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Marzzoco

· Bayardo

Parte 4 Regulação do Metabolismo, 263 19 Estratégias de Regulação do Metabolismo, 265 20 Regulação das Vias Metabólicas Principais, 286 21 Regulação Integrada do Metabolismo, 311 22 Contração Muscular, 322 Parte 5 Estudo do Conteúdo, 337 Objetivos para Estudo, 339 Exercícios e Problemas, 352 Índice Alfabético, 387

Bioquímica Básica – 4ª edição apresenta o conteúdo essencial para os cursos introdutórios de Bioquímica, enfatizando a compreensão dos conceitos e a atualização das informações. Esta nova edição foi inteiramente revisada e apresenta os dados mais recentes e aceitos pela comunidade científica, encontrados nas referências bibliográficas que acompanham cada capítulo. A atualização dos conteúdos foi valorizada por novo projeto gráfico, que facilita sua leitura e compreensão. Na Parte Estudo do Conteúdo, muitos problemas novos e mais complexos foram introduzidos. A quarta edição de Bioquímica Básica tem todas as qualidades para superar o sucesso das edições anteriores.

Bioquímica Básica

13 Metabolismo de Carboidratos: Glicogênio, Amido, Sacarose e Lactose, 166 14 Gliconeogênese, 175 15 Fotossíntese, 181 16 Metabolismo de Lipídios, 196 17 Metabolismo de Aminoácidos, 221 18 Nutrição — Os Substratos das Vias Metabólicas, 248

Anita Marzzoco Bayardo Baptista Torres

Bioquímica Básica Quarta edição

Sumário Parte 1 Conceitos Básicos, Proteínas e Enzimas, 1 1 Sistema-tampão, 3 2 Aminoácidos e Proteínas, 11 3 Hemoglobina — Transporte de Oxigênio e Tamponamento do Plasma, 36 4 O Sentido das Reações, 45 5 Enzimas, 54 Parte 2 Estrutura de Carboidratos e Lipídios; Membranas, 83 6 Estrutura de Carboidratos e Lipídios, 85 7 Membranas, 98 Parte 3 Metabolismo: Vias Principais, 107 8 Introdução ao Metabolismo, 109 9 Metabolismo de Carboidratos: Glicólise e Formação de Acetil-CoA, 117 10 Ciclo de Krebs, 128 11 Cadeia de Transporte de Elétrons e Fosforilação Oxidativa, 134 12 Metabolismo de Carboidratos: Via das Pentoses Fosfato, 161

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O GEN | Grupo Editorial Nacional reúne as editoras Guanabara Koogan, Santos, Roca, AC Farmacêutica, Forense, Método, LTC, E.P.U. e Forense Universitária, que publicam nas Essas empresas, respeitadas no mercado editorial, construíram catálogos inigualáveis, com obras que têm sido decisivas na formação acadêmica e no aperfeiçoamento de várias gerações de pro de estudantes de Administração, Direito, Enfermagem, Engenharia, Fisioterapia, Medicina, Odontologia, Educação Física e muitas outras ciências, tendo se tornado sinônimo de seriedade e respeito. conveniente, a preços justos, gerando benefícios e servindo a autores, docentes, livreiros, funcionários, colaboradores e acionistas. Nosso comportamento ético incondicional e nossa responsabilidade social e ambiental são reforçados pela natureza educacional de nossa atividade, sem comprometer o crescimento contínuo e a rentabilidade do grupo.

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Bioquímica Básica Anita Marzzoco Bayardo Baptista Torres Professores Doutores Departamento de Bioquímica Universidade de São Paulo (USP)

Quarta edição

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Os autores deste livro e a editora guanabara koogan ltda. empenharam seus melhores esforços para assegurar que as informações e os procedimentos apresentados no texto estejam em acordo com os padrões aceitos à época da publicação, e todos os dados foram atualizados pelos autores até a data da entrega dos originais à editora. Entretanto, tendo em conta a evolução das ciências da saúde, as mudanças regulamentares governamentais e o constante fluxo de novas informações sobre terapêutica medicamentosa e reações adversas a fármacos, recomendamos enfaticamente que os leitores consultem sempre outras fontes fidedignas, de modo a se certificarem de que as informações contidas neste livro estão corretas e de que não houve alterações nas dosagens recomendadas ou na legislação regulamentadora. Adicionalmente, os leitores podem buscar por possíveis atualizações da obra em http:// gen-io.grupogen.com.br.

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Os autores e a editora se empenharam para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores de direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos posteriores caso, inadvertida e involuntariamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida.

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Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2015 by EDITORA GUANABARA KOOGAN LTDA. Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro – RJ – CEP 20040-040 Tels.: (21) 3543-0770/(11) 5080-0770 | Fax: (21) 3543-0896 www.editoraguanabara.com.br | www.grupogen.com.br | editorial.saude@grupogen.com.br Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, em quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição pela Internet ou outros), sem permissão, por escrito, da editora guanabara koogan ltda.

