BIOMOLÉCULAS

Objetivo da Bioquímica – explicar a forma e a função biológica através de termos químicos.

Melhor forma de abordagem dos fenômenos biológicos – purificar componentes químicos individuais.

Ex.: na proteína de um organismo vivo, podemos caracterizar tanto sua estrutura química como sua atividade catalítica.

QUESTIONAMENTOS INTRODUTÓRIOS.

a) Que elementos químicos são encontrados nas células?

b) Que tipos de moléculas estão presentes na matéria viva?

c) Em quais proporções eles ocorrem?

d) Como aconteceu de estarem aí presentes?

e) Por quais caminhos os tipos de moléculas encontrados nas células vivas são tão especialmente adaptado às suas funções?

REVISÃO DOS PRINCIPIOS QUIMICOS

a) Ligações covalentes entre átomos de carbono e outros elementos;

b) Grupos funcionais ocorrentes em moléculas biológicas comuns;

c) Estrutura tridimensional;

d) Estereoquímica dos compostos de carbono;

e) Reações químicas mais comuns ocorrentes nos organismos vivos.

TÓPICOS A SEREM DISCUTIDOS

a) Unidades monoméricas;

b) A contribuição da entropia para as variações da energia livre das reações (formação das macromoléculas).

c) Origem das unidades monoméricas a partir de compostos simples na atmosfera terrestre na fase pré-biótica(evolução química).

1 - COMPOSIÇÃO QUÍMICA

Lavoisier(1743-1794) – contrastou o “mundo mineral” com a complexidade  do “mundo animal e vegetal”, sendo este ultimo sabendo que era formado por elementos carbono, oxigênio, nitrogênio e fósforo.

O desenvolvimento da Química Orgânica contribuiu para o desenvolvimento da Bioquímica. 

A MATÉRIA VIVA É COMPOSTA PRINCIPALMENTE PELOS ELEMENTOS MAIS LEVES

• De 90 elementos químicos naturais, 21 são essenciais nos organismos vivos.

• Desses 21 elementos, 5 têm número atômico acima do selênio.

• 4 elementos são os mais abundantes nos organismos em termos de porcentagem do numero total de átomos (H, O, N e C).

• Juntos são mais de 99% da massa da maioria das células.

São os elementos mais leves capazes de formar até 4 ligações.

• Elementos mais leves à ligações mais fortes.

• Dos 8 elementos mais abundantes no corpo humano, 6 deles estão entre os 9 elementos mais abundantes na água do mar.

• Alguns dos elementos mais abundantes no corpo humano são também encontrados na atmosfera mesmo antes do aparecimento da vida na Terra.
• Os elementos químicos de quantidades menores, microelementos, representam uma fração minúscula do peso do corpo humano, mas são essenciais à vida, porque possuem função de enzimas específicas.

AS BIOMOLÉCULAS SÃO COMPOSTOS DE CARBONO

• A química dos organismos vivos está direcionada em função do elemento carbono representando mais da metade do peso seco da célula.

• O átomo de carbono possue a versatilidade de formar ligações covalentes simples, duplas e triplas, sendo que esta ultima raramente ocorre em biomoléculas.

• Existência de grupos funcionais, permitindo a ilimitada variedade de compostos orgânicos.

• Essa versatilidade foi um fator determinante na seleção de compostos orgânicos para a engenharia molecular das células na origem e evolução dos organismos vivos.

 OS COMPOSTOS ORGÂNICOS TÊM DIMENSÕES E FORMAS ESPECÍFICAS

• Geometria molecular das ligações do carbono:

ü       Ligações simples à arranjo tetraédrico à angulação de 109º28’ à comprimento médio de 0,154nm. Permite giro em torno do seu eixo.

ü       Ligação dupla à arranjo trigonal plano à angulação de 120º à comprimento mais curto (0,134nm). Ligação rígida dificultando a rotação ao longo do seu eixo.

OS GRUPOS FUNCIONAIS DETERMINAM AS PROPRIEDADES QUÍMICAS

• A maioria das biomoléculas é derivada dos hidrocarbonetos.

• Átomos de Hidrogênio são substituídos individualmente por grupos funcionais, para formação de diferentes compostos orgânicos.

