livro introd. carboid.

SumárioLigações.............................................................................2

A. Hibridização de orbitais e ligações químicas.............2

B. Ressonância...................................................................2

Estrutura molecular...........................................................4

A. Representações das moléculas......................................4

B. Comprimento e ângulo das ligações..............................4

C. Polaridade da ligação.....................................................4

D. Ligações de hidrogênio..................................................4

Isomerismo........................................................................6

A. Isômeros cis-trans (geométricos)..................................6

B. Conformação.................................................................6

C. Isômeros óticos..............................................................6

D. A reação da aconitase...................................................6

Biomoléculas I....................................................................8

A. Importantes classes de compostos................................8

Biomoléculas II.................................................................10

A. Acetil Coa.....................................................................10

Água como solvente........................................................12

Água e metano................................................................12

Estrutura da água e do gelo.............................................12

Hidratação.......................................................................12

Interações hidrofóbicas...................................................14

Solubilidade do metano...................................................14

O “efeito gota de óleo”....................................................14

Arranjos de substâncias anfipáticas em água..................14

Ácidos e bases.................................................................16

Valores de pH no organismo............................................16

Tampões..........................................................................16

Carboidratos....................................................................18

Introdução.......................................................................18

Estrutura dos monossacarídeos.......................................18

Química dos açúcares......................................................20

Reações dos monossacarídeos........................................20

Polarimetria, mutarrotação.............................................20

Monossacarídeos e dissacarídeos....................................22

Monossacarídeos importantes........................................22

Dissacarídeos...................................................................22

Polissacarídeos................................................................24

Estrutura..........................................................................24

Polissacarídeos importantes............................................24

Polissacarídeos vegetais..................................................26

Celulose...........................................................................26

Amido..............................................................................26

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Ligações

A. Hibridização de orbitais e ligações químicas

Ligações covalentes estáveis entre átomos não metálicos são produzidas quando orbitais de dois átomos formam orbitais moleculares que são ocupados por um elétron de cada um dos átomos. Os quatro elétrons ligantes do átomo de carbono ocupam orbitais 2s e 2p (1a). O orbital 2s é esférico enquanto os três orbitais 2p têm forma de alteres alinhados nos eixos x, y e z. Então podemos presumir que os átomos de carbono podem formar pelo menos dois diferentes tipos de orbitais moleculares. No entanto, isto não é normalmente o que ocorre. A razão é um efeito conhecido como hibridização de orbitais. A combinação do orbital s e dos três orbitais p do carbono dá origem a quatro orbitais atômicos sp³ equivalentes e tetraedricamente arranjados no espaço (hibridização sp³). Quando estes se sobrepõem com os orbitais 1s de átomos de H, quatro orbitais moleculares σ equivalentes (1b) são formados. Por esta razão o carbono é capaz de formar quatro ligações, isto é, sua valência é quatro. Ligações simples entre átomos não metálicos dão origem da mesma maneira à quatro ligações σ, ou simples, no metano (CH4). Como exemplos, o íon hidrogeno fosfato (HPO4

-2) e o íon amônio (NH4+) também têm estrutura

tetraédrica (1c).

Um segundo tipo comum de hibridização de orbitais envolve o orbital 2s e somente dois dos três orbitais 2p (2a). Este processo é chamado de hibridização sp². O resultado é de três orbitais híbridos sp² coplanares com ângulo de 120° entre eles. O orbital 2px remanescente é orientado perpendicular a este plano. Ao contrário dos orbitais sp³, os átomos com hibridização sp² formam dois tipos diferentes de ligações quando se combinam em orbitais moleculares (2b). Os três orbitais sp² formam ligações σ, como descrito acima. Além disso, os elétrons nos dois orbitais 2px, conhecidos como elétrons π, se combinam para dar um orbital molecular π adicional, alongado, que está localizado acima e abaixo do plano das ligações σ. Ligações deste tipo são chamadas ligações duplas. Elas consistem de uma ligação σ e uma ligação π, e surgem apenas quando ambos os átomos envolvidos são

capazes de hibridização sp². Ao contrário das ligações simples, as ligações duplas não têm rotação livre já que a rotação distorceria o orbital molecular π. Esta é a razão pela qual todos os átomos se encontram no mesmo plano (2c); além disso, isomerismo cis-trans pode ocorrer em alguns casos. Ligações duplas que são comuns nas biomoléculas são C = C e C = O. Ligações duplas C = N são encontradas nas aldiminas (Bases de Schiff).

B. RessonânciaMuitas moléculas que têm várias ligações duplas são muito menos reativas do que poderia ser esperado. A razão para isto é que as ligações duplas nestes estruturas não podem ser localizadas inequivocamente. Seus orbitais π não estão confinados ao espaço entre os átomos da dupla ligação, mas formam um orbital molecular π compartilhado, estendido. Estruturas com esta propriedade são conhecidas como híbridos ressonantes, porque é impossível descrever sua real estrutura de ligação usando fórmulas padrão. Pode-se utilizar as estruturas de ressonância, isto é, configurações idealizadas nas quais os elétrons π estão assinalados nos átomos específicos ou pode-se utilizar linhas pontilhadas como na Fig. B para sugerir a extensão dos orbitais deslocalizados.

Sistemas estabilizados por ressonância incluem grupos carboxilato, como no formato; hidrocarbonetos alifáticos com ligações duplas conjugadas, tais como 1,3-butadieno, e os sistemas conhecidos como sistemas de anéis aromáticos. O composto aromático mais conhecido é o benzeno, que tem seis elétrons π deslocalizados em seu anel. Sistemas de ressonância com 10 ou mais elétrons π absorvem luz dentro do espectro visível e, sendo assim, são coloridos. Este grupo inclui os carotenóides alifáticos, por exemplo, como também o grupo heme que tem 18 elétrons π ocupando seu orbital molecular estendido.

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Estrutura molecular

O comportamento físico e químico das moléculas é determinado principalmente por sua constituição (o tipo e número de átomos que contém e suas ligações). Fórmulas estruturais podem então ser usadas para predizer não somente a reatividade química da molécula, mas também seu tamanho e forma e, em alguma extensão, sua conformação (o arranjo espacial dos átomos). Alguns dados que provêem a base para tais predições estão resumidos aqui. A L-diidroxifenilalanina (L-dopa), é usada como um exemplo para mostrar a maneira pela qual as moléculas podem ser representadas.

A. Representações das moléculasNuma representação bi-dimensional tradicional, a fórmula estrutural (A1), os átomos são representados como letras e os pares de elétrons são mostrados como linhas. As linhas entre dois símbolos atômicos simboliza dois elétrons ligantes e todas as outras linhas representam pares de elétrons livres, tais como aqueles que ocorrem em átomos de O e N. Elétrons livres não são normalmente representados explicitamente. Círculos pontilhados ou contínuos ou arcos são utilizados para enfatizar elétrons deslocalizados.

Modelos de bola e bastão (A2) são usados para ilustrar a estrutura espacial das moléculas. Os átomos são representados como bolas coloridas e as ligações (incluindo ligações múltiplas) como cilindros cinza. Embora o comprimento relativo das ligações e ângulos correspondam à condições reais, o tamanho dos átomos é muito menor para fazer o modelo mais compreensível.

Os modelos de espaço cheio ou van der Waals (A3) são úteis para ilustrar a forma real e o tamanho das moléculas. Estes modelos representam os átomos como bolas truncadas. Sua extensão efetiva é determinada pelo que é conhecido como raio de van der Waals. Este é calculado da distância mais favorável energeticamente entre átomos que não estão quimicamente ligados entre si.

