Componentes químicos das células

Componentes
Químicos da
Célula
Profa. Dra. Maria Tercília Vilela de Azeredo Oliveira
Profa. Msc. Rosana Silistino de Souza
Departamento de Biologia
Mestrando Alexandre Vidotto
Programa de Pós-Graduação em Genética - IBILCE/UNESP
Componentes Químicos da Célula:
Composto
Água
Porcentagem
75 a 85%
Íons inorgânicos
1%
Carboidratos
1%
Lípideos
2 a 3%
Proteínas
7 a 10%
Ácidos nucléicos
1%
Classificação dos Compostos Químicos:
Orgânicos: contém ao menos uma molécula de
carbono e uma de hidrogênio em sua
composição
Ex.: Proteínas, carboidratos, etc...
Inorgânicos: São compostos formados em
geral por moléculas (compostos iônicos)
pequenas, em que podem ou não conter carbono
em sua composição.
Ex.: H2O, CO2 HCN, NaCl, etc...
Íons
Os íons são partículas carregadas (+ ou -), onde o nº
de e- não é mesmo que o nº de p+.
- Cátions: derivados de átomos
que perderam e-, carga (+).
Ex: Na+, o át. de Na perdeu 1 e• Íons
- Ânions: derivados de átomos
que ganharam e-, carga (-).
Ex.:Cl-, o át. de Cl ganhou 1 e-
Íons importantes
• Na+: importante para transmissão do
impulso nervoso.
• Ca+2: contração muscular e processo
de cicatrização.
• Mg+2: presente na clorofila. Ex. Rubisco
• Fe+2: hemoglobina.
• Fe-: importante p/a manutenção dos
ossos e dos dentes.
ÁGUA
ÁGUA
componente mais abundante na superfície terrestre
vida originou-se, evoluiu e desenvolveu-se nos oceanos
estruturas e funções celulares: adaptadas as propriedades
físico-químicas da água
não é solvente universal !!!!
solubiliza grande número de substâncias
H2O: quimicamente estável, mas com propriedades incomuns
que fazem dela um bom solvente.
PROPRIEDADES
DA ÁGUA
Molécula de H2O: ESTRUTURA
O
H
H
O
H
Molécula de H2O: é polar
O: átomo muito eletronegativo
H: átomo pouco eletronegativo
Eletronegatividade: afinidade por elétrons
H
PONTES DE HIDROGÊNIO
Definição: ligação não-covalente que se forma entre dois
átomos eletronegativos (O ou N) onde um deles está ligado
covalentemente a um átomo de H (doador).
Ponte de hidrogênio
Ligação covalente
doador
aceptor
H
N ou O
São
ligações
fracas
que
podem
facilmente → grande importância biológica
O
H
N ou O
ser
rompidas
e
refeitas
PONTES DE HIDROGÊNIO
Pontes de hidrogênio entre moléculas de água dão força coesiva
que faz a água líquida à temperatura ambiente e sólida à baixas
temperaturas.
δ+
H
H
O
δ-
δ- δ
δ+
H
H
δ-
O
δ+
δ+
PONTES DE HIDROGÊNIO
Cada molécula de H2O pode fazer no máximo 4 pontes de H
com outras moléculas de H2O ao mesmo tempo
H
O
H
H
H
H
O
H
O
O
H
H
H
O
H2O no estado sólido (gelo): 4 ptes H/H2O
H2O no estado líquido: 3,4 ptes H/H2O
H2O no estado gasoso: 1-2 ptes H/H2O
H
Importância Biológica das Ligações Fracas
• Permitem à célula montar, alternar e desmontar estruturas
supramoleculares.
Ex.: Atuação enzimática, formação dos microtúbulos.
• Aumentar a versatilidade e eficiência funcional s/ grandes
gastos de energia.
Obs.: Se as ligações fossem apenas estáveis e de alto
valor energético a atividade celular seria impossível.
