Introdução à Bioquímica: Fundamentos e Aprendizados

Conteúdo BIOQUÍMICA GERAL Talita Giacomet de Carvalho Introdução à bioquímica Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Identif car técnicas de separação de organelas celulares para estudo da bioquímica Comparar as funções das principais organelas celulares Reconhecer as biomoléculas e a hierarquia na organização molecular das células Introdução A bioquímica é a ciência que estuda como as moléculas que compõem os organismos vivos interagem para manter e perpetuar a vida Apesar da enorme diversidade e das variações de complexidade entre eles a maioria dos organismos vivos compartilha as mesmas bases moleculares e organizações celulares Neste capítulo você vai aprender a identificar as biomoléculas que formam todos os organismos vivos como elas se organizam para formar estruturas mais complexas quais as organelas responsáveis pelas dife rentes funções dentro de uma célula e como os cientistas conseguem isolar partes diferentes da célula para entender suas funções Introdução à bioquímica A bioquímica é a ciência em que a química é aplicada ao estudo dos organismos vivos e aos átomos e moléculas que os compõem Ela forma uma ponte entre a biologia e a química ao estudar como as reações químicas e as estruturas químicas dão origem à vida e aos processos da vida A bioquí mica questiona como as extraordiná rias propriedades dos organismos vivos se originaram a partir de milhares de biomolé culas diferentes Quando essas molé culas sã o isoladas e examinadas individualmente elas seguem todas as leis fí sicas e quí micas que descrevem o comportamento da maté ria inanimada Todos os processos que ocorrem nos organismos vivos també m seguem todas as leis fí sicas e quí micas O estudo da bioquí mica mostra como o conjunto de molé culas inanimadas que constituem os organismos vivos interage para manter e perpetuar a vida exclusivamente pelas leis fí sicas e quí micas que regem o universo inanimado A bioquímica é de forma simplifi cada a ciência que estuda a química da vida Separação de organelas celulares O estudo da composição da célula é essencial para que se entenda o seu fun cionamento Tudo o que se sabe hoje sobre os mecanismos celulares só foi possível devido ao desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas laboratoriais e métodos de estudo Em bioquímica o método mais comumente utilizado e que mais auxiliou no desenvolvimento dos estudos sobre as partes isoladas das células foi o fracionamento celular As técnicas foram aperfeiçoadas de forma a permitir a separação das diferentes organelas e macromoléculas sem prejudicar suas funções Para ter acesso a componentes que ficam dentro de um recipiente o pri meiro passo é abrir o recipiente Com células e organelas celulares funciona da mesma maneira A Figura 1 apresenta de maneira simplificada os passos necessários para o fracionamento das organelas celulares O primeiro passo para que se possa isolar as organelas celulares é romper a membrana plasmática que as circunda Isso pode ser feito de algumas formas diferentes por meio de choque osmótico normalmente feito com sacarose ou um detergente vibração de ultrassom por rompimento mecânico ou ainda pela combinação de mais de uma técnica O método escolhido depende do tecido de tipo celular e da fração de interesse A maioria das células de plantas e animais pode ser homogeneizada mecanicamente A vibração de ultrassom é geralmente usada para lisar células procarióticas Já o choque osmótico é normalmente o método de escolha para lisar células vulneráveis a estresse osmótico como os eritró citos Todos os processos citados rompem as membranas em fragmentos que rapidamente se fecham novamente formando pequenas vesículas e liberando organelas celulares Quando bem executados esses protocolos preservam intactas organelas como o núcleo as mitocôndrias lisossomos peroxissomos e complexo de Golgi O extrato resultante vai conter uma mistura de organelas celulares de tamanhos cargas e densidades diferentes Introdução à bioquímica 2 Figura 1 Fracionamento celular de um tecido Uma amostra de tecido epitelial é submetida a homogeneização para rompimento das membranas celulares das células do tecido Após existem duas maneiras de fracionar as organelas celulares A primeira consiste em uma série de centrifugações com velocidades e tempos crescentes de acordo com o tamanho da organela que se deseja isolar Na segunda o extrato celular é depositado sobre um gradiente de