Fundamentos da bioquimica

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Fundamentos da bioquimica

  1. 1. Com a célula, a biologia descobriu seu átomo... Dessa forma, para caracterizar a vida, é essencial estudar a célula e analisar sua estrutura: escolher os denominadores comuns necessários para a vida de cada célula, assim como identificar diferenças 1 associadas com o desempenho de funções especiais. — François Jacob, La logique du vivant: une histoire de l’hérédité (A Lógica da Vida: Uma História da Hereditariedade), 1970Fundamentos da Bioquímica1.1 Fundamentos celulares 2 (Fig. 1-1a). Elas incluem polímeros muito longos, cada um com sua sequência característica de subunidades,1.2 Fundamentos químicos 11 sua estrutura tridimensional única e sua seleção alta- mente específica de parceiros de interação na célula.1.3 Fundamentos físicos 19 Sistemas para extrair, transformar e utilizar a1.4 Fundamentos genéticos 27 energia do ambiente (Fig. 1-1b), permitindo aos orga- nismos construir e manter suas intrincadas estruturas,1.5 Fundamentos evolutivos 29 assim como realizar trabalho mecânico, químico, osmó- tico e elétrico, o que neutraliza a tendência de toda a matéria de decair para um estado mais desorganizado,C erca de quinze bilhões de anos atrás, o universo surgiu como uma erupção cataclísmica de partículas subatô- entrando assim em equilíbrio com seu ambiente. micas quentes e ricas em energia. Os elementos mais Funções definidas para cada um dos componen-simples (hidrogênio e hélio) se formaram em segundos. À tes de um organismo e interações reguladas en-medida que o universo se expandia e esfriava, o material tre eles. Isto é válido não somente para as estruturascondensava sob a influência da gravidade para formar es- macroscópicas, como as folhas e os ramos ou coraçõestrelas. Algumas estrelas se tornaram enormes e explodiram e pulmões, mas também para estruturas intracelularescomo supernovas, liberando a energia necessária para a fu- microscópicas e compostos químicos individuais. Asão de núcleos atômicos mais simples em elementos mais interação entre os componentes químicos de um orga-complexos. Desta maneira foram produzidos, no decurso de nismo vivo é dinâmica; mudanças em um componen-bilhões de anos, a própria Terra e os elementos químicos en- te causam mudanças coordenadas ou compensatóriascontrados nela hoje. Cerca de quatro bilhões de anos atrás, em outro, com o todo manifestando uma característicasurgiu a vida – micro-organismos simples com a capacida- além daquelas de suas partes individuais. O conjunto dede de extrair energia de compostos químicos e, mais tarde, moléculas realiza um programa, cujo resultado final é ada luz solar, que era usada por eles para produzir um vasto reprodução e a autopreservação do conjunto de molé-conjunto de biomoléculas mais complexas a partir dos ele- culas – em resumo, vida.mentos simples e compostos encontrados na superfície daTerra. Mecanismos para sentir e responder às altera- ções no seu ambiente, com ajustes constantes a es- A bioquímica questiona como as extraordinárias pro- sas mudanças por adaptações de sua química internapriedades dos organismos vivos se originaram a partir de ou sua localização no ambiente.milhares de biomoléculas diferentes. Quando estas molécu-las são isoladas e examinadas individualmente, elas estão de Capacidade de autorreplicação e automontagemacordo com todas as leis físicas e químicas que descrevem o precisas (Fig. 1-1c). Uma célula bacteriana isolada co-comportamento da matéria inanimada – assim como todos locada em um meio nutritivo estéril pode dar origem,os processos que ocorrem nos organismos vivos. O estudo em 24 horas, a um bilhão de “filhas” idênticas. Cadada bioquímica mostra como o conjunto de moléculas ina- célula contém milhares de moléculas diferentes, mui-nimadas que constitui os organismos vivos interage para tas extremamente complexas; mas cada bactéria é umamanter e perpetuar a vida exclusivamente pelas leis físicas e cópia fiel da original, sendo sua construção totalmentequímicas que regem o universo inanimado. direcionada a partir da informação contida no material Os organismos, no entanto, possuem atributos extra- genético da célula original.ordinários, propriedades que os distinguem de outros con- Capacidade de se alterar ao longo do tempo porjuntos de matéria. Quais são estas características peculiares evolução gradual. Os organismos alteram suas es-dos organismos vivos? tratégias de vida herdadas, em graus muito pequenos, Um alto grau de complexidade química e organi- para sobreviver em condições novas. O resultado de zação microscópica. Milhares de moléculas diferen- eras de evolução é uma enorme variedade de formas de tes formam as intrincadas estruturas celulares internas vida, muito diferentes superficialmente (Fig. 1-2), mas
  2. 2. 2 David L. Nelson & Michael M. Cox Neste capítulo introdutório é feito um resumo dos co- nhecimentos celulares, químicos, físicos e genéticos para a bioquímica e o importante princípio da evolução – o de- senvolvimento das propriedades das células vivas ao longo das gerações. À medida que você avançar na leitura do livro, perceberá a utilidade de retornar a este capítulo de tempos em tempos, para refrescar sua memória sobre esses conhe- cimentos básicos. 1.1 Fundamentos celulares (a) (b) A unidade e a diversidade dos organismos se tornam apa- rentes mesmo no nível celular. Os menores organismos con- sistem em células isoladas e são microscópicos. Os organis- mos multicelulares maiores possuem muitos tipos celulares diferentes, os quais variam em tamanho, forma e função es- pecializada. Apesar dessas diferenças óbvias, todas as célu- las dos organismos, desde o mais simples ao mais complexo, compartilham determinadas propriedades fundamentais, que podem ser vistas no nível bioquímico. As células são as unidades estruturais e funcionais de todos os organismos vivos Todos os tipos de células compartilham determinadas ca- racterísticas estruturais (Fig. 1-3). A membrana plasmá- tica define o contorno da célula, separando seu conteúdo (c) do ambiente. Ela é composta por moléculas de lipídeos e proteínas que formam uma barreira fina, resistente, flexívelFIGURA 1-1 Algumas características da matéria viva. (a) A com-plexidade microscópica e a organização são aparentes nesse cortecolorido de tecido muscular de vertebrado, visto ao microscópioeletrônico. (b) Um falcão da campina capta nutrientes consumindouma ave menor. (c) A reprodução biológica ocorre com uma fide-lidade quase perfeita. fundamentalmente relacionadas por sua ancestralidade compartilhada. Esta unidade fundamental dos organis- mos vivos se reflete na similaridade das sequências gê- nicas e nas estruturas proteicas. Apesar dessas propriedades comuns, e da unidade