• H2O:
pode
SOLUBILIDADE
EM H2O
realizar
com
outras
substâncias
pontes
de
hidrogênio e interação eletrostática
• Dissolver = “envolver” uma substância com moléculas de água
• SEMELHANTE DISSOLVE SEMELHANTE
substância podem ser classificadas em:
hidrofílicas: solúveis em água
hidrofóbicas: insolúveis em água
anfifílicas ou anfipáticas: a substância apresenta parte
da molécula hidrofóbica e parte hidrofílica
SUBSTÂNCIAS
HIDROFÍLICAS
substância polares: formam pontes de hidrogênio com a H2O.
Exemplos: açúcar, álcool e acetona.
GLICOSE
SUBSTÂNCIAS
HIDROFÓBICAS
substância apolares: não interagem com a H2O, não sendo,
portanto, dissolvidas. Os hidrocarbonetos (composto de C e H
somente) são altamente apolares. Exemplos: gasolina, petróleo,
óleo diesel, etc.
SUBSTÂNCIAS ANFIFÍLICAS
parte da molécula é hidrofóbica e outra parte é hidrofílica.
Exemplos: ácido graxo, detergente, sabão, etc.
Cabeça
Polar
(Hidrofílica)
Cauda apolar
(Hidrofóbica)
REPRESENTAÇÃO
COMPORTAMENTO DE
ANFIFÍLICOS EM H2O
AGITAÇÃO
MICELA: monocamada de anfifílico
AGITAÇÃO INTENSA
VESÍCULA: dupla camada de anfifílico com
água no interior
EMULSIFICAÇÃO
“SOLUBILIZAÇÃO” de gorduras pela formação de uma micela
O
DETERGENTE
GORDURA
H
H
O
H
H
H
O
H
H
O
H
H
H
H
H
H
H
O
H
O
O
O
O
H
H
H
Macromoléculas Orgânicas
Unidades
Macromoléculas ou polímeros repetidas
Monômeros
Unem-se por ligações covalentes
Homopolímeros
Polímeros formados por monômeros
semelhantes .
Heteropolímeros
Polímeros formados por monômeros
diferentes .
Macromoléculas Orgânicas
Polímeros
Grupamentos
químicos
Moléculas com alto teor
de grupamentos polares
Moléculas com baixo
teor de grupamentos
polares
Moléculas Anfipáticas
grupamentos polares ou
hidrofílicos
grupamentos apolares ou
hidrofóbicos
Carboidratos, DNA, RNA e
proteínas
Gorduras, parafinas e óleos
Detergentes, algumas
proteínas e fosfolipídeos
PROTEÍNAS
CLASSIFICAÇÃO PEPTÍDICA
peptídeo: polímeros curtos de aminoácidos (aas)
dipeptídeo: dois resíduos de aas
tripeptídeo: três resíduos de aas
oligopeptídeos: 12 a 20 resíduos de aas.
polipeptídeos: mais de 20 resíduos de aas
Proteínas: compostos formados por uma ou mais
cadeias polipeptídicas
PROTEÍNAS
Definição - São macromoléculas constituídas por unidades
chamadas de aminoácidos;
São as moléculas mais abundantes e com maior diversidade de
funções nos sistemas vivos;
Aminoácidos (aas) – apresenta um
grupo carboxila, um grupo amino e
uma cadeia lateral distinta (“grupo R”)
ligados ao átomo de carbono α
(exceto a prolina, que possui um
grupo imino).
Embora mais de 300 aas diferentes
tenham sido descritos na natureza,
apenas 20 deles são normalmente
encontrados como constituintes de
proteínas em mamíferos;
São, principalmente classificados
de acordo com a sua cadeia lateral,
pois é a natureza dessas cadeias que
determina o papel de um aa em uma
proteína: apolares, polares, ácidos,
básicos.
Lehninger, 2004.
PROLINA
Único aminoácido que faz ligação com o carbono alfa
e o grupo amina, formando um composto imino.
NÍVEIS ESTRUTURAIS DAS
PROTEÍNAS
Estrutura primária: a sequência linear de aas em uma
proteína.
