Biomoléculas

Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Química Engenharia Bioquímica Prof. Ubirajara Coutinho Filho

Unidade 2-Biomoléculas-versão 2-abr 2007

2.1-Introdução

Um grande número de moléculas representa o que chamamos de biomoléculas, sendo que todas estas têm em comum o fato de serem provenientes dos organismos vivos e serem geradas ou utilizadas no processo de sustentação da vida. Por questões práticas, históricas e pelas funções que desempenham nos organismos, muitas das biomoléculas são agrupadas em classes, assim temos: lipídeos, carboidratos, proteínas, ácidos nucléicos, vitaminas e muitos outroscompostos formados pela combinação de diversos dos compostos citados e outros compostos. Nesta unidade discutiremos as classes de compostos descritos acima.

Espera-se que ao fim desta unidade todos alunos tenham compreendido o quão grande é a importância destes compostos e se sintam motivados para continuar o estudo sobre as biomoléculas.

2.2-Carboidratos

A) Introdução

Em termos de massa total os carboidratos representam a classe de composto mais abundante na Terra, sendo que diferentes carboidratos e derivados são utilizados como matéria-prima na construção civil, na produção de alimentos enas indústrias.

Um mundo sem carboidratos seria um mundo sem compostos que utilizamos diarimente como: papel, açúcar, etanol gerado via fermentação, amido e madeira. Além disto nossos organismos teriam de ser totalmente diferentes, pois o cérebro necessita de glicose e os carboidratos são constituintes de partes de nosso corpo como as cartilagens e o material intercelular que mantém as células coesas.

Organismos autrotróficos produzem carboidratos por processo fotossintético catalítico que utiliza dióxido de carbono e água como reagentes e a molécula de clorofila como catalisador. Embora esta reação não seja termodinamicamente favorável, a ocorrência da mesma é garantida pela absorção de energia luminosa proveniente do Sol. Os organismos heterotróficos produzem carboidratos com o gasto de energia que é, principalmente, proveniente do consumo de carboidratos vegetais.

São exemplos de carboidratos de origem animal a heparina (mucopolissacarídeo ácido que previne a coagulação sangüínea), a quitina (presente no exoesqueleto de artrópedes-insetos, lagosta, caranguejo e fungos), as proteoglicanas das cartilagens e o glicogênio. Entre os carboidratos encontrados em vegetais constam diferentes moléculas como: frutose, glicose, lactose, sacarose, celulose, constituintes do amido (amilose e amilopectina), pectinas e ácido algínico. Há também carboidratos de origem bacteriana como as gomas dextrana e xantana e de origem fúngica, a exemplo da goma pululana.

Todos carboidratos são poliidroxialdeídos, poliidroxicetonas e derivados gerados, principalmente, por reações de esterificação, oxidação e pela formação de éteres destes compostos.

Com base em características moleculares os carboidratos são classificados em monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. Os oligossacarídeos e polissacarídeos são carboidratos que por hidrólise completa geram moléculas de carboidratos, ditas monossacarídeos, que não podem ser hidrolisadas em carboidratos mais simples. Em termos moleculares os oligossacarídeos geram, por hidrólise completa, dois a dez monossacarídeos e os polissacarídeos mais de dez monossacarídeos.

Polissacarídeos e oligossacarídeos apresentam diferentes monossacarídeos unidos em ligações covalentes, ditas ligações glicosídicas, que são geradas, principalmente, por reações de condensação entre hidroxilas presentes nos monossacarídeos. A seguir segue a descrição de carboidratos importantes.

B)Diferentes carboidratos

Glicose: monossacarídeo precursor de carboidratos como: frutose, manose, lactose, sacarose, celulose, amido e glicogênio. A glicose encontra amplo uso em fermentações, na produção de medicamentos (como xaropes), e na produção de alimentos como a carne enlatada, doces e balas, sendo que a principal forma de produção industrial da mesma é pela hidrólise do amido.

Frutose: monossacarídeo mais doce que a glicose e sacarose que tem como principal uso na alimentação humana como adoçante que pode ser utilizado por diabéticos. É produzida pela hidrólise da sacarose seguida de separação dos produtos da hidrólise (glicose e frutose) ou pela isomerização da glicose pela enzima glicose isomerase.