B. Comprimento e ângulo das ligaçõesOs raios e distâncias atômicas são atualmente expressos em picômetros (pm; 1 pm = 10-12 m). A antiga unidade angstron (Å, 1Å = 100 pm) é obsoleta. A extensão das ligações simples é aproximadamente correspondente a soma do que é conhecido como raio covalente dos átomos envolvidos. Ligações duplas são cerca de 10-20 % mais curtas que ligações simples. Nos átomos com hibridização sp³, o ângulo entre as ligações individuais é aproximadamente 110°; em átomos sp² é aproximadamente 120°.

C. Polaridade da ligaçãoDependendo da posição do elemento na tabela periódica, os átomos têm diferentes eletronegatividades, isto é, diferentes tendências de atrair elétrons extras. Os valores dados em C2 são de uma escala entre 2 e 4, o maior valor, do átomo mais eletronegativo. Quando dois átomos com eletronegatividades muito diferentes se ligam, os elétrons ligantes são desenhados mais próximos ao átomo mais eletronegativo e a ligação é polarizada. Os átomos envolvidos podem ter cargas parciais positiva ou negativa. Em C1, a superfície de van der Waals é colorida de acordo com as diferentes condições de carga (vermelho = negativo, azul = positivo). O oxigênio é o mais fortemente eletronegativo dos elementos bioquimicamente mais importantes, com as ligações duplas C = O sendo especialmente altamente polares.

D. Ligações de hidrogênioA ligação de hidrogênio, um tipo especial de ligação não covalente, é extremamente importante na bioquímica. Neste tipo de ligação, átomos de hidrogênio de grupos OH, NH ou SH (conhecidos como doadores), interagem com elétrons livres de átomos aceptores (por exemplo, O, N ou S)(D1). As energias de ligação das ligações de hidrogênio (10-40 kJ mol-1) são muito menores que aquelas das ligações covalentes (aproximadamente 400 kJ/mol). No entanto, como as ligações de hidrogênio são muito numerosas nas proteínas e no DNA, elas têm papel na estabilização destas moléculas (D2).

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Isomerismo

Isômeros são moléculas com a mesma composição (isto é, a mesma fórmula molecular), mas com diferentes propriedades físicas e químicas. Se os isômeros diferem na maneira que qual seus átomos estão ligados na molécula, eles são descritos como isômeros estruturais (por exemplo, ácidos cítrico e isocítrico, D). Outras formas de isomerismo são baseadas nos diferentes arranjos dos substituintes das ligações (A, B) ou na presença de centros quirais na molécula (C).

A. Isômeros cis-trans (geométricos)Ligações duplas não têm rotação livre em torno de seu eixo. Se os átomos comprometidos na ligação dupla têm diferentes substituintes, há duas possíveis orientações para estes grupos. No ácido fumárico, um intermediário do ciclo dos ácidos tricarboxílicos, os grupos carboxi estão em diferentes lados da ligação dupla (trans ou posição E) (A). Em seu isômero, ácido maléico, que não é produzido em processos metabólicos, os grupos carboxi se encontram do mesmo lado da ligação (cis ou posição Z). Isômeros cis-trans (isômeros geométricos) têm diferentes propriedades física e químicas, isto é, seus pontos de fusão (Fp.) e valores de pKa. Eles podem ser interconvertidos somente por reações químicas.

No metabolismo dos lipídeos, isomerismo cis-trans é particularmente importante. Por exemplo, ácidos graxos naturais com dupla ligações normalmente têm configuração cis. Ao contrário, intermediários insaturados da β-oxidação têm a configuração trans. Isto faz com que a quebra dos ácidos graxos insaturados seja mais complicada. A isomerização cis-trans induzida pela luz do retinal é de importância central no ciclo visual.

B. ConformaçãoFormas moleculares que surgem como resultado da rotação em torno de ligações de rotação livre são conhecidas como isômeros conformacionais (B). Mesmo pequenas moléculas têm diferentes conformações em solução. Nas duas conformações do ácido succínico, os átomos estão arranjados de maneira similar aos ácidos fumárico e maléico. Ambas as formas são possíveis, embora a conformação 1 seja mais favorável devido a maior distância entre os grupos COOH e, sendo assim,

ocorre mais freqüentemente. Macromoléculas biologicamente ativas tais como proteínas ou ácidos nucléicos normalmente têm conformações bem definidas (“conformações nativas”), que são estabilizadas pelas interações na molécula.

C. Isômeros óticosOutro tipo de isomerismo surge quando uma molécula contém um centro quiral ou é quiral como um todo. A quiralidade (do grego cheir, mão) leva ao aparecimento de estruturas que se comportam como imagens especulares e não podem ser sobrepostas (isômeros “especulares”) (C). A causa mais freqüente de comportamento quiral é a presença de um átomo de C assimétrico, isto é, um átomo com quatro substituintes diferentes. Então há duas formas (enantiômeros) com diferentes configurações. Normalmente os dois enantiômeros de uma molécula são designados como formas L e D. A clara classificação da configuração é possível pelo sistema R/S.

Os enantiômeros têm propriedades químicas muito similares, mas rotacionam a luz plano-polarizada em direções opostas (atividade óptica). Isto se aplica aos enantiômeros do ácido lático. O L-ácido láctico dextrorrotatório ocorre no músculo animal e no sangue, enquanto a forma D produzida por microorganismos é encontrada em produtos lácticos, por exemplo. A projeção de Fischer é normalmente utilizada para representar as fórmulas para centros quirais.

D. A reação da aconitaseAs enzimas normalmente funcionam estereoespecificamente. Em substratos quirais, elas somente aceitam um dos enantiômeros e os produtos da reação são, normalmente, também uniformes estericamente. A aconitato hidratase (aconitase) catalisa a conversão do ácido cítrico em seu isômero ácido isocítrico (D). Embora o ácido cítrico não seja quiral, a aconitase somente forma um dos quatro possíveis isômeros do ácido isocítrico (2R,3S-ácido cítrico). O intermediário da reação, o ácido tricarboxílico insaturado aconitato, somente ocorre na forma cis na reação. A forma trans do aconitato é encontrado como constituinte de certas plantas.

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Biomoléculas I

A. Importantes classes de compostosMuitas biomoléculas são derivadas de simples compostos dos não-metais oxigênio (O), hidrogênio (H), nitrogênio (N), enxofre (S) e fósforo (P). Os compostos bioquimicamente importantes de oxigênio, nitrogênio e enxofre podem ser formalmente derivados de seus compostos com hidrogênio (isto é, H2O, NH3 e H2S). Nos sistemas biológicos, o fósforo é encontrado quase exclusivamente em derivados de ácido fosfórico, H3PO4.

Se um ou mais dos átomos de hidrogênio de um hidreto não metálico são trocados formalmente com um outro grupo, R- , isto é, resíduos alquila, então compostos derivados do tipo R-XHn-1, R-XHn-2-R etc. são obtidos. Desta maneira, alcoóis (R-OH) e éteres (R-O-R) são derivados da água (H2O); aminas primárias (R-NH2), aminas secundárias (R-NH-R) e aminas terciárias (R-N-R’R”) são obtidas da amônia (NH3); e tióis (R-SH) e tioésteres (R-S-R’) vêm do sulfeto de hidrogênio (H2S). Grupos polares tais como –OH e –NH2 são encontrados como substituintes em muitos compostos orgânicos. Tais grupos são muito mais reativos que as estruturas hidrocarbônicas às quais estão ligados, então eles são conhecidos como grupos funcionais.

