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BIOQUÍMICA BÁSICA
Módulo I – Biologia
Citologia:
. Substâncias Químicas;
. Estrutura Celular;
. Divisão Celular;
INTRODUÇÃO
Histórico
1665: Robert Hooke Compartimentos (Células)
1840: Theodor Schwann Teoria Celular
1. Todos os organismos são constituídos de uma ou mais células
2. A célula é a unidade básica de organização dos organismos
3. Toda a célula vem de outra preexistente
CÉLULA
Características
Unidades de vida compartimentalizadas
Complexo de moléculas agrupadas por funções
Características estruturais comuns: Arquitetura
Processos metabólicos:
Replicação de DNA
Síntese protéica
Produção de energia
Classificação: Procarióticas e Eucarióticas
CÉLULA PROCARIONTE X EUCARIONTE
Características Procariotos Eucariotos
1. Envoltório Nuclear
2. Cromossomo 3. Nucléolo 4. Divisão Celular 5. Citoplasma 6. Organelas
Ausente Único Ausente Cromossomos separados por ligação à MP Sem Citoesqueleto Nenhuma Principalmente
Presente Múltiplos Presente Cromossomos separados por Microtúbulos Citoesqueleto Várias Principalmente
CONSTITUINTES BIOQUÍMICOS DA CÉLULA
Água e Minerais
Carboidratos
Proteínas Lipídios Ácidos Nucléicos
O segredo da vida!
1 - Introdução à Bioquímica
O que é Bioquímica?
É a química da vida.
É o estudo da vida ao nível químico.
É o estudo das reações químicas que ocorrem em
organismos biológicos.
A bioquímica procura entender como a vida existe a
partir de moléculas intrinsecamente inanimadas (sem
vida).
A bioquímica procura explicar a vida em termos químicos
Importância da Bioquímica e suas relações com
outras disciplinas:
Importância para estudos ambientais:
- processo microbiológicos:
tratamento de esgotos e resíduos
bioremediação
ciclos biogeoquímicos (C, N, S etc.)
- toxicologia e mutagênese
- destino de poluentes
- fotossíntese – tipos de vegetação e adaptação
Bioquímica
Genética
Biologia celular
Reprodução
Crescimento
Metabolismo
Resposta a estímulos do
ambiente/capacidade de
mudança
Características que definem a vida:
Conjunto de reações químicas
que processam matéria e energia
Todo organismo vivo é estruturalmente complexo e
altamente organizado.
PRINCÍPIOS GERAIS E MOLECULARES DA VIDA
- Os organismos vivos são capazes de auto-duplicar
e auto-montagem
Por trás da diversidade biológica existe certa unidade de
organização
10 milhões de espécies diferentes – grande diversidade
Todos os seres vivos:
nos níveis celular e molecular, há um plano de
organização unificado
bioquimicamente têm as mesmas estruturas e funções
básicas e um mesmo código genético.
Simplifica o entendimento da Bioquímica!
O que é célula?
É a menor parte viva de um organismo;
É a unidade morfo-fisiológica dos seres vivos?
É a menor parte de um organismo capaz de sobreviver por si só, desde que em condições ideais.
De que a célula é composta?
Substâncias Inorgânicas: - Água.
- Sais Minerais.
Substâncias Orgânicas: - Carboidratos.
- Lipídios.
- Proteínas.
- Vitaminas.
- Ácidos Nucléicos.
Água
Composição e Estrutura Molecular:
- Molécula Polar;
Adesão
Capilaridade
Alto poder de dissolução
-Forma Pontes de Hidrogênio;
Coesão
Calor Específico
Ponto de Vaporização
Tensão Superficial
Ângulo = 105º
Água
Qtde varia de acordo com: - Espécie - Idade – inversamente proporcional - Taxa Metabólica – diretamente proporcional.
Funções: - Solvente. - Transporte. - Participa de ou favorece reações. - Equilíbrio Térmico e Osmótico.