Sacarose: açúcar da cana-de-açúcar e da beterraba que é a principal matéria –prima brasileira na produção de etanol, também é o carboidrato de uso muito difundido na produção de doces e como adoçante. A molécula de sacarose é um dissacarídeo formado pela união de α-glicose e β-frutose por ligação glicosídica β (1 2)

Lactose: é um dissacarídeo formado pela união de β-glicose e β-galactose com ligação glicosídica β (1 4) conhecida como açúcar do leite utilizado na produção de salames (na forma de leite em pó ou puro), medicamentos (onde atua como revestimento de comprimidos e material necessário para rápida dissolução dos mesmos). Grande parte da população mundial é incapaz de hidrolisar a lactose pela produção ausente ou em quantidade insuficiente da enzima β-galactosidase no organismos, assim a hidrólise enzimática da lactose é um processo de interesse na indústria de alimentos que produz o leite deslactosado para atender pessoas intolerantes a lactose. Como a cristalização da lactose durante a produção de certos doces, como o caso do doce de leite, gera o aspecto indesejável no doce a indústria de alimentos também tem interesse nesta hidrólise para produção de doces.

Amido: o amido representa grânulos microscópicos constituídos por dois polissacarídeos compactados de glicose: amilose e amilopectina. Trata-se da principal fonte de energia para os organismos vivos e a principal fonte de glicose (gerada pela hidrólise do amido). Além do uso na indústria de alimentos o amido é utilizado na indústria têxtil , produção de plásticos e medicamentos. A amilose é um polímero linear de α-glicose formado por ligações glicosídicas α(1 4) e a amilopectina é um polímero formado por ligações glicosídicas α (1 4) com ramificações α (1 6). Em nas fontes de amido o teor dos polímeros de alimose e amilopctina variam, em muitas espécies vegetais há entre 10 a 20% (amilose) e 80 a 90% (amilopectina).

Celulose: alimentos, tecidos, papel, medicamentos, cosméticos, fraldas, absorventes e medicamentos são produtos que utilizam celulose e derivados da celulose. Na madeira, principal fonte de celulose, a celulose encontra-se na forma associada a diversos compostos como a lignina e, assim, torna-se necessário rotas químicas com o cozimento e uso diversos reagentes para obtenção de celulose pura. Trata-se de um polímero linear de β-glicose formado por ligações glicosídicas β(1 4).

Quitina e quitosana: a quitina é um polissacarídeo presente em exoesqueletos de artropedes (ex: insetos, aracnídeos, lagosta, camarão, caranguejos) utilizado na produção de alimentos , como suporte na imobilização de enzimas e na indústria química. A quitosana é um derivado da quitina gerado pelo tratamento da quitina com hidróxido de sódio concentrado (ex: concentração de 50%). A quitina é um polímero de β(1 4) N-acetil glicoseamina e a quitosana é um polímero de α(1 4) glicoseamina.

Gomas: gomas são polissacarídeos que geram hidrocolódes viscosos. São exemplos de gomas pectina, caragenana, locuste e guar que são utilizadas na produção de alimentos onde atuam como agente espessante, estabilizante de suspensões e fibra solúvel. Outras gomas, como as microbianas xantana e dextrana, são usadas na purificação de reagentes, produção de medicamentos e na perfuração de poços de petróleo. Estrutura molecular de algumas gomas: dextrana [α-glicose com ligações glicosídicas α(1 4) e ramificações α(1 2) e α(1 3) ], xantana [heteropolissacarídeo formado por glicose, manose e ácido glucorônico].

Frutooligossacarídeos (FOS): grande é o interesse em compostos como este em alimentos. Têm ação prebiótica e devido este fato e pelo acentuado sabor doce são utiizados como adoçantes funcionais. Exemplos: inulina, GF3 e GF4.

