Bioquímica Básica e
Metabolismo
Prof.ª Graziela dos Santos Barni
Indaial – 2019
1a Edição
Copyright © UNIASSELVI 2019
Elaboração:
Prof.ª Graziela dos Santos Barni
Revisão, Diagramação e Produção:
Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI
Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri
UNIASSELVI – Indaial.
B262b
Barni, Graziela dos Santos
Bioquímica básica e metabolismo. / Graziela dos Santos Barni.
– Indaial: UNIASSELVI, 2019.
212 p.; il.
ISBN 978-85-515-0340-9
1. Bioquímica. - Brasil. 2. Metabolismo. – Brasil. II. Centro Universitário
Leonardo Da Vinci.
CDD 572
Impresso por:
APRESENTAÇÃO
Prezado acadêmico, este livro didático reúne informações preciosas sobre
bioquímica e metabolismo. Mas questionamos: O que é a Bioquímica? Como podemos
definir Metabolismo?
A bioquímica é considerada uma ciência interdisciplinar que utiliza princípios e
métodos da química na investigação das transformações que ocorrem nas substâncias
e moléculas dos seres vivos, enquanto que o metabolismo são as transformações e
reações químicas relacionadas aos processos de síntese, degradação e decomposição
envolvendo nossas células.
Neste livro didático conheceremos os principais processos e conceitos que
envolvem essas ciências tão importantes para os seres vivos e que vivenciamos
diariamente. Para tornar este momento mais organizado e de fácil entendimento,
dividimos em três unidades.
Na Unidade 1, nosso foco inicialmente estará direcionado para as informações
relacionadas aos fundamentos da bioquímica. Esta unidade estará dividida em dois tópicos: a
lógica molecular da vida e célula eucarionte e procarionte.
Você lembra quais são as principais teorias para explicar o aparecimento da vida no
nosso planeta? O que significa ser eucarionte e procarionte?
Na Unidade 2 será abordado o tema biomoléculas. Afinal, o que são biomoléculas?
Como podemos imaginar, biomoléculas são moléculas essenciais à vida. Esta unidade
está dividida em sete tópicos, sendo eles: características gerais das biomoléculas; água;
aminoácidos; proteínas; enzimas; carboidratos; ácidos nucleicos; e lipídios.
E, por fim, na Unidade 3 iremos direcionar nossas informações para o
metabolismo que acontece no interior de nossas células. Esta unidade está dividida em
cinco tópicos: princípios de bioenergética; ciclo do ácido cítrico; metabolismo de ácidos
graxos e triglicerídeos; metabolismo de aminoácidos; e metabolismo de nucleotídeos.
Mas como nossas células obtêm energia para realizar todas as suas funções?
Por que acontecem erros no metabolismo de lipídios, podendo gerar doenças
como hipercolesterolemia e adrenoleucodistrofias, por exemplo? Esses são alguns
questionamentos que serão respondidos ao longo deste livro didático. Está curioso?
Vamos começar essa leitura cheia de informações que nos leva a compreender melhor
o funcionamento do nosso organismo?
Bons estudos!
Prof.ª Graziela dos Santos Barni
GIO
Você lembra dos UNIs?
Os UNIs eram blocos com informações adicionais – muitas
vezes essenciais para o seu entendimento acadêmico como
um todo. Agora, você conhecerá a GIO, que ajudará você
a entender melhor o que são essas informações adicionais
e o porquê você poderá se beneficiar ao fazer a leitura
dessas informações durante o estudo do livro. Ela trará
informações adicionais e outras fontes de conhecimento que
complementam o assunto estudado em questão.
Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os
acadêmicos desde 2005, é o material-base da disciplina. A partir
de 2021, além de nossos livros estarem com um novo visual
– com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a
leitura –, prepare-se para uma jornada também digital, em que
você pode acompanhar os recursos adicionais disponibilizados
através dos QR Codes ao longo deste livro. O conteúdo
continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada
com uma nova diagramação no texto, aproveitando ao máximo
o espaço da página – o que também contribui para diminuir
a extração de árvores para produção de folhas de papel, por
exemplo. Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto
de ações sobre o meio ambiente, apresenta também este
livro no formato digital. Portanto, acadêmico, agora você tem a
possibilidade de estudar com versatilidade nas telas do celular,
tablet ou computador.
Junto à chegada da GIO, preparamos também um novo
layout. Diante disso, você verá frequentemente o novo visual
adquirido. Todos esses ajustes foram pensados a partir de
relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os
materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade,
possa continuar os seus estudos com um material atualizado
e de qualidade.
QR CODE
Olá, acadêmico! Para melhorar a qualidade dos materiais ofertados a
você – e dinamizar, ainda mais, os seus estudos –, a UNIASSELVI disponibiliza materiais
que possuem o código QR Code, um código que permite que você acesse um conteúdo
interativo relacionado ao tema que você está estudando. Para utilizar essa ferramenta,
acesse as lojas de aplicativos e baixe um leitor de QR Code. Depois, é só aproveitar essa
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Acadêmico, você sabe o que é o ENADE? O Enade é uma
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do ENADE (ingressantes e concluintes das áreas e cursos a serem
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Conte conosco, estaremos juntos nesta caminhada!
SUMÁRIO
UNIDADE 1 - FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA.......................................................1
TÓPICO 1 - A LÓGICA MOLECULAR DA VIDA.......................................................... 3
1 INTRODUÇÃO......................................................................................................... 3
2 A UNIDADE QUÍMICA DOS DIFERENTES ORGANISMOS VIVOS..........................4
2.1 A BIOQUÍMICA PROCURA EXPLICAR A VIDA EM TERMOS QUÍMICOS.......................6
2.2 MACROMOLÉCULAS CONSTRUÍDAS A PARTIR DE COMPOSTOS SIMPLES.......... 8
2.3 PRODUÇÃO DE ENERGIA E SEU CONSUMO NO METABOLISMO...............................9
2.4 TRANSFERÊNCIA DA INFORMAÇÃO BIOLÓGICA......................................................... 17
RESUMO DO TÓPICO 1...........................................................................................23
AUTOATIVIDADE....................................................................................................24
TÓPICO 2 - CÉLULA EUCARIONTE E PROCARIONTE...........................................25
1 INTRODUÇÃO.......................................................................................................25
2 COMPARTIMENTOS CELULARES.......................................................................25
3 DIMENSÕES CELULARES...................................................................................32
4 CÉLULAS E TECIDOS USADOS EM ESTUDOS BIOQUÍMICOS...........................34
5 EVOLUÇÃO E ESTRUTURA DAS CÉLULAS PROCARIÓTICAS..........................34
5.1 O ESTUDO DA Escherichia coli........................................................................................ 36
6 EVOLUÇÃO DAS CÉLULAS EUCARIÓTICAS......................................................39
6.1 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS DAS CÉLULAS
EUCARIÓTICAS....................................................................................................................40
7 ESTUDO DOS COMPONENTES CELULARES......................................................45
7.1 ORGANELAS ISOLADAS POR CENTRIFUGAÇÃO.......................................................... 45
7.2 ESTUDOS IN VITRO............................................................................................................ 47
8 EVOLUÇÃO DOS ORGANISMOS MULTICELULARES E A DIFERENCIAÇÃO
CELULAR............................................................................................................... 48
9 VÍRUS: PARASITAS DAS CÉLULAS.................................................................... 51
LEITURA COMPLEMENTAR...................................................................................53
RESUMO DO TÓPICO 2...........................................................................................54
AUTOATIVIDADE....................................................................................................55
UNIDADE 2 — BIOMOLÉCULAS.............................................................................59
TÓPICO 1 — CARACTERÍSTICAS GERAIS............................................................. 61
1 INTRODUÇÃO....................................................................................................... 61
2 COMPOSIÇÃO E LIGAÇÃO QUÍMICA................................................................... 61
3 BIOMOLÉCULAS SÃO COMPOSTOS DE CARBONO...........................................62
4 GRUPOS FUNCIONAIS DETERMINAM AS PROPRIEDADES QUÍMICAS...........63
5 ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL: CONFIGURAÇÃO E CONFORMAÇÃO............64
6 REATIVIDADE QUÍMICA......................................................................................65
7 MACROMOLÉCULAS E SUAS SUBUNIDADES MONOMÉRICAS........................69
RESUMO DO TÓPICO 1............................................................................................71
AUTOATIVIDADE.................................................................................................... 72
TÓPICO 2 - ÁGUA................................................................................................... 73
1 INTRODUÇÃO....................................................................................................... 73
2 PONTES DE HIDROGÊNIO................................................................................... 73
3 INTERAÇÕES DE VAN DER WAALS.................................................................... 76
4 IONIZAÇÃO DA ÁGUA, ÁCIDOS FRACOS E BASES FRACAS............................. 76
5 AÇÃO TAMPONANTE CONTRA AS VARIAÇÕES DE PH NOS SISTEMAS
BIOLÓGICOS...........................................................................................................78
LEITURA COMPLEMENTAR...................................................................................82
RESUMO DO TÓPICO 2.......................................................................................... 84
AUTOATIVIDADE....................................................................................................85
TÓPICO 3 - AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS......................................87
1 INTRODUÇÃO.......................................................................................................87
2 AMINOÁCIDOS.....................................................................................................88
2.1 CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS................................................................................88
2.2 CLASSIFICAÇÃO PELO GRUPO R...................................................................................89
2.3 PROPRIEDADES DOS AMINOÁCIDOS............................................................................ 92
3 PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS.................................................................................93
3.1 ASPECTOS GERAIS DA ESTRUTURA PROTEICA......................................................... 94
3.2 ESTRUTURA SECUNDÁRIA DAS PROTEÍNAS.............................................................. 94
3.3 ESTRUTURAS TERCIÁRIAS E QUATERNÁRIAS DAS PROTEÍNAS........................... 95
3.4 DESNATURAÇÃO PROTEICA E ENOVELAMENTO....................................................... 95
3.5 FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS..............................................................................................97
RESUMO DO TÓPICO 3...........................................................................................99
AUTOATIVIDADE.................................................................................................. 101
TÓPICO 4 - ENZIMAS...........................................................................................103
1 INTRODUÇÃO.....................................................................................................103
2 FUNÇÃO ENZIMÁTICA......................................................................................104
3 CINÉTICA ENZIMÁTICA....................................................................................104
3.1 ENZIMAS REGULADORAS............................................................................................... 105
RESUMO DO TÓPICO 4......................................................................................... 107
AUTOATIVIDADE..................................................................................................108
TÓPICO 5 - CARBOIDRATOS E GLICOCONJUGADOS......................................... 111
1 INTRODUÇÃO...................................................................................................... 111
2 MONOSSACARÍDEOS E DISSACARÍDEOS....................................................... 112
3 POLISSACARÍDEOS.......................................................................................... 114
4 GLICOCONJUGADOS: PROTEOGLICANOS, GLICOPROTEÍNAS E
GLICOLIPÍDIOS.................................................................................................... 116
RESUMO DO TÓPICO 5.........................................................................................120
AUTOATIVIDADE.................................................................................................. 121
TÓPICO 6 - NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS.......................................... 123
1 INTRODUÇÃO..................................................................................................... 123
2 ESTRUTURA DOS NUCLEOTÍDEOS E NUCLEOSÍDEOS................................... 123
3 LIGAÇÕES FOSFODIÉSTERES.......................................................................... 125
4 ESTRUTURA DOS ÁCIDOS NUCLEICOS........................................................... 126
4.1 CARACTERÍSTICAS DO DNA........................................................................................... 126
5 CARACTERÍSTICAS DOS RNAS........................................................................ 126
6 A QUÍMICA DO ÁCIDO NUCLEICO..................................................................... 127
7 OUTRAS FUNÇÕES DOS NUCLEOTÍDEOS.......................................................128
RESUMO DO TÓPICO 6......................................................................................... 129
AUTOATIVIDADE..................................................................................................130
TÓPICO 7 - LIPÍDIOS.............................................................................................131
1 INTRODUÇÃO......................................................................................................131
2 LIPÍDIOS DE ARMAZENAMENTO.......................................................................131
3 LIPÍDIOS ESTRUTURAIS DE MEMBRANA........................................................ 133
4 LIPÍDIOS COMO SINAIS, COFATORES E PIGMENTOS.....................................134
5 SEPARAÇÃO E ANÁLISE DE LIPÍDIOS............................................................. 135
RESUMO DO TÓPICO 7.........................................................................................138
AUTOATIVIDADE.................................................................................................. 139
UNIDADE 3 — METABOLISMO.............................................................................. 141
TÓPICO 1 — PRINCÍPIOS DA BIOENERGÉTICA...................................................143
1 INTRODUÇÃO.....................................................................................................143
2 SERES AUTOTRÓFICOS, HETEROTRÓFICOS E VIAS METABÓLICAS............144
3 GLICÓLISE E VIA PENTOSE-FOSFATO............................................................148
3.1 A FASE PREPARATÓRIA DA GLICÓLISE REQUER ATP...............................................152
3.2 A FASE DE PAGAMENTO DA GLICÓLISE PRODUZ ATP E NADH........................... 153
4 A CAPTAÇÃO DA GLICOSE É DEFICIENTE NO DIABETES MELITO TIPO 1..... 153
5 VIAS ALIMENTADORAS DA GLICÓLISE........................................................... 155
5.1 OS POLISSACARÍDEOS E OS DISSACARÍDEOS DA DIETA....................................... 156
5.2 O GLICOGÊNIO ENDÓGENO E O AMIDO SÃO DEGRADADOS POR
FOSFORÓLISE.....................................................................................................................157
6 GLICONEOGÊNESE...........................................................................................158
LEITURA COMPLEMENTAR.................................................................................160
RESUMO DO TÓPICO 1..........................................................................................161
AUTOATIVIDADE.................................................................................................. 162
TÓPICO 2 - CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO................................................................ 163
1 INTRODUÇÃO..................................................................................................... 163
2 PRODUÇÃO DE ACETATO.................................................................................164
3 REAÇÕES DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO......................................................... 166
4 O CICLO DO GLIOXILATO..................................................................................168
RESUMO DO TÓPICO 2..........................................................................................171
AUTOATIVIDADE.................................................................................................. 172
TÓPICO 3 - METABOLISMO DE ÁCIDOS GRAXOS E TRIGLICERÍDEOS............. 173
1 INTRODUÇÃO..................................................................................................... 173
2 DIGESTÃO, MOBILIZAÇÃO E TRANSPORTE DE GORDURAS.......................... 174
2.1 AS GORDURAS DA DIETA SÃO ABSORVIDAS NO INTESTINO DELGADO..............175
2.2 HORMÔNIOS ATIVAM A MOBILIZAÇÃO DOS TRIACILGLICERÓIS
ARMAZENADOS..................................................................................................................176
2.2.1 Oxidação dos ácidos graxos..................................................................................178
2.2.2 Corpos cetônicos.....................................................................................................179
2.2.3 Corpos cetônicos são produzidos em excesso no diabetes e durante o
jejum............................................................................................................................ 180
RESUMO DO TÓPICO 3.........................................................................................182
AUTOATIVIDADE..................................................................................................183
TÓPICO 4 - METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS..................................................185
1 INTRODUÇÃO.....................................................................................................185
2 DESTINOS METABÓLICOS DOS GRUPOS AMINOS......................................... 187
2.1 AS PROTEÍNAS DA DIETA SÃO ENZIMATICAMENTE DEGRADADAS ATÉ
AMINOÁCIDOS.................................................................................................................... 188
2.2 O GLUTAMATO LIBERA SEU GRUPO AMINO NA FORMA DE AMÔNIA................... 191
2.3 A GLUTAMINA TRANSPORTA A AMÔNIA NA CORRENTE SANGUÍNEA.................192
2.4 A ALANINA TRANSPORTA A AMÔNIA DOS MÚSCULOS ESQUELÉTICOS PARA O
FÍGADO................................................................................................................................. 194
2.5 A AMÔNIA É TÓXICA PARA OS ANIMAIS..................................................................... 195
2.6 EXCREÇÕES DE NITROGÊNIO E CICLO DA UREIA.................................................... 196
2.7 A UREIA É PRODUZIDA A PARTIR DA AMÔNIA.......................................................... 196
2.8 DEFEITOS GENÉTICOS DO CICLO DA UREIA PODEM SER FATAIS....................... 198
2.9 VIAS DE DEGRADAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS............................................................. 198
2.10 O CATABOLISMO DA FENILALANINA / FENILCETONÚRIA................................... 199
RESUMO DO TÓPICO 4.........................................................................................201
AUTOATIVIDADE................................................................................................. 202
TÓPICO 5 - METABOLISMO DE NUCLEOTÍDEOS............................................... 203
1 INTRODUÇÃO.................................................................................................... 203
2 BIOSSÍNTESE DE NUCLEOTÍDEOS................................................................. 203
2.1 A SÍNTESE DE NOVO DE NUCLEOTÍDEOS PÚRICOS................................................204
2.2 BASES PÚRICAS E PIRIMÍDICAS SÃO RECICLADAS POR VIAS DE SALVAÇÃO.207
RESUMO DO TÓPICO 5........................................................................................ 208
AUTOATIVIDADE................................................................................................. 209
REFERÊNCIAS...................................................................................................... 211
UNIDADE 1 -
FUNDAMENTOS DE
BIOQUÍMICA
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:
• compreender a lógica molecular da vida;
• identificar as principais evidências para o surgimento da vida;
• estabelecer as características que diferenciam os seres vivos dos inanimados;
• compreender que cada organismo vivo tem uma função específica;
• estabelecer os princípios da bioquímica para explicar a vida em termos químicos;
• identificar que as macromoléculas são construídas a partir de compostos simples;
• compreender como ocorre a produção de energia e o seu consumo no metabolismo;
• refletir acerca da transferência da informação biológica.
PLANO DE ESTUDOS
Esta unidade está dividida em dois tópicos. No decorrer dela, você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.
TÓPICO 1 – A LÓGICA MOLECULAR DA VIDA
TÓPICO 2 – CÉLULA EUCARIONTE E PROCARIONTE
CHAMADA
Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure
um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações.
1
CONFIRA
A TRILHA DA
UNIDADE 1!
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2
UNIDADE 1
TÓPICO 1 -
A LÓGICA MOLECULAR DA VIDA
1 INTRODUÇÃO
Há mais de três bilhões e meio de anos, sob condições não inteiramente
claras, elementos com carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre e fósforo
formaram compostos químicos simples. Esses compostos simples foram chamados
de coacervados e representaram a primeira forma proteica descrita. Eles combinaramse, dispersaram-se e recombinaram-se, formando várias moléculas maiores, até surgir
uma combinação capaz de se autorreplicar (NELSON; COX, 2002).
Essas macromoléculas consistiram de moléculas mais simples, unidas
por ligações químicas. Com a contínua evolução e a formação de
moléculas ainda mais complexas, o meio aquoso ao redor de muitas
dessas moléculas autorreplicativas foi envolto por uma membrana
lipídica. Esse desenvolvimento proporcionou a essas estruturas
primordiais a capacidade de controlar, num certo grau, seu próprio
meio. Uma forma de vida tinha se desenvolvido e a unidade básica da
vida, a célula, tinha se estabelecido. Com o passar do tempo, diversas
células se desenvolveram e tanto a química quanto a estrutura
dessas células tornaram-se mais complexas. Elas conseguiram
extrair nutrientes do meio, converter quimicamente esses nutrientes
em fonte de energia ou em moléculas mais complexas, controlar os
processos químicos que catalisavam e fazer replicação celular. Deste
modo, a vasta diversidade de vida hoje observada começou. A célula
é a unidade básica da vida em todas as formas de organismos vivos,
da menor célula bacteriana ao mais complexo animal multicelular
(NELSON; COX, 2002, p. 1).
Admite-se que o processo que originou as primeiras células começou na Terra
a aproximadamente 4,6 bilhões de anos, na então chamada Terra Primitiva. Naquela
época, a atmosfera continha muito vapor d’água, amônia, metano, hidrogênio e gás
carbônico. Existia uma atividade vulcânica intensa e as tempestades com descargas
elétricas eram frequentes.
Há 4 bilhões de anos, a superfície da Terra estaria coberta por grande quantidade
de água, disposta em grandes “oceanos” e “lagos”. Essa massa líquida, chamada de
caldo primordial, era rica em moléculas inorgânicas e continha em solução os gases
que constituíam a atmosfera (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2007). Sob a ação do calor e da
radiação ultravioleta, vindos do Sol, e de descargas elétricas, oriundas das tempestades,
as moléculas dissolvidas no caldo primordial combinaram-se quimicamente para
constituírem os primeiros compostos contendo carbono. Substâncias relativamente
complexas, como proteínas e ácidos nucleicos, teriam aparecido espontaneamente ao
acaso.
3
NOTA
Curiosidade:
A atmosfera terrestre também sofreu mudanças significativas. Contudo, não
existe um acordo sobre a constituição da atmosfera da época. Acredita-se que
ela se apresentava ora mais ou menos redutora, de acordo com os estudos
realizados na composição das nuvens de poeira estelar, meteoritos e de gases
retidos em rochas antigas.
2 A UNIDADE QUÍMICA DOS DIFERENTES ORGANISMOS
VIVOS
O que distingue os organismos vivos dos objetos inanimados se as moléculas
que constituem as células são formadas pelos mesmos átomos encontrados nesses
seres (inanimados)? Primeiro, é o seu grau de complexidade química e de organização.
Eles possuem estruturas celulares internas intrincadas (Figura 1) e contêm muitas
espécies de moléculas complexas. Em contraste, a matéria inanimada existente ao
nosso meio – terra, areia, rochas, água do mar – usualmente consiste de misturas de
compostos químicos relativamente simples (NELSON; COX, 2002).
FIGURA 1 – VISTO AO MICROSCÓPIO ELETRÔNICO, ESSE PEDAÇO DE TECIDO MUSCULAR DE VERTEBRADO
EVIDENCIA SUA COMPLEXIDADE E ORGANIZAÇÃO
FONTE: A autora
Segundo, os organismos vivos extraem, transformam e usam a energia que
encontram no meio ambiente (Figura 2), habitualmente na forma de nutrientes químicos
ou de energia radiante da luz solar. Essa energia torna os organismos vivos capazes de
construir e manter suas próprias estruturas intrincadas e de realizar trabalhos mecânico,
químico, osmótico e de vários outros tipos. Em contraste, a matéria inanimada não usa
energia de forma sistemática para manter a sua estrutura ou para realizar trabalho. A
matéria inanimada tende a se degenerar em um estado mais desordenado, alcançando
um equilíbrio com o seu meio ambiente (NELSON; COX, 2002).
4
FIGURA 2 – A ÁGUIA ADQUIRE NUTRIENTES NO MEIO AMBIENTE PELA INGESTÃO
DE PRESAS MENORES
FONTE: <http://g1.globo.com/planeta-bizarro/noticia/2014/01/fotografo-flagra-aguia-capturando-peixe-em-rio-nos-eua.html>. Acesso em: 11 jul. 2019.
O terceiro, e mais característico atributo dos organismos vivos, é a capacidade
para a autorreplicação e automontagem, propriedades que podem ser vistas como a
quinta essência do estado vivo (Figura 3). Uma única célula bacteriana de Escherichia
coli, por exemplo, colocada num meio nutriente estéril pode dar origem, a cada 20
minutos, à outra célula bacteriana idêntica à célula-mãe, com as mesmas características
genéticas. Cada uma das células contém milhares de moléculas diferentes, algumas
extremamente complexas; mesmo assim, cada bactéria é uma cópia fiel da original,
constituída inteiramente a partir da informação contida no interior do material genético
da célula original (NELSON; COX, 2002).
FIGURA 3 – A REPRODUÇÃO BIOLÓGICA OCORRE COM FIDELIDADE
PRÓXIMA À PERFEIÇÃO
FONTE: <pt.depositphotos.com/27718179/>. Acesso em: 13 mar. 2019.
Erwin Schodinger propôs, em seu ensaio O que é a vida?, que o material genético
das células deveria ter as propriedades de um cristal. Esse ensaio de Schrodinger é de
1944 (anos antes do atual entendimento da estrutura do gene ter sido estabelecido),
mas descreve de forma acurada muitas das propriedades do ácido desoxirribonucleico,
o material dos genes.
5
FIGURA 4 – ERWIN SCHODINGER (1887-1961)
FONTE: <https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1933/schrodinger/biographical/>.
Acesso em:11 jul. 2019.
Cada componente de um organismo vivo tem uma função específica. Isso
é verdade não somente para as estruturas macroscópicas, como folhas e caules ou
corações e pulmões, mas também para as estruturas intracelulares microscópicas, como
os núcleos e os cloroplastos. Até mesmo os compostos químicos individuais, existentes
nas células, têm funções específicas. O inter-relacionamento entre os componentes
químicos de um organismo vivo é dinâmico; alterações em um componente provocam
mudanças coordenadas ou compensatórias em outro, tendo como resultado o conjunto
exibindo características que vão além daquelas exibidas pelos constituintes individuais.
A coleção de moléculas executa um programa cujo resultado é a reprodução do
programa e a autoperpetuação daquela coleção de moléculas, em suma, vida (NELSON;
COX, 2002).
2.1 A BIOQUÍMICA PROCURA EXPLICAR A VIDA EM TERMOS
QUÍMICOS
Se os organismos vivos são compostos de moléculas intrinsecamente
inanimadas, como podem essas moléculas exibir a extraordinária combinação de
características que chamamos de vida? Como pode ser que um organismo vivo pareça
ser mais do que a soma de suas partes inanimadas?
Os filósofos, uma vez, responderam que os organismos vivos são dotados de
uma força vital divina e misteriosa, mas essa doutrina (vitalismo) tem sido firmemente
rejeitada pela ciência moderna. O objetivo básico da ciência bioquímica é mostrar como
as moléculas, que constituem os organismos vivos, interagem entre si para manter e
perpetuar a vida exclusivamente pelas leis químicas que governam o universo não vivo
(NELSON; COX, 2002).
6
Até o momento, pesquisas bioquímicas revelam que todos os organismos são
notadamente semelhantes em níveis celular e químico. A Bioquímica descreve em termos
moleculares as estruturas, os mecanismos e os processos químicos compartilhados por
todos os organismos, e fornece os princípios organizacionais que fundamentam a vida
em todas as suas diferentes formas, princípios esses que coletivamente serão referidos
como a lógica molecular da vida. Embora a bioquímica produza importantes visões do
conhecimento e das aplicações práticas em medicina, agricultura, nutrição e indústria,
ela está, em última instância, preocupada e interessada na maravilha que a vida é em
si mesma.
FIGURA 5 – ORGANISMOS VIVOS DIFERENTES COMPARTILHAM CARACTERÍSTICAS
QUÍMICAS IGUAIS
FONTE: <http://shaareishalom.net.br/curso-temas-do-chumash-no3-no-jardim-do-eden>.
Acesso em: 13 mar. 2019.
Embora a vida seja fundamentalmente unitária, é importante reconhecer que
pouquíssimas generalizações a respeito dos organismos vivos são absolutamente corretas
para todos eles e sob quaisquer condições. A variação de hábitat nos quais os organismos
vivem, desde fontes termais quentes até tundra ártica, de intestinos de animais a
dormitórios de residências estudantis, é acompanhada por uma variação igualmente ampla
de adaptações bioquímicas específicas. Essas adaptações são integradas em um padrão
químico fundamental, compartilhado por todos os organismos. Embora as generalizações
não sejam perfeitas, elas permanecem úteis. De fato, as exceções geralmente iluminam
as generalizações científicas.
7
2.2 MACROMOLÉCULAS CONSTRUÍDAS A PARTIR DE
COMPOSTOS SIMPLES
A maioria dos constituintes moleculares dos sistemas vivos é composta de
átomos de carbono unidos covalentemente a outros átomos de carbono e átomos de
hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. As propriedades especiais de ligação do carbono
permitem a formação de uma grande variedade de moléculas.
Para Nelson e Cox (2014), cada célula da bactéria Escherichia coli (E. coli) contém
mais de 6.000 tipos diferentes de compostos orgânicos, incluindo perto de 3.000 proteínas
diferentes e um número similar de moléculas de ácidos nucleicos e centenas de tipos de
carboidratos e lipídios. Em humanos, pode haver dezenas de milhares de tipos diferentes de
proteínas, assim como muitos tipos de polissacarídeos, uma grande variedade de lipídios e
muitos outros compostos de peso molecular menor.
Purificar e caracterizar exatamente todas essas moléculas seria um trabalho
insuperável se não fosse o fato de cada classe de macromoléculas (proteínas, ácidos nucleicos,
polissacarídeos) ser composta de um pequeno conjunto de subunidades monoméricas
comuns. Essas subunidades monoméricas podem ser unidas covalentemente em uma
variedade virtualmente ilimitada de sequências (Figura 6), exatamente como as 26 letras do
alfabeto podem ser arranjadas em um número ilimitado de palavras, sentenças ou livros.
FIGURA 6 – SUBUNIDADES MONOMÉRICAS EM SEQUÊNCIAS LINEARES PODEM
EXPRESSAR MENSAGENS COMPLEXAS
FONTE: <slideplayer.com.br/slide/384421/>. Acesso em: 15 mar. 2019.
8
Os ácidos desoxirribonucleicos (DNA) são formados por quatro tipos de unidades
monoméricas simples, os nucleotídeos (timina, adenina, citosina e guanina), enquanto
os ácidos ribonucleicos (RNA) são compostos por também quatro tipos de nucleotídeos,
semelhantes aos do DNA, sendo a timina substituída pela uracila no RNA. As proteínas
são constituídas por 20 tipos de aminoácidos (essenciais e não essenciais). Os oito tipos
de nucleotídeos que os ácidos nucleicos são constituídos e os 20 tipos de aminoácidos
que formam as proteínas são os mesmos em todos os organismos vivos.
Os nucleotídeos são muito importantes como subunidades na constituição
dos ácidos nucleicos, mas também exercem um importante papel como moléculas
transportadoras de energia. Os aminoácidos, além de serem as subunidades que formam
as proteínas, também são precursores de neurotransmissores, pigmentos e outros tipos
de biomoléculas (RODWELL; MURRAY; GRANNER, 2017).
2.3 PRODUÇÃO DE ENERGIA E SEU CONSUMO NO
METABOLISMO
A energia é um tema central em bioquímica: as células e os organismos
dependem de um suprimento constante de energia para poderem se opor à tendência,
inexorável da natureza, de queda para níveis de estado energético (NELSON; COX,
2002). Todas as reações que acontecem a nível celular envolvem o fornecimento de
energia, como por exemplo, as reações de síntese, a energia consumida no movimento
de uma bactéria ou até mesmo no transporte ativo da bomba de sódio e potássio. As
células desenvolveram, durante o processo evolutivo, mecanismos especializados
para capturar a energia do sol ou também extrai-la de alimentos e transferi-la para os
processos que dela necessitam.
No curso da evolução biológica um dos primeiros desenvolvimentos
deve ter sido o aparecimento de uma membrana lipídica que envolveu
as moléculas hidrossolúveis da célula primitiva, separando-as do meio
ambiente e permitindo que elas se acumulassem em concentrações
relativamente altas. As moléculas e os íons contidos no interior
dos organismos vivos diferem em tipo e em concentrações das
existentes no meio ambiente. Por exemplo, as células de um peixe de
água doce contêm certos íons inorgânicos em concentrações muito
diferentes das da água em que vivem. Proteínas, ácidos nucleicos,
açúcares e lipídios estão presentes no peixe, mas essencialmente
ausentes no meio ambiente, o qual, por sua vez, contém átomos de
carbono, hidrogênio e oxigênio em moléculas mais simples como o
dióxido de carbono e a água. Quando o peixe morre, as substâncias
que o compõe entram, finalmente, em equilíbrio com aquelas do meio
ambiente (NELSON; COX, 2002, p. 6).
9
FIGURA 7 – OS ORGANISMOS VIVOS NÃO ESTÃO EM EQUILÍBRIO COM O MEIO AMBIENTE. A MORTE E A
DECOMPOSIÇÃO RESTABELECEM O EQUILÍBRIO
FONTE: Nelson e Cox (2002, p. 6)
Para Nelson e Cox (2002), as células e os organismos precisam realizar trabalho
para permanecerem vivos e para se reproduzirem. A síntese contínua de componentes
celulares requer trabalho químico; o acúmulo e a retenção de sais e de vários compostos
orgânicos contra um gradiente de concentração envolvem um trabalho osmótico; a
contração de um músculo ou o movimento do flagelo de um espermatozoide representa
trabalho mecânico.
A taxa de conversão da energia química para mecânica durante a contração
muscular é considerada um dos principais eventos fisiológicos determinantes do
desempenho esportivo. Em linhas gerais, assume-se que durante os esforços de curta
duração e com alta intensidade, a molécula de adenosina trifosfato (ATP) é ressintetizada,
predominantemente, pela degradação da fosfocreatina e do glicogênio muscular, com
subsequente formação de lactato (BERTUZZI et al., 2008).
Na bioquímica, os processos pelos quais a energia é extraída, canalizada e
consumida, envolvem os estudos da bioenergética – transformações ou trocas de
energia das quais todos os organismos vivos dependem.
A transformação da energia biológica obedece às leis da Termodinâmica. Mas quais
são essas Leis? A Primeira Lei da Termodinâmica é conhecida como Princípio da Conservação
da Energia. Para qualquer mudança física ou química, a quantidade total de energia no universo
permanece constante. A energia pode até mudar de forma ou ser transportada, mas não pode
ser destruída (RODWELL; MURRAY; GRANNER, 2017).
10
Os seres vivos usam energia para realização de trabalho mecânico, químico,
osmótico ou elétrico e para a manutenção de sua organização, reprodução e interação
com o meio. As células vivas se comportam como transdutores de energia, convertendo
energia química em algo que seja necessário para a célula.
A Segunda Lei é referente à desordem do universo. Segundo essa lei, a desordem
sempre tende a aumentar, onde em todos os processos naturais a entropia (grau de
desorganização) do universo sempre tende a aumentar. Os organismos vivos preservam
sua organização interna retirando energia livre do ambiente e retornando a sua vizinhança
energia na forma de calor, aumentando assim o número de moléculas (BERG; TYMOCZKO;
STRYERT, 2015). Através de um conjunto de reações químicas produtoras ou consumidoras
de energia, os organismos conseguem ter suas características ou funções preservadas.
Para reações que ocorrem em solução, podemos definir um sistema como todos os
reagentes e produtos, o solvente e a atmosfera próxima, ou seja, tudo o que está dentro de
uma região definida do espaço. Juntos, o sistema e seus arredores constituem o universo.
Se o sistema não trocar matéria nem energia com seus arredores, ele é dito fechado. Se o
sistema trocar energia, mas não trocar matéria com seu meio, ele é dito sistema isolado; se
trocar ambas, energia e matéria, com o meio, ele é um sistema aberto (NELSON; COX, 2002).
Para Rodwell, Murray e Granner (2017 p. 23):
Um organismo vivo é um sistema aberto, ele troca matéria e energia
com seu meio. Organismos vivos usam duas estratégias para captar
energia do seu meio: (1) eles obtêm combustíveis químicos da
vizinhança e extraem a energia oxidando-os; ou (2) eles absorvem
energia da luz solar. Organismos vivos criam e mantêm suas
estruturas complexas e ordenadas usando energia extraída de
combustíveis ou da luz solar.
Praticamente todos os seres vivos obtêm energia, direta ou indiretamente, da
energia radiante da luz solar, a qual se origina de reações de fusão termonuclear que
foram o elemento hélio e que ocorrem no interior do Sol, conforme mostra a figura a seguir:
FIGURA 8 – A LUZ SOLAR É FONTE ÚLTIMA DE TODA ENERGIA BIOLÓGICA, ATRAVÉS DAS REAÇÕES TERMONUCLEARES NO INTERIOR DO SOL
FONTE: <https://brasilescola.uol.com.br/quimica/fusao-nuclear.htm>. Acesso em: 15 mar. 2019.
11
Para Berg (2014), as células fotossintéticas absorvem a energia radiante do
Sol e a utilizam para retirar elétrons da molécula de água e adicioná-la à molécula de
dióxido de carbono, formando produtos ricos em energia, como o amido e a sacarose.
Quando promovem essas reações, a maioria dos organismos fotossintéticos liberam
oxigênio molecular na atmosfera. Em última análise, os organismos que não executam
a fotossíntese obtêm energia para suas necessidades pela oxidação dos produtos ricos
em energia elaborados pela fotossíntese, passando elétrons para o oxigênio atmosférico
e sintetizando água, dióxido de carbono e outros produtos, os quais são recicladas no
meio ambiente.
Virtualmente todos os transdutores de energia nas células podem
ser relacionados ao fluxo de elétrons de uma molécula para outra
na oxidação de combustíveis ou na captura de energia luminosa
durante a fotossíntese. Esse fluxo de elétrons é “morro-abaixo”, quer
dizer, de um potencial eletroquímico maior para outro menor; como
tal, ele é formalmente análogo ao fluxo de elétrons em um circuito
elétrico acionado por uma bateria. Todas essas reações que envolvem
fluxos de elétrons são reações de oxirredução. Assim, emergem
outros princípios característicos do estado vivo da matéria: (1) as
necessidades energéticas de, virtualmente, todos os organismos
são providos, direta ou indiretamente, da energia solar. (2) O fluxo
de elétrons nas reações de oxirredução é a base da transdução e da
conservação da energia nas células vivas. (3) todos os organismos
vivos são interdependentes, trocando entre si energia e matéria por
meio do meio ambiente (NELSON; COX, 2002, p. 15).
O tema central em bioenergética é o modo pelo qual a energia do metabolismo
de combustíveis ou de captura de luz é acoplada a reações que requerem energia.
Considere um exemplo mecânico simples de acoplamento de energia mostrado na
Figura 9. Um objeto no alto de um plano inclinado tem certa quantidade de energia
potencial devido a sua altura. Esse objeto tende a deslizar para baixo espontaneamente,
perdendo a sua energia potencial de posição na medida em que se aproxima do solo.
Quando um instrumento apropriado, constituído de correios e polias, é ligado ao objeto,
o movimento espontâneo para baixo pode realizar certa quantidade de trabalho,
quantidade esta nunca maior que a variação da energia potencial de posição. A
quantidade de energia realmente disponível para a realização de trabalho, chamada de
energia livre, G, será sempre um pouco menor que a variação total em energia, porque
uma parte dela é dissipada como calor de fricção (BERG, 2014).
12
FIGURA 9 – ACOPLAMENTO DE ENERGIA EM PROCESSOS MECÂNICOS
FONTE: Nelson e Cox (2002, p. 8)
Reações químicas podem ser acopladas assim que uma reação liberadora
de energia promove uma reação que requer energia. Reações químicas em sistemas
fechados ocorrem espontaneamente até que o equilíbrio seja alcançado. Quando um
sistema está em equilíbrio, a velocidade de formação do produto é exatamente igual à
velocidade na qual o produto é convertido para reagente. Portanto, não existe nenhuma
variação líquida nas concentrações de reagentes e produtos, e um “estado estacionário”
é alcançado.
Existem reações exergônicas e endergônicas. As reações exergônicas ocorrem
quando há uma diminuição da energia livre e os produtos são expressos em valores
negativos. As reações endergônicas requerem uma quantidade de energia e seus
valores na variação de energia livre são positivos. Nelson e Cox (2002) relatam que,
nos processos mecânicos, somente parte da energia liberada nas reações bioquímicas
exergônicas pode ser usada para executar trabalho. Nos sistemas vivos, parte da energia
dissipada como calor ou perdida são necessárias para aumentar a entropia.
NOTA
VOCÊ SABIA?
O termo “entropia”, que literalmente significa “mudança em seu interior”, foi
usado pela primeira vez em 1851 por Rudolf Clausius, um dos formuladores
da Segunda Lei da Termodinâmica. Uma definição quantitativa rigorosa de
entropia envolve considerações probabilísticas e estatísticas. Entretanto,
sua natureza pode ser ilustrada qualitativamente por três exemplos simples,
cada um demonstrando um aspecto da entropia. A chave para a descrição de
entropia é a aleatoriedade e a desordem, manifestadas em diferentes maneiras.
13
Segundo Berg (2014), o acoplamento de reações endergônicas com aquelas
exergônicas é absolutamente central para trocas de energia nos sistemas vivos. O
mecanismo pelo qual o acoplamento de energia ocorre nas reações biológicas é via
um intermediário compartilhado. Por exemplo, a quebra de adenosina trifosfato (ATP)
é a reação exergônica, que dirige muitos processos endergônicos, nas células. De
fato, ATP (Figura 10) é o maior transportador de energia química em todas as células,
acoplando processos endergônicos àqueles exergônicos O grupo fosfato terminal do
ATP é transferido para uma variedade de moléculas receptoras, que são ativadas para
favorecer transformações químicas. Adenosina difosfato (ADP) é reciclado (fosforilado)
para ATP, à custa de energia química (durante oxidação dos combustíveis) ou da luz
solar (na fotossíntese celular).
FIGURA 10 – ADENOSINA TRIFOSFATO (ATP). A REMOÇÃO DO GRUPO FOSFATO TERMINAL DO ATP É
ALTAMENTE EXERGÔNICA E ESTA REAÇÃO É ACOPLADA A MUITAS REAÇÕES ENDERGÔNICAS NA CÉLULA
FONTE: <https://www.infoescola.com/bioquimica/adenosina-trifosfato-atp/>. Acesso em: 16 mar. 2019.
O fato de uma reação ser exergônica não significa que ela necessariamente
se processará de forma rápida. O caminho que vai do reagente ao produto quase
invariavelmente envolve uma barreira energética, chamada barreira de ativação (Figura
11), a qual precisa ser superada para que qualquer reação ocorra. A quebra e síntese
de ligações geralmente requerem tensionamento e a torção das ligações existentes,
criando um estado de transição de alto nível de energia livre, tanto em relação ao
reagente quanto ao produto. O ponto mais alto da coordenada da reação, no diagrama,
representa o estado de transição (NELSON; COX, 2014).
14
FIGURA 11 – CURSO DE UMA REAÇÃO QUÍMICA DO PONTO DE VISTA ENERGÉTICO
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 15)
No interior das células, todas as reações químicas ocorrem devido à presença de
enzimas – catalisadores biológicos que aumentam a velocidade das reações químicas.
As enzimas como catalisadores agem diminuindo a barreira de ativação entre o reagente
e o produto.
FIGURA 12 – UMA ENZIMA AUMENTA A VELOCIDADE DE UMA REAÇÃO QUÍMICA ESPECÍFICA
FONTE: <https://www.vestibulandoweb.com.br/biologia/enzimas.asp>. Acesso em: 19 mar. 2019.
As enzimas são proteínas, com exceção da ribozima, uma enzima presente no
RNA, cuja constituição não é proteica. Cada proteína enzimática é específica para a
catálise de uma determinada reação, e cada reação no interior da célula é catalisada
por uma enzima diferente. Cada célula requer, portanto, milhares de tipos diferentes de
enzimas. A multiplicidade de enzimas, a sua alta especificidade para os reagentes e a
sua suscetibilidade à regulação dão às células a capacidade de diminuir as barreiras de
ativação seletivamente (BERG, 2014).
15
Nelson e Cox (2002, p. 10) relatam que:
Milhares reações químicas enzimaticamente catalisadas nas células
são funcionalmente organizadas em muitas sequências diferentes
de reações consecutivas chamadas vias, nas quais o produto de
uma reação se torna o reagente para a próxima. Algumas dessas
sequências de reações enzimaticamente catalisadas degradam
nutrientes orgânicos em produtos finais simples, de forma a
extrair energia química e convertê-la em uma forma utilizável
pela célula. Juntos esses processos degradativos liberadores
de energia livre são designados de catabolismo. Outras vias
enzimaticamente catalisadas partem de moléculas precursoras
pequenas e as convertem, progressivamente, em moléculas maiores
e mais complexas, incluindo proteínas e ácidos nucleicos. Essas
vias sintéticas requerem invariavelmente a adição de energia, e
quando consideradas em conjunto representam o anabolismo. Esse
conjunto de vias imbricadas e enzimaticamente catalisadas constitui
o que chamamos de metabolismo. O ATP é transportador universal
de energia metabólica e une o catabolismo e o anabolismo.
As células vivas não só podem sintetizar simultaneamente milhares de tipos
diferentes de moléculas de carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucleicos e suas
subunidades mais simples, mas também podem fazê-lo nas proporções requeridas
pela célula (NELSON; COX, 2014). Por exemplo, quando ocorre uma rápida multiplicação
celular, os precursores de proteínas e ácidos nucleicos precisam ser sintetizados em
grandes quantidades, enquanto as necessidades desses precursores para células que
estão em repouso são muito reduzidas (BAYNES, 2015).
As enzimas-chave em cada via metabólica são reguladas de tal forma que cada
tipo de molécula precursora é produzido em quantidades apropriadas às necessidades
das células (BERG; TYMOCZKO; STRYERT, 2015). Na Figura 13, observamos a síntese
de isoleucina (um dos aminoácidos, as subunidades monoméricas das proteínas). Se a
célula começar a produzir mais isoleucina do que o necessário para a síntese proteica,
a isoleucina não utilizada se acumula, dessa forma, altas concentrações de isoleucina
inibem a atividade catalítica da primeira enzima na via, diminuindo, imediatamente, a
produção desse aminoácido. Essa retroalimentação (feedback) negativa mantém em
equilíbrio a produção e a utilização de cada intermediário metabólico (NELSON; COX,
2002).
FIGURA 13 – INIBIÇÃO RETROATIVA
FONTE: Nelson e Cox (2002, p. 10)
16
Apesar de o conceito de rota discreta ser uma ferramenta importante para
organizar o conhecimento do metabolismo, ele é muito simplificado. Existem milhares
de metabólitos intermediários na célula, muitos dos quais fazem parte de mais de uma
rota. O metabolismo seria mais bem representado por uma rede de rotas interconectadas
e interdependentes. A mudança na concentração de qualquer metabólito dá início a um
efeito de ondulação, influenciando o fluxo de materiais pelas outras rotas (NELSON;
COX, 2014). A tarefa de compreender essas complexas interações entre intermediários
e rotas em termos quantitativos é desencorajadora, mas a nova ênfase em biologia de
sistemas começou a oferecer uma importante compreensão da regulação global do
metabolismo (MARZZOCO; TORRES, 2007).
As células regulam também a síntese de seus próprios catalisadores, as enzimas,
em resposta ao aumento ou à diminuição da necessidade de um produto metabólito. A
expressão de genes (a tradução da informação contida no DNA em proteínas ativas na
célula) e a síntese de enzimas são outros níveis de controle metabólico na célula. Todos
os níveis devem ser levados em conta na descrição do controle global do metabolismo
celular (NELSON; COX, 2014).
2.4 TRANSFERÊNCIA DA INFORMAÇÃO BIOLÓGICA
Talvez a propriedade mais marcante dos organismos e das células vivas seja sua
capacidade de se reproduzir por incontáveis gerações com fidelidade quase perfeita. Essa
continuidade de traços herdados sugere constância, ao longo de milhões de anos, na
estrutura das moléculas que contêm a informação genética. Poucos registros históricos
de civilizações sobreviveram por mil anos mesmo quando riscados em superfícies de
cobre ou talhados em pedra (Figura 14). Contudo, existem boas evidências de que as
instruções genéticas permaneceram praticamente intactas nos organismos vivos por
períodos muito maiores; muitas bactérias têm praticamente o mesmo tamanho, forma
e estrutura interna, apresentando também o mesmo tipo de moléculas precursoras e
enzimas das bactérias que viveram há cerca de quatro bilhões de anos (NELSON; COX,
2014). Essa continuidade da estrutura e da composição é o resultado da continuidade
da estrutura do material genético.
17
FIGURA 14 – DOIS REGISTROS MUITO ANTIGOS. (A) O PRISMA DE SENNACHERIB; (B) UMA ÚNICA MOLÉCULA DE DNA DA BACTÉRIA E. COLI, EXTRAVASANDO DE UMA CÉLULA ROMPIDA
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 30)
NOTA
Sobre a Figura 14 – Dois registros muito antigos. (a) o prisma de Sennacherib,
inscrito em torno de 700 a.c., descreve em caracteres da linguagem assíria
alguns eventos históricos durante o reinado de Sennacherib. (b) uma única
molécula de DNA da bactéria e. coli, extravasando de uma célula rompida. o
DNA bacteriano contém cerca de 5 milhões de caracteres.
Entre as descobertas mais notáveis da biologia no século XX está a natureza
química e a estrutura tridimensional do material genético, ácido desoxirribonucleico,
DNA. A sequência de subunidades monoméricas, os nucleotídeos (composto por bases
nitrogenadas, pentose e um grupo fosfato), codifica as instruções para formar todos
os outros componentes celulares e fornece o molde para a produção de moléculas de
DNA idênticas a serem distribuídas aos descendentes por ocasião da divisão celular.
Segundo Marzzoco e Torres (2007), a perpetuação de uma espécie biológica requer
que sua informação genética seja mantida de modo estável, expressa com exatidão na
forma de produtos dos genes e reproduzida com o mínimo de erros. O armazenamento, a
expressão e a reprodução efetivas da mensagem genética definem espécies individuais,
distinguem umas das outras e asseguram a sua continuidade em sucessivas gerações.
O DNA é um polímero orgânico, fino e longo, em forma de hélice; a rara molécula
que é construída na escala atômica em uma dimensão (largura) na escala humana em
outra (comprimento: uma molécula de DNA pode ter vários centímetros de comprimento).
Um esperma ou ovócito humano, carregando a informação hereditária acumulada em
18
bilhões de anos de evolução, transmite essa herança na forma de moléculas de DNA,
nas quais a sequência linear de subunidades de nucleotídeos, ligados covalentemente,
codifica a mensagem genética (NELSON; COX, 2002).
Normalmente quando são descritas as propriedades de espécies
químicas, é descrito o comportamento médio de um número
muito grande de moléculas idênticas. Embora seja difícil prever o
comportamento de uma única molécula em uma população, por
exemplo, de um picomol de compostos (cerca de 6 3 1011 moléculas),
o comportamento médio das moléculas é previsível porque muitas
delas entram no cálculo da média. O DNA celular é uma notável
exceção. O DNA que forma todo o material genético da E. coli é uma
única molécula contendo 4,64 milhões de pares de nucleotídeos.
Essa única molécula tem de ser replicada com perfeição nos mínimos
detalhes para que uma célula de E. coli possa gerar descendentes
idênticos por divisão celular; não existe espaço para tomar médias
nesse processo! O mesmo vale para todas as células. O esperma
humano traz para o óvulo que ele fertiliza somente uma molécula
de DNA de cada um dos 23 cromossomos, para se combinar com
somente uma molécula de cada cromossomo correspondente no
óvulo. O resultado dessa união é altamente previsível: um embrião
com todos os seus 25.000 genes, feitos de 3 bilhões de pares de
nucleotídeos, intactos. Um feito químico impressionante! (NELSON;
COX, 2014, p. 60).
Sackheim (2001) relata em sua obra Química e bioquímica para ciências
biomédicas que uma única página deste livro contém cerca de 5.000 caracteres, de
tal forma que o livro inteiro contém 5 milhões de caracteres. O cromossomo da E. coli
também contém 5 milhões de caracteres (pares de nucleotídeos). Se você fizer uma
cópia manual deste livro e, então, passá-lo a um colega de classe para também fazer
uma cópia manual, e se essa cópia for passada para um terceiro colega de classe para
fazer a terceira cópia da cópia, e assim por diante, quanto cada cópia vai se assemelhar
com o livro original? Agora, imagine o texto que resultaria ao se fazer cópias de cópias à
mão alguns trilhões de vezes!
A capacidade dos seres vivos de preservar seu material genético e duplicálo para a próxima geração resulta da complementaridade entre as duas fitas da
molécula de DNA (Figura 15). A unidade básica do DNA é um polímero linear de quatro
subunidades monoméricas diferentes, desoxirribonucleotídeos, arranjados em uma
sequência linear precisa. Essa sequência linear codifica a informação genética. Duas
dessas fitas poliméricas estão torcidas uma em torno da outra, formando a dupla-hélice
de DNA, na qual cada desoxirribonucleotídeo em uma fita, pareia especificamente com
um desoxirribonucleotídeo complementar na fita oposta. Antes de a célula se dividir, as
duas fitas de DNA se separam uma da outra e cada uma serve de molde para a síntese
de uma nova fita complementar, gerando duas moléculas em forma de dupla-hélice
idênticas, uma para cada célula-filha. Se qualquer uma das fitas é danificada, então a
continuidade da informação é assegurada pela informação presente na fita oposta, que
pode atuar como molde para reparar o dano (GRIFFITHS, 2016).
19
FIGURA 15 – COMPLEMENTARIDADE ENTRE AS DUAS FITAS DE DNA
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 31)
ATENÇÃO
Referente à Figura 15, o DNA é um polímero linear de quatro tipos de
desoxirribonucleotídeos, ligados covalentemente: desoxiadenilato (A),
desoxiguanilato (G), desoxicitidilato (C), desoxitimidilato (T).
A informação no DNA é codificada na sequência linear (unidimensional) de
subunidades de desoxirribonucleotídeos, mas a expressão dessa informação resulta
em uma célula tridimensional. Essa transformação da informação de uma dimensão
para três dimensões ocorre em duas fases (NELSON; COX, 2014). Uma sequência linear
de desoxirribonucleotídeos no DNA codifica (por meio de um intermediário, RNA) a
produção de uma proteína com a sequência linear de aminoácidos correspondente
(Figura 16). A proteína é enovelada em uma forma tridimensional particular determinada
pela sua sequência de aminoácidos e estabilizada principalmente por interações não
covalentes. Embora a forma final da proteína enovelada seja ditada pela sua sequência
20
de aminoácidos, o processo de enovelamento é assistido por “chaperonas moleculares”.
A estrutura tridimensional precisa ou conformação nativa de uma proteína é crucial para
sua função.
FIGURA 16 – DO DNA AO RNA, DO RNA À PROTEÍNA E DA PROTEÍNA À ENZIMA
(HEXOCINASE)
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 31)
As chaperonas (do francês chaperon, “dama de companhia”) são proteínas
importantes para auxiliar no enovelamento proteico, fazendo com que as proteínas
atinjam a configuração terciária correta. Se por alguma situação (disfunção, defeito
genético) essas proteínas não conseguirem atingir a configuração correta, as chaperonas
encaminham essas proteínas para a destruição (NELSON; COX, 2014).
Uma vez em sua conformação nativa, a proteína pode associar-se não
covalentemente com outras macromoléculas (outras proteínas, ácidos nucleicos,
carboidratos ou lipídios) para formar complexos supramoleculares, como cromossomos,
ribossomos e membranas. As moléculas individuais desses complexos têm sítios de
ligação para cada uma com alta afinidade específica, e dentro das células elas se
agrupam espontaneamente em complexos funcionais (BERG, 2014).
21
Apesar de as sequências de aminoácidos das proteínas carregarem toda a
informação necessária para alcançar a conformação nativa da proteína, o enovelamento
preciso e a automontagem também requerem o ambiente celular correto – pH, força
iônica, concentrações de íons metálicos, e assim por diante. Portanto, a sequência de
DNA sozinha não é suficiente para formar e manter uma célula completamente funcional
(NELSON; COX, 2014).
22
RESUMO DO TÓPICO 1
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• Todas as células são delimitadas por uma membrana plasmática; têm um citosol
contendo metabólitos, coenzimas, íons inorgânicos e enzimas; e têm um conjunto
de genes contidos dentro de um nucleoide (bactérias e arqueas) ou de um núcleo
(eucariotos).
• Todos os organismos requerem uma fonte de energia para realizar o trabalho celular.
• Os fototróficos obtêm energia da luz solar; os quimiotróficos oxidam combustíveis
químicos, transferindo elétrons para bons aceptores: compostos inorgânicos,
compostos orgânicos ou oxigênio molecular.
• As células de bactérias e de arqueas contêm citosol, nucleoide e plasmídeos, todos
contidos dentro de um envelope celular.
• As células eucarióticas possuem um núcleo delimitado por uma membrana – a
membrana nuclear.
• Todas as macromoléculas são construídas a partir de compostos simples.
• Os organismos vivos dependem da bioenergética (transformações ou trocas de
energia).
• Os organismos transformam energia e matéria do meio ambiente.
• O fluxo de elétrons fornece energia para os organismos.
• As enzimas são catalisadores biológicos que promovem reações químicas em cadeia.
• A continuidade genética é atribuída às moléculas de DNA.
• A estrutura do DNA permite seu reparo e sua replicação com fidelidade quase perfeita.
23
AUTOATIVIDADE
1 Faça um desenho esquemático evidenciando as características da Terra Primitiva e o
aparecimento das primeiras biomoléculas – coacervados.
2 A hidrólise de ATP é uma reação altamente:
a)
b)
c)
d)
e)
(
(
(
(
(
) Endergônica.
) Aeróbia.
) Volátil.
) Exergônica.
) Aleatória.
3 As reações metabólicas podem ser classificadas em dois processos metabólicos.
Explique esses processos e evidencie qual deles leva à síntese de biomoléculas.
24
UNIDADE 1
TÓPICO 2 -
CÉLULA EUCARIONTE E PROCARIONTE
1 INTRODUÇÃO
O universo se formou, de acordo com os dados geológicos mais aceitos
atualmente, há cerca de um pouco mais de 14 bilhões de anos, e a Terra há cerca de 4,5
bilhões de anos, a partir de sedimentos provenientes de material oriundo das estrelas.
Foi necessário que a Terra sofresse mudanças que favorecessem o surgimento da vida
como conhecemos (MAYWORM, 2014).
A unidade e a diversidade dos organismos se tornam aparentes mesmo em nível
celular. Os menores organismos consistem em células isoladas e são microscópicos.
Os organismos multicelulares maiores têm muitos tipos celulares diferentes (geralmente
derivados de células mesenquimais), os quais variam em tamanho, forma e função
especializada. Apesar dessas diferenças óbvias, todas as células dos organismos,
desde o mais simples ao mais complexo, compartilham determinadas propriedades
fundamentais, que podem ser vistas em nível bioquímico e microscópio, como por
exemplo, a superfície celular (membrana plasmática), que é essencial para todas as
formas de célula.
2 COMPARTIMENTOS CELULARES
Células de todos os tipos compartilham algumas características estruturais
comuns (Figura 17). A membrana plasmática define o contorno da célula, impede o
extravasamento do citoplasma, separando seu conteúdo do ambiente. Ela é composta
por uma dupla camada de lipídios e proteínas que formam uma barreira fina, resistente,
flexível. A membrana plasmática é considerada uma estrutura anfipática, ou seja, possui
uma região hidrofílica (com afinidade pela água) e outra região hidrofóbica (com fobia
pela água). Geralmente a região hidrofílica (polar) é a cabeça dos fosfolipídios, enquanto
a região hidrofóbica é representada pela causa dos fosfolipídios. Isso acaba conferindo
à membrana plasmática das células um aspecto de mosaico fluido, em que as cabeças
dos fosfolipídios permitem a entrada e saída de água na célula, ao passo que as caudas
repelem essa água.
A membrana é uma barreira para a passagem livre de íons inorgânicos e
para a maioria de outros compostos carregados ou polares. Proteínas de transporte
na membrana plasmática permitem a passagem de determinados íons e moléculas;
proteínas receptoras transmitem sinais para o interior da célula; e enzimas de
membrana participam em algumas rotas de reações. Como os lipídios individuais
25
e as proteínas da membrana não estão covalentemente ligados, toda a estrutura é
extraordinariamente flexível, permitindo mudanças na forma e no tamanho da célula. À
medida que a célula cresce, novas moléculas de proteínas e de lipídios são inseridas na
membrana plasmática; a divisão celular produz duas células, cada qual com sua própria
membrana. O crescimento e a divisão celular (fissão) ocorrem sem perda da integridade
da membrana.