Sais Minerais
Encontram-se sob duas formas: Iônica Molecular (estrutural) Ca++: ossos, coagulação e contração. Fe++: hemoglobina, citocromos. PO4
---: ossos, ác. nucléicos, ATP. I-: hormônios tireóideos. K+, Na+ e Cl-: regulação osmótica, e sódio e potássio
também participam na transmissão do impulso nervoso.
Glicídios
Papéis no organismo: - Energético (principal).
- Estrutural.
Classificação: - Monossacarídeos (glicose, frutose, galactose).
- Dissacarídeos (sacarose, maltose, lactose).
- Polissacarídeos (amido, glicogênio, celulose).
Quitina
É um polímero constituído por uma seqüência linear de açúcares, possuindo estrutura semelhante à fibra vegetal denominada celulose.
A diferença estrutural entre as duas fibras se deve aos grupos hidroxila localizados na posição 2, que na quitina foram substituídos por grupos acetamino.
A quitina tem como principais fontes naturais os exoesqueletos de artrópodes, e entre eles os dos crustáceos (notadamente caranguejo, camarão e lagosta), sendo também encontrada em insetos, aracnídeos, miriápodes, moluscos, como as lulas, e na parede celular de fungos.
Glicídios
Processos de obtenção: Ingestão. Glicogênese: - glicogênio sintetizado no fígado e músculos.
Neoglicogênese: - glicose a partir de precursores não
glicídicos.
Lipídios
Moléculas insolúveis e água, mas solúveis em solventes orgânicos.
Principais grupos: - Glicerídeos. - Cerídeos. - Esteróides.
Lipídios
Glicerídeos: - São ésteres do glicerol com ácidos graxos. - Óleos e gorduras são misturas de glicerídeos. - Nas gorduras (manteiga, toucinho, banha e sebo)
predominam glicerídeos de ácidos saturados (palmítico e esteárico) e são "sólidas" à temperatura ambiente.
- Nos óleos (óleo de soja, algodão, amendoim e milho), predominam glicerídeos de ácidos insaturados (oléico) e são líquidos à temperatura ambiente.
Lipídios
Cerídeos: - Álcool de peso molecular elevado, como o álcool oléico ou a
esfingosina.
- Cera de abelha, cera de carnaúba e cutina.
Esteróides: - Lipídios derivados do colesterol.
- Atuam como hormônios e, nos humanos, são secretados pelas gônadas, córtex adrenal e pela placenta. A testosterona é o hormônio sexual masculino, enquanto que o estradiol é o hormônio responsável por muitas das características femininas.
Fosfolipídios
Ácidos graxos + fosfato.
Os fosfolipídios se ordenam em bicamadas, formando vesículas. Estas estruturas são importantes por conterem substâncias hidrossolúveis em um sistema aquoso - como no caso das membranas celulares ou vesículas sinápticas.
Proteínas
São macromoléculas constituídas por aminoácidos que se unem através de ligações peptídicas.
Proteínas
Estrutura: - Primária: seqüência linear de aminoácidos
que compõe uma proteína. Por exemplo:
val - ile - glu - ala - gli - try - tyr - asp - gli – ala
- Secundária: Alfa-hélice formada pela interação entre os aminoácidos com formação de pontes de hidrogênio.
Proteínas
Estrutura Secundária
Estrutura Terciária: É a configuração espacial de
uma proteína. Pode ser filamentar ou globular.
Proteínas
Desnaturação: - Perda da forma (função) devido à
variações de temperatura e pH. - Reversível ou não. Como são obtidas: - Síntese. Vide esquema animado.
Proteínas
Papéis biológicos: - Estrutural. - Enzimático. - Transporte. - Contração. - Coagulação. - Equilíbrio osmótico. - Controlador (hormonal).
Vitaminas
São compostos orgânicos imprescindíveis para algumas reações metabólicas específicas, agindo muitas vezes como coenzimas ou como parte de enzimas responsáveis por reações químicas essenciais à saúde humana.
