Currículo dos Professores de Bioquímica Estrutural

Autores Profa Enny Fernandes Silva Profa Maristela Tsujita Prof Francisco Sandro M Rodrigues Colaboradores Prof Juliano Rodrigo Guerreiro Profa Laura Cristina da Cruz Dominiciano Bioquímica Estrutural Professores conteudistas Enny Fernandes Silva Maristela Tsujita Francisco Sandro M Rodrigues Enny Fernandes Silva Graduada em Ciências Biológicas modalidade médica pela Universidade de Santo Amaro 1981 mestre em Bioquímica na área de biologia celular e molecular pela Universidade de São Paulo USP1989 especialista em clonagem em Bacillus subtillis pelo Public Heath Department of the City of New York 1982 e doutora em Bioquímica na área de biologia celular e molecular pela USP 2003 Iniciou seu pósdoutorado na Faculdade de Medicina da USP na área de adesão celular Foi chefe do Departamento de Engenharia Química na Fundação Armando Alvares Penteado FAAP 19942000 onde também ministrou a disciplina de Bioquímica das Fermentações para Engenharia Química e Meio Ambiente para Engenharia Civil Engenharia Mecânica Engenharia Mecatrônica Engenharia Metalúrgica Engenharia Elétrica Engenharia Eletrotécnica e Engenharia Química Foi também professora do Instituto de Pesquisa e Educação em Saúde de São Paulo Ipesp de Bioquímica Básica e Clínica Desde 1990 é professora da Universidade Paulista UNIP de Bioquímica Estrutural Bioquímica Metabólica Bioquímica Clínica Físicoquímica Enzimologia Patologia Biotecnologia e Ciências do Ambiente Saneamento É responsável pela disciplina de Bioquímica do curso de Especialização em Análises Clínicas da Faculdade de Medicina de São José do Rio Preto Famerp Além disso é coordenadora do curso de Biomedicina do Campus Cidade Universitária da UNIP Maristela Tsujita Graduada em Farmácia pela USP 1999 doutora 2016 e mestre 2004 em Análises Clínicas pela mesma instituição Trabalhou no laboratório de imunopatologia da Fundação PróSangue Hemocentro de São Paulo onde atuou no diagnóstico de neoplasias hematológicas por citometria de fluxo e no banco de sangue do Hospital Sírio Libanês como supervisora do laboratório de criopreservação de célulastronco para transplante de medula óssea É professora de disciplinas dos cursos de Biomedicina Enfermagem Farmácia e Nutrição na UNIP Além disso é docente da disciplina Hematologia Clínica do curso de Especialização em Análises Clínicas da Famerp Francisco Sandro M Rodrigues Graduado em FarmáciaBioquímica pela Universidade Bandeirante de São Paulo Uniban e em Química pela UNIP É especialista em Farmacologia Clínica pela Universidade Católica de Santos UniSantos e em Docência do Ensino Superior pela Universidade Anhanguera de São Paulo Unian e mestre doutor e pósdoutor em Farmacologia pela Escola Paulista de Medicina da Universidade Federal de São Paulo EPMUnifesp É também pósdoutorando do Departamento de Neurologia e Neurocirurgia na disciplina Neurociências na EPMUnifesp Atua como pesquisador colaborador no Laboratório de Farmacologia Autonômica e Cardiovascular da EPMUnifesp na área de farmacologia com ênfase em farmacologia molecular e celular principalmente nos seguintes temas sistema nervoso autônomo interação cálcioAMP cíclico via extracelular AMP cíclicoadenosina morte celular e estresse oxidativo causados por isquemia e reperfusão cardíaca entre outros É também professor das disciplinas Bioquímica e Farmacologia nos cursos de Farmácia e Biomedicina da UNIP Todos os direitos reservados Nenhuma parte desta obra pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma eou quaisquer meios eletrônico incluindo fotocópia e gravação ou arquivada em qualquer sistema ou banco de dados sem permissão escrita da Universidade Paulista Dados Internacionais de Catalogação na Publicação CIP S586b Silva Enny Fernandes Bioquímica Estrutural Enny Fernandes Silva Maristela Tsujita Francisco Sandro M Rodrigues São Paulo Editora Sol 2020 112 p il Nota este volume está publicado nos Cadernos de Estudos e Pesquisas da UNIP Série Didática ISSN 15179230 1 Proteínas 2 Carboidratos 3 Ácidos nucleicos I Tsujita Maristela II Rodrigues Francisco Sandro M III Título CDU 340 U50427 20 Prof Dr João Carlos Di Genio Reitor Prof Fábio Romeu de Carvalho ViceReitor de Planejamento Administração e Finanças Profa Melânia Dalla Torre ViceReitora de Unidades Universitárias Prof Dr Yugo Okida ViceReitor de PósGraduação e Pesquisa Profa Dra Marília AnconaLopez ViceReitora de Graduação Unip Interativa EaD Profa Elisabete Brihy Prof Marcelo Souza Prof Dr Luiz Felipe Scabar Prof Ivan Daliberto Frugoli Material Didático EaD Comissão editorial Dra Angélica L Carlini UNIP Dra Divane Alves da Silva UNIP Dr Ivan Dias da Motta CESUMAR Dra Kátia Mosorov Alonso UFMT Dra Valéria de Carvalho UNIP Apoio Profa Cláudia Regina Baptista EaD Profa Betisa Malaman Comissão de Qualificação e Avaliação de Cursos Projeto gráfico Prof Alexandre Ponzetto Revisão Juliana Muscovick Bruna Baldez Sumário Bioquímica Estrutural APRESENTAÇÃO 7 INTRODUÇÃO 7 Unidade I 1 ÁGUA 9 11 Aspectos químicos e biológicos da molécula de água 9 12 Ionização da molécula de água e valores de pH 12 13 Escala de pH e sistema tampão 14 2 ACIDOSE E ALCALOSE RESPIRATÓRIA E METABÓLICA 16 21 Acidose metabólica 16 22 Acidose respiratória 17 23 Alcalose metabólica 17 24 Alcalose respiratória 18 3 AMINOÁCIDOS 19 31 Titulação 24 32 Classificação 26 321 Destino da cadeia carbônica 26 322 Necessidade na dieta 27 323 Radical R 29 4 PROTEÍNAS 31 41 Níveis estruturais das proteínas 32 411 Estrutura primária 32 412 Estrutura secundária 33 413 Colágeno 34 414 Estrutura terciária 36 415 Estrutura quaternária 36 42 Classificação das proteínas 40 43 Separação de proteínas 40 431 Tamanho molecular 40 432 Solubilidade 41 433 Carga 42 Unidade II 5 LIPÍDEOS 46 51 Ácidos graxos 48 511 Classificação dos ácidos graxos 49 512 Reações com ácidos graxos 53 513 Classificação 56 6 COLESTEROL 59 61 Fontes na dieta 60 62 Função61 621 Tipos 64 63 Riscos da hipercolesterolemia 66 64 Sintomas diagnóstico e tratamento da hipercolesterolemia 66 Unidade III 7 CARBOIDRATOS 71 71 Função71 72 Estrutura 71 73 Classificação 72 74 Monossacarídeos 73 741 Cetoses e aldoses 73 742 Isomeria óptica 74 743 Estrutura cíclica 78 75 Oligossacarídeos 80 76 Polissacarídeos 84 8 ÁCIDOS NUCLEICOS 85 81 Introdução 85 82 Função86 83 Estrutura do DNA 90 831 Acondicionamento do DNA 92 84 Estrutura do RNA 93 7 APRESENTAÇÃO A palavra bioquímica vem do grego bio significa vida nesse caso nas células e química pode ser considerada uma ciência exata que estuda a composição a estrutura e as propriedades da matéria e as reações entre as substâncias se liberam ou consomem energia Ou seja este livrotexto trata sobre o entendimento da química da vida Já o uso do termo estrutural se deve ao fato de se querer dar enfoque de como e se estão ligados os átomos por exemplo o carbono o hidrogênio o oxigênio o nitrogênio o fósforo e o enxofre Se fosse bioquímica metabólica a ênfase recairia nas reações que podem ocorrer nas células e suas implicações Reconhecer que a bioquímica é base para o entendimento de muitos outros assuntos da área é vital para que o aluno encare o desafio de entender fórmulas químicas moleculares e estruturais Esta obra foi elaborada com uma linguagem simplificada para o processo de Ensino a Distância EaD e apresenta uma série de informações e condições especiais de aprendizado para que o aluno possa aprimorar conhecimentos sobre o tema A divisão da obra se deu de tal forma que o entendimento seja mais rápido e eficaz levando em consideração as peculiaridades das famílias das estruturas bioquímicas A água existente dentro e fora das células no corpo humano possibilita que ocorram reações importantes pois funciona como meio de transporte para todas as substâncias presentes Por isso é a primeira molécula escolhida para ser estudada além de suas correlações Em seguida são apresentadas todas as outras moléculas que compõem as células Após a leitura deste livrotexto o futuro profissional terá embasamento técnico e científico para entender as mais importantes substâncias químicas presentes em nosso corpo e em outros animais vegetais bactérias e vírus Se as reações do corpo que utilizam essas moléculas bioquímicas ocorrem corretamente o organismo em questão sobrevive e tem seu papel na cadeia biológica Caso haja desarmonia surgem doenças que devem ser detectadas tratadas e prevenidas para que não retornem no futuro ou apareçam em outras pessoas ou animaisvegetais INTRODUÇÃO As áreas da saúde e as que trabalham com reações químicas dentro de algum organismo vivo necessitam do conhecimento da bioquímica que estuda as reações químicas e biológicas dos organismos vivos Antes de se conhecer o que era bioquímica há aproximadamente 4000 aC os egípcios aprimoraram a técnica de fermentação de alimentos resultando na criação do pão fruto de reações bioquímicas em leveduras Há quem acredite que Noé tenha produzido o primeiro vinho do mundo provavelmente por acaso quando uvas amassadas esquecidas em um recipiente sofreram fermentação por leveduras que estavam na casca da fruta Mas foi somente em 3000 a 1000 aC que os egípcios registraram em documentos sua produção exportando o vinho e a tecnologia para outros locais como Grécia Fenícia Babilônia etc Sobre a cerveja produto de fermentação de cereais por leveduras há relatos de sua existência há aproximadamente 9000 anos na Mesopotâmia onde os sumérios passaram a cultivar e a se alimentar de grãos 8 No século XIX começaram relatos sobre a bioquímica quando era chamada de química fisiológica A palavra bioquímica pode ter sido usada pela primeira vez em 1882 sendo formalizada em 1903 por Carl Neuberg químico alemão considerado o pai da bioquímica As reações bioquímicas intermediárias nas células vivas o metabolismo levam em consideração todas as substâncias abordadas neste livrotexto A síntese de estruturas moleculares complexas a partir de moléculas simples recebe o nome de anabolismo enquanto a degradação das moléculas complexas para gerar moléculas com estruturas mais simples chamase catabolismo Para que ocorram reações celulares são necessárias substâncias inorgânicas água e sais minerais ou orgânicas carboidratos lipídeos proteínas vitaminas e ácidos nucleicos A bioquímica é extremamente importante para empresas de diversas áreas como farmacêutica síntese de fármacos e outros componentes relacionados médica diagnóstico e tratamentos agrícola melhora da saúde e desenvolvimento das plantas para crescimento alimentícia fermentação de bebidas alcoólicas leite e derivados cosmética produtos de beleza e higiene e tecnológica produção de compósitos sustentáveis de origem renovável Para que esses processos fossem descobertos e utilizados nas indústrias foi necessária uma pesquisa básica em laboratórios nos quais essa ciência multidisciplinar teve grande avanço tecnológico e científico 9 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL Unidade I 1 ÁGUA 11 Aspectos