bioquímica para ciências biológicas, Notas de estudo de Bioquímica

Baixe bioquímica para ciências biológicas e outras Notas de estudo em PDF para Bioquímica, somente na Docsity! FUNDAMENTOS DE BIOQUIMICA PARA CIENCIAS BIOLOGICAS, CIENCIAS DOS ALIMENTOS, AGRONOMICAS E FLORESTAIS É PERMITIDO A REPRODUÇÃO DESDE QUE SEM FINS LUCRATIVOS Prof. Dr. Luiz Antonio Gallo Prof. Dr. Luiz Carlos Basso MARÇO DE 2012 1 ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA “LUIZ DE QUEROZ” UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESALQ USP FUNDAMENTOS DE BIOQUIMICA PARA CIENCIAS BIOLOGICAS, CIENCIAS DOS ALIMENTOS, AGRONOMICAS E FLORESTAIS MATERIAL DIDATICO PARA OS ALUNOS DE GRADUAÇÃO CONTEM TEXTOS DA INTERNET MATERIAL INCOMPLETO AINDA EM FASE DE REDAÇÃO PROFS. LUIZ ANTONIO GALLO LUIZ CARLOS BASSO Departamento de CIENCIAS BIOLOGICAS PIRACICABA =2012= 4 dos diversos trabalhos fisiológicos (contração muscular, excreção, transporte ativo, etc) bem como nas atividades de biossíntese ou anabolismo. A bioquímica, embora uma ciência recente, não pode ser considerada uma extensão da Química Orgânica, se reduzindo à uma coleção dos compostos orgânicos encontrados na célula e suas propriedades. Atualmente assentada em seus próprios princípios, fundamentados na Lógica molecular da vida, a Bioquímica é a ciência que tem por objetivo estudar, no seu maior grau de intimidade, ou seja, ao nível molecular, a natureza dos diversos processos biológicos (respiração, crescimento, transmissão da hereditariedade, fotossíntese, etc) que ocorrem nos organismos vivos, quer animais ou vegetal, superiores ou inferiores. FUNDAMENTOS DE QUIMICA ORGANICA FUNÇÕES Como se forma o nome do composto? Com base na estrutura ou cadeia fundamental vamos indicar as características especiais do composto. Estas características são indicadas por meio de prefixos e sufixos e por meio de números (para as localizar). Quando existe mais do que um tipo de substituinte, aplicam-se as regras de prioridade indicadas na tabela seguinte. O grupo principal é indicado pelo sufixo correspondente. Os outros grupos funcionais eventualmente presentes na molécula serão indicados por prefixos. Priori dade Classe Grupo Sufixo Prefixo 1 Catiões -ónio 2 ácidos carboxílicos -COOH -(C)OOH ácido ...carboxílico ácido ... óico Carboxi- 3 ácidos sulfónicos -SO2OH ácido ... sulfónico Sulfo- 4 Sais -COOM -(C)OOM ..carboxilato de M -..(o)ato de M Carboxilato de M 5 ésteres -COOR -(C)OOR ..carboxilato de R -..(o)ato de R R-oxicarbonil 6 Halogenetos de ácidos -COX -(C)OX halogeneto de ..carbonilo halogeneto de ..(o)ilo Haloformil- 7 Amidas -CONH2 -(C)ONH2 -carboxamida -amida Carbamoil- 8 Amidinas -C(=NH)NH2 -carboxamidina Amidino- 5 - (C)(=NH)NH2 -amidina 9 Nitrilos -CN -(C)N -carbonitrilo -nitrilo Ciano- 10 Isocianetos -NC -isonitrilo Isociano- 11 Aldeídos -CHO -(C)HO -carbaldeído -al Formil- Oxo- 12 Cetonas -(C)O -ona Oxo- 13 Alcoóis -OH -ol Hidroxi- 14 Fenóis -OH -ol Hidroxi- 15 Tióis -SH -tiol Mercapto- 16 Aminas -NH2 -amina Amino- 17 Iminas =NH -imina Imino- (Os átomos de carbono entre parêntesis fazem parte da cadeia (ou estrutura) do composto primitivo, pelo que são incluídos no nome do composto primitivo e não no sufixo) Nombres de grupos Funcionales en orden de prioridad. El grupo funcional que se encuentre más abajo de la tabla será el de mayor orden de prioridad y se usará como sufijo Si mas de un grupo funcional se encuentra presente el que tenga mayor prioridad se usará como sufijo y los otros como prefijos. Modelo Sufixo Prefixo - NH2 -amina Amino - SH -tiol mercapto - OH -ol Hidroxi -tiona Tiol -ona oxo -al Oxo 6 -nitrilo ciano * -amida - Haleto de -anoila - Ac. -sulfonico Sulfo Acido -oico carboxi * -oato - * Estos prefijos el nombre incluye el carbono del grupo funcional. Cuando se cuente no debe de contarse este carbono 1- Efeito Indutivo na cadeia carbônica Analise o esquema abaixo: Na ligação C - C numa sucessão só de átomos de carbono os elétrons da ligação estão equidistantes de cada átomo. Já numa sucessão de carbonos terminada por um elemento muito eletronegativo, como o cloro, por exemplo, ocorre uma deslocalização de elétrons das ligações C - C por causa do efeito da ligação C - Cl. Esse efeito é chamado efeito indutivo. O cloro funciona com um ponto de atração eletrônica, "puxando" para si os elétrons da ligação com o carbono ligado a ele. É como uma trilha de dominó em que as peças caem umas sobre as outras: o cloro atrai para si os elétrons da ligação com o carbono ligado a 9 enfraquecimento da ligação com o hidrogênio ácido. Logo, será mais fácil a liberação do próton. Assim, o caráter ácido aumenta. No segundo caso (b) o grupo X é elétron-repelente. O efeito indutivo é +I e, portanto, deixa a carbonila com superávit eletrônico, o que leva a um aumento da força de ligação com o hidrogênio ácido. Logo, será mais difícil a liberação do próton. Assim, o caráter ácido diminui. Caráter básico - Vejamos agora o que ocorre com uma amina (base orgânica): Segundo a teoria de Lewis, base é uma espécie química que possui um ou mais pares eletrônicos não-ligantes, ou seja, é capaz de coordenar pares eletrônicos. Dessa forma, assim como a força de um ácido está relacionada com a sua capacidade de receber elétrons, a "força" de uma base relaciona-se com sua capacidade de coordenar elétrons. Logo, quanto maior a disponibilidade eletrônica em uma espécie química, maior será seu caráter básico. No primeiro caso (a) o grupo X é elétron-atraente. O efeito indutivo é -I e, portanto, deixa o grupo amino com déficit eletrônico, o que leva a uma diminuição do seu caráter básico. No segundo caso (b) o grupo X é elétron-repelente. O efeito indutivo é +I e, portanto, deixa o grupo amino com superávit eletrônico, o que leva a um aumento do seu caráter básico. 10 CARBOIDRATOS 1. CONCEITO Quimicamente podem ser definidos como aldeídos ou cetonas poliidroxilados ou substâncias que mediante hidrólise liberem tais compostos. Apresentam uma formulação geral Cx (H2O) Y, com raras exceções. Assim a desoxirribose (encontrada no DNA) apresenta fórmula C5H10 0 4, onde a relação H:O não é de 2:1. Igualmente pode nos encontrar carboidratos com outros elementos além do C, H é O. Embora não muito freqüente, N, S e P podem integrar moléculas de carboidratos. Outras denominações: hidratos de carbono, açúcares, glucídios e glúcides. 2. ESTEREOISOMERIA ÓTICA É um fenômeno muito difundido entre os carboidratos, e vem a ser decorrência do composto apresentar um ou mais átomos de carbono assimétrico na molécula. Átomo de carbono assimétrico é aquele que se liga a 4 radicais diferentes, e resulta, geralmente, que os compostos que os apresentam se mostram oticamente ativos, ou seja, desviam o plano da luz polarizada. Se o desvio for para a direita, o composto é dito de “dextrorrotatório” (+) e se para a esquerda “levorrotatório” (-). Como referência utilizando o gliceraldeido que apresenta 2 isômeros óticos: 11 As configurações D e L estão relacionadas com o posicionamento da hidroxila (OH) do carbono assimétrico mais distante do grupo funcional (aldeído ou cetona), e necessariamente nada tem com as propriedades dextro ou levorrotatória desses compostos, exceto para o gliceraldeído. 3. CICLIZAÇÃO DE PENTOSES E HEXOSES Dependendo do comprimento da cadeia carbônica os carboidratos podem adquirir uma estrutura cíclica mantida pela ligação hemiacetal. Esta ligação explica a baixa reatividade dos grupamentos aldeídos e cetonas de alguns açúcares. Assim, a molécula de glicose pode se dobrar de modo a permitir uma aproximação entre o grupo aldeído do carbono 1 com a hidroxila do carbono 5, estabelecendo a ligação hemiacetal: Configurações e conformações Álcools reagem com grupos carbonilas de aldeídos e cetonas formando um hemiacetal ou um hemicetal, respectivamente (figura 4). Da mesma forma, a hidroxila e o grupo aldeído ou grupo cetona de um monossacarídeo podem reagir intramolecularmente para formar hemiacetais ou hemicetais cíclicos. Tais configurações podem ser representadas através da projeção de Haworth. Um monossacarídeo composto por um anel de seis membros é chamado de piranose, enquanto um monossacarídeo formado por uma anel de cinco membros é chamado de furanose (figura 5). Decxytibose cin DINA) forma linear GLICOSE forma cíclica 14  15 4.2. Oligossacarídios: São açucares compostos que hidrolisados originam monossacarídios; são classificados de acordo com o número de monossacarídios que 16 são liberados por moléculas: dissacarídios, trissacarídios, tetrassacarídios, pentassacarídios e hexassacarídios. Estudaremos apenas alguns dissacarídios. sacarose:  - glicose - 1,2 →  - frutose maltose:  - glicose - 1,4 →  - glicose lactose: - galactose – 1,4 →  glicose celobiose:  glicose – 1,4 →  glicose trehalose:  glicose – 1,1 →  glicose Maltose celobiose 19 b. Glicogênio: Reserva energética dos organismos animais, estruturalmente semelhantes à amilopectina, porém mais ramificado, isto é, com maior proporção de ligações  - 1,6, o que torna a molécula mais compacta. Apresenta peso molecular de até 2.000,000. c. Celulose: Formada de  - glucose unidas pela ligação  - 1,4; constitui a parede celular das células vegetais. 20 d. Quitina: Constitui a carapaça (exoesqueleto) dos insetos e crustáceos. É um polímero de N –acetil -  - glicosamina, altamente insolúvel. Sob o mar Descobrindo a rentabilidade que existe nos desperdicios marinhos Por Nancy Garcia A quitina é um polissacarídeo formadora da carapaça dos insetos e crustáceos. É um produto do processamento industrial de camarões, siris, lagostas, e tem novas e prometedoras aplicações industriais. A quitina é um polissacarídeos formado pela polimerização de resíduos de N-acetil glicosamina. É o segundo produto orgânico mais abundante que existe na natureza depois da celulose. É o principal componente da cutícula dos artropodos, crustáceos e insetos, estando presente em moluscos e forma parte das paredes celulares de alguns microorganismos como fungos e leveduras. Entre suas principaius características esta a abundancia, ser biodegradável e não tóxica. A carapaça dos crustaceos e camarões representam a primeira fonte para se obter quitina. As carapaças alem de conter quitina, também contem pigmentos vermelhos e proteínas com a mesma qualidade da carne do crustáceo. A quitina e um polímero muito grande parecido com a celuilose. Por não ser degradável em água, e necessariose modificar a estrutura do polímero para se obter seus derivos solúveis. Dentre estes derivados estão a qutinase, empregada como biocida , como bactericida, fungicida e herbicida, e o quitosam que serve para o tratamento de águas industriais e como um ingrediente nutritivo, pois ajuda a eliminar o colesterol, ajuda previnir doenças cardiovasculares e tem efeito anti gástrico e anti atritico. 