fun-damental da vida que elas mostram, é difícil fazer generali-zações sobre os organismos vivos. A Terra tem uma enormediversidade de organismos. A variação de habitats, das fon-tes termais à tundra do Ártico, dos intestinos animais aosdormitórios das universidades, se combina com uma amplavariação de adaptações bioquímicas específicas, alcançadasdentro de uma estrutura química comum. Neste livro, parauma maior clareza às vezes são feitas determinadas genera-lizações, as quais, embora não perfeitas, se mostram úteis;também com frequência são apresentadas exceções, asquais podem se mostrar esclarecedoras. A bioquímica descreve em termos moleculares as estru- FIGURA 1-2 Diferentes organismos vivos compartilham caracte-turas, os mecanismos e os processos químicos compartilha- rísticas químicas comuns. Aves, animais selvagens, plantas e mi-dos por todos os organismos e estabelece princípios de or- cro-organismos do solo compartilham com os humanos as mesmas unidades estruturais básicas (células) e os mesmos tipos de macro-ganização que são a base da vida em todas as suas diversas moléculas (DNA, RNA, proteínas) compostas dos mesmos tipos deformas, princípios esses referidos como a lógica molecular subunidades monoméricas (nucleotídeos, aminoácidos). Eles uti-da vida. Embora a bioquímica proporcione importantes in- lizam as mesmas vias para a síntese dos componentes celulares,formações e aplicações práticas na medicina, na agricultura, compartilham o mesmo código genético, e provêm dos mesmosna nutrição e na indústria, sua preocupação final é com o ancestrais evolutivos. Na figura é mostrado um detalhe do “Jardimmilagre da vida em si. do Éden”, por Jan van Kessel Junior (1626-1679).
  3. 3. Princípios de Bioquímica de Lehninger 3e hidrofóbica ao redor da célula. A membrana é uma barrei- O volume interno envolto pela membrana plasmática, ora para a passagem livre de íons inorgânicos e para a maioria citoplasma (Fig. 1-3), é composto por uma solução aquosa,de outros compostos carregados ou polares. Proteínas de o citosol, e uma grande variedade de partículas em sus-transporte na membrana plasmática permitem a passagem pensão com funções específicas. O citosol é uma soluçãode determinados íons e moléculas; proteínas receptoras altamente concentrada que contém enzimas e as moléculastransmitem sinais para o interior da célula; e enzimas de de RNA que as codificam; os componentes (aminoácidos emembrana participam em algumas reações. Como os lipí- nucleotídeos) que formam estas macromoléculas; centenasdeos individuais e as proteínas da membrana não estão co- de moléculas orgânicas pequenas chamadas de metabóli-valentemente ligados, toda a estrutura é extraordinariamen- tos, intermediários em rotas biossintéticas e degradativas;te flexível, permitindo mudanças na forma e no tamanho da coenzimas, compostos essenciais em muitas reações catali-célula. À medida que a célula cresce, novas moléculas de sadas por enzimas; íons inorgânicos; e estruturas macromo-proteínas e de lipídeos são inseridas na membrana plasmá- leculares como os ribossomos, sítios de síntese proteica,tica; a divisão celular produz duas células, cada uma com e os proteassomos, que degradam proteínas que a célulasua própria membrana. O crescimento e a divisão celular não necessita mais.(fissão) ocorrem sem perda da integridade da membrana. Todas as células possuem, pelo menos em alguma par- te de sua vida, ou um núcleo ou um nucleoide, onde o genoma – o conjunto completo de genes composto por Núcleo (eucariotos) ou nucleoide DNA – é armazenado e replicado. O nucleoide, em bac- (bactérias, arquibactérias) Contém material genético – DNA e térias e em arquibactérias, não é separado do citoplasma proteínas associadas. O núcleo é por uma membrana; o núcleo, nos eucariotos, consiste circundado por uma membrana. no material nuclear envolto por uma membrana dupla, o envelope nuclear. As células com envelope nuclear com- Membrana plasmática põem o grande grupo dos Eukarya (do grego eu,“verdade”, Bicamada lipídica resistente, flexível. Seletivamente permeável e karyon, “núcleo”). Os micro-organismos sem envelope a substâncias polares. Inclui nuclear, antigamente agrupados como procariotos (do proteínas de membrana que grego pro, “antes”), são agora reconhecidos como perten- atuam no transporte, centes a dois grupos muito diferentes, Bacteria e Archaea, na recepção de sinal e como enzimas. descritos a seguir. As dimensões celulares são determinadas pela difusão A maioria das células é microscópica, invisível a olho nu. As células dos animais e das plantas têm um diâmetro de 50 a 100 μm, e muitos micro-organismos têm comprimento de 1 a 2 μm (veja no verso da capa as informações sobre as unidades e suas abreviaturas). O que limita as dimensões de uma célula? O limite inferior provavelmente é determinado Citoplasma pelo número mínimo de cada tipo de biomolécula requerido Conteúdo celular aquoso pela célula. As menores células, certas bactérias conhecidas e partículas e organelas como micoplasmas, têm diâmetro de 300 nm e um volume em suspensão. de cerca de 10-14 mL. Um único ribossomo bacteriano possui 20 nm na sua dimensão mais longa, de forma que poucos centrifugação a 150.000 g ribossomos ocupam uma fração substancial do volume de uma célula de micoplasma. Sobrenadante: citosol O limite superior de tamanho celular provavelmente é Solução concentrada determinado pela taxa de difusão das moléculas de soluto de enzimas, RNA, nos sistemas aquosos. Por exemplo, uma célula bacteria- subunidades monoméricas, na que depende de reações de consumo de oxigênio para metabólitos, íons inorgânicos. produção de energia deve obter oxigênio molecular, por difusão, a partir do meio ambiente através de sua mem- Sedimento: partículas e organelas brana plasmática. A célula é tão pequena, e a relação en- Ribossomos, grânulos de tre sua área de superfície e seu volume é tão grande, que armazenamento, mitocôndrias, cada parte do seu citoplasma é facilmente alcançada pelo cloroplastos, lisossomos, retículo O2 que se difunde para dentro dela. Com o aumento do endoplasmático. tamanho celular, no entanto, a relação superfície-volumeFIGURA 1-3 As características universais das células vivas. Todas diminui, até que o metabolismo consuma O2 mais rapida-as células têm um núcleo ou nucleoide, uma membrana plasmática mente do que o que pode ser suprido por difusão. Assim, oe o citoplasma. O citosol é definido como sendo a parte do cito- metabolismo que requer O2 torna-se impossível quando oplasma que permanece no sobrenadante após rompimento suave tamanho da célula aumenta além de um determinado pon-da membrana plasmática e centrifugação do extrato resultante a to, estabelecendo um limite superior teórico para o tama-150.000 g por 1 hora. nho das células.
