BIOQUÍMICA GERAL

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A CÉLULA

A célula representa a unidade básica na organização estrutural e funcional dos seres pluricelulares. Rodeada por uma membrana plasmática contendo no seu interior o núcleo e diversos organitos, tais como as mitocôndrias, o retículo endoplasmático, os ribossomas e o aparelho de Golgi. A célula constitui a fração mais pequena dos organismos pluricelulares em que se manifestam todas as caraterísticas da vida. A membrana é constituída por uma dupla camada fosfolipídica. As porções polares dos fosfolípidos contatam o solvente aquoso e as suas longas porções hidrofóbicas situamse no interior da membrana, longe da água. Na membrana encontram-se proteínas de dois tipos:

Periféricas - encontram-se associadas à superfície da membrana, normalmente por interações não covalentes. Não atravessam membrana. Muitas vezes podem ser removidas por tratamento das membranas com concentrações crescentesde sal, que enfraquecem as ligações iónicas entre estas proteínas e os fosfolípidos e/ou outros componentes membranares.

Integrais - encontram-se profundamente embebidas na membrana, atravessando-a e contatando simultaneamente com o citoplasma e com o meio extracelular. A sua remoção exige a utilização de detergentes.

Todas as células possuem material genético, na forma de moléculas de DNA (ácido desoxiribonucleico) que contém toda a informação genética para dirigir tudo o que a célula faz. Todas as células contêm moléculas que funcionam como mensageiros de informação que levam aos ribossomas a informação genética que vai dirigir a síntese de proteínas. Todas as células possuem vários tipos de mecanismos capazes de assegurar as várias transformações energéticas necessárias ao funcionamento e crescimento das células. Todas as células vivas crescem, reproduzem-se e respondem a alterações do meio ambiente. As células mais complexas possuem núcleo e designam-se células eucarióticas. As células mais simples não possuem núcleo e designam-se procarióticas

A membrana plasmática serve para separar o citoplasma da célula do meio ambiente externo e selecionar a passagem de substâncias para dentro e para fora das células. Os lípidos formam uma barreira mais ou menos impermeável à maior parte das substâncias que têm que atravessar a membrana.

As proteínas têm três funções principais:

1. Formam os poros da membrana (existe espaço entre as substâncias que foram as proteínas).

2. Algumas das proteínas das membranas celulares são enzimas que catalisam diversas atividades que decorrem numa íntima associação com a membrana (transporte de substâncias e formação do “mensageiro químico”, adenosina monofosfato cíclico, que regula várias reações celulares.

3. Outras proteínas são recetoras de hormonas e de neurotransmissores ou de anticorpos.

RIBOSSOMAS - Realizam a síntese de proteínas celulares.

APARELHO DE GOLGI – síntese de glicoprotéinas, polissacarídeos. No complexo de Golgi realiza-se a parte mais importante da glicosilação. A cadeia glicosilada que as proteínas receberam no RER vai ser modificada consoante o seu destino final. Esta modificação inclui fosforilação de resíduos de manose (no compartimento cis), remoção de resíduos de manose, adição de N-acetilglucosamina, ramificação da cadeia (compartimento médio) e adição de ácido N-acetilenuramínico (ácido siálico) no compartimento trans.

LISOSSOMAS - Contêm enzimas hidrolíticas, que catalisam a transformaçãode moléculas grandes (proteínas, polissacarídeos, ácidos nucleicos, enzimas moleculares mais pequenos que são constituídos por aminoácidos, monossacarídos e dissacarídos, nucleótidos, etc. Os enzimas hidrolíticos, ou digestivos que existem dentro dos lisossomas, digerem a própria célula se lançados no citoplasma, quando a célula envelhece ou em situações patológicas.

PEROXISSOMAS - (1 micron) destroem o peróxido de hidrogénio, que é nocivo para a célula. O enzima que catalisa esta reação, designa-se por catalase.

MITROCÔNDRIAS - Catalisam a síntese de ATP (fosforilação oxidativa) durante a respiração celular (Ciclo de Krebbs). As mitocôndrias possuem o seu próprio DNA e ribossomas.

NÚCLEO

O núcleo contém a informação genética da célula na forma da molécula de DNA. O núcleo é separado do citoplasma pela membrana ou invólucro nuclear. A mitose é a divisão celular, a função do DNA do núcleo é regular todos os processos vitais para a célula, tais como a divisão e a diferenciação celular, reações metabólicas, etc. A informação para todas estas atividades está contida nas moléculas de DNA que contêm os genes que regulam especificamente cada reação. O nucleólo contém uma concentração alta de RNA (ÁCIDO RIBONUCLEICO) e proteínas básicas.