• Famílias típicas de compostos orgânicos:

ü       Álcoois à hidroxila

ü       Aminas à grupo derivado da amônia

ü       Aldeídos e cetonas à carbonila

ü       Ácidos carboxílicos à carboxila

• Muitas biomoléculas são polifuncionais (dois ou mais grupos funcionais diferentes.

Ex.: Aminoácidos à dois grupos funcionais (amino e carboxila)

• A habilidade de condensação dos aminoácidos depende das propriedades dos dois grupos funcionais.

2 - ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL

As ligações covalentes e os grupos funcionais não contam a história das biomoléculas. O arranjo espacial tridimensional é um fator crucial, pois existem compostos de carbono com duas ou mais formas tridimensionais indistinguíveis entre si, mas apenas uma delas possue atividade biológica.

CADA COMPONENTE CELULAR TEM UMA ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL CARACTERISTICA

• Derivadas de esqueletos carbônicos e dos grupos funcionais a ele agregados.

• Maneiras de ilustrar uma estrutura tridimensional:

a) perspectiva - estereoquímica

b) bastão e bola – mostram o ângulo das ligações e seus comprimentos.

c) espaço-cheio – mostram os contornos das moléculas.

• A conformação tridimensional das biomoléculas é importante em suas interações.

Ex.: ligação de um substrato ao sitio catalítico de uma enzima.

• Um método físico usado na pesquisa de estruturas tridimensionais é a cristalografia de raios-X.

• Cristalizando o composto, a difração de raios-X pelos cristais determina com precisão a posição de cada átomo em relação aos demais, fornecendo uma figura estática dentro dos limites do cristal.

• Mas, dentro da célula as biomoléculas nunca figuram como cristais, pois elas se encontram dissolvidas no citosol ao agregadas a algum outro componente celular.

• Este método é empregado em biomoléculas que se encontram em solução, devido a maior liberdade de movimento intramolecular, e, no caso de moléculas maiores as variações em suas unidades monoméricas conferem a elas uma extensa flexibilidade.

• Uma técnica complementar à cristalografia de raios-X é a espectroscopia por RNM.

• Conhecendo as estruturas tridimensionais entenderemos os mecanismos das reações que as moléculas participam.      

A MAIORIA DAS BIOMOLÉCULAS É ASSIMETRICA

• Presença de carbono assimétrico: quando 4 átomos diferentes ou 4 grupos funcionais diferentes são ligados a um átomo de carbono numa molécula orgânica.

• Com isso, originam-se os estereoisômeros formando uma classe especial: os enantiômeros (imagens especulares não superponíveis).

• Dois enantiômeros são quimicamente idênticos. Sua diferença está no comportamento perante uma luz polarizada. Um enantiômero gira a luz polarizada para a direita e o outro para esquerda.

• Moléculas sem carbono assimétrico não giram luz polarizada, ou seja, não possuem atividade óptica.

• Daí surgiram os termos [DEXTRORROTATÓRIO] e [LEVORROTATÓRIO] que vêm do latim dexter, direita, e laevu, esquerda.

• De acordo com esses termos, os compostos são chamados de quirais(do grego chiros – mão).

• Correspondentemente o carbono assimétrico é chamado de átomo quiral ou centro quiral.
• Em relação aos aminoácidos apenas a glicina não possuem atividade óptica. O carbono central da molécula da glicina está ligado a 2 hidrogênios, um grupo amino e um grupo carboxila.
• As estruturas tridimensionais das biomoléculas são descritas através de configuração e conformação. Esses termos não são sinônimos.
• CONFIGURAÇÃO – arranjo espacial da molécula orgânica que lhe é conferido ou:

1 – pela presença de duplas ligações;

2 – por centros quirais onde os substituintes estão postos numa seqüência especifica.

• CONFORMAÇÃO – arranjo espacial dos grupos substituintes onde assumem diferentes posições no espaço permitindo liberdade de rotação da ligação.

INTERAÇÕES ENTRE BIOMOLÉCULAS SÃO ESTEREOESPECIFICAS

• Moléculas quirais nos organismos vivos estão presentes em apenas uma de suas formas quirais.

EX.: a) aminoácidos que ocorrem nas proteínas (isômero L);

                   b) glicose, sub-unidade monomérica do amido (isômero D);

• Compostos quirais sintetizados em laboratório, as suas reações não biológicas, produzem todas as formas quirais possíveis chegando a formar a mistura racêmica.