químicos e biológicos da molécula de água Sob o ponto de vista da bioquímica diversas substâncias químicas são de suma importância para que haja a manutenção do estado de equilíbrio dinâmico homeostasia assim como da própria existência de vida nos indivíduos Entre essas substâncias podese destacar as biomoléculas sintetizadas pelo organismo por exemplo carboidratos proteínas e lipídeos e as que não são sintetizadas pelo organismo por exemplo as vitaminas os sais minerais e a água que devem ser obtidas obrigatoriamente por meio da alimentação ou suplementação A água é de fundamental importância para a sobrevivência dos seres vivos e nos seres humanos constitui aproximadamente de 60 a 70 da massa corporal como mostra a figura a seguir Figura 1 A importância da água Um homem adulto que pesa 80 quilos contém cerca de 56 quilos ou litros de água 70 na média que equivalem a 56 garrafas de água de 1 litro Se se perde cerca de 1 a 5 de água ocorre a sensação de sede pulso acelerado e fraqueza de 6 a 10 dor de cabeça fala confusa e visão turva de 11 a 12 delírio língua inchada e até mesmo a morte A água é uma substância inorgânica essencial para as células do organismo humano devido ao fato de atuar como meio físico para que as reações bioquímicas possam ocorrer como também participar de inúmeras reações químicas chamadas de hidrólise catalisadas por enzimas denominadas hidrolases cuja função é quebrar ligações químicas por meio da entrada da molécula de água Sob o ponto de vista estrutural a fórmula molecular da água é H2O sua fórmula estrutural apresenta dois átomos de hidrogênio ligados por meio de ligações covalentes figura a seguir ao oxigênio As ligações covalentes são ligações químicas fortes formadas a partir do compartilhamento de elétrons entre os átomos que 10 Unidade I trazem estabilidade aos átomos fato que ocorre no caso do átomo hidrogênio quando chega mais 1 elétron ao átomo totalizando 2 elétrons 1 do hidrogênio e 1 de outro átomo ou 8 elétrons no caso do átomo de oxigênio que tem 6 elétrons na última camada ou camada de valência e compartilha 2 do hidrogênio totalizando 8 elétrons H O H Figura 2 Fórmula estrutural da água H2O que fornece o número e como os átomos estão ligados entre si Sob o ponto de vista bioquímico na desidratação condição grave que quando não tratada pode levar ao coma e ser fatal o indivíduo apresenta várias alterações causadas pela perda de água e por vezes sais minerais por parte do organismo Essa perda pode ocorrer por diversas vias entre as quais podese destacar as vias cutânea gastrintestinal renal e respiratória Tem como possíveis causas a ingestão insuficiente de líquidos vômitos diarreias febres excesso de urina ou de suor e grandes queimaduras A desidratação pode acarretar diversas doenças renais como a insuficiência renal e a litíase renal além da diminuição do fluxo sanguíneo para o cérebro causando confusão mental É muito perigosa para as crianças especialmente recémnascidos e lactentes e para os idosos Saiba mais Para saber mais sobre a relação entre água e insuficiência renal leia NUNES T F et al Insuficiência renal aguda Medicina Ribeirão Preto v 43 n 3 2010 A quebra da ligação covalente envolvendo os átomos oxigênio e hidrogênio requer tanta energia que só pode ser alcançada a partir do fornecimento de uma energia de dissociação de ligação equivalente a 470 kJ por mol valor extremamente alto A molécula de água possui um caráter polar uma vez que o oxigênio é mais eletronegativo por pertencer à família 16 da tabela periódica família dos calcogênios ou chalcogênios pois o átomo de oxigênio possui 6 elétrons na camada de valência última camada de distribuição eletrônica Quando o hidrogênio fica próximo a uma molécula que contém elemento químico muito eletronegativo átomo que atrai elétrons como flúor oxigênio e nitrogênio ocorrem ligações de uma molécula com outra por intervenção do hidrogênio Essa interação intermolecular pode ser chamada também de ligação de hidrogênio ou ponte de hidrogênio As pontes de hidrogênio são realizadas sempre entre o hidrogênio e um dos átomos mais eletronegativos como flúor oxigênio e nitrogênio por isso essa interação pode ser chamada de intermolecular e não intramolecular 11 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL No caso da água o oxigênio atrai elétrons do hidrogênio da sua própria molécula ficando parcialmente carregado negativamente ou com um dipolo negativo pois os elétrons do hidrogênio estão bem mais perto do oxigênio os elétrons não foram arrancados só estão bem deslocados Já o hidrogênio tem seu elétron afastado para ficar mais próximo do oxigênio ficando uma extremidade positiva ou dipolo positivo Podemos assim caracterizar a água como uma molécula polar tem 2 polos ou dipolos O hidrogênio está com dipolo positivo que se aproxima do dipolo negativo de outra molécula de água formando uma ligação secundária chamada de ponte de hidrogênio como mostra a figura a seguir Ligações de hidrogênio H H H H H H H H H H H H H H H H H H O O O O O O O O O Figura 3 Esquema de pontes de hidrogênio entre moléculas de água Uma consequência das pontes de hidrogênio que existem na água é que as moléculas ficam tão atraídas umas pelas outras que criam uma película parecida com uma película elástica na superfície da água Essa propriedade se chama tensão superficial A tensão superficial explica alguns fenômenos por exemplo o fato de colocar uma agulha sobre a água e ela não afundar alguns insetos caminharem sobre a água e a forma esférica das gotas de água em cima de uma superfície como mostram as figuras a seguir Figura 4 A agulha permanece na superfície quando é colocada lentamente sobre a água 12 Unidade I Figura 5 Inseto pousado sobre a água mostrando que não consegue romper a camada de tensão superficial Figura 6 Gota de água formada por moléculas fortemente unidas por pontes de hidrogênio A utilização do termo pontes de hidrogênio para se referir às ligações de hidrogênio entre moléculas vizinhas no entanto é incorreta sob o ponto de vista técnico uma vez que a União Internacional de Química Pura e Aplicada Lupac sigla em inglês recomenda o uso do termo ligação de hidrogênio Embora as ligações de hidrogênio sejam consideradas ligações fracas quando comparadas às ligações covalentes elas mantêm estruturas tridimensionais de várias biomoléculas por exemplo as proteínas Além disso as ligações de hidrogênio são responsáveis pelos elevados pontos de fusão temperatura em que a água passa do estado sólido para o líquido e de ebulição da água temperatura em que a água passa do estado líquido para o estado físico gasoso quando comparadas aos demais solventes comuns 12 Ionização da molécula de água e valores de pH De acordo com a química por ter polos a água é uma substância polar Substâncias polares dissolvem substâncias polares e apolares as apolares Bioquimicamente as ligações de hidrogênio ou pontes de hidrogênio são muito importantes por possibilitar à água o seu uso como solvente por exemplo na dissolução de carboidratos devido ao fato de formar ligações de hidrogênio uma vez que essas substâncias possuem uma grande quantidade de grupos hidroxila OH Além disso a água também é capaz de dissolver os sais substâncias químicas formadas a partir de reações químicas entre ácidos e bases por causa da característica polar que tais substâncias apresentam Outras moléculas químicas 13 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL orgânicas também são dissolvidas pela água entre as quais podese destacar os ácidos carboxílicos ionizados os ésteres de fosfato ou anidridos e as aminas ionizadas protonadas Entretanto lipídeos colesterol e certas vitaminas A D E e K têm característica apolar e necessitam ser transportados no sangue com a ajuda de proteínas que se ligam a eles Saiba mais Para entender mais sobre a relação entre polaridade e solubilidade das substâncias leia MARTINS C R LOPES W A ANDRADE J B Solubilidade das substâncias orgânicas Química Nova v 36 n 8 p 12481255 2013 A água é fundamental para as células e o organismo além de também ter outra importante propriedade a capacidade de se ionizar Sua ionização é considerada fraca na temperatura de 25 oC ocorre por meio da separação dos átomos da molécula de água processo que resulta na formação de cátions ou prótons de hidrogênio representado por H átomos de hidrogênio carregados positivamente e ânions hidróxido representados por OH grupo químico carregado negativamente figura a seguir H2O H2O H3O3 OH ou H2O H OH Figura 7 Ionização da molécula da água Lembrete Dissociação é a separação de íons Os compostos iônicos como os sais NaCl em que os átomos estão unidos por ligação iônica se dissociam quando estão na presença da água Já ionização é a formação de íons Os compostos moleculares HCl em que os átomos estão unidos por ligações covalentes por exemplo os ácidos quando são colocados em um solvente como a água formam íons Os prótons livres formados no processo de ionização da água como indicado na equação de ionização da água figura anterior não permanecem em uma solução uma vez que os cátions de hidrogênio formados nesse processo são imediatamente hidratados para a produção de íons hidrônios ou hidroxônios H3O ou seja o H fica no entorno de uma molécula de água ainda não ionizada 14 Unidade I 13 Escala de pH e sistema tampão Por meio de medidas de condutividade elétrica realizadas a constante de equilíbrio Keq da reação de ionização da água figura anterior foi quantificada como 18 x 1014 molL a 25 oC e a concentração de prótons H como 107 molL e de OH como 107 molL A escala de pH é baseada no produto iônico da água e pode ser entendida da seguinte forma para a água neutra a 25 oC o produto de H e de OH é igual a 1 x 1014 molL2 Caso seja feito o cálculo log da concentração de prótons H temse a grandeza chamada de pH e se for feito o mesmo com o OH temse o pOH surgindo a expressão pH pOH 14 Saiba mais Os artigos científicos a seguir descrevem a importância da hidratação para diminuir o risco das ocorrências de insuficiência renal e litíase renal SOUZA T P et al Prevalência de sinais sugestivos de litíase urinária em trabalhadores do serviço de teleatendimento ConScientiae Saúde v 8 n 4 janfev 2009 Disponível em httpswwwredalycorgpdf92992912706015 pdf Acesso em 6 ago 2019 CASSINI V A et al Avaliação dos principais fatores etiológicos em indivíduos portadores de insuficiência renal crônica em hemodiálise ConScientiae Saúde v 9 n 3 setout 2010 Disponível em httpswww redalycorgpdf92992915180017pdf Acesso em 6 ago 2019 A escala de pH varia entre os valores numéricos de 0 e 14 que são obtidos a partir de cálculos envolvendo o valor do produto iônico da água a 25 oC sendo que o de pH igual a 70 é considerado um valor de pH neutro enquanto os de pH maiores que 70 caracterizam um pH básico ou alcalino e os valores de pH menores que 70 caracterizam um pH ácido É importante destacar que ocorrem inúmeras reações químicas no organismo