  4. 4. 4 David L. Nelson & Michael M. Cox Eukarya Animais Bactérias Entamebas Bacteria verdes não Musgos sulfurosas Archaea Fungos Bactérias gram- Methanosarcina Plantas Methanobacterium Protobactérias positivas Halófilos Ciliados (bactérias púrpura) Thermoproteus Methanococcus Cianobactérias Pyrodictium Thermococcus celer Flagelados Flavobactérias Tricomonados Thermotogales Microsporídeos DiplomonadosFIGURA 1-4 Filogenia dos três domínios da vida. As relações filo- ser construídas a partir de similaridades na sequência de amino-genéticas são frequentemente ilustradas por uma “árvore genealó- ácidos de uma única proteína entre as espécies. Por exemplo, asgica” deste tipo. A base para esta árvore é a similaridade na sequên- sequências da proteína GroEL (uma proteína bacteriana que atuacia nucleotídica dos RNAs ribossomais de cada grupo; a distância no dobramento proteico) são comparadas para gerar a árvore daentre os ramos representa o grau de diferença entre duas sequên- Fig. 3-32. A árvore da Figura 3-33 é uma árvore “consenso”, quecias, sendo que, quanto mais similar for a sequência, mais próxima usa várias comparações como essas para fazer a melhor estimativaé a localização dos ramos. As árvores filogenéticas também podem do relacionamento evolutivo de um grupo de organismos.Existem três domínios distintos de vida lagos salgados, fontes termais, pântanos altamente ácidos e as profundezas oceânicas. As evidências disponíveis suge-Todos os organismos vivos se incluem em três grandes gru-pos (domínios) que definem três ramos evolutivos a partir rem que Bacteria e Archaea divergiram cedo na evolução.de um ancestral comum (Fig. 1-4). Dois grandes grupos Todos os organismos eucarióticos, que formam o terceirode micro-organismos unicelulares podem ser distinguidos domínio, Eukarya, evoluíram a partir do mesmo ramo queem bases genéticas e bioquímicas: Bacteria e Archaea. As deu origem às Archaea; por isso, os eucariotos são mais re-bactérias habitam o solo, as águas de superfície e os tecidos lacionados às arquibactérias do que às bactérias.de organismos vivos ou em decomposição. Muitas das arqui- Dentro dos domínios Archaea e Bacteria existem sub-bactérias, reconhecidas na década de 1980 por Carl Woese grupos identificados por seus habitats. No habitat aeróbicocomo um domínio distinto, habitam ambientes extremos – com suprimento pleno de oxigênio, alguns organismos re- Todos os organismos Combustível reduzido Fototróficos Quimiotróficos Combustível Fonte de (energia da luz) (energia da oxidação de combustíveis químicos) oxidado energia Litotróficos Organotróficos (combustíveis (combustíveis inorgânicos) orgânicos) Fonte de Heterotróficos Autotróficos (carbono de carbono (carbono do CO2) compostos orgânicos) Cianobactérias Bactérias púrpura Bactérias sulfurosas A maioria das bactérias Plantas vasculares Bactérias verdes Bactérias hidrogênicas Todos os eucariotos não fototróficos ExemplosFIGURA 1-5 Os organismos podem ser classificados de acordo com a fonte de energia (luz solar ou compostos químicos oxidáveis) e a fontede carbono usadas para a síntese do material celular.