Ainda devemos destacar que as proteínas presentes na membrana plasmática
são classificadas em periféricas e integrais (transmembrana). As proteínas periféricas
estão relacionadas com a integração entre as outras proteínas de membrana, não ficando
realmente claras suas funções, enquanto as proteínas integrais ou transmembrana são
as responsáveis pelo reconhecimento, transporte de substâncias através da membrana
e receptores para hormônios, enzimas.
Existem especializações de Membrana Plasmática muito importantes para
o desempenho de funções específicas nas células. As especializações da superfície
livre da membrana envolvem: cílios, estereocílios, microvilosidades e flagelos. Os cílios
presentes na traqueia, por exemplo, têm como função filtrar partículas que entram com
o ar inspirado, como também expelir as secreções produzidas pelas células caliciformes.
Os estereocílios estão presentes no epidídimo e aumentam a superfície de contato do
espermatozoide com a glândula, visto que os espermatozoides recebem nutrientes
importantes no epidídimo. As microvilosidades aumentam a superfície de contato dos
nutrientes no intestino delgado, facilitando sua absorção, enquanto os flagelos realizam
movimentos para conduzir o espermatozoide até o ovócito (ALBERTS et al., 1997).
FIGURA 17 – AS CARACTERÍSTICAS UNIVERSAIS DAS CÉLULAS VIVAS
FONTE: <www.sobiologia.com.br/conteudos/Citologia2/nucleo.php>. Acesso em: 19 mar. 2019.
26
ATENÇÃO
Referente à Figura 17: Células eucariontes possuem um núcleo delimitado por
um envoltório nuclear, enquanto nas células procariontes o material genético
encontra-se disperso no citoplasma.
NOTA
Curiosidade:
Você já ouviu falar em fibrose cística?
A fibrose cística é uma doença genética que compromete o funcionamento
das glândulas exócrinas que produzem muco, suor ou enzimas pancreáticas.
O excesso de muco nos alvéolos respiratórios dificulta a hematose (trocas
gasosas) (Figura 18). Essa patologia é resultado de uma alteração na proteína
transmembrana presente na membrana plasmática das células respiratórias
e do sistema digestório. Essa patologia é diagnosticada no teste do pezinho.
FIGURA 18 – FIBROSE CÍSTICA
FONTE: <https://www.hc.unicamp.br/node/1101>. Acesso em: 20 mar. 2019.
O volume interno envolto pela membrana plasmática, o citoplasma, é
composto por uma solução aquosa, o citosol, e uma grande variedade de partículas
em suspensão com funções específicas. Esses componentes particulados (organelas
envoltas por membrana como mitocôndria e cloroplastos; estruturas supramoleculares
como ribossomos e proteossomos, os sítios de síntese e degradação das proteínas)
sedimentam-se quando o citoplasma é centrifugado a 150.000 g (g é aceleração da
gravidade na superfície terrestre).
27
O que sobra como fluido sobrenadante é o citosol, solução aquosa altamente
concentrada que contém enzimas e as moléculas de RNA que as codificam; os
componentes (aminoácidos e nucleotídeos) que formam essas macromoléculas;
centenas de moléculas orgânicas pequenas chamadas de metabólitos, intermediários
em rotas biossintéticas e degradativas; coenzimas, compostos essenciais em muitas
reações catalisadas por enzimas; e íons inorgânicos (NELSON; COX, 2002).
O citoplasma também possui um citoesqueleto (Figura 19), que dá forma para a
célula e está relacionado com as funções que esta célula desempenha no organismo.
O citoesqueleto é constituído por filamentos de actina, filamentos intermediários e
microtúbulos. Os filamentos de actina, como o próprio nome lembra, é formado pela
união de várias proteínas contrácteis actina e geralmente encontra-se revestindo a
periferia das células. Ele é responsável pela movimentação celular, fagocitose, dá forma
e sustentação para as microvilosidades e na fase de telófase, do ciclo celular, separar
as células recém-formadas. Os filamentos intermediários possuem uma constituição
proteica mais variada, pois estão presentes em células de diferentes tecidos. Se
presentes no tecido epitelial, teremos como proteínas a queratina; se presentes na
lâmina nuclear, teremos como proteína a lamina. São muito importantes para a função
estrutural, ou seja, eles fornecem resistência mecânica para as células.
Já os microtúbulos são constituídos pela proteína tubulina e criam uma rede de
trilhos sob os quais vesículas e organelas celulares podem se locomover. Os microtúbulos
também são responsáveis por organizar as organelas dentro da célula, formar o fuso
mitótico e estão presentes na composição de cílios e flagelos.
Uma importante observação, quando falamos de citoesqueleto, é a formação
do citoesqueleto das hemácias. As hemácias ou eritrócitos são células que necessitam
de muita flexibilidade, pois devem passar dos vasos mais calibrosos e chegar até os
capilares sanguíneos. Para garantir essa flexibilidade, o citoesqueleto das hemácias
apresenta três importantes proteínas: aducina, anquirina e espectrina.
28
FIGURA 19 – CONSTITUIÇÃO DO CITOESQUELETO DAS CÉLULAS EUCARIONTES. OBSERVAR A DISPOSIÇÃO
DOS FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS, DOS MICROTÚBULOS E DOS FILAMENTOS DE ACTINA
FONTE: Junqueira e Carneiro (2007, p. 96)
Segundo Nelson e Cox (2014), todas as células eucariontes têm, pelo menos
em algum momento de sua vida, um nucleoide ou núcleo, em que o genoma – o
conjunto completo de genes composto por DNA – é replicado e armazenado com
suas proteínas associadas. O núcleo tem como função comandar e controlar todas as
atividades da célula. Poderíamos fazer uma analogia entre o núcleo das células e a CPU
de um computador, em que nas células, o núcleo define todas as atividades celulares,
e no computador, a CPU é a unidade central de processamento. Em bactérias e em
arqueas, o nucleoide não é separado do citoplasma por uma membrana; o núcleo, nos
eucariotos, é confinado dentro de uma dupla membrana, o envelope nuclear. As células
com envelope nuclear compõem o grande domínio dos Eukarya (do grego eu, “verdade”,
e karyon, “núcleo”). Os microrganismos sem membrana nuclear, antes classificados
como procariontes (do grego pro, “antes”), são agora reconhecidos como pertencentes
a dois grupos muito distintos: Bacteria e Archaea.
O núcleo é composto por estruturas muito importantes, como membrana nuclear
interna e externa, espaço perinuclear, poros nucleares, lâmina nuclear, nucleoplasma,
cromática e nucléolo. Cada uma dessas estruturas desempenha um papel importante
para o equilíbrio e bom funcionamento celular. Em geral, o núcleo é único, arredondado,
centralizado ou pode ser desviado do centro celular, tornando-se periférico.
29
FIGURA 20 – A) NÚCLEOS PERIFÉRICOS EM CÉLULAS MUSCULARES ESTRIADAS ESQUELÉTICAS. B) NÚCLEO CENTRALIZADO EM UM CORPO CELULAR DE NEURÔNIO
A
B
FONTE: A autora
Como citado anteriormente, o núcleo possui vários componentes. Esses
componentes são de fundamental importância para que ele desempenhe com eficácia
sua função na célula.
O envoltório nuclear, por exemplo, é responsável pela separação do conteúdo
nuclear do citoplasma. Ele é constituído por duas membranas separadas por um espaço
de 40 a 70 nanômetros, chamadas de cisterna perinuclear. Esse envoltório também
apresenta poros cuja função é o transporte seletivo de moléculas para fora e para dentro
do núcleo. Essas membranas podem ser chamadas de: membrana interna e membrana
externa. A membrana interna possui como função dar estruturação ao núcleo. Ela possui
ligações das fibras cromatínicas ao envoltório nuclear (ALBERTS et al., 1997).
Também verificamos na membrana ou envoltório nuclear a presença de poros
nucleares, que são interrupções do envoltório nuclear que permite a troca citoplasmanucleoplasma. O transporte de substâncias no complexo de poros é dependente dos
receptores de importação ou exportação nuclear. Geralmente do núcleo das células
para o citoplasma, passam através do complexo de poros nucleares, metabólitos e
RNA mensageiro e ribossômico, enquanto do citoplasma para o interior do núcleo irão
atravessar proteínas, íons e nucleotídeos pelo complexo de poro.
Para Junqueira e Carneiro (2007), a importação de proteínas através do Complexo
do Poro Nuclear acontece de algumas maneiras. A primeira etapa envolve a proteína
com sequência de localização nuclear (NLS), que é identificada por outra proteína
presente, chamada importina, ligada ao GDP (Guanina Difosfato). O complexo proteínaimportina-RAN-GDP liga-se a uma proteína específica dos filamentos citoplasmáticos
do poro nuclear. O complexo é translocado através do poro nuclear. No núcleo, o GDP
(Guanina Difosfato) ligado a RAN é substituído por GTP (Guanina trifosfato), gerando
uma alteração conformacional, em seguida ocorre a liberação da proteína. O complexo
importina-RAN-GTP é exportado através do poro nuclear e o GTP é hidrolisado a GDP no
citoplasma, como mostra o esquema a seguir:
30
FIGURA 21 – PROCESSO DE IMPORTAÇÃO ATRAVÉS DO COMPLEXO DE PORO NUCLEAR
FONTE: A autora
NOTA
Curiosidade:
O que é Talassemia?
A talassemia é uma forma de anemia crônica, de origem genética (hereditária),
que faz parte de um grupo de doenças do sangue (hemoglobinopatias)
caracterizada por defeitos genéticos que resultam em diminuição da produção
de um dos tipos de cadeias que formam a molécula de hemoglobina. Alguns
desses defeitos envolvem uma disfunção na formação dos poros nucleares,
dificultando a saída do RNAm do núcleo para ser traduzido no citoplasma das
células pelos polirribossomos em hemoglobina.
Na figura a seguir podemos observar um esfregaço sanguíneo com hemácias
normais e outro esfregaço sanguíneo com hemácias alteradas (talassemia):
31
FIGURA 22 – ESFREGAÇO SANGUÍNEO EVIDENCIANDO HEMÁCIAS NORMAIS E HEMÁCIAS ALTERADAS
(TALASSEMIA)
FONTE: <https://www.abrasta.org.br/tipos/>. Acesso em: 26 mar. 2019.
3 DIMENSÕES CELULARES
A maioria das células é microscópica, invisível a olho nu. As células dos animais
e das plantas têm um diâmetro geralmente de 5 a 100 mm, e muitos microrganismos
unicelulares têm comprimento de 1 a 2 mm. Então, o que limita as dimensões de uma
célula? O limite inferior provavelmente é determinado pelo número mínimo de cada tipo
de biomolécula requerido pela célula. As menores células, certas bactérias conhecidas
como micoplasmas, têm diâmetro de 300 nm e volume de cerca de 10-14 mL. Um único
ribossomo bacteriano tem 20 nm na sua dimensão mais longa, de forma que poucos
ribossomos ocupam uma fração substancial do volume de uma célula de micoplasma
(NELSON; COX, 2002).
O limite superior de tamanho celular provavelmente é determinado
pela taxa de difusão das moléculas de soluto nos sistemas aquosos.
Por exemplo, uma célula bacteriana que depende de reações
de consumo de oxigênio para extração de energia deve obter
oxigênio molecular, por difusão, a partir do ambiente através de sua
membrana plasmática. A célula é tão pequena, e a relação entre
sua área de superfície e seu volume é tão grande, que cada parte
do seu citoplasma é facilmente alcançada pelo O2 que se difunde
para dentro dela. Com o aumento do tamanho celular, no entanto,
a relação área-volume diminui, até que o metabolismo consuma
O2 mais rapidamente do que o que pode ser suprido por difusão.
Assim, o metabolismo que requer O2 torna-se impossível quando
o tamanho da célula aumenta além de certo ponto, estabelecendo
um limite superior teórico para o tamanho das células. O oxigênio
é somente uma entre muitas espécies moleculares de baixo peso
que precisam difundir de fora para várias regiões do seu interior, e o
mesmo argumento da razão área-volume se aplica a cada uma delas
(NELSON; COX, 2014, p. 3).
32
Há exceções interessantes a essa generalização de que a célula deva ser
pequena. A alga verde Nitella possui células gigantes de vários centímetros de
comprimento. Para garantir a chegada de nutrientes, de metabólitos e de informação
genética (RNA) para todas as suas partes, cada célula é vigorosamente “agitada” por
correntes citoplasmáticas vivas. A forma da célula também pode ajudar a compensar o
seu longo tamanho. Uma esfera lisa possui a menor razão possível superfície/volume
para um dado volume (NELSON; COX, 2014).
Muitas células grandes, embora aproximadamente esféricas, possuem
superfície altamente convoluta (Figura 23), criando grandes áreas de superfície para o
mesmo volume e, portanto, facilitando a captação de combustíveis e nutrientes. A figura
mostra as vilosidades intestinais e suas microvilosidades, especializações da superfície
celular que aumentam a área de contato com os nutrientes, facilitando sua absorção
(NELSON; COX, 2002).
FIGURA 23 – CÉLULAS DA MUCOSA DE REVESTIMENTO INTESTINAL, EVIDENCIANDO SUAS VILOSIDADES
E A BORDA MAIS ESCURA, AS MICROVILOSIDADES INTESTINAIS
FONTE: <https://www.misodor.com/ANATOFISIOINTDELGADO.php>. Acesso em: 26 mar. 2019.
Células como os neurônios possuem uma elevada razão superfície/volume pelo
fato de serem longas e delgadas, em forma de estrela ou altamente ramificadas, em vez
de esféricas.
FIGURA 24 – NEURÔNIOS DO HIPOCAMPO
FONTE: <http://anatpat.unicamp.br/bineuhipocamponlmap2.html>. Acesso em: 27 mar. 2019.
33
4 CÉLULAS E TECIDOS USADOS EM ESTUDOS BIOQUÍMICOS
Pelo fato de todas as células vivas terem se desenvolvido dos mesmos
progenitores, elas compartilham certas semelhanças fundamentais. Os métodos para
estudo das células são bastante diversificados e o conhecimento sobre elas progridem
com o aperfeiçoamento das técnicas de estudo. O estudo da célula começou através
do microscópio óptico e com o surgimento do microscópio eletrônico houve um grande
avanço no estudo das funções celulares.
Estudos bioquímicos cuidadosos de apenas alguns tipos de células devem gerar
princípios gerais aplicáveis a todas as células e organismos (BAYNES, 2015).
O conhecimento em bioquímica é primariamente derivado de alguns
organismos e tecidos representativos como a bactéria Escherichia
coli, a levedura Sacharomyces cerevisiae, as algas fotossintetizantes,
tais como Chlamydomonas, as folhas de espinafre, o fígado de rato
e o músculo esquelético de vários vertebrados. Alguns estudos
bioquímicos focalizam o isolamento, a purificação e a caracterização
de componentes celulares; outras pesquisas investigam as vias
metabólicas e genéticas das células vivas (NELSON; COX, 2002, p. 18).
5 EVOLUÇÃO E ESTRUTURA DAS CÉLULAS PROCARIÓTICAS
Todos os organismos vivos se enquadram em três grandes grupos, que definem
os três ramos da árvore evolucionária da vida que se originou a partir de um ancestral
comum (Figura 25). Dois grandes grupos de microrganismos unicelulares podem ser
distinguidos em bases genéticas e bioquímicas: Bacteria e Archaea. As bactérias habitam
o solo, as águas superficiais e os tecidos de organismos vivos ou em decomposição.
Muitas das arqueas, reconhecidas na década de 1980 por Carl Woese como um grupo
distinto, habitam ambientes extremos – lagos de sais, fontes termais, pântanos
altamente ácidos e profundezas do oceano. As evidências disponíveis sugerem que
Bacteria e Archaea divergiram cedo na evolução. Todos os organismos eucariontes, que
formam o terceiro domínio, Eukarya, evoluíram a partir do mesmo ramo que deu origem
a Archaea; por isso, os eucariontes são mais proximamente relacionados às archaeas do
que às bactérias (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2007).
Algumas células primitivas evoluíram gradativamente na capacidade de fixar
CO2 e utilizar a energia radiante do sol para a produção das próprias moléculas nutritivas.
Antes ou durante a evolução dos seres unicelulares para os organismos autótrofos, um
evento evolutivo possibilitou o surgimento destes novos organismos unicelulares: os
pigmentos capazes de promover a captação da energia solar, fixação do CO2 e a produção
de moléculas mais complexas. Inicialmente, os primeiros doadores de elétrons utilizados
por organismos fotossintetizantes durante a rota fotossintética foi possivelmente o H2S.
Estes eliminavam, como resíduo, o enxofre elementar (S0) ou sulfato (SO4 -2). Este novo
tipo celular era bastante semelhante às algas azuis ou cianofíceas. Com o surgimento
34
da capacidade enzimática, as células começaram a utilizar a H2O como doador de
elétrons eliminando o O2 como subproduto. O oxigênio (O2) levou aproximadamente 1,5
bilhão de anos para atingir a concentração dos 21% atuais. O oxigênio é um agente
fortemente oxidante e tóxico para as células anaeróbicas. As células que existiam no
meio ambiente primitivo, não estavam adaptadas para sobreviver a um ambiente rico
em oxigênio (MAYWORM, 2014).
FIGURA 25 – FILOGENIA DOS TRÊS GRUPOS DA VIDA
FONTE: <http://sateuece.blogspot.com/2014/05/filogenia-simplificadareino-animalia.html>.
Acesso em: 18 mar. 2019.
É possível classificar os organismos pela maneira como obtêm a energia e o
carbono de que necessitam para sintetizar o material celular (conforme resumido na
Figura 26). Existem duas categorias amplas com base nas fontes de energia: fototróficos
(do grego trophe, “nutrição”), que captam e usam a luz solar, e quimiotróficos, que obtêm
sua energia pela oxidação de um combustível químico. Alguns quimiotróficos oxidam
combustíveis inorgânicos – por exemplo, HS – a S0 (enxofre elementar), S0 a SO4 – NO2
– a NO3 –, ou Fe21 a Fe31.
35
FIGURA 26 – CLASSIFICAÇÃO DOS ORGANISMOS DE ACORDO COM A FONTE
DE ENERGIA UTILIZADA
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 5)
5.1 O ESTUDO DA Escherichia coli
Escherichia coli, a bactéria mais estudada, é geralmente um habitante inofensivo
do trato intestinal humano. A célula de E. coli (Figura 27) é um ovoide com cerca de 2 mm
de comprimento e um pouco menos de 1 mm de diâmetro, mas outras bactérias podem
ser esféricas ou ter forma de bastonete. Ela tem uma membrana externa protetora e
uma membrana plasmática interna que envolve o citoplasma e o nucleoide. Entre a
membrana interna e a externa existe uma fina, mas resistente, camada de um polímero
de alto peso molecular (peptidoglicano) que confere à célula sua forma e rigidez
(NELSON; COX, 20014). Essa camada mais espessa e resistente é chamada de cápsula,
uma estrutura gelatinosa, rica em glicoproteínas e diversos polissacarídeos.
36
FIGURA 27 – CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS COMUNS DAS CÉLULAS DE
BACTÉRIAS E ARQUEAS
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 6)
Para Nelson e Cox (2014, p. 6):
A membrana plasmática e as camadas externas a ela constituem o
envelope celular. A membrana plasmática das bactérias consiste em
uma bicamada fina de moléculas lipídicas impregnadas de proteínas.
As membranas plasmáticas arqueanas têm arquitetura similar, mas
os lipídios podem ser acentuadamente diferentes das bactérias.
Bactérias e arqueias têm especializações grupo-específicas em seus
envelopes celulares. Algumas bactérias, chamadas gram-positivas
porque se coloram com o corante de Gram (desenvolvido por Hans
Peter Gram em 1882), têm uma camada espessa de peptidoglicanos
na parte externa da sua membrana plasmática, mas não apresentam
uma membrana externa. Já as bactérias gram-negativas têm uma
membrana externa composta de uma dupla camada lipídica na qual
se encontram inseridos lipopolissacarídeos e proteínas chamadas
porinas que proveem canais transmembrana para que compostos
de baixo peso molecular e íons possam se difundir através dessa
membrana externa. As estruturas na parte externa da membrana
plasmática das arqueias diferem de organismo para organismo, mas
eles também têm uma camada de peptidoglicanos ou proteínas que
conferem rigidez aos seus envelopes celulares.
O citoplasma da E. coli contém cerca de 15.000 ribossomos, várias cópias (de 10
a milhares) de cada uma das aproximadamente 1.000 diferentes enzimas, talvez 1.000
compostos orgânicos de massa molecular menor do que 1.000 (metabólitos e cofatores),
e uma variedade de íons inorgânicos. O nucleoide contém uma única molécula de
DNA circular, e o citoplasma (como na maioria das bactérias) contém um ou mais
segmentos de DNA circular chamados de plasmídeos (Figura 28). Na natureza, alguns
37
plasmídeos conferem resistência a toxinas e antibióticos do ambiente. No laboratório,
esses segmentos de DNA circular são práticos para a manipulação experimental e são
ferramentas poderosas para a engenharia genética (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2007).
FIGURA 28 – PLASMÍDEO DE UMA CÉLULA BACTERIANA, EVIDENCIANDO SEUS
GENES DE RESISTÊNCIA
Bactéria
Plasmídeo circular
(cada um com
vários milhares de
pares de bases)
Cromossomo
circular principal
(quatro milhões
de pares de bases)
Gene de
resistência a
antibiótico
Plasmídeo móvel
Gene necessário
para transferência
de DNA
FONTE: <https://www.todoestudo.com.br/biologia/plasmideos>. Acesso em: 26 mar. 2019.
Quando falamos de bactérias, devemos lembrar que:
Outras espécies de Bacteria e também de Archaea contêm uma
coleção similar de moléculas, mas cada espécie tem especializações
físicas e metabólicas relacionadas ao nicho ambiental e fontes
nutricionais. Cianobactérias, por exemplo, têm membranas internas
especializadas em capturar energia da luz. Muitas arqueias vivem
em ambientes extremos e têm adaptações bioquímicas para
sobreviver em extremos de temperatura, pressão ou concentração
de sal. Diferenças observadas na estrutura dos ribossomos deram
a primeira indicação de que Bacteria e Archaea constituem grupos
diferentes. A maioria das bactérias (inclusive E. coli) existe na forma
de células individuais, mas muitas vezes associadas a biofilmes ou
películas, nas quais inúmeras células se aderem umas às outras e ao
mesmo tempo ao substrato sólido que fica junto ou próximo de uma
superfície aquosa. Células de algumas espécies de bactérias (p. ex.,
mixobactéria) mostram um comportamento social simples, formando
agregados multicelulares em resposta a sinais entre células vizinhas
(NELSON; COX, 2014, p. 36).
38
6 EVOLUÇÃO DAS CÉLULAS EUCARIÓTICAS
Fósseis mais antigos do que 1,5 bilhão de anos estão limitados àqueles
organismos pequenos e relativamente simples, semelhantes na forma e no tamanho
aos procariotos modernos. Iniciando-se há cerca de 1,5 bilhão de anos, os registros
fósseis começam a mostrar evidência de organismos mais complexos e maiores,
provavelmente as primeiras células eucarióticas.
Para Nelson e Cox (2002, p. 23):
Três alterações principais devem ter ocorrido quando os procariotos
deram origem aos eucariotos. Primeiro, as células adquiriram mais
DNA, surgiram mecanismos que o dobraram e o compactaram
em discretos complexos com proteínas específicas e dividiramno igualmente entre as células filhas durante a divisão celular.
Esses complexos DNA-proteína, os cromossomos, tornaramse especialmente compactados no instante da divisão celular,
quando podem ser observados ao microscópio óptico como fios de
cromatina. Segundo, à medida que as células se tornaram maiores,
um sistema de membranas intracelulares se desenvolveu, incluindo
a membrana dupla que envolve o DNA. E a terceira alteração, seria
quando as células eucarióticas primitivas, que eram incapazes de
realizar fotossíntese ou metabolismo anaeróbico, misturaram suas
vantagens com as das bactérias aeróbicas ou fotossintetizantes para
formar associações endossimbióticas que se tornaram permanentes.
Na Figura 29 podemos observar a evolução dos procariotos para os eucariotos.
Os organismos modernos podem ter surgido a partir de um ancestral procarioto comum
por uma série de associações endossimbióticas.
Acredita-se que algumas bactérias aeróbicas evoluíram para as mitocôndrias,
quando as condições do meio ambiente tornaram-se desfavoráveis e algumas cianobactérias
fotossintetizantes tornaram-se os plastídios, tais como os cloroplastos das algas verdes, os
prováveis ancestrais das modernas células das plantas (NELSON; COX, 2014).
FIGURA 29 – EVOLUÇÃO DOS PROCARIONTES PARA OS EUCARIONTES
FONTE: <http://1.bp.blogspot.com/-sXWYAODckOM/Vq5OOwmFcNI/AAAAAAAAD3w/ZvQygdTCrFI/
s1600/1.gif>. Acesso em: 30 mar. 2019.
39
As células procariontes e eucariontes possuem características bem distintas. O
Quadro 1 faz uma comparação de células procarióticas com eucarióticas:
QUADRO 1 – COMPARAÇÃO ENTRE CÉLULAS PROCARIONTES E EUCARIONTES
Características
Célula Procariótica
Célula Eucariótica
Tamanho
Geralmente pequeno (1-10
um).
Geralmente grande (5-100 um).
Genoma
DNA com proteínas não
histonas, genoma no
nucleoide, não envolvido
por membrana.
DNA complexado com proteínas
histonas e não histonas em
cromossomos;
Cromossomos no núcleo com
envelope membranoso.
Divisão Celular
Fissão ou brotamento, não
ocorre mitose.
Mitose, incluindo fuso mitótico,
centríolos em muitas espécies.
Organelas
ligadas a
membranas
Ausentes
Mitocôndria, cloroplastos, retículo
endoplasmático, complexos de Golgi,
lisossomos.
Nutrição
Absorção, alguns
fotossintetizantes.
Absorção, ingestão, fotossíntese em
algumas espécies
Citoesqueleto
Nenhum
Complexo, com Microtúbulos,
filamentos intermedipários e
filamentos de actina.
Movimento
intracelular
Não possui
Citoplasma fluídico, endocitose,
fagocitose, mitose, vesícula de
transporte.
FONTE: Nelson e Cox (2002, p. 23)
Acredita-se que as células eucariontes primitivas originaram diversos
protistas (organismos unicelulares eucarióticos). Alguns se assemelham aos protistas
fotossintetizantes modernos, como a Euglena; outros protistas não fotossintetizantes
eram mais parecidos com o Paramecium (COOPER, 2001).
6.1 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS DAS
CÉLULAS EUCARIÓTICAS
As células eucarióticas típicas (Figura 30) são muito maiores do que as bactérias
– em geral de 5 a 100 mm de diâmetro, com um volume de mil a um milhão de vezes
maior do que o das bactérias. As características que distinguem os eucariotos são o
núcleo e uma grande variedade de organelas envoltas por membranas com funções
específicas.
40
FIGURA 30 – CÉLULA EUCARIONTE ANIMAL E SUAS ORGANELAS ESPECIALIZADAS
FONTE: <https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQbGluPRVYq1A8nMGd1_St69SgQ8ShSABrfeU8ybzdjCgyszKGk>. Acesso em: 26 mar. 2019.
A célula eucarionte possui organelas especializadas em diversas funções. A
mitocôndria é considerada a usina energética da célula, pois é onde ocorre o sítio ativo
na produção de energia (ATP). Além disso, a mitocôndria possui uma característica bem
peculiar. Ela possui material genético próprio, fazendo com que seja autorreplicativa,
ou seja, dá origem a outras mitocôndrias sempre que houver na célula um aumento
da necessidade de ATP. Geralmente as células que possuem um número maior de
mitocôndrias são justamente aquelas que têm uma demanda maior de energia, como
as células musculares, por exemplo. As mitocôndrias possuem na sua estrutura uma
membrana externa, membrana interna, espaço intermembranas, matriz mitocondrial,
ribossomos livres e DNA mitocondrial.
FIGURA 31 – (A) ESTRUTURA DAS MITOCÔNDRIAS. (B) ELETROMICROGRAFIA DE UMA MITOCONDRIAL
(A)
(B)
FONTE: A autora
41
Além das mitocôndrias, a célula eucarionte possui o retículo endoplasmático,
sendo este de dois tipos: granular ou rugoso e agranular ou liso (Figura 32). Os retículos
são formados a partir da invaginação da membrana plasmática, é constituído por uma
rede de túbulos e vesículas achatadas e interconectas. Essas vesículas no retículo
endoplasmático granular se comunicam com o envoltório nuclear.
O retículo endoplasmático granular possui ribossomos aderidos as suas
cisternas, o que o deixa com esse aspecto granular. Ele tem como função síntese,
segregação de proteínas. Já o retículo endoplasmático agranular (REA) é uma rede de
membranas de formato tubular e desorganizado. Uma das características do REA é a
ausência de ribossomos aderidos as suas vesículas e possui funções mais distintas:
síntese de lipídios, glicólise, reservatório de cálcio e destoxificação (geralmente converte
substâncias insolúveis em compostos solúveis).
Uma das funções do retículo endoplasmático liso é a síntese de lipídios de
membrana (fosfolipídios, glicolipídios e colesterol). Os fosfolipídios são sintetizados no
lado citosólico da membrana do REL, enquanto que os glicolipídios são sintetizados no
Complexo de Golgi a partir da ceramida.
Outra função importante atribuída ao retículo endoplasmático liso é a
destoxificação, onde drogas insolúveis, que tendem a se acumular no organismo, podem
chegar a níveis tóxicos. No retículo endoplasmático liso, essas drogas insolúveis são
transformadas em substâncias hidrossolúveis. No fígado, em suas células chamadas
de hepatócitos, ocorre o acúmulo de glicogênio. O retículo endoplasmático liso libera a
enzima glicose 6-fosfatase, que degrada essa molécula de glicogênio e devolve glicose
para circulação sanguínea, controlando a glicemia do organismo.
Nas células musculares, o retículo endoplasmático, recebe um nome especial –
retículo sarcoplasmático. No retículo sarcoplasmático ocorre o reservatório de cálcio, que
estará diretamente relacionado para a contração muscular.
FIGURA 32 – (A) RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO GRANULAR (NOTE A PRESENÇA DE RIBOSSOMOS ADERIDOS EM SUAS VESÍCULAS). (B) RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO AGRANULAR
(A)
(B)
FONTE: A autora
42
O Complexo de Golgi (Figura 33) é composto por cisternas envoltas por
membranas achatadas e empilhadas. Apresenta uma face cis (de entrada) e uma fase
trans (de saída). Ele é responsável pelo processamento e endereçamento de proteínas,
além de realizar a glicosilação de glicoproteínas e glicolipídios do retículo endoplasmático
granular. O complexo golgiense também é responsável pela formação do acrossomo
dos espermatozoides e possui dois tipos de secreção: constitutiva e regulada.
A secreção constitutiva acontece quando as vesículas finais golgianas são
secretadas diretamente, sem armazenamento no citosol, de forma constitutiva (sem
sinalização). Ex.: células produtoras de proteínas da matriz extracelular. Já a secreção
regulada ocorre quando as vesículas finais golgianas são primeiramente armazenadas,
podem fundir-se umas com as outras, formando grânulos de secreção que são estocados
perto do ápice da célula até haver um sinal (nervoso ou hormonal) para secreção. Ex.:
glândulas.
Junqueira e Carneiro (2007) relatam que, em muitas células, o complexo
golgiense localiza-se em posição constante, quase sempre ao lado do núcleo, podendo
ser encontrado disperso pelo citoplasma em outras células.
FIGURA 33 – ELETROMICROGRAFIA EVIDENCIANDO AS CISTERNAS DO COMPLEXO DE GOLGI
FONTE: A autora
Outra organela presente nas células eucariontes são os peroxissomos, que são
estruturas caracterizadas pela presença de enzimas oxidativas que transferem átomos
de hidrogênio de diversos substratos para o oxigênio (COOPER, 2001). Eles realizam a
desintoxicação celular e possuem uma quantidade de enzimas oxidativas, que realizam
oxidação formando o peróxido de hidrogênio, abundante nas células hepáticas (400
peroxissomos por célula).
Os peroxissomos surgem através de brotamentos do retículo endoplasmático
rugoso e contêm a maior parte da enzima catalase, que converte peróxido de hidrogênio
em água e oxigênio.
43
NOTA
Adrenoleucodistrofia é uma doença genética rara, autossômica recessiva,
ligada ao sexo (mulheres portadoras). Ocorre uma mutação na enzima ligase acil
CoA gordurosa (membrana dos peroxissomos), levando ao acúmulo de ácidos
graxos no citoplasma de células do tecido nervoso, gerando a degeneração
das bainhas de mielina e disfunção adrenal. O Filme: O Óleo de Lorenzo retrata
o surgimento, sinais e sintomas dessa patologia associada a essa disfunção
em enzimas do peroxissomos.
Células eucariontes também possuem organelas derivadas do complexo
golgiense, chamadas de lisossomos. Os lisossomos são organelas em formato
arredondado, cheias de enzimas digestivas e envoltas por uma membrana lipoproteica.
Possui como funções a autofagia (eliminação de organelas citoplasmáticas); digestão de
partículas prejudiciais ao organismo e digestão intracelular. Possuem enzimas digestivas
que degradam substratos específicos, como por exemplo lipases e fosfolipases,
digerindo lipídios; as proteases que realizam a digestão de proteínas; as glicosidades,
digerindo polissacarídeos e as nucleases, que realizam a digestão de ácidos nucleicos.
As enzimas lisossômicas são produzidas no retículo endoplasmático granular,
passam pelo complexo golgiense, no qual são sintetizadas e liberadas sob a forma de
vesículas:
FIGURA 34 – SÍNTESE DE ENZIMAS LISOSSÔMICAS
FONTE: A autora
Os lisossomos são classificados em primários e secundários. Os lisossomos
primários não estão em atividade de digestão. São menores e homogêneos. Já os
lisossomos secundários estão em constante atividade de digestão, são maiores e
heterogêneos.
44
Além dessas organelas, as células vegetais também têm vacúolos (que
acumulam grandes quantidades de ácidos orgânicos) e cloroplastos (nos quais a luz solar
realiza a síntese de ATP no processo da fotossíntese). No citoplasma de muitas células
estão presentes também grânulos ou gotículas contendo nutrientes armazenados,
como amido e gordura (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2007).
7 ESTUDO DOS COMPONENTES CELULARES
Algumas técnicas foram desenvolvidas ao longo dos anos, para o estudo dos
componentes celulares. A seguir, você conhecerá algumas delas, suas características e
importância clínica.
7.1 ORGANELAS ISOLADAS POR CENTRIFUGAÇÃO
Em um avanço importante na bioquímica, Albert Claude, Christian de Duve e
George Palade desenvolveram métodos para separar as organelas do citosol e elas
entre si – etapa essencial na investigação de suas estruturas e funções (NELSON; COX,
2014). Em um processo típico de fracionamento (Figura 35), as células ou tecidos em
solução são suavemente rompidos por cisalhamento físico. Esse tratamento rompe a
membrana plasmática, mas deixa intacta a maioria das organelas. O homogeneizado
é então centrifugado; organelas como núcleo, mitocôndria e lisossomos diferem
em tamanho e por isso sedimentam em velocidades diferentes. Esses métodos
foram utilizados para estabelecer, por exemplo, que os lisossomos contêm enzimas
degradativas, as mitocôndrias contêm enzimas oxidativas e os cloroplastos contêm
pigmentos fotossintéticos. O isolamento de uma organela rica em determinada enzima
é, com frequência, a primeira etapa de purificação dessa enzima.
Nelson e Cox (2014) relatam que organelas, como os núcleos, as mitocôndrias e
os lisossomos, diferem em tamanho e, portanto, sedimentam com velocidades diferentes
durante a centrifugação. Elas também diferem na gravidade específica e “flutuam” em
diferentes níveis em um gradiente de densidade (Figura 35). A centrifugação diferencial
leva a um fracionamento grosseiro do conteúdo citoplasmático, que deve ser purificado
por centrifugação isopícnica (mesma densidade).
45
FIGURA 35 – FRACIONAMENTO SUBCELULAR DE TECIDOS
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 8)
As técnicas de imunocitoquímica permitem o estudo da localização intracelular
de proteínas específicas. Ela localiza, com precisão, um determinado tipo de molécula
proteica, excluindo todas as outras proteínas existentes nas células. A imunocitoquímica
se baseia na reação antígeno-anticorpo e pode ser classificada em Imunocitoquímica
Direta e Indireta (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2007).
Imunocitoquímica Direta: suponha-se que, de um determinado órgão
de rato, se possa extrair e purificar quimicamente uma proteína,
que será chamada proteína X. O problema citoquímico consiste em
descobrir em que células ou parte da célula está localizada a proteína
X, pois ela foi isolada de um órgão inteiro. Injetando-se a proteína
X (antígeno) em um coelho, este formara uma gamaglobulina
(anticorpo) com a propriedade de se combinar exclusivamente com
a proteína X, não se combinando com qualquer outra. O anticorpo
aparece porque a proteína X pertence a um órgão de rato e, portanto,
estranha para o coelho no qual foi injetada (JUNQUEIRA; CARNEIRO,
2007, p. 30).
46
Na técnica de Imunocitoquímica Indireta, a marcação é colocada em um
anticorpo, isto é, uma antigamaglobulina. Por sua maior sensibilidade, permitindo a
demonstração de quantidades mínimas de antígeno, a técnica indireta é a mais usada
na prática.
7.2 ESTUDOS IN VITRO
In vitro (“em vidro”) é uma expressão que designa todos os processos biológicos
que têm lugar fora dos sistemas vivos, no ambiente controlado e fechado de um
laboratório e que normalmente são utilizadas as vidrarias. Em 1904, ocorreu o primeiro
cultivo in vitro de crucíferas observando a necessidade de suplementação do meio
mineral com sacarose para a germinação dos embriões, bem como mostrando o efeito
das diferentes fontes de nitrogênio sobre sua morfologia.
Uma abordagem para o entendimento de um processo biológico
é o estudo in vitro de moléculas purificadas (“no vidro” – no tubo
de ensaio), sem a interferência de outras moléculas presentes na
célula intacta – isto é, in vivo (“no vivo”). Embora essa abordagem
seja muito esclarecedora, deve-se considerar que o interior de uma
célula é totalmente diferente do interior de um tubo de ensaio. Os
componentes “interferentes” eliminados na purificação podem ser
cruciais para a função biológica ou para a regulação da molécula
purificada. Por exemplo, estudos in vitro de enzimas puras são
comumente realizados com concentrações muito baixas da enzima
em soluções aquosas sob agitação. Na célula, uma enzima está
dissolvida ou suspensa no citosol com consistência gelatinosa junto
com milhares de outras proteínas, e algumas delas se ligam à enzima
e influenciam sua atividade. Algumas enzimas são componentes de
complexos multienzimáticos nos quais os reagentes passam de uma
enzima para a outra, sem interagir com o solvente. Quando todas as
macromoléculas conhecidas de uma célula são representadas em
suas dimensões e concentrações conhecidas (Figura 36), fica claro
que o citosol é bem ocupado e que a difusão de macromoléculas dentro
do citosol deve ser mais lenta devido à colisão com outras estruturas
grandes. Em resumo, certa molécula pode ter um comportamento
muito diferente na célula e in vitro. Um desafio central na bioquímica
é entender as influências da organização celular e das associações
macromoleculares sobre a função das enzimas individuais e outras
biomoléculas – para entender a função in vivo assim como in vitro
(NELSON; COX, 2002, p. 33).
47
FIGURA 36 – A CÉLULA LOTADA. ESTE DESENHO DE DAVID GOODSELL É UMA REPRESENTAÇÃO PRECISA
DOS TAMANHOS RELATIVOS E NÚMERO DE MACROMOLÉCULAS EM UMA REGIÃO PEQUENA DA CÉLULA
DE E. COLI
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 11)
8 EVOLUÇÃO DOS ORGANISMOS MULTICELULARES E A
DIFERENCIAÇÃO CELULAR
Todos os organismos eucariotos unicelulares modernos – os protistas – contêm
as organelas e os mecanismos que descrevemos anteriormente. Essas organelas e
mecanismos devem ter se originado relativamente cedo.
O Reino Protista é um dos reinos dos seres vivos, caracterizado por organismos
eucariontes, autótrofos (sintetizam seu próprio alimento) ou heterótrofos (ingerem
partículas alimentares do meio externo). Podem ser unicelulares (possuem apenas uma
célula) ou pluricelulares (formados por várias células). Os protistas compreendem os
protozoários e as algas. Existem também os mixomicetos, organismos semelhantes aos
fungos, mas classificados como Protistas (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2007).
Os protistas são muito versáteis. Um exemplo é o protista Paramecium (Figura
37), que move-se rapidamente com auxílio de uma especialização de membrana
chamada cílios. Ele percebe estímulos mecânicos, químicos e térmicos do seu ambiente
e responde alterando o seu caminho. Consegue realizar a fagocitose de diversas
substâncias, como as partículas alimentares, por exemplo. Possui a habilidade de
excretar os fragmentos não digeridos; elimina o excesso de água (NELSON; COX, 2014).
Em alguma etapa posterior da evolução, os organismos unicelulares
descobriram a vantagem de se agregar, adquirindo, portanto, maior motilidade,
eficiência ou sucesso reprodutivo do que os seus competidores unicelulares de
48
vida livre. A evolução posterior de tais organismos aglutinados levou às associações
permanentes entre células individuais e eventualmente à especialização da colônia –
a diferenciação celular (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2007).
FIGURA 37 – PARAMECIUM: PROTOZOÁRIO CILIADO
FONTE: <http://www.carloshotta.com.br/brontossauros/2009/4/16/paramecios-se-comunicam-por-luz.
html>. Acesso em: 11 jul. 2019.
Para Nelson e Cox (2002, p. 34):
As vantagens da especialização celular levaram a evolução de
organismos mais complexos e altamente diferenciados, nos quais
algumas células desempenham funções sensoriais, outras digestivas,
fotossintetizantes ou reprodutoras. Muitos organismos multicelulares
modernos contêm centenas de diferentes tipos celulares, cada um
especializado em alguma função que apoia o organismo inteiro.
Mecanismos fundamentais que surgiram anteriormente foram
refinados e completados durante a evolução. O mecanismo simples
responsável pela movimentação da miosina ao longo dos filamentos
de actina no mofo foi conservado e elaborado nas células musculares
dos vertebrados. A mesma estrutura básica e o mesmo mecanismo
que sustenta a movimentação do bater dos cílios do Paramecium
e dos flagelos na Chlamydomonas são empregados nas células
altamente diferenciadas dos vertebrados, o espermatozoide.
As células individuais de organismos multicelulares permaneceram delimitadas
por membranas plasmáticas, mas também desenvolveram estruturas especializadas
na superfície para a fixação e comunicação entre as células. As moléculas de adesão
celular permitem o contato entre células epiteliais, e este contato é estabilizado por
junções celulares especializadas (KIERSZENBAUM, 2008).
49
Embora moléculas de adesão celular sejam responsáveis pela adesão do tipo
célula-célula, as junções celulares são importantes para fornecer estabilidade mais
intensa. As junções celulares podem ser de três tipos: junções de oclusão, junções de
ancoragem (adesão) e junções comunicantes (tipo gap).
As junções de oclusão promovem a vedação do trânsito de íons e moléculas
entre as células. Os folhetos externos da membrana plasmática das duas células se
fundem. São formadas pelas proteínas adesivas claudinas e ocludinas.
As junções de ancoragem ou adesão promovem a adesão entre as células. É
uma zônula que circunda a célula como um cinturão e possui como proteínas adesivas
as caderinas. Nas junções de adesão, devemos citar estruturas em forma de botões
chamadas de desmossomos, que também são responsáveis pela coesão celular e
dependentes das proteínas transmembranas, chamadas de caderinas.
NOTA
Você sabia?
Existe uma doença autoimune chamada de Pênfigo Bolhoso (Figura 38),
em que ocorre uma produção de anticorpos contra a proteína caderina
dos desmossomos da epiderme. As pessoas desenvolvem bolhas grandes
e pruriginosas, com áreas de pele inflamada. Para diagnosticar o pênfigo
bolhoso são examinadas amostras da pele no microscópio e verificado se
existem depósitos de certos anticorpos. Ocorre com mais frequência nos
homens com mais de 60 anos, mas também podem ocorrer em crianças. É
uma doença menos séria que o pênfigo vulgar (que também provoca bolhas),
geralmente não é fatal, e não resulta em descamação generalizada da pele.
No entanto, pode envolver uma grande extensão da pele e causar muito
desconforto (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2007).
FIGURA 38 – PÊNFIGO BOLHOSO NA EPIDERME
FONTE: <http://doencasautoimunes.com.br/noticias/penfigo-bolhoso-o-que-e-e-como-tratar/>.
Acesso: 29 mar. 2019.
50
Os desmossomos mecanicamente fornecem resistência às conexões físicas
entre as células, mas não impedem a passagem de material através do espaço
extracelular entre as células conectadas (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2007).
As junções comunicantes ou do tipo gap (Figura 39) promovem a comunicação
entre as células através de um canal chamado de conexon. Cada conexon é formado por
seis proteínas chamadas de conexinas. Geralmente encontram-se abertas, provocando
um aumento no cálcio intracelular.
FIGURA 39 – JUNÇÕES COMUNICANTES OU DO TIPO GAP
FONTE: <https://transformandodoremamor.wordpress.com/2018/04/03/o-papel-das-juncoes-gap nas-sistoles-cardiacas/>. Acesso: 31 mar. 2019.
9 VÍRUS: PARASITAS DAS CÉLULAS
Devido as suas relações com as células e seus efeitos sobre estas, podendo
causar doenças de gravidade variável, abordaremos algumas informações importantes
sobre os vírus. Vírus são acelulares, ou seja, não possuem célula e, portanto, não
podem ser considerados seres vivos. Eles não são capazes de se multiplicar, exceto
quando parasita uma célula e utiliza essa célula para sintetizar novas partículas virais.
São, portanto, parasitas intracelulares obrigatórios. Na verdade, os vírus são parasitas
nível molecular, pois induzem a maquinaria sintética das células parasitadas a trabalhar
para formar novos vírus, em vez de trabalhar para formar seus próprios componentes
(JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2007).
Os vírus constituem de uma única molécula de ácido nucleico (DNA ou RNA). O
ácido nucléico é envolvido por uma capa proteica chamada capsídeo, onde encontramos
também no capsídeo, as proteínas virais, que determinam a célula que o vírus irá infectar.
51
Nelson e Cox (2002, p. 34) relatam que:
Os vírus existem em dois estados. Fora das células hospedeiras que os
formam, os vírus são simplesmente partículas não vivas chamadas de
virions, os quais podem ser cristalizados. Assim que um vírus ou seu
componente ácido nucleico entra numa célula hospedeira específica,
ele se torna um parasita intracelular. O ácido nucleico viral transporta
a mensagem genética especificando a estrutura do vírion intacto.
Ele desvia os ribossomos e as enzimas das células hospedeiras das
suas funções celulares normais para a construção de muitas novas
partículas virais filhas. Em consequência, uma progênie de centenas
de vírus pode se originar de apenas um vírion que infecta a célula
hospedeira. Em alguns sistemas vírus-hospedeiro, a progênie do
vírion escapa através da membrana plasmática da célula hospedeira.
Outros vírus produzem a lise celular (quebra da membrana e morte
da célula hospedeira) quando são liberados. Muito da patologia
associada com as doenças virais resulta da lise da célula hospedeira.
Centenas de vírus diferentes são conhecidos, sendo cada um mais ou menos
específico para uma célula hospedeira. Geralmente os vírus que infectam as células
animais não infectam os vegetais, e vice-versa. Porém, existem alguns vírus vegetais
que invadem e multiplicam-se nas células de insetos disseminadores deste vírus de
uma planta para outra. Os vírus que infectam bactérias são chamados de bacteriófagos
ou, simplesmente, fagos.
A Bioquímica tem ganhado enormemente com o estudo dos vírus, que tem
fornecido informação nova sobre a estrutura do genoma, os mecanismos enzimáticos
da síntese dos ácidos nucleicos e de proteínas e a regulação do fluxo da informação
genética (NELSON; COX, 2002).
FIGURA 40 – ESTRUTURA VIRAL
FONTE: <https://horadaescola.com/biologia/433-virus-biologia>. Acesso em: 31 mar. 2019.
52
LEITURA
COMPLEMENTAR
A COMPARAÇÃO GENÔMICA APRESENTA IMPORTÂNCIA CRESCENTE NA
BIOLOGIA E NA MEDICINA HUMANA
Os genomas de chimpanzés e humanos são 99,9% idênticos; mesmo assim, as
diferenças entre as duas espécies são enormes. As poucas diferenças nos conteúdos
genéticos devem explicar o domínio da linguagem em humanos, a extraordinária
capacidade física dos chimpanzés e uma miríade de outras diferenças. A comparação de
genomas está permitindo aos pesquisadores identificar genes candidatos conectados
a divergências no programa de desenvolvimento de humanos e dos outros primatas
e a emergência de funções complexas como a linguagem. Tudo se tornará mais claro
somente quando o genoma de mais primatas se tornar disponível para comparação com o
genoma humano. Da mesma forma, as diferenças no conteúdo genético entre humanos
são extremamente pequenas se comparadas com as diferenças entre humanos e
chimpanzés. Mesmo assim, essas poucas diferenças são responsáveis pelas diferenças
dentro da espécie humana – incluindo diferenças na saúde e na suscetibilidade a
doenças crônicas. Há muito a aprender sobre a variabilidade na sequência entre
humanos, e a disponibilidade dessa informação genômica vai certamente transformar
o diagnóstico e o tratamento médico. Pode-se esperar que, para algumas doenças
genéticas, os tratamentos paliativos até agora utilizados serão substituídos por curas.
Pode-se esperar também que o alerta e a prevenção serão as medidas usadas quando
suscetibilidades a doenças são detectadas por marcadores genéticos específicos. O
atual “histórico médico” poderá ser substituído pelo “prognóstico médico”.
FONTE: NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed,
2014.
53
RESUMO DO TÓPICO 2
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• As células, unidade da vida, são de dimensões microscópicas.
• Todas as células compartilham algumas características: DNA contendo a informação
genética, ribossomos e uma membrana plasmática que envolve o citoplasma.
• Certos organismos, tecidos e células oferecem vantagens para os estudos
bioquímicos.
• A E. coli pode ser muito utilizada para estudos bioquímicos, pois possui curto tempo
de geração sendo especialmente apropriada para a manutenção genética.
• As primeiras células vivas foram os procariotos e anaeróbicos.
• Com o passar do tempo, a evolução biológica conduziu as células capazes de produzir
fotossíntese, com o oxigênio como subproduto.
• Cerca de 1,5 bilhão de anos atrás surgiram as células eucarióticas.
• As células eucarióticas foram evoluindo e cada organela se especializou em uma
função específica.
• As células eucarióticas modernas possuem um sistema complexo de membranas
intracelulares.
• O material genético nas células eucarióticas está organizado nos cromossomos
complexos altamente organizados de DNA e proteínas histonas.
• O citoesqueleto é uma rede intracelular de filamentos de actina, filamentos
intermediários e microtúbulos.
• O citoesqueleto confere a forma da célula e geralmente essa forma está associada
com a função que a célula desempenha no organismo.
• As organelas intracelulares movem-se ao longo dos filamentos do citoesqueleto,
propelidas por proteínas como a cinesina, a dineína e a miosina, usando a energia do
ATP.
• Os vírus são parasitas intracelulares obrigatórios.
54
AUTOATIVIDADE
1 Leia o texto a seguir e responda ao que se pede:
Relatos de uma viagem
Finalmente conseguimos visitar a célula. É um mundo pequeno, totalmente
cercado por uma fronteira bem controlada, que regula tudo o que entra e o que sai.
O acesso pode ser feito por diferentes tipos de portões. Alguns são como as portas
giratórias de lojas ou bancos, que permitem atravessar a fronteira em um piscar de
olhos; em outros, um funcionário da alfândega de lá nos agarra e nos empurra para
dentro (ou para fora), mesmo que não queiramos.
Há um incrível trânsito de matéria-prima e de energia nas fronteiras dessa
cidadela, pois sua vida depende totalmente de produtos importados. É verdade também
que há alguns produtos internos que são exportados e muito requisitados no exterior. O
lugar é muito organizado, com túneis e canais que levam a todas as partes, garantindo
um trânsito rápido e fácil. Além disso, esses canais estão diretamente ligados às
fábricas, nas quais são produzidas matérias-primas necessárias ao dia a dia e também
produtos para exportação; estes são levados aos centros de armazenagem e de
estocagem onde ficam até a hora de serem exportados.
Há encarregados de limpeza e de consertos, que eliminam os resíduos e
mantêm limpo e em perfeito funcionamento. Mas o que chama a atenção são as usinas
de produção de energia. Aqui se adota um modelo descentralizado: em vez de uma
única usina grande, há dezenas ou centenas de pequenas usinas, distribuídas por toda
parte. A energia da matéria-prima que chega à usina é extraída e convertida em pacotes
energéticos rotulados de ATP, uma espécie de moeda energética local, com a qual se
faz qualquer coisa. Dizem que o mais impressionante daqui é o núcleo de controle,
um prédio em formato esférico e estilo futurista, que utiliza os mais modernos sistemas
informatizados para organizar a vida dentro da célula. Isso nós não fomos visitar ainda,
vimos apenas de longe. Mais notícias em breve.
FONTE: A autora
Essa viagem, impossível na vida real, tornou-se possível graças às descobertas
que os pesquisadores têm feito sobre a estrutura e o funcionamento das células vivas.
a) Este texto deverá ser traduzido para a linguagem científica da Biologia Celular,
relatando quais são as estruturas celulares (sublinhadas no texto) correspondentes a
cada descrição.
55
b) Pela descrição dada no texto, trata-se de uma célula eucarionte ou procarionte?
Justifique sua resposta.
2 A microscopia eletrônica foi inicialmente criada para estudos de estrutura de
material bélico, sendo posteriormente utilizada para estudos de estruturas
e organelas celulares. As eletromicrografias I e II mostram organelas
citoplasmáticas distintas. Com base na identificação das organelas nas figuras I
e II, sabemos que a primeira participa na síntese de lipídios, enquanto a segunda é
responsável pela produção de proteínas. Essas organelas são, respectivamente:
FIGURA – ORGANELAS
FONTE: A autora
a)
b)
c)
d)
e)
(
(
(
(
(
) Retículo endoplasmático liso e retículo endoplasmático rugoso.
) Retículo endoplasmático rugoso e retículo endoplasmático liso.
) Mitocôndrias e lisossomos.
) Complexo de Golgi e retículo endoplasmático liso.
) Retículo endoplasmático rugoso e ribossomos.
3 Paciente branco, 47 anos, tabagista com história de tosse produtiva crônica,
expectoração purulenta abundante, cefaleia frontal e dor em região malar. Desde
a infância apresentou vários episódios de sinusite, pneumonia e otite média. Ao
exame: hipocratismo digital, sibilos difusos e estertores crepitantes em ambas as
bases pulmonares. Espirometria revelou moderada obstrução sem resposta à terapia
broncodilatadora. Radiografia de tórax com situs inversus, hiperinsuflação pulmonar.
Exame de sêmen mostrou mobilidade reduzida e/ou ausente dos espermatozoides.
Qual o diagnóstico do caso descrito?
b) Qual estrutura celular apresenta-se comprometida neste caso?
c) Descreva a composição da estrutura descrita.
d) Qual a relação existente entre a mobilidade reduzida dos espermatozoides e os
problemas respiratórios do paciente do caso e a estrutura celular acometida?
56
4 A membrana plasmática possui várias especializações, seja ela de um organismo
unicelular ou pluricelular, estas especializações são variadas em relação às
designações celulares. São especializações envolvidas com a união da célula à matriz
extracelular, adesão célula-célula, uniões transitórias e especializações da superfície
livre, como microvilosidades, cílios, flagelos, estereocílios. Sobre as especializações
de membrana, analise as frases a seguir:
I- Os hemidesmossomos têm como função unir a célula à matriz extracelular, através de
proteínas chamadas de integrinas.
II- A zônula de oclusão veda a passagem de substâncias entre as células e possui como
proteínas as claudinas e ocludinas.
III- Desmossomos são junções celulares, presentes no tecido muscular e possuem a
proteína caderina.
IV- As junções tipo GAP também são chamadas de junções comunicantes.
A alternativa que contém as afirmativas CORRETAS é:
a) ( ) I e III.
b) ( ) I, II e IV.
c) ( ) III e IV.
d) ( ) I, II e III.
e) ( ) II, III e IV.
57
58
UNIDADE 2 —
BIOMOLÉCULAS
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:
• compreender a função biológica em termos químicos;
• identificar as principais biomoléculas;
• estabelecer as características que diferenciam as biomoléculas;
• compreender que em cada organismo vivo as biomoléculas exercem funções que
permitem a manutenção da vida;
• estabelecer os princípios da bioquímica para explicar as biomoléculas em termos químicos;
• identificar os monômeros que formam as macromoléculas;
• compreender as funções das biomoléculas;
• estabelecer que o surgimento de algumas patologias está associado a disfunções
nas biomoléculas.
PLANO DE ESTUDOS
Esta unidade está dividida em sete tópicos. No decorrer dela, você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.
TÓPICO 1 – CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS BIOMOLÉCULAS
TÓPICO 2 – ÁGUA
TÓPICO 3 – AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS
TÓPICO 4 – ENZIMAS
TÓPICO 5 – CARBOIDRATOS E GLICOCONJUGADOS
TÓPICO 6 – NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS
TÓPICO 7 – LIPÍDIOS
CHAMADA
Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure
um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações.
59
CONFIRA
A TRILHA DA
UNIDADE 2!
Acesse o
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UNIDADE 2
TÓPICO 1 —
CARACTERÍSTICAS GERAIS
1 INTRODUÇÃO
Bioquímica não é nada menos que a “química da vida”; com essa ciência a
vida pode ser investigada, analisada e compreendida. O maior objetivo da bioquímica
é explicar a forma e a função biológica em termos químicos. Uma das formas mais
produtivas de abordar o entendimento dos fenômenos biológicos tem sido aquela de
purificar os componentes químicos individuais, tais como a proteína de um organismo,
e caracterizar a sua estrutura química ou sua atividade catalítica.
No início do estudo das biomoléculas e de suas interações, algumas questões
básicas merecem atenção. Quais espécies de moléculas estão presentes nos
organismos vivos e em quais proporções? Quais são as estruturas dessas moléculas?
Como interagem umas com as outras?
Neste tópico, faremos uma revisão dos princípios químicos que estão
relacionados com as propriedades das moléculas biológicas: ligação covalente entre os
átomos de carbono entre si e com outros elementos, grupos funcionais que ocorrem
nas biomoléculas, entre outras características.
2 COMPOSIÇÃO E LIGAÇÃO QUÍMICA
No final do século XVIII, ficou evidente para os químicos que a composição da matéria
viva era claramente diferente do mundo inanimado. Antoine Lavoisier (1743-1794) notou a
relativa simplicidade química do mundo mineral e comparou com a complexidade do mundo
dos animais e das plantas. Animais e plantas eram compostos por substâncias ricas nos
elementos carbono, oxigênio, nitrogênio e fósforo.
