2. conceitos de bioquÍmica e quÍmica orgÂnica

2-1

2. CONCEITOS DE BIOQUÍMICA E

QUÍMICA ORGÂNICA

Para es tudos com moléculas orgânicas , p r inc ipa lmente aque las com

a t iv idade b io lógica , é necessár io o conhec imento de a lguns conce i tos bás icos

qu ímicos e b ioquímicos . Nes te cap í tu lo i remos apresentar a lguns desses

conce i tos que serão impor tan tes para a compreensão do nosso t raba lho .

2.1. Grupos funcionais

Para o es tudo de b iomoléculas , é impor tan te conhecer bem as funções

qu ímicas e os grupos func iona is que as de te rminam. Grupos func iona is são

grupamentos de á tomos que conferem aos compos tos orgânicos carac te r í s t icas

qu ímicas espec í f icas , c r iando um cent ro rea t ivo e def in indo uma função

química nessas moléculas . Por tan to cada função química possu i um conjunto

de carac te r í s t icas comuns e seu conhec imento é fundamenta l para a

compreensão de como essas moléculas in te ragem.

C O N C E I T O S D E B I O Q U Í M I C A E Q U Í M I C A O R G Â N I C A 2-2

I remos apresen ta r nes ta seção , de forma suc in ta 1, a lguns grupamentos

qu ímico-orgânicos que serão re levantes para nosso es tudo . As f iguras que

seguem most ram exc lus ivamente o grupo func iona l , onde nos t raços de

l igações podem ser conec tadas cade ias carbônicas ou á tomos de h idrogênio ,

conforme o caso .

2.1.1. Hidrocarboneto

Compostos formados exc lus ivamente por á tomos de carbono e h idrogênio

são conhec idos por h idrocarbonetos . Es tes compos tos são a base para a

formação de todas as ou t ras subs tânc ias orgânicas .

Os h idrocarbonetos se c lass i f icam, quanto ao grau de sa turação , em

sa turados (a lcanos) , em que os á tomos de carbono fazem apenas l igações

s imples , e insa turados , onde um ou mais á tomos de carbono podem fazer

l igações duplas (a lcenos) ou t r ip las (a lc inos) . Os rad ica i s cor respondentes a

cada ca tegor ia possuem na sua nomencla tura o suf ixo –i la , fo rmando ass im

grupamentos a lcan i la , a lcen i la e a lc in i la . Podem também ser c lass i f icados

quanto ao t ipo de cade ia , podendo ser de cade ia normal ou c íc l ica ( formando

ané is es táve is ) .

CC CCC(a) (b) (c)

F i g u r a 2 . 1 : G r u p a m e n t o d e ( a ) a l c a n i l a , ( b ) a l c e n i l a e ( c ) a l c i n i l a

2.1.2. Hidroxila

O grupamento h idroxi la é formado por um á tomo de oxigênio l igado a um

á tomo de h idrogênio . Es te grupamento def ine a função á lcool . Os á lcoois são

1 P a r a i n f o r ma ç õ e s a d i c i o n a i s e ma i s d e t a l h a d a s s o b r e q u í mi c a o r g â n i c a e g r u p o s

f u n c i o n a i s , c o n s u l t a r a s r e f e r ê n c i a s [ 2 5 ] e [ 2 6 ]

G R U P O S F U N C I O N A I S 2-3

c lass i f icados em pr imár ios , secundár ios ou te rc iá r ios dependendo se o carbono

conec tado à h idroxi la es tá l igado a um, do is ou t rês á tomos de carbono.

OH

F i g u r a 2 . 2 : G r u p a m e n t o h i d r o x i l a

2.1.3. Carbonila

A carboni la é formada por um á tomo de oxigênio que rea l iza uma l igação

dupla com um á tomo de carbono. Esse grupamento pode def in i r as funções

a lde ído ( se loca l izado nas ex t remidades) ou ce tona ( se loca l izado no meio)

dependendo somente de sua loca l ização na cade ia carbônica , .

C

O

F i g u r a 2 . 3 : G r u p a m e n t o c a r b o n i l a

2.1.4. Carboxila

A carboxi la é uma fusão en t re uma carboni la e uma h idroxi la . A função

def in ida por es te grupamento é o ác ido carboxí l ico . Esse nome é dado porque a

l igação en t re o á tomo de oxigênio e o á tomo de h idrogênio na carboxi la é

ex t remamente po lar , dando um grande cará te r ác ido ao h idrogênio . I sso faz

com que quando co locadas em água , sob cer tas condições de pH 1, a lgumas

subs tânc ias carboxi ladas podem se ion izar doando pró tons (H+ ) para o meio e

se to rnando nega t ivas .

OHC

O

F i g u r a 2 . 4 : G r u p a m e n t o c a r b o x i l a

1 p H é d e f i n d o c o mo s e n d o − l o g 1 0 [ H + ]


2.1.5. Éster

O grupo func iona l és te r é um der ivado da carboxi la onde o h idrogênio da

h idroxi la é subs t i tu ído por um rad ica l carbônico . Es te grupamento def ine a

função química és te r

A reação de formação dos és te res é uma das mais f reqüentes em s i s temas

b io lógicos . A es te r i f icação cons is te na reação de ác ido carboxí l ico com á lcool

e resu l ta na produção de um és te r e de uma molécula de água .

A l igação s imples en t re o á tomo de carbono e o ox igênio é conhec ida

como es ter l inkage ( l igação és te r ) .

OC

O

F i g u r a 2 . 5 : G r u p a m e n t o é s t e r

2.1.6. Amino

Amina é a função química def in ida pe lo grupamento amino . Es te é

cons t i tu ído pr inc ipa lmente pe la presença do á tomo de n i t rogênio e fe tuando

l igações s imples .

A c lass i f icação das aminas depende de quantos á tomos de carbono es tão

l igados d i re tamente ao n i t rogênio , podendo ser p r imár ias (um carbono) ,

secundár ias (do is carbonos) ou te rc iá r ias ( t rês carbonos) .