assim como tais reações possuem a capacidade de modificar o pH do meio por isso o organismo possui diversos sistemas que são fundamentais para a manutenção do valor de pH denominado sistema tampão que nada mais é que um sistema para resistir às mudanças bruscas do pH O sistema tampão é constituído por um ácido fraco e sua base conjugada por exemplo H2CO3 ácido carbônico e HCO3 bicarbonato ou uma base fraca e seu par conjugado hidróxido de magnésio MgOH2 e cloreto de magnésio MgCl2 que tem como finalidade promover a manutenção do valor de pH mesmo quando adicionadas a esse meio pequenas quantidades de ácido ou base Sabendo que substâncias podem se dissociar há expressões matemáticas que demostram a constante de dissociação Ka característica para cada substância e quando são colocadas na presença de água e liberam H ou OH ocorre mudança de pH que pode ser determinada por meio da equação de HendersonHasselbalch usada para estimar o pH de uma soluçãotampão que contenha um ácido fraco e sua base fraca com seus conjugados ou estimar a proporção de ácido e base conjugados em um certo pH 15 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL Entre os sistemas tampão encontrados no organismo um deles é formado devido à respiração o sistema constituído pelo ácido carbônico e bicarbonato a base conjugada do ácido carbônico O tampão ácido carbônico bicarbonato é eficiente em pH próximo a 74 e é responsável pela manutenção do pH sanguíneo em valores próximos a 74 735 a 745 Esse sistema é formado a partir da reação do gás carbônico CO2 com água que resulta na produção de ácido carbônico que por sua vez após liberar prótons H se transforma em bicarbonato HCO3 no plasma sanguíneo tampão ácido carbônicobicarbonato Saiba mais O artigo científico a seguir discute tanto a equação de HendersonHasselbach quanto a importância dela para a compreensão e discussão de sistemas tampão PREVIDELLO B A F et al O pKa de indicadores ácidobase e os efeitos coloidal Química Nova São Paulo v 29 n 3 maiojun 2006 O sangue humano é um exemplo de soluçãotampão ou seja possui substâncias com propriedades de tampão Os mecanismos mediados pelas substâncias tampão evitam que o pH sanguíneo sofra grandes alterações pois se houver pode ser fatal Um desses mecanismos ocorre quando o CO2 um produto de várias reações celulares dissolvese no sangue e forma o seguinte equilíbrio químico figura a seguir CO2 aq H2Ol H2CO3aq H aq HCO3 aq Figura 8 Sistema tampão ácido carbônico formado por um ácido fraco que junto com o tampão do ácido fosfórico H2PO4HPO4 2 e algumas proteínas como a albumina são consideradas as mais importantes substâncias tampão presentes no sangue Para entender a importância e a forma pela qual ocorre a manutenção do pH em uma soluçãotampão podese imaginar dois compartimentos unidos um com muita água A e outro não B Caso seja colocada mais água no compartimento cheio A ela é extravasada para o recipiente B Esse processo é semelhante a um equilíbrio químico quando se tem muito de um reagente a reação vai para o lado oposto ou seja se desloca para o lado oposto Quando há aumento de íons H no sangue ocorre um processo chamado acidose pois o pH do sangue apresenta valores abaixo de 735 situação prejudicial às células Como o sangue é uma soluçãotampão e as substâncias tampão participam de um equilíbrio químico as reações ocorrem no sentido de retirar esse íon ou seja quando aumenta a quantidade de íons H de um lado da reação extravasa para o outro E o contrário é verdadeiro também caso se diminua o H a reação tenta contrabalancear ou equilibrar alguma substância que está diminuindo ou faltando mantendo o pH fisiológico que é de 74 005 O diagnóstico é clínico e complementado pela gasometria arterial e dosagem de eletrólitos séricos 16 Unidade I 2 ACIDOSE E ALCALOSE RESPIRATÓRIA E METABÓLICA Caso o sangue não se mantenha em equilíbrio acidobásico com pH aproximadamente 74 entre 735 e 745 podem ocorrer danos graves ao corpo humano ocasionando até a morte Para salvaguardar o corpo há as substâncias tampão dissolvidas no sangue que reagem entre si para tentar neutralizar essas condições chamadas de acidose e alcalose Os mecanismos compensatórios que podem ser pulmonares ou renais ajudam na manutenção desse equilíbrio eliminando por exemplo urina mais ácida ou aumentando a saída de CO2 pelos pulmões 21 Acidose metabólica Se houver aumento de H por conta de metabólitos liberados no sangue substâncias ácidas o sangue ficará mais ácido pois esse íon livre em solução abaixa o pH e essa situação não pode acontecer Nessa situação ocorrem reações na intenção de deslocar equilíbrios químicos presentes no sangue para que a concentração de H volte à normalidade ou seja entre 753745 Entre todos o equilíbrio químico mais importante é o do ácido carbônicobicarbonato figura a seguir CO2 H2O H2CO3 H HCO3 CO2 H2O H2CO3 H HCO3 Figura 9 Esquema das reações do equilíbrio químico do ácido carbônicobicarbonato no sangue quando um reagente no caso H está aumentado O acúmulo de cetoácidos cetoacidose e ácido láctico acidose lática a ingestão excessiva de ácido e as perdas renais ou gastrointestinais de HCO3 são as possíveis causas da acidose metabólica Náuseas vômitos letargia hiperpneia respiração rápida e profunda e em casos extremos desmaio coma e morte são alguns dos sintomas relatados O diagnóstico é clínico e confirmado com a gasometria arterial e os eletrólitos séricos do soro A cetoacidose é caracterizada por substâncias chamadas de corpos cetônicos que são produzidas quando a célula não recebe glicose suficiente para obter energia e optam por usar lipídeos que são quebrados ou clivados liberando ácidos graxos convertidos pelo fígado em cetoácidos como ácido acetoacético e ácido betahidroxibutirico os quais vão para o sangue Essa situação ocorre principalmente em diabéticos descompensados Outra substância liberada no sangue é a acetona que não tem caráter ácido mas é volátil tem a propriedade de se evaporar em temperatura ambiente sendo liberada pelos pulmões deixando hálito cetônico sinal que outros corpos cetônicos estão no sangue e portanto está ocorrendo cetoacidose A acidose lática é caracterizada quando um tecido não está bem irrigado pelo sangue e portanto a oferta de oxigênio é baixa ou nenhuma Nessa situação a célula tem que optar por reações chamadas de fermentação em vez de realizar a respiração para obter energia Na fermentação que ocorre nas células do corpo humano o produto principal é o ácido lático As causas da hipóxia tecidual podem ser um exercício extenuante o câncer o uso de determinadas drogas ou uma doença pulmonar por exemplo 17 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL 22 Acidose respiratória Quando se aumenta a quantidade de CO2 arterial ou a pressão arterial de gás carbônico PaCO2 a reação escapa se desloca para o outro lado aumentando a quantidade de H como mostra a figura a seguir CO2 H2O H2CO3 H HCO3 CO2 H2O H2CO3 H HCO3 Figura 10 Esquema das reações quando um reagente está aumentado no equilíbrio químico Algumas situações principalmente respiratórias são responsáveis pela acidose respiratória como enfisema pulmonar pneumonia bronquite ou asma alterações no sistema nervoso central respiração deficiente ou insuficiente hipoventilação Como a quantidade de CO2 aumenta no sangue o equilíbrio é deslocado para a formação de ácido carbônico e quando esse aumenta a reação é deslocada para a formação de bicarbonato e H diminuindo o pH sanguíneo Entre alguns sintomas podese citar dispneia falta de ar tosse sudorese desmaio taquicardia e convulsões Alcalose é o distúrbio caracterizado pelo aumento do pH sanguíneo para valores superiores a 745 Como se sabe o pH ideal para o melhor funcionamento das células do corpo humano deve ficar entre 735 e 745 Semelhante à acidose a alcalose pode ter causa respiratória ou metabólica O raciocínio de deslocamento de equilíbrio químico abordado na acidose também ocorre na alcalose Os sintomas que podem surgir são cefaleia letargia e excitabilidade neuromuscular tetania e convulsões chegando até a arritmias 23 Alcalose metabólica Ocorre elevação do pH e da concentração de bicarbonato HCO3 no sangue figura adiante Pode ser ocasionada pela ingestão excessiva de álcalis pelo uso de diuréticos ou pela perda de ácidos pelo organismo por exemplo por vômitos prolongados além de retenção renal de HCO3 O indivíduo com alcalose pode apresentar quadros de confusão mental com enjoos náuseas e vômitos muitas vezes acompanhados de tremores espasmos musculares e inchaço no rosto ou nas extremidades Próton é retirado perda de ácido CO2 H2O H2CO3 H HCO3 Figura 11 O H é retirado do equilíbrio químico por exemplo por vômitos prolongados em que grande quantidade de ácido clorídrico sai do estômago Então deve ser reposto pela dissociação do ácido carbônico mas para esse ter sua concentração aumentada devese ter mais CO2 obtido às custas da respiração mais rápida 18 Unidade I 24 Alcalose respiratória É caracterizada pelo aumento do pH e por níveis baixos de dióxido de carbono diminuição da pCO2 no sangue Uma das principais causas é uma hiperventilação pulmonar frequência respiratória aumentada A altitude ou a situação em que o indivíduo respira mais rapidamente como nos quadros de ansiedade febre alta estresse ou transtornos psicológicos é chamada de respiração ofegante quando os pulmões eliminam muito gás carbônico Como resultado a concentração de CO2 no sangue cai e consequentemente os níveis de ácido carbônico também diminuem levando à alcalose figura a seguir CO2 H2O H2CO3 H HCO3 Figura 12 Uma pessoa com crise de ansiedade respira muito rápido expulsando o gás carbônico deixando esse lado do equilíbrio com pouco reagente Assim ocorre a junção do bicarbonato com o hidrogênio aumentando o pH pois terá menos H livre se transformando em ácido carbônico que se separa em água e gás carbônico Observação A alcalose respiratória pode ser sentida em alpinistas quando eles atingem altitudes muito elevadas Como chegam em locais com pressão atmosférica menor a baixa pressão parcial do oxigênio pO2 aumenta a saída de CO2 pois ocorre uma respiração rápida e ofegante podendo ocorrer entorpecimento rigidez muscular e convulsões Para diagnosticar as disfunções metabólicas é realizado um teste chamado de gasometria Tal exame utiliza sangue arterial artéria radial femoral ou braquial geralmente que é colocado em um aparelho gasômetro que medirá pH pCO2 pressão de CO2 pO2 pressão de O2 concentração de bicarbonato HCO3 e quantidade de bases no sangue excesso ou déficit e SatO2 que se refere ao conteúdo de oxigênio que satura a hemácia Alguns eletrólitos como sódio potássio cálcio iônico e cloreto podem ser analisados também Os parâmetros avaliados na gasometria arterial apresentam os valores de referência pH 735 a 745 pO2 pressão parcial de oxigênio 80 a 100 mmHg pCO2 pressão parcial de gás carbônico 35 a 45 mmHg HCO3 22 a 28 mEqL e SaO2 saturação de oxigênio arterial maior