Introdução à Bioquímica Básica na Agricultura

BIOQUÍMICA BÁSICA Introdução Prof Takeshi Kamada Eng Agrônomo UFV 1993 Doutor Genética e Melhoramento UFV 2006 BIOQUÍMICA NA AGRICULTURA 1 Cite três processos que considera da área da bioquímica utilizados na agricultura Fisiologia vegetal Microbiologia do solo Genética vegetal Produção de biomoléculas Nutrição de plantas Colheita e armazenamento Produção de sementes Aplicação de defensivos Controle biológico Tecnologia de alimentos Outras aplicações 2 Qual processo bioquímico que gostaria entender com mais ênfase BIOQUÍMICA É o ramo da biologia e da química que estuda as estruturas a organização funções e as transformações do componentes moleculares que ocorrem na célula Aborda todos os processos químicos que ocorrem nos organismos vivos UNIDADE I CARBOIDRATOS UNIDADE II LIPÍDEOS UNIDADE III AMINOÁCIDOS E PROTEÍNAS UNIDADE IV ENZIMAS UNIDADE V ÁCIDOS NUCLÉICOS UNIDADE VI METABOLISMO DE CARBOIDRATOS UNIDADE VII METABOLISMO DOS LIPÍDEOS UNIDADE IX FOTOSSÍNTESE UNIDADE X CICLO DO NITROGÊNIO Conteúdo programático 2209 Total de aulas 72 Mínimo de Presenças 54 Aulas teóricas Bloco 3 Aulas Práticas Bloco II Labor 09 2209 PROVAS 60 1ª avaliação 7ª semana 050923 2ª avaliação 14ª semana 311023 3ª avaliação 19ª semana 051223 TRABALHOS 40 Relatórios das aulas práticas Listas de exercícios Outros Substâncias Inorgânicas Substâncias Orgânicas Água Sais minerais CO2 Carboidratos Glicídeos Lipídeos Proteínas Vitaminas Ácidos Nucleicos Principais substâncias presentes na matéria viva Em geral não contém carbono Moléculas pequenas Contém Carbono Moléculas complexas Formadas por cadeias carbônicas 2209 CARBOIDRATOS A cada ano a fotossíntese converte mais de 100 bilhões de toneladas de CO2 e H2O em celulose e outros produtos vegetais São as moléculas orgânicas mais abundantes na natureza Açúcar comum e amido são a base da dieta na maior parte do mundo A oxidação dos carboidratos é a principal via metabólica produtora de energia para a maioria das células não fotossintéticas Importância Fonte de energia glicose e outros CO2 O2 ATP Reserva energética amido glicogênio outros Estrutural celulose quitina Hereditariedade Pentoses componente dos ácidos nucléicos Defesa anticorpos imunoglobulinas glicoproteínas Anticoagulante heparinas Transportadores sinalizador celular Lubrificantes de articulações Os carboidratos são predominantemente poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas ou substâncias que liberam esses compostos por hidrólise Geralmente apresentam fórmulas empíricas CH2On mas alguns podem conter N P ou S Glicose C6H12O6 Frutose C6H12O6 Classificação Os carboidratos podem ser classificados de acordo com a complexidade composição homoglicídeos ou heteroglicideos e função reserva estrutural sendo usualmente classificados de acordo com a complexidade da sua estrutura Monossacarídeos açúcares simples 1 unidade de poliidroxialdeído ou poliidroxicetona Qto ao n C trioses tetroses pentoses Oligossacarídeos polímeros de monossacarideos c 2 a 10 unid unidos por ligações glicosídicas Ex dissacarídeos trissacarídeos Polissacarídeos polímeros de monossacarideos c 10 unid Monossacarídeo São os carboidratos mais simples que não podem ser decompostos por meio de hidrólise passiva Consiste numa única unidade poliidroxialdeídeo ou poliidroxicetona Subdivididos em dois tipos de acordo com a carbonila Fórmula Geral CH2On n 3 9 Denominação dos monossacarídeos O nome genérico é dado baseado no número de carbonos mais a terminação ose 03 carbonos trioses 04 carbonos tetroses 05 carbonos pentoses 06 carbonos hexoses 07 carbonos heptoses Somente pelo número de carbonos Pela função e número de carbonos ALDOSES