  5. 5. Princípios de Bioquímica de Lehninger 5sidentes obtêm energia pela transferência de elétrons das cos de massa molecular menor do que 1.000 (metabólitosmoléculas de combustível para o oxigênio. Outros ambien- e cofatores), e uma grande variedade de íons inorgânicos.tes são anaeróbios, praticamente desprovidos de oxigênio,e os micro-organismos adaptados a esses ambientes obtêm Ribossomos Os ribossomos bacterianos são menoresenergia pela transferência de elétrons para o nitrato (for- do que os eucarióticos, mas têm a mesma função –mando N2), o sulfato (formando H2S) ou o CO2 (formando síntese proteica a partir de uma mensagem de RNA.CH4). Muitos organismos que evoluíram em ambientes ana- Nucleoide Contém umaeróbios são anaeróbios obrigatórios: eles morrem quando única molécula de DNA,expostos ao oxigênio. Outros são anaeróbios facultativos, simples, longa e circular.capazes de viver com ou sem oxigênio. Podemos classificar os organismos de acordo com a Pili Produzmaneira como obtêm a energia e o carbono que necessi- pontos detam para sintetizar o material celular (conforme resumido adesão àna Fig. 1-5). Existem duas amplas categorias com base superfície de outras células.nas fontes de energia: fototróficos (do grego trofe, “nu-trição”), que captam e usam a luz solar, e quimiotrófi-cos, que obtêm sua energia pela oxidação do combustível Flagelos Propulsionamquímico. Alguns quimiotróficos, os litotróficos, oxidam a célula no – 0os combustíveis inorgânicos – por exemplo, HS a S (en- seu ambiente. 0 – – – 2ϩ 3ϩxofre elementar), S a SO 4, NO 2 a NO 3, ou Fe a Fe . Osorganotróficos oxidam uma ampla gama de compostosorgânicos disponíveis em seu ambiente. Os fototróficos eos quimiotróficos também podem ser divididos naquelesque obtêm todo o carbono necessário do CO2 (autotró-ficos) e nos que requerem nutrientes orgânicos (hete-rotróficos). Envelope celular A estrutura varia com o tipo deA Escherichia coli é a bactéria melhor estudada bactéria.As células bacterianas compartilham determinadas caracte-rísticas estruturais comuns, mas também mostram especia-lizações grupo-específicas (Fig. 1-6). E. coli é usualmenteum habitante inofensivo do trato intestinal humano. A célu-la de E. coli tem 2 μm de comprimento e um pouco menosde 1 μm de diâmetro, possuindo uma membrana externaprotetora e uma membrana plasmática interna que envol-ve o citoplasma e o nucleoide. Entre a membrana internae a externa existe uma fina, mas resistente, camada de umpolímero (peptidoglicano) que confere à célula sua forma Membrana externa Camada dee rigidez. A membrana plasmática e as camadas externas a Camada de peptidoglicanosela constituem o envelope celular. Pode ser notado aqui peptidoglicanos Membrana interna Membrana interna Membrana internaque, nas arquibactérias, a rigidez é conferida por um tipodiferente de polímero (pseudopeptidoglicano). A membra-na plasmática das bactérias consiste em uma bicamada finade moléculas lipídicas impregnadas de proteínas. As mem-branas das arquibactérias têm uma arquitetura semelhante, Bactérias gram-negativas Bactérias gram-positivasmas os lipídeos são surpreendentemente diferentes daque- Membrana externa; Sem membrana externa; camada de peptidoglicanos camada de peptidoglicanosles das bactérias (veja a Fig. 10-12). mais espessa O citoplasma da E. coli contém cerca de 15.000 ribos-somos, números variados de cópias (de 10 a milhares) de1.000 diferentes enzimas, talvez 1.000 compostos orgâni-FIGURA 1-6 Características estruturais comuns das células bacte-rianas. Devido a diferenças na estrutura do envelope celular, algu-mas bactérias (gram-positivas) retêm o corante de Gram (introdu-zido por Hans Christian Gram em 1882), e outras (gram-negativas)não. E. coli é gram-negativa. As cianobactérias são distinguidas por Cianobactérias Arquibactérias Gram-negativas; camada Sem membrana externa;seu extenso sistema de membranas internas, onde se localizam os de peptidoglicanos mais camada de peptidoglicanospigmentos fotossintéticos. Embora os envelopes das arquibactérias rígida; extenso sistema do lado de fora dae das bactérias gram-positivas pareçam semelhantes ao microscó- de membranas internas membrana plasmáticapio eletrônico, a estrutura dos lipídeos de membrana e dos polissa- com pigmentoscarídeos é muito diferente (veja a Fig. 10-12). fotossintéticos
  6. 6. 6 David L. Nelson & Michael M. CoxO nucleoide contém uma única molécula de DNA circular, e e antibióticos ambientais. No laboratório, estes segmentoso citoplasma (como na maioria das bactérias) contém seg- de DNA são sensíveis à manipulação experimental e sãomentos circulares de DNA chamados de plasmídios. Na ferramentas poderosas para a engenharia genética (veja onatureza, alguns plasmídios conferem resistência a toxinas Capítulo 9). (a) Célula animal Os ribossomos são máquinas de sintetizar proteínas O peroxissomo oxida ácidos graxos O citoesqueleto sustenta as células e auxilia no movimento das organelas O lisossomo degrada restos intracelulares O transporte de vesículas faz o trânsito de proteínas e lipídeos entre o RE, o complexo de Golgi e a membrana plasmática O complexo de Golgi processa, empacota e envia proteínas para outras organelas ou para exportação O retículo endoplasmático liso (REL) é o local de síntese de lipídeos e de metabolismo de drogas O envelope nuclear separa a O nucléolo é o local de síntese cromatina (DNA ϩ proteína) de RNA ribossomal do citoplasma O núcleo contém os O retículo endoplasmático rugoso (RER) é o local de muita genes (cromatina) A membrana plasmática separa a síntese proteica célula do meio e regula o movimento Envelope dos materiais para dentro e para nuclear Ribossomos Citoesqueleto fora da célula A mitocôndria oxida os combustíveis para produzir ATP Complexo de Golgi O cloroplasto absorve a luz solar e produz ATP e carboidratos Os grânulos de amido armazenam temporariamente os carboidratos produzidos na fotossíntese As tilacoides são locais de síntese de ATP movida pela luz A parede celular dá forma e rigidez, protegendo a célula da intumescência osmótica O vacúolo degrada e recicla macromoléculas e armazena metabólitos Parede celular de O plasmodesma permite células adjacentes a comunicação entre duas células vegetais O glioxissomo contém enzimas do ciclo do glioxilato (b) Célula vegetalFIGURA 17 Estrutura da célula eucariótica. Ilustrações esquemá- As estruturas marcadas em vermelho são exclusivas das célulasticas dos dois principais tipos de célula eucariótica: (a) uma célula animais ou vegetais. Os micro-organismos eucarióticos (como pro-animal representativa e (b) uma célula vegetal representativa. As tistas e fungos) têm estruturas semelhantes às das células animais ecélulas vegetais geralmente têm um diâmetro de 10 a 100 ␮m – vegetais, mas muitos também possuem organelas especializadas,maiores do que as células animais, que variam entre 5 e 30 ␮m. não ilustradas aqui.
