Introdução a bioquímica e sua importância, estudo das estruturas e química da vida.

1. INTRODUÇÃO À BIOQUÍMICA
Bioquímica
O que é?
Química dos Sistemas Biológicos.
Estudo da Química da Vida.
Estudo das Estruturas, Organização
e Função das Células em Termos Moleculares
Composição Química dos Seres Vivos
• C, N, O, H, Ca, P, K ⇒ 98% do peso seco dos seres
vivos;
• C (61,7%), N (11,0%), O (9,3%) e H (5,7);
• Outros: Na, Cl, S, I, Zn, Cu, Mg, Mn, Fe...
Voet, D; Voet, J.D.; Pratt, C.W. Fundamentos de Bioquímica, 2000
De onde vieram esses elementos químicos?

2. A Origem do Universo
15 a 20 bilhões de anos Big-Bang
Já nos primeiros instantes da formação do universo, sob a
intensa energia liberada, produziram-se os primeiros elementos
químicos. Ainda hoje alguns elementos químicos mais leves são
gerados por fusão termo-nuclear nas estrelas, como por exemplo
o He.
H + H D + positron
D + H He 3
He 3 + He 3 He + 2 H
Esse processo é conhecido como Nucleossíntese C O...
E as moléculas orgânicas, como surgiram?
Em nosso planeta (Terra) estima-se que a cerca de 4,3
bilhões anos surgiram as primeiras moléculas orgânicas (era
pré-biótica). A atmosfera nesse período era composta
pricipalmente por H2Og, N2, CO2, CH4, NH3, SO2 e H2.
Alexandre Oparim e J.B.S. Haldane (1930...): radiações UV
e descargas elétricas provocaram reações primeiros
compostos orgânicos.

3. Stanley Miller e Harold Urey (1953): H2O, CH4, NH3 e H2 +
descagas elétrica compostos orgânicos solúveis
(aminoácidos, uréia, ácidos orgânicos...).
Hipóteses modernas sugerem que as moléculas complexas
(RNA, DNA, proteínas, membranas lipídicas) começaram a
surgir catalizadas no contato com superfícies minerais ricas
em Fe.

4. Daí para diante, uma multiplicidade de combinações e a
selecção natural orientaram o nascimento da vida e a sua
sobre-existência.
O 1° vestígio de vida: 3,5 bilhões de anos.
Duas premissas são fundamentais no que diz respeito à “Vida”:
A vida requer água líquida;
A vida é baseada no carbono.
Por quê?
Os fenômenos Bioquímicos requerem:
• Interações Moleculares, Comunicação, Agrupamento molecular.
Como esses fenômenos sofrem a influência dos diferentes estados da
matéria?
O estado gasoso
Gases por definição possuem pouca ou nenhuma atração
intermolecular. As interações entre moléculas são caracterizadas
por colisões, frequentemente elásticas, com pouquíssimo tempo
de contato umas com as outras. Algumas reações ocorrem no
estado gasoso, porém grandes agrupamentos moleculares não são
formados devido a falta de forças de atração intermoleculares
mais fortes.

5. O estado sólido
Sólidos são caracterizados por moléculas vizinhas mantidas sob
rígida orientação espacial. São essencialmente estruturas
moleculares rígidas, com pouca oportunidade de interações
moleculares.
O estado líquido
As atrações moleculares no estado líquido são fortes o bastante
para permitir a interação entre as moleculas vizinhas, mas não
fortes o bastante para mantê-las agregadas rigidamente.
O intercâmbio entre moléculas vizinhas, estruturas complexas e
comunicação molecular são possíveis.
"O problema"
Enquanto o estado líquido aparenta ser o mais apropriado para os sistemas
vivos, o leque de temperaturas de diferentes compostos pode variar
dramaticamente tornando-se imcompatível com as formas de vida
conhecidas.
• Oxigênio: ponto de ebulição é -183°C
• Ferro: ponto de fusão é 1535°C
• Mercúrio: ponto de fusão é -38,4 °C e ponto de ebulição é 357 °C
Vida baseada em carbono
A vida requer interações complexas e moléculas complexas para propiciar
funcionalidades únicas.
Por quê não existem organismos vivos compostos por gases nobres ou
metais?