Exemplos Comuns Estrutura Aberta Carbonila 1ª CETOSES Exemplos Comuns Estrutura Aberta Carbonila 2ª Glicose Aldohexose C6H12O6 Constitui até 01 do sangue humano É a fonte de energia dos seres vivos Estrutura mais comum na formação dos oligossacarídeos e polissacarídeos Monossacarídeos importantes Frutose ou Levulose Cetohexose C6H12O6 Açúcar das frutas Galactose Aldohexose C6H12O6 Faz parte da lactose o açúcar do leite Ribose e Desoxirribose AldoPentose C5H10O5 Constituintes dos ácidos nucléicos RNA e DNA respectivamente Estereoisômeros Estruturas com átomos que conectamse na mesma ordem mas diferem no arranjo espacial Surgem devido o centro quiral definido pelo carbono assimétrico que possui quatro ligantes diferentes MONOSSACARÍDEOS Estereoisomeria DGliceraldeídeo C3H6O3 Aldotriose Dihidrocetona C3H6O3 Cetotriose Quantidade de estereoisômeros 2n n número de centros quirais Aldotriose 2 1 2 Cetotriose 20 1 São estereoisômeros com imagens especulares um do outro e não sobreponíveis Uma estrutura é semelhante a imagem formada no espelho porém são duas moléculas distintas Possuem a mesma fórmula numérica e posição invertida dos elementos ligantes Enantiômeros Enantiômeros D e L Os enantiômeros são divididos em dois grupos D e L D e L é referente a hidroxila do centro quiral mais distante da carbonila D OH voltada para direita L OH volttada para esquerda LArabinose DArabinose Aldotrioses formam os menores enantiomeros Cetotiroses não possuem C quiral Diastereoisômeros São estereoisômero que não formam imagens especulares Possuem C quirais sobreponíveis Epímeros Diaesteroisômeros que diferem uns dos outros na configuração em somente um C quiral Todos os quirais são diferentes exceto um DManose epímero em C2 DGlicose epímero em C4 DGalactose epímero em C4 ESTEREOISÔMEROS Fórmula molecular Arranjo espacial Epímeros DGlicose DGalactose Enantiômeros Diastereoisômeos DEritrose DTreose LArabinose LEritrose DArabinose Imagens especular um do outro Todos os quirais são diferentes Não formam imagens especulares Alguns quirais são iguais Não formam imagens especulares Apenas um quiral são diferentes CICLIZAÇÃO A estrutura fechada cíclica confere maior estabilidade para molécula apenas 002 dos carboidratos encontram se na forma de estrutura aberta As aldoses e cetoses formam estruturas cíclicas por meio de reações denominadas hemiacetais e hemicetais respectivamente Reação HemiAcetal Aldose CHO hidroxila OH Reação HemiCetal Cetose CO hidroxila OH Na estrutura cíclica forma um carbono anomérico derivado da carbonila que define os isômeros alfa e beta Formação de hemiAcetais e hemiCetais Reação HemiAcetal COH OH Reação HemiCetal Carbonila Aldeídeo Carbonila Cetona ESTRUTURAS CÍCLICAS a Anel Furanosídico 5 b Anel Piranosídico 6 ANÔMEROS e CARBONO ANOMÉRICO da Reação hemiAcetal Reação hemiAcetal Anômeros formas isoméricas cíclicas que diferem uma da outra apenas em sua configuração ao redor do átomo de carbono do hemiacetal ou hemicetal αDglicopiranose βDglicopiranose ANÔMEROS e CARBONO ANOMÉRICO da Reação hemicetal Reação hemicetal αDfrutofuranose βDfrutofuranose Dfrutose 1 2 3 4 5 6 Dextrógira ou Levógira TERMINOLOGIA ATIVIDADE ÓPTICA Substâncias que apresentam a propriedade de desviar a luz plano polarizada Polarímetro quantifica a concentração da substância com base na atividade óptica direção e ângulo de desvio da luz Sacarímetro polarímetro específico para medir a concentração de determinado carboidrato numa solução Calibrado para ler diretamente a concentração de determinado carboidrato Substância levógira L Substância Dextrógira D α α Monossacarídeos são agentes redutores Os Açúcares redutores são os carboidratos que promovem a redução