1. BIOQUÍMICA Vida + Química O que é vida? É difícildefinir o que é “vida” maspodemosdistinguí-la dos abjetosinanimadosporalgumascaracterísticas 1)grau de complexidadequímica e organização; 2)osorganismosvivosextraem, transformam e usam a energiadisponível no meioambiente; 3)capacidade de auto-replicação e automontagem.

2. Tudoficamuitosemelhanteemnívelcelular A vida é realmentemuitodistintaemnívelmacroscópico 6000 tipos de compostosorgânicos 3000 proteínas 3000 moléculas de ácidosnucléicos A maioria dos constituintesmoleculares dos sistemasvivos é composta de poucosátomos C, H, O e N

3. Os organismosvivos, assimcomo a matériamorta, sãoformados de um conjunto de moléculainanimadas! Moléculasinanimadas A Bioquímicapossuiimportantesaplicaçõespráticasemmedicina, agricultura, nutrição e indústria! Organismosvivos ObjetivodaBioquímica Mostrarcomo as coleções de moléculasinanimadasinteragem entre si para manter e perpetuar a vidaanimada, exclusivamentepelas leis químicasquegovernam o universonão vivo

4. TrabalharemBIOQUÍMICAenvolve a caracterização das inúmerasmacromoléculasexistentesnosseresvivos! Subunidadesmonoméricas Entretanto a infinidade de macromoléculassãoformadasporpoucasunidadesmonoméricas Phe Thr Asn Glu V A Q O Tyr Gly Gln Lys M K G R I Asp T Met Val Ala H U L P C A T Leu His Ser Ile J Cys Pro Trp GATCATAC AGTCTTGC GACTACGT MASSAGES AESSAGES M ESSAGES Asn Glu Val Lys Met Ile His Pro Trp Trp Palavras DNA Proteínas

5. As macromoléculas encontradas nos organismos vivos são conhecidas como BIOMOLÉCULAS. a) Aminoácidos - formam polímeros chamados PROTEÍNAS b) Carboidratos - formam polímeros chamados POLISSACARÍDEOS c) Gorduras (LIPÍDEOS) - podem formar estruturas supra-moleculares (membranas) d) Bases nitrogenadas – formam polímeros chamados ÁCIDOS NUCLÉICOS e) Muitos outros compostos orgânicos - ácidos carboxílicos, etc... f) Compostos inorgânicos - CO2, NH3, O2,,ÁGUA, além de íons como Fe2+, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cl-, etc.

6. a) As reações bioquímicas, chamadas vias metabólicas são praticamente as mesmas em todos os organismos vivos b) A informação hereditária é codificada quimicamente de modo idêntico em todos os organismos vivos

7. LIVROS-TEXTO EM BIOQUÍMICA 1) A. L. Lehninger, D. L. Nelson, M. M. Cox, Princípios de Bioquímica 2) D. Voet, J. G. Voet, Bioquímica 3) T. M. Devlin, TextbookofBiochemistry 4) A. Bracht, E. L. Ishii-Iwamoto, Métodos de Laboratório em Bioquímica

8. ÁGUA -A água é a substâciamaisabundantenossistemasvivos, perfazendo 70 % oumaisdamassadamaioria dos organismos. -A vidacomeçou no ambienteaquoso, portanto, a evoluçãofoimarcadapelaspropriedadesfisico-químicasdaágua. ouseja: As estruturas das moléculas nas quais a vida se baseia, proteínas, ácidos nucléicos, membranas lipídicas e carboidratos complexos, resultam diretamente de suas interações com o ambiente aquoso!

9. Interações fracas emSistemasAquosos Ponto de fusão, Ponto de ebulição e calor de vaporização de algunssolventes Ponto de fusão ºC Ponto de ebulição ºC Calor de vaporização (J/g) Água A água tem ponto de fusão, ponto de ebulição e calor de vaporizaçãomaioresqueosdamaioria dos solventescomuns. Essapropriedade é consequência das atrações entre moléculas de águaadjacentesquedão à águalíquidaumagrandecoesãointerna!

