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Prezado (a) Acadêmico (a), bem-vindo (a) à UNINGÁ – Centro Universitário Ingá. Primeiramente, deixo uma frase de Sócrates para reflexão: “a vida sem desafios não vale a pena ser vivida.” Cada um de nós tem uma grande responsabilidade sobre as escolhas que fazemos, e essas nos guiarão por toda a vida acadêmica e profissional, refletindo diretamente em nossa vida pessoal e em nossas relações com a sociedade. Hoje em dia, essa sociedade é exigente e busca por tecnologia, informação e conhecimento advindos de profissionais que possuam novas habilidades para liderança e sobrevivência no mercado de trabalho. De fato, a tecnologia e a comunicação têm nos aproximado cada vez mais de pessoas, diminuindo distâncias, rompendo fronteiras e nos proporcionando momentos inesquecíveis. Assim, a UNINGÁ se dispõe, através do Ensino a Distância, a proporcionar um ensino de qualidade, capaz de formar cidadãos integrantes de uma sociedade justa, preparados para o mercado de trabalho, como planejadores e líderes atuantes. Que esta nova caminhada lhes traga muita experiência, conhecimento e sucesso. Reitor: Prof. Me. Ricardo Benedito de Oliveira Pró-reitor: Prof. Me. Ney Stival Diretora de Ensino a Distância: Profa. Ma. Daniela Ferreira Correa PRODUÇÃO DE MATERIAIS Designer Educacional: Clovis Ribeiro do Nascimento Junior Diagramador: Alan Michel Bariani Revisão Textual: Letícia Toniete Izeppe Bisconcim / Mariana Tait Romancini Domingos Produção Audiovisual: Eudes Wilter Pitta / Heber Acuña Berger Revisão dos Processos de Produção: Rodrigo Ferreira de Souza Fotos: Shutterstock © Direitos reservados à UNINGÁ - Reprodução Proibida. - Rodovia PR 317 (Av. Morangueira), n° 6114 Prof. Me. Ricardo Benedito de Oliveira REITOR UNIDADE 3WWW.UNINGA.BR ENSINO A DISTÂNCIA SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO ............................................................................................................................................................. 4 LÓGICA MOLECULAR DA VIDA: FATORES DISTINGUEM UM ORGANISMO DE UM AGLOMERADO MOLECULAR .............................................................................................................................................................. 5 ESTUDO DO SOLVENTE DAS BIOMOLÉCULAS: ÁGUA ........................................................................................... 6 AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS e PROTEÍNAS .......................................................................................................... 13 PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS ...................................................................................................................................... 16 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................................................................ 19 LÓGICA MOLECULAR DA VIDA. ESTUDO DO SOLVENTE DAS BIOMOLÉCULAS. AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS 01 PROF.A DRA. GISELE CAROLINE NOVAKOWSKI 4WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO A bioquímica (Bio = vida; Chyma = moldar) é a ciência que trata de explicar a origem da matéria viva a partir da união e interação de moléculas inanimadas. Como toda ciência, a Bioquímica se desenvolveu a partir do empirismo, ou seja, da observação de fatos e, posteriormente, da experimentação. Desse modo, em princípio, quando não se dominava essa ciência, a explicação para origem da matéria viva no séc IV era a abiogênese. Conforme a abiogênese, a vida se origina da matéria inanimada associada a um princípio ativo ou força vital, que não se sabia exatamente o que era e por isso tinha um caráter místico. Em síntese, temos: matéria bruta + força vital = ser vivo. Todavia, vários experimentos como o de Francesco Redi e de Louis Pasteur contestaram a abiogênese, propondo que toda vida se origina uma vida pré-existente, teoria conhecida como biogênese. Essa é a teoria atualmente aceita, mas ainda não respondemos a seguinte pergunta: Como o primeiro ser vivo teria se originado? Desse ponto em diante, a explicação para origem da matéria viva após o surgimento da Bioquímica é a síntese pré-biótica, ou seja, evidenciou-se, através de experimentos, que a matéria orgânica poderia ser formada nas condições da Terra primitiva simplesmente a partir de moléculas inorgânicas simples como CO, CO2, CH4 e H2. No entanto, ainda fica uma dúvida: Que fatores distinguem um organismo de um aglomerado molecular? Tomando como base esse assunto, inicialmente, a Unidade I discutirá as características únicas que distinguem os seres vivos da matéria inanimada. Essa distinção é um dos grandes focos da Bioquímica. Na sequência, serão explorados os aspectos principais das biomoléculas e seu solvente, a água. Para compor este material foram utilizados especialmente os conteúdos dos seguintes autores: Nelson e Cox (2011), Smith et al. (2008), Stryer (2004), Voet e Voet (2013). 5WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA LÓGICA MOLECULAR DA VIDA: FATORES DISTINGUEM UM ORGANISMO DE UM AGLOMERADO MOLECULAR Sabe-se que os seres vivos se distinguem da matéria bruta por serem dotados de elevada complexidade e organização, por terem capacidade de obter energia do meio e também por sua capacidade de replicação. Complexidade e organização: As forças químicas e o arranjo das moléculas explicam a diversidade de organismos. A lógica molecular da vida mostra que embora as biomoléculas tenham a mesma constituição química (p. ex., todos os DNAs são formados pelos mesmos nucleotídeos, ou seja, A, T, G e C), há variadas combinações desses monômeros (monômero = unidade formadora; um nucleotídeo é um monômero de DNA ou RNA, assim como um aminoácido é um monômero de uma proteína). Desse modo, os arranjos variados justificam a variedade de biomoléculas. Além disso, é importante ressaltar que determinados átomos predominam na matéria orgânica, são eles: C H O N P S. Vale lembrar que esses átomos fazem diversas ligações covalentes com outros vários átomos, e por isso há grande variabilidade de moléculas que podem formar. Dentre esses átomos, o carbono (C) é um grande exemplo de versatilidade dentre os “CHONPS”, pois pode formar ligações simples, dupla, tripla. Assim sendo, esse átomo pode formar cadeias abertas (alifáticas) ou fechadas (anéis aromáticos). Essa versatilidade do carbono também pode ser explicada pelo fato desse átomo poder sofrer rotação em seu eixo, formando assim moléculas com mesma fórmula química, mas com propriedades diferentes (p. ex., L- Alanina e D- Alanina). Em síntese, a bioquímica justifica que há grande variabilidade de arranjos em nível molecular (em razão dos seus átomos se organizarem de modo variado), assim como há diferentes organizações em nível de biomoléculas (a partir das combinações diferentes entre os monômeros). Considerando esse panorama, é possível compreender que biomoléculas diferentes formam vários tipos celulares, os quais constituem, gradualmente, tecidos, órgãos e sistemas em um organismo. Com isso, o ser vivo tem grande organização e alta complexidade em termos de composição bioquímica. Capacidade de obter energia do meio: É capacidade única de organismos vivos a obtenção e transformação de energia do meio ambiente. Isso pode ocorrer direta ou indiretamente, isto é, os chamados produtores (fotossintetizantes) possuem a habilidade de converter energia luminosa em energia química (carboidratos). Ao passo que os consumidores (heterótrofos), diante de sua incapacidade de obter energia diretamente do Sol, utilizam a energia química proveniente da matéria orgânica sintetizada pelos produtores. Capacidade de Replicação: Os organismos têm a capacidade de autoduplicar-se.Essa capacidade está relacionada ao processo de transmissão de material genético e só é possível graças à replicação do DNA. 6WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA ESTUDO DO SOLVENTE DAS BIOMOLÉCULAS: ÁGUA Qualquer estudo acerca da química da vida deve incluir um estudo sobre a água, uma vez que os seres vivos possuem 70% ou mais de seu volume corporal composto por água. Além disso, as moléculas biológicas e as reações sofridas por elas podem ser mais bem compreendidas no contexto do seu ambiente aquoso. A simplicidade da composição molecular da água é contraditória frente a diferentes funções que esta realiza no organismo vivo como: preenchimento de espaço interno celular, transportes de íons, controle de temperatura, fenômeno osmótico, etc. As funções executadas por esta substância inorgânica estão diretamente relacionadas às suas propriedades físicas e químicas que, por sua vez, são dependentes da estrutura molecular. A água é uma substância inorgânica cuja fórmula molecular é composta por um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio unidos através de ligações covalentes entre si (H2O). Como esses átomos possuem valores de eletronegatividade muito diferentes, esta molécula passa a apresentar um momento dipolar, tendo como consequência uma carga parcial positiva sobre os hidrogênios e uma negativa sobre o oxigênio (Figura 1). A distância de ligação entre H e O é de 95,84 pm (1 pm= 10-12m) e o ângulo formado pelos três átomos é de 104,45º. Figura 1 - Representação esquemática da molécula de água evidenciando o seu dipolo. Fonte: Zörner (2005). A presença da carga parcial possibilita uma ligação intermolecular denominada de ligação de hidrogênio ou ponte de hidrogênio. Cada molécula de água é capaz de realizar até 4 pontes de hidrogênio com outras moléculas de água (Figura 2) ou outros compostos orgânicos que apresentem em sua composição átomos mais eletronegativos que o hidrogênio como oxigênio, o nitrogênio e o flúor. Dessa maneira, as ligações de hidrogênio ocorrem não somente entre moléculas de água e estão presentes, por exemplo, entre certos aminoácidos das proteínas ou entre as bases nitrogenadas do DNA. Portanto, as ligações de hidrogênio promovem coesão à água, o que se torna fundamental para esse solvente que atua na manutenção das estruturas de biomoléculas. 7WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 2 - Representação esquemática das pontes de hidrogênio entre as moléculas de água. Fonte: Wikimedia Commons (2017). Por ser uma molécula polar e líquida a temperatura ambiente, a água se tornou o melhor modelo de solvente polar. Através do processo de solvatação, a água consegue interagir de forma esplêndida com moléculas polares, seguindo a regra de ouro da solubilidade: semelhante dissolve semelhante, ou seja, uma substância polar só consegue dissolver substância polar e substâncias apolares só dissolvem substâncias apolares. Como exemplo de solvatação imaginemos um recipiente com um litro de água pura e adicionamos em seguida uma colher de sopa de sal de cozinha (NaCl). O contato entre soluto (NaCl) e solvente (água), ambos polares, leva ao fenômeno inicial de dissociação em que a polaridade positiva da água atrai os íons cloreto e a polaridade negativa da água atrai o íon sódio. Várias moléculas de água ficam com seu hidrogênio positivo ao redor dos íons cloreto que é negativo, formando uma camada de hidratação ou solvatação. O mesmo ocorre com o íon sódio, mas agora temos o polo negativo da água representada pelo oxigênio. Esta camada de solvatação impede que o íon cloreto e sódio se unam novamente na sua fórmula molecular através de ligação do tipo iônica (Figura 3). Figura 3 - Solvatação da água nos íons Na e Cl. Fonte: Openstax (2013). 8WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Vimos que as ligações de hidrogênio e as iônicas são ligações polares que ocorrem entre as moléculas em meio aquoso. Todavia, devemos também mencionar uma interação apolar de substâncias em meio aquoso. Nesse sentido, no caso de substâncias anfipáticas (anfipática= substância que ora se comporta como ácido ora como base), como os ácidos graxos que compõem os lipídios, ao serem colocados em água formam estruturas vesiculares denominadas de micelas. Estruturalmente, o ácido graxo apresenta uma cabeça polar com carga negativa e uma cauda carbônica apolar devido a sua composição exclusiva em carbono e hidrogênio. Quando colocamos o ácido graxo em água, a porção da cabeça polar interage com a água, mas sua cauda apolar sofre repulsão organizando-se internamente na estrutura vesicular da micela. A essas interações que ocorrem entre as regiões apolares da molécula de lipídio que resultam na formação de micela, damos o nome de interações hidrofóbicas. Na vida diária quando você vai fazer macarrão e coloca um fio de azeite sobre a água a ser fervida formam-se várias gotículas de óleo e depois se ajuntam em uma estrutura vesicular única. Estas vesículas separadas ou unidas são as micelas. Esta formação é importante, pois a forma micelar é a usada para que os ácidos graxos vindos da dieta de lipídios consigam interagir com o meio aquoso sanguíneo entérico e seja posteriormente incorporado a proteínas transportadoras até as células alvo para serem metabolizados e gerarem adenosina trifosfato (ATP). Além disso, é importante lembrar que essa interação hidrofóbica também é responsável pela organização dos fosfolipídios que constituem a bicamada lipídica das membranas celulares. As interações não covalentes descritas (ligações de hidrogênio, interações iônicas e interações hidrofóbicas) são bem mais fracas que as ligações covalentes. Mesmo assim, o efeito cumulativo das várias ligações não covalentes em uma molécula colabora a manutenção de sua estrutura e consequentemente sua função. Para exemplificar esse efeito somativo das interações, citamos a molécula de DNA, composta por duas cadeias complementares de nucleotídeos. As cadeias interagem por várias ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas dos nucleotídeos e, além disso, há interação hidrofóbica entre as bases nitrogenadas adjacentes que compõem cada cadeia. Dessa forma, o efeito somativo das ligações entre os componentes do DNA promovem a estabilidade dessa molécula. OS SOLUTOS AFETAM AS PROPRIEDADES COLIGATIVAS DAS SOLUÇÕES AQUOSAS Vimos que o meio aquoso é fundamental para garantir a estabilidade de uma biomolécula. Tal função do meio aquoso pode sofrer interferências se a concentração de solutos dissolvidos for alterada. Os solutos dissolvidos afetam as propriedades físicas ou coligativas do meio aquoso: pressão de vapor, ebulição, fusão e pressão osmótica. De modo geral, à medida que solutos são dissolvidos em meio aquoso, há redução da pressão de vapor, aumento do ponto de ebulição, diminuição do ponto de fusão e aumento da pressão osmótica. Dentre estas propriedades coligativas, vamos discutir a pressão osmótica, pois é muito importante para a homeostase (equilíbrio) do organismo. Esta regra de solubilidade (semelhante solubiliza semelhante) tem várias aplicações na área da saúde. Um exemplo bem claro é a preparação de soluções injetáveis como no caso de soro fisiológico que nada mais é que água e NaCl a 0,9% utilizada para casos de reposição hídrica e de eletrólitos. Para entender detalhes sobre essa questão da reposição hidroeletrolítica consulte o artigo disponível em: https://www.revistas.usp.br/rmrp/article/download/274/275 9WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Com relação à pressão osmótica, a presença de água e a diferença de concentração de íons entre o meio intracelular e extracelular separadospor uma membrana semipermeável gera o transporte de solvente a favor de um gradiente de concentração, processo denominado de osmose. A membrana semipermeável que que separa os compartimentos intra e extracelular contém vários canais a partir dos quais a água pode se mover, mas outras moléculas não. Da mesma forma, a água pode se mover livremente através dos capilares que separam o líquido intersticial e o plasma. Como existe diferença de concentração de íons nos meios, a água se move do compartimento menos concentrado em íons para o de maior concentração. A força para manter a mesma quantidade de água em ambos os compartimentos é a pressão osmótica. Sendo assim, define-se osmose como sendo a passagem de água do meio mais concentrado em água ou menos concentrado em soluto para o menos concentrado em água ou mais concentrado soluto através de uma membrana semipermeável. O conceito de osmose pode ser visto na prática ao observarmos a desidratação que ocorre quando colocamos um pouco de sal de cozinha sobre uma hortaliça que preparamos em uma refeição. Ainda, a perda de água na célula pode ocorrer para equilibrar a hiperglicemia num indivíduo, uma vez que a concentração elevada de glicose aumenta a pressão osmótica do sangue. POTENCIAL HIDROGENIÔNICO E SISTEMA TAMPÃO Vimos que as características de água (p. ex., coesão) e as interações que ocorrem em meio aquoso justificam grande parte da estabilidade das biomoléculas. Associado a isso, vale citar que a água tem baixa tendência à ionização. Esse potencial reduzido de ionização reflete a estabilidade da água e, por consequência, das biomoléculas em meio aquoso. Embora a água tenha pequena capacidade de ionização, é possível medir essa tendência através da constante de equilíbrio (Keq). Partindo-se da estrutura molecular da água, sem outros íons dissolvidos, e de um volume padrão de 1000 mL temos que a molaridade ou concentração molar da água é: Molaridade = massa x mol-1/vol (L) ↔ 1000g x 18g.mol-1/1 L = 55,5 Demonstrando a dissociação da água, podemos calcular a concentração de H2O, H+ e OH-: 1. A reação de ionização da água é: H2O → H+ + OH- 2. Considerando a ionização da água podemos calcular a constante de equilíbrio da água: 3. Assim, vimos anteriormente que a [H2O] = 55,55M 4. O Keq é determinado por medidas de condutividade da água pura e tem o valor = 1,8x 10-16 M a 25º C. 5. Portanto, trabalhando a equação temos que Keq x [H2O] = [H+] [OH-]. Como Keq e a [H2O] são constantes, quando relacionados, originam outra constante: Kw, o produto iônico da água. Desse modo, Kw= [H+] [OH-]. 