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Bioquímica Fundamental

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O GEN | Grupo Editorial Nacional reúne as editoras Guanabara Koogan, Santos, LTC, Forense, Método e Forense Universitária, que publicam nas áreas científica, técnica e profissional. 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 profissionais e de estudantes de Administração, Direito, Enfermagem, Engenharia, Fisioterapia, Medicina, Odontologia e muitas outras ciências, tendo se tornado sinônimo de seriedade e respeito. Nossa missão é prover o melhor conteúdo científico e distribuí-lo de maneira flexível e 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 Fundamental John L. Tymoczko Jeremy M. Berg Lubert Stryer

Traduzido por Antonio José Magalhães da Silva Moreira Professor Titular de Bioquímica Básica, Bioquímica Clínica e Biofísica da Faculdade de Medicina de Campos. Professor Adjunto do Departamento de Bioquímica Médica do Instituto de Ciências Biomédicas da UFRJ. Ex-Professor Titular de Fisiologia da Faculdade de Medicina de Vassouras. Professor Investigador Visitante do Instituto Gulbenkian de Ciências – Lisboa, Portugal

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

BIOCHEMISTRY: A SHORT COURSE, FIRST EDITION First published in the United States by WORTH PUBLISHERS, New York © 2010 by Worth Publishers. All Rights Reserved Publicado originalmente nos Estados Unidos por WORTH PUBLISHERS, New York © 2010 by Worth Publishers. Todos os Direitos Reservados

Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2011 by EDITORA GUANABARA KOOGAN LTDA.

Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da Editora. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ CEP 20040-040 Tel.: 21–3543-0770 / 11–5080-0770 Fax: 21–3543-0896 gbk@grupogen.com.br www.editoraguanabara.com.br

Editoração Eletrônica:

ANTHARES

CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA FONTE SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ T975b Tymoczko, John L., 1948Bioquímica fundamental / John L. Tymoczko, Jeremy M. Berg, Lubert Stryer ; tradução Antonio José Magalhães da Silva Moreira. – Rio de Janeiro : Guanabara Koogan, 2011. il. Tradução de: Biochemistry : a short course Apêndice Inclui bibliografia ISBN 978-85-277-1712-0 1. Bioquímica. I. Berg, Jeremy Mark, 1958-. II. Stryer, Lubert, 1938-. III. Título. 10-4189.

CDD: 612.015 CDU: 612.015

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Material Suplementar Este livro conta com os seguintes materiais suplementares: 䊏

Exercícios de Autoavaliação

Leituras Selecionadas

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

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Sobre os Autores

John L. Tymoczko é Professor Towsley de Biologia no Carleton College, onde tem ensinado desde 1976. Atualmente ensina Bioquímica, Bioquímica Laboratorial, Oncogenes, Biologia Molecular do Câncer e Bioquímica do Exercício, e leciona, juntamente com outros colegas, em um curso introdutório, Fluxo de Energia em Sistemas Biológicos. O Professor Tymoczko recebeu seu B.A. pela University of Chicago, em 1970, e seu Ph.D. em Bioquímica por essa mesma universidade, com Shutsung Liao, no Ben May Institute for Cancer Research. Seguiu-se um pósdoutoramento com Hewson Swift, do Departamento de Biologia, na University of Chicago. A sua pesquisa dá ênfase a receptores de esteroides, partículas de ribonucleoproteínas e enzimas de processamento proteolítico.

Jeremy M. Berg recebeu seus graus de B.S. e M.S. em Química pela Stanford University (onde fez pesquisa com Keith Hodgson e Lubert Stryer) e seu Ph.D. em Química por Harvard com Richard Holm. Completou seu pós-doutoramento com Carl Pabo, em Biofísica, na Johns Hopkins University School of Medicine. Foi Professor Assistente no Departamento de Química na Johns Hopkins de 1986 a 1990. Em seguida, tornou-se Professor e Diretor do Departamento de Biofísica e de Química Biofísica da Johns Hopkins University School of Medicine, onde permaneceu até 2003, quando se tornou Diretor do National Institute of General Medical Sciences no National Institutes of Health. Recebeu os Prêmios (Awards) de Química Pura da American Chemical Society (1994), o da Eli Lily por Pesquisa Fundamental em Química Biológica (1995), o de Jovem Cientista Destacado do Ano (1995) e o Prêmio Harrison Howe (1997). Na Johns Hopkins, recebeu o Prêmio de Ensino W. Barry Wood (selecionado por estudantes de Medicina), o de Ensino para Estudantes de Graduação e o de Ensino de Professores para Ciências Pré-médicas. É coautor, com Stephen Lippard, do livro Principles of Bioinorganic Chemistry. Lubert Stryer é Professor Winzer, Emérito, na Escola de Medicina, e Professor de Neurobiologia, Emérito, na Universidade de Stanford, onde leciona desde 1976. Formou-se médico na Harvard Medical School. O Professor Stryer recebeu muitos prêmios por sua pesquisa sobre a interação de luz-vida, incluindo o Prêmio Eli Lily por Pesquisa Fundamental em Química Biológica, o Prêmio de Inventores de Destaque da Associação de Detentores de Patentes Intelectuais, o de Inventor Europeu do Ano e a Medalha Nacional de Ciência. Foi eleito para a National Academy of Sciences em 1984. A publicação da primeira edição de seu livro Biochemistry, em 1975, transformou o ensino dessa ciência.