Dos mais de 90 elementos químicos que ocorrem naturalmente, apenas cerca
de 30 são essenciais para os organismos vivos. A maioria dos elementos químicos da
matéria viva tem números atômicos relativamente pequenos e apenas cinco deles têm
número atômico acima do selênio. Os quatro elementos químicos mais abundantes nos
organismos, em termos das porcentagens do número total de átomos, são o hidrogênio,
o oxigênio, o nitrogênio e o carbono, os quais, juntos, perfazem mais de 99% da massa
da maioria das células. Eles são os elementos mais leves, capazes formar uma, duas,
três e quatro ligações, respectivamente. Em geral, os elementos mais leves formam as
ligações químicas mais fortes (NELSON; COX, 2002).
61
12
D AV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
FIGURA 1 – ELEMENTOS ESSENCIAIS PARA A VIDA ANIMAL E PARA A MANUTENÇÃO DA SAÚDE
1
FIGURA 113 E
vida e a saúde
principais (verme
rais das células e d
dieta em uma qu
dia. Para os elem
tidades requerida
manos, alguns m
são suficientes, e
demais elemento
plantas e micror
mostradas aqui; o
quais eles adquire
2
H
He
3
Elementos principais
Elementos-traço
4
Li
Be
11
19
Ca
37
38
Rb
55
Sr
Al
21
Sc
39
Y
56
Cs
Fr
13
Mg
20
K
6
Ba
88
Ra
22
23
Ti
40
Zr
72
24
V
Cr
41
42
Nb
73
Hf
Mo
74
Ta
W
25
Mn
43
Tc
75
Re
7
B
12
Na
87
5
26
27
Fe
44
28
Co
45
Ru
46
Rh
76
77
Os
Ni
Pd
78
Ir
Pt
29
Cu
47
Ag
79
Au
30
31
Zn
48
Ga
49
Cd
80
In
81
Hg
Tl
8
C
14
15
Si
32
Ge
50
Sn
82
Pb
9
N
As
51
Sb
83
Bi
F
16
P
33
10
O
17
S
Cl
34
35
Se
52
Br
53
Te
84
Po
Ne
18
Ar
36
Kr
54
I
85
At
Xe
86
Rn
Lantanídeos
Actinídeos
FONTE: Nelson e Cox (2002, p. 42)
Menos de 30 entre os mais de 90 elementos químicos
bono também podem compartilha
de ocorrência natural são essenciais para os organismos. A
elétrons, formando assim ligações d
maioria dos elementos da matéria viva tem um número atôAs quatro ligações simples que
3 BIOMOLÉCULAS
SÃO
COMPOSTOS
DEatô-CARBONO
mico relativamente baixo;
somente
três têm números
átomo de carbono se projetam a p
micos maiores do que o selênio, 34 (Figura 1-13). Os qua- os quatro vértices de um tetraed
A química dos
organismos
está organizada
ao redor doângulo
elemento
o
tro elementos
químicos
mais vivos
abundantes
nos organismos
de carbono,
aproximadamente
109
quaisquer
comprimento
médio d
em termos
porcentagem
total
número
qualvivos,
representa
mais dademetade
do peso do
seco
dasde
células.
No de
metano
(CH4), ume átomo
de
é livresimples.
em torno de cada l
átomos,
são hidrogênio,
oxigênio,
nitrogênio
e carbono,formando
que rotação
carbono
compartilha
quatro pares
de elétrons
compartilhados,
uma ligação
juntos constituem mais de 99% da massa das células. Eles que grupos muito grandes ou altam
Bertuzzi et al. (2008) relatam que o carbono pode também estabelecer ligações simples e
são os elementos mais leves capazes de formar de maneira ligados aos átomos de carbono. Ne
duplas
com osuma,
átomos
de três
oxigênio
e com
o de nitrogênio.
eficiente
duas,
e quatro
ligações;
em geral, os ele- ser limitada. Já a ligação dupla é m
mentos mais leves formam ligações mais fortes. Os elemen- nm) e rígida, permitindo somente
De maior
importância
em biologia
é fração
a capacidade
de ostorno
átomos
de carbono
do seu
eixo.
tos-traço
(Figura
1-13) representam
uma
minúscula
Átomos carbonode carbono covalentem
do peso do corpo
mas todos
à vida,
compartilharem
pareshumano,
de elétrons
entresão
si essenciais
para formar
ligações simples
léculas podem
formar cadeias linea
geralmente
porsão
serem
essenciais
a função
carbono,
as quais
muito
estáveis.para
Cada
átomo de
de proteícarbono também
pode formar
nas específicas, incluindo muitas enzimas. A capacidade turas cíclicas. Aparentemente, a ve
ligações simples com um, dois, três ou quatro átomos de carbono. Dois átomos de
de transporte de oxigênio da hemoglobina, por exemplo, é carbono com outro carbono e com
carbono
podemdependente
também compartilhar
dois ferro,
(ou três)
de elétrons,
formando
assim
principal
fator na
seleção dos com
totalmente
de quatro íons
quepares
somados
ligações
duplas
ou
triplas
carbono-carbono
(Figura
2).
a maquinaria molecular das célul
representam somente 0,3% da massa total.
evolução dos organismos vivos. N
químico
consegue
molécul
As
quatro
ligações
simples
que
podem
ser
estabelecidas
por um
átomo formar
de
Biomoléculas são compostos de carbono com uma
de
tamanhos,
formas
e
composição
carbono estão dispostas tetraedricamente. Os grupos participantes de cada ligação
grande variedade de grupos funcionais
A maioria das biomoléculas der
simples carbono-carbono podem girar livremente ao redor dela; essa liberdade sofre
tendo átomos de hidrogênio subs
A química dos organismos vivos está organizada em torno
restrições
somente
essas
ligações
estão
ocupadas
por grupos
muito
variedade
de grandes
grupos funcionais qu
do carbono,
quequando
contribui
com
mais da
metade
do peso
ou quando
são
portadoras
de
cargas
elétricas
muito
altas
(NELSON;
COX,
2002).
químicas específicas à molécula, fo
seco das células. O carbono pode formar ligações simples
com átomos de hidrogênio, assim como ligações simples e de compostos orgânicos. Exemplo
culas são
os álcoois,
duplas
átomos
de oxigênio
e nitrogênio
1-14). podem
Os com
átomos
de carbono
unidos
entre si (Figura
covalentemente
formar
cadeiasque têm um o
aminas,
com
grupos amina; aldeí
A
capacidade
dos
átomos
de
carbono
de
formar
ligações
lineares, cadeias ramificadas e estruturas cíclicas. Outros grupos de átomos, chamados
simples estáveis com até quatro outros átomos de carbono pos carbonila; e ácidos carboxílic
grupos funcionais, são adicionados a esses esqueletos carbônicos, o que confere
é de grande importância na biologia. Dois átomos de car- la (Figura 1-16). Muitas biomolé
propriedades químicas específicas à molécula assim formada. As moléculas que contêm
esqueletos carbônicos são chamadas de compostos orgânicos; eles ocorrem em uma
variedade quase ilimitada. A maioria das biomoléculas são compostos orgânicos;
C 1 H
C N
C 1 N
H
C H
C N
portanto,
podemos inferirC que
a versatilidade
de ligações
do carbono foi
um fator maior
62
C 1 O
C O
C
O
C 1 C
C C
C
C
na seleção dos compostos de carbono para a maquinaria molecular das células durante
a origem e a evolução dos organismos vivos. Nenhum outro elemento químico pode
formar moléculas com tanta diversidade de formas e de tamanhos ou com tal variedade
de grupos funcionais (RODWELL; MURRAY; GRANNER, 2017).
FIGURA 2 – OBSERVE A VERSATILIDADE DO ÁTOMO DE CARBONO EM FORMAR
LIGAÇÕES COVALENTES
FONTE: Bertuzzi et al. (2008, p. 36)
4
GRUPOS
FUNCIONAIS
PROPRIEDADES QUÍMICAS
DETERMINAM
AS
A maioria das biomoléculas pode ser vista como derivada dos hidrocarbonetos,
os quais são compostos formados por um esqueleto de átomos de carbono ligados
covalentemente entre si e aos quais estão ligados apenas átomos de hidrogênio. Os
esqueletos carbônicos desses compostos são muito estáveis. Os átomos de hidrogênio
podem ser substituídos individualmente por uma grande variedade de grupos funcionais
para formar famílias diferentes dos compostos orgânicos. Famílias típicas de compostos
orgânicos são: os álcoois, os quais possuem um ou mais grupos hidroxila; as aminas,
possuidoras do grupo funcional amino; os aldeídos e as cetonas, os quais possuem o grupo
carbonila; e os ácidos carboxílicos, que exibem os grupos carboxilas (NELSON; COX, 2002).
Na Figura 3 podemos observar todos os grupos em sua forma neutra (não ionizada).
Nesta figura, e em toda parte deste livro didático, usamos R para representar
“qualquer substituinte”. Pode ser um simples átomo de H, mas tipicamente ele é uma
porção que contém carbono. Quando dois ou mais constituintes são mostrados em uma
molécula, iremos designar R1, R2, e assim por diante.
63
FIGURA 3 – ALGUNS DOS GRUPOS FUNCIONAIS COMUNS DE BIOMOLÉCULAS
FONTE: Nelson e Cox (2002, p. 43)
5 ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL: CONFIGURAÇÃO E
CONFORMAÇÃO
Embora as ligações covalentes e os grupos funcionais das biomoléculas tenham
importância central para a função delas, eles não contam toda a história; o arranjo
espacial em três dimensões dos átomos de uma biomolécula – sua estereoquímica –
é também crucialmente importante. Os compostos de carbono podem existir como
estereoisômeros, moléculas nas quais a ordem das ligações é a mesma, mas a relação
espacial entre os átomos é diferente. Interações moleculares entre biomoléculas são
invariavelmente estereoespecíficas; isto é, elas requerem estereoquímica específica nas
moléculas interativas (BERG; TYMOCZKO; STRYERT, 2015).
A Figura 4 mostra três maneiras de ilustrar a configuração estereoquímica das
moléculas simples. O diagrama ilustra perspectivas específicas de forma não ambígua
à configuração (estereoquímica) de um composto. O modelo bola e bastão representa
melhor os ângulos entre as ligações e o comprimento da ligação centro a centro,
enquanto os contornos das moléculas são mais bem representados pelos modelos do
tipo espaço-cheio (NELSON; COX, 2002).
64
FIGURA 4 – MANEIRAS DE ILUSTRAR A CONFIGURAÇÃO ESTEREOQUÍMICA
FONTE: Nelson e Cox (2002, p. 44)
A configuração de uma molécula geralmente é mudada somente pela quebra
de uma ligação. Configuração é o arranjo espacial de uma molécula orgânica, que lhe é
conferido ou pela presença de duplas ligações, ao redor das quais não existe liberdade
de rotação, ou então por centros quirais, ao redor dos quais os grupos substituintes
estão arranjados em uma sequência específica. A característica identificadora dos
isômeros configuracionais é que eles podem ser convertidos um no outro sem a quebra
de uma ou mais ligações covalentes (BERG; TYMOCZKO; STRYERT, 2015).
Segundo Berg (2014), a conformação molecular é alterada pela rotação ao redor
das ligações simples. O termo conformação molecular refere-se ao arranjo espacial dos
grupos substituintes que são livres para assumir diferentes posições no espaço, sem a
quebra de qualquer ligação, devido à liberdade de rotação da ligação. Por exemplo, no
etano, um hidrocarboneto simples, existe uma liberdade de rotação quase completa ao
redor da ligação simples carbono-carbono. Muitas conformações moleculares do etano,
diferentes e interconvertíveis, são possíveis, dependendo do grau de rotação.
6 REATIVIDADE QUÍMICA
Os mecanismos das reações bioquímicas não são diferentes dos de outras
reações químicas. Eles podem ser entendidos e previstos a partir da natureza dos
grupos funcionais dos reagentes. Os grupos funcionais alteram a distribuição eletrônica
e a geometria dos átomos vizinhos e dessa maneira afetam a reatividade química de
toda a molécula. Embora um grande número de reações químicas diferentes ocorra
em uma célula típica, essas reações são de apenas alguns tipos gerais. Abordaremos
de forma geral e breve os aspectos fundamentais sobre ligação química e reatividade
(NELSON; COX, 2002).
65
Para Berg (2014), nas reações químicas, ligações são quebradas e novas são formadas.
A força de uma ligação química depende de eletronegatividades relativas – as afinidades relativas
por elétrons – dos elementos ligados (Tabela 1), da distância dos elétrons que participam da
ligação em relação a cada um dos núcleos e da carga nuclear de cada átomo.
TABELA 1 – A ELETRONEGATIVIDADE DE ALGUNS ELEMENTOS QUÍMICOS
Elemento
Eletronegatividade
Elemento
Eletronegatividade
F
4,0
Fe
1,8
O
3,5
Co
1,8
Cl
3,0
Ni
1,8
N
3,0
Mo
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
FONTE: Berg (2014, p. 45)
É importante ressaltar que quanto maior for o número da eletronegatividade,
tanto mais eletronegativo é o elemento. O número de elétrons compartilhados também
influencia a força da ligação; ligações duplas são mais fortes que ligações simples,
e ligações triplas são ainda mais fortes. Na Tabela 2 podemos observar a energia de
dissociação das ligações mais frequentes nas biomoléculas. Podemos observar que
quanto maior a energia requerida para a dissociação da ligação (quebra), mais forte é
essa ligação (NELSON; COX, 2002).
TABELA 2 – ENERGIA DE DISSOCIAÇÃO (RESISTÊNCIA) NAS BIOMOLÉCULAS
Tipo de ligação
Energia de dissociação da
ligação (kJ/mol)
Ligações Simples
O–H
461
H–H
435
P–O
419
C–H
414
N–H
389
C–O
352
Ligações Duplas
C=O
712
C=N
615
C=C
611
FONTE: Nelson e Cox (2002, p. 49)
66
A força de uma ligação química é expressa em joules, e conhecida
como energia de ligação (em bioquímica, as calorias têm sido as
unidades de energia mais frequentemente empregadas, como
por exemplo, para expressar a força de ligação e a energia livre; o
joule é a unidade de energia no Sistema Internacional de Unidades
e será usado para conversões, 1 cal é igual a 4,184J). A energia de
ligação pode ser imaginada como a quantidade de energia ganha
pelo ambiente, quando os dois átomos formam essa ligação. Um
meio de se introduzir energia em um sistema é aquecê-lo, o que dá
às moléculas maior energia cinética; a temperatura é uma medida
da energia cinética média de uma população de moléculas. Quando
o movimento molecular é suficientemente violento, as vibrações
intramoleculares e as colisões intermoleculares podem, em algumas
ocasiões, quebrar as ligações químicas. O aquecimento aumenta
a fração de moléculas com energia suficientemente alta para
reagir. Quando o movimento molecular é suficientemente violento,
vibrações intramoleculares e colisões intermoleculares, algumas
vezes, quebram ligações e permitem a formação de novas (NELSON;
COX, 2002, p. 49).
Quando nas reações químicas as ligações são quebradas e novas ligações são
formadas, a diferença entre a energia do ambiente usada para romper as ligações e a
energia recebida pelo ambiente na formação de novas ligações é virtualmente idêntica
à variação da entalpia para a reação (NELSON; COX, 2002).
A maioria das células tem a capacidade de realizar milhares de reações
específicas e enzimaticamente catalisadas, como por exemplo, a transformação
de nutrientes simples, como a glicose em aminoácidos, nucleotídeos ou lipídios; a
extração de energia dos alimentos por oxidação ou a polimerização de subunidades em
macromoléculas (BAYNES, 2015).
As reações nas células vivas pertencem a um dos cinco tipos (ou categorias)
gerais: (1) oxidação-redução; (2) reações que formam ou quebram ligações carbonocarbono; (3) reações que rearranjam a estrutura das ligações ao redor de um ou mais
átomos de carbono; (4) transferência de grupos funcionais; (5) reações nas quais duas
moléculas se condensam com a eliminação de uma molécula de água. As reações em
uma mesma categoria geral ocorrem por meio de mecanismos similares (BAYNES, 2015).
Quando os dois átomos que compartilham elétrons em uma ligação covalente
têm afinidade igual para os elétrons, como no caso de dois átomos de carbono, a ligação
resultante é não polar. Quando dois elementos diferem em afinidade por elétrons, ou
eletronegatividade, formam uma ligação covalente (por exemplo, C e O), a ligação é
polarizada, ou seja, os elétrons compartilhados estarão na região do átomo mais
eletronegativo (O) e não naquela do átomo menos eletronegativo (C). No caso extremo
de dois átomos de eletronegatividade muito diferente (Na e Cl, por exemplo), um dos
átomos cede os elétrons para o outro átomo, resultando na formação de íons e interações
iônicas, como a existente no cloreto de sódio (NaCl) sólido (NELSON; COX, 2002).
67
Nas ligações carbono-hidrogênio, o carbono mais eletronegativo possui os dois
elétrons compartilhados com H, mas, nas ligações carbono-oxigênio, os dois elétrons
estão deslocados unicamente em favor do oxigênio. Então, na transformação de – CH3
(um alcano) para – CH2OH (um álcool), o átomo de carbono perde efetivamente elétrons,
o que é por definição: oxidação. A Figura 5 mostra que átomos de carbono encontrados
em bioquímica podem existir em cinco estados de oxidação (alcano, álcool, aldeído,
ácido carboxílico e dióxido de carbono), dependendo dos elementos com os quais o
carbono compartilha elétrons (NELSON; COX, 2002).
FIGURA 5 – ESTADO DE OXIDAÇÃO DO CARBONO EM BIOMOLÉCULAS
FONTE: <https://image.slidesharecdn.com/biomoleculas-121110173452-phpapp02/95/biomoleculas-23-638.jpg?cb=1352569229>. Acesso: 10 abr. 2019.
Em muitas oxidações biológicas, um composto perde dois elétrons e dois íons
de hidrogênio (isto é, dois átomos de hidrogênio); essas reações são comumentemente
chamadas de desidrogenações e as enzimas que as catalisam são chamadas de
desidrogenases. Em algumas, mas não em todas as oxidações biológicas, um átomo
de carbono torna-se covalentemente ligado a um átomo de oxigênio. As enzimas que
catalisam essas oxidações são geralmente chamadas de oxidases (BERTUZZI et al., 2008).
De acordo com Nelson e Cox (2002, p. 50):
Toda oxidação é acompanhada de redução, na qual um grupo que
recebe elétrons adquire os elétrons removidos pela oxidação. Reações
de oxidação geralmente liberam energia (imagine um incêndio no
campo, em que vários compostos da madeira são oxidados pelas
macromoléculas de oxigênio do ar). A maioria das células vivas obtém
a energia necessária para o trabalho celular oxidando combustíveis,
como carboidratos ou gorduras; organismos fotossintéticos podem
também usar a energia da luz solar. As vias catabólicas são reações
de oxidação-redução em cadeia que resultam na transferência de
elétrons das moléculas combustíveis por meio de uma série de
transportadores de elétrons até oxigênio. A afinidade alta do O2 por
elétrons torna todo processo de transferência de elétrons altamente
exergônico, fornecendo a energia que impulsiona a síntese de ATP –
o objetivo central do catabolismo.
68
FIGURA 6 – ESQUEMA DE UMA REAÇÃO DE OXIDAÇÃO E REDUÇÃO
FONTE: A autora
7
MACROMOLÉCULAS
MONOMÉRICAS
E
SUAS
SUBUNIDADES
Muitas moléculas encontradas no interior das células são macromoléculas,
polímeros de alto peso molecular construídos com precursores relativamente simples.
Os polissacarídeos, as proteínas e os ácidos nucleicos, os quais podem ter pesos
moleculares variando de dezenas de milhares até bilhões (DNA), são construídos pela
polimerização de subunidades relativamente pequenas, de peso molecular ao redor
de 500 ou menos. A síntese de macromoléculas é uma atividade celular que pode ser
classificada como forte consumidora de energia (RODWELL; MURRAY; GRANNER, 2017).
A Tabela 3 mostra as principais classes de biomoléculas em um organismo
unicelular típico, a Escherichia coli. A água é o composto simples mais abundante na E.
coli e em todas as outras células e organismos. Em todos os tipos de células, quase toda
a matéria sólida é substância orgânica e está presente em quatro formas principais:
proteínas, ácidos nucleicos, carboidratos e lipídios. Os sais inorgânicos e os elementos
minerais constituem apenas uma fração muito pequena do peso seco total (BERG;
TYMOCZKO; STRYERT, 2015).
TABELA 3 – COMPONENTES MOLECULARES DE UMA CÉLULA DA E. COLI
Porcentagem
do peso total da
célula
Número aproximado
das diferentes espécies
moleculares
Água
70
1
Proteínas
15
3.000
DNA
1
1
RNA
6
> 3.000
Carboidratos
3
5
Lipídios
2
20
Íons inorgânicos
1
20
Ácidos Nucleicos
FONTE: Adaptado de Berg, Tymoczko e Stryert (2015)
69
As proteínas são polímeros de aminoácidos, constituem ao lado da água a
maior fração das células. Algumas proteínas têm atividade catalítica e funcionam
como enzimas, outras servem como elementos estruturais e ainda transportam
sinais específicos (no caso dos receptores) ou substâncias específicas (no caso das
proteínas de transporte) para o interior ou exterior das células. As proteínas podem ser
consideradas as mais versáteis das biomoléculas. Os ácidos nucleicos, DNA e RNA, são
polímeros de nucleotídeos. Eles armazenam, transmitem e transcrevem a informação
genética (NELSON; COX, 2014).
Os carboidratos, polímeros de açúcares ou hidratos de carbono, têm duas
principais funções: servem como armazenadores de energia (na forma de glicogênio
e amido) e como elementos estruturais (celulose e quitina, por exemplo). Carboidratos
(oligossacarídeos) ligados a proteínas ou lipídios na superfície celular servem como
receptores para sinalizadores específicos. Entre seus inúmeros papéis, os lipídios,
derivados oleaginosos dos hidrocarbonetos, servem principalmente como componentes
estruturais das membranas e como forma de armazenamento de alimentos ricos em
energia. Todas essas quatro classes de grandes biomoléculas são sintetizadas em
reações de condensação (NELSON; COX, 2002).
Cada uma dessas macromoléculas tem diferentes funções nos organismos
vivos. Os aminoácidos, por exemplo, não são apenas as subunidades monoméricas das
proteínas; alguns agem como neurotransmissores e como precursores de hormônios
e toxinas. A adenina serve tanto como subunidades na estrutura dos ácidos nucleicos
e do ATP, como neurotransmissora. Os ácidos graxos servem como componentes de
membranas lipídicas complexas, como gorduras ricas em energia e que funcionam
como reserva de alimentos e também como precursores de um grupo de moléculas
sinalizadoras potentes, os eicosanoides (BERG; TYMOCZKO; STRYERT, 2015).
Nos tópicos seguintes, conheceremos as principais características bioquímicas
das biomoléculas.
70
RESUMO DO TÓPICO 1
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• A maior parte do peso seco dos organismos vivos consiste de compostos orgânicos,
moléculas que contêm esqueletos ou estruturas de átomos de carbono ligados
covalentemente entre si.
• Átomos de carbono, nitrogênio, hidrogênio e oxigênio podem ser ligados.
• Aos esqueletos carbônicos são ligados diferentes tipos de grupos funcionais, o que
determina as propriedades químicas das moléculas orgânicas.
• As forças das ligações químicas covalentes, medidas em joules, dependem da
eletronegatividade e do tamanho dos átomos que compartilham elétrons.
• A variação da entalpia para uma reação química reflete o número e o tipo de ligações
que são quebradas ou sintetizadas.
• Para as reações endotérmicas, a variação da entalpia é positiva, para as reações
exotérmicas, negativa.
• As diferentes reações químicas que ocorrem no interior de uma célula pertencem
a cinco categorias gerais: reações de oxidação-redução, quebra ou formação de
ligações carbono-carbono, rearranjo de ligações ao redor de átomos de carbono,
transferência de grupos e condensações.
• A maior parte da matéria orgânica nas células vivas consiste em macromoléculas:
ácidos nucleicos, proteínas e carboidratos.
• Moléculas de lipídios, outro componente importante das células, são moléculas
pequenas que formam grandes agregados.
• Cada tipo de macromolécula é composto de subunidades monoméricas pequenas
unidas por ligações covalentes.
• Ácidos nucleicos e proteínas são macromoléculas informacionais; as sequências
características de suas subunidades constituem a individualidade genética da
espécie.
• Os carboidratos simples funcionam como componentes estruturais, mas os mais
complexos também são macromoléculas informacionais.
71
AUTOATIVIDADE
1 No laboratório de bioquímica, primeiramente é necessário separar a molécula de
interesse de outras biomoléculas presentes em uma amostra – isto é, purificar
proteínas, ácidos nucleicos, carboidratos ou lipídios. Pela observação das subunidades
monoméricas das quais as biomoléculas grandes são formadas, você deve imaginar
quais características dessas biomoléculas permitem separá-las umas das outras.
a) Quais características do aminoácido e do ácido graxo permitiriam separá-los
facilmente um do outro?
b) Como os nucleotídeos devem ser separados das moléculas de glicose?
2 Alguns anos atrás, duas companhias farmacêuticas comercializaram um remédio
sob os nomes de Dexedrina e Benzedrina. A estrutura da droga é mostrada a seguir:
FIGURA – ESTRUTURA QUÍMICA DA DEXEDRINA
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 53)
As propriedades físicas e químicas (elementos constitutivos como C, H,
N, ponto de fusão, solubilidade etc.) de ambas eram idênticas. A dosagem por via
oral recomendada da Dexedrina era 5 mg por dia, mas a dosagem recomendada da
Benzedrina era significativamente mais alta. Aparentemente, para um mesmo efeito, era
necessária uma dose muito menor de Dexedrina. Explique essa contradição.
72
TÓPICO 2 -
UNIDADE 2
ÁGUA
1 INTRODUÇÃO
A água é a substância mais abundante nos sistemas vivos, constituindo mais
de 70% do peso da maioria dos organismos. O primeiro organismo vivo na Terra, sem
dúvida, nasceu em ambiente aquoso, e o curso da evolução tem sido moldado pelas
propriedades do meio aquoso no qual a vida começou (NELSON; COX, 2014).
Dentre as várias funções que a água desempenha nas células, podemos citar
algumas, como: solvente para compostos bioquímicos, recebe resíduo, absorve calor
e participa diretamente das reações químicas. Sem água, a vida como a conhecemos,
poderia não existir, pois nenhum organismo pode permanecer biologicamente ativo sem
água.
Neste tópico, conheceremos as propriedades físicas e químicas da água, às
quais são adaptados todos os aspectos da estrutura e função da célula, as forças de
atração entre as moléculas de água, ionização da água e ação do tamponamento contra
as variações de pH nos sistemas biológicos.
2 PONTES DE HIDROGÊNIO
As ligações de hidrogênio entre moléculas de água fornecem as forças coesivas
que fazem da água um líquido à temperatura ambiente e um sólido cristalino (gelo)
com arranjo altamente ordenado de moléculas em temperaturas frias. As biomoléculas
polares se dissolvem facilmente em água porque elas podem substituir interações entre
as moléculas de água (água-água) por interações energeticamente mais favoráveis
entre a água e o soluto (água-soluto). Em contrapartida, as biomoléculas apolares
são pouco solúveis em água porque interferem nas interações do tipo água-água,
mas são incapazes de formar interações do tipo água-soluto. Em soluções aquosas,
moléculas apolares tendem a formar agregados. Ligações de hidrogênio e interações
iônicas, hidrofóbicas (do grego, “medo de água”) e de Van der Waals são individualmente
fracas, mas coletivamente têm influência significativa nas estruturas tridimensionais
de proteínas, ácidos nucleicos, polissacarídeos e lipídios de membranas (NELSON; COX,
2014).
As ligações ou pontes de hidrogênio são responsáveis pelas propriedades
incomuns da água. A água tem ponto de fusão, ebulição e calor de vaporização mais alto
que os outros solventes comuns. Essas propriedades incomuns são uma consequência
73
da atração entre as moléculas de água adjacentes que oferecem à água líquida grande
coesão interna. A visualização da estrutura eletrônica da molécula de H2O revela a
origem dessas atrações intermoleculares (NELSON; COX, 2014).
TABELA 4 – PONTO DE FUSÃO, PONTO DE EBULIÇÃO E CALOR DE VAPORIZAÇÃO DE
ALGUNS SOLVENTES COMUNS
Ponto de fusão
(ºC)
Ponto de ebulição Calor de Vaporização
(ºC)
J/g
Água
0
100
2.260
Metanol
-98
65
1.100
Etanol
-117
78
854
Propanol
-127
97
687
Acetona
-95
56
523
Hexano
-98
69
423
Benzeno
6
80
394
Butano
-135
-0,5
381
Clorofórmio
-63
61
24
FONTE: Adaptado de Nelson e Cox (2014)
Cada átomo de hidrogênio de uma molécula de água compartilha um par de
elétrons com o átomo central do oxigênio. A geometria da molécula é ditada pela forma
dos orbitais eletrônicos mais externos do átomo de oxigênio, que são similares aos
orbitais ligantes sp3 do carbono. Na Figura 7 observamos que esses orbitais descrevem
um formato aproximado de tetraedro, com um átomo de hidrogênio em cada um de dois
vértices e pares de elétrons não compartilhados nos outros dois. O núcleo do átomo de
oxigênio atrai elétrons mais fortemente que o núcleo de hidrogênio (um próton); ou seja,
o oxigênio é mais eletronegativo. Isso significa que os elétrons compartilhados estão
mais frequentemente nas vizinhanças do átomo de oxigênio que os de hidrogênio. O
resultado desse compartilhamento desigual de elétrons é a formação de dois dipolos
elétricos na molécula de água (COOPER, 2001).
NOTA
Você sabia?
Que a quantidade de água é diretamente proporcional ao metabolismo da
célula?
Células com uma atividade metabólica intensa, como por exemplo, os
neurônios, possuem 80% de água no seu interior.
74
Na figura a seguir podemos observar a natureza dipolar da molécula de água
em modelo de esfera e bastão, em que as linhas tracejadas representam os orbitais não
ligantes. Existe um arranjo aproximadamente tetraédrico dos pares de elétrons mais
externos da camada ao redor do átomo de oxigênio; os dois átomos de hidrogênio têm
cargas parciais positivas e o átomo de oxigênio tem carga parcial negativa. Em (b) vê-se
duas moléculas de H2O unidas por ligações de hidrogênio, representada por três linhas
azuis.
FIGURA 7 – ESTRUTURA DA MOLÉCULA DE ÁGUA
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 48)
As ligações de hidrogênio não são exclusivas para a molécula de água. Elas
se formam prontamente entre um átomo eletronegativo (aceptor de hidrogênio,
geralmente oxigênio ou nitrogênio) e um átomo de hidrogênio ligado covalentemente
a outro átomo eletronegativo (doador de hidrogênio) na mesma molécula ou em outra
(Figura 8). Átomos de hidrogênio covalentemente ligados a átomos de carbono não
participam de ligações de hidrogênio, porque o átomo de carbono é somente um pouco
mais eletronegativo que o hidrogênio e, portanto, a ligação C-H é apenas levemente
polar (RODWELL; MURRAY; GRANNER, 2017).
FIGURA 8 – LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO COMUM EM SISTEMAS BIOLÓGICOS
FONTE: <https://player.slideplayer.com.br/46/11652478/data/images/img15.jpg>.
Acesso em: 11 abr. 2019.
75
3 INTERAÇÕES DE VAN DER WAALS
Quando dois átomos não carregados são colocados bem próximos um do outro,
as suas nuvens eletrônicas influenciam uma à outra. Variações aleatórias nas posições
dos elétrons ao redor do núcleo podem criar um dipolo transitório elétrico, que induz
à formação de um dipolo transiente de carga oposta no átomo mais próximo a ele. Os
dois dipolos atraem-se fracamente um ao outro, aproximando os dois núcleos. Essas
atrações fracas são chamadas de interações de Van der Waals (também conhecidas
como forças de London). À medida que os dois núcleos se aproximam, as nuvens
eletrônicas começam a repelir uma à outra. Nesse ponto, no qual a atração líquida é
máxima, diz-se que o núcleo está em contato de Van der Waals. Cada átomo tem um
raio de Van der Waals característico, uma medida do quão próximo um átomo permite
que outro se aproxime (NELSON; COX, 2014).
4 IONIZAÇÃO DA ÁGUA, ÁCIDOS FRACOS E BASES FRACAS
Embora muitas propriedades de solvente da água possam ser explicadas em
termos da molécula de água não carregada, o pequeno grau de ionização da água em
seus íons (H1) e (OH–) deve também ser levado em consideração.
Como todas as reações reversíveis, a ionização da água pode ser
descrita por uma constante de equilíbrio. Quando ácidos fracos
são dissolvidos na água, eles contribuem com um H1 por ionização;
bases fracas consomem um H1 se tornando protonadas. Esses
processos também são governados por constantes de equilíbrio. A
concentração total dos íons hidrogênio a partir de todas as fontes
é experimentalmente mensurável, sendo expressa como o pH da
solução. Para predizer o estado de ionização de solutos na água,
devem-se considerar as constantes de equilíbrio relevantes para
cada reação de ionização (NELSON; COX, 2014, p. 58).
Para Rodwel, Murry e Granner (2017), as moléculas de água têm a leve tendência
de sofrer uma ionização reversível, produzindo um íon hidrogênio (próton) e um íon
hidróxido, gerando o equilíbrio: H2O Δ H1 1 OH (2-1). Apesar de geralmente se mostrar
o produto de dissociação da água como H1, os prótons livres não existem em solução;
os íons hidrogênio formados em água são imediatamente hidratados para formar íons
hidrônio (H3O). As ligações de hidrogênio entre as moléculas de água fazem com que a
hidratação dos prótons dissociados seja praticamente instantânea.
A ionização da água pode ser medida pela sua condutividade elétrica; a água
pura carrega corrente elétrica enquanto o H3O1 migra para o cátodo e OH– para o
ânodo. O movimento dos íons hidrônio e hidróxido no campo elétrico é extremamente
rápido comparado com o de outros íons como Na1, K1 e Cl–. Essa alta mobilidade iônica
resulta do tipo de “salto de prótons”, mostrado na Figura 9. Os prótons individuais não se
movem para muito longe na solução, mas uma série de prótons salta entre as moléculas
76
de água ligadas por hidrogênio e gera um movimento líquido de prótons por uma longa
distância em um tempo extremamente curto (OH também se move rapidamente por
saltos, mas na direção oposta). Como resultado da alta mobilidade iônica do H1, reações
ácido/básicas em soluções aquosas são excepcionalmente rápidas.
FIGURA 9 – SALTO DE PRÓTONS
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 58)
O produto iônico da água, Kw, é a base para a escala de pH. É um meio
conveniente de designar a concentração de H1 (e, portanto, de OH–) em qualquer solução
aquosa no intervalo de 1,0 M H1 e 1,0 M OH–. O termo pH é definido pela expressão:
pH = log
1
H+ 
 
= − log H + 
O símbolo p denota “logaritmo negativo de”. Para uma solução neutra a 25 ºC, na
qual a concentração de íons hidrogênio é exatamente 1,0 3 10–7 M. Quando temos uma
solução com pH 7, uma solução neutra não é um número escolhido arbitrariamente,
sendo derivado do valor absoluto do produto iônico da água a 25 ºC, que, por uma
coincidência conveniente, é um valor inteiro.
77
Soluções com pH maior que 7 são alcalinas ou básicas; a concentração de OH–
é maior que a de H1. Inversamente, soluções tendo pH menor que 7 são ácidas. Lembrese de que a escala de pH é logarítmica e não aritmética. Se duas soluções diferem em pH
por uma (1) unidade, isso significa que uma solução tem dez vezes mais a concentração
de íons H1 que a outra, mas isso não indica a magnitude absoluta da diferença. Um
refrigerante de cola (pH 3,0) ou um vinho tinto (pH 3,7) têm uma concentração de íons
H1 de aproximadamente 10.000 vezes a do sangue (pH 7,4) (NELSON; COX, 2014).
O pH de uma solução aquosa pode ser medido por aproximação, usando vários
tipos de indicadores coloridos, incluindo tornassol, fenolftaleína e vermelho de fenol.
Essas substâncias passam por uma mudança de cor quando um próton se dissocia da
molécula. Determinações precisas do pH em laboratórios químicos ou clínicos são feitas
com um eletrodo de vidro que é seletivamente sensível à concentração dos íons H1,
mas insensível à concentração de Na1, K1 e outros cátions. Em um pH-metro, o sinal do
eletrodo de vidro colocado em uma solução de teste é amplificado e comparado com o
sinal gerado por uma solução de pH conhecido (NELSON; COX, 2014).
A medida do pH é um dos procedimentos mais importantes e usados com mais
frequência na bioquímica. O pH afeta a estrutura e a atividade de macromoléculas
biológicas; por exemplo, a atividade catalítica das enzimas é extremamente dependente
do pH. As medidas do pH do sangue e da urina são comumentemente usadas em
diagnóstico médico. O pH do plasma sanguíneo das pessoas com diabetes grave e não
controlado é comumentemente abaixo do valor normal de 7,4; essa condição é chamada
de acidose. Em outras doenças, o pH sanguíneo é mais alto que o normal, uma condição
conhecida como alcalose. A acidose ou a alcalose extrema podem ameaçar a vida.
5 AÇÃO TAMPONANTE CONTRA AS VARIAÇÕES DE PH
NOS SISTEMAS BIOLÓGICOS
Quase todos os processos biológicos são dependentes do pH; uma pequena
mudança no pH produz uma grande mudança na velocidade do processo. Os grupos
amino e carboxila protonados de aminoácidos e os grupos fosfato de nucleotídeos, por
exemplo, agem como ácidos fracos; o seu estado iônico é determinado pelo pH do meio
circundante. As interações iônicas estão entre as forças que estabilizam a molécula da
proteína e permitem que uma enzima reconheça e se ligue ao seu substrato (BERG;
TYMOCZKO; STRYERT, 2015).
Células e organismos mantêm um pH citosólico específico e constante, em geral,
perto de pH 7, mantendo biomoléculas em seu estado iônico otimizado. Em organismos
multicelulares, o pH dos fluidos extracelulares também é rigorosamente regulado. A
constância do pH é atingida principalmente por tampões biológicos: misturas de ácidos
fracos e suas bases conjugadas (NELSON; COX, 2014).
78
Tampões são sistemas aquosos que tendem a resistir a mudanças de pH quando
pequenas quantidades de ácido (H1) ou base (OH–) são adicionadas. Um sistema tampão
consiste em um ácido fraco (o doador de prótons) e sua base conjugada (o aceptor de
prótons). Como um exemplo, uma mistura de concentrações iguais de ácido acético
e íons acetato, encontradas no ponto central da titulação na Figura 10, é um sistema
tampão. Observe que a curva de titulação do ácido acético tem uma zona relativamente
plana que se estende por cerca de uma unidade de pH em ambos os lados do seu pH
do ponto central de 4,76. Nessa zona, uma dada quantidade de H1 ou OH– adicionada
ao sistema tem muito menos efeito no pH que a mesma quantidade adicionada fora da
zona. Essa zona relativamente plana é a região de tamponamento do par tampão ácido
acético/acetato (RODWELL; MURRAY; GRANNER, 2017).
No ponto central da região de tamponamento, no qual a concentração do
doador de prótons (ácido acético) é exatamente igual à do aceptor de prótons (acetato),
a força de tamponamento do sistema é máxima; isto é, seu pH muda menos pela
adição de H1 ou OH–. O pH do sistema tampão acetato muda levemente quando uma
pequena quantidade de H1 ou OH– é adicionada, mas essa mudança é muito pequena
comparada com a mudança de pH que resultaria se a mesma quantidade de H1 ou OH–
fosse adicionado à água pura ou a uma solução salina de um ácido forte e de uma base
forte, como NaCl, que não tem poder tamponante (NELSON; COX, 2014).
FIGURA 10 – CURVA DE TITULAÇÃO DO ÁCIDO ACÉTICO
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 62)
79
Sackheim (2001) relata que o tamponamento resulta do equilíbrio entre duas
reações reversíveis ocorrendo em uma solução de concentrações quase iguais de doador
de prótons e de seu aceptor de prótons conjugado. A Figura 11 explica como um sistema
tampão funciona. Sempre que H1 ou OH– é adicionado em um tampão, o resultado é
uma pequena mudança na razão das concentrações relativas dos ácidos fracos e seus
ânions e, portanto, uma pequena mudança no pH. O decréscimo na concentração de
um componente do sistema é equilibrado exatamente pelo aumento do outro. A soma
dos componentes do tampão não muda somente a sua razão.
FIGURA 11 – ACÉTICO/ACETATO COMO SISTEMA TAMPÃO
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 64)
Os fluidos intracelulares ou extracelulares de organismos multicelulares têm
como característica um pH quase constante. A primeira linha de defesa dos organismos
contra mudanças internas de pH é proporcionada por sistemas tampão. O citoplasma da
maioria das células contém altas concentrações de proteínas e, estas, contêm muitos
aminoácidos com grupos funcionais que são ácidos fracos ou bases fracas. Por exemplo,
a cadeia lateral da histidina tem um pKa de 6,0 e, por isso, pode existir tanto nas formas
protonadas quanto nas desprotonadas, próximo ao pH neutro. Proteínas contendo
resíduos de histidina, portanto, são tampões efetivos próximo ao pH neutro. Nucleotídeos
como ATP, assim como muitos metabólitos de baixa massa molecular, contêm grupos
ionizáveis que podem contribuir para o poder tamponante do citoplasma. Algumas
organelas altamente especializadas e compartimentos extracelulares apresentam altas
concentrações de compostos que contribuem para a capacidade de tamponamento:
ácidos orgânicos tamponam os vacúolos das células das plantas; amônia tampona a
urina (RODWELL; MURRAY; GRANNER, 2017).
Dois tampões biológicos especialmente importantes são o sistema fosfato e o
bicarbonato. O tampão fosfato, que age no citoplasma de todas as células, consiste em
H2PO4 – como doador de prótons e HPO como aceptor de prótons. O sistema tampão
fosfato é mais efetivo em um pH perto de seu pKa de 6,86 e, portanto, tende a resistir
80
a mudanças de pH em um intervalo de 5,9 e 7,9. Esse é, então, um tampão efetivo em
fluidos biológicos; em mamíferos, por exemplo, fluidos extracelulares e a maioria dos
compartimentos citoplasmáticos têm pH no intervalo de 6,9 a 7,4 (BERG et al., 2008).
IMPORTANTE
Fique Ligado!
Posso substituir a ingestão de água por chá, café, sucos, vinho e
cerveja?
Quanto mais destas bebidas se consome, mais desidratado o corpo se torna.
Bebidas contendo cafeína, por exemplo, disparam resposta de estresse
devido ao forte efeito diurético, aumentando as micções. Bebidas com açúcar
aumentam rapidamente os níveis de açúcar sanguíneo (> diurese).
NOTA
Curiosidades:
• Sob desidratação: as pessoas observam que realmente começam a reter
água nas pernas, pés, braços e face. Os rins começam a “economizar” água,
reduzindo a produção de urina e levando à retenção de produtos tóxicos
potencialmente danosos.
• A diminuição da água no cérebro acarreta a diminuição da energia e deprime
muitas funções vitais. Com baixo nível de energia cerebral, ficamos incapazes
de lidar com o medo, a ansiedade, a raiva e muitas outras emoções.
81
LEITURA
COMPLEMENTAR
SENDO SUA PRÓPRIA COBAIA (NÃO TENTE ISSO EM CASA!)
Este é um relato de J. B. S. Haldane dos experimentos fisiológicos sobre o
controle do pH sanguíneo, do livro Mundos Possíveis (HARPER; BROTHERS, 1928).
“Eu queria descobrir o que aconteceria com um homem se ele fosse mais ácido ou
mais alcalino... Poder-se-ia, claro, fazer experimentos em um coelho primeiro, e
alguns trabalhos haviam sido feitos nesse sentido; mas é difícil, de qualquer forma, ter
certeza como um coelho se sente. Na verdade, alguns coelhos não levavam a sério a
possibilidade de cooperar comigo.
“[...] Um colega e eu então começamos a fazer experimentos em nós mesmos
[...]. Meu colega Dr. H. W. Davies e eu nos tornamos alcalinos pela respiração e pela
ingestão de tudo que contivesse mais de 85,05 g de bicarbonato de sódio. Tornamonos ácidos ficando sentados em uma sala apertada contendo entre 6 e 7% de dióxido
de carbono no ar. Isso faz a respiração ficar como se recém-tivéssemos terminado uma
regata de remo, e também dá uma tremenda dor de cabeça... Duas horas foi o máximo de
tempo que alguém conseguiu permanecer sob dióxido de carbono, mesmo se a câmara
de gás à nossa disposição não tivesse retido um odor irremovível de gás mostarda de
alguns experimentos de guerra, o qual faz lacrimejar quem quiser que entre nela. A coisa
mais óbvia a fazer foi tentar beber ácido clorídrico. Se tomássemos concentrado, isso
dissolveria os dentes e queimaria a garganta, razão pela qual eu quis deixá-lo difundirse suavemente em meu corpo. A concentração maior que tive a coragem de ingerir foi
aproximadamente uma parte do ácido comercial em cem partes de água, mas meio
litro foi o suficiente para mim, pois irritou minha garganta e estômago, enquanto meus
cálculos mostravam que eu precisaria de um galão e meio para obter o efeito que eu
desejava... Argumentei que se cloreto de amônio fosse ingerido, ele poderia se dissociar
parcialmente no corpo, liberando ácido clorídrico. Isso provaria estar correto... o fígado
transforma amônia em uma substância inofensiva chamada ureia antes que alcance o
coração e o cérebro depois de absorvida pelo intestino. O ácido clorídrico que foi deixado
para trás combina-se com o bicarbonato de sódio, que existe em todos os tecidos,
produzindo cloreto de sódio e dióxido de carbono. Esse gás foi produzido em mim dessa
forma na taxa de 6,6 L por hora (embora não por uma hora inteira nessa taxa).
“Eu estava bem satisfeito de reproduzir em mim o tipo de respiração curta que
ocorre nos estágios terminais de doenças dos rins e diabetes. Sabe-se, há muito tempo,
que isso é devido ao envenenamento por ácido, mas em cada caso o envenenamento é
complicado por outras anormalidades químicas, e não se tem certeza quais os sintomas
são decorrentes do ácido em si.
82
“A cena agora muda para Heidelberg, onde Freudenberg e György estavam
estudando o tétano em bebês... ocorreu a eles que poderia ser bastante válido tentar
o efeito de aumentar de forma incomum a acidez do corpo. Visto que o tétano havia
sido ocasionalmente observado em pacientes que foram tratados, por outras queixas,
pela administração de doses muito altas de bicarbonato de sódio, ou perderam grande
quantidade de ácido clorídrico por constantes vômitos; e se alcalinidade dos tecidos
produzisse tétano, a acidez poderia ser uma expectativa de cura. Infelizmente, dificilmente
se curaria um bebê moribundo colocando-o em uma sala cheia de ácido carbônico,
e ainda menos com a indicação de ingestão de ácido clorídrico; então, nada poderia
resultar dessa ideia, e eles estavam usando sais de lima, não facilmente absorvidos no
organismo, os quais perturbam a digestão, mas certamente foram benéficos em muitos
casos de tétano. Entretanto, no momento em que leram o meu artigo sobre os efeitos
do cloreto de amônio, eles começaram a administrá-lo aos bebês, e ficaram encantados
ao descobrir que o tétano era eliminado em poucas horas. Desde então, tem sido usado
com sucesso na Inglaterra e na América, tanto em crianças como em adultos. Ele não
remove a causa, mas coloca o paciente em melhores condições de recuperação”.
FONTE: NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed,
2014. (Adaptado)
83
RESUMO DO TÓPICO 2
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• A diferença entre a eletronegatividade do H e a do O torna a água uma molécula
muito polar, capaz de formar ligações de hidrogênio entre suas moléculas e com
solutos.
• As ligações de hidrogênio são curtas, basicamente eletrostáticas e mais fracas que
as ligações covalentes.
• A água é um bom solvente para solutos polares (hidrofílicos), com os quais forma
ligações de hidrogênio, e para solutos carregados, com os quais forma interações
eletrostáticas.
• Compostos apolares (hidrofóbicos) se dissolvem fracamente em água; eles
não formam ligações de hidrogênio com o solvente, e a sua presença força um
ordenamento energeticamente desfavorável de moléculas de água nas suas
superfícies hidrofóbicas.
• Interações fracas e não covalentes, em grande número, influenciam decisivamente o
enovelamento de macromoléculas como proteínas e ácidos nucleicos.
• As conformações mais estáveis são aquelas nas quais as ligações de hidrogênio são
maximizadas dentro da molécula e entre a molécula e o solvente, e nas quais as
partes hidrofóbicas se agregam no interior das moléculas, longe do solvente aquoso.
• A água é tanto o solvente no qual as reações metabólicas ocorrem quando um
reagente em muitos processos bioquímicos, incluindo hidrólise, condensação e
reações de oxidação-redução.
• A água pura se ioniza levemente, formando número igual de íons hidrogênio (íons
hidrônio, H3O1) e íons hidróxido.
• Uma mistura de um ácido fraco (ou base) e seus sais resiste a mudanças de pH
causadas pela adição de H1 ou OH–. A mistura, portanto, funciona como tampão.
• Em células e tecidos, tampões de fosfatos e bicarbonatos mantêm os fluidos
intracelulares e extracelulares em seu pH ótimo (fisiológico), que em geral é próximo
de 7. As enzimas costumam ter atividade ótima nesse pH.
• Condições de saúde que diminuem o pH sanguíneo, causando acidose, ou aumentam,
causando alcalose, podem ameaçar a vida.
84
AUTOATIVIDADE
1 O sistema de tamponamento biológico é muito importante, pois permite que sangue
mantenha seu pH em torno de 7,40/7,45 independentemente da chegada de
substâncias ácidas ou alcalinas. Para que isso aconteça de forma correta, sabemos
que existe uma ação conjunta do sistema respiratório, urinário e o sistema químico,
que envolve o mais importante componente. O componente químico responsável em
manter o pH sanguíneo constante é:
a)
b)
c)
d)
e)
(
(
(
(
(
) Cloreto de Sódio.
) Azul de Bromotimol.
) Bicarbonato.
) Ninidrina.
) Ácido Clorídrico.
2 Quimicamente, os ácidos referem-se a compostos capazes de transferir íons H+ numa
reação química, podendo gerar a queda do pH. Sendo que o pH se refere justamente
à concentração destes íons, que quanto maior, mais ácido se torna o meio. As bases
são “análogos” opostos aos “ácidos”, que têm em sua composição OH, conhecidas
como hidroxilas. As hidroxilas consomem os íons H+ presentes no meio, diminuindo
então a concentração de íons H+, aumentando o pH. Neste caso, dizemos que o pH
é mais alcalino. De acordo com o que foi estudado, observe a seguinte equação e
analise as afirmativas que seguem:
I- A equação é um exemplo hipotético de uma solução aquosa.
II- Na equação: o A representa o ácido e o H3O representa a base.
III- A equação demonstra uma dissociação parcial.
IV- A água teve comportamento de base nesta equação, mas pode se comportar como
ácido, pois se trata de uma molécula anfótera.
A alternativa que apresenta a sequência CORRETA é:
a) ( ) I, II, III e IV.
b) ( ) Apenas I, II e IV.
c) ( ) Apenas I, II e III.
d) ( ) Apenas II e III.
e) ( ) Apenas I, III e IV.
85
3 Analise o gráfico que segue:
FONTE: A autora
Com relação ao gráfico, analise as afirmativas e marque V para as afirmativas que são
verdadeiras e F para as falsas.
( ) A solução inicial na qual está representado o gráfico se trata de uma solução ácida,
com um pH aproximado de 7,0.
( ) À medida que se adiciona base, representada por OH, o pH sobe.
( ) No momento em que se adicionou 25 mL de base (OH), o pH sobe bruscamente.
( ) No gráfico está representada uma solução contendo tampão.
Assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) V – V – V – V.
b) ( ) F – F – V – V.
c) ( ) V – V – F – F.
d) ( ) F – V – V – F.
e) ( ) F – V – F – F.
86
UNIDADE 2
TÓPICO 3 -
AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E
PROTEÍNAS
1 INTRODUÇÃO
Proteínas controlam praticamente todos os processos que ocorrem em uma
célula, exibindo uma quase infinita diversidade de funções. Para explorar o mecanismo
molecular de um processo biológico, um bioquímico estuda quase que inevitavelmente
uma ou mais proteínas. Proteínas são as macromoléculas biológicas mais abundantes,
ocorrendo em todas as células e em todas as partes das células. As proteínas também
ocorrem em grande variedade; milhares de diferentes tipos podem ser encontrados em
uma única célula. Como os árbitros da função molecular, as proteínas são os resultados
mais importantes e são os instrumentos moleculares pelos quais a informação genética
é expressa.
Subunidades monoméricas, relativamente simples, fornecem a chave da
estrutura de milhares de proteínas diferentes. As proteínas de cada organismo, da
mais simples das bactérias aos seres humanos, são construídas a partir do mesmo
conjunto onipresente de 20 aminoácidos. Como cada um desses aminoácidos tem uma
cadeia lateral com propriedades químicas características, esse grupo de 20 moléculas
precursoras pode ser considerado o alfabeto no qual a linguagem da estrutura proteica
é lida (NELSON; COX, 2014).
Para gerar uma determinada proteína, os aminoácidos se ligam de modo
covalente em uma sequência linear característica. O mais marcante é que as células
produzem proteínas com propriedades e atividades completamente diferentes, ligando
os mesmos 20 aminoácidos em combinações e sequências muito diferentes. A partir
desses blocos de construção, diferentes organismos podem gerar produtos tão diversos
como enzimas, hormônios, anticorpos, transportadores, fibras musculares, proteínas
das lentes dos olhos, penas, teias de aranha, chifres de rinocerontes, proteínas do leite,
antibióticos, venenos de cogumelos e uma miríade de outras substâncias com atividades
biológicas distintas. Entre esses produtos de proteínas, as enzimas são as mais variadas
e especializadas. Como catalisadoras de quase todas as reações celulares, as enzimas
são uma das chaves para compreensão da química da vida e, assim, fornecem um ponto
central para qualquer curso de bioquímica (BERTUZZI et al., 2008).
87
2 AMINOÁCIDOS
Proteínas são polímeros de aminoácidos, com cada resíduo de aminoácido unido
ao seu vizinho por um tipo específico de ligação covalente (o termo “resíduo” reflete
a perda de elementos de água quando um aminoácido é unido a outro). As proteínas
podem ser degradadas (hidrolisadas) em seus aminoácidos constituintes por vários
métodos, e os estudos mais iniciais de proteínas naturalmente se concentraram nesses
aminoácidos livres delas derivados. Vinte aminoácidos diferentes são comumentemente
encontrados em proteínas. O primeiro a ser descoberto foi a asparagina, em 1806. O
último dos 20 a ser descoberto (treonina) não havia sido identificado até 1938. Todos
os aminoácidos têm nomes comuns ou triviais, em alguns casos derivados da fonte da
qual foram primeiramente isolados. A asparagina foi descoberta pela primeira vez no
aspargo e o glutamato no glúten do trigo; a tirosina foi isolada a primeira vez a partir
do queijo (seu nome é derivado do grego tyros, “queijo”); e a glicina (do grego glykos,
“doce”) foi assim denominada devido ao seu sabor adocicado (NELSON; COX, 2014).
2.1 CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS
Todos os 20 tipos de aminoácidos comuns são a-aminoácidos. Eles têm um grupo
carboxila e um grupo amino ligados ao mesmo átomo de carbono (o carbono a):
FIGURA 12 – ESTRUTURA GERAL DE UM AMINOÁCIDO
FONTE: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Amino%C3%A1cido>. Acesso em: 11 jul. 2019.
Para Nelson e Cox (2014, p. 43), os aminoácidos:
Diferem uns dos outros em suas cadeias laterais ou grupos R, que variam
em estrutura, tamanho e carga elétrica, e que influenciam a solubilidade
dos aminoácidos em água. Além desses 20 aminoácidos, há muitos outros
menos comuns. Alguns são resíduos modificados após a síntese de uma
proteína; outros são aminoácidos presentes em organismos vivos, mas
não como constituintes de proteínas. Foram atribuídas aos aminoácidos
comuns das proteínas abreviações de três letras e símbolos de uma letra,
utilizados como abreviaturas para indicar a composição e a sequência de
aminoácidos polimerizados em proteínas.
88
O código de três letras é transparente (Figura 13); as abreviações em geral
consistem nas três primeiras letras do nome do aminoácido. O código de uma letra
foi concebido por Margaret Oakley Dayhoff, considerada por muitos a fundadora do
campo da bioinformática. O código de uma letra reflete uma tentativa de reduzir o
tamanho dos arquivos de dados (em uma época da computação de cartões perfurados)
utilizados para descrever as sequências de aminoácidos. Foi desenvolvido para ser
facilmente memorizado, e a compreensão de sua origem pode ajudar os estudantes
a fazer exatamente isso. Para seis aminoácidos (CHIMSV), a primeira letra do nome do
aminoácido é única e, portanto, utilizada como o símbolo. Para cinco outros (AGLPT),
a primeira letra não é única, mas é atribuída ao aminoácido mais comum em proteínas
(por exemplo, leucina é mais comum do que lisina). Para todos os aminoácidos comuns,
exceto a glicina, o carbono a está ligado a quatro grupos diferentes: um grupo carboxila,
um grupo amino, um grupo R e um átomo de hidrogênio (RODWELL; MURRAY; GRANNER,
2017).
FIGURA 13 – CÓDIGO GENÉTICO
FONTE: A autora
2.2 CLASSIFICAÇÃO PELO GRUPO R
O conhecimento das propriedades químicas dos aminoácidos comuns é
fundamental para a compreensão da bioquímica. O tópico pode ser simplificado
agrupando-se os aminoácidos em cinco classes principais com base nas propriedades
dos seus grupos R, particularmente sua polaridade ou tendência para interagir
com a água em pH biológico (próximo do pH 7,0). A polaridade dos grupos R varia
amplamente, de apolar e hidrofóbico (não hidrossolúvel) ao altamente polar e hidrofílico
(hidrossolúvel). Alguns aminoácidos são um pouco difíceis de caracterizar ou não se
89
encaixam perfeitamente em qualquer grupo, particularmente glicina, histidina e cisteína.
Suas atribuições a determinados grupos são o resultado de avaliações ponderadas em
vez de absolutas (NELSON; COX, 2014).
Os aminoácidos são classificados em relação às gradações de polaridade,
tamanho e forma dos grupos R: Grupos R apolares, alifáticos (Figura 14) – Os grupos
R nesta classe de aminoácidos são apolares hidrofóbicos. As cadeias laterais de
alanina, valina, leucina e isoleucina tendem a se agrupar no interior de proteínas,
estabilizando a estrutura proteica por meio de interações hidrofóbicas. A glicina tem
a estrutura mais simples. Embora seja mais facilmente agrupada com os aminoácidos
apolares, sua cadeia lateral muito pequena não contribui realmente para interações
hidrofóbicas. A metionina, um dos dois aminoácidos que contém enxofre, tem um
grupo tioéter ligeiramente apolar em sua cadeia lateral. A prolina tem cadeia lateral
alifática com estrutura cíclica distinta. O grupo amino secundário (imino) de resíduos
de prolina é mantido em uma configuração rígida que reduz a flexibilidade estrutural de
regiões polipeptídicas contendo prolina (NELSON; COX, 2014).
PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA D
FIGURA 14 – GRUPOS R APOLARES, ALIFÁTICOS
Grupos R apolares, alifáticos
COO
1
H 3N C
COO
2
H
1
H 3N C H
H
Glicina
2
CH3
COO
H
C
1
H 2N
CH 2
CH 2
H 2C
COO
C H
CH2
1
H3N
H3N C H
C
CH2
COO2
OH
H3N C H
CH3
CH2
CH2
CH2
CH3
S
Fenilalanina
Isoleucina
Metionina
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 79)
Grupos R polares, não carregados
COO2
COO2
Tirosina
Grupos R carregados pos
CH3
COO2
1
H3N
COO2
1
C H
H3N C H
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
1
1
1
Grupos R aromáticos
com suas
C H
H3eN triptofano,
H3N– CFenilalanina,
H
H3N Ctirosina
H
CH2
cadeias laterais aromáticas, são relativamente
apolares (hidrofóbicos).
Todos1 podem
CH2
CH2
H C OH
NH3
participar em interações hidrofóbicas.
O grupo hidroxila da tirosinaSHpode formar ligações
OH
CH3
de hidrogênio e é um importante
grupo funcional
em algumas
enzimas. A tirosina e
Treonina
Serina
Cisteína
Lisina
o triptofano são significativamente mais polares do que a fenilalanina (NELSON; COX,
2014).
COO 2
1
H 3N
90
H 2N
H
CH2
1
CH
COO2
H 3N C
H 3N C H
CH3 CH3
CH3 CH3
Leucina
COO2
1
1
CH
2
C H
H
COO
2
Valina
COO
2
H3N
COO
2
1
Prolina
Alanina
1
Grupos R aromáti
2
C
H
COO2
NH
C
NH2
Arginina
Grupos R carregados neg
1
COO2
H 3N C H
1
H 3N
C H
CH2
CH2
C
CH2
CH2
C
COO2
O
1
NH2
1
H 3N
79
PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA DE LEHNINGER
FIGURA 15 – GRUPOS R AROMÁTICOS
apolares, alifáticos
Grupos R aromáticos
COO
H
C
1
H 2N
CH 2
2
CH 2
H 2C
Prolina
1
C
H 3N C H
CH
COO2
1
H 3N C
COO2
1
H
H3N C H
CH2
CH2
C
COO
1
COO
CH3
H3N CCHH
2
HCH2
S
Glicina
CH3
CH3
Isoleucina
Metionina
COO
H
C
1 Tirosina
H 2N
CH 2
COO
2
1
H3NFenilalanina
C H
CH
NH
Grupos R apolares, alifáticos
OH 2
2
2
PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMI
CH2
CH3 CH3
H3N C H
1
CH2
3
1
H3N C H
2
C H
H
COO
1
2
Valina
COO
H3N
COO
2
COO
Grupos R ar
COO
2
1
1
1
C H
H
Triptofano
3N
H 3N C
H 3N C H
CH3
CH
FONTE:H
Nelson
e Cox
p. 79)
CH(2014,
2C
2
CH3 CH3
C
2
C
CH2
Grupos R carregados positivamente
Alanina
COO2
Prolina
COO2
Valina
COO2
1 COO
1
1
COO2
COO H grupos
Grupos R polares,
H carregados
C HR desses aminoácidos são
H3N Cnão
H3N C H – Os
O
3N
1
1
1
mais solúveis em água,
hidrofílicos
doHque aqueles
dos
aminoácidos apolares,
H3NouCmais
H
C
N
H
N
C
H
3
3
CH
CHH
H
C
2
2
2
porque
eles contêm grupos
que
formam
ligações
de hidrogênio
com a Tirosin
Fenilalanina
upos R polares, não
carregados
CCHH2funcionais
H
C
C
H
CH2
C
NH
3
H
C
2
2
água.
Essa
classe
2
2 de aminoácidos inclui a serina, treonina, cisteína, asparagina e
COO
COO
CCHH2
CHC
CCH
H2
2 H2
1
1
glutamina.
Os
grupos
hidroxila
da
serina
e
treonina
e
os
grupos
amida da asparagina e
C
N
H3N C H
H 3N C H
CH3CH
CH
NHCH3
2 3
S
H
glutamina contribuem para suas
polaridades
(NELSON;
COX,
2014).
Grupos R carregado
1
H
C
CH2
OH
CH3
SH
Treonina
Cisteína
COO 2
1
H 3N
C
H
CH2
CH3
Metionina
Arginina
Histidina
O
Glutamina
COO2
1
H3N
Grupos R carregados negativamente
COO
2
1
COO
2
COO
2
COO
1
2
1
1
1
H3N
H3N C HH N
CH H
3N
C HH
3
3N C H
CH2
CH2 H C OHCH2
COO
2
CH3
CH2
Treonina
Serina
Aspartato
COO
2
C H
CH2
1
H3N C
CH2
CH
CH2
CH
CH2
CH
CH2
NH
NH3
C
SH
COO2 Cisteína
NH
Lisina
Arginin
Glutamato
sem carga, seu pKa (ver a Tabela 3-1) é tal que uma pequena
mas significativa2
2
COOem
COO
fração desses grupos seja positivamente carregada
pH 7,0. A forma
pro1
1
tonada da histidina é mostrada acima do gráfico na Figura 3-12b.
H 3N
COO
1
C H
Grupos R polares, não carregados
OH
C
muns de proteínas. As fórmulas esão que predomina em pH 7,0. As pormuns a todos os aminoácidos; aquelas
o grupo R da histidina seja mostrado
NH2
NH2
Isoleucina
Lisina
CH2
H2N
C
NH3
FIGURA 16 – GRUPOS R POLARES, NÃO CARREGADOS
H 3N C H
O
2
Leucina
1
C
Asparagina
1
COO2
CH2
H 2N
2
C
H
CH2
Grupos R carregado
COO2
H 3N C H
CH2
1
H 3N
C H
CH2
H2
C
da tirosinaCpode
ui realmente para interações terações hidrofóbicas. O grupo hidroxila
H
N
O
um dos dois aminoácidos que formar ligações de hidrogênio e2é um importante grupo
COO2
C funsão sigpo tioéter ligeiramente apolar cional em algumas enzimas. A tirosina e o triptofano
O
H2N
na tem cadeia lateral alifática nificativamente mais polares do que a fenilalanina, devido
ao grupo hidroxila da tirosina Asparagina
e ao nitrogênio doGlutamina
anel indol
Aspartato
a. O grupo amino secundário
do triptofano.
a é mantido em uma configuO triptofano, a tirosina e, em menor extensão, a fenilalabilidade estrutural de regiões
FONTE:
Nelson
e Cox (2014,
p. 79)
sem carga, seu pKa (ver a Tabela 3-1) é tal qu
FIGURA 35 Os
20 aminoácidos
comuns
de proteínas.
As fórmulas
nina,
absorvem a luz
ultravioleta
(Figura
3-6; verestambém
na.
truturais mostram
o
estado
de
ionização
que
predomina
em
pH
7,0.
As
porfração desses grupos seja positivamente ca
Quadro 3-1). Isso explica a forte absorbância de luz com
ções não sombreadas são aquelas comuns a todos os aminoácidos; aquelas
tonada da histidina é mostrada acima do gr
nina, tirosina e triptofano,
comprimento de onda de 280 nm característica da maior
sombreadas são os grupos R. Embora o grupo R da histidina seja mostrado
romáticas, são relativamente parte das proteínas, propriedade explorada por pesquisadores na caracterização de proteínas.
dos podem participar em in-
91
res, alifáticos
Grupos R aromáticos
COO
H
C
1
H 2N
CH 2
2
COO
COO
2
1
1
H3N C H
COO2
2
H 3N C H
1
H 3N C
H
COO2
1
H3N C H
CH2 (básicos)
CH–2 Os grupos R mais hidrofílicos
CH R carregados
CHpositivamente
Grupos
2
PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA DE LEHNINGER
79
CH 2
CHcarregados
3 CH3
C CH
são aqueles
positiva ou negativamente. Os aminoácidos
nos quais os grupos R
H 2C
Prolina
Valina
NH
têm uma carga
positiva significativa em pH 7,0 são a lisina, a arginina
e a histidina, seus
2
2
COO muitas reações catalisadas
COO
alifáticos
Grupos R aromáticos
resíduos facilitam
por
enzimas,
funcionando
como doadores/
OH
1
1
2
2
2
2
2
HCOO
C aceptores
H3COO
H
N prótons
C H
de
(NELSON;
COX, 2014). COO
3N
COO
COO
H
1
1Tirosina
1Triptofano
1
Fenilalanina
CH2
CH C CH3H3N C H
H 3N C H
H3N C H
H 3N C H
HH2
CC
GRUPOS CARREGADOS
(BÁSICOS)
2
CH2 POSITIVAMENTE
CH2
CH CH2 FIGURA 17 – CH
2
CH
S 3
CH2 3
CH3 CH
C CH
Grupos R carregados positivamente
Prolina
Valina CH3
Metionina
2
Isoleucina
2
COO
COO
1
N
1
C H
H3N C H
RHpolares,
não
C C
H3carregados CH2
2
CHCOO
2
1
H3NCHC H
3
H
C
OH
Isoleucina
CH3
COO2
1
H3N
2
CH2
Tirosina
CH2
CH2
CH2
Treonina
1
NH
COO32
1
H3N
Cisteína
2
2
COO
2 2
COO
COO
COO
C H
CH2
Triptofano
C NH
CH
C H
Lisina
N
1
C NH
COO2 2
1
NH2
H3N C H
Arginina
CH2
olares, não carregados
H3N
C
CH2
NH positivamente H
Grupos R carregados
H3N SC H
CH2
CH
3
SH
Metionina
1
H3N COHH
CH2
Fenilalanina
CH
2
CCOO
H2
1
C H
COO2NH
COO2
1
COO2
1
H3N
C H
Histidina
CH2
CH2
Nelson
e Cox (2014, p. 79)
C NH
CHFONTE:
CH
2
2
Grupos R carregados negativamente
CH
CH2
2
2
COO
COO
HC
C H HN
H3NC CH H
C N – Os dois aminoácidos
3N H
3 Grupos
3N
R carregados
negativamente
(ácidos)
CH2
NH
1
1
H
H
N
C
H
H
N
C
H
H
H
C
C
1
3
3
2
CH2 2 grupos R
H C OH
1 com carga negativa final em pH 7,0 são o aspartato e o
que
apresentam
C NH2
NH3
C
H
CH2 (NELSON; COX, 2014).
H
C
C
2
2
cada um tem um segundo grupo
carboxila
SH
CH3 glutamato,
NH
2
H 2N
O
2
CH2
COO
Treonina
CisteínaC
Lisina
Arginina
Histidina
O
H2N
COO2
1
1
1
Asparagina
1
CH2
FIGURA 18 – GRUPOS R CARREGADOS NEGATIVAMENTE (ÁCIDOS)
Glutamina
Aspartato
Glutamato
Grupos R carregados negativamente
COO
COO
sem carga, seu pKa (ver a Tabela 3-1) é2tal que uma pequena2mas significativa
s de1proteínas. As fórmulas
1 esCOO
COO
H
N C H
H 3N
C Hfração desses grupos seja positivamente
e 3predomina
em pH 7,0.
As porcarregada em
pH 7,0. A forma pro1
a todos os aminoácidos; aquelas
tonada da histidina é mostrada
acima do gráfico1na Figura 3-12b.
H 3N C H
H 3N C H
CH2
CH
po R da histidina
seja mostrado 2
H 2N
2
C
O
2
CH2
CH2
CH2
C
COO2
CH
almente para interações terações hidrofóbicas. O grupo hidroxila da2 tirosina pode
H2N
COO2 grupo funos dois aminoácidos
que O formar ligações de hidrogênio e é um importante
e o triptofano são sigoéter
ligeiramente Glutamina
apolar cional em algumas enzimas.
Aspartato A tirosina
Glutamato
Asparagina
em cadeia lateral alifática nificativamente mais polares do que a fenilalanina, devido
ao grupo hidroxila
da tirosina
eeao
nitrogênio
do
indol
grupo
amino secundário sem
Nelson
Cox
p. mas
79)anel
carga, seu pKa (ver FONTE:
proteínas. As fórmulas esa Tabela 3-1)
é tal que
uma(2014,
pequena
significativa
do triptofano.
mantido
em
uma
configuedomina em pH 7,0. As porfração desses grupos seja positivamente carregada em pH 7,0. A forma proa tirosina
e, do
emgráfico
menor
adeosestrutural
deaquelas
regiões tonadaOdatriptofano,
dos
aminoácidos;
histidina é mostrada
acima
naextensão,
Figura 3-12b.a fenilalanina, absorvem a luz ultravioleta (Figura 3-6; ver também
R da histidina seja mostrado
Quadro 3-1). Isso explica a forte absorbância de luz com
, tirosina e triptofano, comprimento de onda de 280 nm característica da maior
ticas, são relativamente parte das proteínas, propriedade explorada por pesquisaterações
hidrofóbicas.
O de
grupo
hidroxila
da tirosina
pode permitem algumas
ente para interações
As inpropriedades
compartilhadas
de muitos
aminoácidos
dores na caracterização
proteínas.
podem participar em
dois aminoácidos que formar ligações de hidrogênio e é um importante grupo fungeneralizações simplificadas sobre seu comportamento acido-básico. Em primeiro
er ligeiramente apolar cional em algumas enzimas. A tirosina e o triptofano são siglugar,alifática
todos osnificativamente
aminoácidos mais
com polares
um único
grupo
a-amino, um
único grupo a-carboxila
do que
a fenilalanina,
devido
cadeia lateral
grupo
hidroxilatêm
da tirosina
ao nitrogênio
anel indol à da glicina. Esses
upo aminoe secundário
um grupo Raonão
ionizável
curvasede
titulação do
semelhantes
do triptofano.
ntido em uma
configu- têm
aminoácidos
valores de pKa muito semelhantes, mas não idênticos (BERG;
O triptofano, a tirosina e, em menor extensão, a fenilalaestrutural de regiões
TYMOCZKO; STRYERT,
2015).a luz ultravioleta (Figura 3-6; ver também
nina, absorvem
02/04/14 18:42
Quadro 3-1). Isso explica a forte absorbância de luz com
92
rosina e triptofano, comprimento de onda de 280 nm característica da maior
as, são relativamente
2.3 PROPRIEDADES DOS AMINOÁCIDOS
Os aminoácidos com um grupo R ionizável têm curvas de titulação mais
complexas, com três estágios correspondendo às três etapas possíveis de ionização;
assim, eles possuem três valores de pKa. O estágio adicional para a titulação do grupo
R ionizável se funde, em algum grau, com aquele para a titulação do grupo a-carboxila,
para a titulação do grupo a-amino, ou ambos (NELSON; COX, 2002).
3 PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS
Agora o foco passa a ser os polímeros de aminoácidos, os peptídeos e as proteínas.
Os polipeptídeos que ocorrem biologicamente variam em tamanho de pequenos a muito
grandes, consistindo em dois ou três a milhares de resíduos de aminoácidos ligados.
Duas moléculas de aminoácidos podem ser ligadas de modo covalente por meio
de uma ligação amida substituída, denominada ligação peptídica, a fim de produzir um
dipeptídio. Tal ligação é formada pela remoção de elementos de água (desidratação) do
grupo a-carboxila de um aminoácido e do grupo a-amino do outro (Figura 19). A formação
da ligação peptídica é um exemplo de uma reação de condensação, uma classe comum
de reações nas células vivas. Em condições bioquímicas padrão, o equilíbrio para a
reação mostrada favorece os aminoácidos em relação ao dipeptídio. Para tornar a reação
mais favorável termodinamicamente, o grupo carboxila deve ser modificado ou ativado
quimicamente, de modo que o grupo hidroxila possa ser mais rapidamente eliminado
(NELSON; COX, 2014).
86
D AV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
FIGURA 19 – LIGAÇÃO PEPTÍDICA
R1
1
H3N CH
H
C
OH 1 H N
R2
CH
COO2
O
1
R1
1
H3N CH
CH2OH H H
H2O
H2O
C
O
H
R2
N
CH COO2
H 3N C
C
H
O
N C
H
C N
H O
Extremidade
aminoterminal
FIGURA 314 O pentapetídeo
Formação de uma ligação peptídica por condensação.
Gly–Tyr–Ala–Leu, ou SGYAL. O
FONTE: Nelson e Cox (2014, p.2 86)
O grupo a-amino de um aminoácido (com grupo R ) atua como nucleófiduo aminoterminal, que por conv
lo para deslocar o grupo hidroxila de outro aminoácido (com grupo R1),
peptídicas são sombreadas; os gru
formando uma ligação peptídica (sombreada). Os grupos amino são bons
Três aminoácidos podem ser unidos por duas ligações peptídicas
nucleófilos, mas o grupo hidroxila é um grupo de saída fraco e não prontapara formar
um tripeptídeo;
do mesmo
modo,
mente deslocado.
No pH fisiológico,
a reação mostrada
aqui não ocorre
em quatro aminoácidos
podem ser unidos para formar um tetrapeptídeo, cinco para formar
grau apreciável.
FIGURA 313
Embora a hidrólise
de
um pentapeptídeo, e assim por diante. Quando alguns aminoácidos
se
reação exergônica, ela só
ligam desse modo, a estrutura é chamada de oligopeptídeo. Quando
uma elevada energia de at
muitos
aminoácidos se
ligam,
o produto
de polipeptídeo.
uma reação
de condensação,
uma
classe
comum édechamado
reaas ligações peptídicas em p
As
proteínas
podem
ter
milhares
de
resíduos
de
aminoácidos.
ções nas células vivas. Em condições bioquímicas padrão,
meia-vida média (t ) de
Embora
termos
“proteína”
e “polipeptídeo”
sejam algumas vezes 1/2
o equilíbrio
para aosreação
mostrada
na Figura
3-13 favorecondições intracelulares.
intercambiáveis,
as ao
moléculas
chamadas
dea polipeptídeos têm
ce os aminoácidos
em relação
dipeptídeo.
Para tornar
massas
moleculares
abaixo de 10.000,
e as carchamadas de proteínas
reação mais
favorável
termodinamicamente,
o grupo
têmser
massas
moleculares
mais elevadas
(BERTUZZI
al., 2008,podem
p. 27). ser difer
boxila deve
modificado
ou ativado
quimicamente,
de etPeptídeos
modo que o grupo hidroxila possa ser mais rapidamente comportamentos de ioniz
93
eliminado. Uma abordagem química para esse problema Peptídeos contêm apenas
será destacada posteriormente neste capítulo. A aborda-
3.1 ASPECTOS GERAIS DA ESTRUTURA PROTEICA
A purificação de uma proteína é geralmente apenas um prelúdio para uma
dissecção bioquímica detalhada de sua estrutura e função. O que torna uma proteína
uma enzima, outra um hormônio, outra uma proteína estrutural e, ainda, outra um
anticorpo? Como elas diferem quimicamente? As distinções mais óbvias são estruturais,
e agora será abordada a estrutura das proteínas.
A estrutura de grandes moléculas, tais como proteínas, pode ser descrita em
vários níveis de complexidade, arranjada em um tipo de hierarquia conceitual. Quatro
níveis de estrutura proteica são comumente definidos. Uma descrição de todas as
ligações covalentes (principalmente ligações peptídicas e ligações dissulfeto) ligando
resíduos de aminoácidos em uma cadeia polipeptídica é a sua estrutura primária.
O elemento mais importante da estrutura primária é a sequência de resíduos de
aminoácidos (NELSON; COX, 2014).
As diferenças na estrutura primária podem ser especialmente informativas.
Cada proteína tem um número e uma sequência de resíduos de aminoácidos distintos.
FIGURA 20 – NÍVEIS DE ESTRUTURA NAS PROTEÍNAS
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 96)
3.2 ESTRUTURA SECUNDÁRIA DAS PROTEÍNAS
A estrutura secundária se refere a arranjos particularmente estáveis de resíduos
de aminoácidos dando origem a padrões estruturais recorrentes. O termo estrutura
secundária se refere a qualquer segmento de uma cadeia polipeptídica e descreve o
arranjo espacial de seus átomos na cadeia principal, sem considerar a posição de suas
cadeias laterais ou sua relação com outros segmentos.
94
3.3 ESTRUTURAS TERCIÁRIAS E QUATERNÁRIAS DAS
PROTEÍNAS
O arranjo tridimensional total de todos os átomos de uma proteína é chamado
de estrutura terciária. Enquanto o termo “estrutura secundária” se refere ao arranjo
espacial dos resíduos de aminoácidos adjacentes em um segmento polipeptídico, a
estrutura terciária inclui aspectos de alcance mais longo da sequência de aminoácidos.
Aminoácidos que estão bem distantes na sequência polipeptídica e em diferentes tipos
de estruturas secundárias podem interagir na estrutura da proteína completamente
dobrada. O arranjo das subunidades proteicas em complexos tridimensionais constitui a
estrutura quaternária. Considerando esses níveis mais altos de estrutura, é conveniente
designar dois grandes grupos nos quais muitas proteínas podem ser classificadas:
proteínas fibrosas, com cadeias polipeptídicas arranjadas em longos filamentos ou
folhas, e proteínas globulares, com cadeias polipeptídicas dobradas em forma esférica
ou globular (BERG, 2014).
3.4 DESNATURAÇÃO PROTEICA E ENOVELAMENTO
Para Nelson e Cox (2014, p. 148):
O enovelamento dos polipeptídeos é sujeito a uma série de limitações
físicas e químicas, e várias regras foram propostas a partir de estudos
de padrões comuns de enovelamento proteico. 1. As interações
hidrofóbicas dão uma grande contribuição para a estabilidade da
estrutura de proteínas. O ocultamento dos grupos R dos aminoácidos
hidrofóbicos, de modo a excluir a água, necessita de pelo menos duas
camadas de estrutura secundária. 2. Quando ocorrem juntas em
uma proteína, as hélices a e as folhas b geralmente são encontradas
em camadas estruturais diferentes. 3. Segmentos adjacentes na
sequência de aminoácidos normalmente se posicionam de forma
adjacente na estrutura dobrada. Segmentos distantes do polipeptídeo
podem se aproximar na estrutura terciária, mas não é a regra.
As proteínas têm uma existência surpreendentemente precária. A conformação de
uma proteína nativa é apenas marginalmente estável. Além disso, a maioria das proteínas
deve manter certa flexibilidade conformacional para funcionar. A manutenção contínua
do grupo ativo de proteínas celulares, necessárias em um dado conjunto de condições,
é chamada proteostase. A proteostase celular requer a atividade coordenada de vias
para síntese e enovelamento de proteínas, o redobramento de proteínas parcialmente
desdobradas e o sequestro e degradação de proteínas irreversivelmente desdobradas. Em
todas as células, essas redes envolvem centenas de enzimas e proteínas especializadas.
Na Figura 21 podemos observar que a vida de uma proteína engloba muito mais
do que sua síntese e degradação. A estabilidade marginal da maioria das proteínas pode
produzir um balanço tênue entre os estados dobrados e desdobrados (NELSON; COX,
2014).
95
FIGURA 21 – VIAS QUE CONTRIBUEM PARA PROTEOSTASE
FONTE: Rodwell, Murray e Granner (2017, p. 108)
À medida que as proteínas são sintetizadas nos ribossomos, elas devem dobrarse em sua conformação nativa. Algumas vezes isso ocorre de forma espontânea,
porém, mais frequentemente com a assistência de enzimas e complexos especializados
chamados chaperonas. Muitos desses mesmos auxiliares do enovelamento atuam
para redobrar proteínas que se tornaram transitoriamente desdobradas. As proteínas
inapropriadamente dobradas frequentemente expõem superfícies hidrofóbicas que as
tornam “pegajosas”, conduzindo à formação de agregados inativos. Esses agregados
podem perder suas funções normais, mas não são inertes; seu acúmulo nas células
situa-se no centro de doenças que vão de diabetes a doenças de Parkinson e Alzheimer.
Não surpreendentemente, todas as células elaboraram vias de reciclagem e/ou
degradação de proteínas irreversivelmente deformadas (NELSON; COX, 2014).
As estruturas proteicas evoluíram para atuar em determinados ambientes
celulares. Condições diferentes daquelas da célula podem resultar em mudanças
estruturais grandes ou pequenas na proteína. A perda de estrutura tridimensional
suficiente para causar a perda de função é chamada de desnaturação. O estado
desnaturado não necessariamente corresponde ao desdobramento completo da
proteína e à randomização da conformação. Na maioria das condições, as proteínas
desnaturadas existem como um conjunto de estados parcialmente dobrados (BERG;
TYMOCZKO; STRYERT, 2015).
96
A maioria das proteínas pode ser desnaturada pelo calor, que tem efeitos
complexos nas muitas interações fracas da proteína (principalmente sobre as ligações
de hidrogênio).
3.5 FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS
As proteínas são fundamentais para qualquer ser vivo, pois grande parte dos
processos orgânicos que acontecem nas células são mediados por proteínas (enzimas).
Toda manifestação genética é dada por meio de proteínas, pois os genes são fragmentos
de DNA que codificam proteínas.
As proteínas podem ter função estrutural, participando na composição de
várias estruturas do organismo, sustentando e promovendo rigidez, como a queratina,
colágeno e elastina. Existem proteínas que promovem a defesa do organismo contra
microrganismos e substâncias estranhas, como os macrófagos e as imunoglobulinas.
Outras funções desempenhadas pelas proteínas envolvem a ação catalítica,
transportadora (hemoglobina transportando os gases respiratórios), nutritiva, energética,
promovem a contração e podem atuar como mensageiros químicos (hormônios).
NOTA
A anemia falciforme é causada por uma mutação homozigota (aa) de um único
nucleotídeo que codifica para a cadeia B da hemoglobina fazendo com que a forma da
hemácia seja modificada, provocando um transporte ineficiente de O2.
NOTA
A anemia falciforme é causada por uma mutação homozigota (aa) de um
único nucleotídeo que codifica para a cadeia B da hemoglobina fazendo
com que a forma da hemácia seja modificada, provocando um transporte
ineficiente de O2.
97
NOTA
Morte por enovelamento errado: as doenças priônicas
Uma proteína cerebral dobrada de forma errada parece ser o agente causador de doenças
cerebrais neurodegenerativas raras em mamíferos. Talvez a mais conhecida seja a
encefalopatia espongiforme bovina (EEB, ou BSE, do inglês bovine spongiform encephalopathy;
também conhecida como doença da vaca louca). Doenças relacionadas incluem a kuru
e a doença de Creutzfeldt-Jakob em humanos, scrapie em ovinos, e doença debilitante
crônica em cervos e alces. Essas doenças também são conhecidas como encefalopatias
espongiformes porque o cérebro doente frequentemente se torna cheio de buracos. A
deterioração progressiva do cérebro leva a um espectro de sintomas neurológicos, incluindo
perda de peso, comportamento errático, problemas de postura, equilíbrio e coordenação, e
perda da capacidade cognitiva. Essas doenças são fatais. Nos anos de 1960, pesquisadores
descobriram que amostras de agentes causadores de doença pareciam não conter ácidos
nucleicos. Naquela época, Tikvah Alper sugeriu que o agente fosse uma proteína. Inicialmente,
a ideia pareceu uma heresia. Todos os agentes causadores de doenças conhecidos até
aquele momento – vírus, bactérias, fungos, e assim por diante – continham ácidos nucleicos,
e sua virulência estava relacionada à reprodução genética e propagação.
Os agentes infecciosos foram identificados como uma única
proteína (Mr 28.000), que Prusiner apelidou de proteína
príon (PrP). O nome foi derivado de proteinaceous infectious
(proteína infecciosa), mas Prusiner achou que “príon” soava
melhor do que “proin”. A proteína príon é um constituinte
normal do tecido cerebral em todos os mamíferos. Seu
papel não é conhecido em detalhes, mas deve ter uma
função de sinalização molecular. Várias outras condições
neurodegenerativas envolvem agregação intracelular
de proteínas com enovelamento errado. Na doença de
Parkinson, a forma mal dobrada da proteína a-sinucleína
se agrega em massas esféricas filamentosas, chamadas de
corpos de Lewy. A doença de Huntington envolve a proteína
huntingtina, que tem uma longa repetição de poliglutaminas.
Em alguns indivíduos, essa repetição é maior do que o
normal, ocorrendo um tipo de agregação intracelular mais
sutil. Notavelmente, quando proteínas mutantes humanas
envolvidas nas doenças de Parkinson e Huntington
são expressas em Drosophila melanogaster, as moscas
demonstram degeneração expressa como deterioração dos
olhos, tremores e morte precoce. Todos esses sintomas são
altamente suprimidos se a expressão da chaperona Hsp70
também estiver aumentada.
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 150)
98
RESUMO DO TÓPICO 3
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• Os vinte aminoácidos comumentemente encontrados como resíduos em proteínas
contêm um grupo a-carboxila, um grupo a-amino e um grupo R característico
substituído no átomo do carbono a.
• Os aminoácidos podem ser classificados em cinco tipos com base na polaridade e
carga (em pH 7) de seus grupos R.
• Aminoácidos podem ser unidos de modo covalente por meio de ligações peptídicas
para formar peptídeos e proteínas.
• As células geralmente contêm milhares de proteínas diferentes, cada uma com uma
atividade biológica diferente.
• Proteínas podem ser cadeias peptídicas muito longas, de 100 a muitos milhares de
resíduos de aminoácidos. Entretanto, alguns peptídeos que ocorrem naturalmente
possuem apenas alguns poucos resíduos de aminoácidos.
• Algumas proteínas são compostas por várias cadeias polipeptídicas associadas de
modo não covalente, chamadas de subunidades.
• Proteínas simples produzem, por hidrólise, apenas aminoácidos; proteínas conjugadas
contêm além deles, outros componentes, tais como um metal ou um grupo prostético.
• Peptídeos e proteínas pequenas (até cerca de 100 resíduos) podem ser sintetizados
quimicamente.
• Sequências proteicas são uma fonte rica de informação sobre a estrutura e a função
da proteína, bem como sobre a evolução da vida na Terra.
• Estrutura secundária é o arranjo espacial dos átomos da cadeia principal em um
determinado segmento da cadeia polipeptídica.
• A estrutura terciária é a estrutura tridimensional da cadeia polipeptídica. Muitas
proteínas se encaixam em uma ou duas classes de proteínas em geral, com base na
estrutura terciária: fibrosa e globular.
99
• A estrutura quaternária resulta de interações entre as subunidades de proteínas
com múltiplas subunidades ou grandes associações de proteínas. A estrutura
tridimensional e a função da maioria das proteínas podem ser destruídas pela
desnaturação, demonstrando uma relação entre estrutura e função. Algumas
proteínas desnaturadas podem renaturar espontaneamente para formar proteínas
biologicamente ativa.
100
AUTOATIVIDADE
1 A proteína é a mais importante das macromoléculas biológicas, compondo
mais da metade do peso seco de uma célula. Está presente em todo ser vivo e
tem as mais variadas funções. Ela é um polímero de aminoácidos que pode atuar
como enzimas, catalisando reações químicas, podem transportar pequenas
moléculas ou íons; podem ser motoras para auxiliar no movimento em células e
tecidos; participam na regulação gênica, ativando ou inibindo; estão no sistema
imunológico, entre outras centenas de funções. Praticamente, todas as funções
celulares necessitam de proteínas para intermediá-las. A formação das proteínas
acontece através de ligações peptídicas. A ligação peptídica resulta da união entre o
grupo:
a)
b)
c)
d)
e)
(
(
(
(
(
) Carboxila de um aminoácido e o grupo carboxila do outro.
) Carboxila de um aminoácido e o grupo amina do outro.
) Amina de um aminoácido e o grupo amina do outro.
) Amina de um aminoácido e o radical (R) do outro.
) Carboxila de um aminoácido e o radical (R) do outro.
2 As proteínas, formadas pela união de aminoácidos, são componentes químicos
fundamentais na fisiologia e na estrutura celular dos organismos. Em relação às
proteínas, assinale a alternativa correta:
a) ( ) O colágeno é a proteína menos abundante no corpo humano, sendo classificado
como uma proteína globular.
b) ( ) A ligação peptídica entre dois aminoácidos acontece pela reação do grupo
carboxila de um aminoácido com o grupo amino de outro aminoácido.
c) ( ) A testosterona, hormônio sexual masculino, é um hormônio proteico.
d) ( ) A proteína albumina é amplamente encontrada nos vegetais.
e) ( ) A vitamina sódio é importante para regular a pressão arterial.
101
102
TÓPICO 4 -
UNIDADE 2
ENZIMAS
1 INTRODUÇÃO
Boa parte da história da bioquímica é a história da pesquisa sobre enzimas.
A catálise biológica foi reconhecida e descrita no final dos anos de 1700 em estudos
da digestão de carne por secreções do estômago. A pesquisa continuou no século
seguinte, examinando a conversão do amido em açúcar pela saliva e por vários extratos
de plantas. Por volta de 1850, Louis Pasteur concluiu que a fermentação de açúcar em
álcool por leveduras é catalisada por “fermentos”. Ele postulou que esses fermentos eram
inseparáveis da estrutura das células de levedura vivas. Esse ponto de vista, chamado
de vitalismo, prevaleceu por décadas. Então, em 1897, Eduard Buchner descreveu que
extratos de levedura podiam fermentar açúcar em álcool, provando que a fermentação
era feita por moléculas que continuavam ativas mesmo após removidas das células.
Os experimentos de Buchner, ao mesmo tempo, marcaram o final da visão vitalista e
o alvorecer da ciência bioquímica. Posteriormente, Frederick W. Kühne deu o nome de
enzimas para as moléculas detectadas por Buchner (NELSON; COX, 2014).
Exceto por um pequeno grupo de moléculas de RNA catalíticas (ribozimas),
todas as enzimas são proteínas. A atividade catalítica depende da integridade das
suas conformações nativas. Se uma enzima for desnaturada ou dissociada nas suas
subunidades, geralmente a atividade catalítica é perdida.
Algumas enzimas não necessitam de outros grupos químicos além dos seus
próprios resíduos de aminoácidos. Outras, necessitam de um componente químico
adicional denominado cofator, que pode ser um ou mais íons inorgânicos como
Fe21, Mg21, Mn21 ou Zn21) ou uma molécula orgânica ou metalorgânica complexa,
denominada coenzima. As coenzimas agem como carreadores transitórios de grupos
funcionais específicos. A maioria deles é derivada das vitaminas, nutrientes orgânicos
cuja presença na dieta é necessária em pequenas quantidades. Algumas enzimas
necessitam tanto de uma coenzima quanto de um ou mais íons metálicos para terem
atividade. Uma coenzima ou um íon metálico que se ligue muito firmemente, ou
mesmo covalentemente, a uma enzima é denominado grupo prostético. Uma enzima
completa, cataliticamente ativa junto a sua coenzima e/ou íons metálicos é denominada
holoenzima. A parte proteica de uma dessas enzimas é denominada apoenzima
ou apoproteína. Finalmente, algumas enzimas são modificadas covalentemente
por fosforilação, glicosilação e outros processos. Muitas dessas modificações estão
envolvidas na regulação da atividade enzimática (BERTUZZI et al., 2008).
103
2 FUNÇÃO ENZIMÁTICA
A catálise enzimática das reações é essencial para os sistemas vivos. Nas
condições biológicas relevantes, as reações não catalisadas tendem a ser lentas – a
maioria das moléculas biológicas é muito estável nas condições internas das células
com pH neutro, temperaturas amenas e ambiente aquoso. Além disso, muitos processos
químicos corriqueiros, como a formação transitória de intermediários instáveis
carregados ou a colisão de duas ou mais moléculas na orientação exata necessária
para que as reações ocorram, são desfavoráveis ou improváveis no ambiente celular
(NELSON; COX, 2014).
As reações necessárias para digerir os alimentos, enviar sinais nervosos ou
contrair os músculos simplesmente não ocorrem em velocidades adequadas sem
catálise. As enzimas contornam esses problemas ao proporcionarem um ambiente
específico adequado para que uma dada reação possa ocorrer mais rapidamente. A
propriedade característica das reações catalisadas por enzimas é que a reação ocorre
confinada em um bolsão da enzima denominado sítio ativo (Figura 22). A molécula que
se liga no sítio ativo e sobre a qual a enzima age é denominada substrato.
FIGURA 22 – ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DE UMA ENZIMA
FONTE: <https://www.infoescola.com/bioquimica/complexo-chave-e-fechadura/>. Acesso em: 25 abr.
2019.
3 CINÉTICA ENZIMÁTICA
Normalmente os bioquímicos utilizam várias abordagens para estudar o
mecanismo de ação de enzimas purificadas. A estrutura tridimensional das proteínas
fornece informações importantes, que são incrementadas pela química de proteínas
e por modernos métodos de mutagênese sítio dirigida (mudança na sequência de
aminoácidos de uma proteína por engenharia genética). Essas tecnologias permitem
que os enzimologistas examinem o papel de aminoácidos individualmente na estrutura
e na atividade de uma enzima. Entretanto, a abordagem mais antiga para entender o
mecanismo das enzimas, e que permanece ainda entre as mais importantes, é determinar
a velocidade da reação e como ela se modifica em resposta às mudanças nos parâmetros
experimentais, disciplina conhecida como cinética enzimática (NELSON; COX, 2014).
104
Um fator-chave que afeta a velocidade das reações catalisadas por enzimas é
a concentração do substrato [S]. Entretanto, o estudo dos efeitos da concentração do
substrato é complicado pelo fato de [S] modificar-se durante o curso de uma reação in
vitro à medida que o substrato é convertido em produto (NELSON; COX, 2014).
As enzimas têm um pH (ou uma faixa de pH) ótimo no qual a atividade catalítica
é máxima; a atividade decresce em pH maior ou menor. Isso não surpreende. As cadeias
laterais dos aminoácidos do sítio ativo podem funcionar como ácidos ou bases fracas
em funções críticas que dependem da manutenção de certo estado de ionização, e em
outras partes da proteína, as cadeias laterais ionizáveis podem ter uma participação
essencial nas interações que mantêm a estrutura proteica (RODWELL; MURRAY;
GRANNER, 2017).
3.1 ENZIMAS REGULADORAS
No metabolismo celular, grupos de enzimas trabalham conjuntamente em vias
sequenciais para realizar um determinado processo metabólico, como a degradação
da glicose a lactato por uma série de reações ou as muitas reações da síntese de
aminoácidos a partir de precursores simples. Nesses sistemas enzimáticos, o produto
da reação de uma enzima é o substrato da enzima seguinte. Para Nelson e Cox (2014,
p. 190):
A maioria das enzimas das vias metabólicas segue os padrões
cinéticos que foram descritos. Cada via, entretanto, inclui uma ou mais
enzimas que influenciam em muito a velocidade de toda a sequência
de reações. Essas enzimas regulatórias têm a atividade catalítica
aumentada ou diminuída em resposta a certos sinais. Ajustes na
velocidade das reações catalisadas por enzimas regulatórias e,
portanto, ajustes na velocidade da sequência metabólica inteira
permitem que as células atendam às necessidades de energia e das
biomoléculas de que precisam para crescer e se manter. As atividades
das enzimas regulatórias são moduladas de várias maneiras. Enzimas
alostéricas agem por meio de ligações reversíveis e não covalentes
com compostos regulatórios denominados moduladores alostéricos
ou efetores alostéricos, que geralmente são metabólitos pequenos ou
cofatores. Outras enzimas são reguladas por modificações covalentes
reversíveis. As duas classes de enzimas regulatórias tendem a ser
proteínas com subunidades múltiplas e, em alguns casos, o(s) sítio(s)
regulatório(s) e o sítio ativo se encontram em subunidades separadas.
Os sistemas metabólicos têm ao menos dois outros mecanismos de
regulação enzimática. Algumas enzimas são estimuladas ou inibidas
quando estão ligadas a proteínas regulatórias distintas. Outras são
ativadas quando segmentos peptídicos são removidos por proteólise.
Diferentemente da regulação mediada por efetores, a regulação por
proteólise é irreversível.
105
Exemplos importantes desses mecanismos são encontrados em processos
fisiológicos como digestão, coagulação do sangue, ação hormonal e visão. O crescimento
e a sobrevivência das células dependem do uso eficiente dos recursos disponíveis,
e essa eficiência é possibilitada pelas enzimas regulatórias. Não há uma regra única
para governar os diferentes tipos de regulação dos diferentes sistemas. Em certo
grau, a regulação alostérica (não covalente) talvez possibilite os ajustes finos das vias
metabólicas que constantemente são necessários e em níveis, variando em decorrência
das mudanças da atividade e das condições das células. A regulação por modificações
covalentes pode ser do tipo “tudo ou nada”, normalmente no caso de proteólise, ou
então possibilitar mudanças sutis na atividade. Vários tipos de regulação podem ocorrer
em uma única enzima regulatória (BERG; TYMOCZKO; STRYERT, 2015).
106
RESUMO DO TÓPICO 4
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• A vida depende de catalisadores poderosos e específicos: as enzimas.
• Praticamente todas as reações bioquímicas são catalisadas por enzimas.
• Com a exceção de poucos RNA catalíticos, todas as enzimas conhecidas são
proteínas.
• Muitas proteínas necessitam de coenzimas ou cofatores não proteicos para exercerem
a atividade catalítica.
• As enzimas são classificadas segundo o tipo de reação que catalisam.
• As reações catalisadas por enzimas são caracterizadas pela formação de um
complexo entre o substrato e a enzima (complexo ES). A ligação ao substrato ocorre
em um bolsão da enzima denominado sítio ativo.
• A maioria das enzimas tem algumas propriedades cinéticas em comum.
• Cada enzima tem um pH ótimo (ou um intervalo de pH), no qual a atividade é máxima.
• A atividade das vias metabólicas nas células é regulada pelo controle da atividade de
determinadas enzimas.
• Outras enzimas regulatórias são moduladas por modificações covalentes de grupos
funcionais específicos que são necessários para a atividade. A fosforilação de resíduos
de determinados aminoácidos é uma maneira muito comum de regular a atividade de
enzimas.
107
AUTOATIVIDADE
1 Nos dias atuais, sabemos que as moléculas de proteínas são formadas por dezenas,
centenas ou milhares de outras moléculas, ligadas em sequência como os elos
de uma corrente. Assinale a alternativa que menciona quais moléculas formam as
proteínas:
a)
b)
c)
d)
e)
(
(
(
(
(
) Moléculas de proteínas.
) Moléculas de aminoácidos.
) Moléculas de glicose.
) Moléculas de polissacarídeos.
) Moléculas de quitina.
2 A figura ilustra a ligação que ocorre entre dois aminoácidos. Analise e preencha as
lacunas da frase que segue:
FIGURA – LIGAÇÃO QUE OCORRE ENTRE DOIS AMINOÁCIDOS
FONTE: A autora
A formação de proteínas ocorre devido à ligação da amina de um aminoácido com o
________________ de outro aminoácido. Esta ligação está circulada na figura
apresentada e é denominada _______________. Para que esta ligação ocorra
é necessária a saída de uma molécula de ____________.
3 Com o título Boca livre, a revista Veja, edição 1298, ano 26, nº 30, de 28 de julho de
1993, página 55, publicou um artigo sobre uma nova droga ainda em testes, o Orlistat,
desenvolvida pelo laboratório Hoffmann-La Roche. A reportagem diz que essa droga
“[...] bloqueia (uma fatia dessas) enzimas, impedindo que elas desdobrem as enormes
108
moléculas de gordura em fragmentos menores. Assim, a gordura não tem como
atravessar as paredes do intestino e não chega à corrente sanguínea”. As enzimas
que o Orlistat bloqueia correspondem às:
a)
b)
c)
d)
e)
(
(
(
(
(
) Proteases.
) Lipases.
) Amilases.
) Lactases.
) Peptidases.
4 Enzimas são moléculas orgânicas de natureza proteica e agem nas reações químicas
das células como catalisadoras, ou seja, aceleram a velocidade dos processos sem
alterá-los. Geralmente são os catalisadores mais eficazes, por sua alta especificidade.
Sua estrutura quaternária é quem determinará sua função, a que substrato ela se
acoplará para acelerar determinada reação. Nosso corpo é mantido vivo por uma
série de reações químicas em cadeia que chamamos de vias metabólicas, nas quais
o produto de uma reação serve como reagente posteriormente. Todas as fases de
uma via metabólica são mediadas por enzimas. Muitas enzimas podem ser utilizadas
como marcadores biológicos para auxiliar no diagnóstico de algumas patologias.
Pesquise a importância clínica das seguintes enzimas:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
AMILASE:
LIPASE:
FOSFATASE ALCALINA:
AMINOTRANSFERASE:
GGT:
ALT:
AST:
CREATINA QUINASE:
TGO:
TGP:
109
110
UNIDADE 2
TÓPICO 5 -
CARBOIDRATOS E GLICOCONJUGADOS
1 INTRODUÇÃO
Os carboidratos são as biomoléculas mais abundantes na Terra. A cada ano,
a fotossíntese converte mais de 100 bilhões de toneladas métricas de CO2 e H2O em
celulose e outros produtos vegetais. Alguns carboidratos (açúcar e amido) são os
principais elementos da dieta em muitas partes do mundo, e sua oxidação é a principal
via de produção de energia na maioria das células não fotossintéticas. Polímeros de
carboidratos (também chamados de glicanos) agem como elementos estruturais e
protetores nas paredes celulares bacterianas, vegetais e nos tecidos conectivos animais.
Outros polímeros de carboidratos lubrificam as articulações e auxiliam o reconhecimento
e a adesão intercelular. Polímeros de carboidratos complexos covalentemente ligados a
proteínas ou lipídios atuam como sinais que determinam a localização intracelular ou o
destino metabólico dessas moléculas híbridas, chamadas de glicoconjugados.
Existem três classes principais de carboidratos: monossacarídeos, dissacarídeos
e polissacarídeos (a palavra “sacarídeo” é derivada do grego sakcharon, que significa
“açúcar”). Os monossacarídeos, ou açúcares simples, são constituídos por uma única
unidade poli-hidroxicetona ou poli-hidroxialdeído. O monossacarídeo mais abundante
na natureza é o açúcar de seis carbonos D-glicose, algumas vezes chamado de dextrose.
Monossacarídeos de quatro ou mais carbonos tendem a formar estruturas cíclicas.
Os oligossacarídeos consistem em cadeias curtas de unidades de monossacarídeos,
ou resíduos, unidas por ligações características chamadas de ligações glicosídicas
(NELSON; COX, 2014).
Os mais abundantes são os dissacarídeos, com duas unidades de
monossacarídeos. Um dissacarídeo típico é a sacarose (açúcar de cana), constituído
pelos açúcares de seis carbonos D-glicose e D-frutose. Todos os monossacarídeos e
dissacarídeos comuns têm nomes terminados com o sufixo “-ose”. Em células, a maioria
dos oligossacarídeos constituídos por três ou mais unidades não ocorre como moléculas
livres, mas sim ligada a moléculas que não são açúcares (lipídios ou proteínas), formando
glicoconjugados. Os polissacarídeos são polímeros de açúcar que contêm mais de 20
unidades de monossacarídeo; alguns têm centenas ou milhares de unidades. Alguns
polissacarídeos, como a celulose, têm cadeias lineares; outros, como o glicogênio, são
ramificados. Ambos são formados por unidades repetidas de D-glicose, mas diferem no
tipo de ligação glicosídica e, em consequência, têm propriedades e funções biológicas
notavelmente diferentes (NELSON; COX, 2014).
Neste tópico estudaremos as características e a importância dos diferentes
grupos de carboidratos.
111
deste livro. São apresentados também alguns importantes
derivados de monossacarídeos encontrados em capítulos
posteriores.
As duasE
famílias
de monossacarídeos são
2 MONOSSACARÍDEOS
DISSACARÍDEOS
aldoses e cetoses
Todos os monos
tona, contêm um
(quirais) e, por
ticamente ativa
ceraldeído, cont
central) e assim
enantiômeros
Os monossacarídeos são sólidos cristalinos e incolores CONVENÇÃOCHAV
Os mais simples dos carboidratos,
os monossacarídeos, são aldeídos ou cetonas,
plenamente solúveis em água, mas insolúveis em solven- deído é, por co
com dois ou mais grupos hidroxila;
os monossacarídeos
seis carbonos,
glicose e
tes apolares.
A maioria tem sabordeadocicado
(ver Quadro
é isômero L. As
frutose, têm cinco grupos hidroxila.
Muitos
átomosdos
de monossacarídeos
carbono aos quais
os grupos
7-2, p. 254).
Osdos
esqueletos
comuns
centros quirais,
são compostos
cadeias
de carbono
não estereoisômeros
ramificadas,
hidroxila estão ligados são centros
quirais,por
o que
origina
os muitos
são conhecidas
nas quais todos os átomos de carbono estão unidos por representar est
de açúcares encontrados na natureza. Esse estereoisomerismo é biologicamente
ligações simples. Nessa forma de cadeia aberta, um dos
papel, em geral
importante, porque as enzimas
que
sobre
açúcares
são absolutamente
átomos
de agem
carbono
está os
ligado
duplamente
a um áto- de Fischer (F
mo depreferindo
oxigênio, formando
um grupo carbonil;
os por
outros
estereoespecíficas, normalmente
um estereoisômeros
a outro
três ou
Fischer, as ligaç
átomos
de
carbono
estão
ligados,
cada
um,
a
um
grupo
mais ordens de magnitude (NELSON; COX, 2014).
plano do papel,
hidroxila. Quando o grupo carbonil está na extremidade se projetam par
da cadeia de carbonos (isto é, em um grupo aldeído), o do leitor. ■
Os monossacarídeosmonossacarídeo
são sólidos cristalinos
e incolores
plenamente
solúveis em
é uma aldose;
quando
o grupo carbonil
Geralmente,
está em qualquer
posição
(emrelata
um grupo
o
água, mas insolúveis em solventes
apolares.outra
Baynes
(2015)
que cetona),
os esqueletos
ter 2n estereoisô
monossacarídeo
é
uma
cetose.
Os
monossacarídeos
mais
dos monossacarídeos comuns são compostos por cadeias de carbono não ramificadas,
simples são as duas trioses de três carbonos: gliceralde- -hexoses, com q
nas quais todos os átomos de
carbono
estão unidos
por ligações simples.
Nessa
cada um dos co
ídos
(aldotrioses)
e di-hidroxiacetonas
(cetotrioses,
verforma
reoisômeros dos
de cadeia aberta, um dos átomos
carbono está ligado duplamente a um átomo de
Figurade
7-1a).
dois grupos, os
Monossacarídeos
quatro,
cinco, seisestão
e seteligados,
átomoscada
oxigênio, formando um grupo carbonil;
os outroscom
átomos
de carbono
centro quiral ma
de carbono no esqueleto são chamados, respectivamente,
um, a um grupo hidroxila. Quando o grupo carbonil está na extremidade da cadeia de
de tetroses, pentoses, hexoses e heptoses. Existem aldoses les nos quais a c
carbonos (isto é, em um grupo
aldeído),
o monossacarídeo
é uma aldose;
quando
e cetoses
para cada
um desses comprimentos
de cadeia:
al- aomesma daquel
dotetroses
e cetotetroses,
e cetopentoses,
e ros D, e aqueles
grupo carbonil está em qualquer
outra posição
(em umaldopentoses
grupo cetona),
o monossacarídeo
deído são isôme
assim pormais
diante.
As hexoses,
aldo-hexose
é uma cetose. Os monossacarídeos
simples
são as que
duasincluem
triosesade
três carbonos:
gliceraldeídos (aldotrioses) e di-hidroxiacetonas (cetotrioses, ver Figura 23).
H
FIGURA 23 – MONOSSACARÍDEOS REPRESENTATIVOS
H
C
H C
H C
OH
H C
OH
H
D-Gliceraldeído,
aldotriose
OH
C O
H C
OH
H
Di-hidroxiacetona,
cetotriose
(a)
C
H C
H
O
H
O
H C
C
OH
HO C H
H
HO
C OH
H
H C OH
H
CH2OH
O
C H
C
OH
C
OH
CH 2OH
D-Glicose,
aldo-hexose
D-Frutose,
ceto-hexose
(b)
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 244)
FIGURA 71 Monossacarídeos representativos. (a) Duas trioses,
uma aldose e uma cetose. O grupo carbonil em cada molécula está sombreado. (b) Duas hexoses comuns. (c) As pentoses componentes de áci-
dos nucleicos. A D-ri
e a 2-desóxi-D-ribos
(DNA).
A nomenclatura dos monossacarídeos é baseada na quantidade de átomos de
carbono, então onde existem monossacarídeos com quatro, cinco, seis e sete átomos
de carbono no esqueleto eles são chamados, respectivamente, de tetroses, pentoses,
hexoses e heptoses. Existem aldoses e cetoses para cada um desses comprimentos de
cadeia: aldotetroses e cetotetroses, aldopentoses e cetopentoses, e assim por diante.
As hexoses, que incluem a aldo-hexoseD-glicose e a ceto-hexose D-frutose (Figura
24) são os monossacarídeos mais comuns na natureza – os produtos da fotossíntese e
Nelson_6ed_07.indd 244
os intermediários-chave das sequências de reações produtoras de energia centrais da
maioria dos organismos. As aldopentoses ribose e desoxirribose são componentes dos
nucleotídeos e dos ácidos nucleicos (será discutido no próximo tópico).
112
OH
Observe o esquema a seguir sobre a nomenclatura dos monossacarídeos:
FIGURA 24 – NOMENCLATURA DOS MONOSSACARÍDEOS
FONTE: A autora
Podemos perceber que a nomenclatura dos monossacarídeos envolve três
etapas:
1. Verificar se é uma aldose ou uma cetose.
2. Verificar a quantidade de átomos de carbono.
3. Acrescentar o sufixo Ose.
Por simplicidade, até este momento foram representadas as estruturas de
aldoses e cetoses como moléculas de cadeia aberta. Na verdade, em solução aquosa,
as aldotetroses e todos os monossacarídeos com cinco ou mais átomos de carbono no
esqueleto ocorrem predominantemente como estruturas cíclicas (em anel), nas quais o
grupo carbonil está formando uma ligação covalente com o oxigênio de um grupo hidroxila
presente na cadeia. A formação dessas estruturas em anel é o resultado de uma reação
geral entre álcoois e aldeídos ou cetonas para formar derivados chamados de hemiacetais
ou hemicetais (NELSON; COX, 2014).
Muito frequentemente, durante a síntese e o metabolismo de carboidratos,
os intermediários não são os próprios açúcares, mas os seus derivados fosforilados. A
condensação do ácido fosfórico com um dos grupos hidroxila de um açúcar forma um
éster de fosfato, como na glicose-6-fosfato, o primeiro metabólito da rota por meio da
qual a maioria dos organismos oxida a glicose para energia. Os açúcares fosforilados
são relativamente estáveis em pH neutro e têm carga negativa. Um dos efeitos da
fosforilação intracelular de açúcares é o confinamento do açúcar dentro da célula; a
maioria das células não tem transportadores para açúcares fosforilados na membrana
plasmática. A fosforilação também ativa açúcares para subsequente transformação
química. Alguns derivados de açúcares fosforilados importantes são componentes dos
nucleotídeos (BERG, 2008).
113
Os monossacarídeos podem ser oxidados por agentes oxidantes
relativamente suaves, como o íon cúprico (Cu21). O carbono do
carbonil é oxidado a um grupo carboxil. A glicose e outros açúcares
capazes de reduzir o íon cúprico são chamados de açúcares
redutores. O íon cúprico oxida a glicose e certos outros açúcares
a uma complexa mistura de ácidos carboxílicos. Essa é a base da
reação de Fehling, teste semiquantitativo para a presença de açúcar
redutor, que por muitos anos foi utilizado para detectar e dosar níveis
elevados de glicose em pessoas com diabetes melito. Hoje, utilizamse métodos mais sensíveis, que envolvem uma enzima imobilizada
em uma tira de teste e requerem apenas uma única gota de sangue
(NELSON; COX, 2014, p. 251).
Os dissacarídeos (como maltose, lactose e sacarose) consistem em dois
monossacarídeos unidos covalentemente por uma ligação O-glicosídica, a qual é
formada quando um grupo hidroxila de uma molécula de açúcar, normalmente cíclica,
reage com o carbono anomérico de outro. Ligações glicosídicas são prontamente
hidrolisadas por ácido, mas resistem à clivagem por base. Assim, os dissacarídeos podem
ser hidrolisados para originar seus componentes monossacarídicos livres por fervura
em ácido diluído. Ligações N-glicosídicas unem o carbono anomérico de um açúcar a
um átomo de nitrogênio em glicoproteínas e nucleotídeos (NELSON; COX, 2014).
3 POLISSACARÍDEOS
A maioria dos carboidratos encontrados na natureza ocorre como
polissacarídeos, polímeros de média a alta massa molecular. Os polissacarídeos,
também chamados de glicanos, diferem uns dos outros na identidade das unidades
de monossacarídeos repetidas, no comprimento das cadeias, nos tipos de ligações
unindo as unidades e no grau de ramificação. Os homopolissacarídeos contêm
somente uma única espécie monomérica; os heteropolissacarídeos contêm dois ou
mais tipos. Alguns homopolissacarídeos, como o amido e o glicogênio, servem como
formas de armazenamento para monossacarídeos utilizados como combustíveis.
Outros homopolissacarídeos, como a celulose e a quitina, atuam como elementos
estruturais em paredes celulares de plantas e em exoesqueletos de animais. Os
heteropolissacarídeos fornecem suporte extracelular para organismos de todos os
reinos. Por exemplo, a camada rígida do envelope celular bacteriano (o peptidoglicano)
é parcialmente composta por um heteropolissacarídeo construído por duas unidades
alternadas de monossacarídeo. Nos tecidos animais, o espaço extracelular é preenchido
por alguns tipos de heteropolissacarídeos, os quais formam uma matriz que conecta
células individuais e fornece proteção, forma e suporte para células, tecidos e órgãos
(RODWELL; MURRAY; GRANNER, 2017).
Os polissacarídeos de armazenamento mais importantes são o amido, em
células vegetais, e o glicogênio, em células animais. Ambos ocorrem intracelularmente
em grandes agrupamentos ou grânulos. As moléculas de amido e glicogênio são
114
extremamente hidratadas, pois têm muitos grupos hidroxila expostos e disponíveis para
formarem ligações de hidrogênio com a água. A maioria das células vegetais possui a
capacidade de sintetizar amido, e o seu armazenamento é especialmente abundante em
tubérculos – como a batata – e em sementes. O amido contém dois tipos de polímero de
glicose, amilose e amilopectina (NELSON; COX, 2014).
O glicogênio é o principal polissacarídeo de armazenamento das células animais.
Como a amilopectina, o glicogênio é um polímero formado pela união de várias moléculas
de glicose. O glicogênio é especialmente abundante no fígado, podendo constituir até
7% do peso líquido; ele também está presente no músculo esquelético. Nos hepatócitos,
o glicogênio é encontrado em grandes grânulos, os quais são agrupamentos de grânulos
menores compostos por moléculas únicas de glicogênio, altamente ramificadas, com
massa molecular média de alguns milhões. Esses grânulos de glicogênio também
apresentam, firmemente ligadas, as enzimas responsáveis pela síntese e degradação
do glicogênio (NELSON; COX, 2014). Alguns homopolissacarídeos estão presentes como
componentes estruturais na parede celular de vegetais (celulose) e no exoesqueleto de
insetos e crustáceos (quitina).