Oligossacarídeos flatulentos: são carboidratos formados por sacarose ligada a uma ou mais moléculas de galactose em ligações α(1 4). São exemplos destes compostos estaquiose, rafinose e verbascose.

n n heparina quitina (N-acetilglicosamina β,1:4)

celulose (glicose β,1:4)

O CH2OH

H CH2OHO

H CH2OH

Sacarose (α-glicose e β-frutose) lactose

H NHCOCH3

CH2OH

H NHCOCH3

CH2OH

H NHSO3-

CH2OH

H CH2OH α-glicose

OH CH2OH β-glicose O

H CH2OH α-galactose

NHCH3OH OH

HOH2C

H H3C

NH2 OH

NH2 H estreptomicina

OH CH2OH

CH2OH H

2.3-Aminoácidos, peptídeos e proteínas.

A)Introdução

Aminoácidos representam compostos orgânicos que apresentam os grupos funcionais ácido e amino em sua estrutura. São compostos sintetizados e utilizados pelos organismos na síntese dos peptídeos, proteínas e outros compostos como neurotransmissores e coenzimas. Na natureza existem mais de 300 aminoácidos sendo que destes apenas vinte, alguns autores falam vinte e dois aminoácidos, constituem todas as proteínas presentes nos seres vivos.

O fato das proteínas dos seres vivos apresentarem somente vinte dos trezentos aminoácidos é explicado pela forma que é feita a síntese de proteínas e peptídeo: as informações contidas no material genético guiam a síntese e este material só apresenta códons, seqüência de três bases nitrogenadas, capaz de identificar vinte dos aminoácidos existentes.

Além da importância associada a proteínas e peptídeos e biotransformações no organismo, os aminoácidos são importantes na produção de alimentos e aditivos alimentares. Neste sentido tem-se o ácido glutâmico (comercializado na forma do sal- glutamato de sódio), fenilalanina e ácido aspártico (usados conjuntamente na produção do adoçante aspartame que aproximadamente duzentas vezes mais doce que a sacarose) e outros produtos (como os aminoácidos BCA).

As proteínas e peptídeos são polímeros de aminoácidos unidos por ligações do tipo amida que são formadas, com auxílio dos ribossomos, entre o grupo amino e o grupo ácido de aminoácidos na seqüência contida no material genético ( ácido ribonucléico mensageiro - RNAm). Este processo envolve o RNAt que transporta os vinte aminoácidos até o local de síntese.

As proteínas são as biomoléculas que apresentam maior diversificação de funções desempenhadas nos organismos. Entre as funções por elas desempenhadas constam: transporte, atividade catalítica, função estrutural (como formação de tendões e esqueleto) e função nutritiva.

B)Características de aminoácidos, peptídeos e proteínas.

Proteínas e peptídeos são formados por aminoácidos unidos por ligações do tipo amida, dita ligação peptídica, e diferem entre si pelo tamanho da cadeia. Embora haja exceções podemos afirmar que os peptídeos são formados por menos de 100 resíduos de aminoácidos e proteínas por mais de 100 resíduos de aminoácidos. A estrutura final da molécula gerada é um fator de extrema importância nas propriedades e função biológica desempenhada pela mesma.

Estas moléculas, principalmente as proteínas, têm quatro tipos de estrutura: a estrutura representada pela seqüência de aminoácidos (dita estrutura primária), a organização representada pela interação entre resíduos de aminoácidos que se encontram próximos um do outro (estrutura secundária), a estrutura tridimensional que a cadeia protéica possui (estrutura terciária) e, para o caso de proteínas constituídas por mais de uma cadeia de aminoácidos (ex: hemoglobina, colágeno), a estrutura quartenária que representa como as diferentes cadeias formam a estrutura final do conjunto.

A estrutura primária é importante na determinação das outras estruturas como também é importante pelo fato que nem todos aminoácidos têm a mesma importância para os organismos vivos. Muitos dos aminoácidos constituintes das proteínas são sintetizados pelo nosso organismos e assim, em condições normais, não precisam ser ingeridos na dieta. Outros aminoácidos são necessários, mas não são produzidos pelo nosso organismo e, por isto, são ditos essenciais ao nosso organismo. Para espécie humana dez dos vinte aminoácidos são essenciais: L-fenilalanina, L-triptofano, L-lisina, L-metionina, L-valina, L-leucina, L-isoleucina, L-treonina, L-arginina e L-histidina. Este aspecto como a digestibilidade e a possível ação tóxica ou alérgica da proteína influem no valor nutritivo da mesma.

