Fundamentos da Bioquímica I: Água, a Molécula que viabilizou a vida terrestre. Água: Aspectos estruturais e físicoquímicos

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Diversidade Química de Células

Componente % peso Compostos Unidade Moléculas diferentes Básica diferentes

Água 70 1 - 1 Proteínas 15 3.000 aminoácido 20 DNA 1 1 nucleotídeo 4 RNA 6 > 3.000 nucleotídeo 4 Polissacarídeos 3 5 açúcares ~50 Membranas 2 > 350 lipídios < 350 Monômeros 2 500 - 500 Íons inorgânicos 1 20 - 20 Fundamentos da Bioquímica I:

Água, a Molécula que viabilizou a vida terrestre O meio (solvente) para a maioria das reações bioquímicas é a

água;

Praticamente todas as moléculas biológicas adotam suas formas (e, portanto, suas funções) em resposta às propriedades físicas e químicas da água;

A água é o principal meio de transporte de edutos e produtos de reações metabólicas e de nutrientes, dentro e entre as células; A própria água participa ativamente de muitas reações químicas

que dão suporte à vida. Com freqüência, os componentes iônicos da água, os íons H+_{e OH}-_{, são os principais catalisadores} químicos em reações bioquímicas. A reatividade de muitos grupos funcionais nas moléculas biológicas depende, de fato, das concentrações relativas de H+_{e OH}-_{no meio circundante;} A oxidação da água para produzir oxigênio molecular é uma

reação fundamental da fotossíntese, o processo que converte a energia solar em uma forma química utilizável. A utilização dessa energia acaba por levar à redução de O2novamente a H20.

Água: Aspectos estruturais e físicoquímicos

Propriedades físicoquímicas comprovam a existência de forças de interação fortes entre as moléculas de água em solução

Composto Peso Ponto de Ponto de

molecular fusão (°C) ebulição (°C)

Água (H2O) 18 0 100

Metanol (CH3OH) 29 -98 65

Acetona (CH3)2CO 58 -95 56

Clorofórmio (CHCl3) 119 -63 61

As pontes de hidrogênio são responsáveis pelas propriedades físicoquímicas peculiares da água; Cada molécula de água líquida se reorienta

aproximadamente uma vez a cada 10-12_s. Substâncias hidrofílicas têm afinidadepara

moléculas de água

Substâncias hidrofóbicas não têm afinidadepara moléculas de água.

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Água: Equilíbrio ácido-base H2O ⇔⇔⇔⇔H++ OH -] [ ] [ ] [ 2O H OH H K − + = _[ _]_[ _] ₁₀14 2 M OH H Kw − − + ₌ = log[ +] − = H pH pH = 7 meio neutro pH > 7 meio básico pH < 7 meio ácido K pK=−log ] [ ] [ ] [ HA A H K − + = ] [ ] [ ] [ − + = A HA K H ] [ ] [ log log HA A K pH − + − = ] [ ] [ log HA A pK pH − + = Ácido do estômago

Vinagre, coca cola pH 0 4 3 2 1 1 7 6 5 10-1 10-2 10-4 10-3 10-5 10-6 10-7 Conc H+ Suco de limão Água destilada Café Tomates Drenagem ácida Urina Saliva pH 8 12 11 10 9 7 14 13 Bicarbonato de farinha Sangue Amoníaco Leite de Magnésia Água de mar 10-7 10-8 10-10 10-9 10-11 10-12 10-13 10-14

Carbono: O Principal Elemento Estrutural da Biologia 0.06 K 2.2 Mg 0.08 CI 2.5 K 0.22 P 2.5 Na 0.31 Ca 1.4 Ca 1.4 N 4.5 Fé 9.5 C 7.9 AI 25.5 O 28 Si 63 H 47 O % Elemento % Elemento Corpo Humano Crosta Terrestre

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Carbono: Estrutura tridimensional ⇒

⇒ ⇒

⇒tendência das nuvens de elétrons de se distanciar ao máximo umas das outras

molécula planar molécula linear molécula tetraédrica

Carbono: Aspectos estruturais: quiralidade

Objetos ou Moléculas quirais são estruturas cujas imagens-espelho não podem ser superpostas

Carbono: Aspectos estruturais: quiralidade Todos os átomos de carbono com

quatro ligantes diferentes são quirais

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Carbono: Aspectos estruturais: quiralidade Como identificar se o centro quiral de um aminoácido é L ou D:

1. Observe a molécula ao longo do eixo entre a ligação C-H 2. Se a leitura dos outros três ligantes em sentido horário resultar na

palavra CORN, trata-se de uma molécula L.

3. Se a palavra formada for diferente, trata-se de uma molécula D.

Grupos funcionais importantes na bioquímica

Ácido carboxílico

Grupo funcional: conjunto de átomos ligados entre si por ligações covalentes, que possui propriedades fisicoquímicas e reatividade química semelhante quando ligado a moléculas diferentes.