Novos grupos funcionais podem surgir como resultado da oxidação dos compostos mencionados acima. Por exemplo, a oxidação de um tiol dá um dissulfeto (R-S-S-R). Dupla oxidação de um álcool primário (R-CH2-OH) dá origem inicialmente a um aldeído (R-C(O)-H), e então, a ácido carboxílico (R-C(O)-OH). Por outro lado, a oxidação de um álcool secundário dá uma cetona (R-C(O)-R). O grupo carbonila (C = O) é característica de aldeídos e cetonas.

A adição de um amina ao grupo carbonila de um aldeído dá – após a remoção de água- uma aldimina. Aldiminas são intermediários no metabolismo de aminoácidos e servem para ligar aldeídos a grupos amina nas proteínas. A adição de um álcool ao grupo carbonila de um aldeído dá um hemiacetal (R-O-C(H)OH-R). As formas cíclicas de açúcares são exemplos bem conhecidos de hemiacetais. A oxidação de hemiacetais produz ésteres de ácidos carboxílicos.

Compostos muito importantes são os ácidos carboxílicos e seus derivados, que podem ser formalmente obtidos pela

troca do grupo OH por outro grupo. De fato, derivados deste tipo são formados por substituições nucleofílicas de compostos intermediários ativados com eliminação de água. Ésteres de ácidos carboxílicos (R-O-CO-R’) surgem de ácidos carboxílicos e alcoóis. Este grupo inclui as gorduras, por exemplo. Similarmente, um ácido carboxílico e um tiol dão um tioéster (R-S-CO-R’). Tioésteres tem papel extremamente importante no metabolismo de ácidos carboxílicos. O composto mais bem conhecido deste tipo é a acetil coenzima A (acetil-CoA).

Ácidos carboxílicos e aminas primárias reagem para formar amidas de ácidos carboxílicos (R-NH-CO-R’). Os aminoácidos constituintes dos peptídeos e proteínas são unidos por ligações de amida de ácido carboxílico, que são também conhecidas como ligações peptídicas.

O ácido fosfórico é um ácido triprótico, isto é, contém três grupos hidroxil aptos a doar íons H+. Pelo menos um destes três grupos está totalmente dissociado sob condições fisiológicas normais, enquanto os outros dois podem reagir com alcoóis. Os produtos resultantes são monoésteres de ácido fosfórico (R-O-P(O)O-OH) e diésteres (R-O-P(O)O-O-R’). Monoésteres de ácido fosfórico são encontrados no metabolismo de carboidratos, por exemplo, enquanto ligações diésteres de ácido fosfórico ocorrem em fosfolipídeos e ácidos nucléicos.

Compostos resultantes de dois ácidos são conhecidos como anidridos de ácidos. Grande quantidade de energia é necessária para a formação de uma ligação ácido-anidrido. Ligações anidrido fosfóricas têm papel central na estocagem e liberação de energia química na célula. Anidridos mistos entre ácidos carboxílicos e ácido fosfórico são também muito importantes “metabólitos ricos em energia” no metabolismo celular.

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Biomoléculas II

Muitas biomoléculas são construídas a partir de unidades menores de maneira modular, e podem ser quebradas novamente nestas mesmas unidades. A construção destas moléculas normalmente se dá através de reações de condensação envolvendo a remoção de água. Ao contrário, sua lise acontece de maneira hidrofílica, isto é, como resultado de aquisição de água.

A. Acetil CoaA coenzima A é um nucleotídeo com estrutura complexa. Serve para ativar resíduos de ácidos carboxílicos (resíduos acila). A ligação do grupo carboxi de ácido carboxílico com o grupo tiol da coenzima cria uma ligação tioéster (-S-CO-R) na qual o resíduo acila tem um alto potencial químico. Este pode ser transferido para outras moléculas em reações exergônicas. Este fato tem importante papel no metabolismo dos lipídeos em particular, como também em duas reações do ciclo de Krebs.

Como será discutido oportunamente, o potencial de transferência de grupo pode ser expresso quantitativamente como a mudança na energia livre (ΔG) durante a hidrólise do composto em questão. Esta é uma determinação arbitrária, mas provê importantes indicações da energia química armazenada em tal grupo. No caso da acetil-CoA, a reação a ser considerada é:

Acetil-CoA + H2O → acetato + CoA

Nas condições padrão e a pH 7, a variação no potencial químico G (ΔG°) nesta reação chega a – 32 kJ/mol e é tão alto quanto o ΔG° da hidrólise do ATP. Além da ligação tioéster “rica em energia”, a acetil-CoA também tem outras ligações hidrolisáveis com diferentes graus de estabilidade.

(1) O grupo tiol reativo da coenzima A está localizado na parte da molécula que é derivada da cisteamina. Cisteamina é uma amina biogênica formada pela descarboxilação do aminoácido cisteína.

(2) O grupo amina da cisteamina está ligado ao grupo carboxila de outra amina biogênica via ligação amida ácida (-CO-NH-). β-Alanina surge através de descarboxilação do aminoácido

aspartato, mas também pode ser formado pela quebra de bases pirimidínicas.

(3) Outra ligação amida ácida (-CO-NH-) cria o composto para o próximo constituinte, pantoinato. Este composto contém um centro quiral e, sendo assim, aparece em duas formas enantioméricas. Na coenzima A natural, somente uma das duas formas é encontrada, o (R)-pantoinato. O metabolismo humano não é capaz de produzir o pantoinato em si que, então, é produzido de um composto de β-alanina e pantoinato – pantotenato (ácido pantotênico) – na forma de uma vitamina na dieta.

(4) O grupo hidroxi no C-4 do pantoinato está ligado a um resíduo fosfato por uma ligação éster.

A molécula discutida até agora representa uma unidade funcional. Na célula, é produzida a partir do pantotenato. A molécula também ocorre numa forma de proteína ligada como 4’-fosfopanteteína na enzima ácido graxo sintase. Na coenzima A, no entanto, está ligada a 3’,5’-adenosina difosfato.

(5) Quando dois resíduos fosfatos estão ligados, não formam um éster, mas uma ligação anidrido ácido fosfórico “altamente energética” como também ocorre em outros nucleosídeos fosfatos. Ao contrário, (6) e (7) são ligações ésteres novamente.

(8) A base adenina está ligada ao C-1 da ribose por uma ligação N-glicosídica. Além de C-2 a C-4, C-1 da ribose também representa um centro quiral. A configuração β é normalmente encontrada em nucleotídeos.

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Água como solvente

A vida como nós a conhecemos está envolta em água e é absolutamente dependente dela. As propriedades da água são de fundamental importância para todas as coisas vivas.

Água e metanoAs propriedades especiais da água se tornam claras quando comparadas com o metano. As duas moléculas têm massa e tamanho similares (A). No entanto, o ponto de ebulição da água é mais que 250° C acima que o do metano. Nas temperaturas da superfície da terra, a água é líquida, enquanto o metano é gasoso. O mais ponto de ebulição da água resulta de sua maior entalpia de vaporização, que é por sua vez, devido ao fato que a densidade de elétrons dentro da molécula não é uniforme. Dois vértices da molécula de água de forma de pirâmide tetragonal são ocupados por elétrons não compartilhados (não-ligantes, em verde), e os outros dois vértices, por átomos de hidrogênio. Como resultado, a ligação H-O-H é angular. Além disso, as ligações O-H são polarizadas devido à alta eletronegatividade do oxigênio. Um lado da molécula tem carga parcial (δ) de cerca de - 6 unidades, enquanto o outro lado é correspondentemente positivo. A separação espacial das cargas positiva e negativa dá à molécula as propriedades de um dipolo elétrico. Moléculas de água são desta maneira, atraídas umas às outras como pequenos imãs, e também são conectadas entre si por ligações de hidrogênio (B). Quando a água líquida é vaporizada, uma grande quantidade de energia tem que ser despendida para quebrar estas interações. Ao contrário, as moléculas de metano não são dipolares, não interagem entre si a não ser fracamente. Esta é a razão do metano vaporizar em temperaturas muito baixas.