A estrutura secundária pode assumir as formas β-pregueada (forma de uma placa dobrada) e helicoidal que podem alternar ou não na constituição da estrutura terciária que assume uma forma enovelada que faz com a cadeia polimérica seja dita globular ou uma forma não-globular que faz com que ela seja dita fibrosa.

C)Diferentes compostos de interesse

Colágeno: proteína fibrosa constituída por três cadeias protéicas entrelaçadas. Está presente na pele, couro animal, tendões, ossos e outras partes (como os vasos sangüíneos) de organismos animais. A gelatina é colágeno parcialmente desnaturado que é extraído de couros animais e utilizada em diversos segmentos como na imobilização de enzimas e na produção de alimentos.

Ácido glutâmico: o sal deste ácido (glutamato de sódio) é um realçador de sabor e tempero muito apreciado na culinária oriental.

Ácido aspártico e fenilalanina: aminoácidos utilizados, conjuntamente como o metanol, na produção do adoçante sintético aspartame (200 vezes mais doce que a sacarose).

Aminoácidos de cadeia ramificada (BCA): utilizados em complementos alimentares para atletas em treinamento (valina, leucina e isoleucina).

Metionina: utilizada em medicamentos para o fígado. Caseína: proteína do leite amplamente utilizada pela indústria de alimentos e química.

Enzimas diversas: uma grande variedade de enzimas produzida por fermentação, extraída e purificada de diferentes fontes animais e vegetais. As enzimas são estudadas na Unidade 3 deste curso.

glicina fenilalaninae alanina

valinae leucinae isoleucinae

CH2 C

CH3 C

CH2 C

Estrutura geral (isômero S)

CH2 C

C NH2

CH2 C

NH2 Oasparagina glutamina

CH2 C

CH2 C ác. aspártico ác.glutâmico

CH2 C

NH tirosina triptofanoe

CH2 C

CH2 C treoninae serina cisteína

CH2 C

S CH3 metioninae

CH2 C

lisinae

CH2 C

CH2 CH2 NH C arginina* e

CH2 C histidinae

CHC CH2

OH prolina e aminoácido essencial

*e aminoácido essencial indivíduos jovens e em crescimento

2.4-Ácidos nucléicos

Os ácidos nucléicos, ácido desoxirribonucléico (DNA) e ácido ribonucléico (RNA), são as moléculas responsáveis pela preservação da hereditariedade (DNA em todas células e RNA em retrovírus), síntese protéica (RNA) e ativação de genes (RNA).

A estrutura destes compostos consiste em um polímero de unidades monoméricas constituídas por uma base nitrogenada (purina e pirimidina) unida a uma pentose (açúcar de cinco carbonos: ribose ou desoxirribose) e ao íon fosfato. A unidade monomérica (formada por fosfato, pentose e base nitrogenada) recebe o nome de nucleotídeo. O RNA difere do DNA nas bases nitrogenadas (conforme descrito no próximo parágrafo), na pentose, no DNA é uma desoxirribose e no RNA uma ribose, e pelo fato do DNA ter uma estrutura tridimensional na forma de dupla hélice e o RNA na forma de uma hélice de fita polimérica única.

Existem cinco bases nitrogenadas que estão comumente presentes nos ácidos nucléicos (adenina, guanina, citosina, tiamina e uracila) e mais de trinta bases, derivadas das bases comuns, que raramente são encontradas nos ácidos nucléicos. Sendo que destas cinco bases uma só está presente no DNA (tiamina) e outra só está presente no RNA (uracila).

Nas células eucariontes o DNA é armazenado conjuntamente com proteínas em uma estrutura conhecida como cromossomo, já em células procariontes no DNA não há as proteínas e o DNA encontra-se em uma forma circular dita plasmídio que as células procariontes são capazes de trocar entre si. Cada um dos segmentos do DNA responsável pela codificação de uma proteína funcional é dito gene e o conjunto de todos genes de uma célula ou vírus representa seu genoma. Ainda há muito a aprender sobre o genoma, um exemplo deste fato é que o vírus da AIDS, ainda hoje um grande desafio para ciência só possui 10 genes, e na espécie humana há de 25.0 a 30.0 genes cujo estudo sobre a funcionalidade e mecanismos associados a expressão ainda são incipientes.