O envelope nuclear é constituído por uma membrana externa (contínua com o RE) uma membrana interna e a lâmina nuclear. A função do núcleo é sintetizar os ácidos nucleicos necessários para o funcionamento e reprodução celulares. No núcleo existem vários “sub-organelos” (os nucléolos) cuja função é sintetizar os ribossomas. Os processos nucleares básicos são a replicação (síntese de DNA) e a transcrição (síntese de RNA). O processo de crescimento das cadeias de ácidos nucleicos é um processo reversível. A fim de os tornar irreversíveis, os enzimas responsáveis por estes processos acoplam-nos a processos irreversíveis, tornando o processo total irreversível.

Proteínas plamáticas

As proteínas desempenham papéis importantes no nosso organismo, tais como o transporte de oxigénio pelas células sanguíneas e a fixação do mesmo nas células musculares.

Hemoglobina e Mioglobina

A mioglobina e a hemoglobina pertencem a um grupo de proteínas muito especial, os heteroprótidos. Estes são formados por um polipeptídeo ligado a um componente não proteico – grupo prostético. Os cromoprótidos recebem este nome porque são pigmentos, ou seja, moléculas coradas devido ao grupo não proteico. Deste subgrupo fazem parte por exemplo a porfirina a mioglobina e a hemoglobina.

A mioglobina é uma proteína globular constituída por 153 aminoácidos, que contém um grupo prostético – heme – no centro. Ela é o principal pigmento carregador de oxigénio dos tecidos musculares, contudo, não realiza o transporte de oxigénio pela corrente sanguínea, como a hemoglobina o faz. É portanto uma proteína globular que surge largamente no tecido muscular como transportador de oxigénio. É composta por uma única cadeira polipeptídica e um grupo heme que se liga irreversivelmente a uma molécula de oxigénio. É apenas libertada em casos de concentrações de oxigénio relativamente baixas, por exemplo aquando um exercício físico com grande esforço ou seja quando a necessidade de oxigénio no músculo é superior ao fornecido pelo sangue

A mioglobina é assim uma reserva de emergência de oxigénio. É também uma das proteínas responsáveis pela cor das carnes. O seu papel é muito eficaz aquando dos mergulhos prolongados dos grandes mamíferos tais como as baleias, cachalotes e focas, libertando grandes quantidades de O2.

A hemoglobina é o transportador de oxigénio nas hemácias, sendo constituída por quatro cadeiras polipeptídicas, duas α e duas β. As quatro mantêm-se juntas por ligações não covalentes. Cada uma contém um grupo heme e um só centro de ligaçãoao oxigénio. Segundo Caria, “o grupo heme, responsável pelo nome da proteína, pode ligar-se ao Fe(II) designado-se então ferrohemoglobina, ou ao Fe (III) designando-se ferrihemoglobina. Apenas a ferrohemoglobina possui afinidade para o oxigénio”.

A hemoglobina A, a principal dos adultos, é constituída por duas cadeias alfa (α) e duas beta (β). Uma outra hemoglobina nos adultos (cerca de 2% da hemoglobina total) é a hemoglobina A2, na qual as cadeias β são constituídas por cadeias delta (δ). Sendo assim, a composição da hemoglobina A é α2β2 e da hemoblobina A2 é α2δ2.

As propriedades alostéricas da hemoglobina surgem de interações entre as suas subunidades. Tendo quatro gupos heme, tem a possibilidade de ligar-se a quatro moléculas de oxigénio. A libertação da primeira molécula de oxigénio não é fácil, mas uma vez libertada, facilita a libertação das restantes três moléculas. A unidade funcional da hemoglobina é um tetrâmero que consiste em dois tipos de cadeias polipeptídicas

Alterações patológicas da Hemoglobina

Anemia Falciforme ou Dreoanocitose – quando a HBA1 se altera em dois α.α, passa a designar-se HbS, isto altera a forma dos glóbulos vermelhos os quais tomam forma de foice, forma esta associada à anemina hemolítica, esta anemia causada pela fragilidade dos glóbulos vermelhos. Trata-se de uma alteração hereditária por um gene recessivo e comum em certas zonas de África. Os indivíduos homozigóticos apresentam a doença e os heterozigóticos não apresentam.