que 95 Para cada condição temse parâmetros particulares como acidose pH abaixo de 735 alcalose pH acima de 745 etc Saiba mais Para saber mais sobre o equilíbrio hidroeletrolítico e o equilíbrio acidobásico leia ÉVORA P R et al Distúrbios do equilíbrio hidroeletrolítico e do equilíbrio acidobásico uma revisão prática Medicina Ribeirão Preto v 32 n 4 p 451469 outdez 1999 19 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL 3 AMINOÁCIDOS Para entender uma das mais importantes substâncias que a bioquímica estuda as proteínas devese estudar os aminoácidos que são os monômeros de um polímero chamado proteína figura a seguir Esses por si só também apresentam outras funções que não a de somente formadores dessas importantes substâncias Polímero Monômero Figura 13 Esquema de monômero e polímero Entre as várias funções das proteínas podese citar a função de Enzimas catalisadores biológicos de alta especificidade pois existem muitas reações diferentes e cada uma tem uma enzima apropriada deixando essa reação bem mais rápida Dessa forma seus produtos são liberados mais rapidamente também para serem substratos reagentes de outras reações Hormonal entre vários exemplos podese citar a insulina e o glucagon hormônios produzidos no pâncreas mais precisamente nas ilhotas de Langerhans A insulina figura a seguir apresenta duas cadeias de aminoácidos uma com 21 e outra com 30 aminoácidos ligadas por ligações de dissulfeto SS com a função de diminuir a quantidade de glicose no sangue gerar hipoglicemia pois está relacionada com a entrada da glicose nas células O glucagon possui uma cadeia com 29 aminoácidos e tem como função aumentar o nível de glicose no sangue hiperglicemia S S HGlyIleValGluGlnCysCysAlaSerValCysSerLeuTyrGlnLeuGluAsnTyrCysAsnOH S S HPheValAsnGlnHisLeuCysGlySerHisLeuValGluAlaLeuTyrLeuValCysGlyGluArg Gly Phe HOAlaLysProThrTyrPhe S S Figura 14 Estrutura química da insulina com duas cadeias ligadas por pontes dissulfeto Estrutural leva a sustentação o suporte e a resistência dos tecidos dos organismos por exemplo as proteínas elastina que atua na estrutura da pele queratina que atua na estrutura dos pelos unhas e cabelos e colágeno importante para a estrutura das cartilagens e dos tendões 20 Unidade I Defesa ocorre quando aparece uma substância chamada de antígeno algo que o ser vivo entende como não sendo seu e pode ser uma ameaça Por exemplo bactérias vírus fungos helminto toxinas ou alguma molécula de algum alimento e grãos de pólen quando entram em contato com o organismo esse categoriza como um perigo então são fabricados anticorpos proteínas que vão atacar tais antígenos Os anticorpos podem ser chamados de imunoglobulinas Ig e são proteínas que estão ligadas a carboidratos glicoproteínas Coagulação para que não haja perda de sangue no caso de um corte reações com várias proteínas de coagulação são ativadas ocorrendo a formação de um trombo Entre as várias proteínas de coagulação sanguínea podese citar o fibrinogênio e a trombina O fibrinogênio é sintetizado no fígado e se converte em fibrina pela ação da trombina As deficiências dessas glicoproteínas podem levar a hemorragias Armazenamento a proteína albumina que nos animais é sintetizada no fígado é liberada no sangue Ela tem muitas funções entre elas a de manter a pressão osmótica no sangue e o equilíbrio ácidobase transportar hormônios bilirrubina e fármacos Podese encontrar essa proteína também no leite lactoalbumina e nos ovos ovoalbumina Ela contém nove dos aminoácidos que os animais não sintetizam aminoácidos essenciais No ovo a albumina ou clara é fonte de nutrição para o embrião e a albumina do leite juntamente com a caseína são importantes proteínas para o neonato Nas plantas ocorre o aparecimento de outras proteínas que são armazenadas nas sementes e servem como nutriente necessário para a germinação Receptores de membrana ou citoplasmáticos proteínas que se ligam a substâncias sinalizadoras como gases o óxido nítrico ou até mesmo estímulos como a luz Ao se ligarem com as proteínas receptoras iniciam reações que culminam em uma resposta celular por exemplo morte diferenciação e divisão Moléculas sinalizadoras substâncias cuja função é ativar ou inibir determinadas reações após se ligarem aos receptores Exemplos dessas moléculas reguladoras são os hormônios por exemplo insulina e glucagon que possuem função antagônica no metabolismo da glicose e ações em outras vias também Podese ainda citar as enzimas como as quinases ou GTPases que com seu aumento ou diminuição podem promover um descontrole celular levando a vários tipos de doenças incluindo o câncer Movimento contratilidade para que uma fibra muscular faça a contração várias proteínas são recrutadas principalmente a actina e a miosina que deslizam uma sobre a outra nas miofibrilas provocando o encurtamento da fibra muscular ou seja ocorre contração Transporte as proteínas podem transportar várias substâncias no corpo de um animal Entre elas está a hemoglobina proteína complexa composta de quatro cadeias de globina cada uma ligada ao heme responsável pelo transporte de oxigênio dos pulmões para os tecidos podendo ser encontrada nos glóbulos vermelhos A mioglobina é composta por heme e globina tendo a função de transportar oxigênio intracelularmente nos tecidos musculares além de estocar 21 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL oxigênio nesses tecidos A albumina transporta várias substâncias desde hormônios bilirrubina e ácidos graxos até mesmo medicamentos além de proteínas que fazem transporte de outras substâncias para dentro da célula como a proteína glut que transporta a glicose para o interior de algumas células Toxinas são substâncias que podem provocar reações maléficas em outros organismos Consideradas proteínas venenosas são produzidas por certos organismos vivos como bactérias insetos plantas e répteis e têm como função proteção ou defesa No entanto quando penetram em outros animais podem ser letais como por exemplo a toxina botulínica a toxina do tétano e até mesmo a produzida em caracóis marinhos como a conotoxina Citocinas são proteínas ligadas ao sistema imune ou sistema imunológico como a interferon e as interleucinas e têm como função defender o organismo contra agentes invasores antígenos como vírus bactérias fungos protozoários ou parasitas o que inicia por exemplo respostas inflamatórias As proteínas são compostas de aminoácidos que se ligam por ligações peptídicas dobrandose por cima de si mesmas e formando uma complexa forma com características singulares Para entender melhor as proteínas sugerese começar com os formadores delas os aminoácidos Existem muitos aminoácidos na natureza já foram descritos cerca de trezentos porém aqui serão estudados vinte deles pois estão na composição das proteínas dos animais Como o próprio nome diz essas substâncias figura a seguir são formadas de um grupamento amino NH2 e outro ácido COOH Esses dois agrupamentos estão ligados a um carbono que como apresenta a possibilidade de fazer quatro ligações faz também ligação com um átomo de hidrogênio H sendo que a última ligação pode ser desde outro hidrogênio até cadeias mais complexas com outros átomos às quais dáse o nome de radical R como mostra a figura a seguir H C R C O OH NH2 Figura 15 Estrutura dos aminoácidos 22 Unidade I C NH2 C O COOH OH H COOH SH αC αC αC αC αC αC αC αC αC αC αC αC H3N H3N H2N H3N H3N H3N H3N H H H H H H Arginina Arg R Lisina Lys K Prolina Pro P Glicina Gly G Alanina Ala A Histidina His H Serina Ser S CH23 CH24 CH2 H2C H CH3 CH2 CH2 HN OH N CH2 CH2 C CH2 CH2 NH NH2 H2 C CH2 CH2 CH3 NH2 NH2 H H H H H H3N H3N H3N H3N H3N Glutamina Gln Q Ácido glutâmico Glu E Treonina Thr T Ácido aspártico Asp D Cisteína Cys C C O O θ C O O θ αC H3N H Metionina Met M CH2 CH2 CH3 S C O O θ αC αC αC αC H3N H3N H3N H3N H H H H Leucina Leu L Valina Val V Asparagina Asn N Isoleucina Ile I CH2 CH2 HCCH3 CH CH C O CH3 CH3 NH2 CH3 CH2 CH3 CH3 C O O θ C O O θ C O O θ C O O θ C O O θ C O O θ C O O θ C O O θ C O O θ C O O θ C O O θ C O O θ C O O θ C O O θ CH2 CH2 OH H H Fenilalanina Phe F Tirosina Tyr Y Triptófano Trp W αC αC H3N H3N C O O θ C O O θ αC H3N CH2 N H H C O O θ Aminoácidos não polares ou hidrofóbicos Aminoácidos com carga negativa Aminoácidos polares sem carga Aminoácidos com carga positiva Figura 16 Estrutura dos aminoácidos encontrados nas proteínas Os aminoácidos apresentam solubilidade variável em água e têm atividade óptica poder de girar a luz polarizada para a esquerda ou a direita por apresentarem carbono assimétrico em geral na forma levogira O aminoácido tem um carbono especial chamado de carbono quiral ou quirálico figura a 23 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL seguir que pode mudar o trajeto da luz ou seja girar a luz polarizada para a direita ou dextrogiro ou a esquerda ou levógiro Nesse carbono há quatro ligantes diferentes e caso o grupo amina esteja à esquerda de quem olha de frente dizse que é L X C W Y Z Figura 17 Aminoácido com carbono quiral Se estiver à direita chamase de D figura a seguir sendo que na natureza encontrase mais os Laa ou seja aqueles que estão nas proteínas A glicina não apresenta atividade óptica pois tem como ligantes 2 hidrogênios e dessa forma o carbono não é quiral COOH COOH NH2 H2N C C R R H H Figura 18 Aminoácido genérico na forma L e D Em pH fisiológico ou seja em acidez normal para uma determinada parte do corpo no caso em questão o sangue que tem pH aproximado de 74 os aminoácidos têm seus grupamentos amina e carboxila ionizados ou seja a amina fica com carga positiva e a carboxila com carga negativa figuras a seguir Dessa forma podem reagir com ácidos e bases sendo chamados por causa dessa característica de anfóteros Essa propriedade é muito interessante pois quando se visualiza a reação de um aminoácido com ácido ou base percebese que não há mudança brusca de pH Essa característica é chamada de tampão pois a solução resiste a mudanças de pH quando se adicionam pequenas quantidades de ácido ou base Essa propriedade pode ser estudada quando se analisa o comportamento da albumina proteína presente no sangue que também ajuda na manutenção do pH do sangue H NH2 C COOH R Figura 19 Aminoácido na forma não ionizada H NH3 C COO R Figura 20 Aminoácido ionizado ou íon dipolar 24 Unidade I 31 Titulação Quando se dissolve um aminoácido na água e se vai gotejando um ácido por exemplo HCl iniciase um processo chamado titulação que quer dizer que o ácido reagirá lentamente gota a gota com outra substância Esperase que quando se adiciona um ácido em uma solução essa fique ácida porém não é exatamente isso que ocorre O pH abaixa lentamente e quando se coloca ácido não ocorre nada não há mudança de pH a cada gota de ácido colocada na solução de aminoácido o pH fica resistente à mudança ou seja não há um aumento de acidez caracterizada com o aumento da presença de íons H livres na solução porque o H se liga ao grupamento ionizado do grupamento carboxila COO