Ligações peptídicas: Os aminoácidos são unidos
entre si por ligações peptídicas, nas quais o grupo
amina de um deles se liga ao grupo carboxila do
próximo, havendo a perda de uma molécula de
água, ou seja, a formação de uma ligação peptídica
é uma síntese por desidratação.
ESTRUTURA
PRIMÁRIA
NÍVEIS ESTRUTURAIS DAS PROTEÍNAS
Estrutura secundária: consiste em um primeiro nível
de enrolamento helicoidal da proteína, graças às
interações, geralmente pontes de hidrogênio, entre seus
aminoácidos.
Hélice α: existem várias hélices polipeptídicas
diferentes na natureza, mas a hélice α é a mais
comum. O filamento de aminoácidos se enrola ao
redor de um eixo central, formando uma “escada
helicoidal”. É uma estrutura estável, cujas voltas são
mantidas por pontes de hidrogênio
ESTRUTURA
SECUNDÁRIA
*Exemplos: queratinas – família de proteínas fibrosas intimamente
relacionadas, que constituem os principais componentes de tecidos como
cabelo e a pele!!
NÍVEIS ESTRUTURAIS DAS PROTEÍNAS
Folha β: ao contrário da hélice α, são compostas
de duas ou mais cadeias peptídicas (fitas β) ou
segmentos de cadeias polipeptídicas, as quais
apresentam-se quase totalmente estendidas.
As pontes de hidrogênio são perpendiculares ao
esqueleto polipeptídico!!!!
As folhas podem ser paralelas ou antiparalelas, e,
ainda, pode ser formada por uma única cadeia,
dobrando-se sobre si mesma!!!
ESTRUTURA
SECUNDÁRIA
NÍVEIS ESTRUTURAIS DAS PROTEÍNAS
Glicina
Prolina
ESTRUTURA
SECUNDÁRIA
NÍVEIS ESTRUTURAIS DAS PROTEÍNAS
Estrutura terciária: a beta folha ou as alfa hélice começam a
se enrolar fazendo com que interações de aminoácidos que,
antes, estavam distantes, através de ligações de ponte de
hidrogênio e de dissulfeto, se aproximem, e, com isso, a proteína
assume a sua estrutura tridimensional conferindo a atividade
biológica das maiorias das proteínas.
ESTRUTURA TERCIÁRIA
*As cadeias laterais hidrofóbicas são posicionadas no interior,
enquanto os grupos hidrofílicos geralmente são encontrados na
superfície da molécula!!
*A estrutura primária determina a terciária!!
NÍVEIS ESTRUTURAIS DAS PROTEÍNAS
Papel das chaperonas no dobramento proteíco: constituem
uma família de muitas proteínas diferentes com função
semelhante: elas usam energia da hidrólise de ATP para
desnovelar proteínas, possibilitando novo enovelamento, dessa
vez na forma correta ou no lugar correto, e, também, encaminha
a proteína à destruição, caso não seja possível atingir a
configuração correta.
*“chaperons” foram aqueles meninos que
ajudavam os nobres renascentistas a vestir
as roupas complicadíssimas e colocar as
perucas enormes
ESTRUTURA TERCIÁRIA
NÍVEIS ESTRUTURAIS DAS PROTEÍNAS
Estrutura quartenária: duas ou mais cadeias polipeptídicas
interagem através de interações hidrofóbicas, ligações iônicas e
por ponte de hidrogênio. Cada cadeia polipeptídica possui o
terceiro nível de organização.
ESTRUTURA QUATERNÁRIA
Desnaturação de proteínas: resulta no desdobramento e na
desorganização das estruturas secundária e terciária, sem que ocorra
hidrólise das ligações peptídicas.
*Agentes: calor, solventes orgânicos, agitação mecância, ácidos e bases
fortes, detergentes e ínos ou metais pesados, como chumbo e mercúrio!!!
*Pode ser reversível ou não!!!
NÍVEIS ESTRUTURAIS DAS PROTEÍNAS
TIPOS DE PROTEÍNAS
Hemeproteínas Globulares: são um grupo especializado de
proteínas, as quais contêm o heme (protoporfirina + íon) como
grupo prostético firmemente ligado e que desempenha diferentes
papéis, de acordo com a estrutura tridimensional da proteína.