• Nas células vivas são produzidos apenas uma forma quiral, devido as enzimas que os sintetizam serem também moléculas quirais.   

• ESTEREOESPECIFICIDADE – habilidade para distinguir entre estereoisômeros, é uma propriedade comum das enzimas e outras proteínas e uma peculiaridade das células vivas.

• Se uma proteína é complementar a um isômero de um composto quiral, essa mesma proteína não será complementar para o outro isômero.

3 - REATIVIDADE QUÍMICA

Com a presença dos grupos funcionais, as biomoléculas são muito mais reativas, alterando a distribuição eletrônica e a geometria dos átomos vizinhos. Logo, a quebra e a formação de ligações, liberam energia, parte dela em forma de calor.

É possível analisar o comportamento e as reações das biomoléculas partindo dos grupos funcionais que possuem. Mesmo que numa célula típica aconteça um conjunto de reações diferentes, estas são facilmente compreensíveis, pois se aplicam às regras das reações dos compostos orgânicos.  

A FORÇA DA LIGAÇÃO ESTÁ RELACIONADA A ELETRONEGATIVIDADE DOS ATOMOS QUE DELA PARTICIPAM

• Polaridade da ligação covalente à diferença de eletronegatividade.

• Ligação Iônica à Átomos com eletronegatividade muito diferente.

• A força das ligações químicas depende:

ü       Da relação de eletronegatividade;

ü       Da distância dos elétrons em relação aos seus núcleos;

ü       Da carga nuclear;

ü       O numero de elétrons compartilhados;

[ligações duplas são mais fortes que as simples]

[ligações triplas são mais fortes que as duplas]

• A força de ligação é medida em joules (SI) [energia de ligação]. Na bioquímica as calorias têm sido as unidades de energia mais usadas.

• CONVERSÃO à 1cal = 4,18J

• ENERGIA DE LIGAÇÃO – é uma energia associada a uma ligação química. É medida pela energia média necessária para romper 1 mol de ligações covalentes entre 2 átomos.

• A energia do sistema é o aquecimento. O aumento da temperatura, dá maior energia cinética aumentando as colisões entre as moléculas quebrando as ligações com energia suficiente alta para reagir. Ligações são quebradas e novas são formadas.

• A diferença entre as energias de quebra e de formação é idêntica a variação de entalpia (ΔH)

ü       Sistema absorvendo energia à Reação endotérmica à ΔH positivo

ü       Sistema liberando energia à Reação exotérmica à ΔH negativo

NAS CELULAS OCORREM 5 TIPOS DE TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS

• A maioria das células realizam milhares de reações especificas e enzimaticamente catalisadas.

Ex.:

a)       Transformação da glicose em aminoácidos, nucleotídeos ou lipídios.

b)       Extração de energia dos alimentos por oxidação ou a polimerização de sub-unidades em macromoléculas.

• As reações nas celulas vivas caem em 5 categorias gerais:

Transferência – envolvendo grupos funcionais

um grupo fosforil é transferido do ATP para a glicose

  Oxidação-redução

um aldeído é oxidado a acido carboxílico e um transportador de elétrons (NADP+) é oxidado

 Rearranjo – reações que rearranjam a estrutura das ligações ao redor de um ou mais átomos de carbono.

um rearranjo converte um aldeído em uma cetona

 Clivagem – reações que formam ou quebram ligações carbono-carbono.

uma molécula é clivada para formar duas moléculas menores

Condensação – reações nas quais duas moléculas se condensam, com a eliminação de uma molécula de água.

esta reação representa a condensação de dois aminoácidos com a eliminação de água para a formação de uma ligação peptídica; as reações de condensação ocorrem em muitos processos celulares e neles são montadas grandes moléculas a partir de pequenos precursores.

• O mecanismo das reações bioquímicas não é diferente de outras reações químicas. Elas envolvem interações entre grupos núcleofílicos e eletrofílicos.

• GRUPOS NUCLEOFILICOS – são ricos em elétrons e capazes de doá-los. Combinam-se com, e dão elétrons para, os grupos eletrofílicos.

Ex.: N, O e S são os principais grupos núcleofílicos.