21 O quitosan aplicado em industrias papeleiras, permite que a polpa tenha maior força para fixar as tintas e os corantes dostecidos. Na industria de alimentos é empregado como espumante e emulsificante. A través de dicho polímero se encapsulan medicamentos de liberación prolongada. Se emplea como biomaterial para hacer lentes de contacto, hilos de sotura y prótesis, ya que tiene la propiedad de ayudar a la regeneración de huesos. En el área de la cirugía plástica ayuda al reestablecimiento de los tejidos, evita la mala cicatrización, sirve para la fabricación de piel sintética y es un agente que inhibe las infecciones en heridas. Es material para la creación de películas envolventes que prolongan la vida de los alimentos perecederos como envases biodegradables. (Para ahondar en este tema, consulte la sección Marketing de esta edición y considere los beneficios de emplear estos envases en su negocio). Las oportunidades México es uno de los países con mayor producción de camarones al ocupar el séptimo lugar a nivel mundial (casi 100 mil toneladas de peso vivo durante 2001, según datos de Sagarpa). También se producen, en promedio, 20 mil toneladas anuales de jaiba, tres mil 500 de langostino y casi tres mil toneladas de langosta (todos en peso vivo). Es posible capturar estas especies en la región comprendida del Atlántico, la península de Yucatán y el Golfo de México. En la región al Este de la República se ha reportado la producción de una langostilla que, debido a su tamaño pequeño, no sirve para consumo y se considera más una plaga al ser capturada junto con el camarón y causar un sobrepeso que rompe las redes. Esta langostilla no se ha aprovechado ampliamente (sólo se le utiliza para la creación de harina para granjas camaroneras), sin embargo, se ha calculado que tiene una producción anual de 250 mil toneladas que se queda varada en las costas originando un verdadero problema ambiental. Sería ideal utilizarla para producir quitina. En la captura de crustáceos sólo se aprovecha su carne, quedando los caparazones como desperdicios; Escudero expresa que "a partir de este desperdicio se puede comenzar toda una industria dedicada a la producción de quitina y sus diferentes derivados". Por su parte, Patricia Miranda comenta que el costo de una empresa dedicada a la producción de quitina se calcula alrededor de dos millones de pesos por el tipo de instalaciones y equipo que se usa en el proceso. Escudero comenta que para instalarla se necesita básicamente un reactor de desmineralización, otro de desproteinizador, molino, secador y fermentador. Los productos pueden ser refinados lo cual aumenta su valor, por lo que se debe contar con espectrofotómetro, centrifugadora, balanza, autoclave y agitadora. La inversión en maquinaria es de alrededor de un millón de pesos. El precio de la materia prima, las cutículas de los crustáceos, no se ha establecido al ser un desperdicio, por lo mismo 24 propia para extraer la quitina y el quitosán del camarón, utilizando caparazones y cabezas de los crustáceos que para la industria pesquera son desechos. "México es el séptimo productor de camarón en el mundo, así que muchas toneladas de cabezas del crustáceo regresan al mar cada año, y grandes cantidades de caparazones se t iran día a día en las marisquerías de todo el país. Nos parece interesante sumarnos a un proceso en donde la sustancia que buscamos está en lo que otros consideran basura", explica la maestra Miranda, quien en su laboratorio ha ensayado durante varios años una forma eficiente para obtener la quitina. La patente de esta metodología para la extracción, obtención y purificación de la quitina y el quitosán está en trámite ante el Instituto Mexicano de Propiedad Industrial y de otorgarse la UNAM podrá realizar transferencias tecnológicas con este producto de origen natural. De la marisquería al laboratorio La quitina es un polímero, es decir, una molécula de gran tamaño constituida esencialmente de azúcares (es un polisacárido) y oxígeno. Sus moléculas son fibrosas, y logran un material de gran resistencia química y mecánica. "Las características más útiles para la industria están en el quitosán, un derivado de la quitina. Así que lo primero que hicimos fue conseguir en las marisquerías caparazones de diversos animales, estudiar en donde existe la sustancia en mayor cantidad, y desarrollar un método propio para extraer la quitina y transformarla en quitosán. Encontramos que los caparazones de jaibas y langostas tienen más calcio y menos quitina, mientras que las de camarón, más blandas, contienen mayor cantidad de la sustancia", explica la especialista. Ya en el laboratorio, los caparazones se limpian, se muelen hasta pulverizarse y se someten a un proceso de hidrólisis ácida, utilizando ácido clorhídrico, el cual convierte a los carbonatos en cloruros y solubiliza los minerales, básicamente el calcio. Ya desmineralizado, se aplica una hidrólisis alcalina, pues el álcali que se usa rompe la estructura de la matriz y hace solubles las proteínas, las cuales arrastran consigo grasas y pigmentos, componentes todos que constituyen el caparazón. Los pigmentos ya separados (de colores rosa y anaranjado) son un subproducto del proceso que pueden utilizarse para alimentar flamingos y salmones, especies a las que les ayuda a mantener su color característico. Después de ambas etapas se obtiene la quitina en polvo, que no es soluble en agua, lo que lo hace poco práctica para su aplicación. Así que se somete a un proceso llamado "desacetilar", que significa quitar de la sustancia una parte de su estructura, el grupo acetilo. Con esto se obtiene como derivado el quitosán, presente en el 70 por ciento de la quitosina, pero ahora ya aislado y purificado.Esta metodología es una innovación tecnológica de la maestra Patricia Miranda Castro. Las cualidades del quitosán 25 El quitosán es soluble en agua acidificada. Esta solubilidad y su viscosidad (que puede hacerse más espesa o más ligera, según se requiera) son características que lo hacen aplicable a usos variados, así como su acción de "imán bioquímico", capaz de detectar sustancias nocivas. Por ejemplo, en el estómago humano, atrapa grasas como el colesterol y los triglicéridos, a los que conduce por el intestino capturados hasta evacuarlos. Así que una aplicación farmacéutica lo utiliza como regulador del peso corporal, mientras que también sirve como regulador de la presión arterial, consecuente a la disminución de grasas. En la industria de alimentos este derivado de la quitosina se utiliza para dar consistencia y viscosidad a los aderezos para ensaladas y mayonesas, mientras que en las frutas y verduras frescas sirve como un protector antimicrobiano. Otras aplicaciones están en la industria de los cosméticos, en donde el quitosán se introduce en cremas humectantes, pues es una molécula que absorbe el agua. Algunos fabricantes de shampoo lo utilizan como ingrediente, ya que desarrolla una película que da protección y brillo al cabello. En la industria papelera, donde el principal insumo es la celulosa, el quitosán sirve para fijar y dar resistencia al papel, mientras que una de sus más prometedoras aplicaciones podría ser como plástico biodegradable, sustituyendo al plástico tradicional derivado del petróleo, uno de los materiales más utilizados en el mundo y más difíciles de degradarse, lo que genera mucha contaminación. Como material plástico alternativo, el quitosán ya ha sido sometido a pruebas en el Laboratorio de Biotecnología de la maestra Patricia Miranda Castro, quien desarrolló una especie de celofán a partir de esta sustancia natural, "una envoltura que incluso podría comerse", finaliza la especialista universitaria. e. Outros polissacarídios estruturais e de reserva: Entre os principais polissacarídeos de reserva em plantas estão o amido, os frutanos e os polissacarídeos de reserva de parede celular (PRPC). Como compostos de reserva, o amido e os frutanos possuem as vantagens de serem formados por glucose e frutose, respectivamente. Esses açúcares são prontamente utilizados pelo metabolismo de geração de energia e também fornecem carbono para a biossíntese da maioria das biomoléculas presentes em células vegetais. Cada um dos principais polissacarídeos de reserva apresenta características que fazem com que eles sejam mais convenientes para o metabolismo em certas situações. Uma dessas características é o fato que nenhum deles possui radicais livres. Esta é uma vantagem quando comparada ao acúmulo de monossacarídeos, uma vez que a presença de tais compostos 26 poderia levar à glicosilação inespecífica de elementos celulares. Outra vantagem é a relativa inatividade osmótica dos polímeros. A tabela a seguir resume as principais características dos três tipos de grupos mais importantes de polissacarídeos de reserva de plantas. Estas evidenciam diferentes funções considerando como eles são degradados e seus locais de deposição na célula e na planta. Composto de reserva Biossíntese Mobilização Localização celular Localização na planta Amido A partir de ADP- glucose Hidrólise por fosforilação Plastídeos e grânulos no citossol Sementes, caule, folhas, frutos e órgãos Frutanos A partir de sacarose por transglicosilação Hidrólise Vacúolos e fluido apoplástico Folhas, raízes, caules e órgãos subterrâneos PRPC A partir de UDP/GDP açúcares no complexo de Golgi Hidrólise e transglicosila ção Parede celular Sementes e órgãos subterrâneos Dextrana – polissacarídios elaborado pelo Leuconostoc mesenteroides a partir de sacarose. Causa viscosidade no caldo de cana bem como diminui o rendimento da cristalização da sacarose. 