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Capa: Guilherme Andrade Marson Editoração eletrônica: Edel

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Ficha catalográfica M357b 4. ed. Marzzoco, Anita Bioquímica básica/Anita Marzzoco, Bayardo Baptista Torres. – 4. ed. – Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2015. il. ISBN 978-85-277-2773-0 1. Bioquímica. I. Torres, Bayardo Baptista. II. Título. 15-23107

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CDD: 612.015 CDU: 612.015

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Prefácio à 4a Edição Nesta nova edição foi mantida a intenção de oferecer um texto conciso para os cursos introdutórios de Bioquímica, privilegiando o entendimento dos conceitos e a atualização das informações. Atendendo à importância que assumiram, alguns conteúdos foram ampliados, e todos os capítulos foram revistos e atualizados, bem como a bibliografia referida. O projeto gráfico foi totalmente renovado, e, como guia importante para o leitor, foi criado um ícone indicativo das seções que tratam das regulações das vias metabólicas. Novas ilustrações, criadas pelo Prof. Dr. Guilherme Andrade Marson, são decisivas para a compreensão das vias metabólicas, além de contribuírem para a qualidade visual da obra. Os Objetivos para Estudo foram mantidos como um roteiro de orientação ao estudo e adaptados ao conteúdo revisado; os Exercícios e Problemas contam com muitas questões novas e de maior complexidade. Esperamos ter sido bem-sucedidos nesta contribuição ao estudo da Bioquímica e receber dos estudantes e colegas o mesmo apreço demonstrado nas edições anteriores. Os Autores

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Prefácio à 1a Edição Este livro baseia-se na nossa longa experiência como professores no Departamento de Bioquímica da Universidade de São Paulo. Ao planejar um curso de Bioquímica, o professor enfrenta sempre o problema de selecionar os conteúdos que farão parte do programa. Esta tarefa tem se tornado a cada ano mais difícil, uma vez que o conhecimento nesta área se expande exponencialmente e a carga horária disponível para o curso permanece constante. Esta contradição obriga a uma seleção de conteúdo cada vez mais restritiva. Nosso critério seletivo, que foi trazido para este texto, tem sido o de privilegiar os conceitos fundamentais e o estudo da integração do metabolismo, indispensáveis na formação de profissionais da área biológica. Nosso objetivo é, portanto, oferecer um texto suficientemente conciso para poder ser utilizado na maioria dos cursos básicos de Bioquímica. Certos conceitos fundamentais foram bastante explorados, na tentativa de antecipar soluções para dificuldades sistematicamente apresentadas pelos estudantes. Nas Partes 1 e 2 são introduzidos conceitos básicos. Na Parte 3 são descritas as vias metabólicas principais, retomadas na Parte 4 para a análise de sua regulação; consta também da Parte 4 a regulação integrada destas vias. A área da Bioquímica geralmente referida como Biologia Molecular não foi incluída neste livro por entendermos que seu enorme desenvolvimento atual justifica um texto à parte. Agradecemos aos Professores Isaías Raw e José Carneiro o incentivo para escrever este livro. A Professora Olga Y. Castellani contribuiu decisivamente na elaboração do texto. A ela devemos muito mais do que a criteriosa revisão dos originais e as críticas e sugestões valiosas: os muitos anos do nosso convívio foram um privilégio e constituíram um fértil período de aprendizagem que norteou muitas das ideias contidas neste livro. Os Autores

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Material suplementar Este livro conta com o seguinte material suplementar: JJ

Ilustrações da obra em formato de apresentação (restrito a docentes)

O acesso ao material suplementar é gratuito, bastando que o docente se cadastre em: http://gen-io.grupogen.com.br.

GEN-IO (GEN | Informação Online) é o repositório de materiais suplementares e de serviços relacionados com livros publicados pelo GEN | Grupo Editorial Nacional, maior conglomerado brasileiro de editoras do ramo científico-técnico-profissional, composto por Guanabara Koogan, Santos, Roca, AC Farmacêutica, Forense, Método, LTC, E.P.U. e Forense Universitária. Os materiais suplementares ficam disponíveis para acesso durante a vigência das edições atuais dos livros a que eles correspondem.

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Parte 1 Conceitos Básicos, Proteí­nas e Enzimas, 1 1 Sistema-tampão, 3 1.1 Ácidos e bases de Brönsted, 3 1.2 Sistemas-tampão: definição e propriedades, 4 1.3 Fatores que determinam a eficiên­cia de um sistema-tampão, 5 1.4 Tampões biológicos, 9 Bibliografia, 10

2 Aminoá­cidos e Proteí­nas, 11 2.1 Aminoá­cidos componentes de proteí­nas, 11 2.2 Ionização dos aminoá­cidos, 14 2.3 Polímeros de aminoá­cidos: peptídios e proteínas, 16 2.4 Estrutura das proteí­nas, 19 2.5 Proteí­nas fibrosas, 25 2.6 Proteí­nas conjugadas, 26 2.7 Carga elétrica e solubilidade das proteínas, 26 2.8 Alterações estruturais das proteí­nas, 28 2.9 Purificação de proteí­nas — Estratégia geral, 30 2.10 Métodos de purificação de proteí­nas, 30 2.10.1 Cromatografia em coluna, 30 2.10.2 Eletroforese, 33 Bibliografia, 35