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Prefácio Como seres humanos, somos verdadeiras máquinas de aprender. Desde cedo, um bebê, ao perceber que consegue modificar uma folha de papel ao amassá-la adquire muitas informações. Esse aprendizado continua, ao longo da vida, de muitos modos: aprendendo a andar de bicicleta e a ter contatos sociais; a como dirigir um carro e como não extrapolar o orçamento; a como resolver uma equação algébrica e interpretar uma obra de arte. Naturalmente, muito do aprendizado é necessário à sobrevivência, e mesmo os organismos mais simples aprendem a evitar o perigo e a reconhecer o alimento. Contudo, nós, os humanos, somos presenteados de modo especial, pois adquirimos habilidades e conhecimento para tornar nossas vidas mais ricas e mais significativas. Muitos estudantes concordam que ler literatura de ficção e ver fi lmes aumenta a qualidade de nossas vidas, pois expandimos nossos horizontes indiretamente ao estarmos em situações que nunca experimentamos, compreendendo ou não personagens que nos fazem lembrar de nós próprios ou que são muito diferentes daqueles que conhecemos. Como autores, nosso objetivo foi escrever um livro que encoraje os estudantes a entender Bioquímica no sentido mais amplo, como um meio de enriquecer seu entendimento do mundo.

[Marc Hill/Alamy; Daniel Alamay; Stuart Pearce/AgeFotostock; Jose Luis Roca/Getty Images; Junio Bildarchiv/AgeFotostock.]

O Continuum Saúde-Doença Em quase todos os capítulos, exploramos os suportes bioquímicos das doenças em Aspectos Clínicos. Nessas abordagens, os estudantes observam como os conceitos então apresentados influenciam um aspecto da doença ou da sua cura. Ao explorar conceitos bioquímicos no contexto de uma doença, os estudantes aprendem como estes são relevantes à vida humana e o que acontece quando ocorrem distúrbios bioquímicos. Alguns exemplos de questões formuladas em todo o livro sobre nossa saúde incluem: • Como age a aspirina? (p. 168) • Por que algumas pessoas sentem dor de estômago quando Aspecto Clínico bebem leite? (p. 248) Galactose é Muito Tóxica se a Transferase Estiver Ausente Menos comuns do que a intolerância à lactose são os distúrbios que interferem • Como a catarata resulta de um defeito em uma única via com o metabolismo da galactose. O distúrbio no metabolismo da galactose é chamado de galactosemia. A forma mais comum, dita galactosemia clássica, é uma bioquímica? (p. 249) carência hereditária na atividade da galactose 1-fosfato uridiltransferase. As crianças atingidas apresentam atraso de crescimento. Vomitam ou apresentam diarreia após consumirem leite, e são comuns hepatomegalia e icterícia, às vezes progredindo • Em que câncer e treinamento físico são biologicamente para cirrose. Formar-se-á catarata e também são comuns letargia e atraso mental. O nível sanguíneo de galactose é muito elevado e a ose é encontrada na urina. A semelhantes? (p. 254) ausência da transferase nas hemácias é um critério de diagnóstico definitivo. O tratamento mais comum é remover da dieta a galactose (e a lactose). Um • Como o estudo de abuso de drogas fornece entendimento enigma da galactosemia é que, embora a eliminação da galactose da dieta evite a doença hepática e o desenvolvimento da catarata, a maioria dos pacientes ainda da doença de Parkinson? (p. 338) sofre de disfunção do sistema nervoso central, de modo mais comum uma aquisição retardada das habilidades da linguagem. O sexo feminino também exibe • Como certos tipos de colesterol são preditivos de infarto falência ovariana. A formação da catarata é mais bem conhecida. A catarata é o enevoamento do miocárdio? (p. 458) do cristalino, normalmente transparente (Figura 15.11). Se a transferase não for ativa no cristalino, a presença de aldose redutase faz com que o acúmulo de galactose seja reduzido a galactitol*. • O que ocorre quando atletas fazem uso de esteroides? (p. 462) • Como erros na transcrição do DNA podem provocar câncer? (p. 559) • Como a indução de mais erros na transcrição do DNA pode tratar o câncer? (p. 559) O

C

C

H

C

OH

HO

C

H

HO

C

H

H

C

OH

CH2OH

Galactose

H

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H

NADPH + H+

+

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C

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H

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H

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NADP

Aldose redutase

(A)

(B) Figura 15.11 Cataratas são evidentes, com o enevoamento dos cristalinos. (A) Um olho saudável. (B) Um olho com catarata. [(A) © Imageafter; (B) SPL/Photo Researchers.]