6. • Os gases-nobres possuem a última camada eletrônica completa
(regra do octeto) e, por isso, não partilham elétrons e nem formam
ligações covalentes. Eles existem a forma atômica e não formam
moléculas complexas. A temperaturas muito frias podem ser
liquefeitos, mas possuem pouca ou nehuma capacidade de reagir
quimicamente.
• Os metais possuem valência 1 a 3. Oxidam-se facilmente gerando
cátions que não formam ligações químicas covalentes.
• Os elementos do grupo VII (halogênios) estão a 1 életron de formar
o octeto completo. Costumam formar ligações simples com outro
elemento, mormente formam moléculas diatômicas com o mesmo
elemento (Cl2, F2, Br2, I2), que são gases nas CNTP; ligações simples
são o limite de sua complexidade.

7. As características do carbono
• É um elemento tetravalente, o que lhe permite formar quatro
ligações. Sua abilidade para formar duplas e triplas ligações lhe
permite uma variedade de geometrias (trigonal, planar, linear), além
da tetraédrica;
• A eletronegatividade do carbono (C) é intermediária entre os
ametais. Assim, ligações polares podem acontecer com outros
elementos ametálicos. Em combinação com a geometria molecular
das ligações feitas com o C, é possível serem formadas moléculas
polares ou apolares e uma variedade de cargas parciais podem co-
existir em diferentes posições da molécula;
Eletronegatividade entre os ametais*
Elemento Eletronegatividade
F 4,0
O 3,5
Cl 3,0
N 3,0
Br 2,8
S 2,5
C 2,5
I 2,5
Se 2,4
P 2,1
H 2,1
*Quanto maior o número, maior a eletronegatividade do elemento.
• O carbono na forma pura, por exemplo como grafite ou diamante,
não é solúvel em água. As ligações covalentes com outros elementos
com diferença de eletronegatividade significativa (O, N) tornam as
moléculas assim constituídas solúveis em água;

8. • Compostos com alto conteúdo de carbono tendem a formar fase com
a água (gasosina, óleos vegetais);
• Em síntese, moléculas complexas podem ser construídas a partir do
elemento carbono permitindo uma variedade de polaridades, cargas,
reatividades químicas e outras propriedades físicas (solubilidade, Pe,
Pf, atividade óptica...).
Moléculas
contendo
informação
Moléculas
que
interpretam
a informação
Moléculas
para replicar
a informação
Estruturas
moleculares
que formam o
organismo
Moléculas que
usam a energia
do meio e
possibilitam a
manutenção dos
outros sistemas
LÓGICA MOLECULAR DA VIDA

9. • Alta complexidade e organização (baixa entropia);
Átomos Moléculas Estruturas macromoleculares
Organelas Células
• Sistemas de obtenção, transformação e uso de energia
(eletromagnética, térmica, química, osmótica);
Seres Vivos
Fototróficos
(energia proveniente
da luz)
Quimiotróficos
(energia proveniente de
compostos químicos)
Autotróficos
(carbono do CO2)
Ex.:
Cianobactérias
Plantas
Heterotróficos
(carbono de
compostos orgânicos)
Ex.:
Bactéria púpura
Bactéria verde
Heterotróficos
(carbono de compostos
orgânicos)
Litotróficos
(energia de
compostos
inorgânicos)
Ex.:
Bactéria redutoras
de SO4
Bactéria redutoras
de H+
Organotróficos
(energia de
compostos orgânicos)
Ex.:
Maioria dos
Procariotos
Eucariotos não
fototróficos

10. • Mecanismos sensitivos e de resposta às alterações ambientais;
Sistema Quorum Sensing em Pseudomonas aeruginosa
• Funções definidas de cada um dos componentes celulares e interações
reguladas entre eles;

11. Estruturas celulares e suas principais funções
ORGANELA FUNÇÃO
Núcleo
Localização do genoma principal; sítio da síntese
da maior parte do DNA e do RNA
Mitocôndria
Sítio de reações de oxidação, produtoras de
energia; possui DNA próprio
Cloroplasto
Sítio da fotossíntese em plantas verdes e em
algas; possui DNA próprio
Retículo
endoplasmático
Membrana contínua por toda a célula; parte rugosa
coberta por ribossomos (sítio da síntese protéica);
síntese de lipídeos, metabolismo de glicogênio
Complexo de
Golgi
Série de membranas achatadas; envolvido na
secreção de proteínas pela célula e em reações que
ligam açúcares a outros componentes celulares
Lisossomos
Vesículas delimitadas por membrana que contêm
enzimas hidrolíticas
Peroxissomos
Vesículas que contêm enzimas envolvidas no
metabolismo do peróxido de hidrogênio
Membrana celular
Separa o conteúdo da célula do meio externo;
permeabilidade seletiva; forma da célula
(flexibilidade)
Parede celular Camada exterior rígida de células vegetais
Vacúolo central
Vesícula delimitada por membranas (células
vegetais)
FONTE: CAMPBELL, 2001.