Alterações pelas Hemoglobinas M A hemoglobina apresenta uma alteração estrutural junto ao grupo heme, o que origina uma dificuldade na ligação ao O2. Os indivíduos caraterizam-se por terem uma coloração cianótica da pele.

Coagulação do sangue A coagulação é um mecanismo que permite o nosso organismo evitar perdas excessivas de sangue e a consequente invasão de organismos pela abertura dos vasos sanguíneos e tem como vantagem económica o fato de aumentar a concentração dos fatores de coagulação em caso de necessidade uma vez que estes se mantêm em concentrações baixas, para permitir a fluidez do sangue. A fibrina é então sintetizada com maior velocidade.

Relativamente à vantagem de regulação, a cascata de coagulação atua como um sistema de homeostasia, impedindo o estabelecimento de patologias graves como as tromboses. A fluidez com que o sangue circula dentro dos vasos sanguíneos no organismo depende das propriedades físicas do endotélio vascular (camada celular que reveste o interior dos vasos), da velocidade do fluxo sanguíneo, do número de células sanguíneas e da presença de anticoagulantes naturais, como a heparina, por exemplo.

No exterior dos vasos sanguíneos, o sangue perde rapidamente a sua fluidez, tornando-se inicialmente viscoso e adquirindo gradualmente uma consistência gelatinosa. De maneira simplificada, admite-se que o mecanismo e coagulação do sangue consiste numa extensa reação em cadeia, na qual participam diversas substâncias sanguíneas e celulares que agem uma sobre as outras, levando à formação de uma proteína especial, a fibrina, responsável final pelo processo de coagulação.

Enzimas

As enzimas são catalisadores biológicos (proteínas) presentes em todos os organismos vivos, estas biomoléculas têm a capacidade de acelerar reações vitais, abreviam o tempo natural em que as reações ocorrem:

- Peso molecular elevado; - Não dialisáveis; - Os aminoácidos são os produtos de hidrólise; - Sensíveis aos enzimas proteóliticos (tripsina, pepsina); - Absorvem a luz UV; - São muito sensíveis à temperatura (desnaturam-se pelo calor); - Sofrem desnaturação em meios excessivamente ácidos ou básicos.

Esses catalisadores atuam através da reação com o substrato, de tal modoque se forma uma entidade complexa, constituída pelo enzima ligado ao substrato. Esta entidade “complexo enzima-substrato” é pouco estável e altera-se rapidamente, dando origemao produto (ou produtos) da reação, libertando-se o enzima intato.

A ligação entre o enzima e o substrato ocorre numa região da proteína designada centro ativo. O complexo enzima-substrato reduz por instantes a energia de ativação da reação, tornando mais fácil a sua ocorrência.

As enzimas são catalisadores altamente específicos, ou seja, para cada substratodevem existir poucas, ou apenas um enzima. Considera-se que a especificidade dos enzimas se deve à configuração dos aminoácidos que constituem o centro ativo. Graças a esta configuração, este centro tem a capacidade de se ligar a determinada estrutura e não a outra, por vezes até muito semelhante. A nomenclatura é feita a partir do nome do substrato sobre o qual o enzima atua, seguido da terminação ase. Por exemplo: lactase, que catalisa a hidrólise da lactose; maltase, que catalisa a hidrólise da maltose.

O termo é derivado de "en" = dentro e "zima" = levedura.

Na digestão, os enzimas catalisam as reações que quebram as ligações químicas das biomoléculas, permitindo que elas se transformem em fragmentos mais simples, capazes de serem absorvidos e metabolizados.

A lactose é o açúcar encontrado no leite, sendo constituído por uma molécula de glucose ligada a uma molécula de galactose. A lactose é produzida pela glândula mamária e ocorre apenas no leite. A deficiente produção de dissacaridases acarreta problemas digestivos importantes, dos quais se pode salientar o caso da deficiência em lactase. Nas crianças esta deficiência não permite a correta digestão de um alimento fundamental, o leite, conduzindo a sintomas tais como espasmos e diarreia

Nos adultos, este problema também acontece, limitando as quantidades de leite que os indivíduos podem ingerir. Como alternativa a não ingerir alimentos com lactose, o que pode conduzir a problemas de nutrição, existem medicamentos que contém lactase. Desta forma os indivíduos com esta deficiência passam a ser capazes de digerir alimentos que contenham lactose.