CH2OH

Galactitol

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Prefácio

Excentricidades da Natureza e Ocorrências Cotidianas A Bioquímica influencia todos os aspectos do nosso mundo, algumas vezes de modos estranhos e espantosos. Descrevemos alguns desses fenômenos bioquímicos em Aspectos Biológicos em vários capítulos deste livro. Assim como os Aspectos Clínicos, os Aspectos Biológicos sustentam o Aspecto Biológico entendimento de conceitos bioquímicos dos estudantes à Venenos de Cobra Digerem às Avessas medida que eles aprendem como simples alterações nos A maioria dos animais ingere alimento e, em resposta a essa ingestão, produzem enzimas que digerem o alimento. Muitas processos bioquímicos podem ter efeitos significativos. cobras venenosas, por outro lado, fazem o oposto. Elas injetam enzimas digestivas em suas refeições em potencial, para começar Objetivamos enriquecer o entendimento dos estudantes o processo de digestão às avessas, antes de elas ainda consumirem as refeições. de seu mundo respondendo a questões do tipo: O veneno de cobra consiste em 50 a 60 proteínas e peptídeos diferentes que diferem entre as espécies e possivelmente mesmo entre • Como as cobras digerem o alimento antes de consumias cobras da mesma espécie. Considere a cascavel (Figura 13.11). O seu veneno contém uma gama de enzimas que digerem os tecidos da vítima. Fosfolipases digerem as membranas celulares no local da lo? (p. 208) picada, causando uma perda dos componentes celulares. As fosfolipases também rompem as membranas das hemácias, destruindo-as • O que acontece quando as algas respiram em excesso? (um processo dito hemólise). A colagenase digere o colágeno, um (p. 321) • Por que é uma má ideia comer batatas fritas verdes? (p. 352) • Como agem os herbicidas? (p. 360) • Por que o pão fica velho? (p. 370)

Figura 13.11 Uma cascavel pronta para atacar. A cascavel injeta enzimas digestivas em suas possíveis refeições. [Steve Hamblin/Alamy.]

O Contexto Geral Na leitura sobre o metabolismo de biomoléculas individuais, pode-se facilmente perder de vista seu contexto mais amplo — de que modo as vias se entrelaçam e se cruzam para fazer um organismo trabalhar. Nas seções Metabolismo no Contexto, empregamos um exemplo repetido de utilização de substâncias energéticas para mostrar como os produtos de uma via afetam ou são afetados por outros. Os estudantes podem observar que as vias que estão no momento estudando não existem isoladamente, mas trabalham harmoniosamente com outras vias que eles já estudaram. O metabolismo de todas as biomoléculas é apresentado em: • Sinalização de Insulina Regula o Metabolismo (Capítulo 12) • Sinalização Celular Facilita a Digestão (Capítulo 13) • Precursores Formados pelo Músculo São Utilizados por Outros Órgãos (Capítulo 16) • A Degradação e a Síntese do Glicogênio São Inversamente Reguladas (Capítulo 24) • Metabolismo de Ácido Graxo é uma Fonte de Compreensão para Várias Doenças (Capítulo 26) • Etanol Altera o Metabolismo Energético no Fígado (Capítulo 27)

Ferramenta de Ensino

Doador de ponte de hidrogênio

Aceptor de ponte de hidrogênio

0,9 Å

N

2,0 Å

H 180°

O

Além de mostrar como a Bioquímica pode enriquecer o entendimento do mundo pelos estudantes através dos Aspectos Clínicos, Aspectos Biológicos e Metabolismo no Contexto, desenvolvemos as seguintes apresentações para ajudá-los: • Questões Rápidas imitam o momento em uma aula quando o professor pergunta “Você entendeu?”. Essas questões permitem ao estudante verificar seu entendimento do material que leu. Respostas para as questões são dadas próximo ao fim de cada capítulo. • Estruturas à Margem são lembretes de uma molécula ou de um grupamento que os estudantes estudaram no começo do livro ou em outro curso. Isso permite aos estudantes entender o tópico em questão sem ter que consultar em outro local uma estrutura básica ou fundamentos de Química Orgânica. • Fatos à Margem são apartes resumidos para o tópico bioquímico em consideração. Mostram fatos relevantes ou, semelhante aos Aspectos Biológicos, como utilizar a Bioquímica na vida diária.

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Prefácio

• Notas à Margem de Vitaminas e Coenzimas realçam as moléculas que tomam parte em mecanismos enzimáticos ou em vias metabólicas importantes. Nessas Notas à Margem, os estudantes descobrirão como obtemos vitaminas de nossa alimentação e o que acontece se não as ingerimos em quantidade suficiente. Essas moléculas essenciais e suas estruturas estão também listadas no apêndice D, de modo que os estudantes podem facilmente encontrar a página onde cada vitamina é abordada no livro. • Problemas ao Fim do Capítulo auxiliam os estudantes a revisar e a aplicar os conceitos bioquímicos aprendidos. As soluções dos problemas ao fim do capítulo são apresentadas ao final do livro. Entre os cerca de 40 problemas por Seção, incluem-se problemas gerais, bem como duas categorias para encorajar o desenvolvimento de habilidades específicas: Problemas de Interpretação de Dados formulam questões sobre um conjunto de dados fornecido em forma de tabelas ou de gráficos. Esses problemas mostram aos estudantes como são obtidas as conclusões científicas. Problemas de Integração de Capítulos exigem do estudante utilizar informações de vários capítulos para alcançar uma solução. Esses problemas reforçam a conscientização do estudante da interligação dos diferentes aspectos da Bioquímica. • Vídeos de Resolução de Problemas, disponíveis no web site Companion, fornecem aos estudantes uma estratégia comprovada para os problemas abordados (ver a seguir).