6. Calculando o Kw temos que: 1x10-14 = [H+] [OH-] 7. Em equilíbrio: [H+] = [OH-] = 1x10-7M 10WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA 8. pH = - log [H+] ou pH = log 9. Em equilíbrio, pH = - log 1x10-7, portanto, pH= 7, ou seja, essa solução é neutra. Através dessa dedução de equações que desenvolvemos anteriormente é possível perceber que o pH (potencial hidrogeniônico) se refere à concentração de [H+] em uma solução. Assim, considerando quanto maior o valor de [H+] menor será o pH. Então, quando valores de pH < 7, a solução será ácida. Ao contrário, quando pH > 7, a solução será básica ou alcalina. Portanto, o pH serve para nos indicar se uma solução é ácida, neutra ou básica. Vimos que conforme a equação do produto iônico da água, Kw, temos que: 1. Kw = 1x10-14 = [H+] [OH-] 2. Em equilíbrio: [H+] = [OH-] = 1x10-7M Partindo do mesmo raciocínio utilizado para medir o pH da solução, podemos calcular o pOH. Assim teremos: 3. pOH = - log [OH-] ou pOH = log O cálculo do pOH nos dará a noção da alcanilidade da solução, pois quanto menor o valor de pOH, mais alcalina ou básica ela será. Ao contrário, quanto maior o valor de pOH mais ácida será a solução. Para que possamos entender melhor esta escala, a Figura 4 apresenta alguns valores pH e pOH de algumas substâncias comuns. Figura 4 - Exemplos de substâncias comuns distribuídas conforme a escala de pH e pOH. Fonte: Patrícia R (2007). Uma solução ácida é uma situação onde [H+] > [OH-], ou seja, na escala de pH que varia de 0 a 14, uma substância ácida terá valores entre 0 e 6,99. No cotidiano, encontramos vários exemplos de substâncias ácidas como o suco de limão cujo pH = 2,2, e o café com pH = 5,0. Soluções denominadas de alcalinas ou básicas apresentam [H+] < [OH-], tendo valores entre 7,01 a 14 na escala de pH. O bicarbonato de sódio usado como antiácido apresenta pH= 8,4 quando preparado na concentração de 0,1 M, sendo assim um exemplo de substância com pH alcalino. Por fim, uma solução com pH neutro terá valor exatamente igual a 7,0 ou seja, a [H+] = [OH-], neste caso, a água sem outros íons dissolvidos é o modelo de substância química de pH neutro. A água dita mineral vai apresentar valores variados de pH dependente do tipo de íons presente nela. Notemos que a escala de pH é uma relação logarítmica, ou seja, mediante uma variação de uma unidade no valor do pH, temos uma variação de 10x no valor da concentração de hidrogênio, seja para mais ou para menos. 11WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Na prática clínica, temos corriqueiramente em pacientes internos na UTI a coleta de sangue arterial para que se possa medir alguns eletrólitos e o pH sanguíneo. Através do valor do pH sanguíneo, o médico consegue saber se o valor está normal ou se está ocorrendo alcalinização sanguínea ou acidificação. Em cada caso, toma-se providências diferentes, dependendo do valor do pH, para que se volte para valores normais. Por exemplo, valores muitos baixos de pH podem até mesmo causar edema cerebral. A não normalização desses valores coloca a vida do paciente em risco podendo levá-lo a óbito. Em sistemas biológicos, existem substâncias chamadas de tampão cuja finalidade é manter o pH estável mesmo quando ocorrer pequenas entradas de ácido ou base no sistema. Essa alteração de pH poderia, por exemplo, levar a uma desnaturação proteica e perda da função biológica ou, como comentado anteriormente, até levar o indivíduo à óbito. Logicamente, os tampões biológicos promovem o equilíbrio conforme um intervalo limitado de variação de pH, assim, variações muito grandes de pH refletem distúrbios metabólicos e não podem ser controlados pelos tampões. No próximo item denominado “Sistema tampão”, será abordado como os tampões promovem o equilíbrio de pH das soluções. Para sabermos o valor do pH de uma determinada substância podemos utilizar de indicadores colorimétricos de ácido-base ou de aparelhos eletrônico denominados de pHmetro. A escolha de cada método é determinada pelo grau de precisão necessário para concluir o experimento. No cotidiano de uma pessoa que tem aquário de peixes ou piscina para banho, a manutenção do pH adequado faz parte da manutenção permanente destes. O indicador ácido- base mais usado é o Azul de bromotimol que apresenta escala colorimétrica onde temos tons de amarelo para pH ácido de zero a cinco, tom amarelo/verde que lembra o caldo-de-cana para pH seis, tom azul/verde piscina para pH neutro e tons de azul para pH variando de oito a quatorze. Esse método apresenta uma precisão pequena, pois não consegue diferenciar valores intermediários de pH, para este método dará o mesmo tom de cor para o pH de valor 5,3 e 5,6. Ao utilizarmos de um pHmetro conseguimos uma precisão de dois decimais a direita da vírgula para os valores medidos. Assim conseguimos aferir valores de pH tais como 3,45; 3,46, etc. SISTEMA TAMPÃO Temos discutido até aqui a importância de se manter um meio aquoso equilibrado, que permita a manutenção da estabilidade das biomoléculas. Para que isso aconteça, o pH das soluções biológicas deve alterar muito pouco, pois caso contrário, as biomoléculasteriam suas estruturas afetadas e perderiam suas funções. Para garantir esse equilíbrio, existem, nas soluções biológicas, os chamados sistemas tampões, que correspondem a pares de ácidos fracos e suas bases conjugadas. Portanto, o equilíbrio químico entre um ácido fraco e sua base conjugada, numa proporção de massa de 50% para cada um, forma um sistema tampão ou simplesmente tampão cuja função é evitar a variação do pH do meio no qual está quando se acrescenta a este uma pequena quantidade de ácido ou de base. Sugestão de vídeo: Para relembrar como se calcula o pH e também reforçar seu entendimento sobre a dedução das equações assista ao vídeo https://www.youtube.com/watch?v=JzUxtqtb3JU. 12WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA A equação química a seguir demonstra o equilíbrio químico entre o ácido acético e sua base conjugada (o termo conjugada se refere ao fato de ser a base proveniente de uma mesma reação com o ácido que dá origem a ela). Nesse exemplo, forma-se o tampão acetado cujo pH é 4,7. O ácido fraco funciona como doador de prótons e a base conjugada atua como receptor de prótons. Quando acrescentamos uma pequena quantidade de base ao meio tamponado estamos diminuindo a quantidade de prótons disponíveis e assim o equilíbrio da reação é deslocado no sentido de gerar mais base conjugada e prótons, através da dissociação do ácido acético. Ao acrescentar uma pequena quantidade de ácido estamos aumentando a quantidade de prótons no meio e estes são pegos pela base conjugada para se transformar no ácido fraco não dissociado através do deslocamento do equilíbrio químico nesse sentido. Com esse jogo de deslocamento do equilíbrio químico o tampão consegue manter o constante o pH do meio no qual faz parte. O tampão acetato é em exemplo de tampão não fisiológico, ou seja, não é produzido em organismos vivos. Os tampões gerados no organismo vivo são denominados de tampões fisiológicos ou biológicos e no caso dos seres humanos os tampões bicarbonato e fosfato são os mais relevantes. O tampão bicarbonato é o principal regulador do pH do sangue em torno de 6,1, sendo formado pela combinação de gás carbônico (CO2) vindo dos tecidos e da atmosfera e capturados pelos pulmões e corrente sanguínea com a água resultando em ácido carbônico (H2CO3). Por sua vez, o ácido carbônico se dissocia em bicarbonato (HCO3-) e próton H+ é liberado. O ácido carbônico tem o papel de doador de prótons e o íon bicarbonato a função de receptor de prótons. No caso de uma acidose sanguínea, o excesso de prótons é combinado com o bicarbonato. Essa reação gera ácido carbônico que agora em maior quantidade desloca o equilíbrio químico no sentido de formar gás carbônico e água. Esse excesso de gás carbônico é eliminado para o meio externo através de um aumento do ritmo respiratório tornando-o ofegante. Na acidose sanguínea temos uma retirada de prótons do meio sanguíneo o que eleva momentaneamente o pH desse meio. Nessa situação deslocaremos o equilíbrio químico no sentido de gastar um pouco do ácido carbônico disponível para gerar mais prótons no meio para repor o que estava faltando e regularizar assim o pH. Vale, portanto, ressaltar que diversas situações poderiam afetar o pH sanguíneo e que nos levaria a morte (Figura 5), e só não ocorre devido a presença do tampão bicarbonato que mantem o pH estável. Figura 5 - Esquema do pH do sangue humano, evidenciando a escala referente à acidose e alcalose. Fonte: a autora. 13WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA No meio intracelular é o tampão fosfato que atua na manutenção do pH constante e em torno de 7,2. Nesse caso, o H2PO4- se dissocia para gerar H+ e a base conjugada HPO4-2. Com isso, caso o pH do meio intracelular se torne ligeiramente ácido, a base conjugada (HPO4-2) tende a associar-se aos prótons gerados e assim, anular a redução do pH. Do mesmo modo, caso o pH intracelular se torne ligeiramente básico, os prótons H+ (prótons oriundos da dissociação de H2PO4-) irão equilibrar o pH, fazendo-o retornar a valores próximos de 7,2. AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS AMINOÁCIDOS Proteínas podem ser definidas como macromoléculas formadas pela união de aminoácidos. Toda proteína, independente do organismo considerado, é constituída pelos mesmos 20 aminoácidos. Portanto, o que difere uma proteína da outra é a combinação dos aminoácidos que as constituem. Nesta unidade, nos interessam os aminoácidos primários (aqueles originados da hidrólise de proteínas) que são separados em dois grupos: • Aminoácidos essenciais (não são sintetizados pelo organismo): Fenilalanina, Histidina, Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina,Treonina, Triptofano e Valina. •Aminoácidos não essenciais (são sintetizados pelo organismo): Ácido Aspártico, Ácido Glutâmico, Alanina, Arginina, Asparagina, Cisteína, Glicina, Glutamina, Prolina, Serina, Tirosina. Os alimentos ricos em proteínas animal, vegetal ou fungo são as grandes fontes de aminoácidos para o organismo. As proteínas de origem animal são consideradas de alto valor biológico, pois apresentam dos 20 aminoácidos no mínimo 17 aminoácidos, e também todos os essenciais. Já as proteínas de origem vegetal, sem exceção, são consideradas de baixo valor biológico, pois não apresentam todos os aminoácidos essenciais. Lembrando que ao consumir uma proteína esta sofre ação das enzimas do sistema digestório e no final o que é absorvido pelo intestino são os aminoácidos e não a proteína na íntegra. Após a absorção dos aminoácidos, ocorre a distribuição deles para todas as células do organismo e cada tecido utiliza os aminoácidos que necessitam e que estão disponíveis para sua biossíntese de proteínas. Em relação à constituição, os aminoácidos são compostos orgânicos de função mista por apresentarem ao mesmo tempo um grupo carboxila e um grupo amina. Em todos os aminoácidos o primeiro grupo o classifica na função orgânica denominada de ácido carboxílico (-COOH) e o segundo grupo na função amina (-NH2). Ao juntar o grupo amina + ácido (carboxílico) originou o termo aminoácido (Figura 6). No entanto, o que difere os 20 aminoácidos é a cadeia lateral ou grupo R que variam em estrutura, tamanho e carga elétrica. Figura 6 - Estrutura geral de um aminoácido. Fonte: Wikimedia Commons (2017). 14WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA A carboxila (-COOH) e a amina (-NH2) estão ligadas ao chamado carbono alfa (α) que, por sua vez, também apresentam uma cadeia lateral e um hidrogênio para completar a tetravalência do carbono. Para compreender mais sobre o carbono alfa, observe que em todos os aminoácidos primários, exceto na glicina, o carbono α é quiral ou assimétrico, isso significa que nesses aminoácidos os quatro ligantes do carbono α são diferentes. Sendo assim, o carbono α é um centro quiral. Por convenção, os demais carbonos do grupo R são designados pelas letras do alfabeto grego sequenciais à alfa: β (beta), γ (gama), δ(delta), etc. Ou, por outra convenção, o carbono do grupo carboxila pode ser designado como C-1, e os demais carbonos do grupo R seguiriam essa sequência: C-2, C-3, etc (Figura 7). Figura 7- Posição dos carbonos conforme as convenções numérica e grega. Fonte: Mabret (2007). Por causa do arranjo tetraédrico das orbitais de ligação ao redor do carbono alfa dos aminoácidos os quatro ligantes (amina, ácido carboxílico, hidrogênio e grupo R) podem ocupar duas posições espaciais distintas, as quais são imagens especulares entre si. Os L- aminoácidos (L= levógero) são aqueles que apresentam o grupo amina à esquerda, enquanto os D- aminoácidos (D=dextrógero) são os que apresentam o grupo amina à direita (Figura 8). Figura 8 - Estrutura e polaridade da alanina. Fonte: modificadode Lemos (2013). Vimos anteriormente que é a variação da constituição química da cadeia lateral ou grupo R que dá a diferença entre os 20 tipos de aminoácidos. Além disso, é a solubilidade do grupo R em água com pH próximo a 7 que define as seguintes classificações dos aminoácidos (Figura 9): • Grupos R não polares e alifáticos: Os grupos R dessa categoria são hidrofóbicos e não polares, insolúveis em água como a Alanina e Prolina, pois sua cadeia lateral é formada por hidrocarbonetos; 15WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA • Grupos R aromáticos: Os grupos R apresentam cadeia lateral com anel aromático; • Grupos R não carregados, mas polares: Os grupos R são hidrofílicos, pois contém grupos que formam ligações de hidrogênio (pontes de hidrogênio) com a água; • Grupos R carregados positivamente (básicos): Os grupos R têm uma carga positiva líquida em pH 7; • Grupos R carregados negativamente (ácidos): Os grupos R têm uma carga negativa líquida em pH 7. Figura 9 - Fórmulas estruturais mostram o estado de ionização dos aminoácidos em pH 7. Fonte: modificado de Porto (2012). OS AMINOÁCIDOS PODEM AGIR COMO ÁCIDOS OU BASES Como dito no item anterior, os aminoácidos possuem um grupo ácido (ácido carboxílico) e outro básico (amina), assim sendo, podem agir como ácidos ou bases. À medida que um aminoácido é dissolvido em água, ele permanece na solução como íon dipolar ou também chamada de forma Zwitteriônica (Zwitterion = íon híbrido). Com isso, nessa forma o aminoácido tem caráter anfótero, pois pode agir tanto como um ácido (doador de prótons) ou como uma base (receptor de prótons) (Figura 10). 16WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 10 - Forma zwitteriônica (Zwitterion) e o comportamento anfótero dos aminoácidos Fonte: modificado de Martens (2008). Um aminoácido monocarboxílico como a alanina é diprótico, ou seja, quando está totalmente protonado possui dois grupos que podem se ionizar: carboxila e amina. O grupo carboxila se ioniza em pH mais baixo que o grupo amina. Desse modo, quando a Alanina está na sua forma mais protonada (em pH ácido), sua carga líquida é +1; à medida que a carboxila perde seu próton H+, a carga da molécula passa a 0; e se o próton H+ da amina é liberado, a carga da Alanina torna-se -1 (Figura 10). Podemos observar essa alteração de formas iônicas dos aminoácidos através da titulação. Os aminoácidos apresentam curvas de titulação características onde temos em pH muito ácidos a dissociação exclusiva da carboxila e conforme aumentamos a o pH da solução, temos as formas catiônica e íon dipolar e se nos valores extremamente alcalinos temos exclusivamente a forma aniônica do aminoácido. Este comportamento ácido-base dos aminoácidos é de grande aplicação na separação de aminoácidos, pois nos permite fracionar uma proteína através da cromatografia de coluna e estudar a sua composição. PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS Nesse item vamos analisar os polímeros de aminoácidos: peptídeos e proteínas. Por definição, os peptídeos são polímeros que variam de tamanho, sendo compostos por 2 a vários aminoácidos, enquanto o tamanho das cadeias polipeptídicas em proteínas é de dezenas a milhares de aminoácidos. Os aminoácidos se unem através de ligações covalentes denominadas ligações peptídicas. Tais ligações são resultado de reações de desidratação que ocorrem entre o grupo carboxila de um aminoácido e o grupo amina do outro (Figura 11). Dois aminoácidos se reúnem para formar um dipeptídeo, três aminoácidos formam um tripeptídeo e quatro a oito aminoácidos constituem um oligopeptídeo e vários aminoácidos polipeptídeo. Figura 11 - Formação das ligações peptídicas entre os grupos carboxila e amino de aminoácidos vizinhos. Fonte: Cúneo (2006). 17WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Na Figura 11, a área sombreada corresponde à molécula de água que será removida. Com relação às proteínas, foi comentado que possuem cadeia polipeptídica grande. Porém, há uma ampla variação de tamanho de cadeia entre proteínas. Por exemplo, o citocromo C humano possui 104 aminoácidos, enquanto a RNA polimerase de bactérias têm cerca de 4.100 aminoácidos. Tanto os peptídeos quanto as proteínas diferem entre si pelo tipo, proporção e arranjo de aminoácidos que possuem. Observe no quadro 1 a diferença de proporção de aminoácidos do citocromo C e do quimiotripsinogênio bovinos. Quadro 1 - Composição do citocromo e quimiotripsinogênio. Fonte: Retirado de NELSON, D., COX, M. M. (2011). Pode ser que duas proteínas (ou peptídeos) com funções completamente diferentes tenham os mesmos aminoácidos e nas mesmas proporções. Nesse caso, a ordem (arranjo) desses aminoácidos vai determinar a diferença entre as proteínas. Algumas proteínas contêm apenas aminoácidos em sua composição, por isso são denominadas de proteínas simples. Por outro lado, outros grupos químicos (grupos prostéticos) podem estar associados às proteínas, constituindo assim as proteínas conjugadas. A classificação das proteínas conjugadas é dada conforme a natureza química dos seus grupos não proteicos (grupo prostético). Por exemplo, as lipoproteínas contêm lipídios como grupo prostético, enquanto as glicoproteínas contêm carboidratos e as metaloproteínas contêm um metal em sua composição. 18WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Com relação à estrutura, podemos definir quatro níveis de organização de proteínas. A estrutura primária é definida como a sequência linear de aminoácidos que compõem uma proteína. À medida que ocorre um enovelamento dessa estrutura linear temos a formação da estrutura secundária da proteína. Esse enovelamento pode ser do tipo hélice ou folha beta pregueada (Figura 12). Figura 12 - Estrutura secundária de uma proteína: alfa hélice e folha beta pregueada.Fonte: Openstax (2016). Um enovelamento da estrutura secundária conferirá a molécula sua estrutura terciária. É importante salientar que a função de uma proteína está diretamente relacionada à sua estrutura terciária, pois alterações nesta estrutura podem ocasionar perda de sua função. Tais alterações podem ser provocadas por mudanças nas características físicas ou químicas (p. ex., mudanças no pH ou temperatura) do meio em que as proteínas estão. Nesse caso, dizemos que a proteína que perdeu sua estrutura terciária sofreu desnaturação. A estrutura quaternária de uma proteína ocorre quando duas ou mais subunidades de estrutura terciária se associam para constituir uma proteína (Figura 13). 19WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 1 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 13 - Níveis de organização da hemoglobina. Fonte: Openstax (2017). CONSIDERAÇÕES FINAIS Concluindo, esta unidade I deve ter orientado você sobre os princípios básicos da Bioquímica. Também tem como objetivo capacitá-lo no entendimento das características gerais dos aminoácidos, peptídeos e proteínas. Na unidade 2 discutiremos a bioquímica de carboidratos e lipídios. UNIDADE 20WWW.UNINGA.BR ENSINO A DISTÂNCIA SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO ............................................................................................................................................................ 21 CARBOIDRATOS ....................................................................................................................................................... 22 LIPÍDIOS .................................................................................................................................................................. 