São classificadas em dois grupos: - Hidrossolúveis. - Lipossolúveis.
Vitaminas Lipossolúveis
A, D, E e K Na maior parte, são absorvidas com
outros lipídios, e uma absorção eficiente requer a presença de bile e suco pancreático. São transportadas para o fígado através da linfa como uma parte de lipoproteína e são armazenadas no organismo.
Vitaminas Lipossolúveis
Carências: - Vitamina A:
cegueira noturna, cefaléia e lesões na pele (áspera e seca)
- Vitamina D:
raquitismo, desgaste dos ossos (osteoporose) e dos dentes.
- Vitamina E:
esterilidade e menor viabilidade comprovadas em algumas espécies animais.
- Vitamina K:
Com a má absorção de lipídios pode causar destruição da flora intestinal, além de problemas hemorrágicos.
Interferons
Moléculas que promovem a ativação dos processos metabólicos intracelulares, que por sua vez, tornam a célula resistente à ação viral.
São proteínas celulares semelhantes aos hormônios.
O interferon alfa é produzido pelos glóbulos brancos do sangue.
O interferon beta é produzido pelas células de várias partes do corpo (fibroblastos).
O interferon gama é produzido pelas células chamadas de linfócitos T.
Príon
A partícula protéica infecciosa, é denominada prion scrapie. A proteína infecciosa tem uma conformação diferente da proteína
celular normal. A forma normal, PrP celular é encontrada, predominantemente, na
superfície dos neurônios, e possivelmente, está envolvida em funções sinápticas; protege o cérebro contra demência e outros problemas degenerativos associados com a senilidade.
A PrP Scrapie encontra-se na forma de agregados no sistema endossomo-lisossomo, caracterizando-se pela alta resistência à temperaturas elevadas e à ação de proteases.
O príon normal tem a maior parte dos aminoácidos arrumada em forma de espiral. Já o príon anormal, que causa a doença da vaca louca, possui a maioria dos aminoácidos organizada em ziguezague.
Nucleotídeo
Estrutura molecular composta por um radical
fosfato, uma pentose e uma base nitrogenada.
Nucleotídeos
Ligam-se uns aos outros através de ligações
fosfodiéster, formando cadeias muito longas.
Além de participarem da estrutura dos ácidos
nucléicos, os nucleotídeos atuam também como
componentes na estrutura de coenzimas importantes
no metabolismo oxidativo da célula, e como forma
de energia química – ATP.
Adenosina Tri-Fosfato (ATP)
O ATP é encontrado universalmente nos sistemas vivos.
Sua função essencial é armazenar energia para as atividades vitais básicas das células.
Estruturalmente, o ATP consiste de três grupos fosfato (PO4
3-) e de uma unidade de adenosina composta de adenina e do açúcar ribose.
O ATP libera uma grande quantidade de energia utilizável quando é desdobrado pela adição de uma molécula de água (hidrólise).
Bases Nitrogenadas
Pertencem a 2 famílias:
- Bases Púricas, ou Purinas: Adenina (A) e Guanina (G).
- Bases Pirimídicas, ou Pirimidinas: Citosina (C), Timina (T) e Uracila (U).
Tanto o DNA como o RNA possuem as mesmas bases púricas, e a citosina como base pirimídica.
A timina existe apenas no DNA e, no RNA, é substituída pela uracila - que possui um grupo metil a menos.
Fosfato
A adição de um ou mais radicais fosfato à pentose, através de ligação tipo éster com a hidroxila do carbono 5 da mesma, dá origem aos Nucleotídeos.
Os grupos fosfato são responsáveis pelas cargas negativas dos nucleotídeos e dos ácidos nucléicos.
A adição do segundo ou terceiro grupo fosfato ocorre em seqüência, dando origem a nucleotídeos di e trifosfatados.
O RNA
Criado a partir do molde de DNA e utilizado na expressão da informação genética.