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Vitamina C. Os humanos estão entre os poucos animais incapazes de sintetizar vitamina C. Produtos cítricos são as fontes mais comuns dessa vitamina. A vitamina C funciona com um antioxidante geral ao reduzir pelo corpo todo a presença de espécies químicas reativas de oxigênio. Além disso, serve como um antioxidante específico por manter metais no estado reduzido necessários a certas enzimas, tal como a enzima que sintetiza hidroxiprolina.

[Don Farrell/Digital Vision/Getty Images.]

Mídia e Complementos (disponíveis apenas na edição em inglês pela editora W. H. Freeman and Company) Um complemento amplo de recursos de mídia e suplementos fornece aos instrutores e estudantes ferramentas inovadoras para auxiliar uma variedade de abordagens de ensino e aprendizagem. Todos esses recursos estão inteiramente integrados com o estilo e com os objetivos do livro.

eBook O eBook permite aos instrutores e aos estudantes acessar o livro inteiro on line, em qualquer lugar e a qualquer hora. Ele está também disponível para download para uso offline. O texto eBook é totalmente pesquisável e pode ser anotado com características de procura de apontamentos e de notas de destaque. Os estudantes podem copiar e passar do texto do eBook acrescentando seus próprios apontamentos, e seções importantes podem ser impressas. Para mais informações, visite www.coursesmart.com.

Companion Web Site — www.whfreeman.com/Tymoczko Para Estudantes

• Seção 17, Bioquímica Experimental, está disponível em formato pdf para os cursos com bastante tempo para o aprofundamento em técnicas experimentais. O Capítulo 40, Técnicas em Bioquímica de Proteínas, e o Capítulo 41, Técnicas Imunológicas e de DNA Recombinante, exploram as técnicas utilizadas por bioquímicos para confirmar o que já conhecemos. • Vídeos de Resolução de Problemas, criados por Scott Ensign, da Universidade Estadual de Utah, simulam experiência de ter o professor pronto para atender no 24/7. A cada 10 minutos, o vídeo abrange um problema do livro, enfocando um assunto que os estudantes tradicionalmente têm dificuldade para sobrepujar. Em uma abordagem dupla, o Dr. Ensign inicialmente descreve uma

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Prefácio

estratégia para resolver problemas substanciados em evidências, aplicando então a estratégia ao problema em etapas claras e concisas, fáceis de alcançar. Os estudantes podem comodamente parar, retroceder e rever quaisquer etapas, até que se sintam bem seguros não apenas com a solução do problema, mas também com o raciocínio que ele exige. Trabalhando com problemas desse modo, objetiva-se tornar os estudantes mais capazes e mais confiantes em aplicar as estratégias para resolver problemas quando eles trabalham até com outros livros e questões de exames. Figuras ao Vivo permitem aos estudantes observarem muitas ilustrações • no livro de estrutura de proteínas on line em formato Jmol. Os estudantes podem ampliar as imagens e rodar 57 estruturas “ao vivo” para obter um entendimento melhor de sua natureza tridimensional e poder experimentar diferentes estilos de exibição (preenchimento de espaço, bola e bastão, fitas, arcabouço) por meio de uma interface de fácil utilização. • Ferramentas de autoavaliação permitem ao estudante testar seu conhecimento obtendo de cada capítulo questões de múltipla escolha on line. Há também disponíveis questões de revisão de Química Geral. • Web Links conectam os estudantes com o mundo da Bioquímica para além da sala de aula.

Para os Instrutores Todas as características já listadas para os estudantes mais: • JPEGs Otimizados de cada ilustração, fotografia e quadro no livro, incluindo estruturas de compostos comuns, claridade e visibilidade máxima garantidas nos salões de leitura ou em telas de computador. Os JPEGs são também oferecidos em arquivos de PowerPoint separados. • Banco de Testes, por Harvey Nikkel, da Universidade Estadual de Grand Valley, Susan Knock, da Texas A&M Universidade de Galveston, e Joseph Provost, da Universidade Estadual de Minnesota, da cidade de Moorhead, oferece mais de 1.500 questões em formato editável Word. Todos os recursos para os instrutores também estão disponíveis no Instructor’s Resource CD-ROM (ISBN: 1-4292-2865-2).

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Conteúdo Resumido PARTE I

O PLANO MOLECULAR DA VIDA SEÇÃO 1 A Bioquímica Ajuda-nos a Entender Nosso Mundo, 1 Capítulo 1 Capítulo 2

Bioquímica e a Unidade da Vida, 3 Água, Ligações Fracas e a Geração de Ordem Fora do Caos, 17

SEÇÃO 2

Composição e Estrutura de Proteínas, 33 Aminoácidos, 35 Estrutura Tridimensional das Proteínas, 45

Capítulo 3 Capítulo 4

SEÇÃO 10 As Reações à Luz da Fotossíntese e o Ciclo de Calvin, 345 Capítulo 21 As Reações à Luz, 347 Capítulo 22 O Ciclo de Calvin, 364 SEÇÃO 11 Metabolismo do Glicogênio e a Via Pentose Fosfato, 379 Capítulo 23 Degradação do Glicogênio, 381 Capítulo 24 Síntese do Glicogênio, 392 Capítulo 25 A Via Pentose Fosfato, 404