10. A estruturadaáguaaproxima-se de um tetraedroperfeito Ângulodaligação H – O – H 104,5º Ânguloem um tetraedroperfeito 109,5º -O núcleo do Oxigênioatraielétronsmais forte do que o núcleo do Hidrogênio -Issogera um dipolo, no qual o oxigêniopossuicarganegativa 2δ- e o hidrogêniocargapositivaδ+ -Assimexisteumaatração entre o oxigênio de umamolécula e o hidrogênio de outramolécula. Essainteração é chamadaPONTE DE HIDROGÊNIO! Ponte de hidrogênio 0.177 nm Ligaçãocovalente 0.0965 nm

11. As pontes de hidrogêniosãomais fracas do que as ligaçõescovalentes Energia de dissociação de ligação: - ligaçãocovalente 348 KJ/mol C-C - ponte de hidrogênio 20 KJ/mol Ponte de hidrogênio 0.177 nm Curiosidade Embora, emtodoinstante, a maioria das moléculas de águaestejaligadapor pontes de hidrogênio, o tempo de vida de cadaponte de hidrogênio é menorque 1 x 10-9s. Ligaçãocovalente 0.0965 nm TEORICAMENTE – umamolécula de águapodeformaraté 4 pontes de hidrogênio NA ÁGUA LÍQUIDA– umamolécula de água forma 3,4 pontes de hidrogênio, devidoaoconstantemovimento NO GELO – umamolécula de água forma 4 pontes de hidrogênio com outrasmoléculas de água num arranjo regular

12. Arranjocristalino das moléculas de água no GELO A passagemdaágua do estadosólido para o líquidorequer a quebra de várias pontes de hidrogênio o quecontribui para o alto ponto de ebuliçãodaágua! O mesmoacontece com a passagemdaágua do estadolíquido para o gasoso, o quetambémjustifica o alto ponto de ebulição! H2O(s) H2O(l) ΔH = +5,9 KJ/mol H2O(l) H2O(g) ΔH = +44 KJ/mol

13. Pontes de hidrogênio com solutospolares - As pontes de hidrogênionãosãorestritas à água! Regra para formação de pontes de hidrogênio Ela é formada entre um átomoeletronegativo e um átomo de hidrogênioligadocovalentemente a outroátomoeletronegativo. Aceptor de Hidrogênio Doador de Hidrogênio LigaçõesC-Hnãoformam pontes de hidrogênio!

14. Issoexplicaporque o butanolCH3CH2CH2CH2OH tem um alto ponto de ebulição(117 ºC) enquanto o butanoCH3CH2CH2CH2CH3 tem um baixoponto de ebulição(-0,5 ºC) Ponto de fusão, Ponto de ebulição e calor de vaporização de algunssolventes Ponto de fusão ºC Ponto de ebulição ºC Calor de vaporização (J/g) Água

15. Algumas pontes de hidrogênio de importânciabiológica Entre o grupohidroxila de um álcool e água Entre o grupocarbonila de umacetona e água Entre grupospeptídesempolipeptídeos Entre bases complementares do DNA Timina Adenina

16. As pontes de hidrogêniosãomais fortes quandoosátomosparticipantesestãoalinhados Ponte de hidrogênio forte Ponte de hidrogêniofraca

17. A águacomosolvente

18. A água é um solvente polar! Algunsexemplos de biomoléculaspolares, nãopolares e anfipáticas Polar Não - Polar Ceratípica Glicose Anfipática Fenilalanina Glicina Aspartato Fosfatidilcolina Lactato Glicerol Não - Polar Polar

19. Porquê a água dissolve sais? Os íons de um salinteragem entre si de acordo com a lei de Coulomb Reflete o nº de dipolos de um solvente F = é a forçaiônica entre as cargas q1 e q2 r = é a distância entre as cargas K = é umaconstante de proporcionalidade 8,99 x 10 9 J m C-2 D = constantedielétrica

20. Constantedielétrica de algunssolventes Quantomaior a constantedielétricamenor a atração entre osdoisíons

21. Os solventes com altaconstantedielétricapodemsolvatar as moléculas do soluto!

22. Os gases não-polaressãopoucosolúveisemágua Solubilidade de alguns gases naágua Solubilidadeemágua g/L Estrutura Gás Polaridade No sangue dos animaisexistemproteínascarregadoras para os gases O2 e CO2