Estrutura da água e do geloA natureza dipolar das moléculas de água favorece a formação de ligações de hidrogênio. Cada molécula pode atuar tanto como doador como aceptor de ligações de H, e muitas moléculas na água líquida estão conectadas por ligações de hidrogênio (B1, B2). As ligações estão em estado de constante flutuação. Redes tetraédricas das moléculas, estão constantemente se formando. Com o decréscimo da temperatura, a proporção das redes

aumenta até que a água começa a cristalizar. Sob condições normais de pressão atmosférica, isto ocorre à 0° C. No gelo, a maioria das moléculas de água está fixada numa rede hexagonal (B3). Uma vez que a distância entre as moléculas individuais no estágio congelado é em média maior que no estado líquido, a densidade do gelo é maior que da água líquida. Este fato é de imensa importância biológica, por exemplo, no inverno, o gelo se forma sobre a superfície dos corpos d’água.

HidrataçãoAo contrário da maioria dos outros líquidos, a água é um excelente solvente para íons. Num campo elétrico de cátions e ânions, as moléculas dipolares da água se arranjam num padrão regular correspondente a carga do íon. Elas formam conchas de hidratação e blindam o íon central de íons opostamente carregados. Íons metálicos estão quase sempre presentes como hexahidratos ([Me(H2O)6

2+], à direita). Na esfera de hidratação interior deste tipo de íon, as moléculas de água estão praticamente imobilizadas e seguem o íon central. A água tem uma alta constante dielétrica de 78, isto é, a força de atração eletrostática entre os íons é reduzida para 1/78 pelo solvente. Grupos eletricamente carregados em moléculas orgânicas (p. ex., carboxilato, fosfato e grupos amônio) estão também bem hidratados e contribuem para a solubilidade em água. Moléculas neutras com vários grupos hidroxila, tais como glicerol (à esquerda) ou açúcares, são também facilmente solúveis, porque podem formar ligações de hidrogênio com as moléculas de água. Quanto maior a proporção de grupos funcionais polares numa molécula, tanto maior a solubilidade em água (hidrofilicidade). Em contraste, moléculas que consistem exclusivamente ou principalmente de hidrocarbonetos, são fracamente solúveis ou insolúveis em água. Estes compostos são chamados hidrofóbicos.

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Interações hidrofóbicas

A água é um excelente solvente para íons e para substâncias que contenham ligações polarizadas. Substâncias deste tipo são denominadas como polares ou hidrofílicas. Ao contrário, substâncias que consistem principalmente de estruturas hidrocarbônicas se dissolvem somente fracamente em água. Tais substâncias são ditas serem apolares ou hidrofóbicas.

Solubilidade do metanoPara entender as razões para a fraca solubilidade de hidrocarbonetos em água, é útil primeiramente examinar a energética dos processos envolvidos. Em (A), os termos individuais da equação de Gibbs-Helmholtz para o mais simples composto deste tipo, metano, são mostrados. Como se vê, a transição de metano gasoso para água é na realidade exotérmico (ΔH0 < 0). Ainda assim, a variação na energia livre ΔG0 é positiva (o processo é endergônico), porque o termo entropia -TΔS0 tem valor altamente positivo. A variação de entropia no processo (ΔS0) é evidentemente negativa, isto é, uma solução de metano em água tem um grau de ordem maior que o da água ou do metano gasoso. Uma razão para isto é que as moléculas de metano são menos móveis quando circundadas pela água. Mais importante, no então, a água em torno das moléculas apolares forma estruturas de clatrato como gaiolas, as quais, como no gelo, são estabilizadas por ligações de H. Isto aumenta grandemente o grau de ordem na água e aumenta a superfície de contato entre a água e a fase apolar.

O “efeito gota de óleo”A separação espontânea do óleo e da água, uma observação diária, é devido a formação energeticamente desfavorável de estruturas clatrato. Quando uma mistura de água e óleo é fortemente agitada, muitas pequenas gotas de óleo se formam no início (B) mas, estas rapidamente se juntam para formar grandes gotas – as duas fases se separam. Uma gota maior tem superfície menor que várias pequenas gotas com o mesmo volume. A separação então reduz a superfície de contato entre a água e o óleo, e, conseqüentemente também a extensão da formação de clatrato. O ΔS para este processo é fortemente positiva (a desordem na água aumenta) e o termo negativo – TΔS torna o processo de separação

exergônico (ΔG < 0), assim o processo ocorre espontaneamente.

Arranjos de substâncias anfipáticas em águaMoléculas que contém ambos grupos, polares a apolares, são chamadas anfipáticas ou anfifílicas. Este grupo inclui sabões, fosfolipídios e ácidos biliares.

Como resultado do efeito “gota de óleo”, na água as substâncias anfipáticas tendem a se arranjar de tal maneira a minimizar a superfície de contato entre as regiões apolares da molécula e a água (C). Sobre a superfície da água, eles normalmente formam filmes (acima) nos quais os “grupos cabeça” polares apontam para a água. Bolhas de sabão (à direita) consistem de filmes duplos, com uma fina camada de água entre eles. Na água, dependendo de sua concentração, compostos anfipáticos formam micelas, isto é, agregados esféricos com seus grupos cabeça apontando para o exterior, ou extensas membranas duplas de bicamadas. A maioria das membranas biológicas são constituídas de acordo com este princípio. Vesículas são membranas que formam sacos fechados. Este tipo de estrutura serve para transportar substâncias dentro das células e no sangue.

A separação de óleo e água (B) pode ser evitada pela adição de uma substância fortemente anfipática. Durante a agitação, um estado de emulsão mais ou menos estável se forma, no qual as superfícies das gotas de óleo estão ocupadas por moléculas anfipáticas que dão propriedades polares à face externa. A emulsificação das gorduras na comida pelos ácidos biliares e fosfolipídios é uma pré-condição vital para a digestão de gorduras.

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Ácidos e bases

Em geral, ácidos são definidos como substâncias que podem doar íons hidrogênio (prótons), enquanto bases são compostos que aceitam prótons.

A água amplifica as propriedades ácidas ou básicas das substâncias dissolvidas, já que a própria água por atuar tanto como ácido ou como base. Por exemplo, quando ácido clorídrico (HCl) está numa solução aquosa, doa prótons para o solvente (A1). Isto resulta na formação de íons cloreto (Cl-) e moléculas de água protonada (íons hidrônio, H3O+, normalmente indicada como H+

simplesmente). A troca de próton entre HCl e água é virtualmente quantitativa: na água, HCl se comporta como um ácido muito forte, com valor de pKa negativo.

Bases tais como amônia (NH3) recebe prótons das moléculas de moléculas de água. Como resultado disto, íons hidroxila (OH-) e íons amônio positivamente carregados (NH4

+, A3) são formados. Íons hidrônio e hidroxila, como outros íons, existem em água preferencialmente na forma hidratada e não na forma livre.

Reações ácido-base sempre envolvem pares de ácidos e as bases conjugadas associadas. Se o mais forte é o ácido, sua base conjugada será fraca, e vice-versa. Por exemplo, o ácido clorídrico que é muito forte é conjugado ao íon cloreto, base muito fraca (A1). O fraco íon ácido amônio é conjugado com a base moderadamente forte amônia (A3).