SEÇÃO 4

SEÇÃO 12 Metabolismo de Ácidos Graxos e de Lipídeos, 415 Capítulo 26 Degradação de Ácidos Graxos, 417 Capítulo 27 Síntese de Ácidos Graxos, 433 Capítulo 28 Síntese de Lipídeos: Lipídeos de Armazenamento, Fosfolipídeos e Colesterol, 447

SEÇÃO 5 Membranas Celulares, Canais, Bombas e Receptores, 161 Capítulo 11 Função e Estrutura da Membrana, 163 Capítulo 12 Vias de Transmissão de Sinal, 181

SEÇÃO 13 O Metabolismo das Moléculas que Contêm Nitrogênio, 467 Capítulo 29 Síntese de Aminoácidos, 469 Capítulo 30 Metabolismo de Nucleotídeos, 482 Capítulo 31 Degradação de Aminoácidos e o Ciclo da Ureia, 499

PARTE II

PARTE III

SEÇÃO 3

Capítulo 5 Capítulo 6 Capítulo 7 Capítulo 8

Conceitos Básicos e Cinética das Enzimas, 67 Conceitos Básicos da Ação Enzimática, 69 Cinética e Regulação, 79 Mecanismos Inibidores, 96 Hemoglobina, uma Proteína Alostérica, 112

Glicídeos e Lipídeos, 125 Capítulo 9 Glicídeos, 127 Capítulo 10 Lipídeos, 147

TRANSFORMAÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA SEÇÃO 6 Conceitos Básicos e Esboço do Metabolismo, 201 Capítulo 13 Digestão: Transformando uma Refeição em Compostos Bioquímicos Celulares, 203 Capítulo 14 Metabolismo: Esboço e Conceitos Básicos, 212 SEÇÃO 7

Glicólise e Gliconeogênese, 233 Capítulo 15 Glicólise, 235 Capítulo 16 Gliconeogênese, 259 SEÇÃO 8

O Ciclo do Ácido Cítrico, 275 Capítulo 17 Preparação para o Ciclo, 277 Capítulo 18 Colhendo Elétrons do Ciclo, 288

SÍNTESE DAS MOLÉCULAS DA VIDA SEÇÃO 14 Estrutura dos Ácidos Nucleicos e Replicação do DNA, 517 Capítulo 32 Estrutura das Macromoléculas da Informação: DNA e RNA, 519 Capítulo 33 Replicação do DNA, 538 Capítulo 34 Reparo e Recombinação do DNA, 553 SEÇÃO 15 Síntese, Processamento e Regulação de RNA, 567 Capítulo 35 Síntese e Regulação de RNA em Procariontes, 569 Capítulo 36 Expressão Gênica em Eucariontes, 583 Capítulo 37 Processamento de RNA em Eucariontes, 596 SEÇÃO 16

SEÇÃO 9

Fosforilação Oxidativa, 305 Capítulo 19 A Cadeia Transportadora de Elétrons, 307 Capítulo 20 A Força Próton-Motriz, 326

Síntese Proteica, 607 Capítulo 38 O Código Genético, 609 Capítulo 39 O Mecanismo da Síntese de Proteínas, 623 SEÇÃO 17

Bioquímica Experimental, 643 Capítulo 40 Técnicas em Bioquímica de Proteínas, 645 Capítulo 41 Técnicas Imunológicas e de DNA Recombinante, 661

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Conteúdo PARTE I O PLANO MOLECULAR DA VIDA SEÇÃO 1 A Bioquímica Ajuda-nos a Entender Nosso Mundo, 1

Ácidos Têm Diferentes Tendências a se Ionizarem, 27 Tampões Resistem a Variações de pH, 28 Tampões São Muito Importantes em Sistemas Biológicos, 28

SEÇÃO 2 Composição e Estrutura de Proteínas, 33

Capítulo 1 Bioquímica e a Unidade da Vida, 3

Capítulo 3 Aminoácidos, 35

1.1 Os Sistemas Vivos Necessitam de um Número Limitado de Átomos e de Moléculas, 4 1.2 Há Quatro Classes Importantes de Biomoléculas, 5

3.1 Proteínas São Construídas a Partir de um Repertório de 20 Aminoácidos, 36

Proteínas São as Mais Versáteis das Biomoléculas, 5 Ácidos Nucleicos São as Moléculas de Informação da Célula, 6 Lipídeos São uma Forma de Armazenamento de Energia e Servem como uma Barreira, 7 Glicídeos São Energéticos e Moléculas de Informação, 7

1.3 O Dogma Central Descreve os Princípios Básicos da Transferência de Informação Biológica, 8 1.4 Membranas Definem a Célula e Executam Funções Celulares, 9 Funções Bioquímicas São Sequestradas em Compartimentos Celulares, 9 Organelas Facilitam os Processos Bioquímicos, 11 Algumas Organelas Processam e Fazem a Triagem de Proteínas e Trocam Material com o Ambiente, 13 Aspecto Clínico Defeitos na Função das Organelas Podem Levar à Doença, 14