28 CONSIDERAÇÕES FINAIS .......................................................................................................................................34 CARBOIDRATOS E LIPÍDIOS PROF.A DRA. GISELE CAROLINE NOVAKOWSKI 02 21WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO Vimos na Unidade I que a Bioquímica é a ciência que trata do estudo da química dos seres vivos, sendo, por esta razão, essencial para a compreensão dos processos que permitem a manutenção da vida. Nesse contexto, faz-se necessário o entendimento das biomoléculas que compõem os sistemas biológicos. Na unidade anterior, iniciamos o estudo das biomoléculas ao detalharmos a bioquímica de peptídeos e proteínas. Nesta unidade será discutida a bioquímica geral dos carboidratos e lipídios, considerando que essas biomoléculas são fundamentais não somente para o suprimento energético dos seres vivos, mas também possuem funções importantes do ponto de vista estrutural e fisiológico. Por exemplo, os carboidratos, associados a lipídios e proteínas de membrana, compõem o glicocálice celular, ou seja, têm uma função primordial no reconhecimento celular. Aliás, esse tema, reconhecimento celular, será abordado com detalhes adiante. Outro exemplo pertinente a esse contexto, é que os lipídios compõem a bicamada das membranas celulares, e desse modo, atuam na seletividade de substâncias que devem entrar ou sair das células. Para compor este material foram utilizados especialmente os seguintes livros: Nelson e Cox (2011), Smith et al (2008), Stryer (2004), Voet e Voet (2013). Literaturas adicionais que complementaram esta apostila foram destacadas ao longo do texto 22WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA CARBOIDRATOS Os carboidratos são as biomoléculas mais abundantes na natureza. Alguns carboidratos como o amido e açucares simples (p. ex., glicose, frutose) constituem a base da alimentação da maior parte das pessoas. Tais carboidratos comuns têm sua origem a partir do metabolismo dos vegetais. Desse modo, constantemente, as plantas convertem toneladas de CO2 e H2O em carboidratos simples, que posteriormente serão convertidos em polímeros como o amido ou a celulose. De modo geral, a equação química dos carboidratos é: Cx(H2O)y, daí o nome “hidratos de carbono” ou “carboidratos”. Em termos de grupos funcionais, os carboidratos são poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas. São moléculas que desempenham variadas funções, com destaque para: fonte energética imediata para a respiração celular (p. ex., glicose), reserva de energia (p. ex., glicogênio), estrutural (p. ex., celulose) e reconhecimento celular (p. ex., glicolipídios). Os carboidratos são classificados quanto ao número de unidades (monômeros) que constituem a biomolécula. Assim, os monossacarídeos ou “açúcares simples” são constituídos de apenas uma unidade de poliidroxialdeído ou poliidroxicetona ao passo que a união de dois monossacarídeos origina um dissacarídeo. Já os polissacarídeos são carboidratos compostos por cadeias longas de monossacarídeos que podem ser idênticos ou não. A seguir discutiremos cada classificação dos carboidratos. MONOSSACARÍDEOS São carboidratos simples (monômeros), a partir dos quais derivam as demais categorias de carboidratos. Quimicamente são polihidroxialdeídos (ou aldoses) – ou polihidroxicetonas (ou cetoses), sendo os mais simples monossacarídeos compostos com no mínimo 3 carbonos: o gliceraldeído e a dihidroxicetona. A Figura 1 mostra as fórmulas de projeção da glicose (poliidroxialdeído) e frutose (poliidroxicetona). Figura 1 - Fórmulas de projeção da glicose e frutose. Fonte: a autora. Exceção feita à dihidroxicetona, os demais monossacarídeos - e por consequência, todos os outros carboidratos (oligossacarídeos e polissacarídeos) - possuem centros de assimetria (ou centros quirais). Portanto, esses monossacarídeos dotados de centros quirais possuem isomeria óptica. Para exemplificar esse fato, na Figura 2, podemos observar que os carbonos 3, 4 e 5 da frutose são centros quirais e constituem isômeros espaciais, pois possuem mesma formula química (C6H12O6), mas diferem em relação à posição da hidroxila pertencente ao carbono quiral mais distante da carbonila. Com isso, os isômeros são denominados D-Frutose e L-Frutose se referida hidroxila está voltada para a direita ou esquerda, respectivamente. 23WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 2 - Fórmulas de projeção da frutose. Fonte: Wikimedia Commons (2017). Na Figura 3, podemos observar um exemplo de isomeria funcional, isto é, embora tanto o gliceraldeído quanto a dihidroxicetona tenham a fórmula química C3H6O3, diferem na posição da carbonila e, portanto, no grupo funcional da molécula. Figura 3 - Fórmulas de projeção do gliceraldeído e dihidroxicetona. Fonte: Blanco (2016). Outro quesito utilizado na classificação dos monossacarídeos baseia-se no número de carbonos de suas moléculas. Nesse sentido, as trioses (3 carbonos) são os monossacarídeos mais simples, seguidos das tetroses (4 carbonos), pentoses (5 carbonos), hexoses (6 carbonos), heptoses (7 carbonos). Destes, os mais importantes são as pentoses e as hexoses. Considerando a frequência com que estão presentes em sistemas biológicos (p. ex., participando de vias metabólicas ou integrando biomoléculas) as pentoses mais importantes são: ribose, desoxirribose e arabinose. Pela mesma razão, merecem destaque as seguintes hexoses: glicose, frutose, galactose e manose (Figura 4). Figura 4. Pentoses e hexoses comuns na natureza. Fonte: a autora. 24WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA MONOSSACARÍDEOS CÍCLICOS E ACÍCLICOS Apenas um pequeno percentual de monossacarídeos (cerca de 0,02%) apresenta-se na sua forma linear (aberta) quando está em solução aquosa. O restante dos monossacarídeos adota a forma cíclica, ou seja, está na forma de um anel hemiacetal (composto formado pela reação entre hidroxila do grupo álcool e uma carbonila) de 5 ou de 6 vértices. O anel de 5 vértices é chamado de anel furanosídico. O anel de 6 vértices é chamado de anel piranosídico. A Figura 5 retrata a ciclização da frutose e posterior formação da frutofuranose. Figura 5 - Furanose (anel com 5 vértices) e piranose (anel com 6 vértices). Fonte: Wickey-Nl (2010). Na estrutura do anel, o carbono que participa da formação do hemiacetal é chamado de carbono anomérico, e sua hidroxila pode assumir 2 formas: alfa, quando a hidroxila fica para baixo do plano do anel; beta, quando ela fica para cima do plano do anel (Figura 6). A interconversão entre estas formas é denominada de mutarrotação. Como um exemplo, podemos citar a glicose, que em solução aquosa, está nas seguintes proporções: • β- D - Glicopiranose: 62% • α- D - Glicopiranose: 38% • α- D - Glicofuranose: menos de 0,5% • β- D - Glicofuranose: menos de 0,5% • Forma linear: menos de 0,02% Figura 6 - Mutarrotação da glicose e origem das formas alfa e beta. Fonte: Wiki Commons (2011). As outras hidroxilas das moléculas de monossacarídeos, quando representadas na forma em anel, seguem a convenção: se estavam para a direita na forma linear a representação é para baixo do plano do anel, se estavam para a esquerda, devem ser representadas para cima do plano do anel. A partir dos exemplos dados, fica evidente que a epimeria é extremamente importante, 25WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA tanto que os monossacarídeos epímeros diferem entre si na posição de apenas uma hidroxila. Por exemplo: glicose e galactose são epímeros em C4 (no carbono 4), glicose e manose são epímeros em C2 (Figura 7). Figura 7- Epímeros de posição (glicose e manose). Fonte: Wikimedia Commons (2014). DISSACARÍDEOS São carboidratos chamados de glicosídeos, originados a partirda ligação covalente entre dois monossacarídeos, isto é, através de ligações denominadas glicosídicas. Cada ligação glicosídica envolve o carbono anomérico de um monossacarídeo e qualquer outro carbono do monossacarídeo seguinte, através de suas hidroxilas e com a eliminação de uma molécula de água. Trata-se, portanto, de uma reação de condensação. Como mostrado na Figura 8, o tipo de ligação glicosídica é definido pelos carbonos envolvidos e pelas configurações de suas hidroxilas. Dessa forma, no exemplo da formação da lactose a ligação glicosídica ocorre entre a beta-D-galactose e a alfa-D-glicose. Portanto, a ligação glicosídica resultante é beta (1-4), pois envolveu o carbono 1 da galactose e o carbono 4 da glicose e foi definida pela configuração beta da D-galactose (Figura 8). Figura 8 - Formação da lactose. Fonte: Wikimedia Commons (2017). POLISSACARÍDEOS São os polímeros de monossacarídeos ligados por ligações glicosídicas. Considerando a disponibilidade na natureza e nos sistemas biológicos, os polissacarídeos mais importantes são os formados pela polimerização da glicose, como por exemplo, o glicogênio, o amido e a celulose. Embora estes três polissacarídeos sejam polímeros de glicose, eles diferem quanto ao tipo e proporção de suas ligações glicosídicas, as quais determinam o grau de ramificação da molécula. Essa divergência estrutural entre os polissacarídeos está sendo mostrado na Figura 9 e será explorada nos próximos tópicos. 26WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 9 - Exemplos de polissacarídeos que diferem quanto ao grau de ramificação. Fonte: Openstax (2017). AMIDO É o polissacarídeo de reserva da célula vegetal presente nas raízes e caules tuberosos. É formado por moléculas de glicose ligadas entre si através de numerosas ligações α(1,4) e poucas ligações α(1,6). As ligações α(1,4) compõem a cadeia de amilose do amido e são lineares. Em contrapartida, as ligações α(1,6) são pontos de ramificação da cadeia de amido e compõem a amilopectina. A molécula de amido tem a forma de hélice em solução aquosa (Figura 10). Figura 10 - Cadeias de amilose e amilopectina que formam o amido. Fonte: Openstax (2016). GLICOGÊNIO É o polissacarídeo de reserva da célula animal. O fígado, musculo estriado esquelético e cardíaco armazenam glicogênio e utilizam como combustível celular em condições de hipoglicemia. Assim como o amido é constituído por unidades repetidas de D- glicose, todavia, possui um número maior de ligações α(1,6), o que confere um alto grau de ramificação à sua molécula (Figuras 9 e 11). Essa elevada ramificação da molécula evita que o glicogênio adote uma estrutura em hélice. 27WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 11 - Estrutura do glicogênio. Fonte: Neurotiker (2007). CELULOSE A celulose é o carboidrato de origem vegetal mais abundante na natureza. Possui função estrutural na célula vegetal, pois é uma molécula componente da parede celular. Semelhantemente ao amido e ao glicogênio em composição, a celulose também é um polímero de glicose, mas formada por ligações tipo β (1,4). Este tipo de ligação glicosídica confere à molécula uma estrutura espacial justaposta (Figura 12), que forma fibras insolúveis em água. É interessante salientar que os mamíferos não possuem enzimas capazes reconhecer as ligações tipo β (1,4) e, por essa razão, não podem digerir celulose. Figura 12 - Estrutura da celulose. Fonte: Wiwimedia Commons (2018a). Os polissacarídeos ligados a moléculas de outra natureza, como lipídios ou proteínas, constituem os glicoconjugados. Essa categoria de carboidratos será discutida a seguir. GLICOCONJUGADOS São carboidratos ligados covalentemente a outras biomoléculas, como peptídeos, proteínas ou lipídios. Nesse grupo estão os proteoglicanos, glicoproteínas, glicolipídios e lipopolissacarídeos. Proteoglicanos são associações de proteínas a glicosaminoglicanas (carboidratos sulfatados) e estão presentes em grande proporção nas matrizes extracelulares. Por serem sulfatadas, as glicosaminoglicanas são dotadas de carga elétrica negativa e em virtude disso 28WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA atraem especialmente íons sódio (Na+). O aumento da concentração de Na+ atrai água como uma forma de equilibrar a pressão osmótica do meio. Assim, os proteoglicanos são os responsáveis por manter a hidratação das matrizes extracelulares, permitindo que nutrientes e catabólitos difundam para as células. As glicoproteínas são proteínas ligadas covalentemente a oligossacarídeos (carboidratos de cadeia curta). De modo geral, ocorrem na superfície externa da membrana plasmática, onde atuam na comunicação celular. Os glicolipídios são lipídios de membrana associados a oligossacarídeos. Os glicolipídios e glicoproteínas formam o glicocálice. É importante mencionar que os tipos de glicolipídios e glicoproteínas diferem entre os tecidos. Essa composição característica do glicocálice de cada tecido explica o fato de os receptores presentes nas membranas de bactérias, vírus ou células de defesa como os linfócitos reconhecerem e atuarem apenas um ou poucos tipos celulares. Os lipopolissacarídeos são moléculas grandes compostas por lipídios e polissacarídeos unidos covalentemente. Estão presentes na membrana externa de bactérias gram-negativas, nas quais promovem proteção. LIPÍDIOS Os lipídios são biomoléculas orgânicas compostas, especialmente, por carbono, hidrogênio e oxigênio. Fazem parte ainda da composição dos lipídios outros elementos como, por exemplo, o fósforo e o enxofre. A maioria dos lipídios é insolúvel na água. Porém, são moléculas solúveis nos solventes orgânicos (p. ex., álcool, éter, benzina). Alguns lipídios são dotados de porções polares e, por esta razão, adotam arranjos que organizam as porções hidrofóbicas e hidrofílicas de modo a possibilitar maior solubilidade em solventes polares como a água (p. ex., micelas). FUNÇÕES DOS LIPÍDIOS Os lipídios possuem algumas funções básicas nos organismos: • Fornecimento de energia para as células. Porém, estas preferem utilizar primeiramente a energia fornecida pelos carboidratos; • Participam da composição das membranas celulares; • Atuam como isolantes térmicos nos animais endodérmicos (animais que controlam sua temperatura interna); • Facilitação de determinadas reações químicas que ocorrem no organismo dos seres vivos. Possuem esta função os seguintes lipídios: hormônios sexuais, as prostaglandinas e as vitaminas lipossolúveis (vitaminas A, K, D e E). As vitaminas lipossolúveis são solúveis em lipídios e insolúveis em água. Para serem absorvidas, as vitaminas lipossolúveis necessitam da presença Para compreender como os glicoconjugados participam estruturalmente da parede bacteriana e do glicocálice das membranas celulares consulte o item sobre polissacarídeos do capítulo 09 de Nelson e Cox (2011). 29WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA de lipídios, além de bile e suco pancreático. Após a absorção no intestino, essas vitaminas são transportadas através do sistema linfático até aos tecidos onde serão armazenadas. ESTRUTURA QUÍMICA Os lipídios derivam de ácidos graxos, os quais são constituídos por cadeias de hidrocarbonetos (C - H) de 4 a 36 átomos de carbono e uma extremidade ácida (dotada do grupo funcional ácido carboxílico). Dessa maneira, os lipídios são considerados anfipáticos por possuirem uma extremidade polar (hidrofílica) e uma extremidade apolar (hidrofóbica) (Figura 13). Figura 13 - Estrutura química de um ácido graxo. Fonte: o autor. Os ácidos graxos podem ser saturados (sem duplas ligações entre os carbonos)ou insaturados e (com duplas ligações entre os carbonos) (Figura 14). A presença da insaturação confere certa “dobra” a cadeia de ácido graxo. Com isso, lado a lado, as moléculas de ácidos graxos ficam mais espaçadas entre si. Assim, quanto mais insaturações, mais espaços ocorrerão entre os ácidos graxos e por consequência, maior a fluidez do lipídio. Seguindo esse raciocínio, os óleos possuem várias insaturações em seus ácidos graxos e as gorduras possuem ácidos graxos predominantemente saturados. Figura 14 - Ácido graxo saturado e insaturado. Fonte: Staticflickr (2018). Em temperatura ambiente (25°C), os ácidos graxos saturados de 12 a 24 átomos de carbono possuem consistência mais sólida, ao passo que os ácidos graxos insaturados do mesmo comprimento são fluidos. Dessa forma, o ponto de fusão dos ácidos graxos insaturados é menor do que os ácidos graxos saturados. A Figura 15 evidencia alguns exemplos de ácidos graxos insaturados, os quais são frequentes em óleos e ácidos graxos saturados, que são comuns em gorduras. 30WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 15 - Ácidos graxos saturados e insaturados. Fonte: Farias (2012). GRAUS DE INSATURAÇÃO As propriedades dos ácidos graxos e dos lipídios deles derivados dependem do comprimento da cadeia e do seu grau de saturação. Os ácidos graxos insaturados têm ponto de fusão mais baixos que os saturados com o mesmo comprimento de cadeia. Por exemplo, o ponto de fusão do ácido esteárico (saturado) é 69,6°C, enquanto o do ácido oleico (que contêm uma dupla ligação) é 13,4°C. Os pontos de fusão dos ácidos graxos poliinsaturados da série C18 (dezoito carbonos) são ainda mais baixos. O comprimento da cadeia também afeta o ponto de fusão, como é ilustrado pelo fato de que a temperatura de fusão do ácido palmítico (C16) é 6,5 graus abaixo daquela do ácido esteárico (C18). Assim, a cadeia curta e a insaturação acentuam a fluidez dos ácidos graxos e de seus derivados. Portanto, já sabemos qual é a constituição básica e estrutura dos lipídios. A seguir discutiremos as categorias de lipídios, as quais são: lipídeos de reserva ou simples (triacilgliceróis, ceras), lipídios estruturais ou compostos (fosfolipídios) e lipídios sinalizadores ou derivados (esteróis). LIPÍDEOS SIMPLES São lipídios constituídos apenas por carbono, hidrogênio e oxigênio. Nesta classificação estão os triglicerídeos e as ceras. 1- Triacilglicerol ou triglicerídeo De forma simplificada, um triacilglicerol é um tri-éster formado pela união de três ácidos graxos a uma molécula de glicerol, cujas três hidroxilas (grupos –OH) ligam-se aos radicais carboxílicos dos ácidos graxos. Para a formação do triacilglicerol, as três hidroxilas do glicerol condensam-se com as hidroxilas dos ácidos graxos (Figura 16). Triglicerídeos são amplamente conhecidos como óleos ou gorduras, produzidos e armazenados nos organismos vivos para comporem uma reserva alimentar. 31WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 16 - Estrutura química do triacilglicerol. Fonte: Schaefer (2005). 2 - Ceras A cera é composta pela união de ácidos graxos e álcool de cadeia longa. É solúvel em gorduras, azeites, benzina, sulfeto de carbono, éter e clorofórmio. É muito maleável, sendo bastante utilizada na fabricação de medicamentos e cosméticos. Está presente na camada externa de vegetais (p. ex., folhas de carnaúba), onde protege contra dessecação. Nos animais compõem os favos de abelhas. LIPÍDIOS COMPOSTOS São lipídios constituídos por outros átomos além daqueles que compõem os lipídios simples. Nesse caso o fósforo é um dos átomos mais frequentes na composição dos lipídios compostos. Nesta classificação estão os lipídios da membrana plasmática. 