A constante de equilíbrio K para a reação ácido-base entre moléculas de água (2) é muito pequena. A 25° C,

Na água pura, a concentração [H2O] é praticamente constante em 55 mol.L-1. Substituindo este valor na equação, obtemos:

O produto [H+].[OH-] – o produto iônico da água – é constante mesmo quando adicionais pares de ácido-base são dissolvidos na água. A 25° C, a água pura contem H+ e OH- em concentração de 1 . 10-7 mol.L-1 cada, isto é neutro e tem valor de pH de exatamente 7.

Valores de pH no organismoOs valores de pH na célula e nos fluidos extracelulares são mantidos constante dentro de limites rígidos (B). No sangue o valor de pH normalmente oscila entre 7,35 e 7,45. Isto corresponde a mudança máxima de concentração de H+ de cerca de 30 %. O valor de pH do citoplasma é ligeiramente menor que o do sangue, de 7,0 a 7,3. Nos lisossomos (pH 4,5-5,5), a concentração de H+ é várias centenas de vezes maior que no citoplasma. No lúmen do trato digestório, que forma parte do mundo externo relativo ao organismo, e nos produtos de excreção do corpo, os valores de pH são mais variáveis. Valores extremos são encontrados no estômago (cerca de 2) e no intestino delgado (> 8). Já que os rins podem excretar tanto ácidos como bases, dependendo do estado do metabolismo, o pH da urina tem uma faixa particularmente grande de variação (4,8-7,5).

Tampões Variações rápidas de pH no organismo são amortecidas por sistemas tampão. Estes são misturas de um ácido fraco, HB, com sua base conjugada, B-, ou de uma base fraca com seu ácido conjugado. Este tipo de sistema pode neutralizar ambos, íons hidrônio e íons hidroxila.

No primeiro caso (C, esquerda), a base (B-) se liga em grande proporção aos prótons adicionados (H+) e HB e água são formados. Se íons hidroxila (OH-) são adicionados, eles reagem com HB dando B- e água (C, direita). Em ambos os casos, é a razão [HB]/[B-] que muda, enquanto o valor de pH varia somente levemente. A curva de titulação (C, acima) mostra que os sistemas tampões são mais efetivos em valores de pH que correspondem ao valor de pKa do ácido. Neste ponto é onde a curva é mais acentuada, de maneira que uma pequena variação de concentração em [H+] ou [OH-]. Em outras palavras, a capacidade tamponante Δc/ΔpH é maior no valor do pKa.

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Carboidratos

Os carboidratos são um grupo de compostos carbonilados (aldeídos ou cetonas) de ocorrência natural que contém vários grupos hdiroxila. Os carbidratos incluem açúcares simples (monossacarídeos) e seus polímeros, os oligossacarídeos e polissacarídeos.

Introdução

Os carboidratos poliméricos – incluindo todas as gomas, como também alguns dissacarídeos – são importantes (mas não essenciais) componentes da alimentação. No intestino são quebrados em monossacarídeos e absorvidos nesta forma. A forma na qual os carboidratos são distribuídos pelo sangue dos vertebrados é glicose (o açúcar do sangue”). Este é incorporado pelas células e tanto pode ser quebrado para obtenção de energia (glicólise) como convertido em outros metabólitos. Vários órgãos (particularmente o fígado e músculos) estocam glicogênio como um carboidrato de reserva polimérico (direita). As moléculas de glicogênio são covalentemente ligadas a uma proteína, glicogenina. Polissacarídeos são utilizados por muitos organismos como moléculas estruturais. Por exemplo, as paredes celulares das bactérias contém mureína como um componente estabilizante, enquanto nas plantas, celulose e outros polissacarídeos têm este papel. Carboidratos oligoméricos ou poliméricos estão frequentemente covalentemente ligados a lipídeos ou proteínas. Os glicolipídios e as glicoproteínas formadas desta maneira são encontradas, por exemplo, nas membranas celulares (centro). As glicoproteínas também ocorrem no sangue na forma solúvel (proteínas plasmáticas) e, como componentes de proteoglicanos, formam importantes constituintes da substância intercelular.

Estrutura dos monossacarídeosO monossacarídeo natural mais importante, D-glicose, é um aldeído alifático com seis átomos de carbono, cinco dos quais têm um grupo hidroxila (1). Uma vez que os átomos 2 a 5 representam centros quirais, há mais 15 aldohexoses isoméricas além da D-glicose, embora somente poucas destas sejam importantes na natureza. Os monossacarídeos mais naturais têm a mesma

configuração do D-gliceraldeído no C-5 – eles pertencem à série D.

A forma de cadeia aberta da glicose mostrada em (1) é encontrada em solução neutral em menos que 0,1 % das moléculas. A razão para isto é uma reação intramolecular na qual um dos grupos OH do açúcar é adicionado ao grupo aldeído da mesma molécula (2). Isto dá origem a um hemiacetal cíclico. Nas aldohexoses, o grupo hidroxila do C-5 reage preferencialmente e um anel pirano de seis membros é formado. Açúcares que contém este anel são chamados piranoses. Ao contrário, se o grupo OH do C-4 reage, um anel furano de 5 membros é formado. Em solução, a forma piranosídica e a furanosídica estão presentes em equilíbrio uma com a outra e com a forma de cadeia aberta, enquanto nos polímeros de glicose somente a forma piranosídica ocorre.

A projeção de Haworth (2) é normalmente utilizada para representar os açúcares na forma cíclica, com os anéis sendo mostrados em perspectiva. Dependendo da configuração, os substituintes dos átomos de C quirais são encontrados acima ou abaixo do anel Os grupos que estão à direita na projeção de Fischer (1) aparece abaixo do nível do anel na projeção de Haworht enquanto os que estão à esquerda aparecem sobre ele.

Como resultado da formação de hemiacetal, um centro quiral adicional aparece no C-1, que pode estar presente em ambas as configurações possíveis (anômeros). Para enfatizar isto, as ligações correspondentes são mostradas aqui usando linhas onduladas.

A fórmula de Haworth não leva em conta o fato que o anel pirano não é planar, mas normalmente tem a conformação de cadeira. Em B3, duas freqüentes conformações de D-glicopiranose são mostradas como modelos bola-e-bastão. Na conformação 1C4 (abaixo), a maioria dos grupos OH aparecem ao nível do anel, como na projeção de Haworth (axiais, ou posição a). Na conformação 4C1, levemente mais estável (acima), os grupos OH estão na posição e ou equatoriais. À temperatura ambiente, cada forma pode se transformar na outra, tanto quanto em outras conformações.

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Química dos açúcares

Reações dos monossacarídeosOs açúcares (monossacarídeos) ocorrem no metabolismo de várias formas (derivados). Somente poucas reações de conversão importantes serão discutidas aqui, usando D-glicose como exemplo.

1. Mutarrotação. Na forma cíclica, como oposto a forma de cadeia aberta, as aldoses têm um centro quiral no C-1. As correspondentes formas isoméricas são chamadas anômeros. No anômero β (centro esquerda), o grupo OH do C-1 (o grupo OH anomérico) e o grupo CH2OH caem no mesmo lado do anel. No anômero α (direita), eles estão em lados opostos. A reação que interconverte anômeros é conhecida como mutarrotação (B).

2. Formação de glicosídeo. Quando o grupo OH anomérico reage com um álcool, com eliminação de água, rende um O-glicosídeo (no caso mostrado, α-metilglicosídeo). A ligação glicosídica não é uma ligação éter normal porque o grupo OH no C-1 tem característica de hemiacetal. Oligossacarídeos e polissacarídeos também contém ligações O-glicosídicas. A reação do grupo OH anomérico com um grupo NH2 ou NH dá origem a um N-glicosídeo (não mostrado). As ligações N-glicosídicas ocorrem nos nucleotídeos e em glicoproteínas, por exemplo.