• GRUPOS ELETROFILICOS – são deficientes em elétrons, e que, portanto, buscam os elétrons que lhes faltam.

Ex.: prótons de H e cátions metálicos.

• Dependendo de quais grupos estão ao seu redor, o carbono pode atuar tanto como nucleofílico, como eletrofílico, formando respectivamente o carbânion e o carbocátion.

4 - MACROMOLÉCULAS E SUAS SUB-UNIDADES MONOMÉRICAS

No interior das celulas encontram-se as macromoléculas, espécies de alto peso molecular formados por moléculas mais simples. Essas estruturas possuem pesos moleculares variando de milhares até bilhões, partindo da polimerização de sub-unidades de peso molecular ao redor de 500 ou menos. Rearranjando as macromoléculas podemos formar unidades funcionais, de ribossomos à organelas.    

OS PRINCIPAIS CONSTITUINTES DOS ORGANISMOS SÃO MACROMOLÉCULAS

• Analisando a Escherichia Coli na tabela abaixo:

• Água mais abundante.

• Sais inorgânicos e os minerais constam de uma fração muito pequena – maioria deles em proporções distribuídas na água do mar.

• A matéria sólida em todos os tipos de celulas é orgânica, presente em 4 formas principais.

• PROTEINAS

v      Longos polímeros de aminoácidos.

v      Algumas funcionam como enzimas.

v      Outras como elementos estruturais.

v      Outras atuam como transportadoras para o interior ou exterior da célula.

ü       Sinais específicos à receptores

ü       Substancias especificas à proteínas de transporte

v     Tem pesos moleculares variando de 5 mil até 1 milhão.

·         ACIDOS NUCLEICOS

v      Polímeros de nucleotídeos.

v      Armazenam, transmitem e transcrevem informação genética.

v      Seus pesos moleculares variam na região de milhões.

·          POLISSACARIDEOS

v      Polímeros de açucares simples (glicose)

v      Servem para armazenar alimentos e liberar energia e também como elementos estruturais extracelulares.

v      Oligossacarídeos servem como sinais celulares específicos quando ligados a proteínas ou lipídios na superfície celular.

v     Seus pesos moleculares variam na região de milhões.

·         LIPIDIOS

v      Derivados oleosos dos hidrocarbonetos

v      Componentes estruturais das membranas, armazenando alimento rico em energia.

v      Não são macromoléculas (peso variando de 750 a 1500)

v      Entretanto, associadas não covalentemente, resultam em formas muito grandes.

v      Membranas celulares são construídas por enormes agregados de lipídios. 

AS MACROMOLÉCULAS SÃO CONSTRUÍDAS COM SUB-UNIDADES MONOMÉRICAS

• São em numero pequeno e idênticas em todas as espécies, as quais são construídos as proteínas e os ácidos nucelicos.

MACROMOLECULAS INFORMACIONAIS à proteínas e ácidos nucléicos possuem seqüência de sub-unidades ricas em informações.

• No caso dos polissacarídeos:

AS SUB-UNIDADES MONOMÉRICAS TÊM ESTRUTURA SIMPLES

• Nas proteínas são 20 aminoácidos diferentes (prolina possue grupo imino)

• Diferem entre si nas suas cadeias laterais.

• Nos ácidos nucléicos, são 8 nucleotídeos diferentes sendo 4 para o DNA e 4 para o RNA.

• Componentes do nucleotídeo:

1. base orgânica nitrogênio

2. açúcar de 5 atomos de carbono

3. fosfato

• São construídos por 5 bases orgânicas diferentes combinados com 2 açucares diferentes.

• Os lipídios são construídos através de reações entre ácidos graxos de cadeia longa e álcool

• Os principais ácidos graxos de cadeia longa são:

• Em reação com glicerol, formam palmitatos e oleatos.
• Esses compostos são progenitores da maioria das biomoléculas.
• Os compostos a seguir tem função múltipla nos organismos vivos.

A CONDENSAÇÃO ENTRE AS SUB-UNIDADES CRIA ORDEM E REQUER ENERGIA

• Improvável que os aminoácidos se condensem espontaneamente com uma seqüência única.

• Aumento na ordem numa proporção de moléculas.

• 2ª lei de termodinâmica