12. 12
• Diversas formas de vida fundamentalmente relacionadas ⇒ mesmos
tipos de moléculas fundamentais.
Percentual do peso
total da célula
Nº aproximado de diferentes
espécies moleculares
Água 70 1
Proteínas 15 3000
Ácidos Nucleicos
ADN 1 1
ARN 6 >3000
Polissacarídeos 3 5
Lipídeos 2 20
Subunidades monomérica
e Intermediários
2 500
Íons inorgânicos 1 20
Componentes moleculares de células de Escherichia coli.
Fonte: Biochemistry – Lehninger 4º Ed.
• Capacidade de replicação/multiplicação ⇒ reprodução com precisão ao
longo de várias gerações, através de um sistema de replicação auto-
reparável.

13. 13
Química Orgânica e Bioquímica
Função
orgânica:
Grupo
funcional:
Exemplo:
Hidrocarboneto CX HY CH4 - metano
Álcool R — OH n-butanol
Fenol 4-metilfenol ou p-cresol
Éter R — O — R'
metóxi-etano
Aldeído pentanal
Cetona 2-propanona ou acetona
Ácido
carboxílico
ácido etanóico ou ou
acético
Éster
etanoato de
etila ou acetato
de etila
Amida N-metiletanamida
Amina dimetil-(prop-1-
enil)amina

14. 14
Nitrila R — C ≡ N H3C — C ≡ N - cianeto de metila
Haleto
R — C — X
(X = F, Cl, Br, I)
H3C — H2C — Cl - cloreto de etila
Principais moléculas estruturadores da vida
Açúcares (celulose, amido, glicogênio)
O
H
HO
H
HO
H
HO
OH
H H
OH
D-(α)-Glicose

15. 15
Lipídeos (membranas)
O O
O
O
O
O
Triglicerídeo
Nucleotídeos (ARN e ADN)
NH
N
N
O
NH2
N
O
H
HH
HH
OH
OP-
O
O
O-
Desoxiribonucleotídeo (citosina)

16. 16
Aminoácidos (proteínas)
H2N CH C
CH2
OH
O
HN
Fenilalanina
Bioquímica
Química dos Sistemas Biológicos.
Estudo da Química da Vida.
Estudo das Estruturas, Organização
e Função das Células em Termos Moleculares.

17. 17
Interações e Transformações Químicas
• A força de ligação entre dois átomos está relacionada às
suas eletronegatividades.
Elemento Eletronegatividade Elemento Eletronegatividade
F 4,0 Cu 1,9
O 3,5 Fe 1,8
Cl 3,0 Co 1,8
N 3,0 Ni 1,8
Br 2,8 Zn 1,6
S 2,5 Mn 1,5
C 2,5 Mg 1,2
I 2,5 Ca 1,0
Se 2,4 Li 1,0
P 2,1 Na 0,9
H 2,1 K 0,8
Tipo de Ligação Energia de dissociação (kJ/mol)
O-H 461
P-O 419
C-H 414
C-O 352
C-C 348
C-N 293
S-S 214
C=O 712
C=C 615
C≡C 816
N≡N 930
Pontes de Hidrogênio 4-20
Interações Iônicas 4-20

18. 18
• Quando dois átomos que compartilham elétrons em uma
ligação covalente têm afinidade igual para e-
, a ligação
resultante é não polar. Quando esses dois átomos
envolvidos em ligação covalente têm eletronegatividade
distinta, a ligação é polarizada. Quando a
eletronegatividade entre dois átomos é muito desigual , um
dos átomos cede os elétrons para o outro, resultando em
interação iônicas.
• C---C δ+
C--Oδ- δ-
N--Hδ+
Na+
--Cl-
• Os grupos funcionais são responsáveis pelas propriedades
químicas das biomoléculas.
• Essas propriedades vão determinar as interações entre
grupos nucleofílicos (ricos em elétrons) e outros
eletrofílicos (deficientes em elétrons).
• Grupos funcionais contendo N, O e S são inportantes
nucleófilos nas biomoléculas. Por outro lado, prótons (H+
) e
cátions (metais ionizados) agem como grupos eletrofílicos.
Já um átomo de carbono pode agir como um centro
nucleofílico, ou atuar de forma eletrofílica, dependendo de
quais ligantes ou grupos funcionais estejão associados a ele.
• Existem cinco tipos básicos de tranformação química:
1) Transferência de grupos
2) Oxidação-redução
3) Rearranjo
4) Clivagem
5) Condensação