  7. 7. Princípios de Bioquímica de Lehninger 7 A maioria das bactérias (incluindo E. coli) existe como bém possuem vacúolos e cloroplastos (Fig. 1-7). No citoplas-células individuais, mas as células de algumas espécies bacte- ma de muitas células estão presentes também grânulos ourianas (p.ex., as mixobactérias) mostram um comportamento gotículas contendo nutrientes armazenados como amido esocial simples, formando agregados multicelulares. gordura. Em um avanço importante na bioquímica, AlbertAs células eucarióticas possuem uma grande variedade Claude, Christian de Duve e George Palade desenvolveram métodos para separar as organelas do citosol e umas dasde organelas membranares, que podem ser isoladas para outras – uma etapa essencial na investigação de suas estru-estudo turas e funções. Em um processo de fragmentação típicoAs células eucarióticas típicas (Fig. 1-7) são muito maiores (Fig. 1-8), as células ou os tecidos em solução são suave-do que as bactérias – em geral de 5 a 100 μm de diâmetro, mente rompidos por cisalhamento físico. Este tratamentocom um volume de mil a um milhão de vezes maior do que rompe a membrana plasmática, mas deixa intacta a maioriao das bactérias. As características que distinguem os euca- das organelas. O homogeneizado é então centrifugado; or-riotos são o núcleo e uma grande variedade de organelas en- ganelas como núcleo, mitocôndria e lisossomos diferem emvoltas por membranas com funções específicas: mitocôndria, tamanho e por isso sedimentam em velocidades diferentes.retículo endoplasmático, complexo de Golgi, peroxissomos e A centrifugação diferencial resulta em um fracionamen-lisossomos. Além dessas organelas, as células vegetais tam- to preliminar do conteúdo citoplasmático, que pode ser pos- FIGURA 1-8 Fracionamento subcelular de tecidos. Um tecido como o hepático é homogeneizado mecanicamente para romper as células e dispersar seu conteúdo em um tampão aquoso. O meio com sacarose tem uma pressão osmótica semelhante à das organelas, equilibrando assim a difusão da água para dentro e para fora das organelas, as quais intumesceriam e estourariam em uma solução de osmolaridade mais baixa (veja a Fig. 2-12). (a) As partículas grandes e pequenas em suspensão podem ser separadas por centrifugação em diferentes velocidades, ou (b) as partículas de diferentes densidades podem ser separadas por cen- trifugação isopícnica, na qual se enche o tubo de centrífuga com(a) Centrifugação uma solução cuja densidade aumenta do topo para o fundo; um diferencial soluto como a sacarose é dissolvido em diferentes concentrações para produzir o gradiente de densidade. Quando uma misturaHomogeneização de organelas for colocada no topo do gradiente de densidade e do tecido o tubo for centrifugado a alta velocidade, as organelas sedimen- tam até que sua densidade de flutuação se iguale à do gradiente. Centrifugação a baixa velocidade (1.000 g, 10 min) Cada camada pode ser coletada separadamente. (b) Centrifugação ▲▲ ❚ ▲ isopícnica (em ▲ ▲❚ ▲ densidade de sacarose) ▲ Sobrenadante centrifugado ❚ ❚ ❚ ❚ ▲ a velocidade média ❚ ▲ ❚▲ ▲ ▲ ▲❚ (20.000 g, 20 min) ▲ ❚ ❚ ❚ ▲ ❚ ▲ ❚ Centrifugação ❚ ❚ ▲ ▲ ❚▲ ❚ ▲ Sobrenadante ▲ ▲ ▲ ❚ ▲ ❚ centrifugado a ❚ ❚ ▲ ❚ ❚ velocidade alta ▲Homogeneizado ❚ ▲ ❚▲ (80.000 g, 1 h) de tecido ❚ ▲ ▲ ❚ ❚ ❚ ❚ ▲ ❚ ▲ Sobrenadante ▲❚ ▲ ❚ ▲ ▲ centrifugado ▲ ▲ ❚ ▲ ❚ a velocidade ❚ muito alta ❚ Sedimento contém ❚ células inteiras, ❚ ❚ (150.000 g, 3 h) núcleos, ❚ ❚ citoesqueleto, ▲ ▲ ▲ membrana Amostra ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ plasmática Sedimento Gradiente contém de sacarose mitocôndrias, lisossomos, Sobrenadante peroxissomos ❚ ❚ ❚ contém ❚ ❚ ❚❚ Componente ❚❚ ❚ proteínas ❚ menos denso Sedimento solúveis contém Fracionamento microssomos Componente (fragmentos de RE), mais denso pequenas vesículas Sedimento contém ribossomos, macromolé- culas grandes 8 7 6 5 4 3 2 1
  8. 8. 8 David L. Nelson & Michael M. Coxteriormente purificado por centrifugação isopícnica (“mesma e forma à célula. Os filamentos de actina e os microtúbulosdensidade”). Neste procedimento, as organelas com diferen- também auxiliam na produção de movimento das organelastes densidades de flutuação (resultantes de razões diferentes e da célula inteira.entre lipídeo e proteína em cada tipo de organela) são sepa- Cada tipo de componente do citoesqueleto é compos-radas por centrifugação por meio de uma coluna de solven- to por subunidades proteicas simples que se associam dete com gradiente de densidade. Pela remoção cuidadosa do forma não covalente para formar filamentos de espessuramaterial de cada região do gradiente e observação ao micros- uniforme. Estes filamentos não são estruturas permanentes,cópio, o bioquímico pode estabelecer a posição de sedimen- sendo submetidos a constante desmontagem em suas subu-tação de cada organela e obter organelas purificadas para nidades e remontagem novamente em filamentos. Sua loca-estudo posterior. Esses métodos foram utilizados para esta- lização na célula não é fixa, podendo mudar drasticamen-belecer, por exemplo, que os lisossomos contêm enzimas de- te com a mitose, a citocinese, o