densidade e o tubo é submetido à centrifugação Organelas com densidades diferentes estacionam em camadas diferentes do gradiente e podem assim ser coletadas separadamente Fonte Adaptada de Nelson e Cox 2014 Após a obtenção do extrato celular que contém as organelas livres elas devem ser isoladas A técnica utilizada para este fim é a separação por cen trifugação diferencial Durante este processo o extrato celular é submetido a uma força centrífuga de rotação muito grande para que os componentes celulares se depositem no fundo do tubo Assim eles são separados por ta manho e densidade Em geral os compostos maiores se movem mais rápido e são os primeiros a se depositarem no fundo do tubo Portanto as velocidades mais baixas de centrifugação conseguem sedimentar componentes grandes como os núcleos velocidades pouco maiores sedimentam mitocôndrias e velocidades altas e maior tempo de centrifugação são capazes de sedimentar primeiro vesículas e depois ribossomos Neste tipo de centrifugação portanto as organelas são separadas apenas se alterando a velocidade de rotação da centrífuga As frações resultantes deste processo são impuras o que pode ser resolvido com lavagens ressuspender o sedimento em um tampão e repetições da centrifugação 3 Introdução à bioquímica Uma forma de separar as organelas celulares presentes em um extrato de maneira mais precisa é centrifugálas em um meio com gradiente de densidade Normalmente é utilizado um gradiente de sacarose Dentro de um tubo são adicionadas cuidadosamente camadas de soluções de sacarose com diferentes concentrações começando no fundo do tubo pela mais densa A quantidade de camadas e as densidades utilizadas variam de acordo com o que se quer separar O extrato celular é então depositado sobre as camadas e o tubo é centrifugado Durante a centrifugação organelas com diferente densidade de flutuação resultado das proporções diferentes de lipídeos e proteínas presentes em cada uma migram em direção ao fundo do tubo e param em camadas de sacarose diferentes com densidade mais próxima da sua Assim os compo nentes do extrato ficarão divididos em diferentes camadas dentro do tubo que podem ser coletadas individualmente As ultracentrífugas são capazes de chegar a velocidades extremamente altas de rotação produzindo forças tão altas como 500000 vezes a gravidade Isso permite que esta técnica seja também utilizada para separar por tamanho macromoléculas como proteínas e ácidos nucleicos A determinação dos coeficientes de sedimentação é utilizada em laboratório para ajudar na determinação do tamanho e composição de extratos de macromoléculas obtidos em células Os estudos de organelas e outros componentes celulares isolados por cen trifugação contribuiu muito para a compreensão das funções dos diferentes componentes celulares e também de suas interações A partir do isolamento de mitocôndrias e cloroplastos foi descrita a função dessas organelas na conversão de energia em formas úteis para a célula Mesmo as organelas que não ficam intactas após a separação podem ser estudadas dessa forma Por exemplo as vesículas formadas a partir de fragmento do retículo endoplasmático liso e rugoso puderam ser separadas e analisadas como modelos funcionais desses compartimentos Ainda o isolamento de uma organela enriquecida com uma certa enzima é o primeiro passo para a purificação desta enzima Organelas celulares Apesar da grande diversidade e das enormes variações de complexidade entre os organismos vivos muitas características são comuns a todos eles Todos extraem energia do meio ambiente a transformam armazenam e a utilizam para a sua manutenção A maior parte dessas reações acontece em uma unidade estrutural básica comum a todos a célula Introdução à bioquímica 4 A célula é a menor unidade estrutural de um organismo Ela tanto pode existir como uma unidade funcional independente em organismos unicelu lares quanto como subunidades de organismos multicelulares de diferentes complexidades Existem dois tipos principais de células as procarióticas presente em bactérias e as eucarióticas presente em animais e plantas A principal diferença entre elas é a presença de um núcleo isolando o material genético e de organelas delimitadas por membranas nas células eucarióticas Apesar das muitas variações as células eucarióticas de diferentes organismos compartilham algumas características estruturais e são responsáveis pelos quatro mecanismos básicos para manutenção da vida que são síntese de biomoléculas tais