3. Redução e oxidação. Redução do centro anomérico no C-1 da glicose (2) produz o açúcar álcool sorbitol. Oxidação do grupo aldeído no C-1 dá o éster intramolecular (lactona) do ácido glucônico (um ácido glicônico). Gluconolactona fosforilada é um intermediário da via das pentose fosfato. Quando glicose é oxidada no C-6, ácido glucurônico (um ácido glicurônico) é formado. O ácido glucurônico, fortemente polar, tem papel importante nas biotransformações no fígado.

4. Epimerização. Em soluções fracamente alcalinas, a glicose está em equilíbrio com a cetohexose D-frutose e a aldohexose D-manose, via um intermediário enediol (não mostrado). A única diferença entre glicose e manose é a configuração no C-2. Pares de açúcares deste tipo são conhecidos como epímeros e sua interconversão é chamada de epimerização.

5. Esterificação. Os grupos hidroxilas dos monossacarídeos podem formar ésteres com ácidos. No metabolismo, ésteres de ácido fosfórico tais como glicose 6-fosfato e glicose 1-fosfato (6) são particularmente importantes.

Polarimetria, mutarrotaçãoSoluções de açúcares podem ser analisadas por polarimetria, um método baseado na interação entre centros quirais e a luz plano polarizada, isto é, luz que oscila em um único plano. Ela pode ser produzida passando-se a luz normal através de um filtro especial (um polarizador). Um segundo filtro polarizador do mesmo tipo (o analisador), colocado após o primeiro, somente deixa a luz polarizada passar quando o polarizador e o analisador estão alinhados. Neste caso, o campo de visão será claro quando olhado através do analisador (1). Soluções de substâncias quirais rotacionam o plano da luz polarizada por um ângulo α, tanto para a direita quanto para a esquerda. Quando uma solução deste tipo é colocada entre o polarizador e o analisador, o campo de visão aparecerá escuro (2). O ângulo de rotação, α, é determinado pela rotação do analisador até que o campo de visão se torne claro novamente (3). A rotação óptica de uma solução depende do tipo de composto quiral, sua concentração, e da largura da camada de solução. Este método torna possível determinar o conteúdo de açúcar em vinhos, por exemplo.

Certos procedimentos tornam possível a obtenção de anômeros α e β de glicose na forma pura. Uma solução 1 M de α-D-glicose tem o valor de rotação [α]D de + 112°, enquanto uma solução correspondente de β-D-glicose tem o valor de +19°. Estes valores mudam espontaneamente e, após certo tempo, atingem o mesmo ponto final de + 52°. A razão para isto é que, em solução, a mutarrotação leva a um equilíbrio entre as formas α e β no qual, independentemente das condições iniciais, 62 % das moléculas estão presentes na forma β e 38 % na forma α.

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Monossacarídeos e dissacarídeos

Monossacarídeos importantesSomente os mais importantes dos abundantes monossacarídeos de ocorrência natural serão mencionados aqui. Eles são classificados de acordo com o número de átomos de carbono (em pentoses, hexoses etc) e de acordo com a natureza química da função carbonila, em aldoses e cetoses.

A mais conhecida aldopentose (1), a D-ribose, é um componente do RNA e de coenzimas nucleotídeos e é amplamente distribuída. Nestes compostos, ribose sempre existe na forma furanosídica. Como a ribose, D-xilose e L-arabinose são raramente encontrados na forma livre. No entanto, grandes quantidades de ambos os açúcares são encontrados como constituintes dos polissacarídeos nas paredes celulares das células vegetais.

A mais importante das aldohexoses (1) é a D-glicose. Uma substancial proporção da biomassa é encontrada na forma de polímeros de glicose, sobre tudo celulose e amido. D-glicose livre é encontrada em sucos e como “açúcar do sangue” de animais superiores. Como um constituintes da lactose (açúcar do leite), D-galactose é parte da dieta humana. Junto com D-manose, a galactose é também encontrada em glicolipídeos e glicoproteínas.

Ésteres de ácido fosfórico da cetopentose D-ribulose (2) são intermediários na via das pentose fosfato e na fotossíntese. A mais amplamente distribuída das cetohexoses é a D-frutose. Na forma livre está presente em sucos de frutas e no mel. Frutose ligada é encontrada na sacarose (B) e em polissacarídeos vegetais (por exemplo, inulina).

Nas desoxialdoses (3), um grupo OH está substituído por um átomo de hidrogênio. Além da 2-desoxi-D-ribose, um componente do DNA que está reduzido no C-2, L-fucose também está sendo mostrada como exemplo. Fucose, é reduzida no C-6.

Os amino açúcares acetilados N-acetil-D-glicosamina e N-acetil-D-galactosamina (4) são freqüentemente encontrados como componentes das glicoproteínas.

Ácido N-acetilneuramínico (ácido siálico, 5), é um componente característico das glicoproteínas. Outros monossacarídeos ácidos tais como ácido D-glicurônico, ácido D-galacturônico e ácido lidurônico, são constituintes típicos dos glicosaminoglicanos encontrados no tecido conectivo.

Açúcares alcoóis (6) tais como sorbitol e manitol não têm um papel importante no metabolismo animal.

DissacarídeosQuando o grupo hidroxila anomérico de um monossacarídeo está ligado glicosidicamente com um dos grupos OH de um outro monossacarídeo, um dissacarídeo é formado. Como em todos os glicosídeos, as ligações glicosídicas não permitem mutarrotação. Uma vez que este tipo de ligação é formada estereoespecificamente por enzimas nos dissacarídeos naturais, eles somente são encontrados e uma das opssíveis configurações (α ou β).

Maltose (1) ocorre como um produto de degradação dos amidos contidos no malte e como um intermediário na digestão intestinal. Na maltose, o grupo OH anomérico de uma molécula de glicose tem uma ligação α-glicosídica com o C-4 de um segundo resíduo de glicose.

Lactose (“açúcar do leite”, 2), é o mais importante carboidrato no leite de mamíferos. Leite de vaca contém 4,5 % de lactose, enquanto o leite humano contém mais de 7,5 %. Na lactose o grupo OH anomérico da galactose forma uma ligação β-glicosídica com o C-4 da glicose. A molécula de lactose é conseqüentemente alongada, e ambos anéis piranosídicos estão no mesmo plano.

Sacarose (3) serve nas plantas como a forma na qual os carboidratos são transportados e como um carboidrato de reserva solúvel. Os humanos a valorizam pelo seu gosto intensamente doce. Fontes utilizadas para sacarose são plantas que a contém em quantidades particularmente altas com cana e beterraba. A hidrólise enzimática de néctar de flores que contém sacarose no trato digestório de abelhas – catalisada pela enzima invertase – produz o mel, uma mistura de glicose e frutose. Na sacarose, os dois grupos OH anoméricos da glicose e da frutose têm um ligação glicosídica, sacarose é assim, um dos açúcares não redutores.

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Polissacarídeos

Polissacarídeos são ubíquos na natureza. Eles podem ser classificados em três grupos separados, baseados em suas diferentes funções. Polissacarídeos estruturais dão estabilidade mecânica às células, órgãos e organismos. Polissacarídeos de hidratação são fortemente hidrofílicos e previnem que células e tecidos sequem. Finalmente, polissacarídeos de reserva atuam como estoque de carboidratos que liberam monossacarídeos quando necessário. Devido à sua natureza polimérica, os carboidratos de reserva são osmoticamente menos ativos e podem ser estocados em grandes quantidades dentro das células.