23. Solubilidade das moléculasanfipáticas Dispersão dos lipídiosemágua Cadamolécula de lipídioforça as moléculas de águacircunvizinhas a ficaraltamenteorganizadas Grupocabeçahidrofílico Aglomerados de moléculas de lipídios Somente as porçõeslipídicas das bordasdaassociaçãoforçam a associaçãodaágua. Poucasmoléculas de águasãoorganizadas e a entropiaaumenta. Grupoalquilhidrofóbico “Aglomeradososcilantes” de moléculas de águanafaseaquosa Micelas Todososgruposhidrofóbicossãosequestradosdaágua. A conchaorganizada de moléculas de água é minimizada. Moléculas de águaaltamenteorganizadasformamgaiolasaoredor das cadeiasalquílicashidrofóbicas Interaçãohidrofóbica

24. Bicamada lipídica Micela

25. A remoçãodaáguaorganizadafavorece a formação do complexoenzima-substrato Águaorganizadainteragindo com o substrato e a enzima As pontes de hidrogênio entre as moléculas de água e ossolutospolarestambémprovocamalgumaorganização das moléculas de água! Assim, parte daenergia de ligação de um substrato polar à superfíciedaenzimaprovém do aumentodaentropia, à medidaque a enzimadesloca a águaorganizadaaoredor do substrato. Moléculas de águadeslocadaspelainteraçãoenzima-substrato Interaçãoenzima-substratoestabilizadapor pontes de hidrogênio, interaçõesiônicas e hidrofóbicas

26. Tipos de interaçãonão-covalente (fracas) Tabela 2-5 Quatrotipos de interaçõesnão-covalentes entre biomoléculasdissolvidasem um ambienteaquoso A ligação covalente é um tipo de ligação química entre átomos, caracterizada pelo compartilhamento de um ou mais pares de Elétrons entre átomos 1) Ponte de Hidrogênio Entre gruposneutros Entre ligaçõespeptídicas 2) Interaçãoiônica Atração Repulsão 3) Interaçãohidrofóbica Quaisquerdoisátomospróximos entre si 4) Interação de van der Waals

27. Interação de van der Waals Distância ótima Ocorre entre quaisquerdoisátomospróximos entre si Quandoosátomos se aproximam as suasnuvenseletrônicascomeçam a se repelir

28. Envoltório de van der Waals Raio de van der Waals do O = 1.4 Å O—H covalente; distância de ligação = 0.958 Å Raio de van der Waals do H = 1.2 Å Cadaátomo tem um raio de van der Waals

29. Raio de van der Waals de algunselementos

30. Os solutosafetam as propriedadescoligativasdaágua PropriedadesColigativas Pressão de vapor - Pressão de vapor é a pressão exercida por um vapor quando este está em equilíbrio dinâmico com o líquido que lhe deu origem, ou seja, a quantidade de líquido (solução) que evapora é a mesma que se condensa. Ponto de ebulição – passagem do estadolíquido para o estadogasoso Ponto de fusão – passagem do estadosólido para o estadolíquido Pressãoosmótica- pressãogeradapelofluxoosmótico de águaatravés de umamembranasemipermeável para um compartimentoaquosocontendosoluto a umaconcentraçãomaior

31. Formação de cristal de gelo Evaporação Nestasolução, a concetraçãoefetivadaágua é reduzida; apenastrês de quatromoléculasnasuperfície e no corpodasoluçãosãoágua e a tendência de a águalíquidaformar o cristalsãoreduzidasproporcionalmente. Emáguapura, cadamoléculanasuperfície é água e todaselascontribuem para a pressão de vapor. Cadamolécula no corpodasolução é água e podecontribuir para a formação de cristais de gelo.