como carboidratos lipídios proteínas e áci dos nucleicos transporte de substâncias por meio de membranas produção de energia eliminação de metabólitos e substâncias tóxicas Essas funções são realizadas por estruturas que ficam no interior das células e que são denominadas organelas Figura 2 Todas as células eucarióticas são delimitadas por uma membrana plasmática Ela é formada por uma dupla camada fluida de fosfolipídios proteínas e colesterol e é responsável por controlar o transporte de substancias para o interior ou para o exterior da Figura 2 Representação esquemática de uma célula eucariótica Fonte Vladimir Ischuk Shutterstockcom 5 Introdução à bioquímica célula Além disso nela existem proteínas que atuam como receptores de sinais que em resposta a ligantes externos ativam ou inibem mecanismos celulares A maioria das plantas superiores possui ainda no lado de fora da membrana plasmática uma parede celular composta por celulose e outros polímeros de carboidratos que serve para conter o inchaço celular quando há acúmulo de água A membrana plasmática delimita o citoplasma que é o fluido onde estão as organelas celulares e onde ocorre a maioria das reações bioquímicas Existe dentro das células um sistema dinâmico de membranas responsáveis pela síntese e transporte de substâncias e biomoléculas Fazem parte deste sistema o retículo endoplasmático o complexo de Golgi e envelope nuclear e vesículas pequenas como os lisossomos e peroxissomos O retículo endoplas mático RE é uma rede tridimensional de túbulos e vesículas interconectadas e conectadas ao envelope nuclear Existem dois tipos de RE o rugoso e o liso O retículo endoplasmático rugoso recebe este nome por ter ribossomos aderidos às suas membranas Ribossomos são as organelas responsáveis pela tradução do mRNA que sai do núcleo e síntese de proteínas O retículo endoplasmático rugoso participa da síntese principalmente de proteínas que serão enviadas para o exterior da célula e é especialmente desenvolvido em células com função secretora Existem regiões na célula em que o retículo está livre de ribossomos Esse retículo endoplasmático liso que é fisicamente contínuo ao rugoso tem como função sintetizar lipídeos e participar de outros processos importantes como o metabolismo de compostos tóxicos O complexo de Golgi é outro sistema de cavidades membranosas pre sente em quase todas as células eucarióticas Sua função é o processamento e distribuição de proteínas As proteínas recém sintetizadas saem do RE em membranas que se fundem ao lado cis do complexo de Golgi Dentro do complexo são modificadas pela adição de sulfato carboidratos ou porções lipídicas e são endereçadas aos locais onde atuarão para onde são direcionadas em vesículas que saem do lado trans do complexo Os lisossomos são vesículas esféricas formadas por membrana e são encontrados somente em células animais Eles têm um lúmen ácido que con tém enzimas capazes de digerir lipídeos polissacarídeos proteínas e ácidos nucleicos São portanto responsáveis pela reciclagem de moléculas complexas dentro da célula Esses materiais entram no lisossomo e são degradados até suas moléculas mais simples monossacarídeos aminoácidos etc que são então liberadas para serem utilizadas em novos componentes celulares ou catabolizadas Células de plantas não possuem lisossomos e as organelas com função de digerir moléculas complexas são os vacúolos Eles ocupam grande parte da célula adulta e além da função digestiva são responsáveis Introdução à bioquímica 6 também por armazenar substâncias e fornecer suporte físico para as células Uma outra organela que tem forma de vesícula circundada por membrana é o peroxissomo Ele possui enzimas oxidativas relacionadas à degradação de peróxido de hidrogênio e radicais livres resultantes da degradação de amino ácidos e gorduras e que podem ser tóxicos para a célula O núcleo de uma célula eucariótica é extremamente complexo tanto na sua estrutura quanto na função Ele é envolto em um envelope nuclear formado por duas camadas de membrana e se comunica com o citoplasma por meio dos poros nucleares No interior do núcleo existe o nucléolo uma região densa que possui muitas cópias de DNA que codificam RNA ribossômico O núcleo tem duas funções de extrema importância dentro da célula armazenar a informação genética contida no DNA e regular o metabolismo celular Dentro dele acontece a replicação do DNA e controle da expressão gênica Mitocôndrias são organelas celulares presentes geralmente em