Catalase;
Citocromo;
Hemoglobina e mioglobina...
TIPOS DE PROTEÍNAS
Proteínas fibrosas: o colágeno e a elastina são os exemplos
de proteínas fibrosas bem caracterizados, que apresentam
função estrutural no organismo, Por exemplo, o colágeno e a
elastina são componentes da pele, do parede dos vasos
sanguíneos e da córnea...
Cada
proteína
fibrosa
apresenta propriedades mecânicas especiais, resultado de sua
estrutura única, a qual é obtida pela combinação de aas
específicos em elementos regulares de estrutura secundária!!!!
TIPOS DE PROTEÍNAS
Proteínas de membrana: São proteínas encontradas em
associação com os vários tipos de membrana das células.
MÉTODOS DE PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO
DE PROTEÍNAS
MÉTODOS DE PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO
DE PROTEÍNAS
MÉTODOS DE PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO
DE PROTEÍNAS
MÉTODOS DE PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO
DE PROTEÍNAS
roxa:
MÉTODOS DE PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO
DE PROTEÍNAS
Cromatografia
Um dos métodos mais utilizados para separação de proteínas é a
cromatografia;
Primeiramente desenvolvida para separação de moléculas pequenas
como a aminoácidos e açúcares;
Amostra (soluto) interage fiscamente com duas fases- Uma móvel (gás
ou líquido) e um suporte sólido (fase estacionária; solvente ou Matriz). A
fase móvel movimenta o soluto através da fase estacionária. A atração
diferencial do soluto pelas fases móvel e estacionária afetará a sua
mobilidade.
Aplicações:
Separação de misturas complexas de biomoléculas em componentes
individuais para propósitos analíticos ou quantitativos.
Isolamento em uma forma pura de uma biomolécula simples a partir de
uma mistura complexa
Cromatografia de Colunas
Tipos de cromatografia de coluna
Qual a importância das proteínas p/ a cél.?
• Estrutura das céls. e tecidos → Ex.:Queratina
• Reparos → Ex.: proteínas responsáveis pela
coagulação
• Crescimento → Ex.:hormônios
• Defesa → Ex.:anticorpos
• Manutenção do organismo → Ex.: Insulina
• Biocatalizadores → Ex.: Enzimas
Regulam milhares de reações
químicas diferentes
Enzimas =
Catalisadores biológicos
• Definição: catalisadores de reações químicas
(aceleram as reações) altamente específicas. A grande
maioria são proteínas (exceção: ribozima)
• Propriedades:
– Aceleram as reações
– Não são consumidos na reação
– Atuam em pequenas concentrações
– Não alteram o equilíbrio das reações
– Podem ter sua atividade regulada
Reações químicas catalisadas (enzimas)
Energia
E+S
ES
E+P
Energia de ativação sem enzima
S
Energia de ativação com enzima
P
Caminho da Reação
Enzimas nomenclatura e classificação
• Nomenclatura:
SUBSTRATO + FUNÇÃO + ASE
Ex.: superóxido dismutase, nitrato redutase, isocitrato desidrogenase,
etc.
Enzimas - Cofatores
Moléculas orgânicas ou inorgânicas que condicionam a
atividade das enzimas
Ativador
Porção protéica
APOENZIMA
Cofator
HOLOENZIMA
Grupamento
prostético
Coenzima
Enzimas - Cofatores
• Cofatores inorgânicos: íons metálicos. Exemplos:
– Magnésio
– Manganês
– Zinco -
• Cofatores orgânicos
– Maioria deriva de vitaminas hidrossolúveis
– Classificam-se em:
• transportadoras de hidrogênio
• transportadoras de grupos químicos
Enzimas
Centro Catalítico / Sítio Ativo
Região da molécula enzimática
que participa da reação com o
substrato
Pode possuir componentes não
protéicos: cofatores
Enzimas
Substratos
Complexo ES (Enzima-Substrato)
Ligação ao Sítio Ativo ou sítio catalítico
Chave-fechadura
Liberação do Produto
+
Enzima inalterada
Fatores que alteram a atividade de uma enzima
• Fatores decorrentes da natureza protéica das enzimas
- pH
- temperatura
• Fatores decorrentes da formação do complexo ES
- concentração do substrato
- concentração da enzima
• Presença de inibidores
LIPÍDEOS
LIPÍDEOS
Classe de moléculas bastante variada
Baixa solubilidade em água, muitos são compostos anfifílicos
Desempenham várias funções no organismo:
Combustível celular
Hormônios ou precursores hormonais
Reserva de energia
Componente estrutural das membranas biológicas
Isolamento e proteção de órgãos
Isolamento térmico
Vitaminas
A maioria dos lipídeos é derivada ou possui na sua
estrutura ácidos graxos.