O estudo de genes, drogas que neles atuam e mutações genéticas encontram vasta possibilidade de uso como na produção de medicamentos, terapia genética, diagnósticos e desenvolvimento de processos contendo microrganismos modificados. Na Unidade 5 será descrito usos do conhecimento sobre o código genético e aplicações da Engenharia Genética em processos industriais.

O CH3 tiamina

N NH2 adenina uracila NH

A)Introdução

Os lipídeos são compostos de origem biológica solúveis em solventes orgânicos apolares (ex: n-hexano, éter de petróleo, cicloexano) e de baixa polaridade (ex: acetona, éter etílico, clorofórmio). Representam um grupo heterogêneo de compostos que contém biomoléculas como: óleos e gorduras, ácidos graxos, fosfolípídeos, colesterol, pigmentos, hidrocarbonetos, ceras, vitaminas lipossolúveis e hormônios.

São exemplos pesquisa e uso industrial de lipídeos e derivados que mostram a importância dos mesmos: produção de biodiesel; produção de óleos vegetais; produção de óleos

OCH2OO O-

NH2 O

OCH2OO O-

N NH2

OCH2OO O-

O CH3 segmento de uma fita de DNA

O citosina

NHN NH2 guanina

. bases nitrogenadas ligações de hidrogênio

Representação da molécula de DNA essenciais; produção de lacas e vernizes; produção e conservação de alimentos; desenvolvimento de novos medicamentos.

B)Diferentes compostos de interesse

Óleos e gorduras: são triacilglicerois de ácidos orgânicos com cadeia carbônica que, salvo raras exceções, são lineares com um número par de átomos de carbono e cadeia saturada ou insaturada pela presença de uma ou mais ligações duplas entre átomos de carbono. Estes ácidos orgânicos são conhecidos como ácidos graxos e são produzidos, principalmente, pela hidrólise de triacilglicerois. As duplas ligações atuam em reações de oxidação que levam a deterioração da qualidade de ácidos graxos, óleos e outros produtos que os contenham (como triacilglicerois em carnes). Os óleos são triacilglicerois líquidos a temperatura ambiente e a produção dos mesmos é feita, principalmente, por extração da fração lipídica de sementes por prensagem e uso de solventes como o cicloexano.

Biodiesel: produto da reação de esterificação de ácidos graxos com etanol ou metanol que gera glicerina (glicerol) como subproduto. Devido a facilidade da produção do etanol no Brasil o biodiesel brasileiro usa etanol como principal matéria-prima. Políticas governamentais, associadas a necessidade de fontes energéticas alternativas, e investimentos no setor energético fazem com que o uso do biodiesel seja cada vez mais pronunciado em diversos países.

Vitaminas lipossolúveis: vitaminas A (retinol), D (ex: colecalciferol), E (α-tocoferol) e K (ex: melanoquinona), serão estudadas no próximo item.

Ceras: são ésteres de ácidos e graxos e álcoois de cadeia longa. São usados na fabricação de batons, tintas, vernizes e na produção de alimentos como laranja destinada a exportação (a fruta recebe um revestimento de cera).

Fosfolipídeos: são amplamente usados na produção de chocolate, sorvetes, margarinas e emulsões como maionese. Também são utilizados em medicamentos.

Antioxidantes: substâncias como vitaminas A e E, astaxantina e licopeno são extraídos de vegetais e utilizados como suplementos alimentares e matéria-prima em processos de produção de alimentos.

CH2 CH

OH C R1 O

OH C R3

OH CO R2 fosfolipídeo triacilglicerol Ácidos graxos

2.6-Vitaminas

As vitaminas também representam um grupo heterogêneo de compostos que os organismos vivos precisam como nutriente essencial em pequenas quantidades. As vitaminas atuam no organismo de forma variada como na função de coenzimas, moléculas precursoras de hormônios e em reações de oxidação necessárias na síntese de biomoléculas ou importantes na proteção do organismo da ação de radicais livres.