29 removida da parede, deixando um material residual enriquecido em ramnose, ácido urônico e glucose. Matheson e Saini (1977) reportaram a presença de duas - -galactosidases em cotilêdones de Lupinus luteus, estas enzimas aumentaram após a germinação e os autores levantaram a possibilidade do galactano estar envolvido no controle da expansão celular, além de ser um polissacarídeo de reserva. Hemicelulose Alguns autores consideram hemicelulose o material extraído da parede por extração alcalina. Para outros, trata-se de um polímero da parede celular com um tipo particular de estrutura molecular e com provável função de mobilidade. Dentre as hemiceluloses encontramos:  Galactoglucomananos: (figura 18) molécula linear, cadeia cam resíduos de D- glucopiranose e D- -4). Difere da celulose pela presença dos resíduos de manose. A razão manosil:glucosil é geralmente 3. A cadeia de glucomanano apresenta curtas ramificações: resíduos de D- -6) aos resíduos de manose.  Arabino-4-O-metilglucuronoxilano: polímero linear de D-xilose unidos por -4), com cadeias laterais de dois tipos: resíduos de 4-O-metil D- glucurônico unidos à xilose po -2) ou resíduos de L-arabinose unidos -3) ().  4-O-metilglucuronoxilano: cadeia de resíduos de D-xilopiranose unidos por -4) e substituído por resíduos de 4-O-metil-D-glucurônico unidos por ligação -2) na cadeia de xilose.  Glucomananos: semelhantes à estrutura de galactoglucomananos, com a glucose e -4).  Xilanos de parede secundária de gramíneas, () aparece grande variedade de cadeias laterais curtas1-4) D-xilano), incluindo:  L-arabinofuranose no carbono 2 ou 3 da xilose - D -glucosano e -O-metil-D-glucuronopiranose no carbono 2 da xilose  cadeias laterais mais complexa, contendo galactose e xilose  Glucanos de cadeias mistas (1-3) e (1-4),  -D-1,4-glucano -1,6 por resíduos de D- -D- galactopiranosídeos-(1,2)-D-xilopiranosídeos (figura 22). Exceto pela ausência de terminais fucosil -L- -D-galactosídeos, existe uma grande semelhança entre xiloglucanos de reserva (em sementes) e xiloglucanos estruturais de paredes primárias. Teriam funções no controle da embebição de água e xeroproteção. Foi proposta uma nomenclatura para os blocos estruturais de xiloglucano com base na cadeia principal. Glucoses não substituídas são 30 denominadas G, glucoses ramificadas com xilose são denominadas X e se a galactose está ligada à xilose, o trissacarídeo é denominado L. As proporções entre estas unidades demonstraram a existência de estruturas finas (distribuição das ramificações de galactose) específicas entre as diferentes espécies e entre populações de mesma espécie crescidas em diferentes ambientes. Apesar das diferenças em estrutura fina, todos os xiloglucanos de sementes examinados apresentam proporção de monossacarídeos muito próxima, preservando, desse modo, o total de ramificações com galactose de forma independente da sua distribuição. Já foram isoladas as quatro principais enzimas responsáveis pela degradação de xiloglucano em Tropaeolum majus, sendo : uma endo- -1,4- glucanase específica para xiloglucano ou xiloglucano endo-transglicosilase (XET); - -xilosidase ou oligoxiloglucano exo-hidrolase específica para oligossacarídeos de -glucosidase. No modelo proposto por Crombie et al. (1998) as quatro enzimas atacam o polímero de um modo sincronizado, produzindo galactose, glucose e xilose livres. Embora nenhuma evidência direta indique ainda que os xiloglucanos de sementes tenham dupla função, esta proposição pode ser feita com base no fato de que os xiloglucanos possuem propriedades hidrodinâmicas muito semelhantes às encontradas em galactomananos, isto é, os xiloglucanos teriam funções no controle da embebição de água e xeroproteção. É interessante observar que, as relações entre estrutura e função em xiloglucano estão nas mudanças de estrutura fina que são também relacionadas com o posicionamento das galactoses na molécula. O grau de ramificação dos mananos define suas relações estrutura-função. Quanto menos ramificado, maior a indicação de que a função biológica está relacionada com a dureza e a proteção do embrião. Por outro lado, quanto maior o grau de ramificação, mais solúvel o polissacarídeo e maior a participação deste em funções como as relações hídricas. Mananos e galactomanos são moléculas multifuncionais, desempenhando suas funções durante fases distintas do crescimento e desenvolvimento das plantas.  Mananos puros são artificialmente definidos como contendo mais de 90% de não o restante estar ramificado com galactose. São estruturalmente relacionados aos galactomananos, apenas apresentando um grau menor de ramificação com galactose. Abaixo de 10% de ramificações, os mananos tornam-se insolúveis e precipitam rapidamente em solução aquosa. Assim, os mananos são estruturalmente relacionados aos galactomananos, apenas apresentando um grau menor de ramificação com galactose. Os mananos, portanto, apresentam alto grau de interatividade intermolecular, formando cristais na parede celular, o que 31 confere dureza e diminui sua solubilidade. São encontrados em endospermas de sementes de espécies como Phoenix dactylifera, Phytelephas macrocarpa e Coffea arabica. Aparentemente tem outras funções além de reserva, eles conferem dureza às sementes que os acumulam e isso pode ser associado com um sistema de proteção do embrião contra danos mecânicos. Sendo assim, os mananos exerceriam as funções de constritor e protetor mecânico do embrião e também de polissacarídeos de reserva.  Galactomananos são compostos por uma cadeia linear de resíduos de manose -1,4 à qual resíduos de galactose estão unidos em endospermas de sementes de leguminosas. A razão manose:galactose e a distribuição dos resíduos de galactose ao longo da cadeia de manose variam de espécie para espécie, sendo importante para estudos quimiotaxonomicos e evolutivos. As três famílias de Leguminosae podem ser distinguidas utilizando-se este parâmetro. A mobilização de galactomananos foi estudada em leguminosas, -galactosidase, endo- - -manosidase) confirmando que a mobilização do galactomanano ocorre através da hidrólise. Em todos os casos estudados, o polissacarídeo é desmontado até seus monossacarídeos constituintes (manose e galactose) ao mesmo tempo em que há produção de sacarose. Além do papel de reserva, o galactomanano influencia no fluxo de água devido a sua maior solubilidade nos primeiros estágios da germinação. Este polissacarídeo absorve grande quantidade de água e redistribui ao redor do embrião. O endosperma embebido protege o embrião contra perda de água através de um efeito conhecido como “tampão de água” durante períodos de seca pós-embebição. 5. FATORES ANTINUTRITIVOS DE NATUREZA GLUCÍDICA: a. Linamarina: carboidratos cianogênio encontrado em certas variedades Mecanismo de detoxicação da planta: CN  + S2O3 =  SCN  + SO3 = O tiocianato (SCN ¯ ) impede a captação de iodo pela tireóide, causando o bócio. A intoxicação crônica com cianeto (CN¯), acarreta a Neuropatia Tropical, que se caracteriza por alteração irreversíveis das células nervosas, provocando falta de coordenação dos movimentos e uma apatia generalizada. A ocorrência de bócio no litoral nordeste brasileiro pode ser atribuído ao elevado consumo de produtos de mandioca. b. Fatores causadores de flatulência: Muitos legumes ( feijão, soja, etc. ) apresenta os oligossacarídios rafinose, estaquiose e verbascose, que escapam á digestão por não 34 El I-3-C tiene un efecto importante protector contra la autoinmunidad. Las pruebas demostraron que este complemento alimenticio redujo drásticamente la enfermedad renal autoinmune. Después de un año, todos los animales que recibieron el complemento todavía estaban vivos, comparado con solamente el 30 % de los controles. Dos meses más tarde, todos los controles habían muerto, mientras que muchos de los ratones que recibieron el I-3-C sobrevivieron otros 6 meses y unos pocos sobrevivieron durante más de 20 meses; casi el 50 % más que los ratones controles. Se ha notado en forma interesante que la restricción calórica podría tener los mismos efectos en los ratones autoinmunes (Ogura M, Ogura H, Lorenz E, Ikehara S, Good RA. Undernutrition without malnutrition restricts the numbers and propor tions of Ly-1 B lymphocytes in autoimmune (MRL/I and BXSB) mice. Proc Soc Exp Biol Med. 1990 Jan;193(1):6-12). La restricción calórica revierte la autoinmunidad y extiende el período de vida. Pues bien, se cree que el I-3-C puede imitar los efectos de la restricción calórica y prolongar el período de vida (Howitz KT, Bitterman KJ, Cohen HY, et al. Small molecule activators of sirtuins extend Saccharomyces cerevisiae life span. Nature. 2003 Sep 11;425 (6954):191-6. Epub 2003 Aug 24). El I-3-C y la restricción calórica afectan a un proceso conocido como metilación (Morse MA, LaGreca SD, Amin SG, Chung FL. Effects of indole-3-carbinol on lung tumorigenesis and DNA methylation induced by 4-(methylnitrosamino)-1-(3- pyridyl)-1- butanone (NNK) and on the metabolism and disposition of NNK in A/J mice. Cancer Res. 1990 May 1;50(9):2613-7). Puedo mencionar que la metilación es una reacción bioquímica que sucede en forma natural dentro de nuestro cuerpo. Este proceso disminuye con la edad y se altera con la autoinmunidad (Yung R, Ray D, Eisenbraun JK, et al. Unexpected effects of heterozygous dnmt1 null mutation on age-dependent DNA hypomethylation and autoimmunity. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2001 Jun;56(6):B268-76). Las últimas tendencias en la investigación nutricional y oncológica están examinando cómo ciertos compuestos fitoterapéuticos afectan a los genes, utilizando microarreglos de ADN. Los microarreglos para el I-3-C muestran que esta substancia natural ejerce un potente efecto en los genes relacionados con el cáncer. Entre otras cosas, estas substancias activan a los genes tumorales supresores, a otros genes que destruyen a las células cancerosas y a los genes que nos desintoxican de agentes químicos. También el I-3-C suprime genes que capacitan a las células cancerosas a comunicarse con otras células. Esta capacidad para entrar en las células cancerosas y activar o desactivar genes es una poderosa arma contra el crecimiento del cáncer. Esta habilidad para ejercer estos efectos sin alguna toxicidad (como lo hace el I-3-C) lo convierte en un agente quimiopreventivo extremadamente deseable. En pocas palabras, el I-3-C se usa para la prevención y tratamiento del cáncer de mama, cáncer de colon y otros tipos de cáncer. También se usa oralmente para fibromialgia, papilomatosis laríngea, displasia cervical y en varias enfermedades autoinmunes como el lupus eritematoso sistémico. Varios estudios demuestran que es útil para equilibrar los niveles hormonales, desintoxicar a los intestinos y el hígado y para apoyar al sistema inmunológico 35 Couve-brócolo - potenciais efeitos anticancerígenos Ana Sofia Rodrigues (1), Eduardo Rosa (2). (1)Escola Superior Agrária de Ponte de Lima, Mosteiro de Refoios, 4990-706 Ponte de Lima, Portugal, (2) Universidade Trás-os-Montes e Alto Douro, Dpt. Fitotécnia, Apartado 202, 5001-911 Vila Real, Portugal. Resumo As plantas da família Brassicaceae, incluindo a couve-brócolo, apresentam um grupo de compostos secundários, os glucosinolatos, com reconhecidas propriedades anticancerígenas, especialmente os hidrolisados do glucosinolato glucorafanina e dos glucosinolatos indólicos. Contudo, os potenciais benefícios na saúde dependem das concentrações destes compostos que por sua vez dependem das variedades consumidas e das condições de crescimento da cultura. Neste estudo, avaliou-se a variação do teor em glucosinolatos, nas inflorescências primárias e secundárias de onze cultivares de couve-brócolo, em duas estações de crescimento, Primavera-Verão e Verão-Inverno. Os teores em glucosinolatos foram significativamente superiores no Verão-Inverno. Nesta estação os teores mais elevados ocorreram nas inflorescências secundárias. O grupo dos glucosinolatos indólicos representou entre 19 e 77% dos totais. A glucorafanina foi o glucosinolato que surgiu em maior concentração (>500 moles.100 g-1 PS) em todas as cultivares. Considerando o potencial efeito anticancerígeno do isotiocianato derivado da glucorafanina, sulforafano, a cultivar Shogun destaca-se das outras por apresentar maiores teores desse glucosinolato. 3- Butenilglucosinolato (GLUCONAPINA) Glucosinolatos y derivados = Los glucosinolatos están presentes en la familia de las eruciferas: coliflor, brócoli, col, coles de bruselas, nabos, mostaza = su estructura general es la siguiente 36  39 2- Hidróxi –3- butenil glucosinolato (PROGOITRINA) CH2 = CH – CH – CH2 – NCS + HSO  4 + C6H12O6 ( - glicose)  OH 2- Hidróxi –3- butenil isotiocianato 5- Vinil oxazolidina –2- tiona (5-vinil-2-tioxazolidina) (GOITRINA) 40 Lipídios 1. CONCEITO Os lipídios constituem, juntamente com os carboidratos e proteínas outra classe de substâncias consideradas como alimento. Os seus representantes são compostos bastante heterogêneos, das mais variadas funções químicas, que se caracterizam pela insolubilidade em água e solubilidade em solventes orgânicos (éter, acetona, álcool, clorofórmio, etc.). Essa natureza hidrofóbica é conseqüência da natureza química da molécula, que possui extensas cadeias de carbono e hidrogênio, lembrando muito os hidrocarbonetos. São considerados os mais energéticos dos alimentos devido a essas cadeias hidrocarbonetadas, apresentando o átomo de carbono em estágio bastante reduzido, isto é, com baixo número de oxidação, devido ao baixo teor de oxigênio na molécula. Composição química elementar (%) K cal/g________ Classe C O H N____________________ Proteína 53 23 7 16 4 Carboidratos 44 49 6 _ 4 Lipídios 76 11 12 _ 9___________ Constituem, portanto, uma excelente opção para a célula viva ou organismo qualquer, o armazenamento de energia química na forma de lipídios. Do ponto de vista estrutural os lipídios constituem as membranas de permeabilidade diferencial como a membrana citoplasmática e as membranas que revestem as organelas e outras entidades de atividade bioquímica especializadas (como o retículo endoplasmático, o sistema lamelar dos cloroplastos, etc.). Alguns representantes dessa classe ainda desempenham funções altamente especializadas como algumas vitaminas e a clorofila (pigmento receptor da energia radiante no processo fotossintético). 2. CLASSIFICAÇÃO Segundo suas propriedades químicas, os lipídios podem ser classificados em: 2.1 Lipídios neutros glicerídios monoglicerídios ceras diglicerídios triglicerídios 2.2 fosfatídios 2.3 esfingolipídios 2.4 glicolipídios 2.5 lipoproteínas 2.6 terpenóides carotenóides esteróides 41 3. TRIGLICERÍDIOS Constituem a quase totalidade da fração lipídios de uma dieta alimentar ou uma reação animal. É também a forma pela qual os organismos animais ou vegetais armazenam parte significativa da energia química. Quimicamente são ésteres do glicerol e ácidos graxos, produtos esses que são obtidos mediante hidrólise dos triglicerídios. As propriedades físico–químicas os triglicerídios são regidas pela natureza dos ácidos graxos integrantes, desde que o glicerol é comum a todos eles. 3.1. Hidrólise dos triglicerídios: Existem 3 modalidades de se promover a hidrólise dos triglicerídios: 1. hidrólise ácida (reversível) 2. hidrólise alcalina ou reação de saponificação (irreversível). 3. hidrólise enzimática (pela ação das lípases) Da hidrólise alcalina resulta um sal sódico ou potássico (conforme se use NaOH ou KOH para a hidrólise) do ácido graxo, o qual é denominado de sabão, com propriedade detergente. Para que uma substância manifeste propriedade detergente, a mesma deve apresentar em sua molécula, uma porção hidrofóbica (apolar) e outra hidrofílica (polar). Os detergentes, estabelecendo uma ponte, aproximando as moléculas polares (água) das moléculas apolares (gordura), promove a solubilização ou emulsificação das gorduras e dos óleos. 3.2. Ácidos Graxos: São ácidos carboxílicos que apresentam um radical R de natureza graxa ou apolar: R – COOH, onde R deve se apresentar com mais de 4 átomos de carbono em estágio reduzido. De um modo geral, aumentando-se o número de átomos de carbono na molécula, aumenta-se o ponto de fusão do ácido graxo (até 8 átomos de carbono os ácidos carboxílicos são líquidos; com 1 e 2 átomos de C, são voláteis). A presença da dupla ligação na cadeia do ácido graxo diminui o ponto de fusão do mesmo. Figura 17.20 Carbono Esboço da biossintese do metil (m) sie colesterol. Í f CHy qu C(H—C—S—COA — HO-C—CH, — [HC= at ai? Carbono Hgom carbonil (ey Mevalonato AcetibiCor cas cn, HE C=CH—CH CH C=CH— Cj (CH CH= CH Esqualeno 44  45 A margarina, obtida pela hidrogenação catalítica do óleos vegetais com a finalidade de dar aos mesmos a consistência sólida da manteiga, não se constitui num substituto adequado desta, quando se pretende evitar os inconvenientes da gordura animal. Isto porque a característica desejável dos óleos vegetais (presença de ácidos graxos poliinsaturados) é alterada quando se efetua a hidrogenação dos mesmos para se obter um produto de maior ponto de fusão 4. CÊRAS Quimicamente são ésteres de ácidos graxos de cadeia longa com alcoois monohidroxilados também de cadeia longa (16 a 36 átomos de carbono) A . cêra de abelha (palmitado de miricila) B. cêra de carnáuba (cerotato de miricila) Devido á natureza das cadeias tanto do ácido graxo como do álcool, tais compostos são bastante hidrofóbicos, altamente insolúveis em água, razão pela qual plantas e animais optaram por uma camada cerosa para proteção e impermeabilização. Assim certas plantas apresentam uma camada de cêra (cutícula) para proteção da epiderme; aves aquáticas efetuam a impermeabilização das penas com auxílio de matéria cerosa das glândulas cericígenas. 5. FOSFATÍDIOS São derivados do ácido fosfatídico. Um representante desse grupo é a lecitina, que está associada ás membranas de permeabilidade diferencial, com função ainda pouco conhecida, talvez regendo o transporte de substâncias através dessas membranas. 46 6. GLICOLIPÍDIOS Citamos os galactolipídios e sulfolipídios, encontrados no tecido fotossintetizador das plantas. Suas funções não são bem conhecidas. 7. LIPOPROTEÍNAS São associações entre proteínas e lipídios, especialmente fosfolipídios, que se arranjam segundo a polaridade das moléculas, sem envolvimento de ligação covalentes. As membranas de permeabilidade diferencial (citoplasmática e aquelas que revestem as organelas celulares, bem como o retículo endoplasmático e o sistema lamelar dos cloroplastos) são constituídos de lipoproteínas. 8. TERPENÓIDES, CAROTENÓIDES E OUTROS COMPOSTOS DE NATUREZA LIPÍDICA Como os lipídios congregam compostos da mais variada natureza química, encontramos representantes desempenhando funções altamente especializadas, além daquelas já mencionadas (funções energética e estrutural). Assim, algumas vitaminas bem como pigmentos receptores de energia radiante no processo fotossintético, são exemplo de lipídios desempenhando outras funções. AMINOACIDOS E PROTEINAS AMINOÁCIDOS 1. CONCEITO Como o nome indica, os aminoácidos são compostos que carregam em suas moléculas um grupo amino (de caráter básico) e um grupo carboxílico (de caráter ácido). São eles as entidades que constituem as proteínas, e o conhecimento de suas estruturas se reveste de um particular interesse pelas propriedades que conferem á molécula protéica que integram. 