movimento ameboide ougradativas, as mitocôndrias contêm enzimas oxidativas, e os mudanças na forma celular. A montagem, a desmontagem ecloroplastos contêm pigmentos fotossintéticos. O isolamento a localização de todos os tipos de filamentos são reguladasde uma organela enriquecida em determinada enzima com por outras proteínas, as quais servem para ligar ou reunirfrequência é a primeira etapa na purificação dessa enzima. os filamentos ou para mover as organelas citoplasmáticas ao longo deles. O quadro que emerge desta breve visão daO citoplasma é organizado pelo citoesqueleto e é estrutura da célula eucariótica é o de uma célula com uma trama de fibras estruturais e um sistema complexo de com-altamente dinâmico partimentos envoltos por membranas (Fig. 1-7). Os filamen-A microscopia de fluorescência revela vários tipos de fi- tos se desmontam e se remontam em outro lugar. As vesícu-lamentos proteicos atravessando a célula eucariótica em las membranares brotam de uma organela e se fundem comvárias direções, formando uma rede tridimensional inter- outra. As organelas se movem pelo citoplasma ao longo deligada, o citoesqueleto. Existem três tipos gerais de fila- filamentos proteicos, e seu movimento é impulsionado pormentos citoplasmáticos – filamentos de actina, microtúbu- proteínas motoras dependentes de energia. O sistema delos e filamentos intermediários (Fig. 1-9) – que diferem em endomembranas segrega processos metabólicos específi-largura (de 6 a 22 nm), composição, e função específica. To- cos e provê superfícies sobre as quais ocorrem determina-dos os tipos conferem estrutura e organização ao citoplasma das reações catalisadas por enzimas. A exocitose e a endo- (a) (b)FIGURA 1-9 Os três tipos de filamentos do citoesqueleto: fila- vermelho; os microtúbulos, irradiando a partir do centro da célu-mentos de actina, microtúbulos e filamentos intermediários. As la, estão marcados em verde; e os cromossomos (no núcleo) estãoestruturas celulares podem ser marcadas com um anticorpo (que marcados em azul. (b) Uma célula de pulmão de salamandra emreconheça uma determinada proteína) covalentemente ligado a um mitose. Os microtúbulos (em verde) ligados a estruturas chamadascomposto fluorescente. As estruturas marcadas são visíveis quan- de cinetócoros (em amarelo) sobre os cromossomos condensadosdo a célula é observada sob um microscópio de fluorescência. (a) (em azul) puxam os cromossomos para polos opostos, ou centros-Células endoteliais da artéria pulmonar bovina. Feixes de filamen- somos (em magenta), da célula. Os filamentos intermediários, for-tos de actina denominados “fibras de estresse” estão marcados em mados de queratina (em vermelho), mantêm a estrutura da célula.
  9. 9. Princípios de Bioquímica de Lehninger 9citose, mecanismos de transporte (para fora e para dentro As interações entre o citoesqueleto e as organelas são nãoda célula, respectivamente) que envolvem fusão e fissão de covalentes, reversíveis e sujeitas à regulação em resposta amembranas, produzem vias entre o citoplasma e o meio cir- vários sinais intra e extracelulares.cundante, permitindo a secreção de substâncias produzidasna célula e a captação de materiais extracelulares. As células constroem estruturas supramoleculares Esta organização do citoplasma, embora complexa, estálonge de ser aleatória. O movimento e o posicionamento das As macromoléculas e suas subunidades monoméricas di-organelas e dos elementos do citoesqueleto estão sob uma ferem muito em tamanho (Fig. 1-10). Uma molécula deregulação firme, e uma célula eucariótica é submetida, em alanina tem menos de 0,5 nm de comprimento. Uma molé-determinados estágios da vida, a reorganizações dramáti- cula de hemoglobina, a proteína transportadora de oxigêniocas conduzidas com exatidão, como nos eventos da mitose. dos eritrócitos (células vermelhas do sangue), consiste em subunidades contendo cerca de 600 resíduos de aminoáci- dos em quatro longas cadeias, dobradas em forma globular(a) Alguns dos aminoácidos das proteínas e associadas em uma estrutura de 5,5 nm de diâmetro. As proteínas, por sua vez, são muito menores do que os ribos- Ϫ Ϫ Ϫ COO COO COO somos (cerca de 20 nm de diâmetro), os quais, por sua vez, ϩ ϩ ϩ H 3N C H H 3N C H H 3N C H são menores do que organelas como as mitocôndrias, que têm 1.000 nm de diâmetro. É um grande salto das biomolé- CH3 CH2OH CH2 culas simples às estruturas celulares que podem ser vistas Ϫ ao microscópio óptico. A Figura 1-11 ilustra a hierarquia Alanina Serina COO estrutural na organização celular. Aspartato As subunidades monoméricas das proteínas, dos áci- Ϫ COO Ϫ dos nucleicos e dos polissacarídeos são unidas por ligações COO ϩ ϩ Ϫ COO H 3N C H H 3N C H ϩ FIGURA 1-10 Os compostos orgânicos a partir dos quais é formada H 3N C H a maior parte dos materiais celulares: o ABC da bioquímica. Estão CH2 CH2 NH CH2 mostrados aqui (a) seis dos 20 aminoácidos que formam todas as C CH proteínas (as cadeias laterais estão sombreadas em cor-de-rosa); (b) SH as cinco bases nitrogenadas, os dois açúcares de cinco carbonos e HC ϩ NH Cisteína os íons fosfato que formam os ácidos nucleicos; (c) os cinco compo- OH Histidina nentes dos lipídeos de membrana; e (d) D-glicose, o açúcar simples Tirosina que origina a maioria dos carboidratos. Observe que o fosfato é um componente dos ácidos nucleicos e dos lipídeos de membrana.