neutralizandoo figura a seguir R CH COO H R CH COOH NH3 NH3 Figura 21 Reação genérica do aminoácido com o H liberado por um ácido que neutraliza o grupamento carboxila Essa observação é característica das soluções ditas tampão ou seja soluções que resistem a mudanças no pH Caso se gotejar NaOH figura a seguir isso mostra atividade tampão também idêntico ao explicado anteriormente para o ácido pois o OH se juntará ao grupamento NH3 neutralizandoo ou seja o íon OH não fica livre na solução o que eleva o pH da solução liberando H2O OH da base e H retirado do grupamento amina R CH COO OH H2O R CH COO NH3 NH2 H Figura 22 Reação genérica do aminoácido com o OH liberado por uma base que neutraliza perde a carga o grupamento amina Quando se traduz a titulação dos aminoácidos em forma gráfica pH versus HCl ou NaOH adicionado observase a fase de não variação do pH na forma de um patamar pois o pH quase não muda como se estivesse estável Se o aminoácido tiver 1 grupamento carboxila e 1 amina terá ao todo 2 patamares figura a seguir um para cada neutralização se tiver 2 grupamentos carboxila aminoácidos ácidos terá 2 patamares quando adicionado ácido H e se tiver 2 grupamentos amina aminoácidos básicos também serão notadas 2 faixas nas quais há resistência de mudança de pH ou seja 2 patamares na curva de titulação com adição de base OH Gotas de HCI adicionadas Gotas de NaOH adicionadas pH pH inicial Patamar Patamar Figura 23 Curva de um aminoácido genérico com apenas dois grupamentos sendo um de amina e outro de carboxila 25 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL O centro do patamar onde metade do aminoácido está neutralizado e metade ainda está ionizado corresponde a uma grandeza chamada pKa O pka do grupo carboxila varia entre 18 e 24 enquanto o pKa do grupo amina varia entre 88 e 109 Em pH 74 a maior parte dos aminoácidos deve estar com o grupo amina protonado NH3 e o grupo carboxila desprotonado COO Para designar qual aminoácido está sendo referido podese chamálos por abreviaturas ou seja pelas três primeiras ou por uma única letra como se nota no quadro a seguir Quadro 1 Nome dos aminoácidos com abreviaturas de 3 letras e 1 letra Nome do aminoácido Abreviatura com 3 letras Abreviatura com 1 letra Cisteína Cys C Histidina His H Isoleucina Ile I Metionina Met M Serina Ser S Valina Val V Alanina Ala A Glicina Gly G Leucina Leu L Prolina Pro P Treonina Thr T Arginina Arg R Asparagina Asn N Aspartato Asp D Glutamato Glu E Glutamina Gln Q Fenilalanina Phe F Tirosina Tyr Y Triptofano Trp W Aspartato Asx B Glutamato Glx Z Lisina Lys K Para saber se há presença de proteínas em soro ou plasma sanguíneo líquido cérebroespinhal urina ou alimentos utilizase o método de biureto apesar de serem comercializados outros reagentes O reagente de biureto contém cobre coloração azul e tornase violeta na presença de proteínas A intensidade da coloração violeta varia de acordo com a concentração de proteínas na amostra analisada podendo ser determinada a concentração em um aparelho chamado de espectrofotômetro 26 Unidade I A reação com o composto chamado ninhidrina é um teste geral para detecção de aminoácidos em solução ou em cromatografia método físicoquímico de separação de substâncias químicas em que se separa por exemplo lipídeos aminoácidos e carboidratos em uma parte fixa papel ou resina e outra móvel solvente corandose com corante especializado para a substância em questão A reação dos aminoácidos com a ninhidrina origina um composto de cor violeta ou púrpura para todos eles com exceção do derivado prolina que dá origem a um composto de cor amarela Hoje é comumente utilizada por peritos criminais para detectar impressões digitais revelando resíduos de pele Saiba mais Para saber mais sobre o assunto leia os artigos a seguir ZAIA D A M ZAIA C T B V LICHTIG J Determinação de proteínas totais via espectrofotometria vantagens e desvantagens dos métodos existentes Química Nova v 21 n 6 1998 SEBASTIANY A P et al A utilização da ciência forense e da investigação criminal como estratégia didática na compreensão de conceitos científicos Educação Química v 24 n 1 p 4956 2013 32 Classificação Analisandose a estrutura de um aminoácido é possível classificála quanto as suas diferentes formas por exemplo quanto ao destino da cadeia carbônica à necessidade na dieta e ao radical R 321 Destino da cadeia carbônica Quando uma proteína já cumpriu seu papel fisiológico ela será catabolizada destruída e assim será liberada uma parte que contém o grupamento amina que dará origem à ureia posteriormente liberada na urina sendo o restante chamado de cadeia carbônica Essa cadeia pode ser aproveitada para sintetizar glicose ou seja degradar em precursores de glicose como piruvato componente da via metabólica que se chama glicólise alfacetoglutarato succinilCoA fumarato e oxalacetato componentes da via metabólica que se chama ciclo de Krebs dando a eles o nome de glicogênicos Em seguida alanina cisteína glicina serina triptofano e treonina são degradados produzindo um intermediário chamado de piruvato arginina glutamato glutamina histidina e prolina têm sua cadeia carbônica transformada em alfacetoglutarato isoleucina metionina e valina dão origem a succinilCoA aspartato fenilalanina e tirosina dão origem ao fumarato e asparagina e aspartato dão origem ao oxaloacetato substâncias que fazem parte do ciclo de Krebs Os aminoácidos cetogênicos são degradados a acetilCoA componente do ciclo de Krebs ou acetoacetato e são convertidos em ácidos graxos ou corpos cetônicos Isoleucina leucina lisina e 27 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL treonina dão origem ao acetil CoA leucina lisina fenilalanina triptofano e tirosina dão origem ao acetoacetato Como pode ser notado alguns aminoácidos podem ser utilizados como formadores de glicose e de acetilCoA sendo chamados portanto de glicocetogênicos como triptofano fenilalanina tirosina treonina isoleucina por exemplo 322 Necessidade na dieta Podese dividir os aminoácidos em essenciais e não essenciais Os essenciais são assim chamados porque são muito importantes na constituição das proteínas porém os animais não conseguem fabricálos ou seja são sintetizados pelos vegetais e por essa condição a dieta do ser humano deve ser rica em ingestão de vegetais São eles arginina essencial para indivíduos jovens e em crescimento mas não para adultos histidina isoleucina leucina lisina metionina fenilalanina treonina triptofano e valina Existe uma outra abordagem que considera os aminoácidos dispensáveis indispensáveis e condicionalmente indispensáveis Dispensáveis e indispensáveis seriam o mesmo que essencial e não essencial Condicionalmente indispensáveis são aminoácidos essenciais apenas em determinadas situações patológicas caso de doença ou estresse ou em organismos jovens e em desenvolvimento por exemplo o aminoácido arginina não é essencial mas quando a pessoa está com câncer não é produzido sendo necessário suplemento Outros exemplos podem ser Fenilalanina precursor da tirosina Ácido glutâmico e amônia precursor da glutamina Glutamina glutamato e asparato precursor da arginina Metionina e serina precursor da cisteína Serina e colina precursor da glicina Glutamato precursor da prolina Saiba mais Para saber mais sobre os aminoácidos leia LAIDLAW S A et al Newer concepts of indispensable amino acids American Journal of Clinical Nutrition v 46 n 4 p 593605 1987 Além dos aminoácidos fazerem parte das proteínas alguns têm características peculiares e funções importantes sendo que o excesso ou a falta pode acarretar doenças graves 28 Unidade I A doença fenilcetonúria é uma doença genética na qual ocorre a falta ou diminuição da atividade da enzima fenilalanina hidroxilase que catalisa a transformação de fenilalanina em tirosina figura a seguir A fenilalanina está presente em alguns alimentos como leite queijos carnes ovos e leguminosas por exemplo feijão lentilha e grãodebico Dessa forma a fenilalanina se acumula no corpo principalmente no cérebro na forma de ácido fenil pirúvico levando à redução da capacidade intelectual e a distúrbios do comportamento desses pacientes Fenilalanina Tirosina LDopa Dopamina Noradrenalina Adrenalina Fenilalanina hidroxilase Figura 24 Esquema da via de transformação do aminoácido fenilalanina em outros metabólitos O tratamento dessa enfermidade deve ser feito por meio da adoção de uma dieta com restrição de fenilalanina redução de fontes desse aminoácido principalmente com a ingestão de leite especiais para impedir a ocorrência dos sintomas neurológicos de forma mais rígida até a adolescência Além disso é vetado o uso de aspartame para essas pessoas pois esse adoçante é composto de dois aminoácidos ligados ácido aspártico e fenilalanina que ao ser ingerida libera fenilalanina que vai para o sangue Outros adoçantes encontrados em alimentos light ou diet podem ser ingeridos Para saber se uma criança é portadora de fenilcetonúria deve ser realizado o teste do pezinho ou seja a coleta de algumas gotas de sangue do calcanhar do recémnascido após a primeira mamada com mais de 48 horas de vida Em 1992 essa triagem neonatal se tornou obrigatória em todo o território nacional ao passo que pode diagnosticar fenilcetonúria hipotiroidismo anemia falciforme fibrose cística entre outras doenças Outro problema ligado a essa via é o albinismo Caso a pessoa não apresente a enzima tirosinase que catalisa a transformação de tirosina em LDopa não terá LDopa que se transforma no pigmento da pele chamado melanina Com a deficiência na produção da proteína melanina a pessoa tem ausência de pigmentação na pele na cor dos olhos e nos cabelos por exemplo sendo esse fator preocupante visto que se trata de um pigmento que protege o material nucleico DNA contra os raios solares por isso sua falta pode ocasionar o câncer de pele 29 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL Observação Os aminoácidos não essenciais produzidos pelos animais são alanina asparagina ácido aspártico caso esteja ionizado o aspartato cisteína ácido glutâmico caso esteja ionizado o glutamato glutamina glicina prolina serina e tirosina A serotonina 5hidroxitriptamina ou 5HT é um importante neurotransmissor relacionado com os processos bioquímicos do sono e do humor e até mesmo com a inibição da ira agressão temperatura corporal humor sono vômito e apetite Essa substância provém do aminoácido triptofano figura a seguir que é transformado em serotonina nos neurônios figura adiante A inibição da produção de serotonina também chamada de 5HT ou sua diminuição se relaciona com efeitos no humor e no estado mental humano ou seja está diretamente ligada aos sintomas de depressão dificuldade em memorizar informações cansaço angústia ansiedade medo agressividade e irritação excessiva Alimentos como banana leite chocolate atum e verduras escuras apresentam mais triptofano que outros alimentos Alguns antidepressivos se baseiam em deixar a serotonina mais exposta para os