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Fundamentos da Bioquímica
Conceito
O estudo da bioquímica mostra coMo o conjunto de Moléculas inaniMadas que constitueM os organisMos vivos interageM para manter e perpetuar a vida exclusivamente pelas leis físicas e químicas que regeM o universo inaniMado.
A Lógica Molecular da Vida
A bioquímica descreve eM terMos Moleculares as estruturas, os MecanisMos e os processos químicos coMpartilhados por todos os organisMos e estabelece princípios de organização que são a base da vida.
Fundamentos Celulares
MeMbrana PlasMática ➪Define o contorno da célula, separando seu conteúdo do ambiente. ➪Ela é coMposta por Moléculas de lipídeos e proteínas que forMam uMa barreira fina, resistente, flexível e hidrofóbica ao redor da célula. ➪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 lipídeos individuais 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 lipídeos são inseridas na MeMbrana plasMática; ➪O cresciMento e a divisão celular (fissão) ocorre seM perda da integridade da meMbrana. 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) se sediMentam quando o citoplasMa é centrifugado a 150. g. O que sobra coMo fluido sobrenadante é o citosol, solução aquosa altamente concentrada que contéM enziMas e as Moléculas de RNA que as codificam; centenas de
Moléculas orgânicas pequenas chamadas de Metabólitos, interMediários eM rotas biossintéticas e degradativas; coenziMas, coMpostos
- As evidências disponíveis sugereM que Bacteria e Archaea divergiram cedo na evolução.
- As células de bactérias e de arqueias contêM citosol, nucleoide e plasMídeos, todos contidos dentro de uM envelope celular. Subgrupos em Bacteria e Archea: ➪Aeróbios: CoM supriMento abundante de oxigênio, alguns organisMos obtêM energia pela transferência de elétrons das Moléculas de coMbustível para o oxigênio dentro da célula. ➪Anaeróbios: Praticamente desprovidos de oxigênio, obtêM energia pela transferência de elétrons para nitrato (forMando N2 ), sulfato (forMando H2S) ou CO2 (forMando CH4 ). Muitos organisMos que evoluíram eM ambientes anaeróbios são anaeróbios obrigatórios: MorreM quando expostos ao oxigênio. Outros são anaeróbios facultativos, capazes de viver coM ou seM oxigênio. Fontes de Energia ➪Fototróficos: Luz solar ➪QuiMiotróficos: Oxidação de uM coMbustível químico Os fototróficos e os quiMiotróficos podeM ser subdivididos ainda mais ➪Autotróficos: Os que podeM sintetizar todas as suas bioMoléculas diretamente do CO2.
➪Heterotróficos: Os que requereM nutrientes orgânicos previamente forMados por outros organisMos. Organelas ➪Mitocôndria: O sítio da maior parte das reações extratoras de energia da célula. ContêM enziMas oxidativas. ➪Retículo endoplasMático e Aparelho de Golgi: DeseMpenham papéis centrais na síntese e processamento de lipídeos e proteínas de MeMbrana. Métodos para separar as organelas do citosol e elas entre si: Christian de Duve e George Palade desenvolveram o Método onde 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. ➪PeroxissoMos: Onde ácidos graxos de cadeia beM longa são oxidados. ➪LisossoMos: Preenchidos coM enziMas digestivas para degradar os restos celulares não necessários. ContêM enziMas degradativas. Em Células Vegetais: ➪Vacúolos: AcuMulam grandes quantidades de ácidos orgânicos; ➪Cloroplastos: Nos quais a luz solar realiza a síntese de ATP no processo. ContêM pigMentos fotossintéticos. No citoplasMa de Muitas células estão presentes tambéM grânulos ou gotículas contendo nutrientes arMazenados, coMo amido e gordura. Citoesqueleto ➪A Microscopia de fluorescência revela vários tipos de filamentos proteicos atravessando a célula eucariótica eM várias direções, forMando uMa rede tridiMensional interligada. ➪As organelas se MoveM pelo citoplasMa ao longo de filamentos proteicos, e seu MoviMento é iMpulsionado por proteínas Motoras dependentes de energia. ➪O sisteMa de endoMeMbranas segrega processos Metabólicos específicos e provê superfícies sobre as quais ocorreM reações catalisadas por enziMas. A exocitose e a endocitose, MecanisMos de transporte, para
Estudos in vitro podeM oMitir interações iMportantes entre Moléculas: Os coMponentes “interferentes” eliMinados na purificação podeM ser cruciais para a função biológica ou para a regulação da molécula purificada.