49 Curva de Titulação da Metilamina: 2.3. Titulação de um amino ácido neutro (alamina): Formas Iônicas  Carga eletroforética +1 Curva de titulação da alamina: Problema: Quais as formas iônicas existentes, bem como as proporções das mesmas para alamina no pH fisiológico (7.0)? Resposta: a forma iônica da alamina mais abundante no pH fisiológico (7.0) é a forma =99, 81%, desprovida de carga eletroforética: 2.4. Titulação de um minoácido dicarboxílico: ácido aspártico 50 Curva de Titulação do Ácido Aspártico: 3. Curva de titulação obtida quendo 20 ml de ácido aspártico HCI0,1M são titulados com NaOH0,1M Problema: Calcular as proporções das formas iônicas do ácido aspártico existentes no pH fisiológico (Ph=7,0). PH=Pk+log R PH=7,0 PK=pK3=9,8 (o mais próximo de 7,0)  do grupo -amino R= cone. da forma protonizada em relação ao grupo amino= IV coc. da forma protonizada em relação ao grupo amino III Substituindo: 7 = 9,8 +log IV III 7 = 9,8 + log R log R = 7-9,8 = -2,8 log 1 = 2,8 R 1 =629 ou R = _1_ = R 629 R = __1_ = IV 51 629 III III = 629 . IV III + IV = 100% (1) substituindo o valor de III em (1), temos: 629 . IV “+ IV = 100% 630 . IV = 100% IV = _100_ = 0,16 % 630 [III] = 629 X 0,16 (0,1587301) [III] = 99,84 % Resposta: A forma mais abundante (99,84%) é a forma III, carregada negativamente. 2.5. Titulação de um aminoácido básico (lisina): Problema: Qual é e em que proporção se apresenta a forma iônica mais abundante do aminoácido lisina no pH fisiológico (7,0)? PH = pK + log R PH = 7,0 PK = Pk2 = 9,0 ( o mais próximo de 7,0; corresponde ao grupo -amino) R = conc. da forma desprotonizada em relação ao grupo -amino = [III] conc. da forma protonizada em relação ao grupo -amino [II] Substituindo: 54 Outros aminoácidos além desses podem ser encontrados. Assim L-hidroxilisina e L- hidroxiprolina sçao abundantes no colágeno apenas e por isso denominados de aminoácidos protéicos raros. Muitos aminoácidos não são encontrados em proteínas, mas ocorrem na forma livre. São os aminoácidos não protéicos, que atualmente são em número de aproximadamente 200, encontrados comumente no reino vegetal. Alguns desempenham funções conhecidas (como a ornitina e citrulina que participam do ciclo da uréia em plantas e animais, e a beta – alanina que faz parte da estrutura do ácido pantotênico) enquanto a maioria não tem uma função fisiológica definida. Alguns deles se mostram tóxicos para animais e humanos, como o ácido , - diaminobutírico, encontrado nas sementes da Lathirus sativus o qual causa o Neurolatirismo (fraqueza muscular a paralizia dos membros inferiores). Citrulina: encontrado pela 1ª vez em Citrullus vulgaris melancia PROTEÍNAS 1. CONCEITO São polímeros formados pela união dos aminoácidos, unidos que são pela ligação peptýdica. Tais polímeros apresentam peso molecular entre 10.000 a alguns milhões de Daltons. A ligação peptídica é aquela que se estabelece entre a carboxila (-COOH) de aminoácido com o grupo amino (-NH2) de outro aminoácido: 55 A ligação peptídica é de natureza covalente. Se une dois aminoácidos teremos um dipeptídio; se une três, um tripeptídio, e assim por diante. As proteínas podem ser consideradas polipeptídios. 2. NÍVEIS ESTRUTURAIS BÁSICOS A cadeia polipeptídica busca um estado de maior estabilidade termodinâmica, que é atingido após rearranjos levando a proteína á níveis estruturais complexos. Tais níveis podem ser estendidas como as seguintes estruturas: 3. Estrutura primária: é a seqüência de aminoácidos na cadeia polipeptídica. É mantida pela ligação peptídica. Com os 21 aminoácidos normalmente encontrado nas proteínas podemos arranja-los formando polipeptídios com 100 até alguns milhares de aminoácidos. Tais arranjos permitem a formação de um número extremamente grande de diferentes moléculas protêicas que possivelmente possam existir. 2.2. Estrutura Secundária: a cadeia polipeptídica pode adquirir a forma de uma espiral voltada á direita, estrutura essa chamada de  - hélice é estabilizada por pontes de hidrogênio que se estabelece entre o grupo carbonilo (=C=O) de uma ligação peptídica com o grupo imido (=NH) da 3ª ligação peptídica na seqüência regular da cadeia. A estrutura secundária também pode se manifestar na forma de “folha pregueada”. 2.3. Estrutura Terciária: diz respeito ao dobramento da cadeia polipeptídica sobre se mesma, se enovelando e adquirindo uma chamada estrutura globular, mais compacta. A manutenção de tal estrutura é atribuída ás diferentes reatividades dos radicais R dos aminoácidos componentes, e tal estrutura está intimamente relacionada com as propriedades catalíticas das proteínas biologicamente ativas, como as enzimas. Entre as ligações envolvendo os radicais R, e responsáveis pela estruturação terciária, podemos observar: a. ligações ou interações eletrostáticas – entre a carboxila dissociada (-COO-) e grupos protonizados (amino, guanidino ou amidazol). b. pontes de hidrogênio c. interação hidrofóbica 56 d. interação dipolo – dipolo com radicais de polarização semelhantes) e. ligação ou ponte de dissulfeto (ligação covalente que se estabelece entre 2 átomos de S de dois resíduos de cisteína). Alguns tipos de ligações não – covalentes que estabilizam a estrutura protéica: a) interação eletrostática; b) ligação de hidrogênio entre resíduos de tirosina e grupos carboxílicos nas cadeias laterais; c)interação hidrofóbica de cadeias laterais não – polares causada pela mútua repulsão de solventes; d) interação dipolo – dipolo; e) ligação de dissulfeto, uma ligação covalente [De acordo com C. B. Anfinsen, The Molecular Basic of Evolution, John Wiley and Sons, Nova Iorque, p. 102,1959]. Representação esquemática das cadeias polipeptídicos de proteínas bem definidas. C indica o carboxilo de aminoácido terminal; N grupo amino livre do aminoácido terminal; os números em parênteses são os radicais de aminoácidos; -S-, ligações de dissulfeto. 2.4. Estrutura Quaternárias: é apresentada por apenas algumas proteínas, e quase sempre biologicamente ativas; tal estruturação pode ser definida como o grau de polimerização de unidades protéicas formando dímeros, trímeros, tetrâmeros, etc. As forças que mantém a estrutura quaternária são as mesmas responsáveis pela manutenção da estrutura terciária. Em alguns casos, cátions metálicos (Ca ++ , K + , Mg ++ , Mn ++ , etc.) auxiliam a manutenção da estrutura quaternária. Assim a fosforilase “a” (tetrâmero) é formada pela união de 4 subunidade protéicas e manifesta atividades catalítica. Já na forma de dímero (fosforilase “b”) a mesma é inativa. Um tetrâmero de unidades protéicas ilustrado quaternária de uma proteína globular complexa 3. DESNATURAÇÃO DAS PROTEÍNAS Vem a ser qualquer desarranjo nas estruturas secundárias, terciárias ou quaternária de uma proteína. As enzimas assim que desnaturadas perdem a atividade catalítica. Os agentes 59 QUESTIONÁRIO 1. Qual é o objetivo da Bioquímica? 2. O que vem a ser metabolismo? 3. O que é um carboidrato? 4. O que é uma ligação hemiacetal? O que é uma ligação glicosídica? 5. O que vem a ser um açúcar redutor? 6. Por que a sacarose não é redutora? 7. Por que a célula prefere armazenar como reserva energética, carboidrato na forma de polissacarídio? 8. Quais os fatores antinutricionais de natureza glucídica encontrados na mandioca, nas crucíferas e nos legumes? O que causam tais substâncias? 9. Cite carboidratos desempenhado função estrutural e energética em animais e vegetais 10. O que é um lipídio? 11. Por que são os mais energéticos dos alimentos? 12. O que resulta da hidrólise de um triglicerídio? 13. Qual a relação entre a resistência ás geadas e a proporção de ácidos graxos poliinsaturados nas membranas dos vegetais? 14. Por que os óleos vegetais são recomendados aqueles que apresentam distúrbios cardiovasculares? 15. Como se classificam os lipídios? 16. A margarina é boa substituta da manteiga quando se pretende evitar os inconvenientes da gordura animal? 17. Cite lipídios desempenhando função estrutural, função energética e outra função específica. 18. Por que os aminoácidos são estruturas polares? 19. Qual é o significado do pk de um grupo ionizável? 20. Cite alguns aminoácidos não protéicos. 21. Cite um aminoácido tóxico, onde é encontrado e qual o distúrbio de sua ingestão. 22. O que é uma ligação peptídica e como pode ser rompida? 23. O que vem a ser estrutura primária, secundária e terciária de uma proteína e quais as ligações que as mantém? 24. O que vem a ser desnaturação de uma proteína e quais os agentes que efetuam tal desnaturação? 60 ENZIMAS 1. INTRODUÇÃO Uma peculiaridade interessante da célula viva é a de permitir que em seu interior ocorram reações complexas a uma velocidade razoável á temperatura do meio. Tais reações não ocorreriam ou se processariam muito lentamente aquela temperatura, se na ausência da célula. Isso é possível devido a presença de catalizadores biológicos: as enzimas ou biocatalizadores. As enzimas são proteínas sintetizadas pela própria célula que aceleram reações termodinamicamente possíveis, não alterando a constante de equilíbrio (k) e nem a variação de energia livre da reação (G). Como catalizadores operam em concentrações extremamente baixas em relação á quantidade de substrato transformada. Sendo uma proteína, a enzima perde a sua atividade catalítica assim que desnaturada (a enzima fica inativa). Outra propriedade das enzimas vem a ser a sua especificidade: milhares de diferentes enzimas ocorrem no interior da célula. 2. MODALIDADE DE SE AUMENTAR A VELOCIDADE DE UMA REAÇÃO 2.1. Pelo Aumento da Temperatura: o aumento de temperatura causa um aumento na energia cinética das moléculas (Ec) tornando-as mais aptas a transpor a barreira energética estabelecida pela energia de ativação (Ea). 