de compostos devido a presença do carbono anomérico livre não está envolvido numa ligação glicosídica Todos os monossacarídeos são açúcares redutores A maioria dos dissacarídeos são açúcares redutores A maioria dos polissacarídeos não são açúcares redutores Redução OLIGOSSACARÍDEOS São os carboidratos constituídos por monômeros monossacarídeos e mantidos pelas de ligações glicosídicas Geralmente apresentam 2 a 10 monômeros Ligação glicosídica Ligação covalente estabelecida a partir da reação da hidroxila do carbono anomérico com a hidroxila de outro carbono qualquer do monossacarídeo adjacente Resulta na liberação de H2O e estabelecimento de uma ponte de oxigênio entre os monossacarídeos Os tipos mais comuns são O Ligação α 1 4 Hidrólise H2O Condensação H2O Lactose açúcar do leite βD galactose Dglicose ligação β 14 Açúcar redutor Maltose e Celobiose Dglicose Dglicose CELOBIOSE hidrólise da celulose Dglicose D glicose Ligação glicosídica ß 1 4 ligação α 1 4 ligação ß 1 4 Dglicose Dglicose Dglicose Dglicose MALTOSE degradação do amido Dglicose D glicose Ligação glicosídica α 1 4 POLISSACARÍDEOS Carboidratos constituídos por mais de 10 até milhares de monômeros monossacarídeos Normalmente pouco solúveis ou insolúvel sem sabor e não tem poder redutor Homopolissacarídeos Heteropolissacarídeos Não ramificados Ramificados Homopolissacarídeos Apenas um único tipo de monômero Forma de armazenamento de energia amido e glicogênio componente estrutural de parede celular de vegetais e exoesqueleto celulose e quitina Heteropolissacarídeos Contém mais de um tipos de monômeros Componente estrutural da parede celular da cél Vegetal ex hemicelulose Suporte extracelular em muitas formas de vida POLISSACARÍDEOS Uma caracterização completa de polissacarídeos inclui a especificação de quais monômeros estão presentes a sequência dos mesmos e também o tipo de ligação glicosídica envolvida Classificação de acordo com a função Polissacarídeo de reserva constituídos por estruturas de fácil hidrólise normalmente possuem diferentes enzimas para degradar sua estrutura Também são facilmente degradados pelo calor Polissacarídeo estrutural constituídos por estruturas resistentes normalmente são degradados por enzimas específicas e são resistentes ao calor Alguns são altamente hidrofóbicos ex quitina Principais Homopolissacarídeos Celulose Estrutural Amido Reserva Glicogênio Reserva Quitina Estrutural Amido Homopolissacarídeo polímeros de αDglicose Polissacarídeo de reserva abundante Produzidos nas células vegetais folha semente caule frutos e Raiz Possui forma transitórica cloroplasto e estável nos órgão de armazenamento Normalmente são acumulados nas organelas denominadas de grãodeamido Constituído por duas substâncias distinguidos pelo grau de ramificação da cadeia e tipo de ligação Amilose não ramificada ligação α 1 4 Amilopectina ramificada ligações α 1 6 e α 1 4 Enzimas que hidrolisam o amido α e ß amilase degradam as ligações α 1 4 Desramificadoras degradam α 1 6 Amido amilopectina amilose Amilopectina Ramificada αDglicose centenas Ligações α 1 6 e 1 4 Amilose Não ramificada mais curta αDglicose dezenas Ligação α 1 4 OH OH Extremidade Redutora Extremidade Redutora ligação α 1 4 AMILOSE AMILOPECTINA Pontos de Ramificação Ponto de Ramificação α 1 6 Amilose Estrutura helicoidal Não ramificada Amilopectina Ramificada AMIDO Amilose Amilopectina COMPOSIÇÃO DOS GRÃO DE AMIDO Amilose e amilopectina José Carlos CurveloSantana Daniela Diniz Ehrhardt Elias Basile Tambourg Otimização da produção de álcool de mandioca Ciênc Tecnol Aliment Campinas 303 613617 julset 2010 Grão de amido do milho normal Grão de amido da batata inglesa Amilose Amilopectina VARIEDADES DE