Capítulo 2 Água, Ligações Fracas e a Geração de Ordem Fora do Caos, 17 2.1 Movimentos Térmicos Impulsionam Interações Biológicas, 18 2.2 Interações Bioquímicas Ocorrem em Solução Aquosa, 18 2.3 Interações Fracas São Importantes Propriedades Biológicas, 19 Interações Eletrostáticas São Entre Cargas Elétricas, 20 Pontes de Hidrogênio Formam-se Entre um Átomo Eletronegativo e o Hidrogênio, 20 Interações de Van der Waals Dependem da Assimetria Transitória na Carga Elétrica, 21 Ligações Fracas Permitem Repetidas Interações, 21

2.4 Moléculas Hidrófobas Agrupam-se, 22 Moléculas Anfipáticas Podem Formar Compartimentos na Presença de Água, 23 Dobras de Proteínas São Impulsionadas por Interações Hidrófobas, 24 Grupamentos Funcionais Têm Propriedades Químicas Características, 24

2.5 pH é um Importante Parâmetro de Sistemas Bioquímicos, 26 Água Ioniza-se em uma Pequena Extensão, 26 Um Ácido é um Doador de Prótons, Enquanto uma Base é um Aceptor de Prótons, 26

A Maioria dos Aminoácidos Existe em Duas Formas de Imagens Especulares, 36 Todos os Aminoácidos Têm pelo Menos Dois Grupamentos Carregados, 36

3.2 Aminoácidos Contêm um Amplo Arranjo de Grupamentos Funcionais, 37 Aminoácidos Hidrófobos Têm Sobretudo Cadeias Laterais Hidrocarbonadas, 37 Aminoácidos Polares Têm Cadeias Laterais que Possuem um Átomo Eletronegativo, 39 Aminoácidos Carregados Positivamente São Hidrófilos, 40 Aminoácidos Carregados Negativamente Têm Cadeias Laterais Acídicas, 41 As Cadeias Laterais Ionizáveis Acentuam a Reatividade e a Ligação, 41

3.3 Aminoácidos Essenciais Devem Ser Obtidos da Alimentação, 42 Aspecto Clínico Condições Patológicas Resultam se a Ingestão de Proteínas é Inadequada, 43

Capítulo 4 Estrutura Tridimensional das Proteínas, 45 4.1 Estrutura Primária: Aminoácidos Unem-se por Ligações Peptídicas, Formando Cadeias Polipeptídicas, 46 Proteínas Têm Sequências Características Especificadas por Genes, 47 Cadeias Polipeptídicas São Flexíveis, Embora Conformacionalmente Restritas, 48

4.2 Estrutura Secundária: Cadeias Polipeptídicas Podem Dobrar-se em Estruturas Regulares, 50 A Alfa-hélice é uma Estrutura Espiralada Estabilizada por Pontes de Hidrogênio Dentro da Cadeia, 50 As Lâminas Beta São Estabilizadas por Pontes de Hidrogênio Entre Filamentos Polipeptídicos, 52 Cadeias Polipeptídicas Podem Mudar o Sentido por Realizar Voltas Reversas e Alças, 53 Proteínas Fibrosas Fornecem Suporte Estrutural para Células e Tecidos, 54 Aspecto Clínico Deficiência de Vitamina C Causa Escorbuto, 55

4.3 Estrutura Terciária: Proteínas Hidrossolúveis Dobram-se em Estruturas Compactas, 55 Mioglobina Ilustra os Fundamentos da Estrutura Terciária, 56 A Estrutura Terciária de Muitas Proteínas Pode Ser Dividida em Unidades Estrutural e Funcional, 57

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Conteúdo

4.4 Estrutura Quaternária: Várias Cadeias Polipeptídicas Podem Reunir-se em uma Única Proteína, 58 4.5 A Sequência de Aminoácidos de uma Proteína Determina Sua Estrutura Tridimensional, 58 Proteínas Dobram-se por Estabilização Progressiva dos Intermediários e Não por Busca ao Acaso, 59 Aspecto Clínico O Mau Dobramento e a Agregação Estão Associados com Algumas Doenças Neurológicas, 61

SEÇÃO 3 Conceitos Básicos e Cinética das

Enzimas, 67 Capítulo 5 Conceitos Básicos da Ação Enzimática, 69 5.1 Enzimas São Catalisadores Poderosos e Muito Específicos, 69 5.2 Muitas Enzimas Necessitam de Cofatores para Atividade, 70 5.3 Energia Livre é uma Função Termodinamicamente Útil para se Entenderem as Enzimas, 71 A Variação de Energia Livre Fornece Informação Sobre a Espontaneidade, mas Não Sobre a Velocidade de uma Reação, 71 A Variação da Energia Livre Padrão de uma Reação Relaciona-se à Constante de Equilíbrio, 72 Enzimas Alteram a Velocidade da Reação, mas Não o Equilíbrio da Reação, 73

5.4 Enzimas Facilitam a Formação do Estado de Transição, 74 A Formação de um Complexo Enzima-Substrato é a Primeira Etapa na Catálise Enzimática, 74 Os Centros Ativos das Enzimas Têm Algumas Características em Comum, 75 A Energia de Ligação Entre a Enzima e o Substrato é Importante para a Catálise, 76 Análogos do Estado de Transição São Potentes Inibidores das Enzimas, 76