2.2. Pela Diminuição da Energia de Ativação: A energia de ativação é uma quantidade de energia que deve ser fornecida ás moléculas reagentes, para atingir o estado excitado e se iniciar a reação. Supõe-se que as enzimas, como os demais catalizadores, diminuam a energia de ativação requerida para que a reação ocorra. Hidrólise da uréia: CO (NH2)2 + H2O __H+__ CO2 + 2 NH3; Ea= 24.600 cal/mol CO (NH2)2 + H2O _uréase CO2 + 2 NH3; Ea= 6.800 cal/mol Decomposição da água oxidada: H2O2 __Fe + +__ H2O + 1 O2, Ea= 10.100 cal/mol 2 H2O2 __catalase__ H2O + 1 02, Ea= 1.700 cal/mol 2 61 3. EQUAÇÃO DE MICHAELIS – MENTEN No inicio da reação (tempo zero) existe apenas enzima e substrato.Após um lapso de tempo ocorre a formação do complexo enzima-substrato e daí a dissociação do mesmo para formar o produto da reação (P). Durante o transcurso da reação, o produto deve ser formado com uma velocidade constante, estando a reação no seu estado de equilíbrio dinâmico. Para que a velocidade de formação de produto seja constante a concentração do complexo enzima-substrato (ES) igualmente deverá ser constante: Para que [ES] seja constante a velocidade de sua dissociação (v2+v3). Experimentalmente, em laboratório, podemos controlar a concentração de substrato [S] e a concentração de enzima adicionada [E]. Seja portanto: [E] = concentração de enzima adicionada [S] = concentração de substrato [ES] = concentração do complexo enzima-substrato no estado de equilíbrio dinâmico [E] = [ES] = concentração de enzima livre Sabemos que V1= V2+V3 (I), para que [ES] seja constante. V1 = K1 {[E]} – [ES]}.[S] V2 = K2 . [ES] V3-K3 . [ES] = velocidade de formação de produto = v (medida experimentalmente). Substituindo em I: K1 {[E] – [ES]}. [S] = K2 [ES] + K3 [ES] K1 [E] . [S] - K1 [ES] [S] = [ES] (K2 + K3) Dividindo-se por K1 [E] [S] – [ES] . [S] = [ES] . K2 + K3 K1 K2 + K3 = Km (constante de Michaelis) K1 [E] . [S]– [ES] . [S] = [ES] . Km [ES] . Km + [ES] . [S] = [E] . [S] [ES] . (Km + [S]) = [E] . [S] [ES] = _[E] . [S]_ Km + [S] Multiplicando-se ambos os membros por K3, teremos: K3 [ES] = _K3 [E] . [S]_ 64 4. FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DE UMA REAÇÃO ENZIMÁTICA 4.1. Efeito da Concentração de Enzima A velocidade máxima (Vm) é proporcional á concentração de enzima [E], mas Km constante que independe da concentração de enzima. 4.2. Efeito da Concentração de Substrato: foi estudado na equação de Michaelis-Menten. 4.3. Efeito da Concentração Hidrogenioiônica (Ph): Em valores extremos de pH (maiores que 10 e menores que 3) ocorre o efeito desnaturante do ácido ou da base sobre a enzima; igualmente o efeito da força iônica elevada pode desnaturar a enzima. Já em regiões próximas ao pH ótimo, pequenas alterações no pH acarretam alterações na configuração espacial dos sítios ativos, facilitando ou dificultando a entrada do substrato no mesmo. O pH no interior da célula está ao redor da naturalidade (pH = 6 ou 7) sendo adequado para a maioria das enzimas. A célula regula o metabolismo exercendo um controle sobre o pH em algumas regiões da célula. Em algumas ocasiões as enzimas estão adaptadas ás condições de pH do meio, nem sempre próxima á neutralidade. 4.4. Efeito da Temperatura: Sabe-se que a cada aumento de 10°C resulta numa duplicação da velocidade de uma reação química qualquer. Um aumento da temperatura, além de aumentar a energia das moléculas regentes, promove a termo-desnaturação das enzimas, tornando-as inativas. Essa é a razão existência de uma temperatura ótima, onde a velocidade de reação é máxima. 65 A zero graus centígrados podemos ter 100% das moléculas enzimáticas ativas, aptas a catalizarem a reação, mas as moléculas possuem baixa energia cinética e a reação não ocorre. Aumentando-se a temperatura, aumenta-se a energia cinética das moléculas, mas igualmente aumenta-se proporção de enzimas desnaturada (inativa). Geralmente acima de 50%C a velocidade de reação é nula, pois que a despeito da elevada energia cinética das moléculas reagentes, todas as enzimas já sofrem termodesnaturação. Algumas enzimas são particularmente resistentes á elevadas temperaturas, como a polifenoloxidase que manifesta atividade catalítica mesmo a 80°C. 4.5. Efeito de Inibidores: Inibidores são substâncias da mais variada natureza química, que penetram no sítio ativo das enzimas, prejudicando a ação da catálise. Tais substâncias, são, geralmente, estranhas ao metabolismo celular. Dependendo do mecanismo de ação eles podem ser considerados inibidores competitivos ou inibidores não competitivos. 4.5.1. Inibidores Competitivos: Tais inibidores apresentam semelhança estrutural com o substrato, ocupando o sítio ativo sem sofrerem transformações. Como exemplo desse tipo de inibição temos o ácido malônico inibindo a desidrogenase succínica (enzima do ciclo de Klebs), cuja cinética de inibição apresenta as seguintes características: A cinética dessa inibição demonstra que Vm é atingida mesmo na presença do inibidor, mas Km é aumentada. Concluímos que o inibidor é deslocado do sítio ativo mediante aumento na concentração de substrato. Tal tipo de inibição é reversível. 4.5.2. Inibidores não Competitivos: Esses inibidores se ligam de maneira irreversível no sítio ativo, mediante ligação covalente, não sendo deslocados mediante aumento na concentração de substrato. Tais conclusões são obtidas da cinética de inibição que apresenta as seguintes características. O fluoracetato (FCH2-COOH) encontrado em certas plantas tóxicas do gênero Policourea, os metais pesados (Hg, Pb, Cd, etc.), o gás de guerra (ou gás dos nervos ou Lewisita) assim como os inseticidas organo-fosforado são potentes inibidores da acetil-colinesterase e de outras 66 enzimas que apresentam o grupo sulfidrila (-SH) no sítio ativo. Tais inibidores se ligam de maneira irreversível com a sulfidrila do sítio ativo. 4.6. Efetores Alostéricos: São substâncias consideradas metabólitos normais da célula, que as alojam no sítio alostérico de algumas enzimas (que recebem a denominação de enzima alostéricas ou reguladoras). O efetor alostético entrando no sítio alostérico causa uma alteração na conformação espacial do sítio ativo podendo facilitar ou dificultar a entrada do substrato no sítio ativo. O seu efeito, portanto, é de acelerar ou retardar a velocidade de uma reação, e o efetor é qualificado de positivo ou negativo, respectivamente. A alosteria se constitui num mecanismo para a célula acelerar ou retardar a velocidade das reações enzimáticas com o propósito de se controlar o metabolismo. Aumentando-se a concentração do efetor alostérico positivo, aumenta-se a velocidade de reação. Aumentando-se a concentração do efetor alostérico negativo, diminuiu-se a velocidade de reação. Um dentre os inúmeros exemplos de alosteria é o controle na arginina a partir de ácido aspártico. Tal mecanismo também é denominado de retroinibição, inibição pelo produto fina ou “feed- back”. Tem por objetivo evitar que o ácido aspártico seja consumido desnecessariamente (quando a síntese protéica já não é necessária) visto que o mesmo também é usado na síntese de outros constituintes celulares. 4.7. Cofatores Enzimáticos: São compostos da mais variada natureza química que auxiliam a catálise. Se subdividem em: a. grupo prostético: estrutura não protêica ligada covalentemente á proteína enzimática: FMN = flavina-mononucleotídio FAD = flavina-adenina dinucleotídio 69 A rigor: H = G + TS ou G = H -TS, onde: H= variação de energia entalpia (variação calórica quando a reação se processa sob pressão constante) G= variação de energia livre (utilizada para realizar trabalhos) S= variação de entropia (mede o grau de desordem de um sistema). Os processos físicos e químicos se conduzem no sentido de se aumentar a entropia. Numa reação em que A  B, podemos derivar a seguinte expressão: G= G0 + RT1n B A onde G0 é a variação de energia livre padrão, R é a constante universal dos gases (1987 cal/mol/grau), T é a temperatura absoluta e B e A são as concentrações em molaridade. Para uma condição de equilíbrio químico não há conversão líquida de A em B e portanto G=O. Igualmente a relação B  A corresponderá a constante de equilíbrio Keq. Teremos então: O=Go + RT 1n Keq Go=-RT 1n Keq Para uma condição de 25oC, portanto T= 273+25=2980K, teremos: G0=-1,987X298X1n Keq Go= -1,987x298x2,303 log Keq=-1.363 log Keq A tabela abaixo relaciona, Segundo a equação acima, a Keq com o correspondente valor de Go Relação entre Keq e G 0 Keq log1 0Keq G 0 = -1.363 log1 0Keq (cal) 0,001 -3 4.089 0,01 -2 2.726 0,1 -1 1.363 1,0 0 0 10 1 -1.363 100 2 -2.726 1000 3 4.089 Para uma situação em que A=B = 1M, temos: G=G 0 + RT 1n 1 G=G 0 70 ou seja, G 0 pode ser definida como a variação de energia livre quando reagentes e produtos estão presentes em concentrações unitárias, ou seja no “estado padrão”, se H + são produzidos ou utilizados na reação a sua concentração deve ser considerada 1M ou pH=O. Como na célula as reações não ocorrem em pH=O, mas sim ao redor de pH=7,0, o valor deGo é corrigido para Go se a reação em questão envolver H + . Alguns metabólitos e a variação de energia livre de sua hidrólise são apresentados na tabela abaixo: ____ Composto Gó a pH 7,0 (cal/mol)___ fosfoenol piruvato -12.800 1,3-difosfoglicerato -11.800 ATP -8.000 glicose-1-fosfato -5.000 frutose-1-fosfato -3.800 glicose-1-fosfato -3.300 ____________________________________________________ 3. COMPOSTOS RICOS EM ENERGIA Vem a ser qualquer composto que por hidrólise libere mais que 7.000 cal/mol, ou seja, que apresente G menor que –7.000 cal/mol. Entre tais compostos podemos identificar as seguintes características: b. compostos pirofosfatados (anidridos de ácido fosfórico). A repulsão entre os átomos de fosfórico, polarizados positivamente, causa uma instabilidade na molécula que é aliviada pela hidrólise. A hidrólise do primeiro radical fosfato é acompanhada da liberação de 8.000 cal/mol. Estrutura do ATP 71 The Nature of ATP Adenosine triphosphate (ATP), the energy currency or coin of the cell, transfers energy from chemical bonds to endergonic (energy absorbing) reactions within the cell. Structurally, ATP consists of the adenine nucleotide (ribose sugar, adenine base, and phosphate group, PO4 -2) plus two other phosphate groups. A 2-D stick view of the structure of ATP. The above drawing of ATP is from EcoCyc at http://hapuna.ai.sri.com:1555/new-image?type=COMPOUND-IN-PATHWAY&object=ATP A cartoon and space-filling view of ATP. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com), used with permission. Energy is stored in the covalent bonds between phosphates, with the greatest amount of energy (approximately 7 kcal/mole) in the bond between the second and third phosphate groups. This covalent bond is known as a pyrophosphate bond. We can write the chemical reaction for the formation of ATP as: a) in chemicalese: ADP + Pi + energy ----> ATP b) in English: Adenosine diphosphate + inorganic Phosphate + energy produces Adenosine Triphosphate The chemical formula for the expenditure/release of ATP energy can be written as: a) in chemicalese: ATP ----> ADP + energy + Pi o ce Cytochrome c Hr. Figure 7.18 74  75 A typical representation of an electron transport chain. Images from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com), used with permission. During chemiosmosis in eukaryotes, H+ ions are pumped across an organelle membrane into a confined space (bounded by membranes) that contains numerous hydrogen ions. The energy for the pumping comes from the coupled oxidation- reduction reactions in the electron transport chain. Electrons are passed from one membrane-bound enzyme to another, losing some energy with each tansfer (as per the second law of thermodynamics). This "lost" energy allows for the pumping of hydrogen ions against the concentration gradient (there are fewer hydrogen ions outside the confined space than there are inside the confined space). The confined hydrogens cannot pass back through the membrane. Their only exit is through the ATP synthesizing enzyme that is located in the confining membrane. As the hydrogen passes through the ATP synthesizing enzyme, energy from the enzyme is used to attach a third phosphate to ADP, converting it to ATP. 76 A generalized view of an electron transport system. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com), used with permission. Usually the terminal phosphate is not simply removed, but instead is attached to another molecule. This process is known as phosphorylation. W + ATP -----> W~P + ADP where W is any compound, for example: glucose + ATP -----> glucose~P + ADP Glucose can be converted into Glucose-6-phosphate by the addition of the phosphate group from ATP. ATP serves as the biological energy company, releasing energy for both anabolic and catabolic processes and being recharged by energy generated from other catabolic reactions. Learning Objectives | Back to Top These learning objectives are taken from my Biology for Nonmajors class (BIO 102). I have tried to add a link to each that will direct you to a part of this chapter or another website that will facilitate your completion of the objective. 1. Describe the components, organization, and functions of an electron transport system. 2. ATP is composed of ribose, a five-carbon sugar, three phosphate groups, and adenine , a nitrogen-containing compound (also known as a nitrogenous 79 onde: n= n° de elétrons transferidos na reação F= constante de Faraday = 23.063 cal/volt. Equiv. E‟O= diferença entre os potenciais de redução do agente oxidante e agentes redutor. Consideremos a redução do acetaldeido a etanol, última reação da fermentação alcoólica, cujo agente redutor é o NADH+H+: CHO CH2OH  + NADH+H+   CH3 CH3 + NAD+ Acetaldeido etanol E‟O= potencial de redução do acetaldeido (agente oxidante)- potencial de redução do NADH+H+ (agente redutor) E‟O= -0,163 – (-0,320) = + 0,157 volts Portanto: G= -nFE‟o G= -2 x 23.063 x 0,157 = -7.240 cal/mol REAÇÃO ACOPLADAS: O ATP ocupa uma posição intermediária entre os diversos metabólitos considerados, existindo compostos que aprisionam energia com maior eficiência. Essa posição intermediária responde pela grande importância do APT visto que o mesmo pode ser formado quando da hidrólise de um metabólito com G menor que –8.000 cal/mol. Igualmente o ATP pode fornecer energia para fosforilar a glicose, durante o catabolismo da mesma. 80 METABOLISMO: CELLULAR METABOLISM AND FERMENTATION Glycolysis, the Universal Process Nine reactions, each catalyzed by a specific enzyme, makeup the process we call glycolysis. ALL organisms have glycolysis occurring in their cytoplasm. At steps 1 and 3 ATP is converted into ADP, inputting energy into the reaction as well as attaching a phosphate to the glucose. At steps 6 and 9 ADP is converted into the higher energy ATP. At step 5 NAD+ is converted into NADH + H+. The process works on glucose, a 6-C, until step 4 splits the 6-C into two 3-C compounds. Glyceraldehyde phosphate (GAP, also known as phosphoglyceraldehyde, PGAL) is the more readily used of the two. Dihydroxyacetone phosphate can be converted into GAP by the enzyme Isomerase. The end of the glycolysis process yields two pyruvic acid (3-C) molecules, and a net gain of 2 ATP and two NADH per glucose. Graphic summary of the glycolysis process. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com), used with permission. Anaerobic Pathways | Back to Top Under anaerobic conditions, the absence of oxygen, pyruvic acid can be routed by the organism into one of three pathways: lactic acid fermentation, alcohol fermentation, or cellular (anaerobic) respiration. Humans cannot ferment alcohol in 81 their own bodies, we lack the genetic information to do so. These biochemical pathways, with their myriad reactions catalyzed by reaction-specific enzymes all under genetic control, are extremely complex. We will only skim the surface at this time and in this course. Alcohol fermentation is the formation of alcohol from sugar. Yeast, when under anaerobic conditions, convert glucose to pyruvic acid via the glycolysis pathways, then go one step farther, converting pyruvic acid into ethanol, a C-2 compound. Fermentation of ethanol. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com), used with permission. Many organisms will also ferment pyruvic acid into, other chemicals, such as lactic acid. Humans ferment lactic acid in muscles where oxygen becomes depleted, resulting in localized anaerobic conditions. This lactic acid causes the muscle stiffness couch-potatoes feel after beginning exercise programs. The stiffness goes away after a few days since the cessation of strenuous activity allows aerobic conditions to return to the muscle, and the lactic acid can be converted into ATP via the normal aerobic respiration pathways. 84 Summary of the Krebs' (or citric acid) cycle. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com), used with permission. Electron Transport Phosphorylation Whereas Kreb's Cycle occurs in the matrix of the mitochondrion, the Electron Transport System (ETS) chemicals are embedded in the membranes known as the cristae. Kreb's cycle completely oxidized the carbons in the pyruvic acids, producing a small amount of ATP, and reducing NAD and FAD into higher energy forms. In the ETS those higher energy forms are cashed in, producing ATP. Cytochromes are molecules that pass the "hot potatoes" (electrons) along the ETS chain. Energy released by the "downhill" passage of electrons is captured as ATP by ADP molecules. The ADP is reduced by the gain of electrons. ATP formed in this way is made by the process of oxidative phosphorylation. The mechanism for the oxidative phosphorylation process is the gradient of H+ ions discovered across the inner mitochondrial membrane. This mechanism is known as chemiosmotic coupling. This involves both chemical and transport processes. Drops in the potential energy of electrons moving down the ETS chain occur at three points. These points turn out to be where ADP + P are converted into ATP. Potential energy is captured by ADP and stored in the pyrophosphate bond. NADH enters the ETS chain at the beginning, yielding 3 ATP per NADH. FADH2 enters at Co-Q, producing only 2 ATP per FADH2. 85 Electron transport system. Images from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com), used with permission. 86 Catabolism and Anabolism The above image is from http://www.biosci.uga.edu/almanac/bio_104/notes/jun_4.html. REFERENCES  Biology Project Metabolism Problem Set (University of Arizona) Questions and answers along with tutorials about metaboilism, an excellent site.  D.I.Y. Glycolysis (Leeds University, UK) An excellent tutorial on the molecular shifts needed to perform glycolysis.  Introduction to Glycolysis (Leeds University, UK) An introduction for those less chemically skewed, perhaps a nioce start before tackling DIY Glycolysis (also be the same folks).  Step-by-Step Glycolysis (Leeds University, UK) Browse fact sheets as well as view short animations.  Glycolysis (OUMA Graphics)  EcoCyc Glycolysis Pathway EcoCyc, an electronic encyclopedia of E. coli genes and metabolism, provides an interactive diagram of the glycolysis pathway. 89 GLICÓLISE 3. BALANÇO DE COEZIMAS O processo é anaeróbico, não oxidativo portanto, o que pode ser observado pela constância do número de oxidação do átomo de carbono: Tanto a glicose (substrato inicial) como o ácido lático igual a zero, não havendo oxidação e nem redução nessa transformação. Já na produção de etanol e CO2, observamos que uma porção da molécula de glicose, correspondente a 4 átomos de carbono sofre redução, originando 2 moléculas de etanol. A outra porção (com 2 átomos restantes) é oxidada até gás carbônico. O que ocorre então na fermentação alcoólica é uma ruptura da molécula de glicose, sendo que uma porção se reduz (recebendo 8 elétrons) ás custas de outra que se oxida até CO2 (cedendo 8 elétrons), sem a necessidade de doadores ou receptores externos de elétrons. As reações de óxido-redução da glicólise (catalisadas pelas desidrogenases de gliceraldeído-3- fosfato e alcoólica ou lática) utilizam-se do NAD+ ou NADH+H+ (nicotinamida-adenina- dinucleotídio), com a transferência de 2 elétrons: Na seqüência glicolítica temos uma reação em que o substrato é oxidado, perdendo 2 elétrons (reação catalisada pela desidrogenase de gliceraldeído-3-fosfato) e posteriormente ocorre uma redução de igual intensidade (recebimento de 2 elétrons) para a formação do ácido lático (pela desidrogenase lática) ou para a formação de etanol (pela desidrogenase alcoólica ). No computo geral, portanto, o carbono. Daí o processo ser anaeróbico, isto é, não sendo oxidativo não exigiria a participação do oxigênio (O2) como agente oxidante. 