3 - Lipídios estruturais de membrana As membranas biológicas são compostas por dupla camada de lipídios, que atuam como barreira seletiva que controla a passagem de certas moléculas polares e íons. Os lipídios de membrana são anfipáticos (uma das extremidades é hidrofóbica e outra hidrofílica). Quando os lipídios estão dispostos lado a lado para compor a membrana plasmática há interações hidrofóbicas entre as cadeias de ácidos graxos, pois são apolares. Ao mesmo tempo, há interações hidrofílicas entre os grupos fosfato (região polar dos lipídios) com a água. Com isso, essas interações hidrofílicas e hidrofóbicas promovem e orientam a organização dos lipídios em uma de bicamada (Figura 17). Figura 17 - Modelo de bicamada lipídica da membrana plasmática. Fonte: Faduart (2005). 32WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA É possível citar alguns tipos mais comuns de lipídios de membrana: os glicerofosfolipídios, nos quais as regiões hidrofóbicas são compostas de dois ácidos graxos ligados a um glicerol; esfingolipídios, nos quais um único ácido graxo está ligado a uma molécula de esfingosina; e os esteróis, compostos caracterizados por um núcleo de quatro anéis hidrocarbônicos fundidos. Vale ressaltar que as regiões hidrofílicas dos esterois podem ter desde um único grupo -OH como ocorre em uma das extremidades de anéis dos esteróis ou elas podem ser bem mais complexas ou maiores como acontece no colesterol. A Figura 18 esquematiza a composição dos lipídios de membrana. Figura 18 - Classes de lipídios de reserva e de membrana. Fonte: Nelson e Cox (2011). Os glicerofosfolipídios são o principal componente lipídico das membranas biológicas. Eles consistem em glicerol-3-fosfato ligado a ácidos graxos nos seus carbonos C1 e C2. Os glicerofosfolipídios diferem entre si, pois há um grupo de natureza variável (p. ex., colina, serina, inositol, etanolamina) que se liga ao grupo fosforil do glicerol-3-fosfato como mostra a Figura 19. Figura 19 - Representação da estrutura química da fosfatidilserina, um glicerofosfolipídio. Fonte: Wikimedia Commons (2018b). Os esfingolipídios também compõem a membrana plasmática. A maioria dos esfingolipídios são derivados da esfingosina. Os esfingolipídios resultantes da união entre esfingosina e ácidos graxos correspondem às ceramidas, que atuam como precursores de esfingolipídios abundantes nos seres vivos. Por exemplo, a esfingomielina é uma ceramida cujo grupo polar é a fosfocolina. Para que tenhamos noção da importância desse lipídio, vale mencionar que a bainha de mielina que reveste os axônios das células nervosas e são ricas em esfingomielina (Figura 20). 33WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 20 - Representação da estrutura química de um esfingolipídio, a esfingomielina. Fonte: Wikimedia Commons (2018c). Se o grupo polar ligado à ceramida for um açúcar, então, a molécula resultante será um glicoesfingolipídio. Os glicoesfingolipídios mais simples contêm um mnossacarídeo ligado à ceramida e são chamados de cerebrosídeos por estarem em grande quantidade nos tecidos cerebrais. Ao passo que se oligossacarídeos estiverem ligados à ceramida, o glicoesfingolipidios em questão será um gangliosídeo. LIPÍDIOS DERIVADOS São lipídios formados após transformações metabólicas sofridas pelos ácidos graxos. Dentre os precursores dos lipídios derivados destaca-se o colesterol, que é a molécula precursora dos hormônios esteróis. 1 - Esteróis Os esteróis são moléculas com cerca de 28 átomos de carbono. Sua estrutura química deriva do ciclopentanoperidrofenantreno, que é dotado de 17 átomos de carbono e possui três anéis hexagonais e um pentagonal (Figura 21). Figura 21 - Estrutura comum nos esteróis. Fonte: Wikimedia Commons (2018d). 34WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 2 ENSINO A DISTÂNCIA Por definição, os derivados do ciclopentanoperidrofenantrenoque contém ao menos uma hidroxila (-OH) e nenhuma carbonila (-C=O) são denominados esteróis (Figura 22). O colesterol é o esterol mais conhecido, encontrado nas gorduras animais, é o precursor de hormônios importantes para o metabolismo como o estradiol, a testosterona e o cortisol. Figura 22 - Estrutura da molécula de colesterol. Fonte: Wikimedia Commons (2018e). Além de ser precursor dos hormônios esteroides, o colesterol participa da constituição da membrana plasmática (Figura 23), promovendo rigidez moderada a este envoltório celular. Figura 23 - Representação do modelo de mosaico fluido evidenciando a participação do colesterol na composição da membrana plasmática. Fonte: Drews (2011). CONSIDERAÇÕES FINAIS Concluindo, esta unidade II deve ter orientado você sobre a estrutura, composição e função dos carboidratos e lipídios. Na unidade III discutiremos o metabolismo de carboidratos. UNIDADE 35WWW.UNINGA.BR ENSINO A DISTÂNCIA SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................................... 36 GLICÓLISE ................................................................................................................................................................ 37 GLICOGÊNESE, GLICOGENÓLISE e GLICONEOGÊNESE ...................................................................................... 47 CONSIDERAÇÕES FINAIS ....................................................................................................................................... 52 METABOLISMO DE CARBOIDRATOS PROF.A DRA. GISELE CAROLINE NOVAKOWSKI 03 36WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 3 ENSINO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO Nesta unidade abordaremos o metabolismo de carboidratos, isto é, a utilização da glicose ou seus derivados como combustível celular. Historicamente, o entendimento do metabolismo de carboidratos foi iniciado com Louis Pasteur (1860), que descreveu o processo de fermentação como um processo estritamente relacionado às células vivas. Vale mencionar que a degradação da glicose (glicólise) é um processo fermentativo. Em 1905, Arthur Harden e William Young, descobriram que o fosfato inorgânico (Pi) era essencial para o processo de fermentação continuar. Posteriormente, esses pesquisadores isolaram a frutose 1,6 bifosfato, chegando a outros compostos presentes na degradação da glicose. A via glicolítica completa foi esclarecida em torno de 1940. Vários cientistas contribuíram para a elucidação dessa via, dentre eles: Gustav Embdet, Otto Meyerhof, Jacob Parnas, Carl Neuberg, Carl Cori e Gerty Cori. Em heterótrofos (seres que obtém energia a partir da degradação de moléculas orgânicas) o processo de produção de energia a partir da oxidação dos carboidratos é composto por quatro estágios: • 1º - Digestão – Mecanismo em que os alimentos sofrem quebras na sua estrutura molecular até se tornarem unidades menores, gerando então os monossacarídeos, os aminoácidos, o glicerol e os ácidos graxos; • 2º - Glicólise – Estágio em que as moléculas de glicose são degradadas, gerando energia na forma de poucos ATP; • 3º - Ciclo do Ácido Cítrico ou Ciclo de Krebs – Fase que resulta em compostos essenciais para geração de ATP na fosforilação oxidativa; • 4º - Fosforilação oxidativa – Fase com os maiores saldos de ATP. Assim sendo, em um primeiro momento serão discutidas as etapas da glicólise e a seguir serão explorados os estágios do ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa. Serão aqui destacadas as enzimas que atuam nas vias e o saldo de ATP produzido em cada processo. Para compor este material foram utilizados especialmente os seguintes livros: Nelson e Cox (2011), Smith et al (2008), Stryer (2004), Voet e Voet (2013). Literaturas adicionais que complementaram esta apostila foram destacadas ao longo do texto. 37WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 3 ENSINO A DISTÂNCIA GLICÓLISE Esse processo corresponde a quebra da glicose em moléculas mais simples que são os substratos para o ciclo do ácido cítrico. De modo geral, os tecidos têm diferentes necessidades de glicose, por esta razão, a glicólise é a principal via do metabolismo de carboidratos. É um processo que acontece no citosol, sendo que a glicose adentra as células por difusão facilitada através de transportadores do tipo GLUT (Figura 1). Agora que sabemos que a glicólise corresponde à degradação (lise) de glicose, vamos partir de uma situação cotidiana para entender esse processo. Imagine que você está em um jejum de oito horas após uma noite de sono e quando acorda o nível glicêmico está baixo tanto no meio extracelular quanto no intracelular e isso lhe dá a sensação de fome. Ao comer alguma fonte de glicose como o pão, você estará fornecendo ao meio extracelular uma concentração maior de glicose que o meio intracelular. Essa maior concentração de glicose estimula as células beta- pancreáticas a secretar insulina para a corrente sanguínea. Dessa forma, a insulina desencadeia o mecanismo de entrada de glicose na célula, a favor de um gradiente, por meio de transportadores do tipo glut (Figura 1). Assim, a glicose passa rapidamente do meio extracelular para o meio intracelular, promovendo uma alteração de concentração. Figura 1 - Esquema do mecanismo de difusão da glicose por meio de transportadores glut. Fonte: Wikimedia Commons (2018). Na Figura 1, em 1 - a Insulina se liga a receptores de membrana. Em 2 - Translocação de transportadores glut do citosol para a membrana plasmática; 3 - Entrada de glicose por difusão; em 4 ocorre a Síntese de glicogênio; e 5 a Glicólise; e em 6 há a Síntese de ácido graxo. Para termos uma ideia geral do metabolismo de carboidratos, devemos compreender que a medida que a glicose entra ela será, em parte, oxidada para geração de ATP. Mas, o saldo excedente de glicose