Capítulo 6 Cinética e Regulação, 79 6.1 Cinética é o Estudo das Velocidades da Reação, 80 6.2 O Modelo de Michaelis-Menten Descreve a Cinética de Muitas Enzimas, 81 Aspecto Clínico Variações no KM Podem Ter Consequências Fisiológicas, 82 Valores de KM e Vmáx. Podem Ser Determinados de Várias Maneiras, 83 Valores de KM e Vmáx. São Importantes Características das Enzimas, 83 kcat/KM é uma Medida da Eficiência Catalítica, 85 A Maioria das Reações Bioquímicas Inclui Vários Substratos, 85

6.3 Enzimas Alostéricas São Catalisadores e Sensores de Informação, 86 Enzimas Alostéricas São Reguladas pelos Produtos das Vias Sob Seu Controle, 87 Enzimas Alostericamente Reguladas Não Seguem a Cinética de Michaelis-Menten, 88 Enzimas Alostéricas Dependem de Alterações na Estrutura Quaternária, 88

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Moléculas Sinalizadoras Modulam o Equilíbrio R Δ T, 90 O Modelo Sequencial Também Pode Ser Responsável por Efeitos Alostéricos, 91 Aspecto Clínico Perda do Controle Alostérico Pode Resultar em Doenças, 91

Capítulo 7 Mecanismos Inibidores, 96 7.1 Umas Poucas Estratégicas Catalíticas Básicas São Utilizadas por Muitas Enzimas, 96 7.2 Atividade da Enzima Pode Ser Modulada por Temperatura, pH e Moléculas Inibidoras, 97 Temperatura Aumenta a Velocidade de Reações Enzimáticas, 97 A Maioria das Enzimas Tem um pH Ótimo, 98 Enzimas Podem Ser Inibidas por Moléculas Específicas, 99 Inibidores Reversíveis São Cineticamente Distinguíveis, 100 Inibidores Irreversíveis Podem Ser Utilizados para Mapear o Centro Ativo, 102 Aspecto Clínico Penicilina Inativa de Modo Irreversível uma Enzima Importante da Síntese da Parede Bacteriana, 103

7.3 Quimotripsina Ilustra os Fundamentos Básicos da Catálise e da Inibição, 105 Serina 195 é Necessária para a Atividade da Quimotripsina, 105 Ação da Quimotripsina Ocorre em Duas Etapas Unidas por um Intermediário Ligado de Modo Covalente, 106 O Papel Catalítico da Histidina 57 Demonstrou-se por Marcação de Afinidade, 107 Serina é Parte de uma Tríade Catalítica que Inclui Histidina e Ácido Aspártico, 107

Capítulo 8 Hemoglobina, uma Proteína Alostérica, 112 8.1 Hemoglobina Exibe Conduta Cooperativa, 113 8.2 Mioglobina e Hemoglobina Ligam o Oxigênio nos Grupamentos Hemo, 113 Aspecto Clínico Imagens de Ressonância Magnética Funcional Revelam Regiões do Cérebro que Processam Informação Sensorial, 115

8.3 Hemoglobina Liga o Oxigênio de Modo Cooperativo, 115 8.4 Um Regulador Alostérico Determina a Afinidade do Oxigênio pela Hemoglobina, 117 Aspecto Clínico A Afinidade do Oxigênio pela Hemoglobina Ajusta-se às Necessidades Impostas pelo Ambiente, 117 Aspecto Biológico Adaptações da Hemoglobina Permitem o Transporte de Oxigênio em Ambientes Extremos, 118 Aspecto Clínico Anemia Falciforme é uma Doença Causada por uma Mutação na Hemoglobina, 118

8.5 Iontes Hidrogênio e Dióxido de Carbono Promovem a Liberação de Oxigênio, 119 SEÇÃO 4

Glicídeos e Lipídeos, 125

Capítulo 9 Glicídeos, 127 9.1 Oses (Monossacarídeos) São os Glicídeos Mais Simples, 128

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Conteúdo

Muitas Oses Comuns Existem em Formas Cíclicas, 130 Oses Unem-se a Alcoóis e Aminas por Ligações Glicosídicas, 133

9.2 Oses Unem-se para Formar Glicídeos Complexos, 133 Enzimas Específicas São Responsáveis pela Reunião de Oligosídeos, 134 Sacarose, Lactose e Maltose São os Diosídeos Comuns, 134 Glicogênio e Amido São as Formas de Armazenamento da Glicose, 135 Celulose, um Componente Estrutural de Vegetais, é Formada por Cadeias de Glicose, 136 Proteoglicans, Compostos de Polissacarídeo e Proteína, Têm Importantes Papéis Estruturais, 137 Aspecto Clínico Proteoglicans São Importantes Componentes da Cartilagem, 137

9.3 Glicídeos Unem-se a Proteínas para Formar Glicoproteínas, 139 Glicídeos Podem-se Unir a Asparaginas, Serinas e Treoninas das Proteínas, 139 Aspecto Clínico O Hormônio Eritropoetina é uma Glicoproteína, 140 Aspecto Biológico Os Grupos Sanguíneos Baseiam-se nos Padrões de Glicosilação das Proteínas, 140 Aspecto Clínico A Ausência de Glicosilação Pode Resultar em Doenças, 141