Classificação das Enzimas

As enzimas podem ser classificadas de acordo com vários critérios e dividem-se em seis classes:

1. Oxidorredutases: São enzimas que catalisam reações de transferência de eletrões,ou seja: reações de oxidação-redução. São as Desidrogenases e as Oxidases.

2. Hidrolases: Catalisam reações de hidrólise de ligação covalente. Ex: As peptidases.

3. Liases: Catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amónia e gás carbónico. As dehidratases e as descarboxilases são bons exemplos.

4. Isomerases: Catalisam reações de interconversão entre isómeros óticos ou geométricos. As epimerases são exemplos.

5. Ligases: Catalisam reações de formação e novas moléculas a partir da ligação entre duas já existentes, sempre às custas de energia (ATP). São as Sintetases.

6. Transferases: Enzimas que catalisam reações de transferência de grupos funcionais como grupos amina, fosfato, acil, carboxil, etc. Como exemplo temos as Quinases e as Transaminases.

Enzimas na medicina

As enzimas podem ser utilizados nas Análises Clínicas de duas formas principais: Como reagentes altamente específicos e sensíveis em reações colorimétricas quantitativas.

Como indicadores de lesão celular e tecidual. O extravasamento de enzimas do meio intra para o meio extracelular leva a um aumento da atividade destes no sangue. Esta atividade pode ser medida e fornece importante informação diagnóstica e de evolução de um quadro clínico. A distribuição órgão-específica de algumas destas enzimas permite a localização da lesão com elevada precisão.

Exemplos de doenças que podem ser diagnosticadas e acompanhadas enzimaticamente:

O Enfarte Agudo do Miocárdio;

As Hepatites;

A Pancreatites;

As Colestases;

Doenças Ósseas, etc.

Cofatores e Coenzimas

Os grupos funcionais das proteínas podem facilmente participar em reações ácido/base, formando certos tipos de ligações covalentes e tomam parte nas interações carga/carga. São assim piores para catalisar reações redox mas, apesar disso, as enzimas catalisam estas reações, graças à associação nestas de pequenas moléculas, cofatores, que agem como “dente químico” da enzima.

Muitas vitaminas são coenzimas

Muitos organismos não são capazes de sintetizar certas coenzimas. Assim, essas substâncias têm de estar presentes na dieta desse organismo. Certas vitaminas estão assim nesta lista de coenzimas e a sua carência pode provocar uma série de doenças provocadas por catálises enzimáticas incompletas.

Inibição enzimática

As enzimas podem sofrer dois tipos de inibição:

- A inibição reversível, que é caraterizada por uma dissociação rápida do complexo enzima-inibidor;

- A inibição irreversível, na qual o inibidor se dissocia muito lentamente do “enzima-alvo”.

Composição do DNA

O DNA é composto por açúcar (pentose), radicais fosfatos e por sequências de quatro bases nitrogenadas, ligadas por pontes de hidrogénio, formando uma estrutura semelhante a uma escada em espiral - a dupla hélice. A sequência de pares de bases se assemelha aos degraus, enquanto a desoxirribose e o agrupamento fosfato se alternam, apresentando semelhança com o corrimão de uma escada em espiral.

As bases do DNA são:  Adenina (A)  Guanina (G)  Citosina (C)  Timina (T)

Sendo que a Adenina se liga por meio de duas pontes de hidrogénio à Timina, e a Citosina liga-se através de três pontes com a Guanina. A cadeia de DNA apresenta-se enrolada numa estrutura em dupla-hélice que uma vez no núcleo recebe a ação de histonas e se enovela para formar a cromatina.

O DNA é encontrado em todos os seres vivos, incluindo os vírus, que ora possuem DNA, ora possuem RNA, porém, rara e recentemente, foi encontrado um vírus que possuía tanto DNA como RNA, ao mesmo tempo. O diâmetro de uma molécula de DNA é de cerca de 2,3 nm.

LÍPIDiOS

Os lípidios são biomoléculas insolúveis em água, e solúveis em solventes orgânicos, como o álcool, benzina, éter e clorofórmio. A família de compostos designados por lípidios é muito vasta. Cada grama de lípidio armazena 9 calorias de energia cinética. Os ácidos gordos são constituídos por cadeias de hidrocarbonetos contendo um ácido carboxílico numa das extremidades e que, consoante contenham ou não duplas ligações entre os átomos de carbono, se denominam de insaturados ou saturados

Os ácidos gordos denominam-se essenciais quando não são passíveis de ser sintetizados pelo organismo humano, sendo necessários para uma dieta equilibrada. O tipo de ácido gordo consumido na dieta e as propriedades metabólicas do indivíduo definem as vias de utilização do ácido gordo. Atualmente, procura-se entender se e como é que a manipulação da composição das gorduras da dieta pode modificar determinadas funções orgânicas, particularmente a função imune.