3 Hemoglobina — Transporte de Oxigênio e Tamponamento do Plasma, 36

3.1 Estrutura da hemoglobina, 36 3.2 Ligação do oxigênio à hemoglobina, 36 3.3 Fatores que interferem na ligação com oxigênio, 39 3.3.1 2,3-bisfosfoglicerato (BPG), 40 3.3.2 pH: efeito Bohr, 41 3.3.3 Hemoglobina e o tamponamento do sangue, 42 3.4 Hemoglobina fetal, 43 3.5 Hemoglobinas anormais, 43 Bibliografia, 44

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4 O Sentido das Reações, 45 4.1 Variação de energia livre: critérios de espontaneidade, 45 4.2 Reações de oxidação-redução, 51 Bibliografia, 53

5 Enzimas, 54 5.1 Atuação das enzimas na cinética das reações, 55 5.1.1 Graus de especificidade das enzimas, 59 5.2 Classificação e nomenclatura das enzimas, 59 5.3 Fatores que interferem na atividade enzimática: pH e temperatura, 59 5.4 Cinética da reação enzimática, 61 5.5 A equação de Michaelis-Menten, 68 5.6 Inibidores enzimáticos, 72 5.6.1 Inibidores competitivos, 73 5.6.2 Inibidores não competitivos, 76 5.6.3 Antimetabólitos, 78 5.7 Regulação da atividade enzimática, 79 5.8 Cofatores enzimáticos, 80 Bibliografia, 81

Parte 2 Estrutura de Carboidratos e Lipídios; Membranas, 83 6 Estrutura de Carboidratos e Lipídios, 85 6.1 Estrutura de carboidratos, 85 6.2 Estrutura de lipídios, 89 6.2.1 Ácidos graxos, 89 6.2.2 Triacilgliceróis, 92 6.2.3 Glicerofosfolipídios, 93 6.2.4 Esfingolipídios, 94 6.2.5 Esteroides, 95 6.2.6 Lipídios anfipáticos, 95 6.2.7 Transporte de lipídios — Lipoproteí­nas plasmáticas, 95 Bibliografia, 97

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Sumário


7 Membranas,98 7.1 Interações entre lipídios anfipáticos: a bicamada lipídica, 98 7.2 Estrutura das membranas biológicas, 100 7.2.1 Modelo do mosaico fluido, 102 7.3 Funções de componentes da membrana plasmática, 103 7.3.1 Fosfolipídios e colesterol, 103 7.3.2 Glicoproteí­nas e glicolipídios, 103 7.4 Transporte através de membranas, 104 7.4.1 Transporte de ío­ns e moléculas pequenas, 104 7.4.2 Transporte de macromoléculas e partículas: endocitose e exocitose, 105 Bibliografia, 106

Parte 3 Metabolismo: Vias Principais, 107 8 Introdução ao Metabolismo, 109 8.1 Funções do ATP, 110 8.1.1 Função termodinâmica do ATP, 110 8.1.2 Outras funções do ATP, 111 8.2 Macronutrientes, 112 8.3 Estudo do metabolismo, 115 Bibliografia, 116

9 Metabolismo de Carboidratos: Glicólise e Formação de Acetil-CoA, 117

9.1 Oxidação de glicose, 117 9.2 Glicólise: oxidação de glicose a piruvato, 120 9.2.1 Glicólise anaeróbia: fermentações, 123 9.3 Conversão de piruvato a acetil-CoA, 125 Bibliografia, 127

10 Ciclo de Krebs, 128 10.1 Reações do ciclo de Krebs, 128 10.2 Função anabólica do ciclo de Krebs, 130 10.3 Ciclo do glioxilato, 131 Bibliografia, 133

11 Cadeia de Transporte de Elétrons e Fosforilação Oxidativa, 134

11.1 Oxidação de coenzimas e síntese de ATP, 134 11.2 Cadeia de transporte de elétrons mitocondrial, 135 11.2.1 Radicais livres, 144

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11.3 Fosforilação oxidativa, 146 11.3.1 Hipótese quimiosmótica, 146 11.3.2 ATP sintase, 149 11.4 Controle respiratório, 151 11.5 Inibidores e desacopladores, 152 11.6 Fosforilação no nível do substrato, 155 11.7 Cadeias de transporte de elétrons bacterianas, 155 11.8 Rendimento da oxidação da glicose, 156 11.9 Oxidação do NADH citosólico, 156 11.10 Transporte de metabólitos através da membrana interna da mitocôndria, 158 Bibliografia, 160