neurônios como os antidepressivos do tipo inibidor seletivo de recaptação de serotonina Caso a pessoa faça ingestão desse medicamento pode apresentar osteoporose redução da densidade óssea pois a serotonina também interfere na densidade dos ossos Triptofano NH2 OH O H C C H N C H H Figura 25 Fórmula estrutural do aminoácido triptofano HO HO OH Triptofano Serotonina H H C C O CH2 CH2 CH2 NH2 NH2 2 N H N Figura 26 Reação de síntese de serotonina 323 Radical R Como de certa maneira os aminoácidos têm uma estrutura semelhante entre si o que realmente os diferencia é o radical R O R pode ter características apolares ou seja ter na sua maioria somente 30 Unidade I carbonos e hidrogênios e isso também leva a chamálo de radical alifático e hidrofóbico Como cadeias de carbono saturadas levam a características apolares esses aminoácidos são chamados de apolares São eles alanina cisteína glicina valina leucina isoleucina prolina aminoácido com estrutura cíclica alifática fenilalanina triptofano e metionina Glicina HCHNH2 COOH Alanina CH3CHNH2 COOH Leucina CH3CH3CH2CHNH2COOH Valina CH3CHCH3CHNH2COOH Isoleucina CH3CH2CH CH3CHNH2COOH ProlinaCH2CH2CH2 ligando o grupo amino ao carbono alfa Fenilalanina C6H5CH2CHNH2COOH Triptofano R aromáticoCHNH2COOH Metionina CH3SCH2CH2CHNH2COOH O R pode ser polar neutro ou seja ter cadeias laterais polares eletricamente neutras sem cargas em pH neutro Esse grupo inclui a serina a treonina a tirosina a glutamina e a asparagina Serina OHCH2CHNH2COOH Treonina OHCH CH3CHNH2COOH Cisteína SHCH2CHNH2COOH Tirosina OHC6H4CH2CHNH2COOH Asparagina NH2COCH2CHNH2COOH Glutamina NH2COCH2CH2CHNH2COOH Caso o R tenha carga pode ser aminoácido polar ácido ou negativo como é o caso do ácido glutâmico e do ácido aspártico que possuem um grupo carboxila em seu radical e quando em pH fisiológico perdem o hidrogênio da carboxila que está em seu radical COO tornandose glutamato e aspartato Ácido aspártico HCOOCH2CHNH2COOH Ácido glutâmico HCOOCH2CH2CHNH2COOH 31 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL Observação O glutamato monossódico é um sal composto de ácido glutâmico aminoácido não essencial e sódio encontrado em alimentos como o tomate e os cogumelos Esse composto é usado principalmente por asiáticos como realçador de sabor ou como os japoneses chamam da essência do sabor para melhorar a palatabilidade Esse aminoácido é também um neurotransmissor excitatório no cérebro humano importante no aprendizado e na memória Caso o R tenha carga positiva tais aminoácidos podem ser chamados de polares básicos pois quando em pH fisiológico ganham hidrogênio em seu grupamento amina NH3 presente em seu radical tendo como positiva sua carga final São eles histidina lisina e arginina Arginina HNCNH2NHCH2CH2CH2CHNH2COOH Lisina NH2CH2CH2CH2CH2CHNH2COOH Histidina HC3H2N2CH2CHNH2COOH Observação A histamina é uma amina originada a partir da descarboxilação ou seja perda de um grupo carboxila do aminoácido histidina um dos aminoácidos básicos presente principalmente em carnes vísceras e miúdos A histamina pode ser encontrada em células chamadas de mastócitos sendo liberada quando um antígeno alérgeno encontrado em alguns alimentos produtos químicos picadas de insetos e até mesmo no pólen estimula a formação de anticorpos do tipo IgE Quando ocorre a liberação da histamina no local ou na corrente sanguínea iniciase a resposta alérgica com coceira inchaço hipotensão estresse respiratório e inclusive taquicardias arritmias sintomas que podem levar à morte 4 PROTEÍNAS Para se obter uma proteína ou polipeptídio devese ligar os aminoácidos Essa junção se dá por intermédio de ligações peptídicas figura a seguir em que uma carboxila de um aminoácido se liga com o grupamento amino do outro aminoácido liberando água Tal ligação é rígida pois é feita entre dois átomos extremamente eletronegativos N e O sendo de difícil quebra ou quebra lenta mas em organismos vivos enzimas digestivas clivam com facilidade essas ligações gerando proteínas menores chamadas de peptídeos podendo até gerar aminoácidos no intestino 32 Unidade I H H H H C C C C C C C R R1 R1 C O O O O OH H H H OH OH NH2 N N Dipeptídeo ou dipéptido R H2O NH2 Ligação peptídica ligação amídica Figura 27 Esquema da formação de ligação peptídica 41 Níveis estruturais das proteínas Podese estudar a estrutura das proteínas começando pela mais simples para a mais complicada ou seja da estrutura primária para a secundária terciária e quaternária 411 Estrutura primária É a sequência linear dos aminoácidos na qual a ligação que a mantém é a peptídica H H H H C C C C C C C R R1 R1 C O O O O OH H H H OH OH NH2 N N Dipeptídeo ou dipéptido R H2O NH2 Ligação peptídica ligação amídica Figura 28 Representação da ligação peptídica que mantém a estrutura primária Um pequeno dipeptídeo formado por glicina e alanina tem uma ligação peptídica A proteína tem uma extremidade amino e outra carboxila H2N C H H H H H Glicina Gly Alanina Ala Glicilalanina GlyAla H CH3 CH3 H H C O O O O O H H N C C C C C C O O N H H H2O H2N Figura 29 Dipeptídeo glicilalanina Essa estrutura é diferente de um dipeptídeo formado por uma alanina em primeiro lugar ligada à glicina portanto a ordem dos aminoácidos é muito importante e está indicada pelo DNA O DNA material genético contido no interior do núcleo dos seres humanos é formado por vários fragmentos chamados de gene os quais têm a informação de como será uma determinada proteína do ser vivo Todas as proteínas dos animais e vegetais têm sua informação da estrutura primária no DNA Tratase do material genético que indica qual aminoácido será o primeiro o segundo etc É por isso que quando ocorre um erro no DNA ele será repassado para a proteína gerando uma proteína anômala ou seja errada Caso ocorra uma modificação no gene chamada 33 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL de mutação a proteína será fabricada de forma diferente da que deveria ser feita e se for por exemplo uma enzima a reação catalisada pode não acontecer gerando dessa forma uma doença genética genética gene A anemia falciforme é uma doença caracterizada pela mudança de forma dos glóbulos vermelhos que ficam na forma de foice ocasionando vários malefícios que podem ser leves ou graves como dor icterícia infecções e palidez pela diminuição de glóbulos sintomas que causam risco de morte Decorre de uma alteração de um gene que tem as instruções de como será a proteína globina Como as instruções foram mudadas e estão erradas no DNA a proteína globina fica anômala levando à produção da hemoglobina S Hb S Essa alteração consiste em uma mutação no gene da beta globina em que ocorre a troca de uma única base nitrogenada a adenina pela timina resultando na substituição do ácido glutâmico um aminoácido com grupo R polar pela valina com grupo R apolar na posição 6 da cadeia beta com consequente modificação físicoquímica da molécula da hemoglobina É reconhecidamente uma doença de elevada mortalidade e morbidade necessitando de identificação e tratamento precoce Tratase de uma doença crônica pois não tem cura na maioria dos casos sendo algumas vezes indicado o transplante de medula óssea No Brasil o diagnóstico é obrigatório em todos os estados pelo teste de triagem neonatal ou teste do pezinho Essa condição é mais comum em pessoas afrodescendentes já que o gene da HbS teve origem no continente africano porém como no Brasil há alta miscigenação qualquer pessoa de raça branca ou parda pode ter a anemia falciforme A anemia mais comum no Brasil e no mundo é a anemia por falta de ferro mas entre as hereditárias a anemia falciforme está em primeiro lugar 412 Estrutura secundária É verificada quando a estrutura primária gira sobre si formando um caracol ou αhélice que é mantida por pontes de hidrogênio Algumas proteínas ficam na estrutura secundária somente em αhélice como a queratina proteína resistente impermeável à água podendo ocorrer em mamíferos pele cabelo unha casco chifre aves pena bico etc enquanto outras se dobram mais e vão para a estrutura terciária Existe também a estrutura secundária chamada de folha βpregueada É um tipo de estrutura que ocorre quando duas cadeias polipeptídicas na estrutura primária se ligam por pontes de hidrogênio formando uma estrutura de ziguezague somente em folha βpregueada como a fibroína proteína altamente resistente e rígida fabricada por aranhas para suas teias ou pelo bicho da seda que pode ser aproveitada para se transformar em um tecido a seda pura quando colocada em um tear A maioria das proteínas tem as duas formas em uma mesma cadeia α hélice e folha βpregueada alternandose figuras a seguir 34 Unidade I Figura 30 Esquema espacial da estrutura secundária de uma proteína em forma de alfahélice Figura 31 Esquema espacial da estrutura secundária de uma proteína na forma de folhabeta pregueada 413 Colágeno O colágeno é sintetizado principalmente por fibroblastos condroblastos e osteoblastos e exportado para fora da célula onde enzimas catalisam a transformação em tripla hélice ou seja são três estruturas na forma de alfahélice unidas entre si A maior parte dos aminoácidos é de glicina prolina e lisina que recebem radical OH e se transformam em hidroxiprolina e hidroxilisina com a ajuda da vitamina C Com vários radicais hidroxila os aminoácidos ligamse entre si por meio de ligaçõespontes de hidrogênio deixando a estrutura rígida Todos os mamíferos fabricam colágeno também chamado de gelatina sendo que no setor alimentício é usado na fabricação de iogurtes embutidos salsichas presunto rosbife e para sobremesas de fácil preparação gelatinas pudins mariamole além da área de cosméticos e produtos fármacos cápsulas moles e duras 35 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL Há vários tipos de colágeno tipo I até tipo XII comuns em ossos tendões pele parede de artérias ou endotélios articulações A matriz óssea é composta de uma parte orgânica formada majoritariamente por colágeno tipo I que confere flexibilidade ao osso em que íons de fosfato e cálcio cristais de hidroxiapatita são os responsáveis pela rigidez e resistência do osso A deficiência da vitamina C leva ao escorbuto doença relacionada a problemas na síntese do colágeno pois não há aminoácidos com o radical hidroxila ligado causando hemorragia ao passo que os vasos sanguíneos e a pele possuem colágeno na sua constituição A deficiência de colágeno no organismo denominase colagenoses o que acarreta alguns problemas como má formação óssea rigidez muscular problemas com o crescimento inflamação nas articulações e doenças cutâneas Entre as colagenoses mais conhecidas podese citar o lúpus eritematoso sistêmico As doenças do colágeno geralmente têm características autoimunes que acometem vários órgãos entre eles o pulmão Há também a artrite reumatoide e esclerose sistêmica progressiva O lúpus é uma doença das colagenoses e se caracteriza por ser autoimune cuja manifestação é por meio de manchas na pele úlceras orais artrite alterações renais