19. 19
1) Transferência de grupos
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
N
N
N
N
H2N
O
OH
OH
H
H H
H
O
P
O-
O
O
P
O-
O
O
P
-
O
O-
O
P O-
O-
O
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2O
N
N
N
N
H2N
O
OH
OH
H
H H
H
O
P
O-
O
O
P
O-
O
-
O
+ +
D-Glicose ATP D-Glicose-6-Fosfato ADP
2) Oxidação-redução
P O-
O-
O
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2O
OH
H2O
NADP+
NADPH
P O-
O-
O
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2O
OHO
H++ +
3) Rearranjo
P O-
O-
O
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2O
OH
P O-
O-
O
HHO
OHH
OHH
CH2O
O
D-Glicose-6-fosfato Frutose-6-fosfato
H OH
H

20. 20
4) Clivagem
P O-
O-
O
HHO
OHH
OHH
CH2O
O
Frutose-1,6-bifosfato
H2C P O-
O-
O
O
P O-
O-
O
CH2OH
OHH
CH2O
O
H2C P O-
O-
O
O
H O
Gliceraldeído3-fosfato
Diidroxiacetonafosfato
5) Condensação
H2N CH C
R1
OH
O
H2N CH C
R2
OH
O
+
H2N CH C
R1
O
CH C
R2
OH
O
H
N
H2O
Dois aminoácidos
Dipeptídeo

21. 21
Enzima-Substrato
Ligante-Receptor
Antígeno-Anticorpo
A estrutura tridimencional das biomoléculas determina sua
atividade biológica.
Estereoisômeros: ao contrário dos isômeros constitucionais, os
estereoisômeros têm a mesma conectividade (mesmos grupos
ligantes), mas que diferem entre si na forma como distribuem
espacialmente (arranjo espacial). Os estereoisômeros são
divididos em dois grupos:
1) Enantiômeros – estereoisômeros cujas moléculas são
imagens especulares não superponíveis.
NH2
CH3
HO H
NH2
CH3
H OH
2) Diastereoisômeros – estereoisômeros cujas moléculas não
são imagem especular uma da outra.
C
C
Cl H
Cl H
C
C
H Cl
Cl H
cis-1,2-dicloroeteno trans-1,2-dicloroeteno

22. 22
A maioria das biomoléculas é assimétrica.
Ocorre assimetria quando quatro (4) átomos ou grupos funcionais
diferentes entre si estão ligados a um átomo de carbono. Esse
átomo central é chamado carbono quiral ou assimétrico.
C
CH2CH3
CH3
HO H C H
CH3
CH2CH3
HO
Projeção de Fischer Projeção em Perspectiva
Toda as moléculas com centros quirais são capazes de girar a luz
plano-polarizada. Essa capacidade é chamada atividade ótica.
Nomenclatura dos Estereoisômeros
Designação de configuração segundo Fischer e Rosanoff:
Sistema D & L.
C OH
CH2OH
CHO
H C H
CH2OH
CHO
HO
D-Gliceraldeído L-Gliceraldeído
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-Glicose
CHO
OHH
HHO
HHO
OHH
CH2OH
D-Galactose
CHO
OHH
HHO
HHO
CH2OH
L-Arabinose

23. 23
H2N C
CH3
H
COO-
L-Alanina
H C
CH3
NH2
COO-
D-Alanina
H2N C H
CH2
COO-
H C NH2
CH2
COO-
L-Fenilalanina D-Fenilalanina
Designação das configurações absolutas segundo Cahn-Ingold-
Prelog: Sistema R & S
C R2
R3
R1
R4 C R4
R3
R1
R2
IsômeroR IsômeroS
R1 > R2 > R3 > R4
Para os átomos ligados diretamente ao carbono quiral vale a
seguinte regra:
I > Br > Cl > F > O > N > C > H
Número Atômico
Para os ligantes subsequente
-OH > -COOH > -CH2Cl > -CH2OH > -CH3 > -H
Neste caso aplicamos a mesma regra ao segundo átomo,
depois ao terceiro...até que se alcance a ordem de
prioridade definitiva.

24. 24
H2N C
CH3
H
COO-
L-Alanina
C R4
R3
R2
R1
-
C R4
R3
R2
R1
S-Alanina
C R1
R3
R2
R4
S-Alanina
H2N C
CH3
H
COO-
S-Alanina
H C
CH3
NH2
COO-
D-Alanina
R4 C
R3
R1
R2
S-Alanina
R1 C
R3
R4
R2
S-Alanina
H C
CH3
NH2
COO-
R-Alanina