O espaço extracelular dos tecidos dos animais multicelulares é preenchido
com um material semelhante a gel, a matriz extracelular (MEC), também chamada de
substância fundamental, que mantém as células unidas e provê um meio poroso para a
difusão de nutrientes e oxigênio para cada célula. A MEC, que circunda fibroblastos e outras
células do tecido conectivo, é composta por uma rede entrelaçada de polissacarídeos
e proteínas fibrosas, como colágenos, elastinas e fibronectinas fibrilares. A membrana
basal é uma MEC especializada sobre a qual se assentam as células epiteliais; ela é
constituída por colágenos especializados, laminas e heteropolissacarídeos (NELSON;
COX, 2014).
Os heteropolissacarídeos, os glicosaminoglicanos, formam uma família
de polímeros lineares compostos por unidades de dissacarídeo repetidas. Os
glicosaminoglicanos são exclusivos de animais e bactérias, não sendo encontrados
em plantas. O glicosaminoglicano ácido hialurônico (hialuronana) forma soluções
claras, altamente viscosas, que funcionam como lubrificantes no líquido sinovial das
articulações e geram a consistência gelatinosa do humor vítreo nos olhos dos vertebrados
(a palavra grega hyalos significa “vidro”; o ácido hialurônico pode ter aparência vítrea ou
translúcida). O ácido hialurônico também é um componente da matriz extracelular de
cartilagens e tendões, em que auxilia na resistência à tensão e elasticidade, devido a
sua forte interação não covalente com outros componentes da matriz. A hialuronidase,
enzima secretada por certas bactérias patogênicas, hidrolisa as ligações glicosídicas
do ácido hialurônico, tornando os tecidos mais suscetíveis à infecção bacteriana. Em
muitas espécies animais, uma enzima similar presente no espermatozoide hidrolisa o
revestimento de glicosaminoglicano que envolve o ovócito, permitindo a penetração do
espermatozoide.
115
NOTA
Você sabia?
O condroitin-sulfato, um heteropolissacarídeo, é um dos principais
componentes estruturais da cartilagem. Colírios oftalmológicos, em sua
maioria, são soluções de condroitin-sulfato que permitem uma melhor
lubrificação do globo ocular.
4
GLICOCONJUGADOS:
GLICOPROTEÍNAS E GLICOLIPÍDIOS
PROTEOGLICANOS,
Além dos importantes papéis como armazenadores de combustível (amido,
glicogênio, dextrana) e como material estrutural (celulose, quitina, peptidoglicanos),
os polissacarídeos e oligossacarídeos são transportadores de informação. Alguns
fornecem comunicação entre as células e a matriz extracelular circundante; outros
sinalizam proteínas para o transporte e a localização em organelas específicas ou para
degradação, quando a proteína é malformada ou supérflua; e outros atuam como
pontos de reconhecimento para moléculas de sinalização extracelulares (fatores de
crescimento, por exemplo) ou parasitas extracelulares (bactérias e vírus).
Em praticamente todas as células eucarióticas, cadeias de oligossacarídeos
específicos ligadas a componentes da membrana plasmática formam uma camada
de carboidratos (o glicocálice) com alguns nanômetros de espessura, que serve como
uma superfície rica em informações que a célula expõe para o meio exterior. Esses
oligossacarídeos são componentes centrais para reconhecimento e adesão entre
células, migração celular durante o desenvolvimento, coagulação sanguínea, resposta
imune, cicatrização de ferimentos e outros processos celulares. Na maioria desses casos,
o carboidrato que carrega a informação está covalentemente ligado a uma proteína ou
lipídio, formando um glicoconjugado (Figura 25), molécula biologicamente ativa.
116
peptidoglicano em bacrídeo que se repete no
)Mur2Ac; no ágar, é D-
eropolissacarídeos exduas unidades de moco (o queratan-sulfato
m aminoaçúcar N-acetiuns dos grupos hidromino de certos resíduos
o heparan-sulfato dão a
dade de cargas negatinformações estendidas.
ico, sulfato de condroian-sulfato) garantem à
adesão e resistência à
grânulos de secreção e lisossomos. As porções oligossacarídicas das glicoproteínas são muito heterogêneas e, assim
como os glicosaminoglicanos, são ricas em informação, forFIGURA 25 – ESTRUTURA DE ALGUNS GLICOCONJUGADOS
Proteoglicanos
+NH
|
3
Sulfato de condroitina
Ser
Heparan-sulfato
Fuc
Gal
Glc
Man
Xilose
Ser
Glicoproteínas
+NH
3
|
N-glicano
GlcA
GalNAc
GlcNAc
Asn
IdoA
Asn
licanos,
pídeos
Neu5Ac
Glicoesfingolipídeos
armazenadores de comna) e como material eslicanos), os polissacarírtadores de informação.
re as células e a matriz
alizam proteínas para o
elas específicas, ou para
alformada ou supérflua;
onhecimento para moléfatores de crescimento,
lulares (bactérias e vílas eucarióticas, cadeias
O-glicano
Ser/Thr
Ser/Thr
Fora
Membrana
Dentro
|
COO–
|
COO–
FONTE: Nelson eAs
Cox
(2014, p.de263)
FIGURA 724 Glicoconjugados.
estruturas
alguns proteoglicanos,
glicoproteínas e glicoesfingolipídeos típicos descritos no texto.
Os proteoglicanos são macromoléculas da superfície celular ou da matriz
extracelular nas quais uma ou mais cadeias de glicosaminoglicanos sulfatados estão
covalentemente unidas a uma proteína de membrana ou a uma proteína secretada.
A cadeia de glicosaminoglicano pode ligar-se a proteínas extracelulares por meio de
interações eletrostáticas entre a proteína e os açúcares negativamente carregados do
07/04/14 14:30
proteoglicano. Os proteoglicanos são os principais componentes de todas as matrizes
extracelulares.
As glicoproteínas têm um ou alguns oligossacarídeos de complexidades
variadas, unidos covalentemente a uma proteína. Costumam ser encontradas na
superfície externa da membrana plasmática (como parte do glicocálice), na matriz
extracelular e no sangue. Nas células são encontradas em organelas específicas, como
aparelho de Golgi, grânulos de secreção e lisossomos. As porções oligossacarídicas das
glicoproteínas são muito heterogêneas e, assim como os glicosaminoglicanos, são ricas
em informação, formando locais extremamente específicos para o reconhecimento e a
ligação de alta afinidade por proteínas ligantes de carboidratos, chamadas de lectinas.
Algumas proteínas citosólicas e nucleares também podem ser glicosiladas (NELSON;
COX, 2014).
117
Os glicoesfingolipídios são componentes da membrana plasmática nos quais
o grupo hidrofílico da cabeça é um oligossacarídeo. Como nas glicoproteínas, os
oligossacarídeos servem como pontos específicos para o reconhecimento por lectinas. O
cérebro e os neurônios são ricos em glicoesfingolipídios, os quais auxiliam na condução
nervosa e na formação da mielina. Os glicoesfingolipídios também são importantes para
a transdução de sinal celular (NELSON; COX, 2014).
NOTA
Curiosidades:
Você sabia que os glicoconjugados estão envolvidos com a sinalização
descoberta em hemácias (glóbulos vermelhos) envelhecidas?
Sim, as hemácias jovens têm, em sua superfície, glicoproteínas cuja
extremidade é rica em ácido siálico. Quando tais células envelhecem,
suas glicoproteínas perdem esse ácido e passam a expressar, em sua
extremidade, a galactose. Esse monossacarídeo é reconhecido por
receptores do fígado, que então capturam e removem da circulação as
hemácias ‘velhas’.
NOTA
Dosagem de glicose sanguínea no diagnóstico e no tratamento do diabetes
A glicose é o principal combustível para o cérebro. Quando a quantidade de glicose que
chega até o cérebro é muito baixa, as consequências podem ser desastrosas: letargia,
coma, dano cerebral permanente e morte. Com a evolução, os animais desenvolveram
mecanismos hormonais complexos para garantir que a concentração de glicose no sangue
permaneça alta o suficiente (aproximadamente 5 mM) para satisfazer as necessidades
cerebrais, mas não alta demais, já que níveis elevados de glicose no sangue também podem
ter consequências fisiológicas sérias.
Os indivíduos com diabetes melito dependente de insulina não produzem
insulina suficiente, o hormônio que normalmente atua para a redução da
concentração de glicose no sangue, e, se o diabetes não for tratado, os níveis
de glicose sanguínea nesses indivíduos podem elevar-se, ficando algumas
vezes maiores do que o normal. Acredita-se que esses altos níveis de glicose
sejam pelo menos uma das causas das sérias consequências de longo prazo
no diabetes não tratado – insuficiência renal, doenças cardiovasculares,
cegueira e cicatrização debilitada –, de modo que um dos objetivos da
terapia é prover exatamente a quantidade de insulina suficiente (por injeção)
para manter os níveis de glicose próximos do normal. Para manter o balanço
correto entre exercício, dieta e insulina para cada indivíduo, a concentração
de glicose sanguínea deve ser dosada algumas vezes ao dia, e a quantidade
de insulina injetada deve ser ajustada de modo apropriado.
118
As concentrações de glicose no sangue e na urina podem ser determinadas por meio de
um ensaio simples para açúcares redutores, como a reação de Fehling, que por muitos anos
foi o teste diagnóstico padrão para diabetes. Dosagens modernas precisam de apenas uma
gota de sangue, que é adicionada a uma fita de teste contendo a enzima glicose-oxidase.
Uma segunda enzima, uma peroxidase, catalisa a reação do H2O2 com um composto
incolor gerando um produto colorido, quantificado com um fotômetro simples que mostra
a concentração de glicose no sangue.
Como os níveis de glicose sanguínea variam com os períodos de refeição e exercício,
essas dosagens em momentos específicos não refletem a glicose sanguínea média ao
longo de horas ou dias, de modo que elevações perigosas podem passar despercebidas.
A concentração de média glicose pode ser estimada pelo seu efeito na hemoglobina, a
proteína carreadora de oxigênio dos eritrócitos. Transportadores na membrana dos
eritrócitos equilibram a concentração de glicose intracelular e plasmática, de modo que a
hemoglobina está constantemente exposta à concentração de glicose presente no sangue,
qualquer que seja essa concentração. Uma reação não enzimática ocorre entre a glicose e
os grupos amino primários da hemoglobina. A velocidade desse processo é proporcional à
concentração de glicose; por isso, essa reação pode ser usada como base para a estimativa
do nível médio de glicose sanguínea ao longo de semanas.
A quantidade de hemoglobina glicada (HbG) circulante em qualquer momento reflete a
concentração de glicose sanguínea média durante o “período de vida” do eritrócito (cerca
de 120 dias), embora a concentração das últimas duas semanas seja a mais importante na
determinação
do nível de HbG.
FONTE: Adaptado de Nelson e Cox (2014, p. 280-281)
119
RESUMO DO TÓPICO 5
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• Os açúcares (também chamados de sacarídeos) são compostos que contêm um
grupo aldeído ou cetona e dois ou mais grupos hidroxila.
• Os monossacarídeos comumente formam hemiacetais ou hemicetais internos, nos
quais o grupo aldeído ou cetona se une a um grupo hidroxila da mesma molécula,
criando uma estrutura cíclica.
• Oligossacarídeos são polímeros curtos, com alguns monossacarídeos unidos por ligações
glicosídicas. Em uma das extremidades da cadeia, a extremidade redutora está uma unidade
de monossacarídeo com seu carbono anomérico não envolvido em uma ligação glicosídica.
• Os polissacarídeos (glicanos) servem para o armazenamento de combustível como
componentes estruturais da parede celular e da matriz extracelular.
• Os homopolissacarídeos amido e glicogênio armazenam combustível em células
vegetais, animais e bacterianas.
• Os homopolissacarídeos celulose, quitina e dextrana têm funções estruturais. A
celulose, composta por resíduos de D-glicose em ligações (b1S4), garante força e
rigidez à parede celular de plantas. A quitina, um polímero de N-acetilglicosamina
com ligações (b1S4), fortalece o exoesqueleto de artrópodes. A dextrana forma um
revestimento aderente ao redor de certas bactérias.
• Os glicosaminoglicanos são heteropolissacarídeos extracelulares nos quais uma
das duas unidades de monossacarídeo é um ácido urônico. Esses polímeros (ácido
hialurônico, sulfato de condroitina, dermatan-sulfato e queratan-sulfato) garantem à
matriz extracelular viscosidade, adesão e resistência à compressão.
• Os proteoglicanos são glicoconjugados nos quais um ou mais glicanos grandes,
chamados de glicosaminoglicanos sulfatados (heparan-sulfato, sulfato de condroitina,
dermatan-sulfato ou queratan-sulfato) estão covalentemente ligados a uma
proteína central. Eles fornecem pontos de adesão, reconhecimento e transferência
de informação entre as células ou entre as células e a matriz extracelular.
• Muitas proteínas extracelulares ou da superfície celular são glicoproteínas, assim
como a maioria das proteínas secretadas. Os oligossacarídeos covalentemente
ligados influenciam o enovelamento e a estabilidade das proteínas, fornecem
informações cruciais sobre o destino de proteínas recentemente sintetizadas e
permitem o reconhecimento específico por outras proteínas.
120
AUTOATIVIDADE
1 Os polissacarídeos são macromoléculas formados pela união de muitos
monossacarídeos. Estes compostos apresentam uma massa molecular muito elevada
que depende do número de unidades de monossacarídeos que se unem. Podem
ser hidrolisados em polissacarídeos menores, assim como em dissacarídeos ou
monossacarídeos mediante a ação de determinadas enzimas. Nos organismos, os
polissacarídeos são classificados em dois grupos dependendo da função biológica que
exercem. Um importante polissacarídeo é a heparina. A heparina é um anticoagulante,
produzido de forma natural no nosso organismo. As células que produzem heparina
são ____________________. A heparina é um polissacarídeo classificada
como ____________________.
A alternativa que preenche corretamente as lacunas é, respectivamente:
a) ( ) Fibroblastos, Heteropolissacarídeos.
b) ( ) Mastócitos, Homopolissacarídeos.
c) ( ) Fibroblastos, Homopolissacarídeos.
d) ( ) Mastócitos, Heteropolissacarídeos.
e) ( ) Macrófagos, Heteropolissacarídeo.
2 Os monossacarídeos são os carboidratos mais simples, em que o número de átomos
de carbono pode variar de cinco, como nas pentoses, a seis carbonos, como nas
hexoses. Os dissacarídeos são associações de dois monossacarídeos, enquanto que
os polissacarídeos possuem muitos carboidratos do tipo monossacarídeo. Levando
em consideração o que foi estudado acerca destes compostos, analise a seguinte
figura:
FIGURA – EXEMPLOS DE CARBOIDRATOS
FONTE: A autora
Com relação à classificação destes carboidratos, marque com V as sentenças verdadeiras
e com F as falsas.
121
( ) A glicose é um monossacarídeo, se trata de uma hexose, e seu grupamento químico
é um aldeído.
( ) A frutose é uma pentose, também se trata de um monossacarídeo, no entanto,
difere da glicose por apresentar o grupamento do tipo cetona.
( ) Manose se trata de uma pentose do tipo aldeído, assim como a frutose.
( ) A galactose é um dissacarídeo, que forma a lactose, “açúcar do leite”, se trata de
uma hexose, pois possui seis carbonos centrais e seu grupamento é o aldeído.
Agora, assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) V – F – V – F.
b) ( ) V – F – F – V.
c) ( ) V – F – F – F.
d) ( ) F – V – V – F.
e) ( ) F – F – V – V.
122
UNIDADE 2
TÓPICO 6 -
NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS
1 INTRODUÇÃO
Nucleotídeos apresentam uma variedade de funções no metabolismo celular.
Eles são a moeda energética nas transações metabólicas; são as ligações químicas
essenciais nas respostas da célula a hormônios e a outros estímulos extracelulares;
também são os componentes estruturais de uma estrutura ordenada de cofatores
enzimáticos e intermediários metabólicos. E, por último, mas não menos importante,
são os constituintes dos ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido
ribonucleico (RNA), os repositórios moleculares da informação genética. A estrutura de
cada proteína – e, em última análise, de cada biomolécula e componente celular – é o
produto da informação programada na sequência nucleotídica dos ácidos nucleicos da
célula. A capacidade de armazenar e transmitir a informação genética de uma geração
à outra é uma condição fundamental para a vida (NELSON; COX, 2014).
Os ácidos nucleicos são assim chamados por seu caráter ácido e por terem sido
originalmente descobertos no núcleo das células. A partir da década de 1940, os ácidos
nucleicos passaram a ser intensivamente estudados, pois foi descoberto que eles
formam os genes responsáveis pela herança biológica (RODWELL; MURRAY; GRANNER,
2017).
A sequência de aminoácidos de cada proteína na célula e a sequência
nucleotídica de cada RNA são especificadas pela sequência nucleotídica do DNA da
célula. Um segmento de uma molécula de DNA que contém a informação necessária
para a síntese de um produto biologicamente funcional, seja proteína ou RNA, é
denominado gene. Uma célula costuma ter muitos milhares de genes, e moléculas de
DNA, não surpreendentemente, tendem a ser muito grandes. O armazenamento e a
transferência da informação biológica são as únicas funções conhecidas do DNA. O RNA
tem uma ampla variedade de funções e muitas classes são encontradas nas células
(NELSON; COX, 2014).
Este tópico fornecerá a você, acadêmico, uma visão geral da natureza química
dos nucleotídeos e ácidos nucleicos encontrados na maioria das células.
2 ESTRUTURA DOS NUCLEOTÍDEOS E NUCLEOSÍDEOS
Os nucleotídeos apresentam três componentes característicos: (1) uma base
nitrogenada (contendo nitrogênio); (2) uma pentose; e (3) um ou mais fosfatos. A
molécula sem o grupo fosfato é denominada nucleosídeo (Figura 26).
123
FIGURA 26 – ESTRUTURA DOS NUCLEOTÍDEOS E NUCLEOSÍDEO
FONTE: A autora
As bases nitrogenadas são derivadas de dois compostos relacionados: a
pirimidina e a purina. As bases e as pentoses dos nucleotídeos comuns são compostos
heterocíclicos.
A base de um nucleotídeo é ligada covalentemente por uma ligação N-bglicosídica ao carbono 19 da pentose, e o fosfato é esterificado no carbono 59. A ligação
N-b-glicosídica é formada pela remoção dos elementos de água (um grupo hidroxila
da pentose e o hidrogênio da base), como na formação da ligação O-glicosídica. Tanto
o DNA quanto o RNA contêm duas bases púricas principais: adenina (A) e guanina
(G), e duas pirimídicas. No DNA e no RNA, uma das pirimidinas é a citosina (C), mas a
segunda pirimidina não é a mesma nos dois: é a timina (T) no DNA e a uracila (U) no
RNA. As estruturas das cinco principais bases estão mostradas na Figura 27 (RODWELL;
MURRAY; GRANNER, 2017).
FIGURA 27 – PRINCIPAIS BASES PÚRICAS E PIRIMÍDICAS DOS ÁCIDOS NUCLEICOS
FONTE: Rodwell, Murray e Granner (2017, p. 178)
124
Os ácidos nucleicos são constituídos por duas pentoses. Se o açúcar em questão
é a ribose, teremos um ribonucleosídeo, característico do RNA. Se o açúcar em questão
é a desoxirribose, teremos um desoxirribonucleosídeo, característico do DNA.
3 LIGAÇÕES FOSFODIÉSTERES
Os nucleotídeos consecutivos de ambos DNA e RNA são ligados covalentemente
por “pontes” de grupos fosfato, nas quais o grupo 59-fosfato de uma unidade
nucleotídica é ligado ao grupo 39-hidroxila do próximo nucleotídeo, criando uma
ligação fosfodiéster (Figura 28). Portanto, o esqueleto covalente dos ácidos nucleicos
consiste em fosfatos e resíduos de pentose alternados, e as bases nitrogenadas podem
ser consideradas como grupos laterais ligados ao esqueleto em intervalos regulares. O
esqueleto do DNA e do RNA são hidrofílicos. Os grupos hidroxila dos resíduos de açúcar
formam ligações de hidrogênio com a água. Os grupos fosfato, com um pKa próximo
a 0, são completamente ionizados e carregados negativamente em pH 7, e as cargas
negativas são, de um modo geral, neutralizadas pelas interações iônicas com cargas
positivas nas proteínas, nos íons metálicos e nas poliaminas (NELSON; COX, 2014).
FIGURA 28 – LIGAÇÕES FOSFODIÉSTER NO ESQUELETO COVALENTE DO DNA E DO RNA
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 285)
125
4 ESTRUTURA DOS ÁCIDOS NUCLEICOS
A descoberta da estrutura do DNA por Watson e Crick, em 1953, deu origem
a disciplinas completamente novas e influenciou o rumo de muitas já estabelecidas.
Agora, abordaremos algumas características particulares presentes no DNA e no RNA.
4.1 CARACTERÍSTICAS DO DNA
O DNA foi inicialmente isolado e caracterizado por Friedrich Miescher, em
1868. Ele chamou a substância contendo fósforo de “nucleína”. Até os anos de 1940,
com o trabalho de Oswald T. Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty, não existia uma
evidência convincente de que o DNA fosse o material genético. Avery e seus colegas
descobriram que DNA extraído de uma linhagem virulenta (patogênica) da bactéria
Streptococcus pneumoniae, e injetado em uma linhagem não virulenta da mesma
bactéria, transformava a linhagem não virulenta em virulenta. Eles concluíram que o
DNA da linhagem virulenta carregava a informação genética para virulência. Então, em
1952, experimentos de Alfred D. Hershey e Martha Chase, que estudaram a infecção
de células bacterianas por um vírus (bacteriófago), com DNA ou proteína marcados
radioativamente, acabaram com qualquer dúvida remanescente de que o DNA, e não
a proteína, portava a informação genética. Outra pista importante para a estrutura
do DNA veio do trabalho de Erwin Chargaff e seus colegas, no final dos anos 1940.
Eles descobriram que as quatro bases nucleotídicas do DNA eram encontradas em
proporções diferentes nos DNAs de organismos diferentes e que as quantidades de
certas bases estavam relacionadas (NELSON; COX, 2014).
James Watson e Francis Crick contaram com essas informações acumuladas
sobre o DNA para deduzir sua estrutura. Em 1953, eles postularam o modelo tridimensional
da estrutura do DNA que levava em consideração todos os dados disponíveis. O modelo
consiste em duas cadeias de DNA helicoidais enroladas em torno do mesmo eixo para
formar uma dupla hélice de orientação à direita.
O DNA é uma molécula extremamente flexível, em que entre as bases
nitrogenadas adenima e timina observamos a presença de duas ligações de hidrogênio,
enquanto no pareamento de citocina e guanina, percebemos a presença de três ligações
de hidrogênio.
5 CARACTERÍSTICAS DOS RNAS
Agora o foco será a expressão da informação genética que o DNA contém. O
RNA, a segunda maior forma de ácidos nucleicos nas células, tem muitas funções. Na
expressão gênica, o RNA atua como intermediário pelo uso da informação codificada no
DNA para especificar a sequência de aminoácidos da proteína funcional. Uma vez que
126
o DNA de eucariotos é basicamente confinado no núcleo, enquanto a síntese proteica
ocorre nos ribossomos no citoplasma, alguma outra molécula que não o DNA deve
carregar a mensagem genética do núcleo para o citoplasma. Já por volta da década de
1950, o RNA foi considerado o candidato lógico: o RNA é encontrado tanto no núcleo
quanto no citoplasma e um aumento na síntese proteica é acompanhado por um
aumento na quantidade de RNA citoplásmico e um aumento da sua taxa de renovação.
Essas e outras observações levaram vários pesquisadores a sugerir que o RNA carrega
a informação genética do DNA para a maquinaria biossintética proteica do ribossomo
(RODWELL; MURRAY; GRANNER, 2017).
Em 1961, François Jacob e Jacques Monod apresentaram uma descrição
consistente de muitos aspectos desse processo. Eles propuseram o nome “RNA
mensageiro” (mRNA) para aquela porção do RNA celular total que carrega a informação
genética do DNA para os ribossomos, em que os mensageiros fornecem os moldes que
especificam as sequências de aminoácidos nas cadeias polipeptídicas. O processo de
formação de um mRNA a partir de um molde de DNA é conhecido como transcrição
(NELSON; COX, 2014).
Além do RNA mensageiro, existem também o RNA ribossômico e RNA
transportador. O RNA ribossômico participa da constituição dos ribossomos e são
armazenados no núcleo da célula, em uma região denominada de nucléolo. Já o RNA
transportador transporta os aminoácidos até o local da síntese de proteínas na Tradução.
6 A QUÍMICA DO ÁCIDO NUCLEICO
O papel do DNA como repositório da informação genética depende em parte
da sua estabilidade inerente. As transformações químicas que ocorrem geralmente são
muito lentas na ausência de um catalisador enzimático. Entretanto, o armazenamento de
longo prazo da informação inalterada é tão importante para a célula que mesmo reações
muito lentas, que alteram a estrutura do DNA, podem ser fisiologicamente significativas.
Processos como carcinogênese e envelhecimento podem estar intimamente ligados ao
acúmulo lento e irreversível de alterações no DNA. Outras alterações, não destrutivas,
também ocorrem e são essenciais para a função, como a separação das cadeias que
deve preceder a replicação do DNA ou a transcrição. Além de proporcionar maior
compreensão dos processos fisiológicos, nosso conhecimento da química dos ácidos
nucleicos nos concedeu um conjunto poderoso de tecnologias que tem aplicações em
biologia molecular, na medicina e na ciência forense (NELSON; COX, 2014).
127
7 OUTRAS FUNÇÕES DOS NUCLEOTÍDEOS
Além das suas funções como subunidades dos ácidos nucleicos, os nucleotídeos
têm uma variedade de outras funções em cada célula: como carreadores de energia,
componentes de cofatores enzimáticos e mensageiros químicos. Podemos citar
algumas funções relacionadas ao nucleotídeo:
• os nucleotídeos carregam energia química nas células;
• nucleotídeos da adenina são componentes de muitos cofatores enzimáticos;
• alguns nucleotídeos são moléculas reguladoras.
128
RESUMO DO TÓPICO 6
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• Um nucleotídeo é constituído por uma base nitrogenada (purina ou pirimidina), um
açúcar pentose e um ou mais grupos fosfato. Os ácidos nucleicos são polímeros de
nucleotídeos, unidos por ligações fosfodiéster entre o grupo 59-hidroxila de uma
pentose e o grupo 39-hidroxila da próxima pentose.
• Existem dois tipos de ácidos nucleicos: RNA e DNA.
• Os nucleotídeos no RNA contêm ribose e as bases pirimídicas comuns são a uracila e
a citosina.
• No DNA, os nucleotídeos contêm 29-desoxirribose e as bases pirimídicas comuns
são a timina e a citosina. As purinas primárias são adenina e guanina tanto no RNA
quanto no DNA.
• Muitas linhas de evidência demonstram que o DNA carrega a informação genética.
• Alguns dos primeiros indícios vieram do experimento de Avery-MacLeod-McCarty,
o qual demonstrou que o DNA isolado de uma linhagem bacteriana pode entrar em
células de outra linhagem e transformá-las, dotando-as com algumas características
hereditárias do doador.
• O RNA mensageiro transfere a informação genética do DNA para os ribossomos para
a síntese proteica.
• O RNA transportador e o RNA ribossômico também estão envolvidos na síntese
proteica.
• O ATP é o carregador central de energia química nas células. A presença de uma
porção adenosina em uma variedade de cofatores enzimáticos pode ser relacionada
às necessidades de energia de ligação.
129
AUTOATIVIDADE
Através dessa sequência de perguntas e respostas, observe a importância dos ácidos
nucleicos.
Ex.: Como a célula realiza suas funções?
R.: Através de reações químicas.
Quem catalisa essas reações?
R.: As enzimas.
Quimicamente, o que são enzimas?
R.: Proteínas.
Quem comanda a síntese das proteínas?
R.: Os A.N. Logo, sem A.N. as células não receberiam de suas antecessoras as
informações genéticas para orientar a síntese das enzimas certas capazes de
catalisar as reações responsáveis pelo tipo de atividades a ser desenvolvida por cada
tipo de célula.
Agora, responda:
1 Quais as funções dos ácidos nucleicos?
2 Diferencie DNA e RNA.
3 O que é um nucleotídeo? E um nucleosídeo?
130
TÓPICO 7 -
UNIDADE 2
LIPÍDIOS
1 INTRODUÇÃO
Os lipídios biológicos são um grupo de compostos quimicamente diversos,
cuja característica em comum que os define é a insolubilidade em água. As funções
biológicas dos lipídios são tão diversas quanto a sua química. Gorduras e óleos são as
principais formas de armazenamento de energia em muitos organismos. Os fosfolipídios
e os esteróis são os principais elementos estruturais das membranas biológicas. Outros
lipídios, embora presentes em quantidades relativamente pequenas, desempenham
papéis cruciais como cofatores enzimáticos, transportadores de elétrons, pigmentos
fotossensíveis, âncoras hidrofóbicas para proteínas, chaperonas para auxiliar no
enovelamento de proteínas de membrana, agentes emulsificantes no trato digestivo,
hormônios e mensageiros intracelulares (NELSON; COX, 2014).
Este tópico apresentará os lipídios mais representativos de cada um dos tipos
de lipídios, organizados de acordo com suas funções, com ênfase na estrutura química
e nas propriedades físicas.
2 LIPÍDIOS DE ARMAZENAMENTO
As gorduras e os óleos utilizados de modo quase universal como formas de
armazenamento de energia nos organismos vivos são derivados de ácidos graxos.
Os ácidos graxos são derivados de hidrocarbonetos, com estado de oxidação quase
tão baixo (ou seja, altamente reduzido) quanto os hidrocarbonetos nos combustíveis
fósseis. A oxidação celular de ácidos graxos (a CO2 e H2O), assim como a combustão
controlada e rápida de combustíveis fósseis em motores de combustão interna, é
altamente exergônica (RODWELL; MURRAY; GRANNER, 2017).
Mas o que é uma reação exergônica? São reações que liberam energia para o
trabalho celular a partir do potencial de degradação dos nutrientes orgânicos.
Os ácidos graxos representam o grupo mais abundante de lipídios e são derivados
dos ácidos carboxílicos (COOH). Possuem de 4 a 24 átomos de carbono e podem ser
chamados de lipídios saponificáveis, porque a reação destes com uma solução quente
de hidróxido de sódio produz o correspondente sal sódico do ácido carboxílico, isto é, o
sabão.
131
Ácidos graxos podem ser classificados em saturados e insaturados. Os saturados
geralmente estão no estado sólido e são armazenados no interior de células de gordura
chamadas de adipócitos. Os ácidos graxos insaturados geralmente estão no estado
líquido e faltam alguns átomos de hidrogênio em sua molécula e, por isso, ocorre uma
ligação dupla entre os átomos de carbono. Nos saturados essa ligação é simples.
NOTA
Você sabia?
Existe um tipo de gordura formada por um processo químico (hidrogenação),
no qual óleos vegetais líquidos são transformados em ácido graxo trans, uma
gordura sólida. Essa gordura é muito prejudicial, pois além de aumentar os
níveis de Lipoproteína de baixa densidade LDL, acaba diminuindo os níveis
de Lipoproteína de alta densidade HDL. Similar à gordura saturada, na
gordura trans os átomos de hidrogênio estão dispostos transversalmente
(na diagonal), e não em paralelo, como ocorre nos ácidos graxos encontrados
na natureza. Daí vem o nome trans.
Os lipídios mais simples construídos a partir de ácidos graxos são os
triacilgliceróis, também chamados de triglicerídeos, gorduras ou gorduras neutras.
Os triacilgliceróis são compostos por três ácidos graxos, cada um em ligação éster com
uma molécula de glicerol (Figura 29). Aqueles que contêm o mesmo tipo de ácido graxo
em todas as três posições são chamados de triacilgliceróis simples, e sua nomenclatura
é derivada do ácido graxo que contêm. A maioria dos triacilgliceróis de ocorrência natural
é mista, pois contém dois ou três ácidos graxos diferentes. Os lipídios têm densidades
específicas mais baixas do que a água, o que explica por que as misturas de óleo e água
(por ex., tempero de salada com azeite e vinagre) têm duas fases: o óleo, com densidade
específica mais baixa, flutua sobre a fase aquosa (NELSON; COX, 2014).
As ceras biológicas são ésteres de ácidos graxos saturados e insaturados de cadeia
longa (C14 a C36) com álcoois de cadeia longa (C16 a C30). No plâncton, microrganismos
de vida livre na base da cadeia alimentar dos animais marinhos, as ceras são a principal
forma de armazenamento de combustível metabólico. As ceras também servem para uma
diversidade de outras funções relacionadas as suas propriedades impermeabilizantes e sua
consistência firme. Certas glândulas da pele de vertebrados secretam ceras para proteger
os pelos e a pele e mantê-los flexíveis, lubrificados e impermeáveis. As aves, particularmente
as aquáticas, secretam ceras por suas glândulas uropigiais para manter suas penas
impermeáveis à água. As folhas lustrosas do azevinho, do rododendro, da hera venenosa
e de muitas outras plantas tropicais são cobertas por uma camada grossa de ceras, que
impede a evaporação excessiva de água e as protege contra parasitas. As ceras biológicas
têm várias aplicações em indústrias como a farmacêutica, a cosmética, entre outras. A
lanolina (da lã de cordeiro), a cera de abelha, a cera de carnaúba (palmeira brasileira) e a cera
extraída do óleo do cachalote (espécie de baleia) são amplamente utilizadas na manufatura
de loções, pomadas e polidores (NELSON; COX, 2014).
132
específicas mais baixas do que a água, o que explica por que
as misturas de óleo e água (p. ex., tempero de salada com
azeite e vinagre) têm duas fases: o óleo, com densidade específica mais baixa, flutua sobre a fase aquosa.
os átomos de carbo
FIGURA 29 – O GLICEROL E UM TRIACILGLICEROL
1
HO
3
CH2 CH2
2 CH
OH
OH
Glicerol
C
CH2 3 CH2
O 2 CH
O
O
1
O
C
O
O
C
1-estearoil, 2-linoleoil, 3-palmitoil glicerol,
um triacilglicerol misto
FONTE:eNelson
e Cox (2014, O
p. triacilglicerol
360)
FIGURA 103 O glicerol
um triacilglicerol.
misto mostrado aqui tem três ácidos graxos diferentes ligados à cadeia do glicerol.
Quando o glicerol apresenta ácidos graxos diferentes em C-1 e C-3, o C-2 é
um centro quiral (p. 17).
3 LIPÍDIOS ESTRUTURAIS DE MEMBRANA
FIGURA 104 Depósito
de tecido adiposo branc
de gordura (branco) tão
lho) contra a membrana
cotilédone de uma sem
escuras são corpos prote
mento nos corpos oleos
A característica central na arquitetura das membranas biológicas é uma dupla
camada de lipídios que atua como barreira à passagem de moléculas polares e íons. Os
lipídios de membrana são anfipáticos: uma extremidade da molécula é hidrofóbica e a
outra é hidrofílica. Suas interações hidrofóbicas entre si e suas interações hidrofílicas
Nelson_6ed_book.indb 360
com a água
direcionam o seu empacotamento em camadas, chamadas de bicamadas de
membrana. Existem cinco tipos gerais de lipídios de membrana: glicerofosfolipídios, nos
quais as regiões hidrofóbicas são compostas por dois ácidos graxos ligados ao glicerol;
galactolipídios e sulfolipídios, que também contêm dois ácidos graxos esterificados com
o glicerol, mas não apresentam os fosfatos característicos dos fosfolipídios; lipídios
tetraéter em arquea, nos quais duas cadeias muito longas de alquilas estão unidas
por ligação éter ao glicerol em ambas as extremidades; esfingolipídios, nos quais um
133
único ácido graxo está ligado a uma amina graxa, a esfingosina; e esteróis, compostos
caracterizados por um sistema rígido de quatro anéis hidrocarbonados fusionados
(RODWELL; MURRAY; GRANNER, 2017).
Os esfingolipídios diferem dos fosfolipídios, pois nos esfingolipídios em vez
de ter o glicerol, eles são derivados de um amino álcool. Um dos esfingolipídios mais
importantes é a Esfingomielina, popularmente chamada de bainha de mielina, que
reveste o axônio dos neurônios.
4 LIPÍDIOS COMO SINAIS, COFATORES E PIGMENTOS
As duas classes funcionais de lipídios consideradas até agora são importantes
componentes celulares; os lipídios de membrana compõem de 5 a 10% da massa seca
da maioria das células, e os lipídios de armazenamento, mais de 80% da massa de um
adipócito. Com algumas exceções importantes, esses lipídios desempenham um papel
passivo na célula; os combustíveis lipídicos formam barreiras impermeáveis em volta
das células e dos compartimentos celulares (NELSON; COX, 2014).
Outro grupo de lipídios, presente em quantidades bem menores, tem papéis
ativos no tráfego metabólico como metabólitos e mensageiros. Alguns servem como
sinalizadores potentes – como hormônios, carregados no sangue de um tecido a outro,
ou como mensageiros intracelulares gerados em resposta a uma sinalização extracelular
(hormônio ou fator de crescimento). Outros funcionam como cofatores enzimáticos
em reações de transferência de elétrons nos cloroplastos e nas mitocôndrias, ou na
transferência de porções de açúcar em várias reações de glicosilação (NELSON; COX,
2014).
Um terceiro grupo consiste em lipídios com um sistema de ligações duplas
conjugadas: moléculas de pigmento que absorvem a luz visível. Alguns deles atuam
como pigmentos fotossensíveis na visão e na fotossíntese; outros produzem colorações
naturais, como o alaranjado das abóboras e cenouras e o amarelo das penas dos
canários. Finalmente, um grupo muito grande de lipídios voláteis produzidos nas plantas
serve de sinalizador, que é transportado pelo ar, permitindo às plantas comunicarem-se
umas com as outras, atraírem animais amigos e dissuadirem inimigos (NELSON; COX,
2014).
As prostaglandinas (PG) contêm um anel de cinco carbonos que se origina da
cadeia do ácido araquidônico. Seu nome deriva da glândula próstata, o tecido a partir
do qual elas foram isoladas pela primeira vez por Bengt Samuelsson e Sune Bergström.
As prostaglandinas apresentam diversas funções. Algumas estimulam a contração da
musculatura lisa do útero durante a menstruação e o trabalho de parto. Outras afetam
o fluxo sanguíneo a órgãos específicos, o ciclo sono-vigília e a sensibilidade de certos
134
tecidos a hormônios como a epinefrina e o glucagon. As prostaglandinas de um terceiro
grupo elevam a temperatura corporal (produzindo a febre) e causam inflamação e dor
(NELSON; COX, 2014).
Os tromboxanos têm um anel de seis membros que contém éter. São produzidos
pelas plaquetas (também chamadas de trombócitos) e atuam na formação dos coágulos
e na redução do fluxo sanguíneo no local do coágulo.
Os leucotrienos, encontrados pela primeira vez em leucócitos, contêm três
ligações duplas conjugadas e são poderosos sinalizadores biológicos. Por exemplo, o
leucotrieno D4, derivado do leucotrieno A4, induz a contração da musculatura lisa que
envolve as vias aéreas até o pulmão. A produção excessiva de leucotrienos causa a crise
de asma, e a síntese de leucotrienos é um dos alvos dos fármacos antiasmáticos, como
a prednisona. A forte contração da musculatura lisa dos pulmões que ocorre durante
o choque anafilático é parte da reação alérgica potencialmente fatal em indivíduos
hipersensíveis a ferroadas de abelha, penicilina ou outros agentes (NELSON; COX, 2014).
Os esteroides são derivados oxidados dos esteróis; eles têm o núcleo esterol,
mas não a cadeia alquila ligada ao anel D do colesterol. Os hormônios esteroides
circulam pela corrente sanguínea (em carreadores proteicos) do local onde foram
produzidos até os tecidos-alvo, onde entram nas células, ligam-se a receptores
proteicos altamente específicos no núcleo e causam mudanças na expressão gênica
e, portanto, no metabolismo. Como os hormônios têm afinidade muito alta por seus
receptores, concentrações muito baixas (nanomolar ou menos) são suficientes para
produzir respostas nos tecidos-alvo. Os principais grupos de hormônios esteroides
são os hormônios sexuais masculinos e femininos e os hormônios produzidos pelo
córtex suprarrenal, cortisol e aldosterona. A prednisona e a prednisolona são fármacos
esteroides com atividades anti-inflamatórias potentes, mediadas em parte pela inibição
da liberação do araquidonato pela fosfolipase A2 e pela consequente inibição da síntese
de leucotrienos, prostaglandinas e tromboxanos. Elas têm uma série de aplicações
médicas, incluindo o tratamento de asma e de artrite reumatoide (RODWELL; MURRAY;
GRANNER, 2017).
5 SEPARAÇÃO E ANÁLISE DE LIPÍDIOS
Como os lipídios são insolúveis em água, sua extração e seu posterior
fracionamento requerem o uso de solventes orgânicos e de algumas técnicas
pouco utilizadas na purificação de moléculas hidrossolúveis, como as proteínas e os
carboidratos. Em geral, misturas complexas de lipídios são separadas por diferenças
na polaridade ou na solubilidade em solventes apolares. Os lipídios que contêm ácidos
graxos ligados a éster ou amida podem ser hidrolisados pelo tratamento com ácido ou
base ou com enzimas hidrolíticas específicas (fosfolipases, glicosidases) para liberar
seus componentes para análise. Alguns métodos bastante utilizados nas análises de
lipídios são mostrados a partir da seguinte figura:
135
adores, cofatores e
A extração de lipídeos requer solventes orgânicos
Os lipídeos neutros (triacilgliceróis, ceras, pigmentos, etc.)
a presentes em quanti- são prontamente extraídos dos tecidos com éter etílico,
clorofórmio ou benzeno, solventes que não permitem a
sempenham papéis cruFIGURA 30 – PROCEDIMENTOS
COMUNS NA
EXTRAÇÃO,
NA hidrofóbicas.
SEPARAÇÃO E NA
DE LIPÍagregação causada
pelas
interações
OsIDENTIFICAÇÃO
lipídores.
DIOS CELULARES
hidrolisado para proTecido
Células
lulares, o diacilglicerol
(a)
Homogeneizado em
clorofórmio/metanol/água
fosfatidilinositol-3,4,5eação para complexos
volvidos na sinalização
xanos e os leucotrienos
araquidonato, são hor.
omo os hormônios seis. Servem como podealterando a expressão
Metanol + água
Clorofórmio + lipídeos
(b) Separa as principais classes primeiro
ompostos lipossolúveis
preno. Todos desempebolismo ou na fisiologia
ursora de um hormônio
cio. A vitamina A forneolho dos vertebrados e é
ca durante o crescimenna E funciona na proteontra o dano oxidativo,
processo de coagulação
Cromatografia em
camada delgada
Cromatografia de
adsorção,
cromatografia
gasosa, HPLC
(c)
Usa o método rápido
Espectrometria
direta do
extrato total
onas, também derivadas
adores de elétrons nas
respectivamente.
s açúcares às membrasão então utilizados na
xos, glicolipídeos e gli-
s servem como pigmenàs penas das aves suas
Espectrometria de massa com tipos, condições
FONTE:
Nelson
e Cox (2014,
p. 377)
e modos
de monitoramento
diferentes
turais amplamente usa-
eos
Misturas complexas de lipídiosLipidoma
dos tecidos podem ser fracionadas por
procedimentos cromatográficos
com base
nas diferentes
polaridades
de cada classe de
FIGURA 1025 Procedimentos
comuns
na extração, na
separação e na
identificação
lipídio (NELSON; COX,
2014).de lipídeos celulares. (a) O tecido é homogeneizado em
m água, sua extração e
rem o uso de solventes
uco utilizadas na purificomo as proteínas e os
mplexas de lipídeos são
dade ou na solubilidade
que contêm ácidos gram ser hidrolisados pelo
om enzimas hidrolíticas
ases) para liberar seus
s métodos comumente
ão mostrados na Figura
136
uma mistura de clorofórmio/metanol/água, que gera duas fases com a adição de água e a remoção dos sedimentos não extraíveis por centrifugação.
(b) As principais classes dos lipídeos extraídos na fase clorofórmio podem ser
primeiro separados por cromatografia de camada delgada (CCD), na qual os
lipídeos são carregados para cima em uma placa de sílica coberta de gel por
uma frente ascendente de solvente, com os lipídeos menos polares migrando
mais do que os lipídeos mais polares ou carregados, ou por cromatografia de
adsorção em uma coluna de sílica gel em que passam solventes de polaridade
crescente. Por exemplo, cromatografia em coluna com solventes apropriados
pode ser usada para separar espécies lipídicas intimamente relacionadas, tal
como fosfatidilserina, fosfatidilglicerol, e fosfatidilinositol. Uma vez separados,
os ácidos graxos complementares a cada lipídeo podem ser determinados por
espectrometria de massa. (c) Alternativamente, no método rápido, um extrato
de lipídeos não fracionado pode ser diretamente submetido à espectrometria
de massa de alta resolução de diferentes tipos e sob condições distintas para
determinar a composição total de todos os lipídeos: o lipidoma.
NOTA
Acúmulos anormais de lipídios de membrana: algumas doenças
Os lipídios polares das membranas sofrem constante renovação metabólica (turnover), e a
sua taxa de síntese normalmente é contrabalançada por sua taxa de degradação.
A degradação dos lipídios é promovida por enzimas hidrolíticas nos lisossomos, sendo cada
enzima capaz de hidrolisar uma ligação específica. Quando a degradação de esfingolipídios
é prejudicada por um defeito em uma dessas enzimas, os produtos da degradação parcial
se acumulam nos tecidos, causando doenças graves.
Por exemplo, a doença de Niemann-Pick é causada por um defeito genético raro na
enzima esfingomielinase, que cliva a fosfocolina da esfingomielina. A Esfingomielina
se acumula no encéfalo, no baço e no fígado. A doença se torna evidente em bebês
e causa deficiência intelectual e morte prematura. Mais comum é a doença de
Tay-Sachs, na qual o gangliosídeo GM2 se acumula no encéfalo e no baço devido
à falta da enzima hexosaminidase A. Os sintomas da doença de Tay-Sachs são
retardo progressivo no desenvolvimento, paralisia, cegueira e morte até os 3 ou 4
anos de idade.
O aconselhamento genético pode prever e evitar muitas doenças hereditárias. Os
testes nos futuros pais podem detectar enzimas anormais, então testes de DNA
podem determinar a natureza exata do defeito e o risco que ele representa para
os descendentes. Uma vez que ocorra a gravidez, as células fetais obtidas por
amostra de parte da placenta (da vilosidade coriônica) ou do líquido amniótico
(amniocentese) podem ser testadas.
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 369)
137
RESUMO DO TÓPICO 7
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• Os lipídios são componentes celulares insolúveis em água, de estruturas diversas,
que podem ser extraídos dos tecidos por solventes apolares.
• Quase todos os ácidos graxos, os componentes hidrocarbonados de muitos lipídios,
têm um número par de átomos de carbono (geralmente 12 a 24); eles são saturados
ou insaturados, com ligações duplas quase sempre na configuração cis.
• Os triacilgliceróis contêm três moléculas de ácidos graxos esterificadas aos três
grupos hidroxila do glicerol.
• Os triacilgliceróis simples contêm somente um tipo de ácido graxo; os mistos contêm
dois ou três tipos. Eles são principalmente gorduras de reserva, estando presentes
em muitos alimentos.
• A hidrogenação parcial de óleos vegetais na indústria alimentícia converte algumas
ligações duplas cis para a configuração trans. Ácidos graxos trans na dieta são um
importante fator de risco para doenças cardíacas coronarianas.
• Os lipídios polares, com grupos polares e caudas apolares, são importantes
componentes das membranas. Os mais abundantes são os glicerofosfolipídios, que
contêm ácidos graxos esterificados a dois dos grupos hidroxila do glicerol e um
segundo álcool, o grupo cabeça, esterificado à terceira hidroxila do glicerol via uma
ligação fosfodiéster. Outros lipídios polares são os esteróis.
• Alguns tipos de lipídios, embora presentes em quantidades relativamente baixas,
desempenham papéis cruciais como cofatores ou sinalizadores.
• As prostaglandinas, os tromboxanos e os leucotrienos (os eicosanoides), derivados
do araquidonato, são hormônios extremamente potentes.
• Os hormônios esteroides, tal como os hormônios sexuais, são derivados dos esteróis.
Servem como poderosos sinalizadores biológicos, alterando a expressão gênica nas
células-alvos.
138
AUTOATIVIDADE
1 Os lipídios possuem alta solubilidade em solventes orgânicos e baixa solubilidade
em água (Hidrofóbicas). Estão distribuídos em todos os tecidos, principalmente nas
membranas celulares e nas células de gordura, possuindo uma classificação muito
ampla. A coluna I, a seguir, apresenta quatro grupos de lipídios, e a coluna II, alguns
exemplos desses lipídios. Associe adequadamente a segunda coluna com a primeira.
COLUNA I
1- Lipoproteína
2- Glicerídeos
3- Esfingolipídio
4- Esteroides
COLUNA II
( ) Glicerol
( ) Bainha de Mielina
( ) Colesterol
( ) Testosterona
( ) Aldosterona
( )HDL
( ) LDL
A sequência correta de preenchimento dos parênteses, de cima para baixo, é:
a) ( ) 2 – 3 – 1 – 4 – 4 – 2 – 1.
b) ( ) 2 – 3 – 4 – 4 – 4 – 1 – 1.
c) ( ) 3 – 1 – 3 – 4 – 2 – 1 – 4.
d) ( ) 2 – 3 – 4 – 1 – 3 – 1 – 2.
e) ( ) 1 – 2 – 2 – 3 – 1 – 3 – 4.
2 A adrenoleucodistrofia, também conhecida pelo acrônimo ALD, é uma doença
genética rara, incluída no grupo das leucodistrofias, e que tem duas formas, sendo a
mais comum a forma ligada ao cromossomo X, uma herança ligada ao sexo de caráter
recessivo transmitida por mulheres portadoras e que afeta fundamentalmente homens.
O causador é um gene mutante localizado no cromossomo X. Afeta as células brancas do
cérebro, bem como o sistema nervoso, além de alterar o metabolismo dos peroxissomos,
codificando a síntese da proteína ALDO, relacionada ao metabolismo lipídico. O filme O
óleo de Lourenço fala sobre essa patologia genética. Essa patologia acaba trazendo
danos às células nervosas – neurônios, em que um importante componente lipídico é
degenerado. O componente lipídico é ___________________ e está presente
no __________________ de neurônios.
A alternativa que completa a sentença é, respectivamente:
a) ( ) Fosfolipídio, Corpo celular de neurônio.
b) ( ) Esfingomielina, Dendritos.
c) ( ) Cerídeos, Axônio.
d) ( ) Esteroides, Terminal Axônico.
e) ( ) Esfingomielina, Axônio.
139
140
UNIDADE 3 —
METABOLISMO
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:
• relatar a primeira e a segunda lei da termodinâmica e compreender como elas se
aplicam aos sistemas biológicos;
• explicar o que significam os termos energia livre, entropia, entalpia, exergônica e endergônica;
• observar como as reações endergônicas podem ser favorecidas por meio do acoplamento às reações que são exergônicas nos sistemas biológicos;
• compreender o papel dos fosfatos de alta energia, do ATP e de outros nucleotídeos
trifosfato na transferência de energia livre dos processos exergônicos para os endergônicos, possibilitando que atuem como a “moeda” energética nas células;
• explicar os conceitos das vias metabólicas anabólicas, catabólicas e anfibólicas.
• descrever, em linhas gerais, o metabolismo de carboidratos, lipídios e aminoácidos
no nível dos tecidos e órgãos e no nível subcelular e a conversão dos combustíveis
metabólicos;
• caracterizar o modo como é regulado o fluxo de metabólitos através de vias metabólicas;
• elucidar como uma provisão de combustíveis metabólicos é fornecida tanto no estado alimentado quanto no jejum, assim como a formação de reservas de combustíveis
metabólicos no estado alimentado e a sua mobilização durante o jejum.
PLANO DE ESTUDOS
Esta unidade está dividida em cinco tópicos. No decorrer dela, você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.
TÓPICO 1 – PRINCÍPIOS DA BIOENERGÉTICA
TÓPICO 2 – CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
TÓPICO 3 – METABOLISMO DE ÁCIDOS GRAXOS E TRIGLICERÍDEOS
TÓPICO 4 – METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS
TÓPICO 5 – METABOLISMO DE NUCLEOTÍDEOS
CHAMADA
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UNIDADE 3!
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UNIDADE 3
TÓPICO 1 —
PRINCÍPIOS DA BIOENERGÉTICA
1 INTRODUÇÃO
O metabolismo é uma atividade celular altamente coordenada, em que muitos
sistemas multienzimáticos (vias metabólicas) cooperam para: (1) obter energia química
capturando energia solar ou degradando nutrientes energeticamente ricos obtidos
do meio ambiente; (2) converter as moléculas dos nutrientes em moléculas com
características próprias de cada célula, incluindo precursores de macromoléculas; (3)
polimerizar precursores monoméricos em macromoléculas (proteínas, ácidos nucleicos e
polissacarídeos); e (4) sintetizar e degradar as biomoléculas necessárias para as funções
celulares especializadas, como lipídios de membrana, mensageiros intracelulares e
pigmentos. Embora o metabolismo englobe centenas de diferentes reações catalisadas
por enzimas, o grande objetivo dessa unidade é o estudo das principais vias metabólicas,
poucas em número e notavelmente semelhantes em todas as formas de vida (NELSON;
COX, 2014).
Os organismos vivos podem ser divididos em dois grandes grupos de acordo
com a forma química pela qual obtêm carbono do meio ambiente.
Os autotróficos (como bactérias fotossintéticas, algas verdes e plantas
vasculares) podem usar o dióxido de carbono da atmosfera como sua única fonte de
carbono, a partir do qual formam todas as suas biomoléculas constituídas de carbono.
Alguns organismos autotróficos, como as cianobactérias, também podem utilizar
nitrogênio atmosférico para gerar todos os seus componentes nitrogenados.
Os heterotróficos não conseguem utilizar o dióxido de carbono atmosférico
e devem obter carbono a partir do ambiente na forma de moléculas orgânicas
relativamente complexas, como a glicose. Os animais multicelulares e a maioria dos
microrganismos são heterotróficos. As células e os organismos autotróficos são
relativamente autossuficientes, enquanto as células e os organismos heterotróficos, por
necessitarem de carbono em formas mais complexas, dependem de produtos de outros
organismos (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
143
2 SERES AUTOTRÓFICOS, HETEROTRÓFICOS E VIAS
METABÓLICAS
Segundo Berg (2014), muitos organismos autotróficos são fotossintéticos
e obtêm sua energia da luz solar, enquanto organismos heterotróficos obtêm sua
energia a partir da degradação de nutrientes orgânicos produzidos por autotróficos.
Em nossa biosfera, os autotróficos e heterotróficos vivem juntos em um ciclo vasto
e interdependente onde os organismos autotróficos usam o dióxido de carbono
atmosférico para construir suas biomoléculas orgânicas, alguns deles gerando oxigênio
a partir da água durante o processo. Os organismos heterotróficos, por sua vez, utilizam
os produtos orgânicos dos autotróficos como nutrientes e devolvem dióxido de carbono
para a atmosfera. Algumas das reações de oxidação que produzem dióxido de carbono
também consomem oxigênio, convertendo-o em água. Assim, carbono, oxigênio e
água são constantemente reciclados entre os mundos heterotrófico e autotrófico, com
a energia solar como a força que impulsiona esse processo global.
FIGURA 1 – CICLO DO DIÓXIDO DE CARBONO E DO OXIGÊNIO ENTRE O DOMÍNIO AUTOTRÓFICO (FOTOSSINTÉTICO) E O HETEROTRÓFICO NA BIOSFERA
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 502)
Todos os organismos vivos também exigem uma fonte de nitrogênio, necessária
para a síntese de aminoácidos, nucleotídeos e outros componentes. As bactérias e as
plantas, geralmente, podem usar amônia ou nitrato como única fonte de nitrogênio,
mas os vertebrados devem obter nitrogênio na forma de aminoácidos ou de outros
compostos orgânicos. Somente alguns organismos – as cianobactérias e muitas
espécies de bactérias do solo, que vivem simbioticamente sobre as raízes de algumas
plantas – são capazes de converter (“fixar”) nitrogênio atmosférico (N2) em amônia.
Outras bactérias (as bactérias nitrificantes) oxidam amônia em nitritos e nitratos; e outras,
ainda, convertem nitrato a N2. As bactérias anamox convertem amônia e nitrito em N2.
Portanto, além dos ciclos globais de carbono e oxigênio, um ciclo de nitrogênio opera
144
na biosfera, movimentando enormes quantidades de nitrogênio (Figura 2). A reciclagem
de carbono, oxigênio e nitrogênio que, em última análise, envolve todas as espécies,
depende do equilíbrio adequado entre as atividades dos produtores (autotróficos) e
consumidores (heterotróficos) em nossa biosfera (NELSON; COX, 2014).
FIGURA 2 – CICLO DO NITROGÊNIO NA BIOSFERA
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 502)
Esses ciclos de matéria são impulsionados por um enorme fluxo de energia na
biosfera, iniciando com a captura da energia solar pelos organismos fotossintéticos e
a utilização dessa energia para gerar carboidratos ricos em energia e outros nutrientes
orgânicos; esses nutrientes são, então, usados como fontes de energia por organismos
heterotróficos. Nos processos metabólicos, e em todas as transformações energéticas,
existe uma perda de energia útil (energia livre) e um aumento inevitável na quantidade de
energia não utilizável (calor e entropia). Ao contrário da reciclagem de matéria, portanto, a
energia flui em uma direção através da biosfera; os organismos não conseguem reciclar
energia útil a partir da energia dissipada na forma de calor e entropia. Carbono, oxigênio
e nitrogênio são reciclados continuamente, mas energia é constantemente transformada
em formas não utilizáveis, como o calor (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
O metabolismo, a soma de todas as transformações químicas que ocorrem em
uma célula ou em um organismo, ocorre por meio de uma série de reações catalisadas
por enzimas que constituem as vias metabólicas. Cada uma das etapas consecutivas
em uma via metabólica produz uma pequena alteração química específica, em geral a
remoção, a transferência ou a adição de um átomo particular ou um grupo funcional.
O precursor é convertido em um produto por meio de uma série de intermediários
metabólicos chamados de metabólitos. O termo metabolismo intermediário
frequentemente é aplicado às atividades combinadas de todas as vias metabólicas que
interconvertem precursores, metabólitos e produtos de baixo peso molecular.
145
NOTA
Curiosidade:
Todo mundo vive falando nesse tal de metabolismo. Mas, o que precisamos
realmente saber sobre ele? Muitas pessoas acreditam que ele pode ser tratado
como um músculo ou órgão, que você pode flexionar ou controlar de alguma
forma. Mas, na realidade, o seu metabolismo está relacionado com uma série
de processos químicos que ocorre em cada célula, que basicamente transforma
as calorias que você consome em combustível para o corpo.