12 Metabolismo de Carboidratos: Via das Pentoses Fosfato, 161 12.1 12.2 12.3 12.4

Funções da via das pentoses fosfato, 161 Etapas da via das pentoses fosfato, 162 Funções adicionais do NADPH, 162 Deficiên­cia genética de glicose 6-fosfato desidrogenase, 165 Bibliografia, 165

13 Metabolismo de Carboidratos: Glicogênio, Amido, Sacarose e Lactose, 166

13.1 Metabolismo do glicogênio, 166 13.2 Síntese de amido, 170 13.3 Metabolismo de sacarose e lactose, 172 Bibliografia, 174

14 Gliconeogênese, 175 14.1 Origem da glicose circulante em animais superiores, 175 14.2 Reações da gliconeogênese, 176 14.3 Balanço energético da gliconeogênese, 178 14.4 Degradação de proteí­nas e gliconeogênese, 179 Bibliografia, 180

15 Fotossíntese, 181 Fotossíntese versus oxidação da glicose, 181 Absorção de luz: fotossistemas, 183 Fotossíntese em vegetais: fase clara, 186 Síntese de glicose a partir de CO2 (a fase “escura” da fotossíntese), 189 15.5 Regulação do ciclo de Calvin, 191 15.6 Fotorrespiração e plantas C4, 192 15.7 Fotossíntese em bactérias, 194 Bibliografia, 195 15.1 15.2 15.3 15.4

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16 Metabolismo de Lipídios, 196 16.1 Degradação de triacilglicerói­s, 196 16.2 Degradação de ácidos graxos: ativação, transporte e oxidação, 197 16.2.1 Ácidos graxos saturados, 197 16.2.2 Ácidos graxos insaturados, com número ímpar de átomos de carbono, ramificados e hidroxilados, 201 16.3 Corpos cetônicos, 204 16.4 Metabolismo do etanol, 206 16.5 Síntese de ácidos graxos, 208 16.6 Alongamento e insaturação de ácidos graxos — Ácidos graxos essenciais, 213 16.6.1 Eicosanoides, 214 16.7 Síntese de triacilgliceróis, 216 16.8 Metabolismo do colesterol, 217 Bibliografia, 220

17 Metabolismo de Aminoá­cidos, 221 17.1 Degradação intracelular de proteí­nas, 222 17.2 Degradação de aminoá­cidos, 223 17.2.1 Remoção do grupo amino dos aminoá­cidos, 223 17.2.2 Degradação da cadeia carbônica dos aminoá­cidos, 228 17.3 Doenças hereditárias do metabolismo de aminoá­cidos, 240 17.4 Origem do nitrogênio dos aminoá­cidos, 242 17.4.1 Síntese de aminoá­cidos, 244 Bibliografia, 247

18 Nutrição — Os Substratos das Vias Metabólicas, 248

18.1 Nutrição proteica, 248 18.1.1 Balanço de nitrogênio, 249 18.1.2 Valor nutricional das proteí­nas, 249 18.1.3 Quantidades recomendadas de proteí­na na dieta, 251 18.2 Ingestão calórica, 252 18.2.1 Dispêndio de energia, 252 18.2.2 Obesidade, 253 18.2.3 Contribuição dos alimentos para a ingestão calórica, 255 18.2.4 Lipídios da dieta — Ácidos graxos essenciais, 256 18.3 Desnutrição, 260 18.4 Micronutrientes, 260 Bibliografia, 261

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Parte 4 Regulação do Metabolismo, 263 19 Estratégias de Regulação do Metabolismo, 265 19.1 Alteração da concentração de enzimas, 265 19.2 Alteração da atividade das enzimas, 266 19.2.1 Regulação alostérica, 266 19.2.2 Regulação por modificação covalente, 269 19.3 Transdução de sinal, 270 19.4 Ação hormonal, 270 19.4.1 AMP cíclico e a via da proteína quinase A, 271 19.4.2 Íons Ca2+ e via da fosfolipase C, 275 19.5 Transdução de sinais sensoriais, 277 19.6 Adrenalina, glucagon e insulina, 278 19.6.1 Adrenalina (epinefrina), 278 19.6.2 Glucagon, 280 19.6.3 Insulina, 280 19.7 Proteína quinase dependente de AMP (AMPK), 284 Bibliografia, 285

20 Regulação das Vias Metabólicas Principais, 286 20.1 Regulação do metabolismo do glicogênio, 286 20.1.1 Regulação da degradação do glicogênio ­muscular, 286 20.1.2 Regulação da síntese do glicogênio ­muscular, 288 20.1.3 Regulação do metabolismo do glicogênio hepático, 290 20.2 Regulação da glicólise e da gliconeogênese, 292 20.2.1 Regulação alostérica e por modificação covalente, 292 20.2.2 Modulação da concentração de enzimas da glicólise e da gliconeogênese, 298 20.3 Regulação da via das pentoses fosfato, 298 20.4 Regulação do complexo piruvato desidrogenase, 299 20.5 Regulação do ciclo de Krebs, 300 20.6 Regulação da cadeia de transporte de elétrons e da síntese de ATP — Controle respiratório, 301 20.7 Regulação do metabolismo de triacilglicerói­s e ácidos graxos, 302 20.8 Regulação do metabolismo do colesterol, 306 20.9 Regulação do ciclo da ureia, 309 Bibliografia, 310