O grupo amino possu i cará te r bás ico e em so lução aquosa es te grupo

pode cap ta r p ró tons (H + ) do meio e to rnar -se pos i t ivo . Como ocor re com a

carboxi la , i s so acontece sob condições espec í f icas de pH.

N

F i g u r a 2 . 6 : G r u p a m e n t o a m i n o


2.1.7. Amida

O grupamento amida é um der ivado da carboxi la em que a h idroxi la é

subs t i tu ída por um grupo amino . A função química amida é def ina pe los grupos

amida .

A l igação en t re o carbono e o n i t rogênio é ex t remamente es táve l e é

denominada amida l inkage ( l igação amida) . E la é formada quando há a reação

química en t re ác ido carboxí l ico e amina , p roduzindo uma amida e uma

molécula de água . Esse t ipo de l igação é normalmente encont rada

repe t idamente un indo pequenas moléculas (meros) , dando or igem a

macromoléculas po l imér icas . As pro te ínas são um dos pr inc ipa is exemplos de

po l ímeros onde encont ramos esse t ipo de l igação . Pequenos aminoác idos se

unem formando pept ídeos que se por sua vez unem formando pol ipept íd ios e

pro te ínas . Devido a esse fa to , em b ioquímica , esse t ipo de l igação amida é

mais comumente conhec ido como l igação pept íd ica .

C

O

N

F i g u r a 2 . 7 : G r u p a m e n t o a m i d a

2.1.8. Éter

O grupamento é te r é def in ido quando o á tomo de oxigênio possu i do is

l igantes carbônicos . Uma conseqüência in te ressan te desse fa to é que não

ocor re a formação de l igações de h idrogênio nesse oxigênio [25] . A função

química é te r é de te rminada por es te grupamento e seus compos tos são pouco

rea t ivos .

O

F i g u r a 2 . 8 : G r u p a m e n t o é t e r


2.1.9. Epóxido

O grupamento epóxido é um é te r c íc l ico . Os epóxidos , ou oxi ranos , são ,

d i fe ren temente dos é te res , bas tan te rea t ivos , p r inc ipa lmente devido à for te

tensão no ane l .

C C

O

F i g u r a 2 . 9 : G r u p a m e n t o e p ó x i d o

2.1.10. Imino

O á tomo de n i t rogênio fazendo uma dupla l igação é o que carac te r iza o

grupamento imino . Esse grupo def ine a função química imina , que é um

der ivado de compos tos que contém carboni la .

NC

F i g u r a 2 . 1 0 : G r u p a m e n t o i m i n o

2.1.11. Sulfidrila

A su l f id r i la é carac te r izada por um á tomo de enxofre l igado a um á tomo

de h idrogênio . A função química de te rminada por esse grupo é a função t io l .

Exis te cer ta semelhança na qu ímica dos t ió i s ( também conhec idos como

mercaptanas) e dos á lcoois , j á que o enxofre e o ox igênio per tencem ao sex to

grupo da tabe la per iód ica e por tan to possuem a mesma conf iguração e le t rôn ica

da camada ex te rna . Ent re tan to , há também inúmeras d i fe renças . Dent re e las

podemos c i ta r a formação es táve l de compos tos su l furados conhec idos como

d issu l fe tos (R−S−S−R), o que gera lmente não ocor re com os peróxidos

(R−O−O−R) pois a l igação en t re os á tomos de ox igênio é cons iderave lmente


mais f raca que a l igação en t re os á tomos de enxofre . Essa es tab i l idade dos

d i ssu l fe tos é um fa tor mui to impor tan te na es t ru tura de pro te ínas , podendo

ex is t i r a formação de pontes d i ssu l fe to en t re aminoác idos su l furados

(c i s te ínas) .

SH

F i g u r a 2 . 1 1 : G r u p a m e n t o s u l f i d r i l a

2.2. Enzimas: estrutura

Enz imas são pro te ínas que tem a capac idade de ca ta l i sa r reações

metaból icas dos se res v ivos e por i s so são essenc ia i s para a v ida . Nes ta seção

vamos abordar a cons t i tu ição e a es t ru tura das pro te ínas em gera l . Na seção

2 .3 i remos d iscu t i r a ques tão de c iné t ica enz imát ica .

2.2.1. Aminoácidos e peptídios

Aminoác idos são pequenas moléculas que tem cer tas carac te r í s t icas

espec ia i s , den t re as qua is a capac idade de po l imer ização . I sso se deve ao fa to

de que essas moléculas possuem nas ex t remidades do is grupos func iona is : um

grupamento amino (−NH 2 ) e uma carboxi la (−COOH), que , como v imos na

seção 2 .1 .7 , podem reagi r formando uma l igação C−N do t ipo amida e que

nesse caso também é chamada de l igação pept íd ica . Um pept ídeo é a un ião de

a lguns poucos aminoác idos e a un ião des tes formam os po l ipept íd ios e

pro te ínas . Exis tem também aminoác idos e der ivados que não são cons t i tu in tes

das pro te ínas e possuem a lguma out ra função b io lógica . Como exemplos

podemos c i ta r a lguns an t ib ió t icos e hormônios .