Para Nelson e Cox (2014, p. 502):
O catabolismo é a fase de degradação do metabolismo, na qual
moléculas, nutrientes orgânicos (carboidratos, gorduras e proteínas)
são convertidas em produtos finais menores e mais simples (como
ácido láctico, CO2 e NH3). As vias catabólicas liberam energia, e parte
dessa energia é conservada na forma de ATP (adenosina trifosfato)
e de transportadores de elétrons reduzidos (NADH – Dinucleótido de
nicotinamida e adenina; NADPH – Nicotinamida adenina dinucleótido
fosfato e FADH2-Dinucleótido de flavina e adenina; o restante é
perdido como calor. No anabolismo, também chamado de biossíntese,
precursores pequenos e simples formam moléculas maiores e mais
complexas, incluindo lipídios, polissacarídeos, proteínas e ácidos
nucleicos. As reações anabólicas necessitam de fornecimento de
energia, geralmente na forma de potencial de transferência do grupo
fosforil do ATP e do poder redutor de NADH, NADPH e FADH2.
Algumas vias metabólicas são lineares e algumas são ramificadas, gerando
múltiplos produtos úteis a partir de um único precursor ou convertendo vários
precursores em um único produto. Em geral, as vias catabólicas são convergentes e
as vias anabólicas são divergentes (Figura 3). Algumas vias são cíclicas: um composto
inicial da via é regenerado em uma série de reações que converte outro componente
inicial em um produto.
A maioria das células tem as enzimas para realizar tanto a degradação
quanto a síntese das categorias importantes de biomoléculas –
ácidos graxos, por exemplo. No entanto, a síntese e a degradação
simultâneas de ácidos graxos seriam inúteis, e isso é evitado pela
regulação recíproca das sequências de reações anabólicas e
catabólicas: quando uma sequência está ativa, a outra está suprimida.
Tal regulação não poderia ocorrer se as vias anabólicas e catabólicas
fossem catalisadas por exatamente o mesmo grupo de enzimas,
operando em um sentido para o anabolismo, e no sentido oposto para
o catabolismo: a inibição de uma enzima envolvida no catabolismo
também inibiria a sequência de reações no sentido do anabolismo.
As vias catabólicas e anabólicas que conectam os mesmos produtos
finais, como por exemplo a transformação da glicose em piruvato
e vice-versa, podem empregar muitas das mesmas enzimas, mas
146
invariavelmente pelo menos uma das etapas é catalisada por enzimas
diferentes nos sentidos catabólico e anabólico, e essas enzimas
constituem pontos de regulação independentes. Além disso, a
fim de que as vias anabólicas e catabólicas sejam essencialmente
irreversíveis, pelo menos uma das reações específicas de cada
sentido deve ser termodinamicamente muito favorável – em outras
palavras, uma reação cuja reação inversa é muito desfavorável.
Como contribuição adicional à regulação independente das
sequências de reações anabólicas e catabólicas, elas geralmente
ocorrem em compartimentos celulares distintos: por exemplo, o
catabolismo de ácidos graxos na mitocôndria, e a síntese dos ácidos
graxos no citosol. Como as vias metabólicas são cineticamente
controladas pela concentração do substrato, conjuntos separados
de intermediários anabólicos e catabólicos também contribuem para
o controle das taxas metabólicas. Esses recursos que separam os
processos anabólicos e catabólicos serão de interesse particular em
nossa discussão sobre o metabolismo (NELSON; COX; 2014, p. 503).
504
D AV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
FIGURA 3 – TRÊS TIPOS DE VIAS METABÓLICAS NÃO LINEARES
Borracha
Fosfolipídeos
Triacilgliceróis
Isopentenil-pirofosfato
Glicogênio
Sacarose
Alanina
Glicose
Serina
Hormônios
esteroides
Colesterol
Ácidos
biliares
Ácidos graxos
Mevalonato
Amido
Pigmentos
carotenoides
Ésteres de
colesteril
Vitamina K
Fenilalanina
Acetato
(acetil-CoA)
Piruvato
Eicosanoides
Acetoacetil-CoA
Leucina
Ácidos graxos
Isoleucina
Triacilgliceróis
(a) Catabolismo convergente
Diacilglicerol-CDP
Citrato
Oxaloacetato
CO2
CO2
(c) Via cíclica
Fosfolipídeos
(b) Anabolismo divergente
FIGURA 4 Três tipos de vias metabólicas não lineares. (a) Convergente, catabólica, (b) divergente, anabólica, e
(c) cíclica. Em (c), um dos compostos de partida (no caso, o
oxaloacetato) é regenerado e reingressa na via. O acetato, um
intermediário metabólico chave, é o produto da degradação
de uma variedade de combustíveis (a), serve de precursor de
um grande número de produtos (b) e é consumido na via catabólica conhecida como o ciclo do ácido cítrico (c).
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 504)
membrana, produzido tanto por oxidação de substratos páginas ocorre e tem funções fundamentais em organiscomo por absorção de luz, promove a síntese de ATP.
mos vivos. A cada reação e a cada via que você encontrar,
Os Capítulos 20 a 22 descrevem as principais vias ana- questione: o que essa transformação química faz pelo orbólicas pelas
as células
utilizam a energia
do ATP para em
ganismo?
Como
essa viadentro
se conecta
com asdas
outras
vias que
Asquais
vias
metabólicas
são reguladas
vários
níveis,
e fora
células.
produzir carboidratos, lipídeos, aminoácidos e nucleotídeos operam simultaneamente na mesma célula para produzir a
a partir
de precursores
simples. OéCapítulo
23 volta a energia
produtos necessários
para a manutenção
eo
A
regulação
maismais
imediata
a disponibilidade
dee os
substrato,
a velocidade
de reação
abordar o estudo das vias metabólicas – como elas ocorrem crescimento da célula? Como os diferentes níveis dos medepende
muito
da
concentração
do
substrato.
Um
segundo
tipo
de
controle
rápido
em todos os organismos, de Escherichia coli a humanos canismos de regulação cooperam para o balanço metabólico
– e considera
elasésão
e integradas
por me-pore um
o fornecimento
e consumo
de energia, alcançando
o esdentro
da como
célula
a reguladas
regulação
alostérica
intermediário
metabólico
ou por uma
canismos hormonais nos mamíferos.
tado de equilíbrio dinâmico da vida? Estudando com essa
coenzima
– um
aminoácido
ou ATP,
exemplo
– queo metabolismo
sinaliza o proporciona
estado metabólico
no
No momento
em que
o foco de estudo
será o por
metaboperspectiva,
dados fascinantes
lismo intermediário, uma observação final. Não esqueça de e reveladores sobre a vida, com aplicações incontáveis na
interior
da célula. Quando a célula contém uma
quantidade de aspartato, por exemplo,
que uma grande quantidade das reações descritas nestas
medicina, agricultura e biotecnologia.
suficiente para suas necessidades imediatas, ou quando os níveis celulares de ATP
indicam não ser necessário o consumo adicional de combustível no momento, esses
sinais inibem alostericamente a atividade de uma ou mais enzimas nas vias pertinentes.
Em organismos multicelulares, as atividades metabólicas de tecidos diferentes são
147
reguladas e integradas por fatores de crescimento e hormônios que atuam de fora da
célula. Em alguns casos, essa regulação ocorre quase que instantaneamente (algumas
vezes em menos de um milissegundo) por alterações nos níveis dos mensageiros
intracelulares que, por sua vez, modificam a atividade de enzimas intracelulares por
mecanismos alostéricos ou por modificações covalentes, como a fosforilação. Em outros
casos, o sinal extracelular modifica a concentração celular de uma enzima alterando a
velocidade de sua síntese ou degradação, de tal forma que o efeito é visto apenas em
minutos ou horas (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
3 GLICÓLISE E VIA PENTOSE-FOSFATO
A glicose ocupa posição central no metabolismo de plantas, animais e muitos
microrganismos. Ela é relativamente rica em energia potencial e, por isso, é um bom
combustível. Por meio do armazenamento da glicose na forma de polímero de alta massa
molecular, como o amido e o glicogênio, a célula pode estocar grandes quantidades de
unidades de hexose, enquanto mantém a osmolaridade citosólica relativamente baixa.
Quando a demanda de energia aumenta, a glicose pode ser liberada desses polímeros
de armazenamento intracelulares e utilizada para produzir ATP de maneira aeróbia ou
anaeróbia (NELSON; COX, 2014).
Para Nelson e Cox (2014), a glicose, além de excelente combustível, também
é um precursor admiravelmente versátil, capaz de suprir uma enorme variedade
de intermediários metabólicos em reações biossintéticas. Uma bactéria como a
Escherichia coli pode obter, a partir da glicose, os esqueletos carbônicos para cada
aminoácido, nucleotídeo, coenzima, ácido graxo ou outro intermediário metabólico
necessário para o seu crescimento. Um estudo abrangente dos destinos metabólicos
da glicose compreenderia centenas ou milhares de transformações químicas. Em
animais e em vegetais vasculares, a glicose tem quatro destinos principais: ela pode ser
usada na síntese de polissacarídeos complexos direcionados ao espaço extracelular;
ser armazenada nas células (como polissacarídeo ou como sacarose); ser oxidada a
compostos de três átomos de carbonos (piruvato) por meio da glicólise, para fornecer
ATP e intermediários metabólicos; ou ser oxidada pela via das pentoses-fosfato
(fosfogliconato) produzindo ribose-5-fosfato para a síntese de ácidos nucleicos e
NADPH para processos biossintéticos redutores.
148
FIGURA 4 – AS PRINCIPAIS VIAS DE UTILIZAÇÃO DA GLICOSE
FONTE: Rodwel, Murray e Granner (2017, p. 389)
Os organismos sem acesso à glicose de outras fontes devem sintetizá-la.
Os organismos fotossintéticos sintetizam glicose inicialmente por redução do CO2
atmosférico a trioses e, em seguida, por conversão das trioses em glicose. As células
não fotossintéticas produzem glicose a partir de precursores simples com três ou quatro
átomos de carbono pelo processo de gliconeogênese, que reverte a glicólise em uma
via que utiliza muitas enzimas glicolíticas. Iremos descrever as reações individuais da
glicólise, da gliconeogênese e da via das pentoses-fosfato e o significado funcional de
cada via, bem como os destinos metabólicos do piruvato produzido na glicólise.
Na glicólise (do grego glykys, “doce” ou “açúcar”, e lysis, “quebra”), uma molécula
de glicose é degradada em uma série de reações catalisadas por enzimas, gerando duas
moléculas do composto de três átomos de carbono, o piruvato. Durante as reações
sequenciais da glicólise, parte da energia livre da glicose é conservada na forma de ATP
e NADH. A glicólise foi a primeira via metabólica a ser elucidada e é provável que seja a
mais bem entendida. Desde a descoberta da fermentação, em 1897, por Eduard Buchner,
em extratos de células de levedura até a elucidação da via completa em leveduras (por
Otto Warburg e Hans von Euler-Chelpin) e em músculo (por Gustav Embden e Otto
Meyerhof) na década de 1930, as reações da glicólise em extratos de leveduras e de
músculo foram o objetivo principal da pesquisa bioquímica (BERG, 2014).
O desenvolvimento de métodos de purificação de enzimas, a descoberta e o
reconhecimento da importância de coenzimas, como o NAD, e a descoberta do crucial
papel metabólico do ATP e de outros compostos fosforilados resultaram dos estudos da
glicólise. Enzimas glicolíticas de muitas espécies foram purificadas e minuciosamente
estudadas.
149
A glicólise é uma via central quase universal do catabolismo da
glicose, a via com o maior fluxo de carbono na maioria das células.
A quebra glicolítica da glicose á a única fonte de energia metabólica
em alguns tecidos e células de mamíferos (p. ex., eritrócitos, medula
renal, cérebro e esperma). Alguns tecidos vegetais modificados para o
armazenamento de amido (como os tubérculos da batata) e algumas
plantas aquáticas (p. ex., agrião) derivam a maior parte de sua energia
da glicólise; muitos microrganismos anaeróbios são totalmente
dependentes da glicólise. Quando ocorre a degradação anaeróbia da
glicose, utilizamos o termo Fermentação. Como os organismos vivos
surgiram inicialmente em uma atmosfera sem oxigênio, a quebra
anaeróbia da glicose provavelmente seja o mais antigo mecanismo
biológico de obtenção de energia a partir de moléculas orgânicas
combustíveis. O sequenciamento do genoma de vários organismos
revelou que algumas arquibactérias e alguns microrganismos
parasitas são deficientes em uma ou mais enzimas da glicólise, mas
possuem as enzimas essenciais da via; provavelmente realizam
formas variantes de glicólise. No curso da evolução, a sequência
dessas reações químicas foi completamente conservada; as enzimas
glicolíticas dos vertebrados são estreitamente similares, na sequência
de aminoácidos e na estrutura tridimensional, às suas homólogas em
levedura e no espinafre. A glicólise difere entre as espécies apenas
nos detalhes de sua regulação e no destino metabólico subsequente
do piruvato formado. Os princípios termodinâmicos e os tipos de
mecanismos regulatórios que governam a glicólise são comuns a
todas as vias do metabolismo celular. A via glicolítica de importância
central por si só, também pode servir de modelo para muitos aspectos
das vias discutidas ao longo desta unidade (NELSON; COX, 2014, p.
544).
A quebra da glicose, formada por seis átomos de carbono, em duas moléculas
de piruvato, cada uma com três carbonos, ocorre em dez etapas, sendo que as cinco
primeiras constituem a fase preparatória (nessas reações a glicose é inicialmente
fosforilada no grupo hidroxil ligado ao C-6 (etapa 1). A D-glicose-6-fosfato assim
formada e convertida a D-frutose-6-fosfato (etapa 2), a qual é novamente fosforilada,
desta vez em C-1, para formar D-frutose-1,6-bifosfato (etapa 3). Nas duas reações de
fosforilação, o ATP e o doador de grupos fosforil. Como todos os açúcares formados na
glicólise são isômeros D, omite-se a designação D, exceto quando o objetivo e enfatizar
sua estereoquímica (NELSON; COX, 2014).
NOTA
Em bioquímica, fosforilação é a adição de um grupo fosfato (PO4) a uma
proteína ou outra molécula. A fosforilação é um dos principais participantes
nos mecanismos de regulação das proteínas. É importante nos mecanismos de
reações da qual participa o trifosfato de adenosina (ATP), que funciona como
uma "moeda de energia" nas células dos organismos vivos.
150
A frutose-1,6-bifosfato é dividida em duas moléculas de três carbonos, a dihidroxiacetona-fosfato e o gliceraldeido-3-fosfato (etapa 4); essa é a etapa de “lise” que
dá nome à via. A di-hidroxiacetona-fosfato é isomerizada a uma segunda molécula de
gliceraldeido-3-fosfato (etapa 5), finalizando a primeira fase da glicólise. Note que duas
moléculas de ATP são consumidas antes da clivagem da glicose em duas partes de três
carbonos; haverá depois um bom retorno para esse investimento (NELSON; COX, 2014).
IMPORTANTE
Em síntese, na fase preparatória da glicólise, a energia do ATP é
consumida, aumentando o conteúdo de energia livre dos intermediários,
e as cadeias de carbono de todas as hexoses metabolizadas são
convertidas a um produto comum, o gliceraldeido-3-fosfato.
Os ganhos de energia provêm da fase de pagamento da glicólise (Figura 5). Cada
molécula de gliceradeido-3- -fosfato é oxidada e fosforilada por fosfato inorgânico (não
por ATP) para formar 1,3-bifosfoglicerato (etapa 6). Ocorre liberação de energia quando
as duas moléculas de 1,3-bifosfoglicerato são convertidas a duas moléculas de piruvato
(etapas 7 a 10). Grande parte dessa energia é conservada pela fosforilação acoplada de
quatro moléculas de ADP a ATP. O rendimento líquido são duas moléculas de ATP por
molécula de glicose utilizada, já que duas moléculas de ATP foram consumidas na fase
preparatória. A energia também é conservada na fase de pagamento com a formação de
duas moléculas do transportador de elétrons NADH por moléculas de glicose (NELSON;
COX, 2014).
151
FIGURA 5 – FASE DE PAGAMENTO DA GLICÓLISE
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 545)
Nas reações seguintes da glicólise, três tipos de transformações químicas são
particularmente notáveis: (1) a degradação do esqueleto carbônico da glicose para
produzir piruvato; (2) a fosforilação de ADP a ATP pelos compostos com alto potencial
de transferência de grupos fosforil, formados durante a glicólise; e (3) a transferência de
um íon hidreto para o NAD1, formando NADH.
3.1 A FASE PREPARATÓRIA DA GLICÓLISE REQUER ATP
Na fase preparatória da glicólise, duas moléculas de ATP são consumidas e a
cadeia carbônica da hexose é clivada em duas trioses-fosfato. A compreensão de que
as hexoses fosforiladas são intermediárias na glicólise foi conseguida lentamente e por
um feliz acaso. Em 1906, Arthur Harden e William Young testaram suas hipóteses de que
inibidores de enzimas proteolíticas estabilizariam as enzimas da fermentação da glicose
em extratos de leveduras. Adicionaram soro sanguíneo (conhecido por conter inibidores
de enzimas proteolíticas) a extratos de levedura e observaram o estímulo predito do
metabolismo da glicose. No entanto, em um experimento de controle realizado com
a intenção de demonstrar que ferver o soro destrói a atividade estimulante, eles
descobriram que o soro fervido foi tão efetivo em estimular a glicólise quanto o soro
não fervido. Exames cuidadosos e testes do conteúdo do soro fervido revelaram que o
fosfato inorgânico foi o responsável pela estimulação. Harden e Young logo perceberam
152
que a glicose adicionada ao seu extrato de levedura era convertida a hexose-bifosfato.
Esse foi o início de uma longa série de investigações sobre o papel dos ésteres orgânicos
e anidridos de fosfato em bioquímica, que levaram ao nosso entendimento atual do
papel central da transferência de grupos fosforil em biologia (NELSON; COX, 2014).
A fosforilação da glicose é catalisada pela hexocinase. Cinases são enzimas que
catalisam a transferência do grupo fosforil terminal do ATP a um aceptor nucleofílico.
As cinases são uma subclasse das transferases. Ela geralmente, como muitas outras
cinases, requer Mg21 para sua atividade, já que o verdadeiro substrato da enzima não
é ATP4-, mas sim o complexo MgATP22. A hexocinase está presente em praticamente
todos os organismos. O genoma humano codifica quatro hexocinases diferentes (I a IV),
e todas catalisam a mesma reação (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
3.2 A FASE DE PAGAMENTO DA GLICÓLISE PRODUZ ATP E
NADH
A fase de pagamento da glicólise (Figura 5) inclui as etapas de fosforilação
que conservam energia, nas quais parte da energia química da molécula da glicose é
conservada na forma de ATP e NADH. Lembre-se de que uma molécula de glicose rende
duas moléculas de gliceraldeido-3-fosfato, e as duas metades da molécula de glicose
seguem a mesma via na segunda fase da glicólise. A conversão das duas moléculas de
gliceraldeido-3-fosfato a duas moléculas de piruvato é acompanhada pela formação de
quatro moléculas de ATP a partir de ADP. No entanto, o rendimento líquido de ATP por
molécula de glicose consumida é de apenas dois, já que dois ATP foram consumidos
na fase preparatória da glicólise para fosforilar as duas extremidades da molécula da
hexose (BERG; TYMOCZKO; STRYERT, 2015).
4 A CAPTAÇÃO DA GLICOSE É DEFICIENTE NO DIABETES
MELITO TIPO 1
O metabolismo de glicose em mamíferos é limitado pela taxa de captação
da glicose pelas células e sua fosforilação pela hexocinase. A captação da glicose do
sangue é mediada pela família GLUT de transportadores de glicose. Nelson e Cox (2014,
p. 558) relatam que:
153
Os transportadores nos hepatócitos (GLUT1, GLUT2) e nos neurônios
cerebrais (GLUT3) estão sempre presentes nas membranas
plasmáticas. Por outro lado, o principal transportador de glicose nas
células do músculo esquelético, músculo cardíaco e tecido adiposo
(GLUT4) está armazenado em pequenas vesículas intracelulares
e se desloca para a membrana plasmática apenas em resposta a
um sinal de insulina. Portanto, em músculo esquelético, coração e
tecido adiposo, a captação e o metabolismo da glicose dependem
da liberação normal de insulina pelas células b pancreáticas em
resposta à quantidade elevada de glicose no sangue.
Os indivíduos com diabetes melito tipo 1 (também chamado de diabetes
dependente de insulina) têm pouquíssimas células b e são incapazes de liberar insulina
suficiente para desencadear a captação de glicose pelas células do músculo esquelético,
do coração ou do tecido adiposo. Assim, após uma refeição contendo carboidratos, a
glicose se acumula a níveis anormalmente altos no sangue, condição conhecida como
hiperglicemia. Incapazes de captar glicose, o músculo e o tecido adiposo utilizam os
ácidos graxos armazenados nos triacilgliceróis como seu principal combustível. No
fígado, a acetil-CoA, derivada da degradação desses ácidos graxos, é convertida a “corpos
cetônicos” – acetoacetato e b-hidroxibutirato – que são exportados e levados a outros
tecidos para serem utilizados como combustível. Esses compostos são especialmente
críticos para o cérebro, que utiliza os corpos cetônicos como combustível alternativo
quando a glicose está indisponível (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
Em pacientes com diabetes tipo 1 não tratados, a superprodução de acetoacetato
e b-hidroxibutirato leva a seu acúmulo no sangue e a consequente redução do pH
sanguíneo leva à cetoacidose, uma condição potencialmente letal.
NOTA
Você sabia?
Os ácidos graxos não conseguem atravessar a barreira hematoencefálica e, por
isso, não servem de combustível para os neurônios do encéfalo.
154
P R I NDOS
C Í P ICARBOIDRATOS
O S D E B I O Q U Í MEI CDAS
A DGORDURAS
E LEHNINGER
FIGURA 6 – EFEITO DO DIABETES TIPO 1 SOBRE O METABOLISMO
EM UM ADIPÓCITO
➊
➍
Pâncreas
secreta
insulina
Principal defeito
no diabetes
Glicose entra por
meio de GLUT4
Membrana
plasmática
GLUT4
IRS
➋
Receptor de
insulina
ativado
PI-3K
Glicose
➎
5
PKB
Hexocinase
fosforila a
glicose
Vesículas contendo
➌ GLUT4 fundem-se com
a membrana plasmática
Glicose-6-fosfato
Via das
pentoses-fosfato
➏ Glicólise
Gota de gordura
Ribulose-5-fosfato
➓
Cetoacidose
acetoacetato,
b-hidroxibutirato
2 ATP
,30 ATP
Piruvato
➐
Oxidação do
piruvato
pelo ciclo do
ácido cítrico
CO2
Fosforilação
oxidativa na
mitocôndria
➑
Ácido
graxo
Triacilglicerol
➒
A mobilização de
triacilglicerol fornece
ácidos graxos como
combustível alternativo
A transferência de elétrons CO2
nas mitocôndrias
direciona a síntese de ATP
privadas
de glicose, enquanto ela está elevada na corrente sanguí
FIGURA 1410 Efeito do diabetes tipo 1 sobreFONTE:
o metabolismo
Nelson e Coxsão
(2014,
p. 559)
Sem glicose para o suprimento de energia, os adipócitos degradam triac
dos carboidratos e das gorduras em um adipócito. Normalceróis estocados em gotas de gordura e fornecem os ácidos graxos resul
mente, a insulina desencadeia a inserção de transportadores GLUT4 na
tes para outros tecidos para a produção mitocondrial de ATP. Dois subpro
membrana plasmática pela fusão de vesículas contendo GLUT4 com a memtos da oxidação dos ácidos graxos acumulam-se no fígado (acetoaceta
brana, permitindo a captação de glicose do sangue. Quando os níveis de inb-hidroxibutirato, ver p. 686) e são liberados na corrente sanguínea, fo
sulina diminuem no sangue, GLUT4 é ressequestrado em vesículas por endocendo combustível para o cérebro, mas também diminuindo o pH do
citose. No diabetes melito tipo 1 (dependente de insulina), a inserção de
gue, causando cetoacidose. A mesma sequência de eventos ocorre no m
GLUT4 nas membranas, assim como outros processos normalmente estimuMuitos carboidratos, além da glicose,
encontram seus destinos catabólicos
culo, exceto que os miócitos não estocam triacilgliceróis, mas captam
lados por insulina, estão inibidos como indicado por X. A deficiência de insuácidos
graxos
que são liberados glicolíticos.
na corrente sanguínea
pelos adipócitos
lina impede a captação
de glicoseapós
por GLUT4;
comotransformados
consequência, as células
na glicólise,
serem
em um
dos
intermediários
Os mais
5 VIAS ALIMENTADORAS DA GLICÓLISE
significativos são os polissacarídeos de armazenamento, glicogênio e amido, contidos
nas células (endógenos) ou obtidos da dieta; os dissacarídeos maltose, lactose, trealose
continua o processo de degradação. A a-amilase pancreá- essencialmente a mesma estrutura do amido, e sua dig
e sacarose; e os monossacarídeos frutose, manose e galactose.
tica gera principalmente maltose e maltotriose (os di e
trissacarídeos de glicose) e oligossacarídeos chamados
de dextrinas-limite, fragmentos de amilopectina contendo pontos de ramificação (a1S6). A maltose e as dextrinas são degradadas até glicose por enzimas do epitélio intestinal com borda em escova (as microvilosidades
das células epiteliais do intestino, que aumentam muito
a área da superfície intestinal). O glicogênio da dieta tem
tão segue a mesma via.
Como foi visto no Capítulo 7, a maioria dos animais n
pode digerir celulose devido à falta da enzima celulase, q
cliva as ligações glicosídicas (b1S4) da celulose. Em a
mais ruminantes, o estômago estendido inclui uma câm
onde microrganismos simbióticos que produzem celul
155
degradam celulose em moléculas de glicose. Esses
micr
ganismos utilizam a glicose resultante por meio de ferm
560
D AV I D L7. –NENTRADA
E L S O N & MDE
ICH
A E L M . COX AMIDO, DISSACARÍDEOS E HEXOSES DA DIETA NO ESTÁGIO PREPAFIGURA
GLICOGÊNIO,
RATÓRIO DA GLICÓLISE
Trealose
Lactose
HO
Lactase
Trealase
H
CH2OH
O
H
OH H
H
HO
Sacarose
Sacarase
H2O
a -amilase
H
OH
Fosforilase
OH
H
Glicose-1-fosfato
Hexocinase
H
OH
HO
ATP
OH
D-Galactose
UDP-glicose
ATP
H
Fosfoglicomutase
HO
Glicose 6-fosfato
OH
CH2OH
O
H
OH HO
H
H
OH
H
D-Manose
ATP
H
D-Frutose
H
OH
UDP-galactose
CH2OH
O
H
Glicogênio
endógeno
H
Pi
D-Glicose
HOCH2
Glicogênio da
dieta; amido
CH2OH
O
H
OH H
ATP
Hexocinase
Frutose
6-fosfato
Frutocinase
Frutose-1-fosfato
Hexocinase
Manose-6-fosfato
Fosfomanose-isomerase
Frutose-1-fosfato-aldolase
Frutose-1,6-bifosfato
Gliceraldeído
ATP
1 Di-hidroxiacetona
fosfato
Triosecinase
Triose-fosfato-isomerase
Gliceraldeído-3-fosfato
FIGURA 1411
FONTE:
Rodwel,
Murray da
e Granner
(2017, preparatório
p. 410)
Entrada de glicogênio, amido,
dissacarídeos
e hexoses
dieta no estágio
da glicólise.
tação anaeróbia, produzindo grandes quantidades de propionato. Esse propionato serve como material de partida
para a gliconeogênese, que gera a maior parte da lactose
do leite.
(a1S6) (ver Figura 7-13), onde cessa sua ação. Uma enzi-
de desramificação remove
ramificações. Os meca5.1 OS POLISSACARÍDEOS E OS ma
DISSACARÍDEOS
DAasDIETA
nismos e o controle da degradação de glicogênio são descritos em maior detalhe no Capítulo 15.
Para a maioria dos seres humanos, o amido
é a principal fonte
de carboidratos
na
A glicose-1-fosfato
produzida
pela glicogênio-fosforilase
é
convertida
a
glicose-6-fosfato
pela
fosfoglicomutase,
dieta.
A
digestão
inicia
na
boca,
onde
a
amilase
salivar
hidrolisa
as
ligações
glicosídicas
O glicogênio endógeno e o amido são degradados por
que catalisa a reação reversível:
internas do amido, produzindo fragmentos polissacarídeos curtos ou oligossacarídeos.
fosforólise
∆segunda
Glicose-6-fosfato
Os estoques
de glicogênioaem
tecidos salivar
animais é
(principalNo estômago,
amilase
inativada pelo pHGlicose-1-fosfato
baixo, mas uma
forma
mente no
fígado
e
no
músculo
esquelético),
em
microrA
fosfoglicomutase
utiliza
basicamente
o
mesmo
de amilase, secretada pelo pâncreas no intestino delgado, continua o processo demecanisganismos ou em tecidos vegetais podem ser mobilizados, mo que a fosfoglicerato-mutase (Figura 14-9): ambas endegradação.
A amilase
geraca-principalmente
maltose e bifosfato,
maltotriose
(os di ée transitopara o uso
da mesma célula,
por umapancreática
reação fosfolítica
volvem um intermediário
e a enzima
talisada pela
glicogênio-fosforilase
riamente fosforilada
em cada ciclo catalítico.
O nome geral
trissacarídeos
de glicose)(amido-fosforilase
e oligossacarídeos chamados
de dextrinas-limite,
fragmentos
em vegetais) (Figura 14-12). Essas enzimas catalisam o mutase é dado a enzimas que catalisam a transferência de
de
amilopectina.
A
maltose
e
as
dextrinas
são
degradadas
até
glicose
por
enzimas
do
ataque por Pi sobre a ligação glicosídica (a1S4) que une um grupo funcional de uma posição para outra, na mesma
epitélio
intestinal
com na
borda
em escova
microvilosidades
epiteliais
do
os dois últimos
resíduos
de glicose
extremidade
não re-(as molécula.
As mutasesdas
são células
uma subclasse
das isomerases,
dutora, gerando
glicose-1-fosfato
e um muito
polímeroa com
enzimas que
interconvertem
estereoisômeros
ou isômeros
intestino,
que aumentam
áreauma
da superfície
intestinal).
O glicogênio
da dieta
unidade de glicose a menos. A fosforólise preserva parte estruturais ou de posição (ver Tabela 6-3). A glicose-6-fostem
a mesma
estrutura
do amido,
e suanadigestão
a mesma
viaentrar na
da energia
da essencialmente
ligação glicosídica do
éster-fosfato
da glicofato formada
reação da segue
fosfoglicomutase
pode
se-1-fosfato.
A glicogênio-fosforilase
(NELSON;
COX, 2014). (ou amido-fosforilase) glicólise ou em outra via, como a via das pentoses-fosfato,
age repetidamente até alcançar um ponto de ramificação
descrita na Seção 14.5.
156
5.2 O GLICOGÊNIO ENDÓGENO E O AMIDO SÃO DEGRADADOS
POR FOSFORÓLISE
Os estoques de glicogênio em tecidos animais (principalmente no fígado
e no músculo esquelético), em microrganismos ou em tecidos vegetais podem ser
mobilizados, para o uso da mesma célula, por uma reação fosfolítica catalisada pela
glicogênio-fosforilase (amido-fosforilase em vegetais) (Figura 9). A fosforólise preserva
parte da energia da ligação glicosídica do ester-fosfato da glicose- 1-fosfato (BERG;
TYMOCZKO; STRYERT, 2015).
PRINCÍPIOS DE BIO
FIGURA 8 – DEGRADAÇÃO DO GLICOGÊNIO INTRACELULAR PELA GLICOGÊNIO-FOSFORILASE
Extremidade não redutora
H
HO
CH2OH
O
H
OH H
H
H
CH2OH
O
H
OH H
O
H
O
H
OH
H
H
OH
Glicogênio (amido)
n unidades de glicose
P
OH
Dextrina 1 nH2O
Maltose 1 H2O
Lactose 1 H2O
Sacarose 1 H2O
O2
O
Os dissacarídeos deve
rídeos antes de entrar na
dextrinas são hidrolisado
cie externa das células ep
O2
Glicogênio-(amido)-fosforilase
Trealose 1 H2O
d
malt
lact
sac
tre
Os monossacarídeos a
ativamente
para as célula
CH2OH
CH2OH
seguida passam para o sa
O
O
rios tecidos, onde são fo
H
H
H
H
H
H
H
glicolítica.
1
O
OH H
OH H
A intolerância à l
HO
HO
O P O2
O
maior parte das pop
originárias do norte da E
H
OH
H
OH
O2
devida ao desaparecimen
Glicogênio (amido)
Glicose-1-fosfato
(n-1) unidades de glicose
ou de toda atividade lact
nais. Na ausência de lact
FONTE:
Berg,
Tymoczko
e
Stryert
(2015,
p.
561)
FIGURA 1412 Degradação do glicogênio intracelular pela glicogêser completamente diger
nio-fosforilase. A enzima catalisa o ataque pelo fosfato inorgânico (em cor
do, passando para o intes
salmão) sobre o resíduo glicosil terminal (em azul) na extremidade não reduvertem em produtos tóxic
tora de uma molécula de glicogênio, liberando glicose-1-fosfato e formando
uma molécula de glicogênio com um resíduo de glicose a menos. A reação
e diarreia. O problema é
umapolissacarídeos
fosforólise (não hidrólise).
A quebra éde
da dieta, como o glicogênio e o amido
lactose no
nãotrato
digerida e seu
ridade
do
conteúdo intes
gastrintestinal, por fosforólise, em vez de hidrólise, não produziria ganho de energia:
água no intestino. Na mai
açúcares fosfatados
não são
transportados
para
dentro das células que revestem o
PROBLEMA
RESOLVIDO
141 Economia
de energia para a quebra do
intolerância à lactose é pr
intestino, devendo primeiro ser desfosforilados
a por
açúcar
livre. Os dissacarídeos
glicogênio
fosforólise
alimentodevem
para adultos, em
ridos2014).
com lactase estejam
ser hidrolisados a monossacarídeos antes de entrar na célula (NELSON; COX,
Calcule a economia de energia (em moléculas de ATP por alguns países. Em certas
monômeros de glicose) obtida pela quebra do glicogênio tes algumas ou todas as
Os monossacarídeos
são
transportados
ativamente
as digesti
por fosforóliseassim
em vezformados
de hidrólise
para
iniciar o processo
casos, opara
distúrbio
de
glicólise.
da dieta
ser minimiz
células epiteliais, em seguida passam para o sangue e são transportados
parapode
vários
tecidos, onde sãoSolução:
fosforilados
e entram
na sequência
A fosforólise
produz
uma glicoseglicolítica.
fosforilada (glicose-1-fosfato), que é então convertida a glicose-6-fosfato
– sem gasto da energia celular (1 ATP) necessária para a
formação de glicose-6-fosfato a partir de glicose livre. Por-
Outros monossacarídeos
diversos pontos 157
Na maior parte dos organ
IMPORTANTE
A intolerância à lactose, comum entre adultos na maior parte das
populações humanas, exceto aquelas originárias do norte da Europa e
alguns países da África, é devida ao desaparecimento, após a infância,
da maior parte ou de toda atividade lactásica das células epiteliais
intestinais. Na ausência de lactase intestinal, a lactose não pode ser
completamente digerida e absorvida no intestino delgado, passando
para o intestino grosso, onde bactérias a convertem em produtos tóxicos
que causam cãibras abdominais e diarreia. O problema é ainda mais
complicado porque a lactose não digerida e seus metabólitos aumentam
a osmolaridade do conteúdo intestinal, favorecendo a retenção de água
no intestino. Na maioria dos lugares do mundo, onde a intolerância a
lactose é prevalente, o leite não é usado como alimento para adultos,
embora os produtos do leite pré-digeridos com lactase estejam
comercialmente disponíveis em alguns países. Em certas patologias
humanas estão ausentes algumas ou todas as dissacaridases intestinais.
Nesses casos, o distúrbio digestivo ocasionado pelos dissacarídeos da
dieta pode ser minimizado por uma dieta controlada (NELSON; COX,
2014).
6 GLICONEOGÊNESE
O papel central da glicose no metabolismo surgiu cedo na evolução e esse açúcar
permanece sendo combustível quase universal e unidade estrutural nos organismos
atuais, desde micróbios até humanos. Em mamíferos, alguns tecidos dependem quase
completamente de glicose para sua energia metabólica. Para o encéfalo humano e o
sistema nervoso, assim como para os eritrócitos, os testículos, a medula renal e os tecidos
embrionários, a glicose do sangue é a principal ou a única fonte de combustível. Apenas
o encéfalo requer em média 120 g de glicose por dia – mais da metade de toda a glicose
estocada como glicogênio nos músculos e no fígado. No entanto, o suprimento de glicose
a partir desses estoques não é sempre suficiente; entre as refeições e durante períodos de
jejum mais longos, ou após exercício vigoroso, o glicogênio se esgota. Para esses períodos,
os organismos precisam de um método para sintetizar glicose a partir de precursores que
não são carboidratos. Isso é realizado por uma via chamada de gliconeogênese (“nova
formação de açúcar”), que converte em glicose o piruvato e os compostos relacionados,
com três e quatro carbonos (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
A gliconeogênese ocorre em todos os animais, vegetais, fungos e microrganismos.
As reações são essencialmente as mesmas em todos os tecidos e em todas as espécies.
Os precursores importantes da glicose em animais são compostos de três carbonos
como o lactato, o piruvato e o glicerol, assim como certos aminoácidos (Figura 10). Em
mamíferos, a gliconeogênese ocorre principalmente no fígado, e em menor extensão no
córtex renal e nas células epiteliais que revestem internamente o intestino delgado. A
glicose assim produzida passa para o sangue e vai suprir outros tecidos. Após exercícios
158
vigorosos, o lactato produzido pela glicólise anaeróbia no músculo esquelético retorna
para o fígado e é convertido a glicose, que volta para os músculos e é convertida a
glicogênio – circuito chamado de ciclo de Cori (NELSON; COX, 2014).
PRINCÍPIOS DE BI
FIGURA 9 – SÍNTESE DE CARBOIDRATOS A PARTIR DE PRECURSORES SIMPLES
Glicose
sanguínea
Glicoproteínas
Glicogênio
Outros
monossacarídeos
Dissacarídeos
Sacarose
Amido
Glicólise
Glicose-6-fosfato
ATP
Energia
Animais
Hexocinase
Plantas
ADP
Fosfoenol-piruvato
ATP
Fosfofrutocinase-1
Ciclo
do ácido
cítrico
Piruvato
ADP
Aminoácidos Glicerol
glicogênicos
3-Fosfoglicerato
Di-hidroxiacetona-fosfato
(2
Lactato
Triacilgliceróis
Fixação do
CO2
2NA
Síntese
carboidratos
a partir
de precursores simFONTE:de
Nelson
e Cox (2014,
p. 569)
ples. A via a partir de fosfoenolpiruvato até glicose-6-fosfato é comum para
a conversão biossintética de muitos precursores diferentes de carboidratos
de animais e plantas. A via partindo de piruvato a fosfoenolpiruvato passa
por oxaloacetato, um intermediário do ciclo do ácido cítrico, discutido no
Capítulo 16. Qualquer composto que possa ser convertido a piruvato ou
oxaloacetato pode, consequentemente, servir como material inicial para
a gliconeogênese. Isso inclui alanina e aspartato, que podem ser convertidos a piruvato e oxaloacetato, respectivamente, e outros aminoácidos que
também podem gerar fragmentos de três ou quatro carbonos, os chamados
aminoácidos glicogênicos (ver Tabela 14-4; ver também Figura 18-15). Plantas e bactérias fotossintetizantes são as únicas capazes de converter CO2 em
carboidratos, usando o ciclo de Calvin (ver Seção 20.1).
FIGURA 1416
nucleotídeos, coenzimas e uma série de outros metabólitos
essenciais das plantas. Em muitos microrganismos, a gliconeogênese inicia a partir de compostos orgânicos simples
de dois ou três carbonos, como acetato, lactato e propionato, presentes em seu meio de crescimento.
Embora as reações da gliconeogênese sejam as mesmas
em todos os organismos, o contexto metabólico e a regulação da via diferem de uma espécie para outra e de tecido para tecido. Nesta seção, analisa-se a gliconeogênese e
como ela ocorre no fígado de mamíferos. No Capítulo 20
2NADH 1 2
(2) 1
2A
2A
(2)
(2
(2) F
2ADP
Piruvato-cinase
2ATP
159
LEITURA
COMPLEMENTAR
Alta taxa da glicólise em tumores sugere alvos para quimioterapia e facilita o
diagnóstico
José de Felippe Junior
Em muitos tipos de tumores encontrados em humanos e em outros animais,
a captação e a degradação de glicose ocorrem cerca de 10 vezes mais rápido do que
em tecidos normais, não cancerosos. A maior parte das células tumorais cresce em
condições de hipóxia (i.e., com suprimento de oxigênio limitado) devido à falta, pelo
menos inicialmente, das redes capilares que suprem com oxigênio suficiente. Células
cancerosas localizadas a mais de 100 a 200 mm dos capilares mais próximos dependem
somente da glicose (sem oxidação adicional de piruvato) para a maior parte da produção
de ATP. O rendimento de energia (2 ATP por glicose) é muito menor do que o que pode
ser obtido pela oxidação completa do piruvato a CO2 na mitocôndria (cerca de 30 ATP
por glicose). Portanto, para fazer a mesma quantidade de ATP, as células tumorais
devem captar muito mais glicose do que as células normais, convertendo-a a piruvato
e depois a lactato enquanto reciclam NADH. É provável que as duas etapas iniciais na
transformação de uma célula normal em uma célula tumoral sejam (1) a mudança para
a dependência da glicólise na produção de ATP, e (2) o desenvolvimento de tolerância a
pH baixo no fluido extracelular (causado pela liberação do produto da glicólise, o ácido
láctico). Em geral, quanto mais agressivo é o tumor, maior é a taxa de glicólise.
Esse aumento da glicólise é alcançado ao menos em parte pelo aumento da
síntese das enzimas glicolíticas e dos transportadores da membrana plasmática GLUT1 e
GLUT3 que carregam a glicose para a célula. Com a alta velocidade de glicólise resultante,
as células tumorais podem sobreviver em condições anaeróbias até que o suprimento
de vasos sanguíneos alcance o tumor em crescimento. Outra proteína induzida por HIF1 e o hormônio peptídico VEGF (fator de crescimento vascular endotelial), que estimula
crescimento dos vasos sanguíneos (angiogênese) em direção do tumor. Existe também a
evidência de que a proteína supressora de tumor p53, mutada na maior parte dos tipos
de câncer, controla a síntese e a montagem das proteínas mitocondriais essenciais para o
transporte dos elétrons ao O2. As células com p53 mutada são deficientes no transporte de
elétrons na mitocôndria e são forçadas a depender mais significativamente da glicólise para
a produção de ATP. Essa dependência maior dos tumores pela glicólise em comparação
aos tecidos normais sugere uma possibilidade de terapia anticâncer: inibidores da glicólise
poderiam atingir e matar tumores por esgotar seu suprimento de ATP.
FONTE: Adaptado de <http://www.medicinabiomolecular.com.br/biblioteca/pdfs/Cancer/ca-0369.pdf>.
Acesso em: 12 jul. 2019.
160
RESUMO DO TÓPICO 1
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• A glicólise é uma via quase universal pela qual uma molécula de glicose é oxidada a
duas moléculas de piruvato, com energia conservada na forma de ATP e NADH.
• Na fase preparatória da glicólise, ATP é consumido para a conversão de glicose em
frutose-1,6-bifosfato.
• Na fase de pagamento, cada uma das duas moléculas de gliceraldeido-3-fosfato
derivada da glicose sofre oxidação em C-1; a energia dessa reação de oxidação é
conservada na forma de um NADH e dois ATP.
• A glicólise é rigidamente regulada de forma coordenada com outras vias geradoras
de energia para garantir um suprimento constante de ATP.
• No diabetes tipo 1, a captação deficiente de glicose pelo músculo e tecido adiposo
tem efeitos profundos sobre o metabolismo de carboidratos e gorduras.
• O glicogênio e o amido endógenos, as formas de armazenamento da glicose, entram
na glicólise em um processo de duas etapas.
• A clivagem fosforolítica de um resíduo de glicose de uma extremidade do polímero,
formando glicose-1-fosfato, é catalisada pela glicogênio-fosforilase ou pela amidofosforilase. A fosfoglicomutase então converte a glicose-1-fosfato em glicose-6fosfato, que pode entrar na glicólise.
• Os polissacarídeos e os dissacarídeos ingeridos são convertidos a monossacarídeos
por enzimas hidrolíticas intestinais, e os monossacarídeos entram nas células
intestinais e são transportados para o fígado ou para outros tecidos.
• A gliconeogênese é um processo de múltiplas etapas em que a glicose é produzida
a partir de lactato, piruvato ou oxaloacetato, ou qualquer composto que possa ser
convertido a um desses intermediários.
161
AUTOATIVIDADE
1 Adultos engajados em exercício físico intenso requerem, para nutrição adequada,
uma ingestão de cerca de 160 g de carboidrato diariamente, mas apenas em torno
de 20 mg de niacina. Dado o papel da niacina na glicólise, como você explica essa
observação?
2 Os sintomas clínicos das duas formas de galactosemia – deficiência de galactocinase
ou de UDP-glicose: galactose-1-fosfato-uridiltransferase – mostram severidades
radicalmente diferentes. Embora os dois tipos provoquem desconforto gástrico após
a ingestão de leite, a deficiência da transferase também leva a disfunções do fígado,
dos rins, do baço, do cérebro e, finalmente, à morte. Quais produtos se acumulam no
sangue e nos tecidos em cada tipo de deficiência enzimática?
3 Uma consequência do jejum prolongado é a redução da massa muscular. O que
acontece com as proteínas musculares?
162
TÓPICO 2 -
UNIDADE 3
CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
1 INTRODUÇÃO
Como mencionamos no tópico anterior, algumas células obtêm energia (ATP)
pela fermentação, degradando a glicose na ausência de oxigênio. Para a maioria das
células eucarióticas, e muitas bactérias que vivem em condições aeróbias e oxidam os
combustíveis orgânicos a dióxido de carbono e água, a glicólise é apenas a primeira etapa
para a oxidação completa da glicose. Em vez de ser reduzido a lactato, etanol ou algum
outro produto da fermentação, o piruvato produzido pela glicólise é posteriormente
oxidado a H2O e CO2. Essa fase aeróbia do catabolismo é chamada de respiração. No
sentido fisiológico ou macroscópico mais amplo, respiração alude à captação de O2 e
eliminação de CO2 por organismos multicelulares. Bioquímicos e biólogos celulares,
entretanto, utilizam esse termo em um sentido mais estrito para referirem-se ao processo
molecular por meio do qual as células consomem O2 e produzem CO2 – processo mais
precisamente denominado respiração celular.
A respiração celular acontece em três estágios principais (Figura 11). No primeiro,
a glicólise, ocorre quando a glicose é transformada em duas moléculas de piruvato.
Esse estágio acontece no citosol das células. No segundo estágio, o piruvato entra na
mitocôndria, se une à Coenzima A e forma a Acetil – CoA. Já no terceiro estágio, chamado
de cadeia respiratória, ocorre na membrana mitocondrial interna e os elétrons do NADH
são enviados para a cadeia transportadora de elétrons. No curso da transferência de
elétrons, a grande quantidade de energia liberada é conservada na forma de ATP, por
um processo chamado de fosforilação oxidativa. A respiração é mais complexa do que
a glicólise e acredita-se que tenha evoluído muito mais tardiamente, após o surgimento
das cianobactérias. As atividades metabólicas das cianobactérias são responsáveis
pelo aumento dos níveis de oxigênio na atmosfera terrestre, um momento decisivo na
história evolutiva (NELSON; COX, 2014).
Neste tópico, abordaremos a conversão de piruvato a grupos acetil e, então, a
entrada destes grupos no ciclo do ácido cítrico, também chamado de ciclo de Krebs (em
homenagem ao seu descobridor, Hans Krebs). Em seguida, serão examinadas as reações do
ciclo e as enzimas que as catalisam. Já que os intermediários do ciclo do ácido cítrico também
são desviados como precursores biossintéticos, serão consideradas algumas maneiras pelas
quais esses intermediários são repostos. O ciclo do ácido cítrico é um pivô do metabolismo,
com vias catabólicas chegando e vias anabólicas partindo, sendo cuidadosamente regulado
em coordenação com outras vias. Terminamos esse tópico com uma descrição da via do
glioxilato, uma sequência metabólica presente em certos organismos que utiliza algumas
das mesmas enzimas e reações utilizadas pelo ciclo do ácido cítrico, causando a síntese
líquida de glicose a partir dos triacilgliceróis armazenados.
163
634
D AV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
FIGURA 10 – CATABOLISMO DE PROTEÍNAS, GORDURAS E CARBOIDRATOS
ilustra como uma combinação d
Amino- Ácidos
Estágio 1
e mecanismos alostéricos result
Glicose
ácidos graxos
Produção
te regulado em uma etapa meta
de acetil-CoA
plexo da PDH é o protótipo par
Glicólise
complexos enzimáticos: a-cetog
ciclo do ácido cítrico, e a-cetoá
deia ramificada, das vias de oxi
Piruvato
e2
dos (ver Figura 18-28). A notáve
Complexo da
de proteínas, na exigência de co
piruvato-desidrogenase
reação desses três complexos in
2
e
e2
uma origem evolutiva comum.
CO
2
e2
Estágio 2
Oxidação da
acetil-CoA
O piruvato é oxidado a acetil-Co
Acetil-CoA
Oxaloacetato
e2
Citrato
Ciclo do
ácido cítrico
e2
e2
CO2
Estágio 3
Transferência
de elétrons e
fosforilação
oxidativa
e2
CO2
NADH,
FADH2
(transportadores de e2 reduzidos)
e2
+
1
2H + 2 O2
Cadeia respiratória
(transferência de
elétrons)
H 2O
A reação geral catalisada pelo c
drogenase é uma descarboxil
cesso de oxidação irreversível n
removido do piruvato na forma
os dois carbonos remanescente
acetil da acetil-CoA (Figura 162
reação doa um íon hidreto (:H )
(Figura 16-1), que transferirá o
ou, em microrganismos anaeró
trons alternativo, como nitrato
de elétrons do NADH ao oxigêni
las de ATP por par de elétrons.
ção do complexo da PDH foi de
tos com marcação isotópica: o c
CO2 radioativamente marcado à a
molécula de piruvato com o carb
O complexo da piruvato-desidr
cinco coenzimas
A combinação de desidrogenaçã
ruvato ao grupo acetil da acetil-C
ATP
ADP + Pi
ação sequencial de três enzimas
mas diferentes ou grupos prosté
na (TPP, de thiamine pyropho
FONTE: Nelson
e Cox (2014,
634) e carboidratos
FIGURA 161 Catabolismo
de proteínas,
gorduras
durante os três estágios da respiração celular. Estágio 1: a oxidação
flavina-adenina (FAD, de flavin
de ácidos graxos, glicose e alguns aminoácidos gera acetil-CoA. Estágio 2:
coenzima A (CoA, algumas vezes
a oxidação dos grupos acetil no ciclo do ácido cítrico inclui quatro etapas
enfatizar a função do grupo ¬S
nas quais os elétrons são removidos. Estágio 3: os elétrons carreados por
tinamida-adenina (NAD, de nico
NADH e FADH2 convergem para uma cadeia de transportadores de elétrons
cleotide) e lipoato. Quatro vitam
mitocondrial (ou, em bactérias, ligados à membrana plasmática) – a cadeia
respiratória
– reduzindo,glicose
no final, Oe
H2O. Este açúcares,
fluxo de elétrons
impele agraxos
à nutrição
humana são compon
Em organismos
aeróbios,
ácidos
e a maioria
2 aoutros
produção de ATP.
tiamina
(no
dos aminoácidos são finalmente oxidados a CO2 e H2O pelo ciclo do ácido cítrico e TPP),
pela riboflavina (n
2 PRODUÇÃO DE ACETATO
cadeia respiratória. Antes de entrarem no ciclo do ácido cítrico, os esqueletos de carbono
é oxidado a acetil-CoA e CO2 pelo complexo da piruvatodos açúcares e ácidos
graxos são(PDH,
convertidos
ao grupo
acetil da acetil-CoA,
a forma na
-desidrogenase
de pyruvate
dehydrogenase),
um
O
O 2 CoA-SH
qual a maioria dosgrupo
combustíveis
no cópias
ciclo. de
Ostrês
carbonos
muitos aminoácidos
de enzimas –entra
múltiplas
enzimas de
– locaNAD1 TPP
C
lipoat
lizado
mitocôndrias
células eucarióticas
e no citosolsejam convertidos
também entram no
ciclonas
dessa
maneira,deembora
alguns aminoácidos
FAD
de bactérias.
C O
a outros intermediários do ciclo. Aqui, o foco será em como o piruvato, derivado
da
Complexo
O exame cuidadoso desse complexo enzimático é grapiruvato-desidrogenase
3
complexo
glicose e de outrostificante
açúcares
glicólise,
é oxidado
a acetil-CoA
CO2 pelo CH
sob pela
diversos
aspectos.
O complexo
da PDH éeum
Piruvato
exemplo clássico
e muito estudado
de um complexo
mulda piruvato desidrogenase
(utilizaremos
a abreviação
PDH), um
grupo de
enzimas –
tienzimático no qual uma série de intermediários químicos
múltiplas cópias de três enzimas – localizado nas mitocôndrias de células eucarióticas
permanece ligada às moléculas de enzima à medida que o
e no citosol de bactérias
(RODWEL;
MURRAY;
GRANNER,
2017).
substrato
é transformado
no produto
final. Cinco
cofatores,
164
quatro derivados de vitaminas, participam do mecanismo
da reação. A regulação desse complexo enzimático também
FIGURA 162 Reação geral catalisad
-desidrogenase. As cinco enzimas part
zimas que formam o complexo são discu
O exame cuidadoso desse complexo enzimático é gratificante sob diversos
aspectos. O complexo da PDH é um exemplo clássico e muito estudado de um
complexo multienzimático no qual uma série de intermediários químicos permanece
ligada às moléculas de enzima à medida que o substrato é transformado no produto.
Cinco cofatores, quatro derivados de vitaminas, participam do mecanismo da reação.
A regulação desse complexo enzimático também ilustra como uma combinação de
modificações covalentes e mecanismos alostéricos resultam em um fluxo precisamente
regulado em uma etapa metabólica. Finalmente, o complexo da PDH é o protótipo para dois
outros importantes complexos enzimáticos: a-cetoglutarato-desidrogenase, do ciclo do
ácido cítrico, e a-cetoácido-desidrogenase de cadeia ramificada, das vias de oxidação
de alguns aminoácidos. A notável similaridade na estrutura de proteínas, na exigência
de cofator e nos mecanismos de reação desses três complexos inquestionavelmente
reflete uma origem evolutiva comum (NELSON; COX, 2014).
O piruvato será oxidado a acetil-CoA e CO2. Essa reação geral é catalisada
pelo complexo da piruvato-desidrogenase e é considerada uma descarboxilação
oxidativa, um processo de oxidação irreversível no qual o grupo carboxil é removido
do piruvato na forma de uma molécula de CO2, e os dois carbonos remanescentes são
convertidos ao grupo acetil da acetil-CoA (Figura 11). O NADH formado nessa reação doa
um íon hidreto (H-) para a cadeia respiratória (Figura 10), que transferirá os dois elétrons
ao oxigênio ou, em microrganismos anaeróbios, a um aceptor de elétrons alternativo,
como nitrato ou sulfato. A transferência de elétrons do NADH ao oxigênio gera, ao final,
2,5 moléculas de ATP por par de elétrons (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
FIGURA 11 – REAÇÃO GERAL CATALISADA PELO COMPLEXO DA PIRUVATO-DESIDROGENASE
FONTE: Rodwel, Murray e Granner (2017, p. 501)
165
A combinação de desidrogenação e descarboxilação do piruvato ao grupo
acetil da acetil-CoA (Figura 12) requer a ação sequencial de três enzimas diferentes
e cinco coenzimas diferentes ou grupos prostéticos – pirofosfato de tiamina
(TPP), dinucleotídeo de flavina-adenina (FAD), coenzima A (CoA), dinucleotídeo de
nicotinamida-adenina (NAD) e lipoato. Quatro vitaminas diferentes essenciais à nutrição
humana são componentes vitais desse sistema: tiamina (no TPP), riboflavina (no FAD),
niacina (no NAD) e pantotenato (na CoA). Já sabemos que FAD e NAD têm como função
serem transportadores de elétrons e verificamos que o TPP era a coenzima da piruvatodescarboxilase (NELSON; COX, 2014).
3 REAÇÕES DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
Agora serão focalizados os processos por meio dos quais a acetil-CoA é
oxidada. Essa transformação química é realizada pelo ciclo do ácido cítrico, a primeira
via cíclica descoberta (Figura 13). Para iniciar uma rodada do ciclo, a acetil-CoA doa seu
grupo acetil ao composto de quatro carbonos oxaloacetato, formando o composto de
seis carbonos citrato. O citrato é, em seguida, transformado a isocitrato, também uma
molécula com seis carbonos, o qual é desidrogenado com a perda de CO2 para produzir
o composto de cinco carbonos a-cetoglutarato (também chamado de oxoglutarato). O
a-cetoglutarato perde uma segunda molécula de CO2, originando ao final o composto
de quatro carbonos succinato. O succinato é, então, convertido por quatro etapas
enzimáticas ao composto de quatro carbonos oxaloacetato – que está, assim, pronto
para reagir com outra molécula de acetil-CoA. Em cada rodada do ciclo entra um grupo
acetil (dois carbonos) na forma de acetil-CoA, e são removidas duas moléculas de CO2;
uma molécula de oxaloacetato é utilizada para a formação do citrato e uma molécula
de oxaloacetato é regenerada. Não ocorre nenhuma remoção líquida de oxaloacetato;
teoricamente, uma molécula de oxaloacetato pode participar da oxidação de um
número infinito de grupos acetil, e, na verdade, o oxaloacetato está presente nas células
em concentrações muito baixas. Quatro das oito etapas deste processo são oxidações,
nas quais a energia da oxidação é conservada de maneira muito eficiente na forma das
coenzimas reduzidas NADH e FADH2 (NELSON; COX, 2014).
Como mencionado antes, embora o ciclo do ácido cítrico seja fundamental ao
metabolismo gerador de energia, sua função não está limitada à conservação energética.
Intermediários do ciclo com quatro e cinco carbonos servem como precursores para
uma ampla variedade de produtos.
166
PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA DE LEHNINGER
FIGURA 12 – REAÇÕES DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
639
❶
Condensação de Claisen:
grupo metil da acetil-CoA
convertido a metileno no
citrato.
Acetil-CoA
O
❽
CH3
Desidrogenação:
oxidação do —OH
completa a sequência
de oxidação; carbonil
gerado posicionado
para facilitar a
condensação de
Claisen na próxima
etapa.
S-CoA
H2O
CoA-SH
Citrato
Oxaloacetato
O
C
Citrato-sintase
CH2
HO
COO2
CH2
C
COO2
Ciclo do ácido cítrico
Desidratação/reidratação:
grupo —OH do citrato
reposicionado no isocitrato
preparando para a descarboxilação da próxima etapa.
COO2
CH2
COO2
Malato-desidrogenase
❼
C
COO2
H2 O
Aconitase
Malato
Hidratação:
COO2
adição de
CH
HO
água à ligação
dupla
CH2
introduz
COO2
o grupo
—OH para
a próxima
Fumarase
etapa de
oxidação.