CH2 CH

OH P O CH2

CH3 OH lecitinas (fosfolipídeos) colesterol ácido mirístico ácido palmídio ácido esteárico ácido oléico (ω 9) ácido linoléico (ω 6) ácido linolênico (ω 3) biodiesel (exemplo de constituinte) Triacontanilpalmitato (cera de abelha)

CH2 C

CH2

A importância das mesmas em processos industriais está associado a produção e uso das mesmas no enriquecimento de alimentos, na conservação de alimentos e cosméticos e em reações de oxidoredução.

Entre as vitaminas há um especial interesse no retinol (vitamina A), α-tocoferol (vitamina E) e ácido ascórbico (vitamina C) pelas propriedades antioxidantes e no uso das vitaminas do complexo B no enriquecimento de alimentos.

2.7-ATP, ácido cítrico, ácido láctico e piruvato

O fluxo de energia nos seres vivos é estudado pelas leis fundamentais da Termodinâmica, pois os seres vivos são descritos termodinamicamente como estruturas ou sistemas dissipativas, ou seja são sistemas que utilizam fluxos de energia para aumentar sua ordem interna e operam longe do equilíbrio termodinâmico. Como as células funcionam com

NNH2

OH CH2 N

CH2 CH2 C O

CH2 OH

CH2 OH ác.ascórbico (vit.C) niacina (ácido nicotínico, B3) ácido fólico (B9) retinol (vit A) pirodoxina (B6) a-tocoferol ( vit.E) temperatura constante ou pequenas variações de temperatura, torna-se necessário o uso de reações químicas como forma de transferência e armazenamento de energia. Neste sentido as células utilizam o acoplamento de reações para que a energia de uma reação espontânea possa ser utilizada no favorecimento de reações não espontâneas. Várias moléculas são importantes neste processo, mas pela extensão do assunto discutiremos quatro destas moléculas.

Entre todas as moléculas utilizadas nos processos vivos a molécula de ATP tem um papel central na conservação de energia pelas células vivas pela sua capacidade de armazenar energia na ligação do terceiro grupo fosfato e pela participação de diversas reações como as de transferência do grupo fosfato. O ATP é essencial na formação de ácidos nucléicos, movimentação de flagelos e quebra e composição de moléculas.

Há muitas outras biomoléculas não menos importantes que o ATP, entre estas constam ácido cítrico, ácido láctico, etanol e o piruvato. São exemplos de fatos que comprovam a importância deste compostos: o piruvato representa o produto final da via glicolítica (quebra da glicose) que é utilizado em diversas rotas metabólicas; o citrato, forma do ácido cítrico em meio neutro e básico, é um importante intermediário no ciclo energético em organismos aeróbicos que tem vasto exemplo de uso industrial como produção de alimentos, atua principalmente como conservante e acidulante, uso na indústria farmacêutica e de cosméticos; o ácido láctico Alimentação de crianças. O ácido láctico é uma matéria prima importante em sínteses orgânicas, curtimento de peles, produção de medicamentos (ex: purgantes) e diversos outras indústrias como no tingimento de tecidos.

Observações: 1-todas as formulas estruturais deste material foram feitas respeitando os direitos autorais com o uso de usa versão freeware do programa ACD/Labs ChemSketule. Conheça mais sobre este programa na pasta Software livre do grupo de discussão. 2-a conversão deste arquivo da forma texto para pdf foi feita utilizando a versão freeware PDF Creator, conheça mais sobre este programa .

O homem é a medida das coisas (Protágoras) Há mais risco em comprar saber do que em comprar comida(Protágoras)

CH2 C CH2 COO--OOC COO-

CH2 C CH2 COOHHOOC COOH

CH3 C COO-O CH3 C COOH

CH3 CH COOOH

ATP-trifosfato de adenosina citrato ácido cítrico piruvato ácido pirúvico lactato ácido láctico

CH3 CH COOH

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAARHgAK/biomoleculas?part=2