A es t ru tura gera l de um aminoác ido pode ser v i s ta na F igura 2 .12 . Exis te

um carbono cent ra l conhec ido como carbono a l fa (C α ) . L igados a es te carbono

ex is tem um hidrogênio , os grupamentos amínico e carboxí l ico e uma cade ia

la te ra l “R” , que d i fe renc ia cada aminoác ido e confere a e les ident idades e

carac te r í s t icas d i s t in tas . A Figura 2 .13 mos t ra os v in te t ipos de aminoác idos

usua lmente encont rados em pro te ínas . O carbono cent ra l normalmente tem


quat ro l igan tes d i s t in tos e por tan to também possu i a t iv idade ó t ica . Os

aminoác idos b io logicamente a t ivos possuem conf iguração ó t ica levógi ra (L-

aminoác idos)

H

C

R

COOHNH2 OO

H

C

R

CNH3+(a) (b)

αα

F i g u r a 2 . 1 2 : E s t r u t u r a g e r a l d e u m a m i n o á c i d o : ( a ) e m v á c u o e ( b ) zw i t e r i ô n i c o

A p o l a r e s

NH2

CH

CH2

CH

O

CCH3

CH3

OH

NH

CH

CH2

CH2

CH2

C

O

OH

L e u c i n a ( L e u ) P r o l i n a ( P r o )

NH2

CH C

O

CH3 OH

NH2

CH

CH

CH3

O

C

CH3

OH

A l a n i n a ( A l a ) V a l i n e ( V a l )

NH2

CH C

O

CH2

CH2

SCH3

OH

NH2

CH

CH2

O

C

CHNH

CH

CH

CH

CH

OH

M e t i o n i n a ( M e t ) T r i p t o f a n o ( T r p )

NH2

CH

CH2

O

C

CH

CH

CH

CH

CH

OH

NH2

CH

CH

CH2

O

CCH3

CH3

OH

F e n i l a l a n i n a ( P h e ) I s o l e u c i n a ( I l e )

F i g u r a 2 . 1 3 : O s v i n t e t i p o s d e a m i n o á c i d o s e n c o n t r a d o s e m p r o t e í n a s

E N Z I M A S : E S T R U T U R A 2-9

P o l a r e s

NH2

CH C

O

H OH

NH2

CH

CH2

OH

O

C OH

G l i c i n a ( G l y ) S e r i n a ( S e r )

NH2

CH C

O

CH2

O

NH2

OH

NH2

CH C

O

CH2

CH2

O

NH2

OH

A s p a r a g i n a ( A s n ) G l u t a m i n a ( G l n )

CH

CH C

CH3

O

NH2

OH

OH

CH C

O

CH2

SH

NH2

OH

T r e o n i n a ( T h r ) C i s t e í n a ( C y s )

NH2

CH

CH2

O

C

CH

CH

CH

CH

OH

OH

NH2

CH C

O

CH2

N

CHCH

NH

OH

T i r o s i n a ( T y r ) H i s t i d i n a ( H i s )

B á s i c o s

CH C

O

CH2

CH2

CH2

CH2

NH2

NH2

OH

CH C

O

CH2

CH2

CH2

NH

NH

NH2

NH2

OH

L i s i n a ( L y s ) A r g i n i n a ( A r g )


Á c i d o s

NH2

CH C

O

CH2

O

OH

OH

CH C

O

CH2

CH2

O

OH

NH2

OH

Á c i d o A s p á r t i c o ( A s p ) Á c i d o G l u t â m i c o ( G l u )

Na seção an te r ior v imos que tan to os grupamentos amínicos como os

carboxí l icos podem es ta r car regados quando em so lução aquosa , ou se ja , o

grupo amino na forma −NH 3+ e a carboxi la na forma −COO − . Um aminoác ido

i so lado possu i ambos grupamentos e sendo ass im, sob cer tas condições de pH,

pode apresen ta r separação de cargas com neut ra l idade e lé t r ica . Essa forma é

conhec ida como forma zwi ter iôn ica (F igura 2 .12 (b) ) . Também pode acontecer

da molécula , mesmo em so lução aquosa , permanecer neut ra sem separação de

cargas e por tan to es ta r na conf iguração encont rada em vácuo (F igura 2 .12 (a ) ) .

Os aminoác idos possuem então pe lo menos dois h idrogênios que podem

se d i ssoc ia r , podendo haver mais h idrogênios d i ssoc iáve is nas cade ias la te ra i s

(grupo R) . Com isso es tas moléculas podem assumir d iversos es tados de carga

dependendo do ambiente qu ímico em que se encont ram.

Podemos ana l i sa r o que ocor re numa so lução aquosa de um aminoác ido

que não possu i h idrogênios d i ssoc iáve is nas cade ias la te ra i s . Exis tem então

apenas do is h idrogênios que podem se d i ssoc ia r da molécula , loca l izados nos

te rmina is amínico e carboxí l ico . In ic ia lmente , o pH da so lução é bem ba ixo . O

meio es tá ác ido e ambos grupamentos es tão pro tonados (−COOH e −NH 3+ ) .

Nesse es tado por tan to a molécula possu i carga to ta l pos i t iva . À medida que se

e leva o pH da so lução (com a ad ição de h idróxido , por exemplo) , percebemos a

d i ssoc iação do h idrogênio da carboxi la . A molécula de aminoác ido resu l tan te

dessa reação é neut ra , porém apresentando separação de cargas ( forma

zwi te r iôn ica) , j á que agora a carboxi la se encont ra na forma −COO − e o grupo

amino na forma −NH 3+ . Cont inuando a e levar o pH da so lução , temos também a

d issoc iação do h idrogênio do grupamento amínico , que en tão se a l te ra para a


forma neut ra −NH 2 . A molécula agora possu i uma carga g loba l nega t iva . Esses

t rês es tados de carga es tão esquemat izados na F igura 2 .14 .

C H

R

NH3+

C

C H

R

NH3+

COOH OO

C H

R

NH2

CH+

H+

OO

(a) (b) (c)

F i g u r a 2 . 1 4 : O s t r ê s p o s s í v e i s e s t a d o s d e c a r g a d e u m a m i n o á c i d o s e m i o n i za ç ã o d e

c a d e i a s l a t e r a i s : ( a ) f o r m a c a t i ô n i c a , ( b ) zw i t e r i ô n i c a e ( c ) a n i ô n i c a

Podemos escrever essas reações e suas cons tan tes , denotando por AA + ,

AA 0 e AA − os t rês es tados de carga que o aminoác ido pode assumir .

