BIOQUÍMICA PARA ODONTO

BIOQUÍMICA PARA ODONTO

Aula 1:

Introdução

Propriedades da Água

Ligações não-covalentes

Ionização da água

Autoria:

Luiza Higa

Programa de Biologia Estrutural

Instituto de Bioquímica Médica

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Reprodução Proibida

BIOQUÍMICA

química da vida

“A bioquímica descreve em termos moleculares as

estruturas, os mecanismos e os processos químicos

compartilhados por todos os organismos e fornece

princípios organizacionais que fundamentam a vida

em todas as suas diversas formas, princípios esses que

coletivamente serão referidos como a lógica molecular

da vida

”

ORGANIZAÇÃO HIERÁRQUICA DAS

ESTRUTURAS BIOLÓGICAS

aminoácidos, nucleotídios, açúcares

GRANDES MOLÉCULAS (MACROMOLÉCULAS) construídas a partir de unidades monoméricas

proteínas – função catalítica (enzimas), transporte de substâncias para dentro e fora das células, componentes estruturais das membranas ácidos nucléicos – armazenam, transmitem e transcrevem a informação

genética

polissacarídios – armazenam energia, componentes estruturais da paredes celulares (em plantas e bactérias)

Lipídios – componentes estruturais das membranas, armazenam energia Os lipídios são moléculas pequenas e por isso, não são classificados como macromoléculas. Entretanto, quando um grande número de moléculas lipídicas se associa não-covalentemente, resulta em estruturas muito grandes

COMPOSIÇÃO MOLECULAR DAS CÉLULAS

• Substância mais abundante nos sistemas vivos

• Cerca de 70% ou mais do peso da maioria dos

organismos

• As propriedades da água afetam a estrutura e

função de todos os componentes celulares

incluindo proteínas, lipídeos e ácidos nucléicos.

ÁGUA

Tecido e fluidos

% Água

Líquido cefaloraquidiano 99 Sangue (plasma) 91-93 Sangue (glóbulo vermelho) 60-65 Tecido Nervoso (substância cinza) 85 Tecido Nervoso (substância branca) 70

Medula 75

Músculo 75-80

Pele 72

Fígado 70-75

Tec. Conjuntivo 60 Osso (sem medula) 20-25 Tecido adiposo 15

Dentina 3

COMPOSIÇÃO DA SALIVA

2-– Moléculas orgânicas pequenas

• Uréia, hormônios, lipídios, DNA, RNA

– Um proteoma complexo

• Glicoproteínas grandes (106_{D) a peptidios (1000 D)} • pI de 3,0 a 11,5

• Secretadas por glândulas salivares • Produtos de células B, PMNs (leucócitos

polimorfonucleares), células epiteliais e bactérias

Mucin 1 (MG1) Mucin 1 (MG1) sIgA sIgA Mucin 2 (MG2) Mucin 2 (MG2) Lactoferrin Lactoferrin Peroxidases Peroxidases Amylases Amylases Carbonic anhydrases Carbonic anhydrases Proline

Proline--rich proteinsrich proteins Lysozyme Lysozyme Statherins Statherins Histatins Histatins 1 1 1010 100100 10001000 1000010000 Size (kDa) Size (kDa)

PRINCIPAIS COMPONENTES PROTÉICOS DA

SALIVA

• Compreender os mecanismos salivares a um nível molecular é um pré-requisito para:

– tratamento efetivo de disfunções das glândulas salivares; – modulação da colonização por bactérias;

– desenvolvimento de saliva artificial e outros produtos para disfunções ou doenças salivares.

IMPORTÂNCIA CLÍNICA DA SALIVA

Cystatins, Cystatins, Histatins, Histatins, Statherins Statherins,, Proline

Proline--rich proteinsrich proteins

Salivary Salivary Families Families Anti Anti- -Bacterial Bacterial Buffering Buffering Digestion Digestion Mineralization Mineralization Lubrication Lubrication &Viscoelasticity &Viscoelasticity Tissue Tissue Coating Coating Anti Anti- -Fungal Fungal Anti Anti- -Viral Viral Carbonic anhydrases, Carbonic anhydrases, Histatins Histatins Amylases, Amylases, Mucins, Lipase Mucins, Lipase Mucins, Statherins Mucins, Statherins Amylases, Amylases, Cystatins, Mucins, Cystatins, Mucins, Proline

Proline--rich proteins, Statherinsrich proteins, Statherins Histatins Histatins Cystatins, Cystatins, Mucins Mucins