(b) Os componentes dos ácidos nucleicos (c) Alguns componentes dos lipídios O O NH2 COOϪ COOϪ CH2OH C C CH3 CH2 CH2 CHOH HN CH HN C N CH CH2 CH2 CH2OH C CH C CH C CH Glicerol O N O N O N CH2 CH2 H H H CH2 CH2 Uracil Timina Citosina CH3 CH2 CH2 ϩ CH3 N CH2CH2OH NH2 O CH2 CH2 CH3 C C OϪ CH2 CH2 Colina N N N C HN C CH CH2 CH CH HO P OH HC C C C CH CH2 N N H2N N N O H H Fosfato CH2 CH2 Adenina Guanina (d) O açúcar de origem CH2 CH2 Bases nitrogenadas CH2 CH2 HOCH2 O H HOCH2 O CH2 CH2 CH 2OH H H H CH2 CH2 O H H H H H OH H H OH CH2 CH3 OH H OH OH OH H Palmitato HO OH CH2 ␣-D-Ribose H OH 2-desoxi-␣-D-ribose CH3 Açúcares de cinco carbonos Oleato ␣-D-Glicose
  10. 10. 10 David L. Nelson & Michael M. Cox Nível 4: Nível 3: Nível 2: Nível 1: A célula e Complexos Macromoléculas Unidades suas organelas supramoleculares monoméricas NH2 Nucleotídeos N DNA OϪ O N Ϫ O P O CH2 O O H H H H OH H Cromatina Aminoácidos H ϩ H3N C COOϪ Proteína CH3 Membrana plasmática Celulose OH CH 2 O H H H OH OH HO OH H Açúcares CH 2 OH H Parede celular OFIGURA 1-11 Hierarquia estrutural na organização molecular das células. O núcleo desta célula vegetal é uma organela que contémvários tipos de complexos supramoleculares, incluindo cromatina. A cromatina consiste em dois tipos de macromoléculas, DNA e muitasproteínas diferentes, sendo cada uma delas formada por subunidades simples.covalentes. Nos complexos supramoleculares, contudo, as go da célula. Em resumo, uma dada molécula pode ter ummacromoléculas são unidas por interações não covalentes comportamento muito diferente na célula e in vitro. Um de-– individualmente muito mais fracas do que as covalentes. safio central na bioquímica é entender as influências da orga-Entre estas interações estão as ligações de hidrogênio (en- nização celular e das associações macromoleculares sobre atre grupos polares), as interações iônicas (entre grupos car- função das enzimas individuais e outras biomoléculas – pararegados), as interações hidrofóbicas (entre grupos apolares entender a função in vivo assim como in vitro.em solução aquosa) e as interações de van der Waals (forçasde London) – todas elas com energia muito menor do que as RESUMO 1.1 Fundamentos celularesligações covalentes. Essas interações são descritas no Capí- ■ Todas as células são delimitadas por uma membranatulo 2. O grande número de interações fracas entre as ma- plasmática, tendo um citosol contendo metabólitos, co-cromoléculas em complexos supramoleculares estabilizam enzimas, íons inorgânicos e enzimas, possuindo um con-essas agregações, gerando suas estruturas singulares. junto de genes contidos dentro de um nucleoide (bacté- rias e arquibactérias) ou de um núcleo (eucariotos).Estudos in vitro podem omitir interações importantes ■ Os fototróficos usam a luz do sol para realizar trabalho;entre moléculas os quimiotróficos oxidam combustíveis, transferindo elétrons para bons aceptores: compostos inorgânicos,Uma abordagem para o entendimento de um processo bioló- compostos orgânicos ou oxigênio molecular.gico é o estudo in vitro de moléculas purificadas (“no vidro”– no tubo de ensaio), sem a interferência de outras molécu- ■ As células de bactérias e de arquibactérias contêm cito-las presentes na célula intacta – isto é, in vivo (“no vivo”). sol, um nucleoide e plasmídeos. As células eucarióticasEmbora esta abordagem seja muito esclarecedora, deve-se têm um núcleo e são multicompartimentalizadas, comconsiderar que o interior de uma célula é totalmente diferen- determinados processos segregados em organelas es-te do interior de um tubo de ensaio. Os componentes “inter- pecíficas; as organelas podem ser separadas e estuda-ferentes” eliminados na purificação podem ser críticos para a das isoladamente.função biológica ou para a regulação da molécula purificada. ■ As proteínas do citoesqueleto se organizam em longosPor exemplo, estudos in vitro de enzimas puras são comu- filamentos que dão forma e rigidez às células e servemmente realizados com concentrações muito baixas da enzima como trilhos ao longo dos quais as organelas celularesem soluções aquosas sob agitação. Na célula, uma enzima se deslocam por toda a célula.está dissolvida ou suspensa em um citosol com consistência ■ Complexos supramoleculares são mantidos unidos porgelatinosa junto com milhares de outras proteínas, sendo que interações não covalentes e formam uma hierarquiaalgumas delas se ligam à enzima e influenciam sua atividade. de estruturas, algumas delas visíveis ao microscópioAlgumas enzimas são componentes de complexos multienzi- óptico. Quando moléculas individuais são removidasmáticos nos quais os reagentes passam de uma enzima para destes complexos para serem estudadas in vitro, al-a outra, sem interagir com o solvente. A difusão é dificultada gumas interações, importantes na célula viva, podemno citosol gelatinoso, e a composição citosólica varia ao lon- ser perdidas.