ARROZ Oryza sp Teores da amilose oscilam entre 1 e 40 Tipo de grão de acordo com o teor de amilose Grão mais duro e solto amilose grão longo Grão mais pegajoso menos amilose grão menos longo VARIEDADES DE MILHO Zea Mays Amilose oscilam entre 18 e 78 Grão Ceroso Alto teor de amilopectina Viscosidade uso sopa desidratada Baixa temperatura para formar gel amilose mais crocância utilizado na produção de nuggets reduz a entrada de óleo Viscosidade produção sopa desidratada Crocancia Produção de nuggets Glicogênio São polímeros de αDglicose Ocorrem em animais sendo uma forma de armazenamento de energia Forma grânulos fígado até 7 do peso músculo 10 a 20 Possui cadeia mais ramificada em relação ao amido ligações α 1 4 e α 1 6 nos pontos de ramificação a cada 8 a 12 unidades Degradação enzimática amilases degrada em glicose amilases degrada em maltose Glicogêniofosforilase remove unidades de glicose uma por vez a partir da extremidade nãoredutor Dextranas A presença de dextranas na garapa pode aumentar a viscosidade e danificar os equipamentos durante a produção do álcool e açúcar A produção pode ocorrer na cana antes da moagem devido a contaminação pelos microrganismos sendo muito influenciado de acordo com a variedade Alguns estudos visam o aproveitamento das dextranas para aumentar a viscosidade dos produtos industrializados tais como óleos lubrificantes e géis Homopolissacarídeos de Dglicose Ramificada diferentes tipos de ligações glicosídica Produzido pelos microrganismos a partir da sacarose glicose e outros carboidratos Fungos e bactérias utilizam como fonte de energia Celulose É o principal componente estrutural das plantas especialmente de madeira e plantas fibrosas É um homopolissacarídeo linear de ßDglicose e todos os resíduos estão ligados por ligações glicosídicas ß 1 4 Os animais não possuem as enzimas celulases que atacam as ligações ß As enzimas que degradam são encontradas em bactérias incluindo as que habitam o trato digestivo dos cupins animais de pasto como gado e cavalo Conteúdo de celulose em algumas células Algodão 95 99 Rami 80 90 Madeira 40 50 Casca de árvores 20 30 Musgos 25 30 Bactérias 20 30 Celulose Homopolissacarídeo linear de ßDglicose ligados por ligações glicosídicas ß 1 4 Hidrólise parcial decompõe em celobiose duas unidades de Dglicose Hidrólise completa ácido forte glicose Hidrólise enzimática ação das celulases e celobiases principais enzimas Celubiases degradação inicial da celulose libera dois monômeros de βDglicose Celulases enzima não produzida pelos vertebrados em ruminantes são produzidas pelas bactérias do rúmen Quitina É semelhante à celulose em estrutura e função com resíduos ligados por ligações glicosídicas ß 1 4 Diferese da celulose na natureza de monossacarídeos na celulose o monômero é a ßD glicose e na Quitina o monômero é a Nacetil ßDglicosamina Principal constituinte do exoesqueleto dos insetos e crustáceos Encontrado em fungos e bactérias Altamente insolúvel Confere alto grau de resistência à decomposição Possui papel estrutural e apresenta boa resistência mecânica filamentos individuais unidos por pontes de H Quitina Polissacarídeo estrutural formado por Nacetil ßDglicosamina ligação ß 1 4 Ligação ß 1 4 Nacetil Substâncias pecticas Encontrado na parede celular e está associado a outros compostos como pectatos de cálcio pectato hemicelulose que confere rigidez ao tecido A degradação enzimática ocorre pela ação das poligalacturonase e pectina esterase Frutos verdes possuem alta concentração de inibidores enzimáticos Na produção de geléias a partir dos frutos verdes ocorre devido aa reação dos pectatos sacarose Homopolissacarídeo de ác galacturônico lig β 14 Estrutura química da pectina