CH2
COO2
C
COO2
C
COO2
cis-Aconitato
H
H2 O
(3) NADH
Aconitase
Reidratação
H2 O
COO2
CH2
Fumarato CH
HC
COO2
❻
H
C
COO2
HO
C
H
FADH2
COO2
Isocitrato-desidrogenase
Succinato-desidrogenase
Desidrogenação:
introdução da
ligação dupla inicia
a sequência de
oxidação do
metileno.
CH2
CH2
Succinil-CoA-sintatetase
Succinato COO2
CH2
❺
GTP
(ATP)
Fosforilação ao nível do substrato:
energia do tioéster conservada na
ligação fosfoanidrido do GTP ou ATP.
C
S-CoA
GDP O
(ADP) Succinil-CoA
1 Pi
FIGURA 167 Reações do ciclo do ácido cítrico. Os átomos de carbono
Nelson
e
sombreados em cor salmão são aqueles derivados FONTE:
do acetato da
acetil-CoA
durante a primeira rodada do ciclo; estes não são os carbonos liberados na
forma de CO2 durante a primeira rodada. Observe que, no succinato e no
fumarato, o grupo de dois carbonos derivado do acetato não pode mais ser
especificamente indicado; como succinato e fumarato são moléculas simétricas, C-1 e C-2 são indistinguíveis de C-4 e C-3. O número ao lado de cada
COO2
CO2
CH2
C
COO2
O
COO2
CoA-SH
a-Cetoglutarato
CH2
CoA-SH
CH2
Complexo
a-cetoglutarato-desidrogenase
COO2
CO2
COO2
Isocitrato
❸
Descarboxilação
oxidativa:
grupo —OH oxidado
a carbonil, o que,
por sua vez, facilita a
descarboxilação por
meio da estabilização
do carbânion
formado no carbono
adjacente.
❹
Descarboxilação oxidativa:
mecanismo similar a
piruvato-desidrogenase;
dependente do carbonil no
carbono adjacente.
etapa de reação corresponde a um tópico numerado nas p. 640-647. As setas
Cox
p. 639)onde a energia é conservada pela transferência de
em(2014,
vermelho mostram
elétrons ao FAD ou NAD1, formando FADH2 ou NADH 1 H1. As etapas ➊,
➌ e ➍ são essencialmente irreversíveis na célula; todas as outras etapas são
reversíveis. O nucleosídeo trifosfatado produzido na etapa ➎ pode ser tanto
ATP quanto GTP, dependendo da isoenzima de succinil-CoA-sintetase que
está catalisando a reação.
IMPORTANTE
ção do citrato (etapa ➊ na Figura 16-7). O grupo metil série de oxidações que eliminam dois carbonos na forma
O acetato
Ciclo édo
Ácido aCítrico
matriz
de CO2. ObserveO
quepiruvato
todas as etapas levando à quebra ou
do
convertido
metilenoocorre
no ácido na
cítrico.
Esse mitocondrial.
ácido
tricarboxílico,
então, prontamente
por uma à formação
carbono-carbono (etapas ➊, ➌ e
penetra
na mitocôndria,
se unepassa
à Coenzima-A
e formadealigações
Acetil-CoA.
Rendimento do ciclo: 2 ATP, 6NADH e 2FADH2.
Nelson_6ed_book.indb 639
03/04/14 07:44
167
O fluxo de átomos de carbono que entram no ciclo do ácido cítrico a partir do
piruvato, e também durante o curso do ciclo, está sob constante regulação em dois
níveis: a conversão de piruvato a acetil-CoA, o material de partida do ciclo (a reação da
piruvato-desidrogenase), e a entrada da acetil-CoA no ciclo (a reação da citrato-sintase).
A acetil-CoA também é produzida por outras vias que não a reação do complexo da
PDH – a maioria das células produz acetil-CoA pela oxidação de ácidos graxos e certos
aminoácidos – e a disponibilidade de intermediários a partir dessas vias é importante
para a regulação da oxidação do piruvato e do ciclo do ácido cítrico. O ciclo também é
regulado nas reações da isocitrato-desidrogenase e da a-cetoglutarato-desidrogenase
(RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
NOTA
Você sabia?
Quando os mecanismos da regulação de uma via como o ciclo do ácido
cítrico são afetados por uma perturbação metabólica importante, o
resultado pode ser uma doença grave. São raríssimas as mutações
nas enzimas do ciclo do ácido cítrico em humanos e outros mamíferos,
mas quando ocorrem são devastadoras. Defeitos genéticos no gene
da fumarase levam a tumores no músculo liso (leiomas) e nos rins;
mutações na succinato-desidrogenase levam a tumores da glândula
suprarrenal (feocromocitomas).
4 O CICLO DO GLIOXILATO
Os vertebrados não conseguem converter ácidos graxos, ou o acetato derivado
deles, a carboidratos. As conversões de fosfoenolpiruvato a piruvato e de piruvato a
acetil--CoA de tão exergônicas são essencialmente irreversíveis. Se uma célula não
consegue converter acetato a fosfoenolpiruvato, o acetato não pode ser o material de
partida para a via gliconeogênica, que leva de fosfoenolpiruvato a glicose. Sem essa
capacidade, portanto, uma célula ou organismo é incapaz de converter combustíveis
ou metabólitos que são degradados a acetato (ácidos graxos e certos aminoácidos) em
carboidratos.
Como os átomos de carbono das moléculas de acetato que entram no ciclo do
ácido cítrico aparecem oito etapas depois no oxaloacetato, pode parecer que esta via
pode produzir oxaloacetato a partir de acetato e, assim, originar fosfoenolpiruvato para
a gliconeogênese. Contudo, como mostrado por um exame da estequiometria do ciclo
do ácido cítrico, não há conversão líquida de acetato a oxaloacetato; nos vertebrados,
para cada dois carbonos que entram no ciclo na forma de acetil-CoA, dois são liberados
na forma de CO2. Em muitos organismos que não os vertebrados, o ciclo do glioxilato
funciona como mecanismo para a conversão de acetato a carboidratos (NELSON; COX,
2014).
168
No ciclo do glioxilato, a acetil-CoA é condensada com o oxaloacetato para formar
citrato, e o citrato é convertido a isocitrato, exatamente como no ciclo do ácido cítrico.
A próxima etapa, porém, não é a quebra do isocitrato pela isocitrato-desidrogenase,
mas a clivagem do isocitrato pela isocitrato-liase, formando succinato e glioxilato. O
glioxilato, então, é condensado com uma segunda molécula de acetil-CoA para a geração
de malato, em uma reação catalisada pela malato-sintase. O malato é posteriormente
oxidado a oxaloacetato, o qual pode ser condensado com outra molécula de acetil-CoA
para iniciar outra volta do ciclo (Figura 13). Cada volta do ciclo do glioxilato consome
duas moléculas de acetil-CoA e produz uma molécula de succinato, que está, então,
disponível aos propósitos biossintéticos (BERG; TYMOCZKO; STRYERT, 2015).
nismo é incapaz de converter
que são degradados a acetato
ácidos) em carboidratos.
ussão sobre reações anapleenolpiruvato pode ser sinteto em uma reação reversível
nase:
FIGURA 13 – CICLO DO GLIOXILATO
O
CH3
O
¡
1
inato 1 2CoA 1 NADH 1 H
il-CoA é condensada com o
ato, e o citrato é convertido
o no ciclo do ácido cítrico. A
a quebra do isocitrato pela
as a clivagem do isocitrato
ndo succinato e glioxilato.
sado com uma segunda mogeração de malato, em uma
S-CoA
COO2
C
Citrato-sintase
COO2
CH2
Oxaloacetato
CH2
NADH
HO
Malato-desidrogenase
Ciclo do
glioxilato
CH
CH2
COO2
Malato
O
CH3
C
S-CoA
Acetil-CoA
COO2
COO2
Aconitase
CH2
Malato-sintase
COO2
Citrato
COO2
HO
C
CH2
NAD1
ompostos de quatro
dos e alguns microrganismos
o acetato pode ser tanto um
omo uma fonte de fosfoenoloidratos. Nesses organismos,
xilato catalisam a conversão
ou outros intermediários de
cido cítrico:
C
Acetil-CoA
oenolpiruvato 1 CO2 1 GDP
das moléculas de acetato que
co aparecem oito etapas derecer que esta via pode proe acetato e, assim, originar
oneogênese. Contudo, como
tequiometria do ciclo do áciquida de acetato a oxaloaceda dois carbonos que entram
A, dois são liberados na forma
os que não os vertebrados, o
mo mecanismo para a conver-
657
PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA DE LEHNINGER
HO
O
2
COO2
CH
COO2
CH
COO2
Isocitrato
C
O
C
O
Isocitrato-liase
H
Glioxilato
CH2
COO2
CH2
COO2
Succinato
FONTE:
Rodwel,
Murray e Granner
(2017, p.a510)
FIGURA 1622
Ciclo
do glioxilato.
A citrato-sintase,
aconitase e a
malato-desidrogenase do ciclo do glioxilato são isoenzimas das enzimas
do ciclo do ácido cítrico; isocitrato-liase e malato-sintase são exclusivas do
ciclo do glioxilato. Observe que dois grupos acetil (em cor salmão) entram
no ciclo e quatro carbonos saem na forma de succinato (em azul). O ciclo
do glioxilato foi elucidado por Hans Kornberg e Neil Madsen no laboratório
de Hans Krebs.
madas de glioxissomos, os quais são peroxissomos especializados (Figura 16-23). As enzimas comuns ao ciclo do
ácido cítrico e do glioxilato têm duas isoenzimas, uma espe-
169
Em plantas, as enzimas do ciclo do glioxilato estão sequestradas em organelas
delimitadas por membrana chamadas de glioxissomos, os quais são peroxissomos
especializados (Figura 15). As enzimas comuns ao ciclo do ácido cítrico e do glioxilato têm
duas isoenzimas, uma específica das mitocôndrias, outra específica dos glioxissomos.
Os glioxissomos nem sempre estão presentes em todos os tecidos vegetais. Eles se
desenvolvem nas sementes ricas em lipídios durante a germinação, antes de a planta
adquirir a capacidade de produzir glicose pela fotossíntese. Além das enzimas do ciclo
do glioxilato, os glioxissomos contêm todas as enzimas necessárias para a degradação
dos ácidos graxos estocados nos óleos das sementes (RODWEL; MURRAY; GRANNER,
2017).
FIGURA 14 – MICROGRAFIA ELETRÔNICA DE UMA SEMENTE DE PEPINO EM GERMINAÇÃO, MOSTRANDO
GLIOXISSOMO, MITOCÔNDRIAS E CORPOS LIPÍDICOS
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 658)
170
RESUMO DO TÓPICO 2
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• Piruvato, o produto da glicólise, é convertido a acetil-CoA, o material de partida para
o ciclo do ácido cítrico, pelo complexo da piruvato-desidrogenase.
• O complexo da PDH é composto por múltiplas cópias de três enzimas: piruvatodesidrogenase; di-hidrolipoil-transacetilase e di-hidrolipoil-desidrogenase.
• O ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs, ciclo do ácido tricarboxílico [TCA]) é uma via
catabólica central e praticamente universal por meio da qual os compostos derivados
da degradação de carboidratos, gorduras e proteínas são oxidados a CO2, com a maior
parte da energia da oxidação temporariamente armazenada nos transportadores de
elétrons FADH2 e NADH.
• Durante o metabolismo aeróbio, esses elétrons são transferidos ao O2, e a energia do
fluxo de elétrons é capturada na forma de ATP.
• A acetil-CoA entra no ciclo do ácido cítrico (na mitocôndria de eucariotos, no citosol
em bactérias) quando a citrato-sintase catalisa sua condensação com o oxaloacetato
para a formação de citrato.
• O ciclo do glioxilato está ativo nas sementes em germinação de algumas plantas e
em certos microrganismos que conseguem viver utilizando acetato como a única
fonte de carbono.
• Nas plantas, essa via ocorre nos glioxissomos dos brotos. Ela inclui algumas enzimas
do ciclo do ácido cítrico e duas enzimas adicionais: isocitrato-liase e malato-sintase.
• No ciclo do glioxilato, o desvio das duas etapas de descarboxilação do ciclo do
ácido cítrico torna possível a formação líquida de succinato, oxaloacetato e outros
intermediários do ciclo do ácido cítrico a partir de acetil-CoA. O oxaloacetato formado
deste modo pode ser utilizado para a síntese de glicose via gliconeogênese.
171
AUTOATIVIDADE
1 Indivíduos com dieta deficitária em tiamina têm níveis relativamente altos de piruvato
na corrente sanguínea. Explique esse fenômeno em termos bioquímicos.
2 Como uma deficiência de riboflavina afetaria o funcionamento do ciclo do ácido
cítrico? Explique.
3 Que fatores poderiam diminuir a quantidade de oxaloacetato disponível para a
atividade do ciclo do ácido cítrico? Como o oxaloacetato pode ser reposto?
4 Pessoas com beribéri, doença causada pela deficiência de tiamina, apresentam níveis
sanguíneos elevados de piruvato e a-cetoglutarato, especialmente após consumirem
uma refeição rica em glicose. Como esses resultados se relacionam à deficiência de
tiamina?
5 Com relação à respiração celular é correto afirmar que:
a) ( ) A glicólise, que ocorre no espaço intermembranas devido à ação de enzimas
específicas, rende um total de 2 ATP e 2 NADH.
b) ( ) A descarboxilação oxidativa de um piruvato rende, no final da cadeia transportadora
de elétrons, um total de 2,5 ATP.
c) ( ) Os NADH produzidos durante a glicólise chegam até a matriz mitocondrial e
rendem sempre um total de 2,5 ATP cada.
d) ( ) Os complexos proteicos que participam da cadeia transportadora de elétrons são
encontrados por toda a membrana interna da mitocôndria.
e) ( ) No ciclo do ácido cítrico os NADH produzidos necessitam da ação de lançadeiras
para que possam chegar até a matriz mitocondrial.
172
UNIDADE 3
TÓPICO 3 -
METABOLISMO DE ÁCIDOS GRAXOS E
TRIGLICERÍDEOS
1 INTRODUÇÃO
A oxidação dos ácidos graxos de cadeia longa a acetil-CoA é uma via central
de geração de energia em muitos organismos e tecidos. No coração e no fígado de
mamíferos, por exemplo, ela fornece até 80% das necessidades energéticas em todas as
circunstâncias fisiológicas. Os elétrons retirados dos ácidos graxos durante a oxidação
passam pela cadeia respiratória, levando à síntese de ATP; a acetil-CoA produzida a
partir dos ácidos graxos pode ser completamente oxidada a CO2 no ciclo do ácido cítrico,
resultando em mais conservação de energia. Em algumas espécies e em alguns tecidos,
a acetil-CoA tem destinos alternativos. No fígado, a acetil-CoA pode ser convertida em
corpos cetônicos – combustíveis solúveis em água exportados para o cérebro e para
outros tecidos quando glicose não está disponível. Em vegetais superiores, a acetilCoA serve principalmente de precursor biossintético, e apenas secundariamente como
combustível. Embora o papel biológico da oxidação dos ácidos graxos varie de acordo
com o organismo, o mecanismo é essencialmente o mesmo (NELSON; COX, 2014). O
processo repetitivo de quatro etapas, chamado de b-oxidação, por meio do qual os
ácidos graxos são convertidos em acetil-CoA é o item principal deste tópico.
No Tópico 7 da Unidade 2, foram descritas as propriedades dos triacilgliceróis
(também chamados de triglicerídeos ou gorduras neutras) que os tornam especialmente
adequados como combustíveis de armazenamento. Vimos que seus ácidos graxos
constituintes são essencialmente hidrocarbonetos, estruturas altamente reduzidas
com uma energia de oxidação completa (38 kJ/g) mais de duas vezes maior que a
produzida pelo mesmo peso de carboidratos ou proteínas. Essa vantagem é composta
pela extrema insolubilidade dos lipídios em água; os triacilgliceróis celulares se agregam
em gotículas lipídicas, que não aumentam a osmolaridade do citosol.
As propriedades que tornam os triacilgliceróis compostos de armazenamento
adequados, no entanto, apresentam problemas em seu papel como combustível. Por
serem insolúveis em água, os triacilgliceróis ingeridos devem ser emulsificados antes
que possam ser digeridos por enzimas hidrossolúveis no intestino, e os triacilgliceróis
absorvidos no intestino ou mobilizados dos tecidos de armazenamento devem ser
carregados no sangue ligados a proteínas que neutralizam a sua insolubilidade. Para
superar a relativa estabilidade das ligações C-C em um ácido graxo, o grupo carboxil
do C-1 é ativado pela ligação à coenzima A, que permite a oxidação gradativa do grupo
acil graxo na posição C-3, ou b – daí o nome b-oxidação (RODWEL; MURRAY; GRANNER,
2017).
173
Este tópico iniciará com uma breve discussão sobre as fontes de ácidos graxos
e sobre as vias pelas quais eles se deslocam até o seu sítio de oxidação, com ênfase
especial no processo em vertebrados. Em seguida, descreve as etapas químicas da
oxidação dos ácidos graxos nas mitocôndrias. A oxidação completa dos ácidos graxos
a CO2 e H2O ocorre em três etapas: a oxidação dos ácidos graxos de cadeia longa a
fragmentos de dois carbonos, na forma de acetil-CoA (b-oxidação); a oxidação de acetilCoA a CO2 no ciclo do ácido cítrico; e a transferência de elétrons dos transportadores
de elétrons reduzidos à cadeia respiratória mitocondrial. Neste tópico, também será
apresentada a primeira dessas etapas. A discussão sobre a b-oxidação inicia com o
caso simples no qual um ácido graxo completamente saturado com um número par
de átomos de carbono é degradado a acetil-CoA. Então são analisadas brevemente as
transformações extras necessárias para a degradação de ácidos graxos insaturados
e ácidos graxos com um número ímpar de carbonos. Finalmente, são discutidas as
variações sobre o tema da b-oxidação nas organelas especializadas – peroxissomos e
glioxissomos. O tópico é concluído com uma descrição de um destino alternativo para
a acetil-CoA formada pela b-oxidação em vertebrados: a produção de corpos cetônicos
no fígado.
2 DIGESTÃO,
GORDURAS
MOBILIZAÇÃO
E
TRANSPORTE
DE
As células podem obter combustíveis de ácidos graxos de três fontes: gorduras
consumidas na dieta, gorduras armazenadas nas células como gotículas de lipídios
e gorduras sintetizadas em um órgão para exportação a outro. Algumas espécies
utilizam as três fontes sob várias circunstâncias, outras utilizam uma ou duas delas. Os
vertebrados, por exemplo, obtêm gorduras na dieta, mobilizam gorduras armazenadas
em tecidos especializados (tecido adiposo, consistindo em células chamadas adipócitos)
e, no fígado, convertem o excesso dos carboidratos da dieta em gordura para a
exportação aos outros tecidos. Em média, 40% ou mais das necessidades energéticas
diárias das pessoas que vivem em países altamente industrializados são supridos pelos
triacilgliceróis da dieta (embora a maioria das diretrizes nutricionais recomende que o
consumo calórico diário de gorduras não ultrapasse 35%). Os triacilgliceróis fornecem
mais da metade das necessidades energéticas de alguns órgãos, particularmente
o fígado, o coração e a musculatura esquelética em repouso. Os triacilgliceróis
armazenados são praticamente a única fonte de energia dos animais hibernantes e
das aves migratórias. As plantas vasculares mobilizam gorduras armazenadas nas
sementes durante a germinação, mas não dependem de gorduras para a obtenção de
energia (NELSON; COX, 2014).
174
2.1 AS GORDURAS DA DIETA SÃO ABSORVIDAS NO
INTESTINO DELGADO
Nos vertebrados, antes que os triacilgliceróis possam ser absorvidos através da
parede intestinal, eles precisam ser convertidos de partículas de gordura macroscópicas
insolúveis em micelas microscópicas finamente dispersas.
Para Nelson e Cox (2014, p. 668):
Essa solubilização é realizada pelos sais biliares, como o ácido
taurocólico, um ácido que é sintetizado a partir das moléculas de
colesterol no fígado, armazenados na vesícula biliar e liberados no
intestino delgado após a ingestão de uma refeição gordurosa. Os
sais biliares são compostos anfipáticos que atuam como detergentes
biológicos, convertendo as gorduras da dieta em micelas mistas
de sais biliares e triacilgliceróis. A formação de micelas aumenta
muito a fração das moléculas de lipídeo acessíveis à ação das
lipases hidrossolúveis no intestino, e a ação das lipases converte os
triacilgliceróis em monoacilgliceróis (monoglicerídeos) e diacilgliceróis
(diglicerídeos), ácidos graxos livres e glicerol. Esses produtos da ação
da lipase se difundem para dentro das células epiteliais que revestem
a superfície intestinal (a mucosa intestinal), onde são reconvertidos
em triacilgliceróis e empacotados com o colesterol da dieta e proteínas
específicas em agregados de lipoproteínas chamados quilomícrons.
FIGURA 15 – O PROCESSAMENTO DOS LIPÍDIOS DA DIETA EM VERTEBRADOS
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 668)
175
As apolipoproteínas são proteínas de ligação a lipídios no sangue, responsáveis
pelo transporte de triacilgliceróis, fosfolipídios, colesterol e ésteres de colesterol entre
os órgãos. As apolipoproteínas (“apo” significa “destacado “ou “separado”, designando
a proteína em sua forma livre de lipídios) se combinam com os lipídios para formar
várias classes de partículas de lipoproteína, que são agregados esféricos com lipídios
hidrofóbicos no centro e cadeias laterais hidrofílicas de proteínas e grupos polares de
lipídios na superfície. Várias combinações de lipídios e proteínas produzem partículas
de densidades diferentes, variando de quilomícrons e lipoproteínas de densidade muito
baixa (VLDL) a lipoproteínas de densidade muito alta (VHDL), que podem ser separadas
por ultracentrifugação (NELSON; COX, 2014).
As porções proteicas das lipoproteínas são reconhecidas por receptores nas
superfícies celulares. Na absorção de lipídios no intestino, os quilomícrons, que contêm
a apolipoproteína C-II (apoC-II), deslocam-se da mucosa intestinal para o sistema
linfático e então entram no sangue, que os carrega para os músculos e o tecido
adiposo (Figura 15, etapa 5). Nos capilares desses tecidos, a enzima extracelular, lipase
lipoproteica, ativada pela apoC-II, hidrolisa os triacilgliceróis em ácidos graxos e glicerol
(etapa 6), absorvidos pelas células nos tecidos-alvo (etapa 7). No músculo, os ácidos
graxos são oxidados para obter energia; no tecido adiposo, eles são reesterificados para
armazenamento na forma de triacilgliceróis (etapa 8).
Os remanescentes dos quilomícrons, desprovidos da maioria dos seus
triacilgliceróis, mas ainda contendo colesterol e apolipoproteínas, se deslocam pelo
sangue até o fígado, onde são captados por endocitose mediada pelos receptores
específicos para as suas respectivas apolipoproteínas. Os triacilgliceróis que entram no
fígado por essa via podem ser oxidados para fornecer energia ou precursores para a
síntese de corpos cetônicos (abordaremos a seguir). Quando a dieta contém mais ácidos
graxos do que o necessário imediatamente como combustível ou como precursores, o
fígado os converte em triacilgliceróis, empacotados com apolipoproteínas específicas
formando VLDL. As VLDL são transportadas pelo sangue até o tecido adiposo, onde os
triacilgliceróis são removidos da circulação e armazenados em gotículas lipídicas dentro
dos adipócitos (NELSON; COX, 2014).
2.2 HORMÔNIOS ATIVAM A
TRIACILGLICERÓIS ARMAZENADOS
MOBILIZAÇÃO
DOS
Os lipídios neutros são armazenados nos adipócitos (e nas células que sintetizam
esteroides do córtex da suprarrenal, dos ovários e dos testículos) na forma de gotículas
lipídicas, com um centro de ésteres de esteróis e triacilgliceróis envoltos por uma
monocamada de fosfolipídios. A superfície dessas gotículas é revestida por perilipinas,
família de proteínas que restringem o acesso às gotículas lipídicas, evitando a mobilização
prematura dos lipídios. Berg, Tymoczko e Stryert (2015) relatam que, quando hormônios
sinalizam a necessidade de energia metabólica, os triacilgliceróis armazenados no
176
0
tecido adiposo são mobilizados (retirados do armazenamento) e transportados aos
tecidos (musculatura esquelética, coração e córtex renal) nos quais os ácidos graxos
podem ser oxidados para a produção de energia. Os hormônios adrenalina e glucagon,
secretados em resposta aos baixos níveis de glicose ou atividade iminente, estimulam a
enzima adenilil ciclase na membrana plasmática dos adipócitos (Figura 17), que produz
o segundo mensageiro intracelular AMP cíclico (cAMP). A proteína-cinase dependente
de cAMP (PKA) leva a mudanças que abrem a gotícula de lipídeo para a atividade de três
lipases, que atuam sobre tri-, di- e monoacilgliceróis, liberando ácidos graxos e glicerol.
D AV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
FIGURA 16 – MOBILIZAÇÃO DOS TRIACILGLICERÓIS ARMAZENADOS NO TECIDO ADIPOSO
Adenilil-ciclase
Glucagon
❶
Receptor
Gs
ATP
❺
CGI
CGI
ATGL
❷
❹
❸
P
❻
Perilipina
❼
Diacilglicerol
Transportador
de ácidos
graxos
PKA
CGI
P
Triacilglicerol
cAMP
P
P
P
P
P
Lipase
sensível a
hormônio
HSL
ATP
HSL
➒
Gotícula de lipídeo
➑
CO2
Albumina
sérica
Ácidos graxos
Monoacilglicerol
b oxidação, ciclo
do ácido cítrico,
cadeia respiratória
Adipócito
Miócito
MGL
Corrente sanguínea
FONTE: Berg,
Stryert
670)
se(2015,
associap.com
a lipase sensível a hormônios fosforilada, pe
RA 173 Mobilização dos triacilgliceróis armazenados
noTymoczko
tecido e rilada
oso. Quando os baixos níveis de glicose no sangue ativam a liberação
ucagon, ➊ o hormônio se liga ao seu receptor na membrana do adio e assim ➋ estimula a adenilil-ciclase, via uma proteína G, a produzir
P. Isso ativa a PKA, que fosforila ➌ a lipase sensível a hormônio (HSL, de
mone-sensitive lipase) e ➍ as moléculas de perilipina na superfície da goa lipídica. A fosforilação da perilipina causa a ➎ dissociação da proteína
da perilipina. A CGI então se associa com a enzima triacilglicerol lipase no
ócito (ATGL, de adipose triacylglycerol lipase), ativando-a. A triacilglicerol
e ativada ➏ converte triacilgliceróis em diacilgliceróis. A perilipina fosfo-
acesso à superfície da gotícula lipídica, onde ➐ ela hidrolisa os dia
em monoacilgliceróis. Uma terceira lipase, a monoacilglicerol lipas
monoacylglycerol lipase) ➑ hidrolisa os monoacilgliceróis. ➒ Os ác
saem do adipócito, se ligam à albumina sérica no sangue e são
dos no sangue; eles são liberados da albumina e ➓ entram em u
por meio de um transportador específico de ácidos graxos. 11 No
ácidos graxos são oxidados a CO2, e a energia da oxidação é cons
ATP, que abastece a contração muscular e outros tipos de metab
necessitam de energia no miócito.
a glicerol-cinase (Figura 17-4), e o glicerol-3-fosfato
ultante é oxidado a di-hidroxiacetona fosfato. A enzima
olítica triose-fosfato-isomerase converte esse composto
gliceraldeído-3-fosfato, que é oxidado na glicólise.
condrial externa, as acil-CoA-sintetases, que cat
reação geral
177
Ácido graxo 1 CoA 1 ATP ∆ acil-CoA graxo 1 AM
NOTA
Você sabia?
Os ácidos graxos liberados passam dos adipócitos para o sangue, onde
eles se ligam à albumina sérica. Ligados a essa proteína solúvel, os
ácidos graxos são transportados aos tecidos como o músculo estriado
esquelético, o coração e o córtex renal. Nesses tecidos alvos, os ácidos
graxos se dissociam da albumina e são levados por transportadores
da membrana plasmática para dentro das células para servir de
combustível.
Cerca de 95% da energia biologicamente disponível dos triacilgliceróis residem
nas suas três cadeias longas de ácidos graxos; apenas 5% são fornecidos pela porção
glicerol. O glicerol liberado pela ação da lipase é fosforilado pela glicerol-cinase, e o
glicerol-3-fosfato resultante é oxidado a di-hidroxiacetona fosfato.
2.2.1 Oxidação dos ácidos graxos
A oxidação dos ácidos graxos ocorre em três etapas (Figura 17). Na primeira etapa
– b-oxidação –, os ácidos graxos sofrem remoção oxidativa de sucessivas unidades
de dois carbonos na forma de acetil-CoA, começando pela extremidade carboxílica da
cadeia acil-graxo. Por exemplo, o ácido palmítico de 16 carbonos passa sete vezes pela
sequência oxidativa, perdendo dois carbonos como acetil-CoA em cada passagem. Ao
final de sete ciclos, os dois últimos carbonos do palmitato permanecem como acetilCoA. O resultado global é a conversão da cadeia de 16 carbonos do palmitato em oito
grupos acetil de dois carbonos das moléculas de acetil-CoA. A formação de cada acetilCoA requer a remoção de quatro átomos de hidrogênio (dois pares de elétrons e quatro
H1) da porção acil-graxo pelas desidrogenases.
Na segunda etapa da oxidação de ácidos graxos, os grupos acetil da acetil-CoA
são oxidados a CO2 no ciclo do ácido cítrico, que também ocorre na matriz mitocondrial. A
acetil-CoA derivada dos ácidos graxos então entra em uma via de oxidação final comum
com a acetil-CoA derivada da glicose precedente da glicólise e da oxidação do piruvato.
As duas primeiras etapas da oxidação dos ácidos graxos produzem os transportadores
de elétrons reduzidos NADH e FADH2, que na terceira etapa doam elétrons para a cadeia
respiratória mitocondrial, por meio da qual os elétrons passam para o oxigênio com a
fosforilação concomitante de ADP a ATP (Figura 17). A energia liberada pela oxidação
dos ácidos graxos é, portanto, conservada como ATP (NELSON; COX, 2014).
178
NOTA
Curiosidade:
Muitos animais dependem da gordura armazenada para obter energia durante a
hibernação, em períodos migratórios e em outras situações envolvendo ajustes metabólicos
radicais. Um dos ajustes mais pronunciados do metabolismo de gorduras ocorre nos ursospardos em hibernação. Esses animais permanecem em estado contínuo de dormência por
períodos de até sete meses. Diferente da maioria das espécies hibernantes, o urso mantém
a temperatura corporal entre 32 e 35 °C, próxima ao nível normal (não hibernando). Embora
gaste aproximadamente 25.000 kJ/dia (6.000 kcal/dia), o urso não come, bebe, urina ou
defeca por meses seguidos. Estudos experimentais mostraram que os ursos-pardos em
hibernação utilizam a gordura corporal como seu único combustível.
A oxidação das gorduras produz energia suficiente para manter a
temperatura corporal, a síntese ativa de aminoácidos e proteínas
e outras atividades que requerem energia, como o transporte
de membrana. A oxidação das gorduras também libera grandes
quantidades de água, que repõem a água perdida na respiração.
O glicerol liberado pela degradação dos triacilgliceróis é convertido
em glicose sanguínea pela gliconeogênese. A ureia formada durante
a degradação de aminoácidos é reabsorvida nos rins e reciclada, os
grupos aminos são reutilizados para produzir novos aminoácidos
para manter as proteínas corporais. Os ursos armazenam uma
enorme quantidade de gordura corporal quando em preparação
para o seu longo sono. Um urso-pardo adulto consome cerca de
38.000 kJ/dia durante o final da primavera e o verão, mas à medida
que o inverno se aproxima ele come durante 20 horas por dia,
consumindo até 84.000 kJ por dia. Essa mudança na alimentação é
uma resposta a uma mudança sazonal na secreção de hormônios.
Grandes quantidades de triacilgliceróis são formadas a partir da
grande ingestão de carboidratos durante o período de engorda.
Outras espécies hibernantes, incluindo o minúsculo arganaz
(camundongo silvestre), também acumulam grandes quantidades
de gordura corporal.
2.2.2 Corpos cetônicos
Em humanos, e na maior parte de outros mamíferos, o acetil-CoA formado
no fígado durante a oxidação dos ácidos graxos pode entrar no ciclo do ácido cítrico
(etapa 2 da Figura 18) ou sofrer conversão a “corpos cetônicos”, acetona, acetoacetato
e D-b-hidroxibutirato, para exportação a outros tecidos. (O termo “corpos” é um
artefato histórico; esse termo é ocasionalmente aplicado a partículas insolúveis, mas
esses compostos são solúveis no sangue e na urina). A acetona, produzida em menor
quantidade do que os outros corpos cetônicos, é exalada. O acetoacetato é transportado
pelo sangue para outros tecidos que não o fígado (tecidos extra-hepáticos), onde são
convertidos a acetil-CoA e oxidados no ciclo do ácido cítrico, fornecendo muita da
energia necessária para tecidos como o músculo esquelético e cardíaco e o córtex renal.
O cérebro, que usa preferencialmente glicose como combustível, pode se adaptar ao
uso de acetoacetato em condições de jejum prolongado, quando a glicose não está
179
disponível. A produção e exportação dos corpos cetônicos do fígado para tecidos extrahepáticos permite a oxidação contínua de ácidos graxos no fígado quando acetil-CoA
não está sendo oxidada no ciclo do ácido cítrico (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
PRINCÍPIOS DE BIOQUÍ
FIGURA 17 – ETAPAS DA OXIDAÇÃO DE ÁCIDOS GRAXOS
Etapa 1
CH3
na a posição da ligação dupla
menclatura dos ácidos graxos
ligação dupla tem configuraçã
duplas nos ácidos graxos insa
mente com frequência estão
cado dessa diferença será ana
Etapa 2
CH2
CH2
b Oxidação
8 Acetil-CoA
CH2
CH2
CH2
CH2
(a)
CH2
CH2
CH2
(C16 ) R
Ciclo do
ácido cítrico
CH2
Acil-CoA-desidrogenase
CH2
CH2
H
64e2
CH2
16CO2
CH2
C
b
CH2
CH2
R
CH2
C
O
O]
Enoil-CoA-hidratase
28e2
Etapa 3
NADH, FADH2
OH
e2
R
Cadeia respiratória
(transferência de
elétrons)
ADP + Pi
2H+ + 21 O2
C
C
H
b -hidroxiacil-CoA-desidrogenase
H2O
R
ATP
CH2
C
C
O
FONTE:
e de
Coxácidos
(2014,
p. 673)Etapa 1: Um ácido
FIGURA 177 Etapas
da Nelson
oxidação
graxos.
graxo de cadeia longa é oxidado para produzir resíduos de acetil na forma de
acetil-CoA. Esse processo é chamado de b-oxidação. Etapa 2: Os grupos acetil
são oxidados a CO2 no ciclo do ácido cítrico. Etapa 3: Os elétrons derivados das
oxidações das etapas 1 e 2 passam ao O2 por meio da cadeia respiratória mitocondrial, fornecendo a energia para a síntese de ATP por fosforilação oxidativa.
CH2
2.2.3 Corpos cetônicos são produzidos em excesso no
(C ) R
diabetes e durante o jejum
14
Acil-CoA-acetiltransferase
(tiolase)
CH2
C
S-C
O
de ADP
a ATP
(Figuraque
17-7).
A energia
liberadamelito
pela oxiNelson eteCox
(2014)
relatam
jejum
e diabetes
não tratado leva Acil-CoA
à
(miristoil-CoA)
dação
dos
ácidos
graxos
é,
portanto,
conservada
como
ATP.
superprodução de corpos cetônicos, com vários problemas médicos associados. Durante
Agora será analisada com mais atenção a primeira etapa
o jejum, a gliconeogênese
consome
osgraxos,
intermediários
do com
cicloodo
ácido
da oxidação
dos ácidos
começando
caso
sim-cítrico, desviando
(b)
acetil-CoA para aples
produção
de corpos
cetônicos
(Figura
18).
No diabetes
não tratado,
de uma cadeia
acil-graxo
saturada
com um
número
par
C14
deinsulina
carbonos,
passando
os casos
um pouco mais
quando o nível de
é então
insuficiente,
ospara
tecidos
extra-hepáticos
não podem captar
C12
complexos
das cadeias
insaturadas
ou de número
ímpar.
a glicose do sangue
de maneira
eficiente,
para combustível
ou para
conservação como
Também será abordada a regulação da oxidação de ácidos
C
gordura. Nessas condições,
os níveis de
malonil-CoA
materialnas
deoutras
início para a síntese de 10
graxos, os processos
b-oxidativos
que(oocorrem
ácidos graxos) caem,
os ácidos
graxos
entram na mitocôndria
para
sermadegradado a acetil- C8
organelas
que não
na mitocôndria
e, finalmente,
duas
180
neiras menos comuns de catabolismo de ácidos graxos, a
a-oxidação e a v-oxidação.
C6
C4
Acetil -CoA
Jejum e diabetes melito não tratado leva à superpro- armazenadas no tecido a
dução de corpos cetônicos, com vários problemas mé- energia, também têm nív
dicos associados. Durante o jejum, a gliconeogênese conso- sangue e na urina. Esses
me os intermediários do ciclo do ácido cítrico, desviando evitar os riscos da acidos
acetil-CoA
para
a produção
corpos
cetônicos
(Figura
CoA que não pode
passar pelo
ciclo
do ácido de
cítrico,
já que
os intermediários
do ciclo foram
17-21). No diabetes não tratado, quando o nível de insulina
RESUMO
17.3 Corpos c
drenados para uso
como
substrato
na
gliconeogênese.
O
acúmulo
resultante
de acetil-CoA
é insuficiente, os tecidos extra-hepáticos não podem captar
c
Os
corpos
acelera a formação
de corpos
cetônicos
além daeficiente,
capacidade
oxidação dos tecidos extra-cetônicos
a glicose
do sangue
de maneira
parade
combustível
droxibutirato – são f
ou para conservação como gordura. Nessas condições, os
hepáticos.
compostos servem c
níveis de malonil-CoA (o material de início para a síntese de
tra-hepáticos, por m
ácidos graxos) caem, a inibição da carnitina-aciltransferase
trada
no ciclo do ácid
O aumento
dos
níveis
sanguíneos
de
acetoacetato
diminui
o
pH
do
sangue,
I é aliviada, e os ácidos graxos entram na mitocôndria para
c A superprodução
de
ser degradado
a acetil-CoA
– que não
passar
pelo ciclo
causando a condição
conhecida
como acidose.
A pode
acidose
extrema
pode levar
ao coma
do ácido
cítrico,
que os intermediários
ciclo foram
e em alguns casos
à morte.
Osjácorpos
cetônicos nodo
sangue
e nadreurina de controlado
indivíduosou na red
pode levar à acidose
nados para uso como substrato na gliconeogênese. O acúcom diabetes não
tratado pode alcançar níveis extraordinários – uma concentração
mulo resultante de acetil-CoA acelera a formação de corpos
sanguínea de 90cetônicos
mg/mL (comparado
com ode
nível
normal
3 mg/100
além da capacidade
oxidação
dosdetecidos
ex- ml) e excreção
Termos-chave
O aumento com
dos níveis
de de
acetoaurinária de 5.000tra-hepáticos.
mg/24h (comparado
uma sanguíneos
taxa normal
#125 mg/24h). Essa
termos em negrito es
pH do sangue,utilizando
cau- Osas
cetatocetose.
e D-b-hidroxibutirato
condição é chamada
Indivíduos emdiminui
dietas ohipocalóricas,
gorduras
sando a condição conhecida como acidose. A acidose b-oxidação 667
armazenadas noextrema
tecido adiposo
como
sua principal
fonte
de àenergia,
também têm níveis
pode levar
ao coma
e em alguns
casos
morte. Os
quilomícron 669
elevados de corpos
cetônicos
no
sangue
e
na
urina.
Esses
níveis
devem
monitorados
corpos cetônicos no sangue e na urina de indivíduos com serapolipoproteína
669
diabetes
não
tratado
pode
alcançar
níveis
extraordinários
–
669
para evitar os riscos da acidose e da cetose (cetoacidose) (NELSON; COX, lipoproteína
2014).
uma concentração sanguínea de 90 mg/mL (comparado perilipina 669
com o nível normal de , 3 mg/100 mL) e excreção urinária ácidos graxos livres 669
albumina sérica 669
FIGURA 18 – FORMAÇÃO DE CORPOS CETÔNICOS E EXPORTAÇÃO A PARTIR DO FÍGADO
ciclo da carnitina 670
carnitina-aciltransferase I
671
Gotículas de lipídeos
transportador-acil-carniti
carnitina 671
carnitina-aciltransferase I
Hepatócito
671
Acetoacetato,
proteína trifuncional (TF
D-b-hidroxibutirato,
Acetoacetato e D-b674
acetona
-hidroxibutirato,
metilmalonil-CoA-mutase
exportados como
formação de
678
CoA
corpos cetônicos
Ácidos
graxos
fonte de energia
para o coração, o
músculo esquelético,
o rim e o cérebro
Acetil-CoA
Oxaloacetato ciclo do
ácido
cítrico
Glicose
Gerais
Boyer, P.D. (1983) The Enzy
Academic Press, Inc., Sa
b-oxidação
gliconeogênese
Leituras adicionais
Glicose exportada
como combustível
para o cérebro e
outros tecidos
Ferry, G. (1998) Dorothy H
Laboratory Press, Cold Sprin
Biografia fascinante de u
Gurr, M.I., Harwood, J.L.,
Biochemistry: An Introduc
UK.
Plutzky, J. (2009) The migh
618–619.
Scheffler, I.E. (1999) Mito
Excelente obra sobre a e
FONTE: Nelson
e Coxcetônicos
(2014, p.e 687)
FIGURA 1721 Formação
de corpos
exportação a partir
do fígado. As condições que promovem a gliconeogênese (diabetes não
Wood, P.A. (2006) How Fat
tratado, redução na ingestão de alimento) desaceleram o ciclo do ácido cítriCambridge, MA.
co (pelo consumo do oxaloacetato) e aumentam a conversão de acetil-CoA
Relato muito legível, de
Como podemos
observar
na figura
apresentada,
as condições
promovem
em acetoacetato.
A coenzima
A liberada
permite a b-oxidação
contínua de quecontribuições
daagenética e d
ácidos
graxos.
do
metabolismo
e ob
gliconeogênese (diabetes não tratado, redução na ingestão de alimento) desaceleram lipídico
o
ciclo do ácido cítrico e aumentam a conversão de acetil-CoA em acetoacetato.
181
RESUMO DO TÓPICO 3
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• Os ácidos graxos dos triacilgliceróis fornecem uma grande fração da energia oxidativa
nos animais.
• Os triacilgliceróis da dieta são emulsificados no intestino delgado por sais biliares,
hidrolisados pelas lipases intestinais, absorvidos pelas células epiteliais intestinais,
reconvertidos em triacilgliceróis, e então transformados em quilomícrons pela
combinação com apolipoproteínas específicas.
• Os quilomícrons distribuem os triacilgliceróis aos tecidos, onde a lipase lipoproteica
libera ácidos graxos livres para a entrada nas células.
• Os triacilgliceróis armazenados no tecido adiposo são mobilizados por uma lipase de
triacilglicerol sensível a hormônio.
• Os ácidos graxos liberados se ligam à albumina sérica e são transportados no sangue
para o coração, para musculatura esquelética e outros tecidos que utilizam ácidos
graxos como combustíveis.
• Uma vez dentro das células, os ácidos graxos são ativados na membrana mitocondrial
externa pela conversão em tioésteres de acil-CoA graxos.
• A acil-CoA graxo será oxidada entra na mitocôndria em três passos, pelo ciclo da
carnitina.
• Na primeira etapa da b-oxidação, quatro reações retiram cada unidade de acetil-Coa
da extremidade carboxila de um acil-CoA graxo saturado.
• Na segunda etapa da oxidação dos ácidos graxos, o acetil-Coa é oxidado a CO2 no
ciclo do ácido cítrico.
• Defeitos genéticos na acil-CoA-desidrogenase de cadeia média resulta em doenças
humanas graves, assim como mutações em outros componentes do sistema de b-oxidação.
• Os corpos cetônicos – acetona, acetoacetato e D-b-hidroxibutirato – são formados
no fígado. Os dois últimos compostos servem como combustíveis nos tecidos extrahepáticos, por meio da oxidação a acetil-CoA e entrada no ciclo do ácido cítrico.
• A superprodução de corpos cetônicos no diabetes não controlado ou na redução
severa da ingestão de calorias pode levar à acidose ou cetose.
182
AUTOATIVIDADE
1 Um indivíduo desenvolveu uma condição caracterizada por fraqueza muscular
progressiva e dolorosas cãibras musculares. Os sintomas foram agravados durante o
jejum, exercício e dieta rica em gordura. O homogenato de uma amostra de músculo
esquelético do paciente oxida oleato mais lentamente do que homogenatos controle,
consistindo de amostras de músculo de indivíduos sadios. Quando carnitina foi
adicionada ao homogenato de músculo do paciente, a taxa de oxidação do oleato se
igualou a dos homogenatos controle. O paciente foi diagnosticado como portador de
uma deficiência de carnitina. Nesse contexto, responda às seguintes questões:
a) Por que a carnitina adicionada aumenta a taxa de oxidação do oleato no homogenato
de músculo do paciente?
b) Por que os sintomas do paciente se agravaram durante o jejum, o exercício e em
dieta rica em gordura?
c) Sugira duas razões possíveis para a deficiência de carnitina muscular desse indivíduo.
2 Suponha que você tivesse que sobreviver com uma dieta de gordura de baleia e foca,
com pouco ou sem carboidrato. Nesse contexto, responda às seguintes questões
a) Qual seria o efeito da privação de carboidrato na utilização de gordura para energia?
b) Se a sua dieta fosse completamente ausente de carboidratos, seria melhor consumir
ácidos graxos de cadeia par ou ímpar? Explique.
3 Quando o acetil-CoA produzido durante a b-oxidação no fígado excede a capacidade
do ciclo do ácido cítrico, o excesso de acetil-CoA forma corpos cetônicos – acetona,
acetoacetato e D-b-hidroxibutirato. Isso ocorre em diabetes grave não controlada: já
que os tecidos não podem usar glicose, eles oxidam grandes quantidades de ácidos
graxos. Apesar de acetil-CoA não ser tóxico, a mitocôndria deve desviar o acetil-CoA
em corpos cetônicos. Qual problema surgiria se acetil-CoA não fosse convertido a
corpos cetônicos? Como o desvio a corpos cetônicos soluciona esse problema?
183
184
UNIDADE 3
TÓPICO 4 -
METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS
1 INTRODUÇÃO
Neste tópico serão abordados os aminoácidos que, por sua degradação
oxidativa, contribuem significativamente para a produção de energia metabólica. A
fração de energia metabólica obtida a partir de aminoácidos, sejam eles provenientes
de proteínas da dieta ou de proteínas teciduais, varia muito de acordo com o tipo de
organismo e com as condições metabólicas. Carnívoros obtêm (imediatamente após
uma refeição) até 90% de suas necessidades energéticas da oxidação de aminoácidos,
enquanto herbívoros obtêm apenas uma pequena fração de suas necessidades
energéticas a partir dessa via. A maior parte dos microrganismos obtém aminoácidos a
partir do ambiente e os utiliza como combustível quando suas condições metabólicas
assim o determinarem. Plantas, no entanto, nunca ou quase nunca oxidam aminoácidos
para produzir energia; em geral, os carboidratos produzidos a partir de CO2 e H2O na
fotossíntese são sua única fonte de energia. As concentrações de aminoácidos nos
tecidos vegetais são cuidadosamente reguladas para satisfazer às necessidades
de biossíntese de proteínas, ácidos nucleicos e outras moléculas necessárias para o
crescimento. O catabolismo dos aminoácidos não ocorre nas plantas, mas seu propósito
é a produção de metabólitos para outras vias biossintéticas.
Para Nelson e Cox (2014, p. 695), nos animais, os aminoácidos sofrem degradação
oxidativa em três circunstâncias metabólicas diferentes:
1. Durante a síntese e a degradação normais de proteínas celulares,
alguns aminoácidos liberados pela hidrólise de proteínas não
são necessários para a biossíntese de novas proteínas, sofrendo
degradação oxidativa.
2. Quando uma dieta é rica em proteínas e os aminoácidos ingeridos
excedem as necessidades do organismo para a síntese proteica, o
excesso é catabolizado; aminoácidos não podem ser armazenados.
3. Durante o jejum ou no diabetes melito não controlado, quando
os carboidratos estão indisponíveis ou são utilizados de modo
inadequado, as proteínas celulares são utilizadas como combustível.
Em todas essas condições metabólicas, os aminoácidos perdem seu grupo
amino para formar a-cetoácidos, os “esqueletos de carbono” dos aminoácidos. Os
a-cetoácidos sofrem oxidação a CO2 e H2O ou, geralmente mais importante, fornecem
unidades de três e quatro carbonos que podem ser convertidas, pela gliconeogênese,
em glicose, o combustível para o cérebro, para o músculo esquelético e para outros
tecidos (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
185
As vias do catabolismo dos aminoácidos são bastante semelhantes na maioria
dos organismos. O foco deste tópico concentra-se nas vias em vertebrados, pois
essas vias têm recebido maior atenção por parte dos pesquisadores. Assim como no
catabolismo dos carboidratos e dos ácidos graxos, os processos de degradação de
aminoácidos convergem para vias catabólicas centrais, com os esqueletos de carbono
da maioria dos aminoácidos encontrando uma via para o ciclo do ácido cítrico. Em
alguns casos, as reações das vias de degradação dos aminoácidos representam etapas
paralelas ao catabolismo dos ácidos graxos (NELSON; COX, 2014).
Rodwel, Murray e Granner (2017) relatam que uma característica importante
distingue a degradação dos aminoácidos de outros processos catabólicos descritos
até aqui: todos os aminoácidos contêm um grupo amino, e as vias para a degradação
dos aminoácidos incluem, portanto, uma etapa fundamental, na qual o grupo a-amino
é separado do esqueleto de carbono e desviado para as vias do metabolismo do grupo
amino (Figura 19). Serão discutidos inicialmente o metabolismo do grupo amino e a
excreção do nitrogênio e, a seguir, o destino dos esqueletos de carbono derivados dos
aminoácidos; ao longo deste estudo, será examinado de que modo essas vias estão
interconectadas. Está curioso? Vamos começar.
6 96
D AV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
FIGURA 19 – VISÃO GERAL DO CATABOLISMO DOS AMINOÁCIDOS NOS MAMÍFEROS
Proteínas
intracelulares
Proteínas
da dieta
Aminoácidos
Esqueletos
de carbono
NH 4
Biossíntese de
aminoácidos,
nucleotídeos e
aminas biológicas
Carbamoil-fosfato
Ciclo da
ureia
a-Cetoácidos
Circuito do
aspartato-arginino-succinato do
ciclo do ácido
cítrico
Ureia (produto de
excreção do nitrogênio)
Ciclo do
ácido
cítrico
Oxaloacetato
Glicose
(sintetizada na
gliconeogênese)
FIGURA 181 Visão
geral Rodwel,
do catabolismo
aminoácidos
nos p.
mamíferos.
Os grupos
FONTE:
Murraydos
e Granner
(2017,
589)
amino e os esqueletos de carbono tomam vias separadas, porém interconectadas.
18.1
186 Destinos metabólicos dos grupos amino
O nitrogênio, N , é abundante na atmosfera, mas é inerte
te convertidos em intermediários do ciclo do ácido cítrico:
glutamato e glutamina são convertidos em a-cetoglutarato,
2 DESTINOS METABÓLICOS DOS GRUPOS AMINOS
O nitrogênio, N2, é abundante na atmosfera, mas é inerte para a utilização
na maioria dos processos bioquímicos, pelo fato de que apenas poucos organismos
conseguem converter o N2 em formas biologicamente úteis, como NH3, os grupos amino
são cuidadosamente gerenciados nos sistemas biológicos. A Figura 21 fornece uma visão
geral das vias catabólicas da amônia e dos grupos amino nos vertebrados.
Os aminoácidos derivados das proteínas da dieta são a origem da maioria dos
grupos amino. A maior parte dos aminoácidos é metabolizada no fígado. Parte da amônia
gerada nesse processo é reciclada e utilizada em uma variedade de vias biossintéticas. O
excesso é excretado diretamente ou convertido em ureia ou ácido úrico para excreção,
dependendo do organismo.
O excesso de amônia produzido em outros tecidos (extra-hepáticos) é enviado
ao fígado (na forma de grupos amino, como descrito a seguir) para conversão em sua
forma de excreção. Quatro aminoácidos desempenham papéis centrais no metabolismo
do nitrogênio: glutamato, glutamina, alanina e aspartato. O lugar especial desses
quatro aminoácidos no metabolismo do nitrogênio não é um acidente evolutivo (BERG;
TYMOCZKO; STRYERT, 2015).
697
PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA DE LEHNINGER
FIGURA 20 – CATABOLISMO DOS GRUPOS AMINO
Aminoácidos de
proteínas ingeridas
Fígado
Proteínas
celulares
C
C
H
O
NH1
4
R
R
Amônia (como
íon amônio)
a-Cetoácidos
Aminoácidos
C
O
C
CH2
CH2
CH2
CH2
a-Cetoglutarato
a-Cetoglutarato
H
C
H
CH3
Alanina
oriunda do
músculo
Animais amoniotélicos: a
maior parte dos vertebrados aquáticos,
como peixes ósseos e as
larvas dos anfíbios
Glutamato
H 2N C
C
O
Ureia
CH3
Animais ureotélicos:
muitos vertebrados
terrestres; também os
tubarões
Piruvato
C
H
Glutamina
oriunda do
músculo e
de outros
tecidos
CH2
CH2
C
O
NH2
O
O
HN
C
NH2
O
Glutamina
C
N
H
C
C
H
N
C
O
N
H
Ácido úrico
ureia ou
ácido úrico
(a)
FIGURA 182
Animais uricotélicos:
aves e répteis
FONTE: Berg, Tymoczko e Stryert (2015, p. 598)
Catabolismo dos grupos amino. (a) Visão geral do catabolismo dos grupos amino (sombreados) no fígado de vertebrados. (b) Formas de excreção do nitrogênio. O excesso de NH14 é excretado como amônia
(micróbios, peixes ósseos), ureia (maior parte dos vertebrados terrestres) ou
(b)
ácido úrico (aves e répteis terrestres). Observe que os átomos de carbono da
ureia e do ácido úrico estão altamente oxidados; o organismo descarta carbonos apenas após extrair a maior parte da energia de oxidação disponível.
187
Esses aminoácidos, em especial, são aqueles mais facilmente convertidos em
intermediários do ciclo do ácido cítrico: glutamato e glutamina que são convertidos em
a-cetoglutarato; alanina em piruvato; e aspartato em oxaloacetato. Glutamato e glutamina
são especialmente importantes, atuando como uma espécie de ponto de encontro para
os grupos amino. No citosol das células do fígado (hepatócitos), os grupos amino da maior
parte dos aminoácidos são transferidos para o a-cetoglutarato, formando glutamato, que
entra na mitocôndria e perde seu grupo amino para formar NH4. O excesso de amônia
produzido na maior parte dos demais tecidos é convertido no nitrogênio amídico da
glutamina, que circula até chegar ao fígado, entrando na mitocôndria hepática. Glutamina,
glutamato ou ambos estão presentes na maior parte dos tecidos em concentrações mais
elevadas que os demais aminoácidos (NELSON; COX, 2014).
No músculo esquelético, os grupos amino que excedem as necessidades
geralmente são transferidos ao piruvato para formar alanina, outra molécula importante
para o transporte de grupos amino até o fígado. A presente discussão começa com
a degradação das proteínas da dieta e depois faz uma descrição geral dos destinos
metabólicos dos grupos amino.
2.1 AS PROTEÍNAS DA DIETA SÃO ENZIMATICAMENTE
DEGRADADAS ATÉ AMINOÁCIDOS
Em humanos, a degradação das proteínas ingeridas até seus aminoácidos
constituintes acontece no trato gastrintestinal. A chegada de proteínas da dieta ao
estômago estimula a mucosa gástrica a secretar o hormônio gastrina, que por sua
vez, estimula a secreção de ácido clorídrico pelas células parietais e de pepsinogênio
pelas células principais das glândulas gástricas (Figura 22). A acidez do suco gástrico
(pH 1,0 a 2,5) lhe permite funcionar tanto como antisséptico, matando a maior parte
das bactérias e de outras células estranhas ao organismo, quanto como agente
desnaturante, desenovelando proteínas globulares e tornando suas ligações peptídicas
internas mais suscetíveis à hidrólise enzimática.
O pepsinogênio (Mr 40.554), precursor inativo ou zimogênio, é convertido na
pepsina ativa por meio de uma clivagem autocatalisada (clivagem mediada pelo próprio
pepsinogênio) que ocorre apenas em pH baixo. No estômago, a pepsina hidrolisa as proteínas
ingeridas, atuando em ligações peptídicas em que o resíduo de aminoácido localizado na
porção aminoterminal provém dos aminoácidos aromáticos Phe, Trp e Tyr clivando cadeias
polipeptídicas longas em uma mistura de peptídeos menores (NELSON; COX, 2014).
À medida que o conteúdo ácido do estômago passa para o intestino delgado,
o pH baixo desencadeia a secreção do hormônio secretina na corrente sanguínea.
A secretina estimula o pâncreas a secretar bicarbonato no intestino delgado, para
neutralizar o HCl (ácido clorídrico) gástrico, aumentando abruptamente o pH, que fica
próximo a 7.
188
IMPORTANTE
Todas as secreções pancreáticas chegam ao intestino delgado pelo
ducto pancreático.
A digestão das proteínas prossegue agora no intestino delgado. A chegada de
aminoácidos na parte superior do intestino delgado (duodeno) determina a liberação
para o sangue do hormônio colecistocinina, que estimula a secreção de diversas enzimas
pancreáticas com atividades ótimas em pH 7 a 8. O tripsinogênio, o quimotripsinogênio
e as procarboxipeptidases A e B – os zimogênios da tripsina, da quimotripsina e das
carboxipeptidases A e B – são sintetizados e secretados pelas células exócrinas do
pâncreas (Figura 21b ). O tripsinogênio é convertido em sua forma ativa, a tripsina,
pela enteropeptidase, uma enzima proteolítica secretada pelas células intestinais. A
tripsina livre catalisa então a conversão de moléculas adicionais de tripsinogênio em
tripsina. A tripsina também ativa o quimotripsinogênio, as procarboxipeptidases e a
proelastase (NELSON; COX, 2014).
189
698
D AV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
FIGURA 21 – PARTE DO TRATO DIGESTÓRIO HUMANO
(a) Glândulas gástricas no revestimento do estômago
Células
parietais
(secretam HCl)
Células
principais
(secretam
pepsinogênio)
Mucosa gástrica
(secreta gastrina)
pH baixo
Estômago
Pepsinogênio
Pepsina
(b) Células exócrinas do pâncreas
Pâncreas
RE
rugoso
pH
7
Ducto coletor
Zimogênios
proteases ativas
Ducto
pancreático
Intestino
delgado
Grânulos de
zimogênio
(c) Vilosidades do intestino
delgado
Vilosidade
Mucosa intestinal
(absorve
aminoácidos)
FONTE:humano.