ÁCIDOS GRAXOS (AG)
ácidos orgânicos com mais de
12 carbonos,
Ácidos
insaturados:
cadeia alquil pode ser
saturada ou insaturada
Possuem uma
duplas ligações,
Ácidos graxos saturados
Não possuem duplas ligações
mono ou poliinsaturados;
Geralmente sólidos à
temperatura ambiente;
Gorduras de origem animal
são geralmente ricas em AG
saturados
graxos
ou
geralmente
líquidos
temperatura ambiente;
mais
à
Os
óleos
de
origem
vegetal são ricos em AG
insaturados;
TRIACILGLICEROL
(TAG)
lipídeos formados pela ligação de 3 moléculas de ácidos
graxos com o glicerol.
ácidos graxos que participam da estrutura
triacilglicerol são geralmente diferentes entre si
de
um
principal função: reserva de energia
armazenados no tecido adiposo
fornecem por grama aproximadamente o dobro da energia
fornecida por carboidratos
(FOSFOLIPÍDEOS)
Lipídios "Polares", que contém fosfato na sua estrutura
desempenham importante função na estrutura e função das
membranas biológicas, por serem anfipáticos.
CERAS
Ceras são insolúveis em H2O têm ação impermeabilizante na
superfície da pele de animais, nas folhas de plantas e nas
penas de aves.
Exemplos:
cera de carnaúba: usada no polimento de carros,
sapatos, pisos, isolante em chips, revestimento de
comprimidos etc.
lanolina: protege a lã. É rapidamente absorvida pela
pele humana sendo por isso utilizada em cosméticos e
produtos farmacêuticos.
ESTERÓIDES
lipídeos que não possuem AG em sua estrutura.
Destes, o principal exemplo é o Colesterol.
COLESTEROL
esteróide importante na estrutura das membranas biológicas,
atua
como
precursor
na
biossíntese
dos
esteróides
biologicamente ativos, como os hormônios esteróides, os ácidos
e sais biliares e a vitamina D.
LIPOPROTEÍNAS
A fração lipídica das lipoproteínas é muito variável, e permite a
classificação das mesmas em 5 grupos, de acordo com suas
densidades e mobilidade eletroforética:
Quilomicron
Lipoproteína de muito baixa densidade (VLDL)
Lipoproteína de densidade intermediária (IDL)
Lipoproteína de baixa densidade (LDL)
Lipoproteína de alta densidade (HDL)
LIPOPROTEÍNAS
Quilomícron = É a lipoproteína menos densa, transportadora de
triacilglicerol exógeno na corrente sanguínea.
VLDL = "Lipoproteína de Densidade Muito Baixa", transporta
triacilglicerol endógeno.
IDL = "Lipoproteína de Densidade Intermediária", é formada na
transformação de VLDL em LDL.
LDL = "Lipoproteína de Densidade Baixa", é a principal
transportadora de colesterol para os tecidos; seus níveis
aumentados no sangue aumentam o risco de infarto agudo do
miocárdio.
HDL = "Lipoproteína de Densidade Alta"; atua retirando o
colesterol da circulação. Seus níveis aumentados no sangue estão
associados a uma diminuição do risco de infarto agudo do
miocárdio.