C OH O

R Ácidos orgânicos, aminoácidos, ácidos graxos, lipídeos, proteínas

C H O R Carbonila:

Aldeído Grupo funcional de açúcares redutores

Carbonila: Cetona

Piruvato, intermediários do ciclo do ácido carboxílico, açúcares

C R2 O R1

Álcool C OH Lipídeos, carboidratos, álcoóis biogênicos

H R

H

Éster

Grupos funcionais importantes na bioquímica Lipídios de procariotos e eucariotos, ligação dos aminoácidos aos t-RNAs

C R1 O O C H H R2

Éter C R Lipídios de arqueas, esfingolipidios

H O C H H H R Fosfoéster _C _R R O P O R OH OH

Ácidos nucléicos, DNA, RNA, ativação química transitória de moléculas em

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Grupos funcionais importantes na bioquímica C R O O P O OH OH Anidrido Misto Fosfanidrido O O OH OH P O O P O R1 R2 OH OH OH P O R1

Fosforila Ativação de moléculas para _{reações posteriores}

Ativação de moléculas para reações posteriores

Ativação de moléculas para reações posteriores Etila Metila C H H R H C H H R H H H C CH R H C C H C H C C H Fenila

Grupos funcionais importantes na bioquímica Lipídios de arqueas, esfingolipidios

Vitaminas, compostos bioquímicos

Amido

Guanidina Amina

NH2 R C NH2 O R1 C N O R1 R2 H Amida Proteínas Aminas biológicas Amidas biológicas N C H R1 NH2 N H Bases nitrogenadas

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Tioéster ácidos graxos, transferências de grupos C2Metabolismo energético, biossíntese de

Sulfhidrila R SH R2 S S R1 Dissulfeto C S O R1 R2 Proteínas (aminoácidos) Pontes para estabilização mecânica da

estrutura terciária de proteínas

Imidazol R C CH

C H

N

HN Vitaminas, compostos bioquímicos

Graus de Oxidação do Átomo de Carbono em Biomoléculas

CH4 C OH O R C H O R CH2 OH R Ácido carboxílico Álcool Aldeído Metano Dióxido de carbono _O _C _O Pontes de Hidrogênio

Papel importantíssimo na estabilização permanente ou transitória de estruturas biológicas

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Pontes de Disulfeto

Formadas entre duas moléculas de cisteína em regiões diferentes de uma proteína

⇒ ⇒⇒

⇒_{Vitais para a estabilização da estrutura terciária de proteínas}

Lipídeos

Funções:

Armazenamento de energia na forma de gordura. Componente estrutural de membranas Hormônios (eucariontes superiores) Vitaminas A, D, E e K são solúveis em lipídeos

Capa de gordura para isolamento térmico e absorção de choques (mamíferos)

Classificação:

Ácidos graxos: saturados, insaturados,prostaglandinas.

Glicérides: glicerídios, fosfoglicerídeos

Lipídeos não glicerídicos: ceras, esfingolipideos, esteróides

Ácidos graxos saturados

Símbolo Nome comum Estrutura Temp. Fusão

12:0 Ácido láurico CH3(CH2)10COOH 44,2 14:0 Ácido mirístico CH3(CH2)12COOH 52 16:0 Ácido palmítico CH3(CH2)14COOH 63,1 18:0 Ácido esteárico CH3(CH2)16COOH 69,1 20:0 Ácido araquídico CH3(CH2)18COOH 75,1 22:0 Ácido beênico CH3(CH2)20COOH 81

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Ácidos graxos insaturados:

Praticamente todas as ligações duplas em cis

Símbolo Nome comum Estrutura Temp. Fusão

16:1(∆9₎ _{Ácido palmitoleico} _CH 3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH -0,5 18:1(∆9₎ _{Ácido oléico} _CH 3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 13,2 18:2(∆9,12₎ _{Ácido linoléico} _CH 3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6COOH -9 18:3(∆9,12,13₎ _{Ácido α-linolênico} _CH 3(CH2)4(CH=CHCH2)3(CH2)6COOH -17 18:3(∆6, 9,12₎ _{Ácido γ-linolênico} _CH 3(CH2)4(CH=CHCH2)3(CH2)3COOH 20:4(∆5,8,11,14₎ _{Ácido araquidônico}_CH 3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH-19,5 20:5(∆5,8,11,14,17₎ _AEP _CH 3CH2(CH=CHCH2)5(CH2)2COOH -54 24:1(∆15₎ _{Ácido nervônico} _CH 3(CH2)7CH=CH(CH2)13COOH 39

Ácidos graxos: temperatura de fusão

Glicerídeos:

Ésteres de glicerol e ácidos graxos: Reserva energética no interior de lipossomos de

eucariontes

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Fosfolipídeos: Principal Componente Estrutural das Membranas de Células

Fosfolipídeos são moléculas anfifílicas, ou seja, possuem uma extremidade polare outra apolar.

polar apolar

Fosfolipídeos: Principal Componente Estrutural das Membranas de Células

Fosfolipídeos: Principal Componente Estrutural das Membranas de Células Mobilidade de Fosfolipídeos na Membrana Água Água Ácidos graxos excluem água

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Lipídios de Membranas de Arquéias Unidades de isopreno Difitanilgliceroltetraéter: Fosfolipídeos passantes na Membrana Membranas de Arquéias

Outros Lipídeos de Membranas

Colesterol: somente na membrana de eucariotos: 5% a 25% dos lipídeos de membranas, Reforço estrutural Hopanóides: assumem o papel do colesterol nas membranas de procariotos

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Lipídeos com ação hormonal (eucariotos)

Lipídeo Artificial Não-metabolizável

Heteropolissacarídeos Estruturais e Funcionais

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Capítulos para estudo: Voet: capítulo 2 (água) Voet capítulo 9 (lipídios)

Lehninger capítulo 3 (carbono, etc.) versão com capa amarela. Observação: os capítulos indicados são os mais adequados para estudo. È possível encontrar o material de lipídios discutido em aula também no capítulo correspondente do Lehninger, só que lá há muito mais informação do que o necessário, direcionada principalmente para bioquímica de eucariontes.