32. Osmose e medidadapressãoosmótica Osmose– movimentodaáguaatravés de umamembranasemipermeávelimpelidopordiferençanapressãoosmótica, é um importantefatornavidadamaioria das células A equação de van`t Hoff ajuda a medir a pressãoosmótica: Π = ic RT Onde: R = constante dos gases T = temperaturaabsoluta I = concentração molar dasolução C= medida do grau de dissociação do soluto Águapura Solventenão-permeantedissolvidonaágua Pistão Membranasemipermeável Para umasolução com váriossolutosΠ = RT (i1c1 + i2c2 + incn)

33. Comparação entre soluções SOLUÇÕES ISOTÔNICAS – possuem a mesmaosmolaridade. Rodeadaporumasoluçãoisotônicaumacélulanemganha e nemperdeágua SOLUÇÕES HIPOTÔNICAS – quandoumacélula é rodeadaporumasoluçãohipotônicaelaentumece e eventualmente se rompe SOLUÇÕES HIPERTÔNICAS – quandoumacélula é rodeadaporumasoluçãohipertônicaelamurcha à medidaque a águaflui para a solução

34. O rompimento das célulasseriamumacatástrofe para a vida! Mecanismos de proteçãodesenvolvidos Bactérias e plantas – paredecelular 2)Protozoários – vacúolocontrátilquebombeiaágua para foradacélula 3)Animaismulticelulares - meiointersticial é mantido com a mesmaosmolaridade do citoplasma

35. Respostaao toque nasplantas: um eventoosmótico Vênus-pega-mosca Fechamentosúbitodafolha (0,5s) causadopelasaída de K+ e consequenteefluxodaágua Mimosa pudica Os folículosdaplantasensitiva, em forma de pena, fecham-se e murcham, protegendo a planta contra danosestruturaiscausadospelovento

36. IONIZAÇÃO DA ÁGUA A água tem apenasumapequenatendência a ionizar-se H2O H+ + OH- 2H2O H3O+ + OH- Íonhidrônio Íonhidroxila

37. Íonhidrôniodoandopróton A ionizaçãodaáguapode ser medidapelacondutividadeelétrica Salto protônico A águapuraconduzcorrenteelétrica a medidaque o H+migra para o cátodo e o OH- para o ânodo A mobilidade dos íons H+ e OH- emsoluçãoaquosa é anormalmenterápidaquandocomparada com outrosíons (Na+, K+ e Cl-) Águaaceitandopróton e tornando-se íonhidrônio

38. A + B C + D H2O H+ + OH-

39. O valor daKeq para a águapuramedidoporcondutividadeelétrica é 1,8 x 10-16M Assim: Kw = [H+] [OH-] = 55,5 x 1,8 x 10-16 Kw = [H+] [OH-] = 1,0 x 10-14

40. Na águapura [H+] = [OH-] = 1,0 x 10-14 [H+]2 = 1,0 x 10-14

41. A escala de pH pH é definidocomo o logarítmonegativodaconcentração de H+ no meio Tomandologarítmonegativo do produtoiônicodaágua Chamando –log [H+] = pH e –log [OH-] = pOH

42. A escala de pH é prática e costuma ser usada entre 0 e 14 Na água pura pH = log[H+] = log(107)= 7 Também na água pura: pOH = 14 – pH = 14 – 7 = 7 Alvejantedoméstico Amoníacodoméstico Aumenta basicidade Solução de bicarbonato de sódio Água do mar Neutro Sanguehumano Importante: Note que a escala de pH é logarítmica e nãoaritmética, ouseja, umasolução de pH 6,0 possui 10 vezesmaisprótons do queumasolução de pH 7,0. Leite, saliva Café preto Cerveja Suco de tomate Vinhotinto Coca-Cola, vinagre Aumenta acidez Suco de limão Sucogástrico

43. A Escala de pH

44. Problema: 1) Qual a concentração de H+emumasolução de NaOH 0,1 M? Resolvendo para H+ 1 x 10-14 M2 = 10-13 M 0,1 M

45. Os ácidos e bases fracas tambémpossuemconstantes de dissociação HCl H+ + Cl- Ácidos Fortes H2SO4 2H+ + SO4- NaOH Na+ + OH- Bases Fortes KOH K+ + OH- Dissociam 100% quandoemsoluçãoaquosa O maiorinteresse dos bioquímicosestánaspropriedades dos ácidos e bases fracas, ouseja, aquelesquenãodissociamcompletamentequandoemsoluçãoaquosa.

46. Ácidoacético Um ácidofraco Ácidoacético Um doador de próton Ânionacetato Um aceptor de próton -Um ácidopode ser definidocomo um doador de próton -Uma base pode ser definidacomo um aceptor de próton Um doador de próton e seuaceptorcorrespondenteformam um par ácido base conjugado -Cadaácidofracoem particular possuiumatendênciaemdoarpróton. -Quantomais forte o ácidomaior a tendência do ácidoemionizar-se (doarpróton).