Amylases, Cystatins, Histatins, Amylases, Cystatins, Histatins, Mucins, Peroxidases

Mucins, Peroxidases

adapted from M.J. Levine, 1993

adapted from M.J. Levine, 1993

•Boca seca

• Baixa salivação

• Pacientes respiradores bucais

• Disgeusia - sensação de gosto ruim na boca • Pacientes entubados ou não no CTI

• Pacientes imunodeprimidos (hospitalizados, transplantados, oncológicos e outros)

• Pacientes que usam prótese removível

• Pacientes com infecções orais, língua e lábios fissurados, alto risco de ocorrência de úlceras aftosas, mucosite e candidíase oral

• Manutenção do sistema enzimático

Lactoperoxidase, Glicose oxidase, Lactoferrina e Lisozima

SALIVA ARTIFICIAL

Eletronegatividade

O = 3,50 H = 2,10

ÁGUA

Energia de dissociação da

ligação

Pontes de hidrogênio 23 kJ/mol

Ligação covalente (O-H) 470 kJ/mol

Tempo de vida da ponte de hidrogênio – 1 a 20 ps Formação de uma nova ponte de hidrogênio – 0.1 ps

A água é dinâmica!

ÁGUA

pontes de hidrogênio

Na água líquida, as moléculas de água estão desorganizadas e em constante movimento, de forma que, cada molécula de água forma

pontes de hidrogênio com cerca de 3,4 outras moléculas.

A soma de todas as pontes de hidrogênio entre as moléculas de

água conferem a coesão interna da água na sua forma líquida.

ÁGUA

ÁGUA

estrutura do gelo

No gelo, cada molécula de água forma 4 pontes de hidrogênio com

as moléculas de água adjacentes originando uma estrutura regular

e aberta.

ÁGUA

ÁGUA

propriedades

As propriedades da água são conseqüência das atrações entre as moléculas de água adjacentes!!

ÁGUA

aceptor de hidrogênio– átomo eletronegativo

doador de hidrogênio – átomo de hidrogênio covalentemente ligado a outro átomo eletronegativo

PONTES DE HIDROGÊNIO

pontes de hidrogênio em sistemas biológicos

Eletronegatividade O = 3,5 H = 2,1 N = 3,0

PONTES DE HIDROGÊNIO

em sistemas biológicos

As pontes de hidrogênio são capazes de manter duas moléculas ou grupos unidos por elas em um arranjo geométrico específico. Essa propriedade acarreta estruturas tridimensionais precisas às moléculas de proteínas e ácidos nucléicos, que apresentam um alto conteúdo de pontes de hidrogênio intramoleculares.

PONTES DE HIDROGÊNIO

efeito da disposição espacial

as pontes de hidrogênio são altamente direcionais

ÁGUA

solvente polar

A água dissolve a mais substâncias e em maiores quantidades que qualquer outro solvente.

A característica polar da água faz com que seja um excelente solvente para moléculas polares e carregadas, que são

denominadas hidrofílicas.

Substâncias apolares são insolúveis em água e são descritas como hidrofóbicas.

POLARIDADE

POLARIDADE

ÁGUA

Interação eletrostática com solutos polares

a água dissolve sais como o NaCl hidratando e estabilizando os íons Na+_e

Cl-_{, enfraquecendo as interações eletrostáticas entre eles e assim,}

contrapondo-se a tendência de se associarem.

ÁGUA

solvente polar

Os íons de um sal, assim como qualquer outra carga elétrica, interage de acordo com a Lei de Coulomb

Onde,

F = força da interação iônica Q = magnitude das cargas

r = distância entre grupos carregados ε= constante dielétrica do solvente

ÁGUA

solubilidade dos gases

ÁGUA

Interação com moléculas apolares

As moléculas de água na vizinhança imediata de um

soluto apolar apresentam uma restrição em relação

às suas possíveis orientações e formam

“gaiolas” altamente organizadas ao redor das

moléculas de soluto.

Organização das moléculas de água em torno do soluto apolar resulta na diminuição da entropia

ÁGUA

Interação com compostos anfipáticos

Em solução aquosa, a região polar interage

favoravelmente com o solvente e tende a dissolve. Por outro lado, a região apolar tende a evitar o contato com a água

Compostos anfipáticos contém regiões polares e apolares Ex: proteínas, pigmentos e fosfolipídios de membrana

ÁGUA

Interação com compostos anfipáticos

As regiões apolares das moléculas se agregam, apresentando, assim, a menor área hidrofóbica ao solvente, e as regiões polares são arranjadas para

maximizar a sua interação com o solvente.