A síntese de uma molécula de RNA a partir de um molde de DNA chama-se "TRANSCRIÇÃO“.
Nesta transcrição, modificações podem ocorrer sobre a molécula de RNA transcrita, convertendo-a de uma cópia fiel em uma cópia funcional do DNA.
Estrutura do RNA
Em relação ao DNA, 4 diferenças são importantes:
- O RNA possui uracila no lugar da timina.
- A pentose do RNA é a ribose.
- O RNA é formado por uma fita única, com eventual pareamento de bases intra-cadeia.
- A molécula do RNA é muito menor que a do DNA.
Tipos de RNA
Ribossômico (RNAr):
- É encontrado, em associação com várias proteínas
diferentes, na estrutura dos ribossomos, as organelas
responsáveis pela síntese protéica.
- Corresponde a até 80% do total de RNA da célula.
Tipos de RNA
Transportador (RNAt):
- É a menor molécula dos 3 tipos de RNA;
- Está ligado de forma específica a cada um dos 20 aminoácidos encontrados nas proteínas.
- Corresponde a 15% do RNA total da célula.
- Atua no posicionamento dos aminoácidos na seqüência prevista pelo código genético no momento da síntese protéica.
Tipos de RNA
Mensageiro (RNAm):
- Corresponde a apenas 5% do total de RNA da
célula.
- Atua transportando a informação genética do
núcleo da célula eucariótica ao citosol, onde
ocorrerá a biossíntese protéica.
- É utilizado como molde nesta biossíntese.
O DNA
Está presente no núcleo das células eucarióticas, nas mitocôndrias e nos cloroplastos, e no citosol das células procarióticas.
Nas células germinativas e no ovo fertilizado, dirige todo o desenvolvimento do organismo, a partir da informação contida em sua estrutura.
É duplicado cada vez que a célula somática se divide.
Estrutura do DNA
O DNA é um polidesoxirribonucleotídeo formado por milhares de nucleotídeos ligados entre si através de ligações 3’, 5’-fosfodiéster.
Sua molécula é formada por uma fita dupla antiparalela, enrolada sobre si mesma formando uma dupla hélice.
Ligação Fosfodiéster
Ocorre entre o fosfato do carbono 5 da pentose de um nucleotídeo e a hidroxila do carbono 3 da pentose do nucleotídeo seguinte.
A cadeia resultante é polar, e possui:
- Uma extremidade 5’ è Fosfato de carbono 5 da pentose livre.
- Uma extremidade 3’ è Hidroxila de carbono 3 da pentose livre.
As ligações fosfodiéster podem ser quebradas enzimaticamente por enzimas chamadas NUCLEASES, que se dividem em:
- Endonucleases = Quebram ligações no meio da molécula;
- Exonucleases = Quebram ligações nas extremidades da molécula.
A Dupla Hélice
Na dupla hélice do DNA a extremidade 5’ de uma cadeia é pareado com a extremidade 3’ da outra cadeia.
No tipo mais comum de hélice - "B" - o esqueleto hidrofílico de fosfatos e pentoses fica na parte externa, enquanto que as bases hidrofóbicas, fixadas à este esqueleto, ficam no lado de dentro da estrutura.
Há um PAREAMENTO DE BASES entre as fitas da molécula do DNA. Assim, temos sempre pareadas:
- Adenina com Timina = A-T.
- Citosina com Guanina = C-G.
As bases se mantém pareadas por pontes de hidrogênio, 2 entre "A" e "T" e 3 entre "C" e "G".
Existem 3 formas estruturais de DNA:
A forma "B" = descrita por Watson e Crick em 1953, é a forma mais comum; a hélice é voltada para a direita e com 10 resíduos por volta, com planos de bases perpendiculares ao eixo helical.
A forma "A" = obtida pela desidratação moderada da forma "B", também é voltada para a direita, mas possui 11 resíduos por volta e as bases estão em um ângulo de 20 graus em relação ao eixo helical.