47. A tendência de um ácidoionizar-se é medidapelaconstante de equilíbrio (Keq) HA H+ + A- Ka = constante de dissociação – quantomais forte o ácidomaior a constante de dissociação Podemosdefinir o pKa de um ácidocomosendo pKa = -log Ka Essadefinição é análoga à definição de pH. Quantomenor o pKamais forte é o ácido.

48. A curva de titulaçãorevela o pKa do ácido =10-14 M2 Região de tamponamento =1,74 x 10-5 M Equivalentes de OH-adicionados Porcentagemdatitulação

49. Regiõesimportantesemumacurva de titulação Fimdatitulação Todoácido original dissociou-se Ponto médiodaTitulação Metade do ácido original dissociou-se Região de Tamponamento Iníciodatitulação Moléculatotalmenteprotonada Equivalentes de OH-adicionados Porcentagemdatitulação No pontomédiodatitulação o pH = pKa

50. Demonstrandomatematicamenteque no pontomédiodatitulação o pH = pKa Quandoemsoluçãoaquosa Logo a constante de dissociação é: Resolvendo para [H+] Tomandologarítmosnegativos Como vimos -log[H+] = pH e –logKa = pKa, portanto

51. Estaequação é conhecidacomoequação de Henderson-Hasselbalch No pontomédiodatitulação [A-] = [HA], logo Log 1 = 0, portanto Importante: O detalhemaisimportantenacurva de titulação de um ácidofraco é queelamostragraficamenteque um ácidofraco e o seuânion – um par ácido-base conjugado – podemfuncionarcomo um tampão

52. TAMPÕES - São sistemasaquososqueresistemàsvariações do pH quandoquantidadesrelativamentepequenas de ácido (H+) ou base (OH-) sãoadicionados à solução Nasextremidades das curvas o pH variaMUITO com POUCOSequivalentes de HO-adicionados Na faixamédia, com pH`s próximosaos dos pKa`s, no entanto, o pH variaPOUCO com MUITOSequivalentes de HO-adicionados Regiões de tampona-mento As curvasaoladoemborasemelhantesestãodeslocadasaolongo do eixo de pH porqueessesácidospossuemforçasdiferentes. Equivalentes de OH-adicionados Porcentagemdatitulação

53. pKa e Ka de algunsácidos e bases fracas

54. TAMPÕES EM SISTEMAS BIOLÓGICOS Os fluídos intra e extra celulares dos organismospossuem pH constantedevido: -as proteínaspossuemresíduos de aminoácidosquepodem ser ionizados e contribuem para a manutenção do pH celular -Nucleotídeoscomo o ATP -ácidosorgânicos -Amônia (tampona a urina) Exemplo: Resíduo de histidina pKa = 6,0 Éster Adenina Anidrido Anidrido

55. O tampãofosfato age emtodas as células H2PO4- H+ + HPO42- pKa = 6,86, portanto é um bomtampão entre os pH’s de 5,9 a 7,9 Nosmamíferososfluidosextracelulares e a maioria dos compartimentoscitoplasmáticostêm um pH naregião entre 6,9 e 7,4

56. O plasma sanguíneo é tamponadopelosistematampãobicarbonato Equação 1 Equação 2 Substituindonaequação 1

58. H+ + HCO3- Reação 1 Sangue H2CO3 Um aumentonaconcentração de H+ no sanguetira o sistema do equilíbrio e estimula as reaçõesindicadaspelassetasamarelas, aumentando a pressãoparcial do CO2nospulmões. Animais com acidose metabólica em geral apresentam respiração acelerada (hiperventilação) Reação 2 H2O H2O CO2(d) Reação 3 Pulmões CO2(g) A introdução de HO-tambémtira o sistema do equilíbriopoisestasreagem com os H+ para formaráguahavendo, portanto, umadiminuiçãonaconcentração dos H+. Este fenômeno, porsuavez, estimula as reaçõesindicadaspelassetasvermelhas, o queimplicanumaabsorção de CO2 dos pulmões. (gerandohipoventilação)