  11. 11. Princípios de Bioquímica de Lehninger 111 2 FIGURA 1-12 Elementos essenciais para a H He vida e a saúde animal. Os elementos princi-3 4 Elementos principais 5 6 7 8 9 10 pais (em laranja) são componentes estruturais Li Be Elementos-traço B C N O F Ne das células e dos tecidos e são requeridos na11 12 13 14 15 16 17 18 dieta em uma quantidade de vários gramas Na Mg Al Si P S Cl Ar por dia. Para os elementos-traço (em amarelo19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 brilhante) as quantidades requeridas são mui- K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr to menores: para humanos, alguns miligramas37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 por dia de ferro, cobre e zinco são suficientes, Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe e quantidades ainda menores dos demais ele-55 56 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 mentos. As necessidades mínimas para plan- Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn tas e micro-organismos são similares às mos-87 88 Fr Ra Lantanídeos tradas aqui; o que varia são as maneiras pelas Actinídeos quais eles adquirem estes elementos.1.2 Fundamentos químicos são hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e carbono, que juntos constituem mais de 99% da massa das células. Eles são osA bioquímica tenta explicar as formas e as funções bioló- elementos mais leves capazes de formar eficientementegicas em termos químicos. No final do século XVIII, os quí- uma, duas, três e quatro ligações; em geral, os elementosmicos concluíram que a composição da matéria viva é im- mais fracos formam as ligações mais fortes. Os elemen-pressionantemente diferente daquela do mundo inanimado. tos-traço (Fig. 1-12) representam uma fração minúsculaAntoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) percebeu a relativa do peso do corpo humano, mas todos são essenciais à vida,simplicidade do “mundo mineral” e contrastou-a com a com- geralmente por serem essenciais para a função de proteí-plexidade dos “mundos animal e vegetal”. Estes últimos ele nas específicas, incluindo muitas enzimas. A capacidade desabia serem constituídos de compostos ricos nos elementos transporte de oxigênio da hemoglobina, por exemplo, é to-carbono, oxigênio, nitrogênio e fósforo. talmente dependente de quatro íons de ferro, que somados Durante a primeira metade do século XX, investigações representam somente 0,3% da massa total.bioquímicas conduzidas em paralelo sobre a oxidação da gli-cose em leveduras e células de músculo animal revelaramsimilaridades químicas marcantes nestes dois tipos celulares Biomoléculas são compostos de carbono com uma grandeaparentemente muito distintos, indicando que a queima da variedade de grupos funcionaisglicose em leveduras e células musculares envolve os mesmos A química dos organismos vivos está organizada em torno10 intermediários químicos e as mesmas 10 enzimas. Estudos do carbono, que contribui em mais da metade do peso secosubsequentes de muitos outros processos químicos em dife- das células. O carbono pode formar ligações simples comrentes organismos confirmaram a generalidade desta observa- átomos de hidrogênio, assim como ligações simples e duplasção, resumida em 1954 por Jacques Monod: “O que vale para com átomos de oxigênio e nitrogênio (Fig. 1-13). A capaci-a E. coli também vale para um elefante”. A atual compreensão dade dos átomos de carbono de formar ligações simples es-de que todos os organismos têm uma origem evolutiva comum táveis com até quatro outros átomos de carbono é de grandetem como base em parte esta observação, de que todos parti- importância na biologia. Dois átomos de carbono tambémcipam dos mesmos processos e intermediários químicos, o que podem compartilhar dois (ou três) pares de elétrons, for-muitas vezes é denominado unidade bioquímica. mando assim ligações duplas (ou triplas). Menos de 30 entre os mais de 90 elementos químicos As quatro ligações simples que podem ser formadasde ocorrência natural são essenciais para os organismos. A pelo átomo de carbono se projetam a partir do núcleo for-maioria dos elementos da matéria viva tem um número atô- mando os quatro vértices de um tetraedro (Fig. 1-14), commico relativamente baixo; somente dois possuem números um ângulo de aproximadamente 109,5° entre duas ligaçõesatômicos maiores que o selênio, 34 (Fig. 1-12). Os quatro quaisquer e tendo um comprimento médio de ligação deelementos químicos mais abundantes nos organismos vivos, 0,154 nm. A rotação é livre em torno de cada ligação sim-em termos de porcentagem do total de número de átomos, ples, a menos que grupos muito grandes ou altamente car- C ϩ H C H C H C ϩ N C N C N C ϩ O C O C O C ϩ C C C C C FIGURA 1-13 A versatilidade do carbono em formar ligações. O C ϩ O C O C O C ϩ C C C C C carbono pode formar ligações co- valentes simples, duplas e triplas (indicadas em vermelho), particu- C ϩ N C N C N C ϩ C C C C C larmente com outros átomos de carbono. Ligações triplas são raras em biomoléculas.
  12. 12. 12 David L. Nelson & Michael M. Cox (a) (b) (c) X A 120 109,5 C C C C C Y 109,5 BFIGURA 1-14 Geometria da ligação do carbono. (a) Os átomos de (CH3—CH3). (c) Ligações duplas são mais curtas e não permitemcarbono têm um arranjo tetraédrico bem característico para suas rotação. Os dois carbonos ligados por ligação dupla e os átomosquatro ligações simples. (b) A ligação simples carbono-carbono designados por A, B, X e Y estão todos no mesmo plano rígido.tem liberdade de rotação, como mostrado para o composto etano H H H Metil R C H Éter R1 O R2 Guanidina R N C N H ϩ N H H H H H Etil R C C H Éster R1 C O R2 Imidazol R C CH H H O HN N: C H H H C C H Fenil R C CH Acetil R O C C H Sulfidril R S H C C O H H H Carbonil R C H Anidrido R1 C O C R2 Dissulfeto R1 S S R2 (aldeído) (dois ácidos O O O carboxílicos) H Carbonil R 1 C R 2 Amino R Nϩ H Tioéster R1 C S R2 (cetona) (protonado) O H O H OϪ Carboxil R C OϪ Amida R C N Fosforil R O P OH O H O O H N OϪ OϪ 1 2 1 Hidroxil R O H Imina R C R Fosfoanidrido R O P O P O R2 (álcool) O O O H H OϪ R3 Enol R C C Imina N- Anidrido misto R C O P OH substituída N (de ácido carboxílico H H O O (base de e ácido fosfórico; R1 C R2 Schiff) também chamado de acil-fosfato)FIGURA 1-15 Alguns grupos funcionais comuns de biomolécu- de hidrogênio, mas tipicamente será um grupo contendo carbono.las. Nesta figura e em todo o livro, será usado R para representar Quando dois ou mais substituintes são mostrados em uma molécu-“qualquer substituinte”. Ele pode ser tão simples como um átomo la, serão designados como R1, R2 e assim por diante.

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