As forças que mantêm juntas as regiões apolares das moléculas são chamadas interações hidrofóbicas

ÁGUA

Interação hidrofóbica

As forças que mantêm as regiões apolares juntas das moléculas são chamadas

interações hidrofóbicas

A força dessas interações não ocorre devido a atração intrínseca entre as moléculas apolares. Ao contrário, resulta

do fato de o sistema atingir maior estabilidade

termodinâmica, minimizando o número de moléculas de água ordenadas, requeridas para envolver as regiões hidrofóbicas

das moléculas de soluto.

LIGAÇÕES NÃO-COVALENTES

interação de van der Waals

Resultado da influência das nuvens eletrônicas de átomos muito próximos

Variações aleatórias nas posições dos elétrons ao redor do núcleo podem criar um dipolo elétrico transiente, que induz no átomo próximo um outro dipolo elétrico oposto, também transiente. os dois dipolos se atraem fracamente, aproximando os núcleos.

À medida que os dois núcleos se aproximam, as suas nuvens eletrônicas começam a se repelir. Na distância em que a atração de van der Waals contrabalança exatamente essa força repulsiva, os núcleos são considerados estar em contato de van der Waals.

Cada átomo possui tem um raio de van der Waals característico, uma medida de quão próximo um átomo permite que outro se aproxime.

LIGAÇÕES NÃO-COVALENTES

Ligação Energia de dissociação da

ligação

covalente O-H 110 kcal/mol

covalente C-C 84 kcal/mol

covalente C-H 98 kcal/mol

ponte de hidrogênio O-H 5 kcal/mol eletrostática/iônica 10 kcal/mol

hidrofóbica 1-2 kcal/mol

van der Waals 1-2 kcal/mol

Embora as interações não-covalentes sejam individualmente fracas quando comparadas as ligações covalentes, o efeito

cumulativo de muitas dessas interações é significativo e crucial para a estrutura e função das macromoléculas

LIGAÇÕES NÃO-COVALENTES

Importância para a estrutura e função das

macromoléculas

Ex: Formação do complexo enzima-substrato

Quando separadas, as moléculas da enzima e do substrato forçam as moléculas de água a se organizarem em torno delas.

A ligação do substrato libera algumas dessas moléculas organizadas resultando no aumento da entropia que propicia um impulso termodinâmico na formação do complexo enzima-substrato. água organizada e interagindo com o substrato e a enzima moléculas de água deslocadas pela interação enzima substrato interação enzima-substrato estabilizada por pontes de hidrogênio, interações iônicas e hidrofóbicas

As propriedades coligativas da água são modificadas pela presença de solutos que alteram a estrutura da água

Ex: Ponto de fusão e ebulição

SOLUÇÕES AQUOSAS

solutos e propriedades coligativas

Diminuição da pressão de vapor Aumento do ponto de ebulição Diminuição do ponto de

congelamento

ÁGUA

ionização da água

A ionização da água pode ser descrita pelo equilíbrio:

Na água pura, as moléculas de água apresentam um pequeno grau de ionização

Só 2 molécula de água em cada 109_{moléculas está ionizada!!}

IONIZAÇÃO DA ÁGUA

constante de equilíbrio

[H

O] =

m = 1000 = 55,5 M

Mol x V 18 x 1

[H

_{] = 1 x 10}

_M

[OH

_{] = 1 x 10}

_M

IONIZAÇÃO DA ÁGUA

constante de equilíbrio

O valor da constante de equilíbrio da ionização da água, obtido experimentalmente a partir de medidas de condutividade elétrica, é

de 1,8 x 10–16_M.

IONIZAÇÃO DA ÁGUA

constante de equilíbrio

O produto dos íons [H+_{] e [OH}-_{] é sempre 1.0 x 10}-14_M2

Na água pura, [H+_{] = [OH}-_]

ANESTÉSICOS LOCAIS

Primeiro anestésico local – cocaína

1859 – isolamento do princípio ativo da folha da coca, a cocaína

efeitos anestésicos

MECANISMO DE AÇÃO DOS ANESTÉSICOS

LOCAIS - aminas terciárias

amina terciária passível de ionização base fraca pk ~ 8.0 éster ácido benzóico H+

Os anestésicos locais bloqueiam fisicamente os canais de sódio das membranas neuronais. Sem o influxo de sódio não ocorre o potencial de ação e

conseqüentemente, não há propagação do sinal nervoso. A + H+ _AH+ A A + H+ _AH+ A + H+ _AH+ A A + H+ _AH+

AH

X