EstruturaOs polissacarídeos que são formados por somente um tipo de monossacarídeo são chamados homoglicanos, enquanto aqueles formados de diferentes açúcares cosntituintes são chamados heteroglicanos. Ambas as formas podem existir tanto em cadeias lineares como ramificadas.

Uma secção da molécula de glicogênio é mostrada aqui como um exemplo de um homoglicano ramificado. Amilopectina, o composto ramificado do amido vegetal, tem uma estrutira muito similar. Ambas as moléculas consistem principalmente de resíduos de glicose com ligações α(1→4). No glicogênio, numa medida de cada 8º a 10º resíduo tem, via ligação α(1→6), uma outra cadeia de resíduos de glicose com ligações 1,4. Isto dá origem a estruturas ramificadas, como árvores que, no glicogênio animal, estão covalentemente ligadas a um proteína, glicogenina.

O heteroglicano linear mureína, um polissacarídeo estrutural que estabiliza as paredes celulares de bactérias, tem uma estrutura mais complexa. Somente um curto segmento desta molécula linear é mostrada aqui. Na mureína, dois diferentes componentes, ambos conectados por ligações tipo β(1→4), se alternam: N-acetilglicosamina (GlcNAc) e ácido N-acetilmuramínico (MurNAc), um éter de ácido láctico da N-acetilglicosamina. Peptídeos são ligados ao grupo carboxila de grupos lactil, e conectam as fitas individuais de mureína umas as outras ara formar uma rede tridimensional. A síntese de peptídeos na forma de rede na mureína é inibida por penicilina.

Polissacarídeos importantesA tabela dá uma visão da composição e estrutura dos glicanos aqui mencionados e mais alguns.

Além da mureína, polissacarídeos bacterianos incluem dextranos – polímeros de glicose que são conectados por ligações α(1→6) e ramificações α(1→3). Na água, as dextranas formam géis viscosos que são usados para separação por cromatografia de macromoléculas após tratamento químico. Dextranas são também utilizados como substitutos de componentes do plasma sanguíneo (expansores plasmáticos) e como produtos alimentícios.

Carboidratos de algas (por exemplo, agarose e carragenina) podem também ser utilizados para produzir géis. A agarose tem sido utilizada na microbiologia por mais de 100 anos para dar consistência em meios de cultura (“agar-agar”). Polissacarídeos de algas são também adicionados aos cosméticos e comidas pré-preparadas para modificar a consistência destes produtos.

As gomas, o mais importante carboidrato de reserva vegetal e polissacarídeos de paredes celulares vegetais, são discutidos em mais detalhes na página seguinte. Inulina, um polímero da frutose, é utilizado como um substitudo do amido nos produtos de dieta para diabéticos. Além disto, serve como substância teste para mensuração de clearance renal.

Quitina, um homopolímero de N-acetilglicosamina com ligações β(1→4), é a mais importante substância estrutural de conchas de crustáceos e exoesqueleto de insetos, sendo assim, o mais comum polissacarídeo animal. Também ocorre na parede celular de fungos.

Glicogênio, o carboidrato de reserva de animais superiores, é estocado no fígado e musculatura em particular (A). A formação e degradação do glicogênio são sujeitas a complexa regulação por hormônios e outros fatores.

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Polissacarídeos vegetais

Dos polímeros de glicose de origem vegetal são de especial importância entre os polissacarídeos: o polímero celulose, com ligações β(1→4) e o amido, que tem principalmente ligações α(1→4).

CeluloseCelulose, um homoglicano linear de resíduos de glicose conectados com ligações β(1→4), é a mais abundante substância orgânica na natureza. Quase metade da biomassa total consiste de celulose. Algo entre 40-50 % das paredes celulares vegetais é formado por celulose. A proporção de celulose nas fibras de algodão é de 98 %. Moléculas de celulose podem conter mais que 104

resíduos de glicose (massa de 1-2 x 106 Da) e podem medir de 6-8 μm.

A celulose de ocorrência natural é extremamente estável mecanicamente e é altamente resistência a hidrólise química e enzimática. Estas propriedades são devido a conformação das moléculas e sua organização supramolecular. A ligação β(1→4) não ramificada resulta em cadeias lineares que são estabilizadas por ligações de hidrogênio dentro da cadeia e entre cadeias vizinhas (1). Durante a biossíntese, 50-100 moléculas de celulose se associam para formar uma fibrila elementar com diâmetro de 4 nm. Cerca de 20 de tais fibrilas elementares então formam uma microfibrila (2), que é que é prontamente visível com microscópio eletrônico.

Microfibrilas de celulose formam a rede básica da parede primária de células vegetais jovens (3), onde elas formam uma complexa rede com outros polissacarídeos. Os polissacarídeos incluem hemicelulose, que é uma mistura de heteroglicanos predominantemente neutros (xilanos, xiloglicanos, arabinogalactanas etc). A hemicelulose se associa com as fibrilas de celulose via interações não covalentes. Estes complexos são conectados por pectinas neutras e ácidas, que tipicamente contêm ácido galacturônico. Finalmente, uma proteína relacionada ao colágeno, extensina, está também envolvida na formação das paredes primárias.

Nos animais superiores, incluindo humanos, a celulose não é digerível, mas é importante como fibra. Muitos herbívoros (por exemplo, os ruminantes) têm organismos unicelulares simbióticos em seus tratos digestórios que

degradam a celulose tornando-a digerível pelo hospedeiro.

AmidoO amido, um polissacarídeo de reserva amplamente encontrado nas plantas, é o mais importante carboidrato na dieta humana. Nas plantas, o amido está presente nos cloroplastos das folhas como também em frutos, sementes e tubérculos. O conteúdo de amido é especialmente alto em grãos de cereais (mais de 75 % do peso seco), tubérculos (aproximadamente 65 %) e em outros órgãos de armazenagem de plantas.

Nestes órgãos vegetais, o amido está presente na forma de pequenos grânulos microscópicos em organelas especiais conhecidas como amiloplastos. Grânulos de amido são virtualmente insolúveis em água fria mas intumescem dramaticamente quando a água é aquecida. Cerca de 15-25 % do amido entra em solução em forma coloidal quando a mistura é sujeita a fervura prolongada. Esta fração é chamada amilose (“amido solúvel”).

A amilose consiste de cadeias não ramificadas de 200-300 resíduos de glicose conectados por meio de ligações α(1→4). Devido a configuração α no C-1, estas cadeias formam uma hélice com 6-8 resíduos por volta (1). A coloração azul que o amido solúvel apresenta quando iodeto é adicionado (a “reação iodeto-amido”) é causada pela presença destas hélices – os átomos de iodeto formam cadeias dentro da hélice da amilose, e neste ambiente fortemente não aquoso se desenvolve uma cor azul profunda. Polissacarídeos altamente ramificados se tornam marrom ou marrom-avermelhado na presença de iodeto.

Ao contrário da amilose, a amilopectina, que é praticamente insolúvel, é ramificada. Em médica, um em 20-25 resíduos de glicose está ligado a outra cadeia via ligação α(1→6). Isto leva a uma extensa estrutura ramificada que – como a amilose – contém somente um grupo OH anomérico (um “terminal redutor”). Moléculas de amilopectina podem conter centenas de milhares de resíduos de glicose; sua massa pode ser maior que 108 Da.

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Glicosaminoglicanos e glicoproteínas

Ácido hialurônico

Como constituintes dos proteoglicanos, os glicosaminoglicanos – um grupo de heteropolissacarídeos ácidos - são os mais importantes elementos estruturais da matriz extracelular.

Glicosaminoglicanos contém aminoaçúcares como ácido glicurônico e ácido idurônico como componentes característicos. Além disso, muitos polissacarídeos neste grupo são esterificados em vária extensão por ácido sulfúrico, aumentando sua característica ácida. Glicosaminoglicanos podem ser encontrados na forma livre ou como componentes dos proteoglicanos do organismo.