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21 Regulação Integrada do Metabolismo, 311 21.1 Perío­do absortivo, 312 21.2 Perío­do pós-absortivo, 315 21.3 Jejum, 317 21.4 Diabetes, 319 Bibliografia, 321

22 Contração Muscular, 322 22.1 Estrutura do m ­ úsculo esquelético, 322 22.1.1 Filamentos grossos: miosina, 322 22.1.2 Filamentos finos: actina, tropomiosina e troponina, 324 22.1.3 Proteí­nas sarcoméricas acessórias, 324 22.2 Mecanismo da contração m ­ uscular, 324 22.3 Regulação da contração m ­ uscular, 326 22.4 Fontes de energia para o trabalho ­muscular: processos anaeróbios e aeróbios, 328 22.5 Tipos de fibras ­muscula­res, 331 22.6 Músculos lisos, 333 Bibliografia, 335

Parte 5 Estudo do Conteú­do, 337 Objetivos para Estudo, 339 Capítulo 1 | Sistema-tampão, 339 Capítulo 2 | Aminoá­cidos e Proteí­nas, 339 Capítulo 3 | Hemoglobina — Transporte de Oxigênio e Tamponamento do Plasma, 340 Capítulo 4 | O Sentido das Reações, 340 Capítulo 5 | Enzimas, 341 Capítulo 6 | Estrutura de Carboidratos e Lipídios, 341 Capítulo 7 | Membranas, 342 Capítulo 9 | Metabolismo de Carboidratos: Glicólise e Formação de Acetil-CoA, 342 Capítulo 10 | Ciclo de Krebs, 343 Capítulo 11 | Cadeia de Transporte de Elétrons e Fosforilação Oxidativa, 343 Capítulo 12 | Metabolismo de Carboidratos: Via das Pentoses Fosfato, 344 Capítulo 13 | Metabolismo de Carboidratos: Glicogênio, Amido, Sacarose e Lactose, 344

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Capítulo 14 | Gliconeogênese, 344 Capítulo 15 | Fotossíntese, 345 Capítulo 16 | Metabolismo de Lipídios, 345 Capítulo 17 | Metabolismo de Aminoá­cidos, 347 Capítulo 18 | Nutrição — Os Substratos das Vias Metabólicas, 347 Capítulo 19 | Estratégias de Regulação do Metabolismo, 348 Capítulo 20 | Regulação das Vias Metabólicas Principais, 349 Capítulo 21 | Regulação Integrada do Metabolismo, 350 Capítulo 22 | Contração Muscular, 350

Exercícios e Problemas, 352 Capítulo 1 | Sistema-tampão, 352 Capítulo 2 | Aminoá­cidos e Proteí­nas, 354 Capítulo 3 | Hemoglobina — Transporte de Oxigênio e Tamponamento do Plasma, 357 Capítulo 4 | O Sentido das Reações, 359 Capítulo 5 | Enzimas, 361 Capítulo 8 | Introdução ao Metabolismo, 368 Capítulo 9 | Metabolismo de Carboidratos: Glicólise e Formação de Acetil-CoA, 369 Capítulo 10 | Ciclo de Krebs, 369 Capítulo 11 | Cadeia de Transporte de Elétrons e Fosforilação Oxidativa, 370 Capítulo 12 | Metabolismo de Carboidratos: Via das Pentoses Fosfato, 373 Capítulo 13 | Metabolismo de Carboidratos: Glicogênio, Amido, Sacarose e Lactose, 374 Capítulo 14 | Gliconeogênese, 374 Capítulo 15 | Fotossíntese, 375 Capítulo 16 | Metabolismo de Lipídios, 375 Capítulo 17 | Metabolismo de Aminoá­cidos, 377 Capítulos 18, 19 e 20 | Vias Metabólicas: Substratos e Regulação, 378 Capítulos 18 e 21 | Nutrição e Regulação Integrada do Metabolismo, 380 Capítulo 22 | Contração Muscular, 385

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Conceitos Básicos, Proteí­nas e Enzimas   1 Sistema-tampão, 3   2 Aminoácidos e Proteínas, 11   3 Hemoglobina — Transporte de Oxigênio e Tamponamento do Plasma, 36   4 O Sentido das Reações, 45   5 Enzimas, 54

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Parte 1


A estrutura de muitas moléculas presentes na composição celular e, por conseguinte, a grande maioria dos processos bioquí­micos são extremamente sensíveis a variações de pH. Nos seres humanos, o pH plasmático deve ser mantido em torno de 7,4 em uma faixa muito estreita de variação — decréscimos a valores próximos de 7,0 têm sérias conse­quências. Intracelularmente, a restrição se repete: um exemplo suficiente da importância do pH na fisiologia celular é dado pela sua interferência na atividade das enzimas, catalisadores de todas as reações quí­micas celulares. Muitas destas reações processam-se com liberação ou captação de prótons do meio aquoso em que estão dissolvidas as substâncias presentes na célula. Ainda assim, o valor do pH celular ou plasmático é mantido praticamente fixo. A manutenção do pH ­ideal é conseguida pelos seres vivos graças à existência dos sistemas-tampão.