distúrbios do sangue inflamações nos pulmões e no coração Outra doença ligada a proteínas é a doença da vaca louca Bactérias protozoários fungos e vírus são seres vivos microrganismos que podem causar várias doenças Em meados dos anos 1980 foram descobertas por Stanley B Prusiner algumas moléculas proteicas e sua possível função infecciosa em 1997 o cientista ganhou o Prêmio Nobel em Fisiologia ou Medicina por sua descoberta os príons proteinaceous infection particle que podem desencadear doenças neurodegenerativas invariavelmente fatais As doenças priônicas podem atingir tanto humanos quanto animais elas atacam o sistema nervoso prejudicando suas funções normais e matando as células nervosas A função das proteínas príons ainda não é totalmente conhecida e elucidada mas acreditase que estejam ligadas à plasticidade do cérebro na formação de sinapses na diferenciação neuronal e na proteção dos neurônios O conhecimento do príon chegou ao público quando na década de 1980 na Inglaterra foram observados alguns bovinos com sinais associados a disfunções do Sistema Nervoso Central SNC que os levavam à morte A encefalopatia espongiforme bovina ou doença da vaca louca era causada por um príon mutante com uma estrutura diferente dos príons normais que teria sido transmitido por ingestão de carne de ração enriquecida com carne de carneiro que estava contaminada A proteína príon celular normal PrPc rica em estrutura αhelicoidal pode sofrer uma mudança conformacional produzindo a proteína patológica defeituosa PrPSc na qual prevalecem folhasβ e que tem a capacidade de transformar os príons saudáveis em patológicos que se agrupam no cérebro formando placas amiloides que dificultam a passagem nervosa Os príons podem até mesmo produzir réplicas de si mesmos por mecanismos ainda desconhecidos Em seres humanos esse príon pode ficar em longos períodos de incubação décadas sendo causador de uma doença extremamente grave conhecida como CJD doença de CreutzfeldtJacob com sintomas semelhantes aos da doença de Alzheimer encefalopatia na qual o cérebro fica em forma de esponja encefalopatia espongiforme 36 Unidade I Saiba mais Para saber mais sobre os príons leia o artigo COSTA A L P JUNIOR A C S S Príons uma revisão de suas propriedades bioquímicas e das características patológicas das encefalopatias espongiformes transmissíveis Revista Arquivos Científicos IMMES v 1 n 1 p 413 2018 414 Estrutura terciária Essa estrutura é visualizada quando a estrutura secundária se dobra sobre si mesma Nesse dobramento os aminoácidos ficam muito perto uns dos outros podendo ocorrer outras ligações que mantêm essa proteína como ligação dipolodipolo ponte dissulfeto ponte de hidrogênio Força de Van der Waals e ligação hidrofóbica figura a seguir Algumas proteínas permanecem nessa estrutura e outras passam para a estrutura quaternária b Ligação iônica c Ponte dissulfeto d Força de London a Ponte de hidrogênio CH2 CH3 H H H H H H N CH3 H3C H3C CH2 C C C C C C C C C O O O C H H H H H S S H H H H NH3 ácido glutâmico ácido glutâmico ácido glutâmico cadeia polipeptidica cisteína cisteína valina valina asparagina lisina O O Figura 32 Esquema das possíveis ligações que mantêm a estrutura terciária de uma proteína 415 Estrutura quaternária Essa estrutura ocorre quando a estrutura terciária se liga a outras estruturas terciárias Cada estrutura terciária é chamada de subunidade e podese ver proteínas com várias subunidades iguais ou diferentes por exemplo a hemoglobina encontrada nas hemácias que é um tetrâmero ou seja tem quatro subunidades que em seres humanos adultos são duas que têm o nome de α e duas de β figura a seguir Além da proteína globina podese visualizar o grupamento heme em seu interior parte não proteica onde se liga o oxigênio e dessa forma cada subunidade da globina terá um grupamento heme em seu interior 37 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL Figura 33 Esquema das quatro proteínas globina ligadas formando a hemoglobina Molécula de oxigênio CH CH2 CH CH2 CH3 O N N N N Fe O H3C H3C COOH COOH Heme CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 Figura 34 Esquema da parte não proteica presente na hemoglobina o grupamento heme Tendo como exemplo a proteína conjugada hemoglobina vêse que não é simples A classificação conjugada é dada pois é composta de heme globina A figura a seguir analisa sua composição desde sua síntese mediante o conteúdo das informações no DNA que levou a estrutura primária seu dobramento em estrutura secundária e terciária e ligação com outras subunidades gerando a estrutura quaternária que ligada ao heme resultou na hemoglobina 38 Unidade I Estrutura primária Estrutura secundária Estrutura terciária Grupo heme Estrutura quaternária quatro cadeias polipeptídicas combinamse para formar a hemoglobina Figura 35 Análise do passo a passo da estrutura da hemoglobina Nos seres humanos o oxigênio O2 é transportado para as células pela hemoglobina encontrada nas células vermelhas do sangue A hemoglobina consiste em quatro cadeias de proteínas unidas entre si duas cadeias de globina α idênticas e duas cadeias de globina β idênticas cada uma contendo um grupo heme que contém um íon Fe2 responsável pela ligação e pelo transporte da molécula O2 A hemoglobina é uma proteína que apresenta os quatro níveis estruturais mencionados anteriormente 39 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL Estrutura primária sequência de aminoácidos Estrutura secundária arranjo da cadeia de aminoácidos em forma de hélice α Estrutura terciária hélices dobradas formando uma estrutura tridimensional Estrutura quaternária duas ou mais cadeias cada uma com sua própria estrutura primária secundária e terciária combinam para formar uma unidade mais complexa Uma reação interessante que ocorre com as proteínas é o processo chamado de desnaturação Quando ocorre a exposição de proteínas a temperaturas elevadas extremos de pH radiação ultravioleta exposição a alguns detergentes tratamento químico solventes orgânicos como álcool e acetona e ureia por exemplo as estruturas se desfazem ou seja a proteína perde a forma tridimensional ou estrutura não funcionando mais da forma que deveria funcionar Essa situação é chamada de desnaturação A estrutura primária é mantida mas em condições extremas como fervura em HCl 5M por 24 horas a estrutura primária é quebrada ou seja tem sua estrutura espacial afetada de forma a perder sua função biológica pela quebra de ligações não covalentes Observação Verduras carnes leite e ovos contêm diversas proteínas porém quando cozinhados ou fritos em alta temperatura ocorre desnaturação processo que modifica suas proteínas De certa maneira isso pode ser benéfico para os seres humanos pois serão absorvidos os aminoácidos e não as proteínas ou seja quem passará para o sangue não são as proteínas pois são muito grandes Esse processo é muito mais rápido do que se esperar a digestão da proteína no trato gastrointestinal Os aminoácidos que passam para o sangue chegam às células e formam as proteínas necessárias para cada célula em estruturas chamadas de ribossomos mediante informações transmitidas por nosso material genético No processo de digestão de proteínas o HCl do estômago as enzimas digestivas especializadas cortam ou clivam essas grandes cadeias de aminoácidos unidos processo demorado Caso a proteína já venha previamente cortada clivada a absorção passagem para o sangue fica mais fácil Por exemplo basta imaginar qual bife é de mais fácil digestão um malpassado ou um bem passado Sabendose que o leite é composto por água gordura proteínas açúcar e sais minerais quando ele é fervido a proteína de maior quantidade no leite a chamada lactoalbumina se desnatura e fica boiando na superfície Esse fato é semelhante ao que ocorre com a clara do ovo que contém ovoalbumina e após cozimento sofre aglutinação e ocorre a precipitação da albumina por isso ela se torna branca Caso fosse colocado um pouco de leite em um copo e vinagre por ser ácido acético ele promoveria a desnaturação das proteínas do leite que iriam boiar fenômeno semelhante ao do aquecimento 40 Unidade I 42 Classificação das proteínas As proteínas podem ser classificadas quanto ao número de aminoácidos em oligopeptídeos oligo poucos e polipeptídeos mais de 100 poli muitos mediante sua quantidade de aminoácidos Quanto à composição podese classificar as proteínas em simples e compostas ou conjugadas As simples são aquelas que apresentam somente aminoácidos em sua composição e as compostas aminoácidos e outra substância que pode ser carboidrato glicoproteínas lipídeos lipoproteínas ou como no exemplo da hemoglobina globina heme Quanto a sua forma as proteínas podem ser separadas em fibrosas e globulares As fibrosas são insolúveis em água devido à alta concentração de aminoácidos hidrofóbicos e apresentam somente um tipo de estrutura secundária αhélice ou folha βpregueada Ficam na forma de longos filamentos resistentes resultando principalmente na função estrutural Podese citar o colágeno a queratina ou a seda As globulosas são estruturas de proteínas solúveis em água que estão em estrutura terciária ou quaternária com forma esférica Entre as várias proteínas que estão nessa forma podese citar as enzimas e a hemoglobina Na maioria das vezes as proteínas têm os dois tipos de estruturas secundárias na mesma cadeia intercalandose entre si αhélice e folhaβ em uma única fita de aminoácidos 43 Separação de proteínas Para se estudar as proteínas devese identificar e caracterizálas separando ou purificandoas Uma determinada proteína a ser estudada provém de uma célula e deve estar junto a outras dentro das células com características semelhantes como tamanho e solubilidade tornandose impossível compreender com exatidão sua função particular Lembrete As condições nas quais as proteínas serão submetidas no momento da separação devem ser próximas às encontradas dentro das células como pH e temperatura devendo para isso ser usadas soluçõestampão para manter sua forma e temperatura controlada caso contrário podem perder sua função biológica As proteínas podem ser separadas baseadas em algumas propriedades físicoquímicas usando vários critérios como tamanho ou peso molecular solubilidade e carga 431 Tamanho molecular Quanto ao peso molecular podese citar metodologias de separação que se chamam diálise e filtração molecular Na diálise a mistura de proteínas grandes e pequenas é colocada dentro de um saco de material semipermeável como o celofane que será imerso em tampão e após certo tempo de agitação moléculas pequenas passam por pequenos poros do celofane enquanto as grandes ficam retidas no seu interior separando as proteínas pequenas das grandes 41 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL Tendo como base esse processo podese entender como os pacientes renais podem sobreviver sem a filtração correta do sangue Pacientes com problemas renais não conseguem retirar substâncias pequenas tóxicas