Ácido hialurônico, como glicosaminoglicano não esterificado com uma estrutura relativamente simples, consiste de unidades dissacarídicas nas quais N-acetilglicosamina e ácido glicurônico são alternadamente conectados através de ligações β(1→4) e β(1→3). Devido à rara ligação β(1→3), as moléculas de ácido hialurônico que podem conter várias centenas de resíduos monossacarídicos – são empacotadas como uma hélice. Três unidades dissacarídicas forma cada volta da hélice. A face exterior da hélice tem os grupos hidrofílicos carboxilato dos resíduos de ácido hialurônico que podem ligar Ca²+. A forte hidratação destes grupos possibilita o ácido hialurônico e outros glicosaminoglicanos a absorver, na forma de gel, um volume de água de 100 vezes seu próprio volume. Esta é a função do ácido hialurônico no humor vítreo do olho, que contém aproximadamente 1% de ácido hialurônico e 98% de água.

Oligossacarídeos na imunoglobulina G (IgG)Uitas proteínas sobre a superfície da membrana plasmática e a mioria das proteínas secretadas, contém resíduos oligossacarídeos que são adicionados por pós-tradução no retículo endoplasmático e no aparelho de

Golgi. Por outro lado, proteínas citoplásmicas são raramente glicosiladas. Glicoproteínas podem conter mais que 50 % de carboidrato; no entanto, a proporção de proteínas é geralmente muito maior.

Como exemplo do carboidrato componente de uma glicoproteína, a estrutura de uma das cadeias oligossacarídicas da imunoglobulina G é mostrada aqui,. O oligossacarídeo tem uma ligação N-ligosídica no grupo amida de um resíduo asparagina na parte Fc da proteína.

Como todos os carboidratos com N-ligação, o oligossacarídeo na IgG contém uma estrutura em forma de T consistindo de duas N-acetilglicosaminas e três resíduos manose (mostrados em violeta). Neste caso a estrutura contém mais dois resíduos N-acetilglicosamina além de um resíduo fucose e um galactose. As glicoproteínas mostram muitos diferentes tipos de ramificações. Neste caso, há não somente ligações β(1→4), mas também ligações β(1→2), α(1→3) e α(1→6).

Glicoproteínas: formasSobre a superfície celular de certas glicoproteínas, ligações O-glicosídicas são encontradas entre a parte carboidrato e um resíduo serina ou treonina, ao invés de ligações N-glicosídicas em resíduos asparagina. Este tipo de ligação é menos comum que a N-glicosídica.

Há dois tipos de estrutura oligossacarídica com ligações N-glicosídicas, que dão surgem de duas vias biossintéticas diferentes. Durante a glicosilação no RE, a proteína é inicialmente ligada a um oligossacarídeo que como a estrutura núcleo contém 6 resíduos de manose e três resíduos terminais de glicose. A mais simples forma de oligossacarídeo (o tipo rico em manose) é produzido quando somente os resíduos de glicose são clivados do produto primário, e nenhum resíduo adicional é adicionado. Em outros casos, os resíduos manose que são localizados do lado externo da estrutura são também removidos e substituídos por outros açúcares. Isto produz oligossacarídeos tais como o mostrado à direita (o tipo complexo). No terminal externo da estrutura, glicoproteínas do tipo complexo quase sempre contém resíduos de ácido N-acetilneuramínico que dão ao oligossacarídeo cargas negativas.

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Exercícios:

pH e tampões

1. Calcule o pH das seguintes soluções:a. HCl 5 x 10-4 Mb. NaOH 7 x 10-5 Mc. HCl 2 μMd. KOH 3 x 10-2 Me. HCl 0,04 mMf. HCl 6 x 10-9 M

2. Calcule o que é pedido a seguir a partir dos valores de pH fornecidos:a. [H+] no vinagre, pH 2,9b. [H+] na saliva, pH 6,6c. [H+] no limpador com amônia, pH 11,4d. [OH-] no leite de magnésia, pH 10,3e. [OH-] na cerveja, pH 4,5f. [H+] no interior de uma célula do fígado, pH 6,9

3. O pH de uma solução 0,02 M de um ácido foi medido em 4,6.a. Qual a [H+] nesta solução?b. Calcule a constante de dissociação KA e pKa para este ácido.

4. O Ka para o ácido fórmico é 1,78 x 10-4 M.a. Qual é o pH de uma solução 0,1 M de ácido fórmico?b. 50 mL de NaOH 0,1 M é adicionado a 200 mL de ácido fórmico 0,1 M e água é adicionada até o

volume final de 1 L. Qual o pH final da solução?5. Dadas soluções 0,1 M de ácido acético e acetato de sódio, descreva a preparação de 1 L de tmapão acetato 0,1

M em pH 5,4.

6. Se o pH interno de uma célula musuclar é 6,8, qual é a razão na célula?7. Dadas soluções 0,1 M de Na3PO4 e H3PO4, descreva a preparação de 1 L de tampão fosfato em pH 7,5. Qual as

concentrações molares dos íons na solução tampão final, incluindo Na+ e H+?8. BICINA é um composton que contém um grupo amino terciário cujo pKa é 8,3. Dado 1L de BICINA 0,05 M,

bicina com seu grupo amino terciário na forma não protonada, quando de HCl 0,1 N deve ser adicionado para se obter tampão de pH 7,5? Qual a molaridade da BICINA no tampão final?

9. Quais são as aproximadas frações de concentração das seguintes espécies fofato em pH de valores 0, 2, 4, 6, 8, 10 e 12?

a. H3PO4 b. H2PO4

- c. HPO4

=

d. PO4³-

10. O ácido cítrico, um ácido tricarboxílico importante no metabolismo intermediário, pode ser simbolizado como H3A. Suas reações de dissociação são:

Se a concentração total do ácido e suas formas iônicas é de 0,02 M, quais as concentrações individuais de

e em pH 5,2?

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11. Se 50 mL de HCl 0,01 M são adicionados a 100 mL de tampão fosfato 0,05 M pH 7,2, qual é o pH resultante? Quais são as concentrações de H2PO4

- e HPO4= na solução final?

12. Se 50 mL de NaOH 0,01 M são adicionados a 100 mL de tacão fosfato 0,05 M pH 7,2, qual é o pH resultante? Quais são as concentrações de H2PO4

- e HPO4= na solução final?

13. Se o pH do plasma é 7,4 e a concentração plasmática de HCO3- é de 15 mM, qual é a concentração plasmática

de H2CO3? Qual é a concentração plasmática de CO2(dissolvido)? Se atividades metabólicas provocam a variação da concentração de CO2(dissolvido) para 3 mM e [HCO3

-] permanece em 15 mM, qual o pH do plasma?

Carboidratos1. Desenhe estruturas de Haworth para os dois possíveis isômeros de D-altrose e D-psicose.

D-Altrose D-Psicose

2. Dê o nome sistemático para a estaquiose.

3. A trealose, um dissacarídeo produzido por fungos, tem a seguintes estrutura:

Qual é seu nome sistemático? A trealose é um açúcar redutor? Explique.4. Desenhe a estrutura de projeção de Fischer para a L-sorbose.5. Α-D-glicose tem rotação específica, [α]D

20 = + 112,2°, enquanto a β-D-glicose tem rotação específica de + 18,7°. Qual é a composição da mistura de α-D e β-D-glicose, que tem rotação específica de 83,0°?

6. Desenhe a estrutura do α-D-frutofuranosil (2→4) glicopiranose.

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