4. RENDIMENTO ENERGÉTICO EM ANAEROBIOSE Consideramos a degradação anaeróbica processada pelas células do tecido muscular, quando transforma glicose em ácido lático: C6H12O6  2C3H6O3; G = -47.000cal/mol ATP + H2O  ADP +Pi; G = -8.000 cal/mol N° de ATP gastos: 1 ATP/glicose (pela hexoquinase) 1 ATP /glicose (pela fosfofrutoquinase) 2 ATP/glicose 90 n° de ATP formados: 2 APT/glicose (pela fosfogliceroquinase: 2 ATP/glicose (pela quinase pirúvica) 3 ATP/glicose N° de ATP líquido formado: 4 – 2 = 2 ATP/glicose Cálculo de rendimento (R): 47.000 ______ 100% 2 X 8.000____R R = 100 X 2 X 8.000 = 34% 47.000 O rendimento energético vem a ser o percentual da energia colocada em disponibilidade, que é utilizada para a síntese de ATP. A energia restante é dissipada na forma de calor, aquecendo o meio onde se processa a reação. 100%  47.000 calorias (energia colocada em disponibilidade) 34%  16.000 calorias (energia utilizada para a síntese de ATP) 66%  31.000 calorias (energia dissipada como calor) PROBLEMA: Calcular o rendimento energético quando da degradação anaeróbica do glicogênio pela célula muscular. Dados: (C6H1206)n  (C6H1206) n-1 + 2C3H6O3; G = -52.000 cal/mol ATP  ADP + Pi; G = -8.000 cal/mol N° de ATP gastos: 1 ATP/resíduo de glicose (pela fosfofrutoquinase) N° de ATP formados: 2 ATP/resíduo de glicose (pela fosfogliceroquinase) 2 ATP/resíduo de glicose (pela quinase pirúvica) 4ATP/resíduo de glicose n° de ATP formado = 4-1 = 3 ATP/resíduo de glicose do glicogênio cálculo do rendimento (R) 100% _______ 52.000 cal R __________ 3 x 8.000 cal R = 100 x 3 x 8.000 = 46% 52.000 O rendimento obtido pela célula quando degrada o glicogênio é maior que aquele obtido pela degradação de glicose. Isto porque a fosforilase adiciona um radical fosfato á extremidade não redutora do glicogênio sem gastos de ATP (ver esquema da glicólise - 1ª reação). 91 5. APLICAÇÕES PRÁTICAS DA GLICÓLISE, FERMENTAÇÃO LÁTICA E FERMENTAÇÃO ALCÓOLICA 5.1. Produção de álcool: a partir de monossacarídios, dissacarídios (especialmente sacarose) e polissacarídios (amido de milho, mandioca, etc.). Quando se utiliza o amido como matéria prima, este deve inicialmente ser hidrolisado, em glicose ou maltose (num processo denominado sacarificação do amido), açucares esses que podem ser desdobrados pela levedura Saccharomyces sp. A sacarificação pode ser: a. enzimática: - amilase salivar (confecção do cauim pelos indígenas). - amilases de sementes em germinação (malte para produção de whisky, rum, etc. - amilases extraýdas de fungos e bactérias b. tratamento químico (hidrólise c/HCl) - produção industrial de glicose de milho 5.2. Produção de Ácido Lático: com finalidade de conservação de alimentos: picles, ensilagem, chucrutes, iogurtes e coalhadas. 5.3. Abate de Animais Descansados: o que propicia uma carne de mais fácil conservação e mais macia (devido á formação de lactato a partir do glicogênio muscular após o abate) METABOLISMO AERÓBICO CICLO DE KREBS OU DOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS 1. INTRODUÇÃO E ASPECTOS HISTÓRICOS Fisiologistas observaram que músculos estimulados a se contraírem, acumulavam ácido lático provenientes da glicólise. O acúmulo de ácido lático o músculo á fadiga, perdendo o mesmo a habilidade de contração. Tal habilidade poderia ser restaurada em presença de oxigênio molecular (aerobiose), quando então havia desaparecimento do ácido lático. Posteriormente demonstrou-se que homogeinados de músculos eram capazes de catalisar a oxidação do lactato pelo O2. Isto demonstrava o processo como sendo de natureza enzimática. Outros ácidos podiam ser oxidados, sendo piruvato, citrato, oxaloacetato, fumarato, malato os mais rapidamente oxidados. Depois de elaborada a seqüência glicolítica em músculo e levedura, observou-se que o composto que era em suma oxidado até CO2 vinha a ser o ácido pirúvico, como demonstrava os experimentos de Gyorgi utilizando-se de homogeinados de músculos de peito de pombo. Muitos pesquisadores contribuíram para o entendimento do processo, mas foi o bioquímico Inglês, Sir Hans Krebs, que em 1937 postulou um conjunto de reações de natureza cíclica, que 94 4.ESTRUTURA DA MITOCÔNDRIA Ela é considerada a casa de força de uma célula. Nela estão contidas as enzimas do Ciclo de Krebs, bem como a Cadeia Respiratória. Nela deve entrar piruvato ou acetil-CoA, juntamente com acetil-CoA. A parede interna da mitocôndria se apresenta enrugada para aumentar a superfície de contacto com o estroma, fazendo co que as coenzimas reduzidas geradas no Ciclo de Krebs sejam prontamente oxidadas na Cadeia Respiratória. Quando, portanto, escrevemos a equação geral da respiração da glicose: C6H12O6 + 6O2 _respiração_ + 6CO2 + 6H2O + 686.000 cal/mol devemos considerar que esse processo envolve dezenas de reações sendo o CO2 liberando principalmente pelo Ciclo de Krebs e a água (H2O) gerada na cadeia respiratória. Uma parte da energia liberada será utilizada para a síntese de ATP tanto pela fosforilação ao nível de substrato (glicólise e Ciclo de Krebs) como pela fosforilação oxidativa (acoplada á cadeia respiratória). 1. RENDIMENTO ENERGÉTICO EM AEROBIOSE Consideremos a oxidação total o acetil-CoA pelo Ciclo de Krebs e cadeia respiratória: Cada mol de acetil-CoA oxidado completamente (até CO2 e H2O) pelo Ciclo de Krebs e Cadeia Respiratória propícia a formação de 12 moles de ATP. Podemos agora calcular o rendimento energético quando uma célula efetua a combustão completa (até CO2 e H2O) da glicose. Dados: 95 44,3% da energia posta em disponibilidade é utilizada para a síntese de ATP. O restante (100- 44,3 = 55,7%) é dissipada na forma de calor, servindo apenas para aquecer o meio onde a reação se processa. VIA PENTOSE FOSFATO 1. INTRODUÇÃO A glicólise não é a única via degradativa da glicose, e entre elas se destaca a via pentose fosfato, que ocorre no citossol de células animais e vegetais. Tal via já fora percebida em tecidos que tinham capacidade de degradar a glicose mesmo na presença dos inibidores clássicos da glicólise (fluoretos e iodoacetato). A descoberta do NADP+, por Warburg e a oxidação da glicose-6-fosfato em ácido 6-fosfoglucônico, levada a molécula de glucose para vias metabólicas desconhecidas. O empregeo do C14 em pesquisas bioquímicas e os estudos de Lipmann, Dickens, Horecker e Racker resultaram no entendimento dos passos metabólicos conhecidos como o “desvio das pentoses”. 2. SEQUÊNCIA DAS REAÇÕES 3. ESTEQUIOMETRIA DA VIA PENTOSE FOSFATO Consideremos o processamento de 6 moléculas de glicose pelas três primeiras reações da via pentose. 6 hexose–fosfato + 12 NADP + 6H2O  6 pentose–fosfato + 6CO2 + 12 NADPH + 12 H+ A seguir consideremos que 4 moléculas de pentose fosfato reajam segundo as reações 6 e 7 produzindo 2 moléculas de tetrose-fosfato e 2 moléculas de hexose–fosfato: 2 pentose-fosfato 2 hexose-fosfato + 2 tetrose-fosfato Pela ação da transcetolase, 2 moléculas de tetrose-fosfato reagem com 2 moléculas de pentose- fosfato para formar 2 moléculas de hexose-fosfato e 2 moléculas de triose-fosfato. 2 tetrose-fosfato + 2 pentose-fosfato  2 hexose-fosfato + 2 triose-P Quanto ás 2 triose-fosfato, uma delas pode, por isomerização se tranformar em di- hidroxiacetona-fosfato; condensarem numa hexose-difosfato e se hidrolisar em hexose-fosfato + H3PO4: 96 2 triose-fosfato  1 hexose-fosfato + H3PO4: A somatória dessas reações individuais resulta que: Hexose-fosfato + 12 NADP+ + 6H2O 6CO2 + NADPH + 12H+ O processo é oxidativo resultando em nucleotídio reduzindo. 4. SIGNIFICADO FISIOLÓGICO DA VIA PENTOSE FOSFATO O NADH gerado em reações oxidativas da glicólise e Ciclo de Krebs tem como importante destino, ser oxidado pela cadeia respiratória propiciando a formação de ATP. Já o NADPH não é utilizado na cadeia respiratória, mas sim empregado em inúmeros processos biossintéticos, como na biossíntese e lipídios, esteróides, aminoácidos etc,. A ribose gerada na via pentose é utilizada na síntese dos ácidos nucléicos enquanto a eritrose-fosfato é precursora, via ácido chiquímico, na produção de aminoácidos, reguladores, compostos fenólicos, lignina e outros, especialmente em plantas. No que se refere a tecidos animais, a via pentose é bastante ativa na glândulas mamárias, tecidos adiposos, córtex adrenal e fígado, onde o NADPH, fornece o poder redutor para as biossínteses. O músculo esquelético, com pouca atividade de biossíntese de lipídios não apresenta a via pentose fosfato. Em tecidos vegetais jovens e meristemáticos a atividade glicolítica é mais intensa e a medida que o tecido vai se tornando maduro a via pentose-fosfato se intensifica, para propiciar a disposição de lignina e demais compostos secundários sintetizados com o concurso do NADPH. Ainda em plantas, a via pentose-fosfato supre o processo fotossintético com NADPH necessário á assimilação do CO2 bem como está intimamente relacionada com a marcha do carbono na fotossíntese. Outra função da via pentose-fosfato seria estabelecer a possibilidade de conversão de hexose, pentose, tetroses e trioses entre si, com bastante significado econômico nos processos biossintéticos. Utilizando-se de glicose-1- 14 C e glicose-6- 14 C podemos avaliar as intensidades das vias glicolítica e pentose-fosfato em um tecido qualquer. A premissa é de que, se apenas a glicose estiver operando, a evolução de 14 CO2 será idêntica quer se utilizado de glicose-1- 14 C ou de glicose-6- 14 C, pois que ambas ao serem metabolizadas (em ensaios separados) produzirão ácido pirúvivo-metil- 14 C. Esse ácido será oxidado no Ciclo de Krebs liberando 14 CO2. Por outro lado se apenas a via pentose estiver operando, a evolução de 14 Co2 será primeiramente detectada quando da utilização de glicose-1- 14 C.