como a ureia e a creatinina do sangue Caso a concentração dessas substâncias aumente no sangue elas podem ser extremamente prejudiciais à saúde podendo levar o indivíduo à morte Dessa forma o paciente se submete a uma limpeza clearence do sangue em que o sangue do paciente é retirado por uma bomba e injetado na mesma hora processo chamado de hemodiálise Quando o sangue é retirado passa perto de um tampão chamado de dialisante em sentido contrário contracorrente Entre o sangue e o dialisante há uma membrana filtrante onde ocorre um processo semelhante ao explicado anteriormente diálise ou seja moléculas pequenas ureia e creatinina passam e saem pelos poros Para que a substâncias tóxicas sejam eliminadas do corpo humano é necessário um mínimo de horas pelo menos 12 horas por semana divididas em 4 horas 3 vezes por semana Outro tipo de separação que leva em consideração o tamanho ou peso molecular da proteína é a cromatografia de filtração molecular Nesse processo são verificadas duas fases uma estacionária ou fixa resina e outra móvel por exemplo um líquido ou um gás Entre as cromatografias podese citar a de exclusão molecular ou filtração em gel Nessa mistura de proteínas grandes e pequenas é colocada no topo uma coluna contendo polímeros que possuem pequenos caminhos em seu interior As moléculas pequenas entram nesses caminhos e percorrem um trajeto maior enquanto as grandes passam pelas laterais chegando primeiro ao fim da coluna A cromatografia líquida de alta eficiência Clea também conhecida como High Performance Liquid Cromatography HPLC é uma técnica físicoquímica usada não só com finalidade de pesquisa mas também comercial e diagnóstica em laboratórios clínicos Pode ser utilizada em aplicações ou análises forenses ambientais de substâncias químicas farmacêuticas alimentícias entre outras áreas usando como amostra alimentos água solo sangue urina matériasprimas etc que injetados por intermédio de uma microsseringa ou válvula de injeção no topo da coluna cromatográfica são carregados por solventes separandoos pela velocidade com que saem da coluna Na saída há um detector de ultravioleta ou de fluorescência responsável por desenhar um gráfico cromatograma Analisandose esse gráfico podese verificar se as substâncias em questão estão separadas bem como quantificadas Em escala de tempo relativamente pequena com alta resolução eficiência e sensibilidade podese analisar princípios ativos para uma formulação de medicamentos analisar drogas em sangue ou urina ou pesquisar a quantidade de vitamina D hemoglobina glicada hemoglobina ligada à glicose importante no diagnóstico de diabetes mellitus e hormônios esteroides no sangue etc 432 Solubilidade Por definição a solubilidade é a quantidade máxima que uma substância pode se dissolver em um líquido e expressase em mols por litro gramas por litro ou em percentagem de solutosolvente Quando se estuda as proteínas sabese que elas são formadas de aminoácidos que podem ser polares ou apolares sendo portanto mais ou menos solúveis em água As substâncias polares tendem a se dissolver em líquidos polares e as substâncias apolares em líquidos apolares 42 Unidade I O efeito salting in é o aumento da solubilidade de proteínas devido ao acréscimo de baixas concentrações de sais em solução que reagem com as cargas iônicas das proteínas aumentando o número efetivo de moléculas de água fixadas à proteína O efeito salting out é a precipitação de proteína em solução por altas concentrações de sais que atraem as moléculas de água de forma que ocorre a diminuição da solubilidade e a precipitação da proteína pois a quantidade de água disponível diminui para as moléculas proteicas Esta é muito usada para a purificação das proteínas e quando se muda a solubilidade com determinada quantidade colocada de sal NH4SO42 na solução com diversas proteínas Algumas se decantam podendo ser retiradas após centrifugação enquanto outras ficam solúveis e dessa maneira mais sal deverá ser colocado para que elas se decantem separandoas 433 Carga A eletroforese é uma técnica de separação que se baseia no princípio de migração de moléculas com cargas íons que estão em um gel de poliacrilamida ou agarose em um campo elétrico podendo ser empregada na separação de DNA RNA e proteínas As proteínas deverão ser mantidas em um tampão com um determinado pH de modo que ficarão carregadas e mediante um campo elétrico se movimentarão em direção ao polo oposto de sua carga Na cromatografia de troca iônica a resina que estará em uma coluna terá carga positiva ou negativa e dessa forma proteínas carregadas positivamente serão grudadas ou haverá adsorção das proteínas de modo reversível em resinas negativas e as negativas se ligarão na resina positiva sendo necessário liberálas com tampão com sal por exemplo NaCl Quando um pesquisador estuda uma determinada proteína ele deve usar vários métodos de separação elaborando uma estratégia para obtenção da proteína purificada com o extrato bruto sendo dialisado depois passado por cromatografia adição de sulfato de amônio e eletroforese O pesquisador Pedro Cuatrecasas montou uma coluna de purificação para a insulina porque era muito complexo isolar esse hormônio sem proteínas contaminantes que tivessem características semelhantes ao hormônio insulina Baseandose na interação tão particular que é a afinidade do hormônio para com seu receptor a ideia que o pesquisador teve foi a de pescar a insulina isolando e ligandoo à coluna de resina fixa fase estacionária que receberá a mistura de proteínas extraída do pâncreas de porco ou boi no topo da coluna A insulina se liga ao receptor e o restante das proteínas sai eluído empurrado por um tampão fase móvel para que depois somente a insulina seja coletada sem impurezas e comercializada Saiba mais Para saber mais sobre o estudo de Pedro Cuatrecasas leia o artigo CUATRECASAS P Protein purification by affinity chromatography derivatizations of agarose and polyacrylamide beads The Journal of Biological Chemistry v 245 n 12 p 30593065 jun 1970 43 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL Resumo A água regula a temperatura interna do corpo e é essencial para todas as funções metabólicas O organismo precisa de cerca de 4 litros de água por dia e não pode ficar mais que 3 ou 4 dias sem ela O oxigênio é o mais importante composto para as células e em segundo lugar podese citar a água Como o corpo não armazena água todo o conteúdo perdido deverá ser reposto Após penetrar no intestino a água ingerida é rapidamente absorvida aproximadamente vinte minutos após a ingestão Grande parte do sangue contém água plasma e a parte sólida do sangue é onde podemos encontrar as células O transporte de nutrientes excretas metabólitos oxigênio e gás carbônico hormônios e anticorpos é uma das funções do sangue Com tantas substâncias no sangue podem ocorrer mudanças de pH que são fatais para o ser humano mas como o sangue é um exemplo de soluçãotampão pequenas adições de ácido ou sua retirada não promovem sérios desvios Os aminoácidos são moléculas orgânicas essenciais na fabricação de cadeias de proteínas em um organismo vivo Apenas vinte aminoácidos são usados nas estruturas proteicas compostas de átomos de carbono C hidrogênio H oxigênio O nitrogênio N e por vezes enxofre S Podese dividilos em essenciais e não essenciais e reagem como anfótero ou seja reagem com ácido e com base As proteínas podem ter origem vegetal ou animal e têm várias funções importantes nas células A disposição espacial que os aminoácidos adquirem leva a estrutura proteica que pode ser primária secundária terciária e quaternária e que pode ser destruída por calor e pH ácido e básico entre outros As proteínas podem ser separadas mediante algumas propriedades físicoquímicas e após o isolamento estudadas ou usadas comercialmente Exercícios Questão 1 Ufscar adaptada O pH do sangue humano de um indivíduo saudável situase na faixa de 735 a 745 Para manter essa faixa de pH o organismo utiliza vários tampões sendo que o principal tampão do plasma sanguíneo consiste em ácido carbônico e íon bicarbonato A concentração de íons bicarbonato é aproximadamente vinte vezes maior que a concentração de ácido carbônico com a maior parte do ácido na forma de CO dissolvido O equilíbrio químico desse tampão pode ser representado pela equação CO2g H2Ol H2CO3aq H aq HCO 3aq 44 Unidade I Analise as afirmativas a seguir I Quando uma pequena quantidade de base entra em contato com uma soluçãotampão os íons hidróxido reagem com o ácido do tampão não alterando praticamente o pH dessa solução II Quando a concentração de íons bicarbonato no sangue aumenta o pH também aumenta III Quando a concentração de CO2 no sangue aumenta o pH diminui São corretas as afirmativas A I apenas B II apenas C III apenas D I e II apenas E I II e III Resposta correta alternativa E Análise das afirmativas I Afirmativa correta Justificativa o conceito de soluçãotampão confirma essa ideia de equilíbrio do sistema II Afirmativa correta Justificativa quando a concentração de íons bicarbonato HCO3aq no sangue aumenta ocorre um deslocamento do equilíbrio no sentido inverso para que esses íons sejam consumidos Eles então reagem com os íons H diminuindo a concentração deles no meio e aumentando o pH III Afirmativa correta Justificativa quando a concentração de CO2 no sangue aumenta ocorre um deslocamento do equilíbrio no sentido direto para que o CO2 seja consumido Formamse assim íons H diminuindo o pH do meio Questão 2 UniforCE adaptada Considere as afirmativas a seguir relativas a enzimas I São proteínas com função catalisadora 45 BIOQUÍMICA ESTRUTURAL II Cada enzima pode atuar quimicamente em diferentes substratos III Continuam quimicamente intactas após a reação IV Não se alteram com as modificações da temperatura e do pH do meio São verdadeiras as afirmativas A I e III apenas B II e IV apenas C I III e IV apenas D II III e IV apenas E I II III e IV Resposta correta alternativa A Análise das afirmativas I Afirmativa correta Justificativa as enzimas são proteínas que funcionam como catalisadoras diminuindo a quantidade de energia de ativação necessária para as reações ocorrerem Com isso as reações passam a acontecer mais rapidamente II Afirmativa incorreta Justificativa uma enzima só catalisa reações cujos reagentes tenham forma complementar à sua pois só assim pode ocorrer o encaixe entre eles É por isso que as enzimas são específicas isto é cada tipo de enzima serve apenas para determinada reação III Afirmativa correta Justificativa no final das reações as enzimas permanecem inalteradas e podem repetir o processo com novos reagentes IV Afirmativa incorreta Justificativa vários fatores influenciam o funcionamento da enzima como temperatura e pH Quando há um aumento da temperatura ocorre a desnaturação da enzima que modifica sua forma dificultando o encaixe Quanto ao pH cada enzima tem um pH ótimo para seu funcionamento Acima ou abaixo desse pH sua atividade fica comprometida