A forma "Z" è A hélice nesta forma é voltada para a esquerda e contém cerca de 12 resíduos por volta.
Organização do Material Genético
Para que um volume grande de material genético caiba dentro do núcleo da célula, o DNA interage com um grande número de proteínas
As Histonas:
- São pequenas proteínas básicas, ricas em lisina e arginina, e carregadas positivamente em pH fisiológico, às quais se associa a molécula do DNA.
- Suas cargas positivas, em associação com o cátion Mg++, facilitam esta ligação com o esqueleto negativo do DNA e estabilizam o conjunto.
- Existem 5 classes de histonas: H1, H2, H2B, H3 e H4.
Os Nucleossomos:
- São considerados as unidades estruturais dos cromossomos.
- São formados por 8 moléculas de histonas: 2 H2, 2 H2B, 2 H3 e 2 H4, formando um octâmero regular sobre o qual se enrola a fita dupla do DNA, a quase 2 voltas por nucleossomo
Os nucleossomos são ligados entre si por segmentos de DNA "ligante" de aproximadamente 50 nucleotídeos de comprimento, formando os polinucleossomos, ou nucleofilamentos.
A histona H1 não participa da estrutura dos nucleossomos, mas sim liga-se ao DNA "ligante" e participa do processo de compactação das estruturas.
Autoduplicação do DNA
A duplicação do DNA em humanos acontece a uma taxa de 50 nucleotídeos por
segundo, e 500/s em procariontes.
Uma enzima especial, a DNA polimerase, abre a hélice quebrando as ligações
entre as bases. Uma vez que a polimerase abriu a molécula, uma área conhecida
como bolha de duplicação forma a origem da duplicação.
Os Procariontes abrem uma única bolha de duplicação, enquanto os eucariontes
têm bolhas múltiplas. A cadeia inteira de DNA é reproduzida quando as bolhas se
encontram.
Autoduplicação do DNA
• Uma vez que os
"corrimãos" do DNA são
anti-paralelos, a duplicação
segue a direção 5' para 3' em
CADA lado, um lado
formará uma cópia contínua,
enquanto o outro formará
uma série de fragmentos de
Okazaki pequenos.
Vamos ver os detalhes:
uma enzima chamada DNA-girase faz um corte na dupla hélice e cada
lado se separa
uma enzima chamada helicase desenrola o DNA em duplo filamento
algumas proteínas pequenas chamadas de proteínas SSB (single strand
binding - ligação em um filamento) acoplam-se temporariamente a cada
lado e mantêm-se separadas
uma enzima complexa chamada DNA-polimerase "anda" pelos
filamentos do DNA e acrescenta novos nucleotídeos a cada filamento.
Os nucleotídeos fazem par com os nucleotídeos complementares no
filamento existente (A com T, G com C)
uma subunidade do DNA-polimerase revisa o novo DNA
uma enzima chamada DNA-ligase fecha os fragmentos em um longo
filamento contínuo
as novas cópias automaticamente se enrolam novamente
Transcrição
A transcrição consiste na síntese de RNA.
Ela é realizada por um complexo enzimático cuja
enzima chave é a RNA polimerase, composta de
várias subunidades.
Esse processo ocorre em três etapas principais, a
iniciação, o alongamento e o término.
Transcrição
Nos eucariontes a transcrição ocorre no núcleo, enquanto a tradução
ocorre no citoplasma. Já nos procariontes tal separação celular não
existe, sendo os dois processos muito bem acoplados no espaço.
Outra diferença é que o transcrito primário de mRNA dos eucariontes,
ao contrário dos procariontes, é amplamente processado. O RNA
nascente sofre uma série de alterações: aquisição de revestimento (cap)
na sua extremidade 5’, cauda poli-A na extremidade 3’ e remoção exata
de introns (splicing) para a formação de mRNAs maduros com
mensagens contínuas. Alguns mRNAs maduros chegam a ser até dez
vezes menores em tamanho que seus precursores.