A reação re fe ren te à pr imei ra d i ssoc iação (carboxi la ) é

++ +←→ HAAAA 0

e a sua cons tan te K 1 é escr i ta como

]AA[]H][AA[ 0

1 +

+

=K

A segunda reação , re fe ren te à ou t ra d i ssoc iação (grupo amino) , é dada

pe la expressão

+− +←→ HAAAA0

e a cons tan te K 2 pode ser escr i ta como

]AA[]H][AA[

02

+−

=K

( 2 . 1 )

( 2 . 2 )


É poss íve l ob te r exper imenta lmente os va lores das cons tan tes de reação 1

K 1 e K 2 e de te rminar ass im os pK a2 dos aminoác idos . Da mesma forma também

podemos de te rminar as cons tan tes de d i ssoc iação de á tomos de h idrogênio

presen tes em cade ias la te ra i s (R) e por conseguin te o pK a cor respondente . Os

va lores de pK a dos aminoác idos mais comuns es tão most rados na Tabela 2 .1 .

T a b e l a 2 . 1 : V a l o r e s d e pKa d o s a m i n o á c i d o s m a i s c o m u n s [ 2 7 ]

p K a

A m i n o á c i d o − C O O H − N H 3+ g r u p o R

Á c i d o A s p á r t i c o 2.1 9 .8 3 .9 Á c i d o G l u t â m i c o 2.2 9 .7 4 .3

A l a n i n a 2.4 9 .7 - A r g i n i n a 2.2 9 .0 12 .5

A s p a r a g i n a 2.0 8 .8 - C i s t e í n a 1.7 10 .8 8 .3

F e n i l a l a n i n a 1.8 9 .1 - G l u t a m i n a 2.2 9 .1 -

G l i c i n a 2.3 9 .6 - H i s t i d i n a 1.8 9 .2 6 .0

I s o l e u c i n a 2.4 9 .7 - L e u c i n a 2.4 9 .6 - L i s i n a 2.2 9 .0 10 .5

M e t i o n i n a 2.3 9 .2 - P r o l i n a 2.1 10 .6 - S e r i n a 2.2 9 .2 ≈13

T r e o n i n a 2.6 10 .4 ≈13 T r i p t o f a n o 2.4 9 .4 -

T i r o s i n a 2.2 9 .1 10 .1 V a l i n a 2.3 9 .6 -

Como podemos ver i f icar , os aminoác idos que não possuem cade ias

la te ra i s com hidrogênio d i ssoc iáve l es tão em grande par te na forma

zwi te r iôn ica em so lução aquosa a pH f i s io lógico (pH 7) . Contudo, é bom

lembrar que mesmo nessas condições , pode ocor re r que a lgumas moléculas 1 A t r a v é s d a c o n s t r u ç ã o d e u ma c u r v a d e t i t u l a ç ã o 2 p K a é d e f i n i d o c o mo s e n d o − l o g 1 0 K a


permaneçam na conf iguração de vácuo . Exis tem d iversos es tudos que d iscu tem

esse t ipo de compor tamento nos aminoác idos e pro te ínas [9] [28] [29] [30] .

2.2.2. Proteínas

P ro te ínas são moléculas compos tas por um ou mais po l ipept íd ios . Es tes

são pol ímeros l ineares (não ramif icados) de aminoác idos un idos por l igações

pept íd icas . As pro te ínas são s in te t izadas dent ro das cé lu las de um modo bem

engenhoso . De manei ra bem resumida , podemos descrever como é esse

processo 1. Pr imei ramente há a le i tu ra de um segmento de DNA, molécula onde

f icam codi f icadas todas as in formações gené t icas dos se res v ivos , e

es tabe lec ida a seqüência de bases de nucleo t ídeos do gene a se r expresso . Toda

a in formação é a rmazenada num t ipo espec í f ico de molécula mensage i ra

chamada mRNA. Essa fase de le i tu ra do DNA e a rmazenamento de informações

é conhec ida como t ranscr ição . Acontece então a fase de le i tu ra da f i t a de

mRNA e o in íc io da s ín tese de po l ipept íd ios . Em seres mais complexos , ex is te

uma fase de preparação da molécula de mRNA antes que es ta se ja l ida . Cada

conjunto de t rês bases n i t rogenadas do mRNA é capaz de ident i f icar um

aminoác ido espec í f ico . À medida que ocor re essa le i tu ra , uma molécula

espec ia l de t ranspor te de aminoác idos conhec ida por tRNA ident i f ica esse

conjunto de t rês bases e t ranspor ta o aminoác ido cor respondente , conec tando-o

a t ravés de uma l igação pept íd ica ao res tan te da cade ia . Essa fase de cons t rução

dos pept ídeos é chamada de t radução .

A conformação f ina l de uma pro te ína é a lgo bem espec í f ico . Fazer uma

prev isão dessa es t ru tura com base apenas na seqüência de aminoác idos é a inda

um problema mui to complexo [32] . Uma pro te ína pode conter cen tenas e

cen tenas de res íduos por cade ia po l ipept íd ica , o que to rna rea lmente mui to

d i f íc i l p rever a conformação b io logicamente a t iva .