Nelson(a)e
FIGURA 183 Parte do trato digestório (gastrintestinal)
As células parietais e as células principais das glândulas gástricas secretam
seus produtos em resposta ao hormônio gastrina. A pepsina inicia o processo de degradação das proteínas no estômago. (b) O citoplasma das células exócrinas é completamente preenchido pelo retículo endoplasmático
rugoso, o sítio de síntese dos zimogênios e de muitas enzimas digestivas.
Os zimogênios são concentrados em partículas de transporte circundadas
por membranas, denominadas grânulos de zimogênios. Quando uma célula
Cox
(2014,
p. 698)
exócrina
é estimulada,
sua membrana plasmática funde-se com a membra-
ções pancreáticas chegam ao intestino delgado pelo ducto
pancreático.) A digestão das proteínas prossegue agora no
tripsina, da quimotripsina e das carboxipeptidases A e
B – são sintetizados e secretados pelas células exócrinas do
na do grânulo de zimogênio e estes são liberados por exocitose no lúmen
do ducto coletor. Os ductos coletores, por fim, levam ao ducto pancreático e
daí ao intestino delgado. (c) Os aminoácidos são absorvidos pela camada de
células epiteliais (mucosa intestinal) das vilosidades e chegam aos capilares.
Lembre que os produtos da hidrólise dos lipídeos no intestino delgado, após
sua absorção pela mucosa intestinal, entram no sistema linfático (ver Figura
17-1).
Qual a razão para esse mecanismo elaborado ativar enzimas digestivas dentro
do trato gastrintestinal? A síntese dessas enzimas como precursores inativos protege
as células exócrinas do ataque proteolítico destrutivo. O pâncreas se protege ainda mais
À medida que o conteúdo ácido do estômago passa para intestino delgado. A chegada de aminoácidos na parte supeda autodigestão
da síntese
de um rior
inibidor
específico,
a proteína
o intestino delgado,por
o pHmeio
baixo desencadeia
a secreção
do intestino
delgado (duodeno)
determinadenominada
a liberação
do hormônio secretina na corrente sanguínea. A secreti- para o sangue do hormônio colecistocinina, que estimula
inibidor
pancreático
da
tripsina,
que
previne
efetivamente
a
produção
prematura
na estimula o pâncreas a secretar bicarbonato no intesti- a secreção de diversas enzimas pancreáticas com atividades de
no delgado, para neutralizar o HCl gástrico, aumentando ótimas em pH 7 a 8. O tripsinogênio, o quimotripsinogêenzimas
proteolíticas ativas dentro das células pancreáticas.
abruptamente o pH, que fica próximo a 7. (Todas as secre- nio e as procarboxipeptidases A e B – os zimogênios da
Para Nelson e Cox (2014, p. 699):
Nelson_6ed_book.indb 698
190
A tripsina e a quimotripsina continuam a hidrólise dos peptídeos
produzidos pela pepsina no estômago. Esse estágio da digestão
proteica é realizado com grande eficiência, pois a pepsina, a tripsina
e a quimotripsina apresentam especificidades distintas quanto aos
03/04/14
aminoácidos sobre os quais atuam. A degradação de pequenos
peptídeos no intestino delgado é então completada por outras
peptidases intestinais. Estas incluem as carboxipeptidases A e
B (duas enzimas que contêm zinco), as quais removem resíduos
sucessivos da extremidade carboxiterminal dos peptídeos e uma
aminopeptidase, que hidrolisa resíduos sucessivos da extremidade
aminoterminal de peptídeos pequenos. A mistura resultante de
07:45
aminoácidos livre é transportada para dentro das células epiteliais
que revestem o intestino delgado através dos quais os aminoácidos
entram nos capilares sanguíneos nas vilosidades e são transportados
até o fígado. Nos humanos, a maior parte das proteínas globulares
obtidas a partir de animais é hidrolisada quase completamente até
aminoácidos no trato gastrintestinal, mas algumas proteínas fibrosas,
como a queratina, são digeridas apenas parcialmente. Além disso, o
conteúdo proteico de alguns alimentos obtidos a partir de vegetais
está protegido contra a degradação por envoltórios não digeríveis de
celulose.
NOTA
A pancreatite aguda é uma doença causada por obstrução da via
normal pela qual as secreções pancreáticas chegam ao intestino. Os
zimogênios das enzimas proteolíticas são prematuramente convertidos
em suas formas cataliticamente ativas dentro das células pancreáticas e
atacam o próprio tecido pancreático. Isso causa dores intensas e lesão
ao órgão, o que pode ser fatal.
2.2 O GLUTAMATO LIBERA SEU GRUPO AMINO NA FORMA
DE AMÔNIA
Como já vimos, os grupos amino de muitos aminoácidos são coletados no
fígado, na forma do grupo amino de moléculas de glutamato. Esses grupos amino
devem ser removidos do glutamato e preparados para excreção. Nos hepatócitos, o
glutamato é transportado do citosol para a mitocôndria, onde sofre desaminação
oxidativa, catalisada pela L-glutamato-desidrogenase. Nos mamíferos, essa enzima
está presente na matriz mitocondrial. É a única enzima que utiliza NAD1 ou NADP1 como
aceptor de equivalentes redutores (Figura 22).
A ação combinada de uma aminotransferase e da glutamato-desidrogenase
é conhecida como transdesaminação. Uns poucos aminoácidos contornam a via de
transdesaminação e sofrem diretamente desaminação oxidativa. O a-cetoglutarato
formado a partir da desaminação do glutamato pode ser utilizado no ciclo do ácido cítrico
e para a síntese de glicose (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
A glutamato-desidrogenase opera em uma importante intersecção do
metabolismo do carbono e do nitrogênio. Essa enzima alostérica, com seis subunidades
idênticas, tem sua atividade influenciada por um arranjo complicado de moduladores
alostéricos. Os mais bem estudados são o modulador positivo ADP e o modulador
negativo GTP (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
191
702
D AV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
FIGURA 22 – REAÇÃO CATALISADA PELA GLUTAMATO-DESIDROGENASE
COO2
1
H3N
C H
CH2
CH2
COO2
OOC CH2
CH
NAD(P)
1
Glutamina-sintetase
NAD(P)H
Glutamato
COO2
1
H2N
C
CH2
CH2
O
CH2
CH2
O
P
O
C
CH2
CH
O
COO2
COO2
C
O
O
Glutamina-sintetase
H2O
NH1
4
COO2
O
C
CH2
CH
H 2N
a-Cetoglutarato
FONTE:
Rodwel,
Murraypela
e Granner
(2017, p. 604)
FIGURA 187
Reação
catalisada
glutamato-desidrogenase.
A
glutamato-desidrogenase do fígado de mamíferos tem a capacidade incomum de utilizar tanto NAD1 quanto NADP1 como cofator. As glutamato-desidrogenases de plantas e microrganismos normalmente são específicas
para um ou outro desses aceptores de elétrons. A enzima dos mamíferos é
regulada alostericamente por GTP e ADP.
2.3 A GLUTAMINA TRANSPORTA A AMÔNIA NA CORRENTE
SANGUÍNEA
Glutaminase
(mitocôndria
hepática)
O
zãoémetabólica
essepara
padrão
regulação
ainda não
foi
A amônia
bastante para
tóxica
os de
tecidos
animais
(posteriormente
serão
C CH2 CH2
esclarecida em detalhe. Mutações que alterem o sítio alosexaminadas algumas
possíveis
razões
para
essa
toxicidade)
e
seus
níveis
no
sangue
térico para a ligação do GTP ou que causem ativação perO
são regulados. Em
muitos
tecidos, incluindo o cérebro,
alguns
processos, como a
manente
da glutamato-desidrogenase
levam a uma
doença
genética humana,
denominada
síndrome
do hiperinsulinisdegradação de nucleotídeos,
geram
amônia livre.
Na maioria
dos animais, FIGURA
a maior
parte
188 Transporte de amôn
mo com hiperamonemia, caracterizada por níveis elevados
dessa amônia livre é convertida em um composto não tóxico antes de ser
so deexportada
amônia nos tecidos é adicionad
de amônia na corrente sanguínea e hipoglicemia.
processo catalisado pela glutaminados tecidos extra-hepáticos para o sangue e transportada até o fígado ou
até os rins.
corrente sanguínea, a glutamina entra
Para essa funçãoAde
transporte,
o
glutamato,
essencial
para
o
metabolismo
intracelular
côndria
pela enzima glutaminase.
glutamina transporta a amônia na corrente
do grupo amino é substituído pela L-glutamina. A amônia livre produzida nos tecidos
sanguínea
combina-se comAoamônia
glutamato,
produzindo glutamina, pela ação da glutamina-sintetase.
é bastante tóxica para os tecidos animais (poste- A glutamina é uma forma de
Essa reação requer
ATP e ocorre
em duas etapas
(Figura
23).razões
Inicialmente,
o glutamato
e
amônia;
ela normalmente
est
riormente
serão examinadas
algumas
possíveis
para
centrações
muito maiores qu
essa
toxicidade)
seus
níveis no sangue
são regulados. que
o ATP reagem para
formar
ADP e eum
intermediário
g-glutamil-fosfato,
então reage
Em muitos glutamina
tecidos, incluindo
o cérebro,
alguns
processos,
com a amônia, produzindo
e fosfato
inorgânico
(NELSON;
COX, glutamina
2014). também serve com
192
como a degradação de nucleotídeos, geram amônia livre. Na
maioria dos animais, a maior parte dessa amônia livre é convertida em um composto não tóxico antes de ser exportada
dos tecidos extra-hepáticos para o sangue e transportada
até o fígado ou até os rins. Para essa função de transporte,
o glutamato, essencial para o metabolismo intracelular do
grupo amino, é substituído pela L-glutamina. A amônia livre
produzida nos tecidos combina-se com o glutamato, produzindo glutamina, pela ação da glutamina-sintetase. Essa
reação requer ATP e ocorre em duas etapas (Figura 188). Inicialmente, o glutamato e o ATP reagem para formar
ADP e um intermediário g-glutamil-fosfato, que então reage
com a amônia, produzindo glutamina e fosfato inorgânico.
várias reações biossintéticas
contrada em todos os organi
do um papel metabólico cent
enzima serve como via de en
fixado em sistemas biológico
da glutamina-sintetase no m
Capítulo 22.)
Na maioria dos animais te
cede as necessidades de bio
sangue para o intestino, o fíga
sada. Nesses tecidos, o nitrog
íon amônio na mitocôndria,
converte glutamina em gluta
O N & M I C H A E L M . COX
FIGURA 23 – TRANSPORTE DE AMÔNIA NA FORMA DE GLUTAMINA
NH3
OOC CH2
CH2
CH
COO
L-Glutamato
NAD(P)
1
ATP
Glutamina-sintetase
NAD(P)H
ADP
COO2
1
H2N
C
CH2
O
O
O
P
O
NH3
C
CH2
CH2
CH
g-Glutamil-fosfato
O
CH2
COO2
NH4
Glutamina-sintetase
Pi
H2O
NH1
4
NH3
O
C
CH2
CH2
CH
COO
H 2N
L-Glutamina
sada pela glutamato-desidrogenase. A
ígado de mamíferos tem a capacidade incoquanto NADP1 como cofator. As glutamatomicrorganismos normalmente são específicas
tores de elétrons. A enzima dos mamíferos é
GTP e ADP.
e padrão de regulação ainda não foi
Mutações que alterem o sítio alosGTP ou que causem ativação perdesidrogenase levam a uma doença
minada síndrome do hiperinsulinis, caracterizada por níveis elevados
anguínea e hipoglicemia.
a a amônia na corrente A
COO
Glutaminase
(mitocôndria
hepática)
H2O
Ureia
NH4
NH3
O
C
CH2
CH2
CH
COO
O
L-Glutamato
FONTE: Nelson
e Coxna(2014,
p. glutamina.
703)
Transporte
de amônia
forma de
O excesso de amônia nos tecidos é adicionado ao glutamato para formar glutamina,
processo catalisado pela glutamina-sintetase. Após ser transportada pela
corrente sanguínea, a glutamina entra no fígado e NH41 é liberado na mitoglutamina
é pela
uma
forma
de transporte não tóxico para
côndria
enzima
glutaminase.
FIGURA 188
a amônia; ela
normalmente está presente no sangue em concentrações muito maiores que os demais
aminoácidos.
A glutamina
também
fonte de
grupos
A glutamina
é umaserve
formacomo
de transporte
não
tóxico amino
para a em várias reações
ica para os tecidos
animais (posteamônia;
ela
normalmente
está
presente
no
sangue
em
conadas algumas possíveis
razões
para
biossintéticas. A glutamina-sintetase é encontrada em todos os
organismos, sempre
s níveis no sangue são regulados. centrações muito maiores que os demais aminoácidos. A
desempenhando
um
papel
metabólico
central.
Nos
microrganismos,
uindo o cérebro, alguns processos, glutamina também serve como fonte de grupos amino em essa enzima serve
reaçõesdo
biossintéticas.
glutamina-sintetase
encomo
via livre.
de entrada
essencial
nitrogênio Afixado
em sistemasébiológicos.
ucleotídeos, geram
amônia
Na várias
aior parte dessa amônia livre é cono não tóxico antes de ser exportada
icos para o sangue e transportada
ns. Para essa função de transporte,
ara o metabolismo intracelular do
do pela L-glutamina. A amônia livre
ombina-se com o glutamato, produção da glutamina-sintetase. Essa
orre em duas etapas (Figura 18mato e o ATP reagem para formar
g-glutamil-fosfato, que então reage
do glutamina e fosfato inorgânico.
contrada em todos os organismos, sempre desempenhando um papel metabólico central. Nos microrganismos, essa
Na maioria dos animais terrestres, a glutamina que excede as
enzima serve como via de entrada essencial do nitrogênio
necessidades de biossíntese é transportada pelo sangue para o
fixado em sistemas biológicos. (Os papéis da glutamina e
intestino, o fígado
e os rins, para
processada.
Nesses tecidos, o
da glutamina-sintetase
no metabolismo
são ser
discutidos
no
nitrogênio
amídico
é
liberado
como
íon
amônio
na
mitocôndria,
onde
Capítulo 22.)
a enzima
converte
glutamina
Na maioria
dosglutaminase
animais terrestres,
a glutamina
queem
ex-glutamato e NH4 1. O
do intestino
dos rins é transportado
nopelo
sangue para o fígado. No
cede asNH4
necessidades
de ebiossíntese
é transportada
a amôniao de
todas
essas
utilizada na síntese da ureia.
sangue fígado,
para o intestino,
fígado
e os
rins, fontes
para seré procesPartetecidos,
do glutamato
produzido
reação como
da glutaminase pode ser
sada. Nesses
o nitrogênio
amídicona
é liberado
adicionalmente
processado
no fígado
pela glutamato-desidrogenase,
íon amônio
na mitocôndria,
onde a enzima
glutaminase
1
18-8). O
converte
glutaminamais
em glutamato
NH4 (Figura esqueletos
liberando
amônia ee produzindo
de carbono para
utilização como combustível. Contudo, a maior parte do glutamato
entra em reações de transaminação necessárias para a biossíntese de
aminoácidos e para outros processos (NELSON; COX, 2014, p. 703).
193
NOTA
Você sabia?
Na acidose metabólica há um aumento do processamento da
glutamina pelos rins. Nem todo o excesso de NH4 assim produzido
é liberado para a corrente sanguínea ou convertido em ureia; parte
é excretado diretamente na urina. No rim, o NH4 forma sais com
ácidos metabólicos, facilitando sua remoção na urina. O bicarbonato
produzido pela descarboxilação do a-cetoglutarato no ciclo do ácido
cítrico também pode funcionar como tampão no plasma sanguíneo.
Tomados em conjunto, esses efeitos do metabolismo da glutamina no
rim tendem a contrabalançar a acidose.
2.4 A ALANINA TRANSPORTA A AMÔNIA DOS MÚSCULOS
ESQUELÉTICOS PARA O FÍGADO
A alanina também desempenha um papel especial no transporte dos grupos
amino para o fígado em uma forma não tóxica, por meio de uma via denominada
ciclo da glicose-alanina (Figura 24). No músculo e em alguns outros tecidos que
degradam aminoácidos como combustíveis, os grupos amino são coletados na forma
de glutamato, por transaminação. O glutamato pode ser convertido em glutamina
para transporte ao fígado, como descrito anteriormente, ou pode transferir seu grupo
a-amino para o piruvato, produto da glicólise muscular facilmente disponível, pela ação
da alanina-aminotransferase. A alanina produzida passa para o sangue e segue
para o fígado. No citosol dos hepatócitos, a alanina-aminotransferase transfere o grupo
amino da alanina para o a-cetoglutarato, formando piruvato e glutamato. O glutamato
entra na mitocôndria, onde a reação da glutamato-desidrogenase libera NH4 ou sofre
transaminação com o oxaloacetato para formar aspartato, outro doador de nitrogênio
para a síntese de ureia (NELSON; COX, 2014).
A utilização de alanina para o transporte da amônia dos músculos esqueléticos
para o fígado é outro exemplo da economia intrínseca dos organismos vivos. Os músculos
esqueléticos em contração vigorosa operam anaerobiamente, produzindo piruvato e
lactato pela glicólise, assim como amônia pela degradação proteica. De algum modo,
esses produtos devem chegar ao fígado, onde o piruvato e o lactato são incorporados
na glicose, que volta aos músculos, e a amônia é convertida em ureia para excreção. O
ciclo da glicose-alanina, em conjunto com o ciclo de Cori, realiza essa operação. O custo
energético da gliconeogênese é assim imposto ao fígado e não ao músculo, e todo o
ATP disponível no músculo é destinado à contração muscular (NELSON; COX, 2014).
194
PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA DE LEHNINGER
703
FIGURA 24 – O CICLO DA GLICOSE-ALANINA
rins é transportado no sangue para
mônia de todas essas fontes é utilia. Parte do glutamato produzido na
pode ser adicionalmente processamato-desidrogenase, liberando mais
squeletos de carbono para utilização
ntudo, a maior parte do glutamato
transaminação necessárias para a
cidos e para outros processos (Ca-
bólica (p. 688), há um aumento do
a glutamina pelos rins. Nem todo o
produzido é liberado para a corrente
o em ureia; parte é excretado direta1
o NH4 forma sais com ácidos metaa remoção na urina. O bicarbonato
oxilação do a-cetoglutarato no ciclo
m pode funcionar como tampão no
ados em conjunto, esses efeitos do
ina no rim tendem a contrabalançar
Proteína
muscular
Aminoácidos
Músculo
Glicose
1
NH4
Glicólise
Piruvato
Glutamato
Alanina-aminotransferase
a-Cetoglutarato
Alanina
Alanina
sanguínea
Glicose
sanguínea
Fígado
Alanina
a-Cetoglutarato
Alanina-aminotransferase
amônia dos músculos
ado
Glutamato
Glicose
Gliconeogênese
Piruvato
mpenha um papel especial no transNH1
4
o para o fígado em uma forma não
a via denominada ciclo da glicoseCiclo da ureia
9). No músculo e em alguns outros
aminoácidos como combustível, os
Ureia
tados na forma de glutamato, por
FONTE:
Nelson
e
Cox
(2014,
p.funciona
703) como trans18-2a). O glutamato pode ser con- FIGURA 189 O ciclo da glicose-alanina. A alanina
portadora
de
amônia
e
do
esqueleto
de
carbono
do
piruvato
do músculo
ara transporte ao fígado, como despode transferir seu grupo a-amino esquelético até o fígado. A amônia é excretada, e o piruvato é utilizado para
produzir glicose, que é devolvida ao músculo.
to da glicólise muscular facilmente
a alanina-aminotransferase (Fissim produzida passa para o sangue
No citosol dos hepatócitos, a alanina- A amônia é tóxica para os animais
A produção
catabólica
decatabólica
amônia impõe
um
sério
A produção
de amônia
impõe
umproblema
sério pro- bioquímico, por ser
sfere o grupo amino da alanina
para
blema bioquímico,
ser muito não
tóxica.
A base moletóxica.
base molecular
para essapor
toxicidade
é completamente
compreendida.
mando piruvato emuito
glutamato.
OA
glupara essa toxicidade não é completamente compreenmitocôndria, onde
aestágios
reação dafinais
glu- dacular
Os
intoxicação
por
amônia
em
humanos
são
caracterizados
por indução
1
libera NH4 (Figura 18-7), ou sofre dida. Os estágios finais da intoxicação por amônia em
deformar
um estado
de coma,
acompanhado
por edema
cerebral
(aumento
humanos
são caracterizados
por indução
de um
estado deno conteúdo de água
xaloacetato para
aspartato,
coma,
por edema cerebral
(aumento
conênio para a síntese
ureia. e aumento
dodecérebro)
daacompanhado
pressão intracraniana,
de modo
que no
pesquisas
e especulações
nina para o transporte da amônia teúdo de água do cérebro) e aumento da pressão intracraemé torno
da intoxicação
amônia
sido focalizadas
nesse
tecido
niana,por
de modo
quetêm
pesquisas
e especulações
em torno
da (RODWEL; MURRAY;
icos para o fígado
outro exemplo
dos organismosGRANNER,
vivos. Os músculos
2017). intoxicação por amônia têm sido focalizadas nesse tecido.
ção vigorosa operam anaerobiamen- As especulações centralizam-se em uma possível depleção
e lactato pela glicólise, assim como do ATP nas células do cérebro.
As especulações
centralizam-se
emauma
possível
depleção do ATP nas células
A amônia
facilmente cruza
barreira
hematoencefálica,
ão proteica. De algum modo,
esses
de
modo
que
qualquer
condição
que
aumente
os
níveis de
r ao fígado, ondedo
o piruvato
e
o
laccérebro. A amônia facilmente cruza a barreira hematoencefálica,
de modo que
na glicose, que volta aos músculos, amônia na circulação sanguínea também exporá o cérebro a
qualquer
condição
que
aumente
os
níveis
de
amônia
na
circulação
sanguínea
também
da em ureia para excreção. O ciclo altas concentrações. O cérebro em desenvolvimento é mais
suscetível
aos efeitos deletérios
do íon
que o céreconjunto com oexporá
ciclo deo Cori
(ver a altas
cérebro
concentrações.
O cérebro
emamônio
desenvolvimento
é mais suscetível
3-19), realiza essa operação. O custo bro adulto. Os danos causados pela toxicidade do amônio
aos efeitos deletérios
do
íon
amônio
que
o
cérebro
adulto.
Os
danos
causados pela
gênese é assim imposto ao fígado e incluem perda de neurônios, alteração na formação de sitoxicidade
amônio
incluem
perdageral
de neurônios,
alteração
na ceformação de sinapses
napses
e deficiência
no metabolismo
energético
o ATP disponível
no músculo do
é desA remoção do excesso
de amônia
presente
no citosol
cular.
e deficiência geral lular.
no metabolismo
energético
celular
(RODWEL;
MURRAY; GRANNER,
2.5 A AMÔNIA É TÓXICA PARA OS ANIMAIS
2017).
195
2.6 EXCREÇÕES DE NITROGÊNIO E CICLO DA UREIA
Se não forem reutilizados para a síntese de novos aminoácidos ou de outros
produtos nitrogenados, os grupos amino são canalizados em um único produto de
excreção. A maioria das espécies aquáticas, como os peixes ósseos, é amoniotélica
e excreta o nitrogênio amínico como amônia. A amônia tóxica é simplesmente diluída
na água do ambiente. Os animais terrestres necessitam de vias para a excreção do
nitrogênio que minimizem a toxicidade e a perda de água. A maior parte dos animais
terrestres é ureotélica e excreta o nitrogênio amínico na forma de ureia; aves e répteis
são uricotélicos, excretando o nitrogênio amínico como ácido úrico (NELSON; COX,
2014).
As plantas reciclam praticamente todos os grupos amino, e a excreção
de nitrogênio ocorre apenas em circunstâncias muito incomuns. Nos organismos
ureotélicos, a amônia depositada na mitocôndria dos hepatócitos é convertida em ureia
no ciclo da ureia. Essa via foi descoberta em 1932, por Hans Krebs (que mais tarde
também descobriu o ciclo do ácido cítrico) e seu colaborador, Kurt Henseleit, estudante
de medicina. A produção de ureia ocorre quase exclusivamente no fígado, sendo o
destino da maior parte da amônia canalizada para esse órgão. A ureia passa para a
circulação sanguínea e chega aos rins, sendo excretada na urina (RODWEL; MURRAY;
GRANNER, 2017). A produção de ureia será o foco da nossa discussão.
2.7 A UREIA É PRODUZIDA A PARTIR DA AMÔNIA
O ciclo da ureia inicia dentro da mitocôndria hepática, mas três de suas etapas
seguintes ocorrem no citosol; o ciclo abrange dois compartimentos celulares. O primeiro
grupo amino que entra no ciclo da ureia é derivado da amônia na matriz mitocondrial – a
maior parte desses NH4 é fornecida pelas vias descritas anteriormente. O fígado também
recebe parte da amônia pela veia porta, sendo essa amônia produzida no intestino pela
oxidação bacteriana de aminoácidos. Qualquer que seja sua fonte, o NH4 presente na
mitocôndria hepática é utilizado imediatamente, juntamente ao CO2 produzido pela
respiração mitocondrial, para formar carbamoil-fosfato na matriz (Figura 25). Essa
reação é dependente de ATP, sendo catalisada pela carbamoil-fosfato-sintetase I,
enzima regulatória (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
196
Contudo, cada ciclo opera independentemente e a comunicação entre eles depende do transporte de intermediários-chave entre a mitocôndria e o citosol. Os principais transportadores na membrana interna da mitocôndria incluem
o transportador malato-a-cetoglutarato, o transportador
glutamato-aspartato e o transportador glutamato-OH . Jun-
ocorre via um intermediário citrulil-AMP (Figura 18-11b).
O arginino-succinato é então clivado pela arginino-succinase (etapa ➌ na Figura 18-10), formando arginina e fumarato; este último é convertido em malato e a seguir entra na
mitocôndria para unir-se aos intermediários do ciclo do ácido cítrico. Esse passo é a única reação reversível do ciclo da
FIGURA 25 – REAÇÕES QUE CAPTAM NITROGÊNIO NO CICLO DA UREIA
ADP
O
ADP
O
O
–
P
O
–O
C
OH
❶
O
ATP
O
C
–
O bicarbonato
é fosforilado
pelo ATP.
O
OH
NH3
Anidrido
carbônico-ácido
fosfórico
(a)
O
–
O
P
O
O
–
O
P
O
–
(b)
O
O
O
ATP
C
PPi
+
(CH2)3
H
C
+
NH3
COO–
Citrulina
❶
Um rearranjo leva à
adição de AMP,
ativando o oxigênio da
carbonila da citrulina.
AMP
O
C
H2N
+
NH3
COO–
Citrulil-AMP
Aspartato
C
O
O
O
+
NH2
C
AMP
❷
A adição de aspartato é
facilitada pelo deslocamento do AMP.
O–
P
–
Carbamoil-fosfato
H
COO–
(CH2)3
C
C
CH2
NH
H
❸
O
H2N
COO–
NH2
NH
ADP
–
O carbamato
é fosforilado,
produzindo
carbamoilfosfato.
:
P
O
Carbamato
+
:
–O
C
A amônia
desloca o
grupo
fosforila,
gerando
carbamato.
NH2
O
H2N
❷
Adenosina
ATP
O
:
Bicarbonato
–
P
O
Pi
O
O
–
NH
N
H
COO–
C
H
CH2
(CH2)3 COO–
H
C
+
NH3
COO–
Arginino-succinato
vras, essa reação
apresenta
dois passos de ativação (➊ e ➌). Mecanismo da
MECANISMO  FIGURA 1811 Reações que
captam
nitrogênio
no ci- e Granner
FONTE:
Rodwel,
Murray
(2017,
p. 617)
carbamoil-fosfato sintetase (b) Na reação catalisada pela arginino-succinaclo da ureia. Os átomos de nitrogênio da ureia são obtidos por meio de
duas reações que necessitam de ATP. (a) Na reação catalisada pela carbato-sintetase, o segundo nitrogênio entra no ciclo, a partir do aspartato. A
moil-fosfato-sintetase I, entra o primeiro átomo de nitrogênio, sob a forma
ativação do oxigênio do grupo ureído da citrulina no passo ➊ prepara o
de amônia. Os grupos fosfato terminais de duas moléculas de ATP são uticomposto para a adição do aspartato, no passo ➋. Mecanismo da argininolizados para formar
uma molécula
carbamoil-fosfato.
Em outras
pala- que:
-succinato sintetase
Nelson
e Coxde(2014,
p. 706)
relatam
Nelson_6ed_book.indb 706
O carbamoil-fosfato, que funciona como doador ativado de grupos
carbamoila, entra no ciclo da ureia. O ciclo tem apenas quatro
etapas enzimáticas. Primeiro, o carbamoil--fosfato doa seu grupo
carbamoila para a ornitina, formando citrulina, com a liberação de Pi
(etapa 1). A reação é catalisada pela ornitina-transcarbamoilase.
A ornitina não é um dos 20 aminoácidos encontrados nas proteínas,
mas é um intermediário-chave no metabolismo do nitrogênio. Ela é
sintetizada a partir do glutamato. A ornitina desempenha um papel
que se assemelha àquele do oxaloacetato no ciclo do ácido cítrico,
aceitando material a cada volta do ciclo da ureia. A citrulina produzida
no primeiro passo do ciclo da ureia passa da mitocôndria para o
citosol. Os próximos dois passos trazem o segundo grupo amino. A
fonte é o aspartato produzido na mitocôndria por transaminação e
transportado para o citosol. A reação de condensação entre o grupo
amino do aspartato e o grupo ureído (carbonila) da citrulina forma
arginino-succinato (etapa 2). Essa reação citosólica, catalisada
pela arginino-succinato-sintetase, requer ATP e ocorre via um
intermediário citrulil-AMP. O arginino-succinato é então clivado pela
arginino-succinase (etapa 3), formando arginina e fumarato; este
último é convertido em malato e a seguir entra na mitocôndria para
unir-se aos intermediários do ciclo do ácido cítrico. Esse passo é a
única reação reversível do ciclo da ureia. Na última etapa do ciclo
(etapa 4), a enzima citosólica arginase cliva a arginina, produzindo
ureia e ornitina. A ornitina é transportada para a mitocôndria para
iniciar outra volta do ciclo da ureia.
03/04/14 07
197
2.8 DEFEITOS GENÉTICOS DO CICLO DA UREIA PODEM SER
FATAIS
Pessoas com defeitos genéticos em qualquer das enzimas envolvidas na
formação de ureia não toleram dietas ricas em proteína. Os aminoácidos ingeridos
em excesso, além das necessidades mínimas diárias para a síntese proteica, são
desaminados no fígado, produzindo amônia livre, que não pode ser convertida em ureia
para ser exportada para a corrente sanguínea e, como já foi frisado, a amônia é altamente
tóxica. A ausência de uma enzima do ciclo da ureia pode resultar em hiperamonemia ou
no aumento de um ou mais intermediários do ciclo da ureia, dependendo da enzima
que estiver faltando. Uma vez que a maioria das etapas do ciclo da ureia é irreversível,
a ausência de uma atividade enzimática frequentemente pode ser identificada
pela determinação de qual intermediário do ciclo está presente em concentrações
especialmente altas no sangue e/ou na urina. Embora a degradação dos aminoácidos
possa apresentar sérios problemas para a saúde das pessoas com deficiências no
ciclo da ureia, uma dieta desprovida de proteínas não é uma opção de tratamento.
Humanos são incapazes de sintetizar metade dos vinte aminoácidos proteicos, e esses
aminoácidos essenciais devem estar presentes na dieta (NELSON; COX, 2014).
Uma variedade de tratamentos é disponibilizada para pessoas com defeitos no
ciclo da ureia. A administração cuidadosa na dieta dos ácidos aromáticos benzoato ou
fenilbutirato pode ajudar a diminuir os níveis de amônia no sangue.
2.9 VIAS DE DEGRADAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS
As vias do catabolismo dos aminoácidos, em conjunto, representam normalmente
apenas 10 a 15% da produção de energia no organismo humano; essas vias são bem
menos ativas que a glicólise e a oxidação dos ácidos graxos. O fluxo, ao longo das vias
catabólicas, também varia muito, dependendo do equilíbrio entre as necessidades para
processos biossintéticos e a disponibilidade de determinado aminoácido. As 20 vias
catabólicas convergem para formar apenas seis produtos principais, os quais podem
entrar no ciclo do ácido cítrico (Figura 26). Desse ponto, os esqueletos de carbono
tomam vias distintas, sendo direcionados para a gliconeogênese ou para a cetogênese,
ou oxidados completamente a CO2 e H2O (BERTUZZI et al., 2008).
Sete dos aminoácidos podem ter seus esqueletos de carbono, total ou
parcialmente, degradados para produzir acetil-CoA. Cinco aminoácidos são convertidos
em a-cetoglutarato, quatro em succinil-CoA, dois em fumarato e dois em oxaloacetato.
Seis aminoácidos têm seu esqueleto carbonado, total ou parcialmente, convertido em
piruvato, o qual pode ser transformado em acetil-CoA ou em oxaloacetato (NELSON;
COX, 2014).
198
PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA DE LEHNINGER
7
FIGURA 26 – RESUMO DO CATABOLISMO DOS AMINOÁCIDOS
Leucina
Lisina
Fenilalanina
Triptofano
Tirosina
Glutamato
Corpos
cetônicos
a -Cetoglutarato
Isocitrato
Acetoacetil-CoA
Ciclo do
ácido
cítrico
Citrato
Arginina
Glutamina
Histidina
Prolina
Succinil-CoA
Isoleucina
Metionina
Treonina
Valina
Succinato
Acetil-CoA
Fumarato
Oxaloacetato
Fenilalanina
Tirosina
Malato
CO2
Piruvato
Isoleucina
Leucina
Treonina
Triptofano
Alanina
Cisteína
Glicina
Serina
Treonina
Triptofano
Glicose
Glicogênicos
Asparagina
Aspartato
Cetogênicos
FONTE:
(2014,
p. 705)
Figuras
18-19
e 18-27), e a importância de determinada via pode variar
FIGURA 1815 Resumo do catabolismo dos aminoácidos.
OsNelson
aminoá-e Cox
o organismo e as condições metabólicas. Aminoácidos glicogênicos e
cidos estão agrupados conforme seu principal produto final de degradação.
gênicos também estão delineados na figura, sombreados em cores. Ob
Alguns aminoácidos estão listados mais de uma vez, pois diferentes partes
que cinco aminoácidos são tanto glicogênicos quanto cetogênicos. Os
de seus esqueletos de carbono são degradadas em diferentes produtos finoácidos que produzem piruvato também são potencialmente cetogên
nais. A figura mostra as vias catabólicas mais importantes em vertebrados;
Apenas dois aminoácidos, lisina e leucina, são exclusivamente cetogên
há, contudo, variações menores entre diferentes espécies de vertebrados. A
treonina, por exemplo, é degradada por no mínimo duas vias diferentes (ver
2.10 O CATABOLISMO DA FENILALANINA / FENILCETONÚRIA
Considerando que muitos aminoácidos são neurotransmissores, ou precursores
de neurotransmissores, ou antagonistas deles, não é de surpreender que defeitos
pode ser transformado em acetil-CoA ou em oxaloacetato. -CoA é convertida em acetoacetato e, então, em aceto
genéticos
no metabolismo
dos aminoácidos
causar prejuízo
no desenvolvimento
Posteriormente,
serão resumidas
as vias individuais
para os possam
b-hidroxibutirato
(ver Figura
17-19). Esses são amino
neural
e deficiência
intelectual.
Emlevando
muitas dessas
doenças, intermediários
20 aminoácidos
em diagramas
de fluxo,
cada um
dos cetogênicos
(Figura 18-15).específicos
Sua capacidade de
a um ponto específico
de
entrada
no
ciclo
do
ácido
cítriduzir
corpos
cetônicos
é
especialmente
evidente no di
se acumulam. Por exemplo, um defeito genético na fenilalanina-hidroxilase, a primeira
co. Nesses diagramas, os átomos de carbono que entram
tes melito não controlado, quando o fígado produz gran
enzima na via catabólica da fenilalanina, é responsável pela doença fenilcetonúria (PKU),
no ciclo do ácido cítrico são mostrados coloridos. Observe
quantidades de corpos cetônicos a partir de ácidos grax
a causa mais
comummais
de níveis
elevados
de fenilalanina
no sangue
(hiperfenilalaninemia).
que alguns aminoácidos
aparecem
de uma
vez, reflede aminoácidos
cetogênicos.
Os aminoácidos degradados em piruvato, a-ceto
tindo diferentes destinos para diferentes partes de seus estarato,
succinil-CoA,
fumarato
oxaloacetato pod
queletos de carbono. AEm
vez
de
examinar
cada
etapa
de
fenilalanina-hidroxilase é uma enzima de
uma classe
geral e/ou
de enzimas
cada via no catabolismo dos aminoácidos, serão destacadas ser convertidos em glicose e glicogênio pelas vias d
denominadas
de função
mista, quecritas
catalisam
simultaneamente
a hidroxilação
nos Capítulos
14 e 15. Esses
são aminoácidos
para uma discussão
especialoxidases
algumas reações
enzimáticas
um substrato
um mecanismos
átomo de oxigênio
O2 e a redução
do outro átomo
de oxigênio
Aminoácidos
glicogênicos
e cetogênicos
de relevânciade
particular,
devidopor
a seus
ou seu docogênicos.
são excludentes
entre si; cincoque
aminoácidos
significado médico.
em H2O. A fenilalanina-hidroxilase requer o cofator
tetra-hidrobiopterina,
transfere– triptofa
tirosina, treonina
e isoleucina
elétrons do NADPH ao oxigênio, oxidando-sefenilalanina,
a di-hidrobiopterina
no processo
(Figura – são ta
cetogênicos quanto glicogênicos. O catabolismo dos a
Alguns aminoácidos
são
convertidos
em
glicose,
outros
27). Em seguida, esse cofator é reduzido pela
enzimaédi-hidrobiopterina-redutase,
noácidos
especialmente crítico para a sobrevivênci
em corpos cetônicos
em uma reação que requer NADPH (NELSON;animais
COX, 2014).
em dietas ricas em proteína ou durante o jej
A leucina é um aminoácido exclusivamente cetogên
Os sete aminoácidos inteira ou parcialmente degradados
muito comum em proteínas. Sua degradação contr
em acetoacetil-CoA e/ou acetil-CoA – fenilalanina, tirosina,
isoleucina, leucina, triptofano, treonina e lisina – podem substancialmente para a cetose em condições de je
prolongado.
produzir corpos cetônicos no fígado, onde a acetoacetil-
199
20
D AV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
FIGURA 27 – REAÇÃO DA FENILALANINA-HIDROXILASE
1
NAD(P)
N
H2N
HN
H H
H
N
8
5
7
6
CH CH CH3
N
H H
OH OH
5,6,7,8-Tetra-hidrobiopterina
HN
NAD(P)H
1 H1
N
CH2
H
O
Di-hidrobiopterina-redutase
1
NH3
H H
H
N
Fenilalanina
O2
Fenilalanina-hidroxilase
H2O
1
NH3
HO
HN
N
O
H
CH CH CH3
OH OH
7,8-di-hidrobiopterina
(forma quinonoide)
CH COO2
CH2
H
CH COO2
Tirosina
O papel da tetra-hidrobiopterina naFONTE:
reação da
fenila-e Cox
do(2014,
diretamente
do C-4 para o C-3 na reação. Essa característica, descoberta
Nelson
p. 719)
nina-hidroxilase. O átomo de H sombreado em cor-de-rosa é transferino National Institute of Health (NIH), é denominada “troca NIH”.
GURA 1824
Em pessoas com PKU, uma rota secundária do metabolismo da fenilalanina,
idrobiopterina no processo (Figura 18-24). Em seguida, terina também é necessária para a formação de L-3,4-di-hidronormalmente pouco utilizada, passa a desempenhar um papel mais proeminente. Nessa
se cofator é reduzido pela enzima di-hidrobiopterina- xifenilalanina (L-dopa), precursor dos neurotransmissores doa fenilalanina
sofreNADPH.
transaminação compamina
o piruvato,
produzindo
A precursor
e noradrenalina,
e defenilpiruvato.
5-hidroxitriptofano,
edutase,rota,
em uma
reação que requer
Em pessoas
com PKU,e uma
rota secundária
do metabo- no
do sangue
neurotransmissor
serotonina.
Na fenilcetonúria
fenilalanina
o fenilpiruvato
acumulam-se
e nos tecidos
e são
excretados desse tipo,
mo da fenilalanina,
normalmente
pouco
utilizada, passaUma
a esses
precursores
devem ser supridos
na dieta. A suplementana urina –
daí o nome
“fenilcetonúria”.
quantidade
considerável
de fenilpiruvato
esempenhar um papel mais proeminente. Nessa rota, a feni- ção da dieta com a própria tetra-hidrobiopterina é ineficiente,
não
é excretadacom
como
tal, mas
sofre descarboxilação
a fenilacetato
ouaredução
a fenilanina sofre
transaminação
o piruvato,
produzindo
fepois ela é instável
e não cruza
barreira hematoencefálica.
lpiruvato
(FiguraO18-25).
A fenilalanina
e oàfenilpiruvato
A triagem de doenças
genéticas em recém-nascidos
pode
lactato.
fenilacetato
confere
urina um odor característico,
tradicionalmente
utilizado
umulam-se
sangue e nospara
tecidos
e são excretados
na
apresentar
relação GRANNER,
custo-benefício
bastante favorável,
pornoenfermeiros
detectar
PKU em bebês
(RODWEL;uma
MURRAY;
2017).
ina – daí o nome “fenilcetonúria”. Uma quantidade consierável de fenilpiruvato não é excretada como tal, mas sofre
1
O acúmulo
fenilalanina
ou de Oseus metabólitos no início da vida
escarboxilação a fenilacetato
ou de
redução
a fenil-lactato.
NH3 prejudica o
nilacetatodesenvolvimento
confere à urina um odor
característico,
tradicionormal do cérebro, causando grave deficiência intelectual.
Isso
2 pode
CH2 CH COO
almente utilizado por enfermeiros para detectar PKU em beser
causado
pelo
excesso
de
fenilalanina,
que
compete
com
outros
aminoácidos
pelo
ês. O acúmulo de fenilalanina ou de seus metabólitos no iníFenilalanina
através da barreira
resultando em déficit de metabólitos
o da vida transporte
prejudica o desenvolvimento
normalhematoencefálica,
do cérebro,
CH3 C COO2
usando grave
deficiência A
intelectual.
Isso pode
ser causado
necessários.
fenilcetonúria
está
entre os primeiros defeitos metabólicos herdados
O
elo excesso de fenilalanina, que compete com outros amido metabolismo descobertos em humanos. Quando essa condição é identificada nos
Piruvato
oácidos pelo transporte através da barreira hematoencefáliprimeiros
dias
de vida, a necessários.
deficiência intelectual pode ser prevenida
peloPLPcontrole rígido
Aminotransferase
, resultando
em déficit
de metabólitos
A fenilcetonúria
entre
os primeiros
defeitos metada dieta,está
a qual
deve
suprir fenilalanina
apenas suficiente para atender às necessidades
1
ólicos herdados
do metabolismo
em humanos.
NH3
de síntese
proteica.descobertos
O consumo
de alimentos ricos em proteínas deve ser reduzido.
uando essa condição é identificada nos primeiros dias de
CH3 CH COO2
Proteínas
naturais,
a caseína
da, a deficiência
intelectual
podecomo
ser prevenida
pelo do
con-leite, devem ser primeiramente hidrolisadas
Alanina
parte
dadeve
fenilalanina
deve serapenas
removida para que o paciente receba uma dieta
ole rígidoedaboa
dieta,
a qual
suprir fenilalanina
ficiente para
atender às
necessidades
de síntese
proteica.
adequada,
pelo
menos durante
toda
a sua infância (NELSON; COX, 2014).O
consumo de alimentos ricos em proteínas deve ser reduCH2 C COO2
do. Proteínas naturais, como a caseína do leite, devem ser
imeiramente hidrolisadas e boa parte da fenilalanina deve
Fenilpiruvato
r removida para que o paciente receba uma dieta adequaCO2
a, pelo menos durante toda a sua infância. Uma vez que o
H2O
doçante artificial aspartame é um dipeptídeo contendo asOH
artato e um metil-éster da fenilalanina (ver Figura 1-24b),
2
CH2 COO
CH2 CH COO2
imentos adoçados com aspartame contêm avisos dirigidos
pessoas recebendo dietas em que o conteúdo de fenilalaniFenilacetato
Fenil-lactato
a deve ser controlado.
A fenilcetonúria também pode ser causada por um defeito
FIGURA 1825 Rotas alternativas para o catabolismo da fenilaa enzima que catalisa a regeneração da tetra-hidrobiopterina
lanina na fenilcetonúria. Na PKU, o fenilpiruvato se acumula nos
200
Figura
18-24). O tratamento, nesse caso, é mais complexo do
tecidos, no sangue e na urina. A urina pode ainda conter fenilacetato
e fenil-lactato.
ue a restrição da ingestão de fenilalanina. A tetra-hidrobiop-
RESUMO DO TÓPICO 4
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• Humanos obtêm uma pequena fração de sua energia oxidativa a partir do catabolismo
dos aminoácidos.
• Os aminoácidos provêm da degradação normal de proteínas celulares (reciclagem),
da degradação de proteínas da dieta e da degradação de proteínas teciduais no lugar
de outros combustíveis, durante o jejum ou no diabetes melito não controlado.
• Proteases degradam as proteínas da dieta no estômago e no intestino delgado. A
maioria das proteases é primeiramente sintetizada como zimogênios inativos.
• A primeira etapa no catabolismo dos aminoácidos é separar o grupo amino do
esqueleto de carbono.
• O glutamato é transportado à mitocôndria hepática, onde a glutamato-desidrogenase
libera o grupo amino na forma de íon amônio (NH4).
• O piruvato produzido pela desaminação da alanina no fígado é convertido em glicose,
a qual é transportada de volta ao músculo como parte do ciclo da glicose-alanina.
• A amônia é altamente tóxica para os tecidos animais. No ciclo da ureia, a ornitina
combina-se com a amônia, na forma de carbamoil-fosfato, para formar citrulina.
• Um segundo grupo amino é transferido para a citrulina a partir do aspartato, para
formar arginina – o precursor imediato da ureia.
• O ciclo da ureia resulta na conversão líquida de oxaloacetato em fumarato, ambos
intermediários do ciclo do ácido cítrico.
• Após a remoção dos grupos amino, os esqueletos de carbono dos aminoácidos sofrem
oxidação a compostos capazes de entrar no ciclo do ácido cítrico para oxidação a CO2
e H2O.
• Diversas doenças humanas graves são causadas por defeitos genéticos nas enzimas
do catabolismo dos aminoácidos.
201
AUTOATIVIDADE
1 O plasma sanguíneo humano, normal, contém todos os aminoácidos necessários
para a síntese das proteínas teciduais, mas não em iguais concentrações. A alanina e
a glutamina estão presentes em concentrações muito mais elevadas que os demais
aminoácidos. Sugira uma razão para que isto ocorra.
2 Em estudo realizado há alguns anos, gatos foram submetidos a um jejum durante
a noite e então receberam uma única refeição, completa em relação a todos os
aminoácidos, com exceção da arginina. Dentro de duas horas, os níveis de amônia
no sangue aumentaram dos níveis normais de 18 mg/L para 140 mg/L, e os gatos
mostraram sintomas clínicos de intoxicação por amônia. Um grupo controle recebeu
uma dieta contendo todos os aminoácidos ou uma dieta em que a arginina era
substituída pela ornitina e não mostrou qualquer sintoma clínico incomum. Nesse
contexto, responda às seguintes questões:
a) Qual a razão do jejum no experimento?
b) Qual a causa do aumento dos níveis de amônia no grupo experimental? Por que a
ausência de arginina levou à intoxicação pela amônia? A arginina é um aminoácido
essencial para os gatos? Justifique.
c) Por que a ornitina pode substituir a arginina?
3 A deficiência de vitamina B12 pode ser causada por raras doenças genéticas que
levam a níveis diminuídos de vitamina B12, apesar de uma dieta normal, que inclui
carne e laticínios, ricos em B12. Essas condições não podem ser tratadas com
suplementos de vitamina B12. Explique.
202
UNIDADE 3
TÓPICO 5 -
METABOLISMO DE NUCLEOTÍDEOS
1 INTRODUÇÃO
O nitrogênio perde apenas para o carbono, o hidrogênio e o oxigênio em sua
contribuição para a massa dos sistemas vivos. A maior parte desse nitrogênio está
ligada à estrutura de aminoácidos e nucleotídeos. Neste tópico serão abordados todos
os aspectos do metabolismo de nucleotídeos.
2 BIOSSÍNTESE DE NUCLEOTÍDEOS
Os nucleotídeos apresentam uma variedade de importantes funções em todas
as células. Eles são precursores do DNA e do RNA; são carreadores essenciais de
energia química – papel desempenhado basicamente pelo ATP e, em parte, pelo GTP;
são componentes dos cofatores NAD, FAD, coenzima A, assim como de intermediários
biossintéticos ativados, como UDP-glicose (precursor do glicogênio) e CDP-diacilglicerol
(enzima catalisadora); e alguns deles, como o cAMP e o cGMP, são também segundos
mensageiros celulares.
Dois tipos de vias levam aos nucleotídeos: as vias de novo e as vias de
salvação. A síntese de novo dos nucleotídeos inicia com seus precursores metabólicos:
aminoácidos, ribose-5-fosfato, CO2 e NH3. As vias de salvação reciclam as bases livres
e os nucleosídeos liberados a partir da degradação de ácidos nucleicos. Ambos os tipos
de vias são importantes no metabolismo celular (NELSON; COX, 2014).
As vias de novo para a biossíntese de purinas e pirimidinas parecem ser
quase idênticas em todos os organismos vivos. Como já vimos, as pirimidinas são
representadas pelas bases nitrogenadas Citosina, Timina e Uracila, enquanto as purinas
são representadas pela Adenina e Guanina. Uma observação notável é que as bases
livres guanina, adenina, timina, citosina e uracila não são intermediárias nessas vias,
isto é, as bases não são sintetizadas e então ligadas à ribose, como se poderia esperar.
A estrutura do anel púrico é construída ligada à ribose durante todo o processo, com
a adição de um ou de poucos átomos por vez. O anel pirimídico é sintetizado como
orotato, ligado a ribose-fosfato e, então, convertido nos nucleotídeos pirimídicos
comuns necessários para a síntese dos ácidos nucleicos (Figura 29). Embora as bases
livres não sejam intermediárias nas vias de novo, elas são intermediárias em algumas
das vias de salvação (RODWEL; MURRAY; GRANNER, 2017).
203
Diversos precursores importantes são compartilhados pelas vias de novo para
a síntese de pirimidinas e purinas. O fosforribosil-pirofosfato (PRPP) é importante para
a síntese de ambas e, nessas vias, a estrutura da ribose é mantida no nucleotídeo
produzido, ao contrário do seu destino nas vias para a biossíntese de triptofano e
histidina. Um aminoácido é um precursor importante em cada tipo de via: a glicina
para as purinas e o aspartato para as pirimidinas. A glutamina é, novamente, a mais
importante fonte de grupos amina. O aspartato também é utilizado como fonte de um
grupo amino em dois dos passos das vias das purinas (NELSON; COX, 2014).
FIGURA 28 – CLASSIFICAÇÃO DAS BASES NITROGENADAS
FONTE: A autora
2.1 A SÍNTESE DE NOVO DE NUCLEOTÍDEOS PÚRICOS
Os dois nucleotídeos púricos precursores dos ácidos nucleicos são
59-monofosfato de adenosina (AMP; adenilato) e 59-monofosfato de guanosina (GMP;
guanilato), os quais contêm as bases púricas adenina e guanina. A Figura 29 mostra a
origem dos átomos de carbono e de nitrogênio do sistema de anéis púricos, conforme
determinado por John M. Buchanan, utilizando experimentos com marcadores isotópicos
em aves. A via detalhada para a biossíntese de purinas foi elucidada principalmente por
Buchanan e por G. Robert Greenberg, na década de 1950.
204
FIGURA 29 – ORIGEM DOS ÁTOMOS NO ANEL DAS PURINAS
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 912)
A biossíntese de nucleotídeos púricos é regulada por retroalimentação negativa,
sendo que estas cooperam na regulação da velocidade geral da síntese de novo e das
velocidades relativas de formação dos dois produtos, adenilato e guanilato.
FIGURA 30 – MECANISMOS REGULADORES NA BIOSSÍNTESE DE NUCLEOTÍDEOS
FONTE: Nelson e Cox (2014, p. 914)
205
O primeiro mecanismo é exercido sobre a primeira reação que é exclusiva
da síntese de purinas: a transferência de um grupo amino para o PRPP para formar
5-fosforribosilamina.
Essa reação é catalisada pela enzima alostérica glutamina-PRPPaminotransferase, que é inibida pelos produtos finais IMP, AMP e GMP.
O AMP e o GMP atuam sinergicamente nessa inibição concertada.
Assim, sempre que AMP ou GMP acumulam-se e estão presentes
em excesso, o primeiro passo de sua biossíntese a partir de PRPP é
parcialmente inibido. No segundo mecanismo de controle, exercido
sobre um estágio posterior, um excesso de GMP na célula inibe a
formação de xantilato a partir de inosinato, pela IMP-desidrogenase,
sem afetar a formação de AMP. Por sua vez, um acúmulo de adenilato
inibe a formação de adenilossuccinato pela adenilossuccinatosintetase, sem afetar a biossíntese de GMP. Quando os dois produtos
estão presentes em quantidades suficientes, o IMP acumula-se
e inibe um passo anterior da via; essa estratégia reguladora é
chamada inibição sequencial por retroalimentação. No terceiro
mecanismo, o GTP é necessário para a conversão de IMP em AMP,
enquanto o ATP é necessário para a conversão de IMP em GMP, arranjo
recíproco que tende a equilibrar a síntese dos dois ribonucleotídeos.
O último mecanismo de controle é a inibição da síntese de PRPP pela
regulação alostérica da ribose-fosfato-pirofosfocinase. Essa enzima
é inibida por ADP e GDP, além de metabólitos de outras vias para as
quais o PRPP é o ponto de partida (NELSON; COX, 2014, p. 914).
NOTA
Você sabia?
Cerca de 10% dos seres humanos (e até 50% das pessoas em
comunidades pobres) sofrem de deficiência de ácido fólico. Quando a
deficiência é grave, os sintomas podem incluir doença cardíaca, câncer
e alguns tipos de distúrbios encefálicos. Pelo menos alguns desses
sintomas surgem da redução da síntese de timidilato, levando a uma
incorporação anormal de uracila no DNA. A uracila é reconhecida pelos
sistemas de reparo do DNA e é removida do DNA. A presença de altos
níveis de uracila no DNA leva a quebras da fita, que podem afetar muito
a função e a regulação do DNA nuclear, causando por fim os efeitos
observados sobre o coração e o encéfalo, assim como aumento da
mutagênese, que leva ao câncer.
206
2.2 BASES PÚRICAS E PIRIMÍDICAS SÃO RECICLADAS POR
VIAS DE SALVAÇÃO
As bases púricas e pirimídicas livres são constantemente liberadas nas células
durante a degradação metabólica dos nucleotídeos. As purinas livres são, em grande
parte, salvas e reutilizadas para sintetizar nucleotídeos, em uma via muito mais
simples que a síntese de novo dos nucleotídeos púricos. Uma das principais vias de
salvação consiste em uma única reação, catalisada pela adenosina-fosforribosiltransferase, na qual adenina livre reage com PRPP para produzir o correspondente
nucleotídeo da adenina. Existe uma via de salvação semelhante para bases pirimídicas
em microrganismos e, possivelmente, em mamíferos (RODWEL; MURRAY; GRANNER,
2017).
Um defeito genético na atividade da hipoxantina-guanina-fosforribosiltransferase, observado quase exclusivamente em crianças do sexo masculino,
resulta no conjunto de sintomas denominado síndrome de Lesch-Nyhan. Crianças
com essa doença genética, que se manifesta em torno dos dois anos, apresentam,
algumas vezes, baixa coordenação motora e deficiência intelectual. Além disso,
são extremamente agressivas e mostram tendências à compulsão autodestrutiva:
apresentam automutilação, mordendo dedos, artelhos e lábios. Os efeitos devastadores
da síndrome de Lesch-Nyhan ilustram a importância das vias de salvação (NELSON;
COX, 2014).
Hipoxantina e guanina surgem constantemente da degradação dos ácidos
nucleicos. Na ausência da hipoxantina-guanina-fosforribosil-transferase, os níveis de
PRPP aumentam e ocorre uma superprodução de purinas pela via de novo, resultando
na produção de altos níveis de ácido úrico e lesão tecidual semelhante à da gota. O
cérebro é especialmente dependente das vias de salvação e isso pode ser a causa da
lesão do sistema nervoso em crianças com síndrome de Lesch-Nyhan. Essa síndrome é
outro alvo potencial para a terapia gênica (BERTUZZI et al., 2008).
NOTA
Curiosidade – Excesso de ácido úrico causa gota
Durante muito tempo, acreditou-se erroneamente que a gota fosse
devida a um “estilo de vida elevado”. A gota é uma doença das
articulações, causada pela concentração elevada de ácido úrico no
sangue e nos tecidos. As articulações tornam-se inflamadas, doloridas
e artríticas devido à deposição anormal de cristais de urato de sódio.
Os rins também são afetados, pois ácido úrico em excesso se deposita
nos túbulos renais. A gota ocorre predominantemente em pessoas do
sexo masculino. Sua causa precisa não é conhecida, frequentemente
envolve uma excreção reduzida de uratos. A deficiência genética de
alguma enzima do metabolismo das purinas também pode ser um
fator em alguns casos.
RESUMO DO TÓPICO 5
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• As vias de biossíntese de aminoácidos estão sujeitas à inibição alostérica pelo
produto; a enzima reguladora geralmente é a primeira da sequência.
• Glicina e a arginina originam a creatina e a fosfocreatina, um tampão energético. A
glutationa, formada a partir de três aminoácidos, é um importante agente redutor na
célula.
• O sistema de anéis das purinas é construído passo a passo, iniciando com
5-fosforribosilamina.
• Os aminoácidos glutamina, glicina e aspartato fornecem todos os átomos de
nitrogênio das purinas. Os passos de fechamento dos dois anéis formam o núcleo
das purinas.
• As pirimidinas são sintetizadas a partir de carbamoil-fosfato e de aspartato, e a
ribose-5-fosfato é então ligada para produzir ribonucleotídeos pirimídicos.
• O ácido úrico e a ureia são derivados da degradação de purinas e pirimidinas.
• Purinas livres podem ser usadas em vias de salvação, na reconstrução de nucleotídeos
• Deficiências genéticas em certas enzimas das vias de salvação causam doenças
graves, como a síndrome de Lesch-Nyhan e a deficiência de ADA.
• O acúmulo de cristais de ácido úrico nas articulações, possivelmente causado por
outra deficiência genética, resulta na gota.
208
AUTOATIVIDADE
1 A deficiência de ácido fólico, que se acredita ser a deficiência vitamínica mais comum,
causa um tipo de anemia em que a síntese de hemoglobina está prejudicada e os
eritrócitos não amadurecem adequadamente. Qual a relação metabólica entre a
síntese de hemoglobina e a deficiência de ácido fólico?
2 Na biossíntese de aminoácidos estão envolvidas as purinas e pirimidinas. Quais as
diferenças entre elas?
3 Quais os resultados da degradação de purinas e pirimidinas?
209
210
REFERÊNCIAS
ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 3. ed. Porto Alegre: Artes Médicas, 1997.
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