grande número em células eucarióticas Elas também são envoltas por duas membranas a externa lisa e a interna formando invaginações chamadas de cristas Em seu interior na matriz há enzimas e intermediários químicos envolvidos no metabolismo energético Elas catalisam a oxidação dos nutrientes orgânicos e geram ATP a principal molécula transportadora de energia das células Ou seja são elas que geram a energia utilizada para o funcionamento celular Uma particularidade das mitocôndrias é o fato de elas armazenarem seu próprio DNA RNA e ribossomos que codificam proteínas estruturais da organela Além disso elas têm a capacidade de se dividir para formar novas mitocôndrias As células fotossintetizantes de plantas e algas possuem organelas denomi nadas cloroplastos Eles têm função parecida com a das mitocôndrias com a diferença de que utilizam energia solar em vez de utilizarem energia química proveniente de oxidação É nelas que a acontece a fotossíntese processo que utiliza energia solar para produção de ATP Assim como as mitocôndrias os cloroplastos possuem seu próprio DNA RNA e ribossomos e se dividem para formar novas organelas As células que possuem cloroplastos possuem também mitocôndrias Os cloroplastos produzem ATP somente na presença de luz As mitocôndrias agem independentes da luz oxidando os carboidratos produzidos após a fotossíntese O citoesqueleto é formado por uma rede complexa de proteínas e é respon sável pela estrutura e organização do citoplasma e pela forma da célula Os três tipos gerais de filamentos que compõem o citoesqueleto são os filamentos de actina os microtúbulos e os filamentos intermediários Filamentos de actina e microtúbulos também estão envolvidos na movimentação das organelas e de toda a célula 7 Introdução à bioquímica O amido e a celulose são as duas moléculas de carboidratos que armazenam mais de metade do carbono existente no planeta O amido é o polissacarídeo de reserva energética das células vegetais da mesma forma que o glicogênio é para os animais A celulose é o principal componente da parede celular das células vegetais Ela é degradada por uma enzima que os seres humanos não possuem As biomoléculas e a hierarquia na organização molecular das células Apesar de existir enorme variabilidade entre os organismos vivos todos com partilham a mesma composição química básica Todas as moléculas orgânicas de uma célula têm em sua composição átomos de carbono O carbono é capaz de estabelecer ligações com átomos de hidrogênio oxigênio e nitrogênio e compartilha pares de elétrons com até quatro outros carbonos para formar ligações que são muito estáveis Átomos de carbono ligados covalentemente podem formar cadeias lineares ramifi cadas ou cíclicas que podem ter ainda ligadas a elas outros grupos de átomos os grupos funcionais Dessa forma o carbono é o principal componente de uma infi nidade de compostos As molé culas que contêm esqueletos carbônicos são chamadas compostos orgânicos e estão presentes na maioria das biomoléculas que formam os seres vivos Todas as moléculas orgânicas são sintetizadas a partir dos mesmos compos tos químicos simples Como consequência os componentes de uma célula são facilmente relacionados e podem ser classificados em um pequeno número de grupos diferentes Existem quatro tipos principais de biomoléculas que formam as células carboidratos lipídios proteínas e ácidos nucleicos Existem ainda outros compostos que não entram nessas categorias entretanto estes quatro grupos de moléculas orgânicas junto com as macromoléculas formadas por suas ligações são os responsáveis pela maior parte da massa celular Carboidratos Os carboidratos polissacarídeos são longas cadeias de açúcar Os açúcares simples monossacarídeos são compostos com a fórmula CH2On onda n varia de 3 a 7 Eles existem na forma de cadeia carbônica aberta ou cíclica e podem estar ligados à grupos hidroxila ou a um aldeído ou cetona que agem Introdução à bioquímica 8 como agentes redutores A ligação covalente entre dois monossacarídeos é denominada ligação glicosídica e une monossacarídeos formando dissacarí deos ex os monossacarídeos glicose e frutose ligados formam o dissacarídeo sacarose Ela é formada entre um grupo OH de um açúcar e um grupo OH de outro açúcar por uma reação de condensação que libera uma molécula de água quando a ligação é formada Polímeros maiores de açúcar podem ser oligossacarídeos trissacarídeo tetrassacarídeo etc até foram cadeias muito grandes chamadas polissacarídeos que