Vamos o lhar a lgumas carac te r í s t icas da l igação pept íd ica . O te rmo

“backbone” de uma pro te ína cons is te na repe t ição da seqüência −N−C α −C− ,

onde N é o n i t rogênio da amida , C α é o carbono cent ra l dos aminoác idos e C é 1 P a r a ma i o r e s i n f o r ma ç õ e s s o b r e s í n t e s e p r o t é i c a , c o n s u l t a r a s r e f e r ê n c i a s [ 2 7 ] e [ 3 1 ]


o carbono da carboni la que es tá conec tado ao N da amida do próximo

aminoác ido . Em pr inc íp io , no backbone , t emos t rês l igações s imples que

possuem ro tação l iv re , N−C α , C α −C e C−N (Figura 2 .15 (a ) ) , observando que

ex is te uma l igação dupla na carboni la (C=O). Essa representação não es tá de

acordo com os fa tos po is é sab ido que não há ro tação em torno da l igação

C−N. Exis te uma forma ressonante em que a l igação en t re C e N possu i cará te r

de l igação dupla (C=N), de ixando um e lé t ron l ivre no oxigênio (F igura 2 .15

(b) ) que passa a fazer uma l igação s imples com o carbono (C−O). Desse modo

a l igação C=N não te r ia a poss ib i l idade de ro tac ionar . I s so também não

acontece de fa to po is ex is t i r ia uma separação de cargas mui to grande nessa

reg ião . O que ocor re é um es tado in te rmediár io en t re as duas formas

ressonantes mencionadas ac ima (F igura 2 .15 (c ) ) e i s so t raz conseqüências

impor tan tes no cará te r es t ru tura l .

C N

H

C

C

O

C N

H

C

C

O

C N+

H

C

C

O

α

α

α

α

α

α(a) (b) (c)

δ+

-δ

F i g u r a 2 . 1 5 : E s t r u t u r a e l e t r ô n i c a d o backbone : ( ( a ) e ( b ) ) f o r m a s r e s s o n a n t e s e ( c )

f o r m a i n t e r m e d i á r i a

Para ten ta r fac i l i t a r o en tendimento do problema conformaciona l , são

def in idos a lguns n íve is de es t ru tura que são most rados aba ixo . Es tes n íve is

d iv idem em ca tegor ias os t ipos de organização es t ru tura l das pro te ínas .

• Est ru tura Pr imár ia : É a seqüênc ia de aminoác idos de uma pro te ína . Por

exemplo : −Lys−Glu−Thr−Ala−Ala−Ala−Lys−Phe− ;

• Est ru tura Secundár ia : Os aminoác idos ad jacentes podem in te rag i r e se

conec ta r por l igações de h idrogênio , formando nas f i t as de pept ídeos um

cer to t ipo bem carac te r í s t ico de es t ru tura . Esses padrões são conhec idos

por es t ru turas regulares e o conjunto dessas es t ru turas é a es t ru tura

secundár ia de uma pro te ína . Os dois exemplos mais comum de es t ru turas

regulares são a α -hé l ice e a fo lha β , que podem ser v i s tos em des taque

na F igura 2 .16 (b) ;


• Est ru tura Terc iá r ia : A in te ração en t re as es t ru turas regulares das cade ias

po l ipept íd icas leva uma es t ru tura t r id imens iona l mais bem def in ida . Es ta

es t ru tura é conhec ida como es t ru tura te rc iá r ia . Bas icamente ex is tem dois

t ipos de forma t r id imens iona l que as pro te ínas podem assumir . As

pro te ínas f ib rosas , que tem um papel es t ru tura l nas cé lu las , possuem as

cade ias po l ipept íd icas organizadas para le lamente ao longo de um e ixo ,

p roduzindo tan to longas f ib ras como la rgas fo lhas . Já as pro te ínas

g lobulares , que são a grande maior ia e desempenham diversas funções ,

são aque las que se empacotam e tem formas aproximadamente es fé r icas .

Essa forma pode ser en tendida já que as pro te ínas g lobulares ex is tem na

maior ia dos casos em so lução aquosa . Exemplos de es t ru tura te rc iá r ia de

pro te ínas f ib rosas e g lobulares podem ser v i s tos na F igura 2 .16 ;

• Est ru tura Quaternár ia : Exis tem mui tas pro te ínas que são cons t i tu ídas por

duas ou mais cade ias po l ipept íd icas , cade ias essas que já possuem uma

es t ru tura te rc iá r ia def in ida . A in te ração en t re essas cade ias , t ambém

conhec idas como subunidades , é a es t ru tura qua te rnár ia .

F i g u r a 2 . 1 6 : E x e m p l o d e ( a ) p r o t e í n a f i b r o s a ( f i b r a d e c o l á g e n o [ 3 3 ] ) e ( b ) g l o b u l a r

( f l a v o d o x i n a [ 3 4 ] ) . A t o n a l i d a d e i n d i c a o t i p o d e e s t r u t u r a s e c u n d á r i a .

(a ) (b)


As in te rações envolv idas na conformação f ina l das pro te ínas são de

or igem não cova len te . Apenas a es t ru tura pr imár ia é def in ida pe la l igação

covalen te en t re os aminoác idos . As forças envolv idas na organização das

demais es t ru turas são l igações de h idrogênio , in te rações h idrofóbicas ,

in te rações e le t ros tá t icas e forças de van der Waals . Exis tem contudo a lguns

t ipos de pro te ínas que es tab i l izam a es t ru tura te rc iá r ia formando pontes

d i ssu l fe to en t re os res íduos de c i s te ína , como é c i tado na seção 2 .1 .11 .

As pro te ínas possuem inúmeras funções d i fe ren tes , mas a grande maior ia

de las tem a função enz imát ica .

2.2.3. Enzimas

Como v imos , enz imas são uma c lasse de pro te ínas que desempenham um

pape l fundamenta l no metabol i smo. Elas possuem capac idade ca ta l í t i ca

podendo ace le ra r mui to a ve loc idade das reações b ioquímicas e por i s so são

ca ta l i sadores b io lógicos . Em uma reação desse t ipo , os reagentes , t ambém

conhec idos por subs t ra tos , in te ragem com a enz ima t ransformando-se em

produtos e ass im l iberando o ca ta l i sador para ou t ra in te ração . Es ta in te ração

do subs t ra to com a enz ima ocor re numa reg ião bem espec í f ica , conhec ida como

s í t io a t ivo .