Fundamentos Químicos
➪99% da Massa das Células: C, H, O, e N. Carbono ➪BioMoléculas são coMpostos de carbono coM uMa grande variedade de grupos funcionais; O Carbono pode produzi-las devido a sua versatilidade de ligação. ➪Contribui coM Mais da metade do peso seco das células MacroMoléculas ➪Proteínas e ácidos nucleicos são polímeros lineares feitos de subunidades MonoMéricas siMples; suas sequências contêM as inforMações que forneceM a cada molécula sua estrutura tridiMensional e suas funções biológicas. ➪Dadas as sequências características de suas subunidades, ricas eM inforMação, as proteínas e os ácidos nucleicos são Muitas vezes referidos coMo MacroMoléculas inforMacionais, alguns oligossacarídeos tambéM podeM ser.
Estrutura ➪A configuração Molecular pode ser alterada soMente Mediante quebra de ligações covalentes. Para uM átoMo de carbono coM quatro substituintes diferentes (carbono quiral), os grupos substituintes podeM ser arranjados eM duas diferentes forMas, gerando estereoisôMeros coM propriedades distintas. ➪SoMente uM dos estereoisôMeros é biologicamente ativo. ➪EstereoisôMeros: Moléculas coM as MesMas ligações químicas e MesMa fórMula Molecular, Mas coM diferentes configurações ➪A conforMação Molecular é a disposição dos átoMos no espaço que pode ser Mudada por rotação eM torno de ligações siMples, seM quebrar ligações covalentes. Estereoquímica ➪Quando bioMoléculas interageM, o “encaixe” entre elas teM de ser estereoquiMicamente correto, a estrutura tridiMensional de bioMoléculas é de MáxiMa iMportância nas suas interações biológicas. ➪Estereoespecificidade: A capacidade de distinguir entre estereoisôMeros, é uMa propriedade das enziMas e de outras proteínas, sendo uM aspecto característico da lógica molecular das células vivas.
EnziMas ➪Muitas reações celulares ocorreM a velocidades apropriadas soMente porque as enziMas estão presentes para catalisá-las. A atividade catalítica das enziMas nas células é regulada. ➪A Modificação das ligações existentes para criar uM estado de transição que teM energia livre Maior que a dos reagentes ou produtos. ➪O ponto Mais alto no diagrama da coordenada de reação representa o estado de transição, e a diferença de energia entre o reagente no seu estado fundamental e eM seu estado de transição consiste na energia de ativação. ➪As enziMas atuam eM parte pela estabilização do estado de transição, reduzindo a energia de ativação, ΔG ‡ , e auMentando a velocidade de reação eM várias ordens de grandeza. MetabolisMo ➪O conjunto de redes de rotas catalisadas por enziMas, tanto as catabólicas quanto as anabólicas, constitueM o MetabolisMo celular. ➪MetabolisMo é a soMa de Muitas sequências de reações interconectadas que interconverteM Metabólitos celulares. O MetabolisMo é regulado para obter equilíbrio e econoMia. ➪Cada sequência é regulada para suprir o que a célula precisa eM uM dado MoMento e para gastar energia soMente quando necessário.
Fundamentos Genéticos
➪A inforMação genética é codificada na sequência linear de quatro tipos de desoxirribonucleotídeos no DNA. ➪A dupla-hélice da molécula de DNA contéM uM Molde interno para sua própria replicação e reparo. ➪Moléculas de DNA são extreMamente grandes, coM Massas Moleculares de Milhões ou bilhões. Apesar do tamanho enorMe do DNA, a sequência de nucleotídeos nela é Muito precisa, e a manutenção dessa precisão no decorrer de períodos beM longos de teMpo é a base da continuidade genética dos organisMos. ➪A sequência linear de aminoácidos eM uMa proteína, que está codificada no DNA do gene dessa proteína, produz a estrutura tridiMensional específica da proteína – processo que tambéM depende das condições ambientais. ➪MacroMoléculas individuais coM afinidade específica por outras MacroMoléculas têM a capacidade de autoorganização eM coMplexos supramoleculares por Meio de uMa série de pequenas Mudanças (Mutações), cada uMa conferindo uMa vantageM seletiva.
Fundamentos Evolutivos
➪OcasionalMente, Mutações herdadas geram organisMos Mais beM adaptados para sobreviver e, coM a reprodução eM uM dado nicho ecológico, os seus descendentes passam a predoMinar na população desse nicho. O grande núMero de genes coMpartilhados por todos os seres vivos explica suas seMelhanças fundamentais. ➪A vida surgiu há cerca de 3,5 bilhões de anos, Mais provavelMente coM a forMação de uM coMpartiMento fechado por MeMbrana contendo uMa molécula de RNA autorreplicante. ➪Os papéis catalíticos e genéticos exercidos pelos priMeiros genoMas de RNA foram ao longo do teMpo sendo realizados por proteínas e DNA, respectivamente. ➪Células eucarióticas adquiriram a capacidade de proMover a fotossíntese e a fosforilação oxidativa a partir de bactérias endossiMbióticas. EM organisMos multicelulares, alguns tipos de células diferenciadas se especializaram eM uMa ou Mais funções essenciais para a sobrevivência do organisMo.