1.1 Ácidos e bases de Brönsted Para definir sistema-tampão e compreender suas propriedades, é conveniente recorrer à definição de Brönsted para ácidos e bases. Brönsted definiu ácidos como substâncias capazes de doar prótons e bases como substâncias capazes de recebê-los. Segundo esta definição, são classificados como ácidos, por exemplo, HCl, H2SO4, H3C–  COOH, NH4 e H3C–  NH3, pois podem dissociar-se, liberando prótons: HCl H2SO4 H3C –  COOH  NH4 H3C –  NH3

Cl2 HSO4 H3C –   COO  NH3 H3C –  NH2

     

H H H H H

Generalizando, a equação de dissociação de um ácido (HA) é:

HA

A  H ou

HB

B  H

O ío­n (Cl–, HSO4– etc.) — ou a molécula (NH3, H3C–  NH2) — resultante da dissociação é denominado base conjugada do ácido, já que pode receber um próton, convertendo-se novamente no ácido conjugado respectivo. Alguns ácidos, chamados ácidos fortes, dissociam-se totalmente quando em soluções diluí­das — é o caso, por exemplo, de HCl e H2SO4. Outros, os chamados ácidos fracos, ionizam-se muito pouco. Para estes ácidos, pode-se escrever:

HA ∆ A  H

Esta equação indica que, em solução aquosa, o ácido fraco HA dissocia-se, produzindo as espécies A e H que, juntamente com a parte não dissociada, HA, compõem um equilíbrio quí­mico. A constante de equilíbrio desta dissociação é:

K eq

[A] [H ] [HA]

Em reações deste tipo, a constante de equilíbrio é geralmente chamada constante de dissociação ou de ionização, representada por Ka. A Tabela 1.1 apresenta alguns ácidos fracos e os valores de sua constante de dissociação e de seu pKa

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1 Sistema-tampão


Na realidade, embora a maior parte dos prótons adicionados associem-se a A, uma pequena parte fica livre, em solução. O valor final da concentração de [H] será, portanto, um pouco maior do que antes da adição; o de A será menor e o de HA, maior. Desta forma, o valor da constante de equilíbrio é mantido: K eq   

[A] [H] [A]� [H]�  [HA] [HA]�

Quando se adiciona um álcali ao sistema-tampão, o resultado é análogo ao caso anterior. Os ío­ns OH–, provenientes de um álcali como NaOH, associam-se com prótons do meio, formando H2O.

OH–  H ∆ H2O

A adição do álcali corresponde, portanto, à retirada de prótons do meio. Neste caso, o equilíbrio quí­mico que constitui o tampão reagirá por dissociação do ácido HA. Entretanto, nem todos os prótons que se associaram a OH– serão repostos por esta dissociação — se isto ocorresse, novamente ter-se-ia uma variação no valor da constante de equilíbrio:

K eq 

[A] [H] [A]� [H] ≠  [HA] [HA]�

O que efetivamente ocorre é que a dissociação do ácido repõe a maior parte, mas não todos os prótons que se associaram a OH–. Haverá, portanto, uma diminuição da concentração de prótons, ou um aumento no valor do pH, muito menor, entretanto, do que aquele que ocorreria se não houvesse reposição alguma, como no caso da adição do álcali à água ou a uma solução de NaCl. Neste caso, a concentração final de H será um pouco menor do que a inicial; a de A, maior; e a de HA, menor, mantendo o equilíbrio: K eq 

[A] [H] [A]� [H]�  [HA] [HA]�

Concluindo, dissociando o ácido quando se adiciona um álcali ou associando próton e base conjugada quando se adiciona um ácido forte, o sistema-tampão previne variações acen­tuadas de pH. Esta propriedade é conse­quência da existência concomitante das formas ácido e base conjugada e, embora a soma (HA  A) permaneça sempre constante, a concentração das espécies varia de acordo com o tipo — H ou OH– — e a quantidade dos ío­ns adicionados.