O s í t io a t ivo é uma porção re la t ivamente pequena da enz ima. Ele tem

uma es t ru tura bem de te rminada que é normalmente um pouco mais r íg ida que o

res tan te da molécula . Essa es t ru tura é uma carac te r í s t ica fundamenta l para

de te rminar o reconhec imento mútuo en t re enz ima e subs t ra tos . Podemos fazer

uma ana logia com um s i s tema de chave e fechadura , em que para func ionar

cor re tamente deve ex is t i r compat ib i l idade .

As enz imas se c lass i f icam essenc ia lmente quanto ao t ipo de reação que

ca ta l i sam. Exis tem se i s c lasses pr inc ipa is que depois se d iv idem em mui tas

ou t ras .

Uma enz ima pode ser carac te r izada bas icamente por t rês fa tores : poder

ca ta l í t i co , regulação e espec i f ic idade .


• Poder ca ta l í t i co : é a re lação en t re as cons tan tes de ve loc idade da reação

ca ta l i sada e da reação não ca ta l i sada . Valores do poder ca ta l í t i co podem

ser números ex t remamente grandes , ind icando que as enz imas podem

ampl i f icar mui to as a ve loc idades das reações .

• Regulação: é o conjunto dos d iversos fa tores que a fe tam o

func ionamento enz imát ico . Esses fa tores são mui tos e var iam desde a

quant idade enz imát ica produzida a té a in te ração das enz imas com

moléculas a t ivadoras ou in ib idoras de a t iv idade . Dois fa tores mui to

impor tan tes na a t iv idade são o pH do meio e a tempera tura e se rão

d iscu t idos a segui r .

• Espec i f ic idade : represen ta a se le t iv idade de uma enz ima tan to em

re lação aos subs t ra tos com os qua is e la in te rage quanto em re lação a

reação que e la ca ta l i sa . A es t ru tura do s í t io a t ivo é uma peça

fundamenta l na espec i f ic idade .

2.3. Enzimas: cinética

Mesmo que uma reação química se ja energe t icamente favoráve l , e la pode

não ocor re r ou ser ex t remamente len ta devido a uma a l ta bar re i ra de energ ia de

a t ivação , sendo ass im c ine t icamente pro ib ida . As enz imas d iminuem essa

bar re i ra de energ ia fazendo com que essas reações se to rnem viáve is e mui tas

vezes mais ráp idas (F igura 2 .17) .

2.3.1. Cinética química

Antes de começarmos o es tudo de c iné t ica de reações ca ta l i sadas por

enz imas , é in te ressan te ana l i sa r resumidamente os conce i tos bás icos de

c iné t ica qu ímica gera l [35] .

Cons ideremos a reação e lementar e i r revers íve l

PR →

Podemos expressar a ve loc idade v dessa reação como a quant idade de

produtos (P) formados ou a quant idade de reagentes (R) consumidos por


unidade de tempo e re lac ionar a ve loc idade v com a concent ração . Essa re lação

é de te rminada exper imenta lmente e é conhec ida como le i de ve loc idade

(Equação (2 .3) ) . A cons tan te de proporc iona l idade k que conec ta os do is

membros da equação é chamada de cons tan te de ve loc idade .

]R[]R[]P[ kdt

ddt

dv =−==

A ordem de um reagente numa reação é def in ida como o seu expoente na

le i de ve loc idade . A ordem globa l da reação é dada pe la soma das ordens de

cada regente envolv ido . Um out ro conce i to é o de molecular idade , que es tá

re lac ionado com o número de moléculas de reagente que in te ragem ent re s i

duran te o processo . No exemplo ac ima temos uma reação unimolecular de

pr imei ra ordem.

Podemos reso lver (2 .3) fac i lmente para es te exemplo . A so lução da

equação é dada por

kte−= 0]R[]R[

com [R ] 0 sendo a concent ração de R no ins tan te t=0.

Olhando para a equação (2 .4) , vemos que a concent ração de R deca i

exponencia lmente com o tempo a par t i r do va lor in ic ia l [R]0 . Essa expressão

pode ser l inear izada , tomando a forma

kt−= 0]Rln[]Rln[

Fazendo medidas de concent ração ao logo do tempo, é poss íve l t raçar

uma re ta u t i l i zando a expressão (2 .5) e ob te r o va lor exper imenta l de k .

Podemos cons t ru i r um d iagrama de energ ia l iv re para essa reação . O

es tado in ic ia l é dado pe la energ ia l iv re média dos reagentes e o es tado f ina l é

def in ido pe la energ ia l iv re média dos produtos . Para ocor re r a reação , par te

das moléculas de reagente adqui re uma cer ta quant idade de energ ia to rnando-

se rea t ivas e a t ing indo um es tado in te rmediár io conhec ido como es tado de

t rans ição ou complexo a t ivado . Esse es tado cor responde ao máximo da curva

de energ ia . O d iagrama de energ ia l iv re é mos t rado na F igura 2 .17 . Quando a

molécula es tá no es tado de t rans ição , e la pode ou deca i r para formar produtos

( 2 . 3 )

( 2 . 4 )

( 2 . 5 )

E N Z I M A S : C I N É T I C A 2-19

ou re laxar de vo l ta para reagentes . A a l tu ra do p ico de energ ia , ou se ja , a

d i fe rença de energ ia en t re o es tado de t rans ição e os reagentes , é conhec ida

como energ ia l iv re de a t ivação .

F i g u r a 2 . 1 7 : D i a g r a m a d e e n e r g i a l i v r e

Os ca ta l i sadores são subs tânc ias que par t ic ipam do processo de reação

a l te rando seu mecanismo para que ha ja uma redução na a l tu ra da bar re i ra de

energ ia de a t ivação (F igura 2 .17) . Com isso temos um aumento s ign i f ica t ivo na

ve loc idade da reação . Apesar de par t ic iparem do processo , os ca ta l i sadores não

são consumidos , sendo en tão regenerados após cada c ic lo .

