peptídicas, as proteínas contêm vários grupos ionizáveis nas cadeias laterais que podem doar ou aceitar prótons. Como as moléculas de proteínas estão presentes em significantes concentrações nos organismos vivos, elas são tampões poderosos. Por exemplo, a hemoglobina é a mais abundante biomolécula nas células sangüíneas e exerce um importante papel na manutenção do pH no sangue. Também presentes em altas concentrações e auxiliares na manutenção do pH são a albumina e outras proteínas séricas.

1.5 Biomoléculas

Os organismos vivos são compostos por milhares de moléculas inorgânicas e orgânicas diferentes. Contêm cerca de 27 elementos químicos. O número real depende do tipo de célula e a espécie de organismo. Acima de 9% da massa da maioria das células, são compostas por oito elementos denominados elementos principais. Os outros constituintes são elementos secundários (Tabela 1.6). A grande maioria dos constituintes moleculares dos sistemas vivos, contêm carbonos unidos covalentemente a outros carbonos e a átomos de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio.

A. Carbono

O carbono (número atômico 6, peso atômico 12) é um átomo pequeno que tem quatro elétrons em seu orbital eletrônico externo que permite participar no compartilhamento com outros

Tabela 1.6. Elementos encontrados nas células.

Elementos principais

Elemento Símbolo

Carbono C Hidrogênio H Nitrogênio N Oxigênio O Fósforo P Enxôfre S Cálcio Ca Potássio K

Oligoelementos

Elemento Símbolo

Arsênico As Boro B Cloro Cl Cromo Cr Fluor F Iodo I Ferro Fe Magnésio Mg Manganês Mn Molibdênio Mo Níquel Ni Selênio Se Silicônio Si Sódio Na Estanho Sn Vanádio V Zinco Zn

1 Introdução à Bioquímica • 21 quatro átomos. Os elétrons externos do carbono estão arranjados ao redor do núcleo como um tetraedro, uma pirâmide com faces triangulares.

Uma das mais importantes propriedades do átomo de carbono é sua capacidade em formar ligações covalentes com outros átomos de carbono para formar cadeias ou anéis que são a base das macromoléculas. A formação de ligações necessita energia, exemplo: a ligação C-H requer 414 kJ·mol-1; a ligação C-C 343 kJ·mol-1; a ligação C-O 351 kJ·mol-1; a ligação C=C 615 kJ·mol- 1 e a ligação C=O 686 kJ·mol-1.

Os átomos de carbono quando ligados um ao outro por ligações simples tem a capacidade girar livremente a menos que estejam restritos por grupos muito grandes ou cargas elétricas. A rotação permite a uma molécula orgânica assumir diferentes formas chamadas conformações. As ligações duplas carbonocarbono:

• São mais curtas que as ligações simples.

• Apresentam rotação limitada.

• São mais rígidas, (importante em grandes moléculas).

• Variam o ângulo entre dois elétrons, afetando a conformação da molécula. Isto tem um grande impacto sobre a atividade biológica da molécula, que muitas vezes envolve uma interação dependente da conformação de outras moléculas.

As cadeias e anéis podem apresentar diferentes arranjos em suas ligações que se alternam dando origem a um sistema de ligação conjugada. Os elétrons da ligação movem-se no interior da molécula aumentando a estabilidade da estrutura. Esse fenômeno é chamado estabilização por ressonância e a estrutura é constantemente alternada entre as duas formas.

As moléculas biologicamente ativas são provenientes da capacidade do carbono ligar covalentemente o nitrogênio, hidrogênio, oxigênio e enxôfre. Simplificadamente, considerase as moléculas biológicas como esqueletos de átomos de carbono ligados covalentemente entre si para formar cadeias longas, ramificadas ou lineares ou, ainda, anéis de hidrocarbonetos. Os átomos de hidrogênio que estão ligados aos átomos de carbono podem ser substituídos por N, O e S para formar uma grande variedade de grupos funcionais, tais como: amino, aldeídos, álcoois e sulfidrila. Isso resulta em uma grande gama de compostos químicos com diferentes grupos funcionais encontrados nas moléculas biológicas. Os grupos funcionais podem alterar a distribuição dos elétrons e ângulos da ligação e contribuem consideravelmente para a reatividade química. As moléculas biológicas muitas vezes contêm mais que um grupo funcional e são denominadas polifuncionais. Por exemplo, os aminoácidos contêm grupos aminos e grupos

Talidomida

Durante o período entre 1957 e 1961, aproximadamente 10.0 pessoas em todo o mundo nasceram com membros deformados ou inexistentes após as mães terem ingerido a droga talidomida, um sedativo para tratar enjôos e náuseas durante a gravidez.