LDL = “colesterol ruim”
HDL = “bom colesterol”
LDL: transporta o colesterol para os tecidos e sua oxidação leva
a produção da placa de ateroma
HDL: tira o excesso de colesterol dos tecidos e leva de volta ao
fígado.
O colesterol é o mesmo em ambas lipoproteínas
Arteriosclerose
1
4
3
2
5
Função Biológica dos
Lipídeos
Combustível: reservas energéticas
armazenados nos adipócitos.
(gorduras
e
óleos)
Estrutural: estão relacionados na formação de membranas.
Isolantes: são excelentes isolantes → encontram-se nas
gorduras neutras em tecidos subcutâneos e em torno de alguns
tecidos (proteção térmica e mecânica).
Funções Especiais: sinalização (hormonal), cofatores de reações
enzimáticas (vitamina K) ou ubiquinona. O lipídeo retinal
carotenóide por ser sensível à luz tem papel central no processo
de visão.
CARBOIDRATOS
CARBOIDRATOS
também chamados sacarídeos, glicídios, oses, hidratos de
carbono ou açúcares
biomoléculas mais abundantes na natureza
maior
parte
da
ingestão
calórica
da
maioria
dos
organismos
fórmula geral é: [CH2O]n, daí o nome "carboidrato" ou
"hidrato de carbono"
Fonte de energia
Reserva de energia
Estrutural
Matéria-prima para a biossíntese
Informacional → glicocálix
MONOSSACARÍDEOS
sólidos, cristalinos, incolores, solúveis em H2O, alguns têm
sabor doce
fórmula geral é: [CH2O]n, n≥3
cadeia não ramificada de átomos de C ligados entre si por
ligações simples. Um dos C é ligado ao O por uma dupla ligação
(carbonila), os outros C estão ligados a OH (hidroxila)
Classificação dos monossacarídeos também pode ser baseada
no número de carbonos de suas moléculas:
TRIOSES (3C),
TETROSES (4C),
PENTOSES(5C): Ribose, Arabinose, Xilose
HEXOSES (6C): Glicose, Galactose, Manose, Frutose
etc
POLISSACARÍDEOS
Macromoléculas formadas por centenas a milhares de
unidades monossacarídicas ligadas entre si por ligações
glicosídicas.
Polissacarídeos importantes → formados pela polimerização da
glicose: amido, glicogênio e celulose.
AMIDO:
polissacarídeo de reserva da célula vegetal
Formado por moléculas de glicose ligadas entre
si através de numerosas ligações
AMILOSE
AMILOPECTINA
GLICOGÊNIO:
Polissacarídeo de reserva da célula animal (fígado – manutenção
da glicemia; e músculos – fornecimento energia exercício intenso).
semelhante ao amido, mas possui um número bem maior de
ligações , o que confere um alto grau de ramificação à sua molécula
Alto número de ramificações facilita a ação da enzima glicogênio
fosforilase (do músculo e do fígado) liberando grandes quantidades
de monossacarídeo rapidamente.
QUEBRA DA LIGAÇÃO GLICOSÍDICA
Digerida
por
α-amilases
(enzimas
que
hidrolisam
a
ligação
glicosídica)
ptialina (ou amilase salivar): inicia a degradação dos carboidratos
na boca dos mamíferos.
Substância de reserva
glicogênio
Célula do
fígado:
Hepatócito
CELULOSE:
Carboidrato mais abundante na natureza.
Função estrutural na célula vegetal, como um componente importante
da parede celular.
Este tipo de ligação glicosídica confere à molécula uma estrutura
espacial muito linear, que forma fibras insolúveis em água e não
digeríveis pelo ser humano.
BIBLIOGRAFIA
• ALBERTS, B. Biologia molecular da Célula. Artmed,
2004
• Earnshaw, W. C.; Pollard T.D. Biologia Celular.
Elsevier, 2006
• CAMPBELL, M.K. Bioquímica. Artmed, 2000
• NELSON, D.L. & COX, M.M. Lehninger Princípios de
Bioquímica. 2002
Obrigado !
[email protected]