intracelular será armazenado na forma de glicogênio, que funcionará como uma reserva de glicose quando houver hipoglicemia sanguínea. Ainda, mediante quantidade elevadas de glicose intracelular, há a formação de ácidos graxos a partir de intermediários do metabolismo da glicose. Estas vias que envolvem a glicose estão sumarizadas na Figura 1, mas serão detalhadas a seguir. Agora que temos a visão geral do metabolismo de carboidratos, vamos iniciar o passo-a- passo das vias metabólicas. Primeiramente, devemos entender que a partir da entrada de glicose, o meio intracelular torna-se tanto concentrado quanto o extracelular e, depois torna-se mais 38WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 3 ENSINO A DISTÂNCIA concentrado que o meio extracelular. Imagine que, do mesmo modo que a glicose entra da célula a favor de um gradiente, esse monossacarídeo poderia sair da célula à medida que há redução de sua concentração extracelular. Porém, isso não ocorre, ou seja, a glicose é impedida de sair da célula, pois sofre uma fosforilação no C6 e torna-se glicose-6- fosfato. Essa reação é catalisada pela enzima hexocinase e faz com que a glicose se torne impermeável em relação à membrana e fique impedida de sair do interior celular. Após essa reação, o complexo enzimático celular da glicólise irá transformar cada molécula de glicose em duas moléculas de piruvato e também passará a produzir como resultado líquido 2 ATP e 2 NADH2. Pois bem, a seguir vamos aos detalhes desse processo denominado de glicólise. Em termos gerais, verifica-se que o processo de glicólise envolve duas fases: a preparatória (ou de consumo) e a de pagamento. A primeira inclui reações que consomem ATP e resultam em duas moléculas com 3 carbonos a partir da glicose: a dihidroxicetona fosfato e o gliceraldeído- 3-fosfato. A segunda integra reações quetransformam gliceraldeído-3-fosfato em piruvato. Nessa fase, há geração de ATP. Na sequência, vamos analisar as reações que ocorrem nas fases preparatória e de pagamento. FASE PREPARATÓRIA: CONSUMO DE ATP Na primeira reação, a glicose que entra nos tecidos é fosforilada no grupo hidroxila no carbono 6 (C6) e origina a glicose-6-fosfato e ADP (Figura 2). Para que essa fosforilação aconteça é necessário o consumo de uma molécula de ATP. Essa reação, catalisada pela enzima hexocinase, é irreversível. A hexocinase utiliza o complexo Mg+2 - ATP, sem o qual a reação é impedida. Trata- se de um dos três passos que regulam a glicólise. A fosforilação da glicose na primeira reação impede que ela saia da célula, pois o grupo fosfato adicionado a torna carregada negativamente e, por isso, fica ela impedida de atravessar a membrana plasmática por transporte passivo. Figura 2 - Primeira reação da glicólise. Modificado de: Nelson e Cox (2011). A glicose-6-fosfato é uma molécula comum a algumas vias do metabolismo de carboidratos. Ela é um precursor para certas rotas que utilizam a glicose, incluindo glicólise, via das pentoses fosfato e síntese de glicogênio. Além disso, ela também pode ser gerada a partir de outras rotas do metabolismo de carboidratos, tais como glicogenólise (quebra de glicogênio) e gliconeogênese (síntese de glicose a partir de moléculas que não são carboidratos). A segunda reação da glicólise é catalisada pela enzima fosfoexose isomerase. Nessa reação, a glicose-6-fosfato sofre isomeria e é convertida em frutose-6-fosfato. Esta isomerização tem uma função importante na via glicolítica, uma vez que o rearranjo dos grupos carbonil e hidroxil em C1 (carbono 1) e C2 é uma preparação necessária para os próximos passos. A fosforilação que ocorre na reação seguinte (reação 3) requer que o grupo em C1 seja primeiramente convertido de um carbonil para um álcool e, na reação subsequente (reação 4), a clivagem da ponte entre C3 e C4 pela aldolase requer um grupo carbonil em C2. Observe a segunda reação da glicólise na Figura 3. 39WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 3 ENSINO A DISTÂNCIA Figura 3 - Segunda reação da glicólise. Modificado de: Nelson e Cox (2011). A frutose-6-fosfato é depois fosforilada a frutose-1,6-bisfosfato (Figura 4) pela ação da fosfofrutocinase 1 (PK1). Este é o ponto de não-retorno desta via metabólica, uma vez que a partir do momento em que a glicose é transformada em frutose-1,6-bisfosfato não pode ser usada em nenhuma outra via. Figura 4 - Terceira reação da glicólise. Modificado de: Nelson e Cox (2011). Na sequência, a frutose-1,6-bisfosfato é quebrada em duas moléculas de três carbonos cada, o gliceraldeído3-fosfato e a diidroxicetona fosfato (Figura 5). Estas duas moléculas (dihidroxiacetona-fosfato e gliceraldeído-3-fosfato) são facilmente interconvertíveis por isomerização. Essa reação é catalisada pela triose fosfato isomerase (TPI). Figura 5 - Quarta (clivagem da frutose 1,6 bifosfato) e quinta (isomerização da diidroxicetona a gliceraldeído 3-P) reações da glicólise. TPI= enzima triose fosfato isomerase. Fonte: Silva (2002). 40WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 3 ENSINO A DISTÂNCIA FASE DE PAGAMENTO: PRODUÇÃO DE ATP A sexta reação da glicólise consiste na oxidação do gliceraldeído-3-fosfato pelo NAD+ (nicotinamida adenina dinucleotídeo). Essa reação é catalisada pela enzima gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (GAPDH) e é bastante espontânea, portanto, pode ser usada para produzir ATP. A produção de ATP é feita em dois passos. No primeiro, dá-se a oxidação do gliceraldeído- 3-fosfato, como citado no parágrafo anterior. Após, na sétima reação da glicolise, ocorre a fosforilação do 1,3 bifosfoglicerato, como mostrado na Figura 6. Essa reação é catalisada pela enzima fosfoglicerato cinase e produz ATP. Figura 6 - Sexta e sétima reações da glicólise. Fonte: Silva (2002). O 3-fosfoglicerato é isomerizado a 2-fosfoglicerato, que depois de desidratado (perde H2O) dá origem ao fosfoenolpiruvato (Figura 7). Figura 7 - Oitava e nona reações da glicólise. Fonte: Silva (2002). Devido ao seu elevado potencial de transferência de fosfato, o fosfoenolpiruvato pode transferir um fosfato ao ADP, produzindo ATP, como mostrado Figura 8 - Décima reação da glicólise. Fonte: Silva (2002). SALDO DA GLICÓLISE Considerando a oxidação de uma molécula de glicose, na glicólise gasta-se, portanto, 2 ATPs (primeira fase até a formação das duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato), e produz-se 4 ATPs. Assim, o saldo da glicólise é de 2 ATPs (4 ATP produzidos – 2 ATP gastos). O NAD+ deve ser regenerado, uma vez que participa da sexta reação da glicólise, caso contrário o processo cessa. Na presença de oxigênio (aerobiose), o NADH transfere os seus elétrons para a cadeia 41WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 3 ENSINO A DISTÂNCIA transportadora de elétrons, que discutiremos num terceiro momento nessa apostila. Na ausência de oxigênio (anaerobiose), o NADH transfere os seus elétrons para o piruvato, dando origem a lactato. É o que se denomina fermentação lática (Figura 9), um processo catalisado pela enzima lactato desidrogenase. Figura 9 - Representação da fermentação lática. Fonte: Jay (2006a). Ainda, na ausência de oxigênio, alguns microrganismos podem realizar um processo fermentativo denominado de fermentação alcoólica. Esse processo é muito usado na indústria para gerar bebidas alcoólicas. Em termos bioquímicos, consiste na produção de álcool etílico e CO2 a partir de piruvato (Figura 10). Figura 10 - Representação da fermentação alcoólica. TPP= tiamina pirofosfato. Fonte: Jay (2006b). Na fermentação lática ou alcoólica são produzidas 2 ATPs, ou seja, é uma quantidade muito menor que aquela produzida pela degradação completa da glicólise em vias aeróbias, 42WWW.UNINGA.BR BI OQ UÍ M IC A | U NI DA DE 3 ENSINO A DISTÂNCIA como será descrito adiante. CICLO DE KREBS OU CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO Após terem ocorrido as reações da glicólise temos como resultado final a formação de duas moléculas de piruvato para cada glicose. Este piruvato é transportado para dentro da matriz mitocondrial através da ação do complexo enzimático denominado de complexo piruvato desidrogenase. Uma das enzimas que fazem parte deste complexo (E1) apresenta uma ação de descaboxilase na qual retira um carbono do piruvato na forma de CO2. Assim, o piruvato resulta em uma molécula de acetilcoenzima A (acetil - CoA) + CO2. Essa descarboxilação deve ser vista como a maneira de diminuir um átomo de carbono da molécula de piruvato (3C) para gerar a acetil-CoA com dois carbonos. O complexo piruvato desidrogenase é complexo, pois contém vários cofatores: lipoato, FAD, coenzima A (CoA-SH) (Figura 11). Figura 11 - Síntese de acetil-coA. E1= enzima piruvato desidrogenase; E2= diidrolipoil transacetilase; E3= dihidrolipoil desidrogenase. Fonte: Nelson e Cox (2011). Essa redução do número de carbonos é fundamental, pois a primeira reação do ciclo do ácido cítrico é uma reação de síntese entre a acetil-CoA(2C) e o oxaloacetato(4C) para formar o citrato ou ácido cítrico(6C) através da ação da enzima citrato sintase (Figura 12). Figura 12 - Síntese do citrato. Modificado de: Nelson e Cox (2011). Lembre-se que a glicólise é um processo de independe de oxigênio, mas o seu produto final, o piruvato, em condições aeróbias seguirá para o ciclo de ácido cítrico. Entretanto, o metabolismo anaeróbio pode ser uma alternativa para produção de ATPs. Por exemplo, durante uma atividade intensa dos músculos estriados esqueléticos, quando o oxigênio estiver ausente, o piruvato será convertido a lactato. Nessas condições, a fermentação lática será responsável