2.3.2. Cinética de reações enzimáticas

Vamos agora ana l i sa r a c iné t ica de reações ca ta l i sadas por enz imas . Esse

t ipo de reação possu i uma c iné t ica mui to par t icu la r . No caso an te r ior , a l e i de

ve loc idade da reação e ra uma re ta . No caso da c iné t ica enz imát ica , a l e i de

ve loc idade é mais complexa e sua expressão a inda não é bem conhec ida .

Contudo , o compor tamento exper imenta l da curva é bem es tabe lec ido .


Uma le i de ve loc idade para reações enz imát icas fo i p ropos ta por L .

Michae l i s e M. L . Menten [36] . Es ta le i e ra cons is ten te com os resu l tados

exper imenta i s e e ra baseada na formação de um complexo a t ivado en t re enz ima

e subs t ra to .

PEESSE 2

1

1

+→←→+

−

k

k

k

Para se chegar à equação de Michae l i s -Menten , é necessár io assumir

duas condições . A pr imei ra é a h ipótese de es tado es tac ionár io . Essa

propos ição assume que a formação e a d i ssoc iação do complexo a t ivado ES

possuem ve loc idades equiva len tes , de forma que

0]ES[ =dt

d

A segunda é a h ipó tese de ve loc idade in ic ia l . Es ta s impl i f icação ignora a

reação de formação do complexo a t ivado ES a par t i r de E+P. I sso se jus t i f ica

já que no in íc io , a concent ração de P é mui to pequena e a reação de vo l ta é

proporc iona l a es ta concent ração .

É in te ressan te def in i r a cons tan te K m , que é conhec ida por cons tan te de

Michae l i s . E la é def in ida como

1

21 )(k

kkKm+= −

Ut i l i zando os conce i tos ac ima, é mui to s imples chegar a equação de

Michae l i s -Menten [27] , que é dada pe la expressão

]S[]S[max

+=

mKVv

em que V m a x é def in ido como sendo

]E[])ES[]E([ total22max kkV =+=

V m a x pode ser in te rpre tada como a ve loc idade máxima que uma reação

enz imát ica pode a t ing i r . I s so acontece quando a concent ração de subs t ra to é

grande o suf ic ien te para sa turar todas as moléculas de enz imas do s i s tema.

( 2 . 6 )

( 2 . 7 )

( 2 . 8 )

( 2 . 9 )


Podemos in te rpre ta r a cons tan te K m de uma forma mais operac iona l . E la

pode ser en tendida como a concent ração de subs t ra to [S] em que a ve loc idade

da reação é a metade da ve loc idade máxima, ou se ja quando

2maxVv =

então

mK=]S[

I sso pode ser ver i f icado subs t i tu indo (2 .10) na equação (2 .8) .

A curva descr i ta pe la equação (2 .8) é uma h ipérbole e se a jus ta mui to

bem aos resu l tados exper imenta i s . No en tan to , para se de te rminar os

parâmet ros exper imenta i s K m e V m a x , é in te ressan te rea l izar a l inear ização

dessa equação . Exis tem d iversas formas de se e fe tuar essa operação . Uma

dessas manei ras é a l inear ização de Lineweaver -Burk [37] (F igura 2 .18) . Sua

expressão pode ser fac i lmente ob t ida tomando o inverso dos do is membros de

(2 .8)

maxmaxmax

1]S[

1]S[]S[1

VVK

VK

vmm +

=+=

F i g u r a 2 . 1 8 : G r á f i c o d e L i n e w e a v e r - B u r k

( 2 . 1 0 )

( 2 . 1 1 )

( 2 . 1 2 )


Também é usua l def in i r ou t ra cons tan te , k c a t , chamada de número de

turnover . Essa cons tan te represen ta uma medida da a t iv idade ca ta l í t i ca máxima

de uma enz ima e por i s so também é chamada de at iv idade molecular . E la é

def in ida como sendo o número de moléculas de subs t ra to conver t idas em

produtos por molécula de enz ima por un idade de tempo quando a enz ima es tá

sa turada com subs t ra to . E la pode ser fac i lmente ob t ida no caso em que a

equação de Michae l i s -Menten é va l ida . Quando temos sa turação de subs t ra to ,

pe las equações (2 .8) e (2 .9) , t emos

]E[ total2max kVv ==

cattotal

max2 ]E[

kVk ==

Contudo , sob condições f i s io lógicas , as concent rações de subs t ra to são

mui to ba ixas e d i f ic i lmente ex is te a sa turação da enz ima. Para se ob te r uma

medida da a t iv idade ca ta l í t i ca enz imát ica nessas condições , é u t i l i zada a razão

mKkcat

Exis tem inúmeros fa tores que podem a l te ra r a ve loc idade de uma reação

enz imát ica . Como v is to an te r iormente , o conjunto desses fa tores formam a

regulação da enz ima. Dois fa tores mui to impor tan tes que a l te ram a a t iv idade

são o pH e a tempera tura .

A a t iv idade enz imát ica e o reconhec imento de subs t ra tos são

ex t remamente dependentes do pH do meio na maior ia dos casos . Como já

v imos , os aminoác idos são sens íve is a var iações de pH e i s so é de te rminante

na es t ru tura f ina l das pro te ínas . Qualquer modi f icação es t ru tura l ,

p r inc ipa lmente no s í t io a t ivo pode a l te ra r o func ionamento das enz imas . Out ra

ques tão é que a té mesmo os subs t ra tos podem possu i r g rupos ion izáve is e uma

forma iôn ica pode te r p re ferênc ia sobre a ou t ra na in te ração com a enz ima. Em

gera l as enz imas possuem a t iv idade somente em um in te rva lo espec í f ico de pH,

possu indo a inda um pH idea l onde sua a t iv idade é máxima (F igura 2 .19) .