A talidomida pode existir em duas formas enancioméricas. Animais tratados com a R(+)-talidomida produziam neonatos normais enquanto aquelas que recebiam o enanciômero S(-) produziam nascituros deformados. A talidomida prescrita para humanos era formada por uma mistura racêmica (mistura que contêm quantidades iguais de cada enanciômero).

Somente em 1995 foi comprovada que em humanos há uma rápida interconversão entre os dois enanciômeros. O equilíbrio é estabelecido entre as duas formas no sangue, independente de qual enanciômero foi empregado inicialmente. Isso sugere que, mesmo utilizando a forma pura R(+)-talidomida, os defeitos de nascimento em seres humanos seriam os mesmos.

2 • Motta • Bioquímica carboxílicos que determinam as propriedades químicas dos aminoácidos.

B. Estrutura tridimensional

A ligação de quatro diferentes grupos a um átomo de carbono resulta em estruturas tetraédricas diferentes. As moléculas com composições idênticas mas com diferentes estruturas, são chamadas isômeros. Os isômeros que diferem no arranjo espacial são denominados estereoisômeros. Essas estruturas apresentam centros assimétricos (centros quirais) indicando que os estereoisômeros podem ocorrer em formas orientadas à direita ou à esquerda. Os estereoisômeros são imagens especulares um do outro e não-superponíveis e são chamados moléculas quirais. Os estereoisômeros são enanciômeros e apresentam atividade óptica, i.e., giram a luz plano-polarizada para a direita (dextrógiro) ou para a esquerda (levógiro). Uma mistura equimolar de cada enanciômero é opticamente inativa (mistura racêmica).

As posições dos átomos ou grupos ao redor de um átomo de carbono quiral não estão relacionados com a direção do desvio da luz plano-polarizada de uma maneira simples. Emil Fisher em 1891, arbitrária e corretamente, designou uma das estruturas do gliceraldeído e chamou de D-gliceraldeído. O isômero levorrotatório foi chamado L-gliceraldeído. Atualmente, o gliceraldeído permanece a base da configuração estereoquímica das moléculas biológicas. Estereoisômeros de todas as moléculas quirais tem configurações estruturais relacionadas com um dos gliceraldeídos e são designadas D ou L independente de sua atividade óptica. A atividade óptica é indicada por (+) para dextrorrotatório e (-) para levórrotatório.

Os centros quirais são de grande importância biológica pois um grande número de moléculas são seletivas quanto a quiralidade, por exemplo, virtualmente todas as proteínas e polissacarídios dos organismos superiores são compostos por L- aminoácidos e D-monossacarídeos, respectivamente. Esta seletividade é devida à estabilidade adicional que estas configurações conferem às moléculas poliméricas.

C. Macromoléculas

As macromoléculas são construídas pela união química de precursores relativamente simples (subunidades monoméricas) para formar polímeros de unidades repetidas. Todos os organismos vivos têm os mesmos tipos de subunidades monoméricas que além da formação de macromoléculas exercem, também, várias funções biológicas. As ligações específicas para cada tipo de macromolécula, são formadas por

Sistema RS

O sistema RS de nomenclatura para a configuração estereoquímica foi desenvolvido em 1956 para superar o principal problema associado com a nomenclatura DL, que pode ser ambigüa para compostos com múltiplos centros quirais. O sistema RS compara os quatro átomos ou grupos ligados ao átomo de carbono tetraédrico (centro quiral). Cada grupo ligado ao centro quiral tem uma prioridade. As prioridades são: SH > OH > NH > COOH > CHO > CHOH > CH > H.

A configuração do centro quiral é visualizada com o grupo de menor prioridade orientado para longe do observador, exemplo, o H no gliceraldeído. Se a ordem dos outros três grupos diminui na direção horária, a configuração será considerada R (do latim, rectus, direita). Se a ordem for no sentido anti-horário, a configuração será considerada S (do latim, sinistrus, esquerda). Desse modo, o R- gliceraldeído é sinônimo de D- gliceraldeído. O sistema RS descreve sem ambigüidades a configuração estereoquímica de compostos contendo vários centros quirais, exemplo, (2S, 3R)-treonina.

1 Introdução à Bioquímica • 23 reações de condensação com perda de água, em processos que requerem o fornecimento de energia (Figura 1.7).

Figura 1.7 Construção de macromoléculas a partir de precursores menores.