contém centenas de monossacarídeos Monossacarídeos e dissacarídeos ex glicose sacarose são doces cristalinos e solúveis em água Já os polissacarídeos ex amido celulose são carboidratos complexos não são doces e nem solúveis em água A principal função dos carboidratos é relacionada à energia na célula Eles são os principais produtores de energia sob a forma de ATP e suas ligações são quebradas sempre que as células precisam de energia para reações quí micas Eles também conseguem reservar energia na forma de carboidratos complexos Nos vegetais a energia é reservada no amido um polímero de glicose e nos animais em glicogênio também polímero de glicose com uma estrutura mais compacta e ramificada Além disso os carboidratos também têm função estrutural A parede celular dos vegetais é formada por celulose que é um carboidrato polimerizado As células animais possuem o glicocálix que é formado por carboidratos circundando a membrana plasmática que conferem especificidade celular favorecendo a agregação de células com mesma função em um tecido Lipídeos Lipídeos são moléculas relativamente pequenas e hidrofóbicas Em geral apre sentam estrutura química relativamente simples mas têm funções complexas e diversas atuando em etapas cruciais do metabolismo e contribuindo com a estrutura celular Diferente das outras classes de biomoléculas os lipídeos não são caracterizados por um grupo funcional comum a sim pela sua baixa solubilidade em água e alta solubilidade em solventes orgânicos Entretanto a maioria deles é derivada ou possui em sua estrutura ácidos graxos Um ácido graxo tem duas regiões quimicamente distintas uma cadeia longa de hidrocarboneto e um grupo carboxila COOH que se comporta como um ácido carboxílico Quase todas as moléculas de ácido graxo em uma célula estão covalentemente ligadas a outras moléculas em seu grupo carboxila Suas cadeias carbônicas podem ser saturadas gorduras sólidas em temperatura ambiente ou insaturadas óleos líquidos em temperatura 9 Introdução à bioquímica ambiente Os triacilgliceróis triglicerídeos são formados pela ligação de 3 moléculas de ácidos graxos com o glicerol um álcool por meio de ligações do tipo éster Sua principal função é a de reserva de energia e são armazenados principalmente nas células adiposas Os fosfoglicerídeos fosfolipídeos são formados por ácidos graxos glicerol e ácido fosfórico O glicerol está ligado a uma base nitrogenada por meio de pontes fosfodiéster o que define a natureza desses compostos como anfipáticos com caudas apolares e cabeças polares Os fosfolipídeos são os principais componentes da membrana celular Os esfingolipídeos são formados por ácidos graxos ligados a um aminoálcool esfingosina através de uma ligação amida Eles também são importantes na formação da membrana celular e são constituintes importantes da bainha de mielina das células do sistema nervoso As ceras são formadas por ácidos graxos e álcoois alifáticos de cadeia longa e tem função impermeabilizante Existem ainda os lipídeos que não contêm ácidos graxos em sua com posição Eles não são energéticos mas desempenham funções fundamentais no metabolismo Entre eles estão os terpenos representados pela vitaminas lipossolúveis e os esteroides cujo exemplo mais importante é o colesterol Esta molécula além de participar da membrana plasmática é precursora de hormônios sexuais glicocorticóides mineralocorticóides ácidos e sais biliares e vitamina D Proteínas As proteínas constituem junto com a água a maior parte do conteúdo das células Elas têm funções variadas e essenciais em todos os organismos vivos Essas funções podem ser estruturais como é o caso das proteínas colágeno e elastina encontradas na matriz óssea e no sistema vascular e da queratina presente na epiderme Suas funções dinâmicas são muito diversifi cadas Elas incluem proteínas agindo como enzimas hormônios fatores de coagulação imunoglobulinas receptores de membrana além de controle da maquinaria genética contração muscular respiração entre outras As proteínas são formadas por cadeias de aminoácidos Estes são um grupo de compostos orgânicos formados em sua maioria por um carbono alfa ao qual estão quimicamente ligados um grupo amino NH2 um grupo ácido carboxílico COOH e uma cadeia lateral variável Existem 20 aminoácidos diferentes e sua variabilidade se dá pela cadeia lateral Para formar proteínas os aminoácidos se ligam uns aos outros em longas cadeias que são depois Introdução à bioquímica 10 organizadas em estruturas tridimensionais