( 2 . 1 3 )

( 2 . 1 4 )


F i g u r a 2 . 1 9 : E f e i t o d o p H n a a t i v i d a d e e n z i m á t i c a [ 2 7 ]

A tempera tura possu i do is e fe i tos pr inc ipa is sobre as reações ca ta l i sadas

por enz imas . O pr imei ro é o aumento na tura l da ve loc idade das reações com a

e levação da tempera tura . É empir icamente conhec ido que cada aumento de

10ºC na tempera tura leva a uma dupl icação da ve loc idade da reação [35] . O

segundo efe i to é que quando é a t ing ida uma de te rminada tempera tura , a

p ro te ína se desna tura , ou se ja , perde sua es t ru tura na t iva e i s so resu l ta em um

decrésc imo de a t iv idade . A comparação en t re a es t ru tura na t iva e a es t ru tura

desna turada de uma pro te ína é i lus t rada na F igura 2 .20 . Os e fe i tos da

tempera tura na a t iv idade enz imát ica podem ser v i s tos na F igura 2 .21 .

F i g u r a 2 . 2 0 : F o r m a s ( a ) n a t i v a e ( b ) d e s n a t u r a d a d e u m a p r o t e í n a [ 3 8 ]

(a ) (b)


F i g u r a 2 . 2 1 : E f e i t o d a t e m p e r a t u r a n a a t i v i d a d e e n z i m á t i c a [ 2 7 ]

2.4. Inibidores enzimáticos

Exis tem d iversos t ipos de moléculas que podem a l te ra r a a t iv idade das

enz imas e a c iné t ica de suas reações . In ib idores são compos tos que d iminuem a

a t iv idade enz imát ica , enquanto que os a t ivadores a aumentam. Nes ta seção

i remos apresen ta r os e fe i tos dos in ib idores nas reações ca ta l i sadas por

enz imas .

In ib idores enz imát icos são moléculas mui to es tudadas nos d ias de ho je ,

p r inc ipa lmente por possu í rem um potenc ia l mui to grande de ap l icação como

fá rmacos . A indús t r ia fa rmacêut ica inves te mui to na descober ta e no

desenvolv imento de novas moléculas com propr iedades in ib i tór ias .

Os in ib idores enz imát icos podem ser separados em duas c lasses de

acordo com a na tureza da in te ração des tes com a enz ima. Os in ib idores

revers íve is são aque les que formam exc lus ivamente l igações de cará te r não-

covalen te ( l igações de h idrogênio , por exemplo) enquanto que os in ib idores

i r revers íve is possuem, a lém desse t ipo de l igação , uma assoc iação cova len te

com a enz ima.

Os in ib idores revers íve is a inda podem ser d iv id idos em compet i t ivos ou

não-compet i t ivos . Os compet i t ivos são aque les que competem com o subs t ra to


pelo mesmo s í t io a t ivo (chamado de s í t io de l igação S ) . Dessa forma, ex is te

uma dependência da a f in idade da enz ima pe lo subs t ra to com a concent ração

des te . Temos en tão que

PEESSE 2

1

1

+→←→+

−

k

k

k

EIIE3

3

←→+

−k

k

Como tan to subs t ra to como in ib idor in te ragem no mesmo s í t io , não é

poss íve l a formação do complexo IES. Uma out ra conseqüência desse fa to é

que ambos devem te r uma grande s imi la r idade es t ru tura l .

Podemos também obter uma expressão para a le i de ve loc idade

incorporando o e fe i to do in ib idor ao que fo i fe i to an te r iormente . Temos en tão

que

]S[]I[1

]S[

I

max

+

+

=

KK

Vv

m

, 3

3I k

kK −=

Notamos que na ausênc ia de in ib idor , a equação (2 .15) se t ransforma em

(2 .8) . O te rmo ad ic iona l que mul t ip l ica a cons tan te K m no denominador faz

com que o tempo para se a t ing i r V m a x (que nesse caso não é a l te rado) se ja

maior e pode ser cons iderado um va lor aparen te de K m maior que o rea l .

Os ou t ros t ipos in ib idores revers íve is são os não-compet i t ivos . Es tes

in ib idores a tuam em s í t ios d i fe ren tes do s í t io S dos subs t ra tos , podendo en tão

in te rag i r t an to com a enz ima E como com o complexo ES. As reações poss íve is

para o in ib idor são en tão

EIIE3

3

←→+

−k

k

IESIES'

3

'3

←→+

−k

k,

3

3I k

kK −= '3

'3'

I kkK −=

A in ib ição não-compet i t iva pode ser pura ou mis ta . Na in ib ição pura , a

l igação do in ib idor à enz ima não a fe ta a l igação do subs t ra to , enquanto que na

mis ta , a l igação do in ib idor in f luenc ia a l igação do subs t ra to na enz ima. No

caso puro temos que I'I KK = e a l e i de ve loc idade é

( 2 . 1 5 )


])S[(]I[1

]S[

I

max

+

+

=

mKK

Vv

No caso mis to , I'I KK ≠ . e a l e i de ve loc idade tem a expressão

++

+

=]S[]I[1]I[1

]S[

'II

max

KK

K

Vv

m

Uma co isa que é in te ressan te no tar é que no caso puro , apenas V m a x é

a l te rado , não havendo modi f icação no va lor de K m . I s so não ocor re no caso

mis to , em que tan to K m como V m a x são modi f icados em re lação ao va lor rea l ,

ou se ja , ex is te um va lor aparen te para essas cons tan tes . Podemos também

observar que se I'I KK = em (2 .17) , es ta se t ransforma na equação (2 .16) .

Exis tem a inda os in ib idores i r revers íve is , que rea l izam uma l igação

cova len te es táve l com a enz ima, inu t i l izando-a . O efe i to g loba l desse t ipo de

in ib ição é por tan to uma gradua l d iminuição na quant idade de enz ima a t iva . O

padrão para a ve loc idade da reação observado é semelhante ao caso de in ib ição

revers íve l não-compet i t iva pura , mas com uma d iminuição da a t iv idade ao

longo do tempo.

( 2 . 1 6 )

( 2 . 1 7 )

2. conceitos de bioquÍmica e quÍmica orgÂnica

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