O tamanho das moléculas são comparados em relação a sua massa molecular. A unidade de massa empregada é o dalton (Da) ou quilodalton (1000 Da ou 1 kDa) onde 1 Da é igual ao peso de um átomo de hidrogênio, i.e. 1,6 x 10-24 g. As quatro principais classes de moléculas biológicas são:

1. Proteínas: são formadas por longos polímeros de aminoácidos; apresentam elevada massa molecular que variam de centenas a milhões de daltons. Exercem muitos papéis, tais como, enzimas, estruturais, transporte, hormônios, regulação gênica, proteção e toxinas.

2. Carboidratos: são polímeros de açúcares simples, como a glicose, com massas moleculares semelhantes a das proteínas. Armazenam energia e também são elementos estruturais extracelulares.

3. Lipídeos: são formados por moléculas relativamente pequenas (ao redor de 300-1500 Da) que podem se associar para constituir grandes moléculas que servem, principalmente, como componentes estruturais das membranas, como forma de armazenamento de energia e em outras funções (hormônios esteróides, vitaminas, proteção, material isolante).

4. Ácidos nucléicos: são polímeros dos nucleotídeos; constituem o DNA e o RNA que armazenam, transmitem e transcrevem a informação genética. São componentes das organelas celulares.

Na Tabela 1.7 estão destacadas algumas características da construção das macromoléculas. Como exemplo, os carboidratos poliméricos são constituídos por monossacarídeos

Unidades monoméricas

Reação de condensação -( -1)H On

Onde = número de unidades monoméricas n

Ligações covalentes Polímero

24 • Motta • Bioquímica unidos por ligações glicosídicas para formar oligossacarídeos (2 a 10 unidades) ou polissacarídeos (mais de 10 unidades). Os oligossacarídeos são descritos como dissacarídeos, trissacarídeos ou tetrassacarídeos e assim por diante, de acordo com o número de unidades monoméricas. Nomenclatura similar é empregada para as proteínas e ácidos nucléicos. A maioria das macromoléculas contém uma ou poucas unidades monoméricas diferentes, por exemplo, o glicogênio é formado por uma única unidade monomérica, denominada glicose; o ácido desoxirribonucléico (DNA) contém somente quatro diferentes nucleotídios.

A forma precisa de uma estrutura polimérica é conferida pela natureza da ligação covalente e ligações adicionais como, por exemplo, as pontes de hidrogênio. Ligações adicionais podem ocorrer entre átomos ou grupos funcionais na mesma cadeia e são chamadas ligações intra-moleculares. Ou entre cadeias adjacentes e denominadas ligações inter-moleculares. A estrutura polimérica pode ser degradada em suas unidades monoméricas por hidrólise pela adição de água aos grupos que estão envolvidos nas ligações covalentes. Nos sistemas biológicos isto é conseguido pela ação catalisadora de enzimas.

As classes de macromoléculas biológicas não são mutuamente exclusivas e podem interagir para produzir moléculas híbridas ou conjugadas. Por exemplo, as proteínas e os carboidratos podem formar proteoglicanos ou glicoproteínas. Os proteoglicanos são fundamentalmente formados por polissacarídios (95% da massa da macromolécula) unidos por ligações covalentes e não-covalentes às proteínas. As glicoproteínas contém pequenas quantidades de carboidratos ligado à cadeias polipeptídicas somente por ligações covalentes.

Moléculas híbridas como os glicolipídeos, lipoproteínas e nucleoproteínas também estão presentes nos organismos vivos.

Tabela 1.7. Comparação das classes de macromoléculas

Características Carboidratos Proteínas Ácidos nucléicos

Unidades monoméricas Monossacarídeos Aminoácidos Nucleotídeos

Ligação covalente formada por reação de condensação Glicosídica Peptídica Fosfodiéster

Nomenclatura de unidades múltiplas:

2-10 unidades Oligossacarídeos Olipeptídeos Oligonucleotídeos >10 unidades Polissacarídeos Polipetídeos Polinucleotídeos

Ocorrência de pontes de hidrogênio Intra e intermolecular Intra e intermolecular Intra e intermolecular Enzima hidrolítica Glicosidases Peptidases Nucleases

Finalmente, deve-se notar que a atividade biológica não está confinada a unidades monoméricas, ou grandes cadeias poliméricas ou ainda, a moléculas conjugadas. Existem muitos exemplos de oligômeros biologicamente ativos, como por

1 Introdução à Bioquímica • 25 exemplo, o glutatião (um tripeptídeo) que atua na manutenção da integridade das membranas.

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