Funções dos lípidios

Reserva energética: fornecem mais energia que os glúcidios, porém, não são preferencialmente utilizáveis pela célula. Toda vez que a célula necessita de uma substância energética, ela vai optar pelo uso imediato de um glúcidio, para depois consumir os lípidios.

Estrutural: certos lípidios fazem parte da composição das membranas celulares, que são formadas pela associação de lípidios e proteínas. Os mais importantes são: os fosfolípidios e o colesterol.

Isolante térmico: auxiliam na manutenção da temperatura dos animaisendotérmicos, por meios de uma camada de tecido denominado hipoderme, a qual protege o indivíduo contra as variações de temperatura.

Os lípidios constituem um grupo heterogéneo. Caracterizam-se por possuírem, na sua estrutura molecular, ácidos gordos com, pelo menos, 8 átomos de carbono. Na maioria dos casos, o ácido esterifica um álcool, o qual é, frequentemente, o glicerol. Noutros casos, os ácidos ligam-se a uma amina alcoólica.

Todavia, a caraterística essencial dos lípidios é a sua fraca, ou mesmo muito fraca solubilidade na água e a grande solubilidade nos solventes orgânicos, como o éter, a acetona, o álcool, o sulfureto de carbono, o tetracloreto de carbono

Os lípidios desempenham funções biológicas de extrema importância, quer ao nível das estruturas (membranas celulares), quer como reserva energética, quer ainda, entre outras funções, como mensageiros (hormônios).

Os químicos podem separar os lípidios de uma amostra biológica através de uma técnica conhecida como extração; um solvente orgânico é adicionado a uma solução aquosa da amostra e, com um auxílio de um funil de separação, obtém-se a fase orgânica rica em lípidios. Com a evaporação do solvente orgânico obtém-se o lípidio. É desta maneira que, em escala industrial, se obtém o óleo vegetal.

Metabolismo

Primeiramente, o metabolismo refere-se de grosso modo à síntese (anabolismo), à degradação (catabolismo) e à transformação de proteínas, ácidos gordos e hidratos de carbono

Chama-se metabolismo, num sentido lato, ao conjunto de reações químicas que ocorrem nas células, e que lhe permitem manter-se viva, crescer e dividir-se, Classicamente, divide-se o metabolismo em:

Catabolismo – obtenção de energia e poder redutor a partir dos nutrientes.

Anabolismo – produção de novos componentes celulares, em processos que geralmente utilizam a energia e o poder redutor obtidos pelo catabolismo de nutrientes.

Existe uma grande variedade de vias metabólicas. Nos humanos as vias metabólicas mais importantes são a Glicólise, onde ocorre a oxidação da glucose obtendo-se desta forma ATP; o Ciclo de Krebs sendo o acetil-CoA oxidado para obtenção de energia; na Fosforilação Oxidativa são eliminados os eletrões libertados na oxidação da glucose e do Acetil-CoA. Grande parte da energia libertada neste processo pode ser armazenada na célula sob a forma de ATP. Aquando da vida das pentose-fosfato processa-se a síntese de pentoses, obtendo-se também o poder redutor para reações anabólicas.

O Ciclo da Ureia contribui para a eliminação de NH4 + sob formas menos tóxicas. Na β-oxidação dos ácidos gordos ocorre a transformação de ácidos gordos em acetil-CoA.

Finalmente na Glucogénese produz-se a glucose a partir de moléculas mais pequenas. As diversas vias metabólicas relacionam-se entre si de forma complexa, de modo a permitir uma regulação adequada. Este relacionamento envolve a regulação enzimática de cada uma das vias, o perfil metabólico caraterístico de cada órgão e controlo hormonal.

Ciclo de KREBS

O ciclo de Krebs vai aproveitar o catabolismo das principais biomoléculas para a obtenção de energia. É um ciclo anfibólico que se realiza na matriz mitocondrial pois é ai que se encontra as principais fontes do seu substrato – Acetil-CoA. O seu objetivo primário é a oxidação completa de Acetil-CoA em CO2 resultando na formação de equivalentes redutores através de oito reações seqüenciais.