únicas para cada tipo de proteína As ligações entre dois aminoácidos são chamadas ligações peptídicas e são formadas entre o grupo amina de um aminoácido com o grupo carboxila de outro A versatilidade química dos 20 aminoácidos existentes é de extrema importância para o funcionamento das proteínas Cinco deles têm cadeias laterais que podem formar íons em solução os outros não alguns são polares e hidrofílicos outros apolares e hidrofóbicos Ácidos nucleicos Os ácidos nucleicos são compostos orgânicos formados por cadeias de nucle otídeos Cada nucleotídeo é formado por um açúcar do grupo das pentoses monossacarídeos com cinco átomos de carbono um radical fosfato e uma base nitrogenada As bases nitrogenadas são divididas em e pirimidinas e purinas Citosina timina e uracila são derivadas de pirimidinas porque derivam de uma pentose Guanina e adenina são derivadas de purinas e têm um segundo anel aromático de 5 carbonos ligado à uma pentose Cada nucleotídeo é nomeado de acordo com a base nitrogenada que contém Os nucleotídeos que formam os ácidos nucleicos são ligados uns aos outros por ligações fosfodiester entre as extremidades dos carbonos 5 e 3 O grupo 3 OH da pentose forma uma ligação com um dos oxigênios do grupo fosfato ligado à extremidade 5 do carbono da outra pentose Existem dois tipos princi pais de ácidos nucleicos que diferem no tipo de açúcar que os compõem Este açúcar pode ser uma ribose ou desoxirribose Os nucleotídeos formados por ribose são chamados de ribonucleotídeos contêm as bases adenina guanina citosina e uracila e formam as moléculas de ácido ribonucleico RNA das células Os formados por desoxirribose são os desoxirribonucleotídeos contêm as bases adenina guanina citosina e timina que é quimicamente similar à uracila e estão presentes nas moléculas de ácido desoxirribonucleico DNA O RNA normalmente está presente nas células na forma de uma cadeia sim ples de polinucleotídeos Já o DNA geralmente forma par com outra cadeia complementar antiparalela e ligadas entre si por pontes de hidrogênio entre as bases das duas cadeias A sequência linear de nucleotídeos presentes no DNA e no RNA codifica a informação genética da célula A habilidade de pareamento das bases ni trogenadas guanina com citosina adenina com timina ou uracila é a chave da hereditariedade e da evolução 11 Introdução à bioquímica Hierarquia na organização molecular das células Os monômeros moléculas de organização mais simples das células são os mesmos em todos os organismos vivos e se combinam para formar estruturas cada vez maiores e mais complexas Por exemplo estruturas simples como nucleotídeos se ligam a outros para formar um ácido nucleico DNA Este por sua vez se condensa e se liga a diversas proteínas para formar os cromosso mos Os cromossomos e diversas outras estruturas estão juntas e interagindo dentro do núcleo celular Ainda por mais que os monômeros sejam estruturas simples e sejam necessários em quantidades enormes para formar o próximo nível hierárquico de compostos da célula alterações em sua estrutura podem ter consequências significativas para a célula e portanto para o indivíduo formado por elas Por exemplo uma alteração em uma base nitrogenada de um ácido nucleico pode causar alterações no código genético de uma proteína importante que será traduzida de maneira errada e não funcionará adequadamente causando doenças A Figura 3 ilustra como funciona a hierarquia das biomoléculas dentro de uma célula animal Figura 3 Hierarquia estrutural na organização molecular das células Fonte adaptada de Nelson e Cox 2014 Introdução à bioquímica 12 Mais um exemplo de hierarquia na organização molecular das células e da importância das unidades mais simples é a anemia falciforme Nesta doença ocorre a substituição de um resíduo de ácido glutâmico por um de valina em uma das cadeias da hemoglobina Essa simples diferença afeta apenas uma pequena região da cadeia de 146 aminoácidos Entretanto ela causa uma alteração importante nas moléculas de hemoglobina que as faz formar agregados no interior dos eritrócitos que assim deformamse NELSON D L COX M M Princípios de Bioquímica de Lehninger 6 ed Porto Alegre Artmed 2014 Leituras recomendadas ALBERTS B et al Biologia Molecular da Célula 5 ed Porto Alegre Artmed 2011 HARVEY R A FERRIER D R Bioquímica Ilustrada 5 ed Porto Alegre Artmed 2015 VOET D VOET J G Bioquímica 4 ed Porto Alegre Artmed 2013 Referência 13 Introdução à bioquímica Conteúdo sagah SOLUÇÕES EDUCACIONAIS INTEGRADAS