1.3 Fatores que determinam a eficiên­cia de um sistema-tampão A eficiên­cia de um tampão está restrita a uma faixa de pH A solução de um ácido fraco apresenta uma concentração de HA muito maior do que de A, como resultado da pequena dissociação que é característica do ácido fraco. Se esta solução for submetida à adição con­tí­nua de álcali, haverá dissociação progressiva do ácido, cuja concentração diminuirá, e um consequente aumento da concentração de A, acompanhados de aumento no valor de pH. Se a quantidade de álcali adicionado for grande, a concentração de HA acaba tornando-se tão reduzida que passa a ser insuficiente para compensar, com sua dissociação, novas adições de álcali. A partir deste ponto, o pH sofrerá aumentos significativos a cada nova adição de álcali, mostrando que o sistema perdeu suas propriedades de tampão. O mesmo ocorrerá quando, com constante adição de prótons, esgotar-se praticamente a espécie base conjugada — novas adições de prótons, que não encontrarão mais base conjugada à qual associar-se (e, portanto, permanecerão em solução), provocarão queda acen­tuada de pH. O sistema não estará mais se comportando como sistema-tampão (Figura 1.1). Deduz-se, do exposto, que a ação tamponante está restrita a uma faixa de pH na qual as concentrações de ácido e base conjugada são suficientes para compensar adições de álcali ou de ácido. Fora do intervalo de tamponamento, como a soma (HA  A) é constante, têm-se as situações seguintes:

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Grande adição de álcali Grande adição de ácido

[HA] > 0% > 100%

[A] > 100% > 0%

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A equação de Henderson-Hasselbalch relaciona pH, constante de dissociação do ácido e as concentrações de ácido e base conjugada Considere-se a dissociação do ácido fraco HA: HA ∆ A  H

E a constante de equilíbrio (Ka) dessa reação:

Ka

[A] [H ] [HA]

[H ]

K a[HA] [A]

Tomando em logaritmo a equação anterior, tem-se:

log [H ]

log K a

log

[HA] [A]

log [H ]

log K a

log

[A] [HA]

log [H ]

log K a

log

[A] [HA]

Substituindo-se as expressões – log [H] e – log Ka por pH e pKa, respectivamente, resulta:

pH

pK a

log

[A] [HA]

Esta é a equação de Henderson-Hasselbalch, que nada mais é do que a equação da constante de equilíbrio de dissociação de um ácido fraco tomada sob a forma logarítmica. Em um determinado valor de pH, o ácido encontra-se 50% dissociado, [HA] 5 [A] e a razão [A]/[HA] vale 1, obtendo-se:

pH 5 pKa

Verifica-se, pela equação de Henderson-Hasselbalch, que pKa é o valor de pH que provoca 50% de dissociação do ácido. A equação define o pKa em bases operacionais, à semelhança do pH em relação à concentração de H da solução. De maneira genérica, esta equação pode ser escrita da seguinte maneira: pH

pK a

log

[base conjugada] [ácido conjugado]

A equação de Henderson-Hasselbalch permite calcular, em qualquer pH, a razão entre as concentrações das espécies doadoras e aceptoras de prótons para um sistema-tampão, desde que o pKa do ácido seja conhecido. Por exemplo, para o tampão acetato pode-se calcular a razão das concentrações de ácido acético (H3C–  COOH) com pKa 5 4,7 e acetato (H3C–  COO–) em pH 5 5,7:

pH

pK a

5,7

4,7

ou

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1 � log

log log

[H3C– .COO –] [H3C– .COOH ] [ H3C–.COO –] [H3C–.COOH]

[H3C– .COO –] [H3C–.COOH ]

[ H3C–.COO – ] � 10 [H3C–.COOH]

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1.4 Tampões biológicos Os seres vivos mantêm constante o seu pH interno Os tampões biológicos são aqueles encontrados nos seres vivos. Na espécie humana, o pH do sangue é mantido muito próximo de 7,4, embora não sejam muitos os ácidos fracos que apresentam valores de pKa em torno de 7,4. Os principais responsáveis pela manutenção desse valor de pH são as proteí­nas, o tampão bicarbonato e o tampão fosfato. O efeito tamponante das proteí­nas é devido aos grupos ionizáveis dos seus re­sí­duos de aminoá­cidos, que são ácidos fracos. Entretanto, os valores de pKa da maioria desses grupos são muito distantes de 7,4 (Tabela 2.1, no Capítulo 2), tornando-os ineficazes como tampões neste pH. Os aminoá­cidos que apresentam um grupo com pKa compatível com o tamponamento a pH fisiológico são a histidina e a cisteí­na. Adicionalmente, as proteí­nas exercem efeito tamponante muito discreto no plasma, por estarem presentes em baixas concentrações — vale lembrar que a eficiên­cia do tampão depende de sua concentração. Sua importância no tamponamento celular é maior do que no plasmático, porque atingem níveis mais elevados nas células. A exceção é a hemoglobina que é a responsável principal pela manutenção do pH plasmático (Seção 3.3.1), juntamente com o tampão bicarbonato. No caso do tampão bicarbonato, o ácido carbônico dissocia-se em bicarbonato e H:

H2CO3 ∆ HCO3–  H

O valor de seu pKa é 3,8, incompatível com o tamponamento fisiológico. O ácido carbônico apresenta, todavia, a característica peculiar de estar em equilíbrio com o CO2 dissolvido em água segundo a reação:

CO2  H2O ∆ H2CO3

No organismo humano, o CO2 formado nos tecidos, como produto do metabolismo celular, difunde-se para o plasma e para o interior das hemácias. Estas células contêm uma enzima, a anidrase carbônica, uma das enzimas mais eficientes que se conhece, capaz de acelerar a reação de hidratação do CO2 por cerca de 107 vezes — o CO2 dissolvido é transformado imediatamente em H2CO3, que se dissocia em HCO3– e H: CO2  H2O ∆ H2CO3 ∆ HCO3–  H A constante de equilíbrio do sistema-tampão bicarbonato, incorporando-se a concentração de H2O, por ser praticamente constante, é:

K eq

[HCO 3– ] [H ] [CO 2 ]

O CO2 (o anidrido do ácido carbônico) equivale ao “ácido conjugado” do tampão bicarbonato. A concentração de CO2 dissolvido depende da pressão parcial de CO2 (pCO2) na atmosfera e, como somente 3% do gás é dissolvido a 37ºC, esta função é expressa por 0,03 · pCO2. Obtém-se:

K eq

[HCO 3– ] [H ] 0, 03 pCO 2

A constante de equilíbrio do sistema-tampão bicarbonato a 37ºC pode ser calculada a partir da constante de equilíbrio da reação de hidratação do CO2 (3  10 – 3 M) e da constante de dissociação do ácido carbônico (2,7  10 – 4 M) — o valor da nova constante é 8,1  10 – 7 M e o do novo pKa é 6,1. A equação de Henderson-Hasselbalch para este sistema-tampão torna-se:

pH

6,1

log

[HCO 3– ] 0, 03 pCO 2

O CO2 dissolvido no plasma está em contato com o CO2 atmosférico através do espaço alveolar, permitindo um rápido ajuste da concentração de H quando esta tende a variar. O tampão bicarbonato constitui, por isto, um sistema aberto, muito mais eficiente no controle do pH do que um sistema fechado. Realmente, supondo o sistema fechado, uma adição de ácido forte (H) faria com que a maior parte dos prótons combinasse com a base conjugada (HCO3–), diminuindo sua concentração e aumentando a concentração do ácido (CO2). A razão [HCO3–]/0,03 · pCO2 ficaria muito diminuí­da, e o pH assumiria um valor muito baixo. Como o sistema é aberto, a mesma adição de prótons faz diminuir a concentração de base conjugada, mas não aumenta a concentração de ácido conjugado, já que a concentração de

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Marzzoco

· Bayardo

Parte 4 Regulação do Metabolismo, 263 19 Estratégias de Regulação do Metabolismo, 265 20 Regulação das Vias Metabólicas Principais, 286 21 Regulação Integrada do Metabolismo, 311 22 Contração Muscular, 322 Parte 5 Estudo do Conteúdo, 337 Objetivos para Estudo, 339 Exercícios e Problemas, 352 Índice Alfabético, 387

Bioquímica Básica – 4ª edição apresenta o conteúdo essencial para os cursos introdutórios de Bioquímica, enfatizando a compreensão dos conceitos e a atualização das informações. Esta nova edição foi inteiramente revisada e apresenta os dados mais recentes e aceitos pela comunidade científica, encontrados nas referências bibliográficas que acompanham cada capítulo. A atualização dos conteúdos foi valorizada por novo projeto gráfico, que facilita sua leitura e compreensão. Na Parte Estudo do Conteúdo, muitos problemas novos e mais complexos foram introduzidos. A quarta edição de Bioquímica Básica tem todas as qualidades para superar o sucesso das edições anteriores.

Bioquímica Básica

13 Metabolismo de Carboidratos: Glicogênio, Amido, Sacarose e Lactose, 166 14 Gliconeogênese, 175 15 Fotossíntese, 181 16 Metabolismo de Lipídios, 196 17 Metabolismo de Aminoácidos, 221 18 Nutrição — Os Substratos das Vias Metabólicas, 248

Anita Marzzoco Bayardo Baptista Torres

Bioquímica Básica Quarta edição

Sumário Parte 1 Conceitos Básicos, Proteínas e Enzimas, 1 1 Sistema-tampão, 3 2 Aminoácidos e Proteínas, 11 3 Hemoglobina — Transporte de Oxigênio e Tamponamento do Plasma, 36 4 O Sentido das Reações, 45 5 Enzimas, 54 Parte 2 Estrutura de Carboidratos e Lipídios; Membranas, 83 6 Estrutura de Carboidratos e Lipídios, 85 7 Membranas, 98 Parte 3 Metabolismo: Vias Principais, 107 8 Introdução ao Metabolismo, 109 9 Metabolismo de Carboidratos: Glicólise e Formação de Acetil-CoA, 117 10 Ciclo de Krebs, 128 11 Cadeia de Transporte de Elétrons e Fosforilação Oxidativa, 134 12 Metabolismo de Carboidratos: Via das Pentoses Fosfato, 161

edição

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