9.4 Lectinas São Proteínas que Ligam Glicídeo de Modo Específico, 142 Lectinas Promovem as Interações Entre as Células, 142 Aspecto Clínico Lectinas Facilitam o Desenvolvimento Embrionário, 142 Aspecto Clínico O Vírus da Gripe se Liga a Ácidos Siálicos, 143

Capítulo 10 Lipídeos, 147 10.1 Ácidos Graxos São uma Principal Fonte Energética, 148 Ácidos Graxos Variam no Comprimento da Cadeia e no Grau de Insaturação, 149 O Grau e o Tipo de Insaturação São Importantes para a Saúde, 150

10.2 Triacilgliceróis São a Forma de Armazenamento dos Ácidos Graxos, 151 10.3 Há Três Tipos Comuns de Lipídeos de Membrana, 153 Fosfolipídeos São a Principal Classe de Lipídeos de Membrana, 153 Lipídeos de Membrana Podem Conter Glicídeos, 154 Esteroides São Lipídeos que Têm uma Variedade de Papéis, 155 Aspecto Biológico Membranas de Extremófilos São Formadas de Lipídeos Contendo Éter e Cadeias Ramificadas, 156 Lipídeos de Membrana Contêm uma Porção Hidrófoba e Outra Hidrófila, 156 Algumas Proteínas São Modificadas por Ligação Covalente de Grupamentos Hidrófobos, 157

Aspecto Clínico Envelhecimento Prematuro Pode Resultar de Ligação Inapropriada de um Grupamento Hidrófobo a uma Proteína, 157

SEÇÃO 5

Membranas Celulares, Canais, Bombas e Receptores, 161 Capítulo 11 Função e Estrutura da Membrana, 163 11.1 Fosfolipídeos e Glicolipídeos Formam Lâminas Bimoleculares, 164 Aspecto Clínico Vesículas Lipídicas Podem Ser Formadas a Partir de Fosfolipídeos, 164 Bicamadas Lipídicas São Muito Impermeáveis a Iontes e à Maioria das Moléculas Polares, 165

11.2 Proteínas Executam a Maioria dos Processos da Membrana, 165 Proteínas se Associam com a Bicamada Lipídica de Vários Modos, 166 Aspecto Clínico A Associação da Prostaglandina H2 Sintase-1 com a Membrana Explica a Ação da Aspirina, 168

11.3 Lipídeos e Muitas Proteínas de Membrana Difundem-se Lateralmente na Membrana, 169 11.4 A Fluidez da Membrana é Controlada pela Composição em Ácidos Graxos e pelo Conteúdo de Colesterol, 170 11.5 Um Papel Principal das Proteínas de Membrana é Funcionar como Transportadores, 171 A Na+ -K+ ATPase é uma Bomba Importante em Muitas Células, 171 Aspecto Clínico Os Digitálicos Inibem a Bomba Na+ -K+ Bloqueando Sua Desfosforilação, 172 Resistência a Várias Drogas Põe em Destaque uma Família de Bombas de Membrana com Domínios que Ligam ATP, 173 Aspecto Clínico Ictiose Arlequim é um Resultado Dramático de uma Mutação em uma Proteína Transportadora ABC, 173 Transportadores Secundários Utilizam um Gradiente de Concentração para Impulsionar a Formação de Outro, 173 Canais Específicos Podem Transportar Rapidamente Iontes Através das Membranas, 174 A Estrutura do Canal Iônico de Potássio Revela as Bases da Especificidade Iônica, 175 A Estrutura do Canal Iônico de Potássio Explica Sua Rápida Velocidade de Transporte, 177

Capítulo 12 Vias de Transmissão de Sinal, 181 12.1 Transmissão de Sinal Depende dos Circuitos Moleculares, 182 12.2 Proteínas de Receptor Transmitem Informação Dentro da Célula, 183 Receptores Transmembranares de Sete Hélices Mudam a Conformação em Resposta ao Ligando e Ativam Proteínas G, 183 Ligando Unido ao Receptor 7TM Leva à Ativação das Proteínas G, 184

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Conteúdo Proteínas G Ativadas Transmitem Sinais por se Ligarem a Outras Proteínas, 185 AMPc Estimula a Fosforilação de Muitas Proteínas-alvo por Ativar a Proteína Cinase A, 186 Proteínas G de Modo Espontâneo Regeneram-se Através da Hidrólise do GTP, 186 Aspecto Clínico Cólera e Coqueluche São Devidas à Alteração na Atividade da Proteína G, 187 A Hidrólise de Fosfatidilinositol Bisfosfato pela Fosfolipase C Gera Dois Segundos Mensageiros, 188 Alguns Receptores se Dimerizam em Resposta à União com o Ligando e Recrutam Tirosina Cinases, 189 Alguns Receptores Têm Domínios de Tirosina Cinase Dentro de Suas Estruturas Covalentes, 190 Ras Pertence a Outra Classe de Proteínas G Sinalizadoras, 191

12.3 Metabolismo no Contexto: Sinalização de Insulina Regula o Metabolismo, 192 O Receptor de Insulina é um Dímero que se Fecha ao Redor de uma Molécula de Insulina Ligada, 192 A Cinase Ativada do Receptor de Insulina Inicia uma Cascata de Cinases, 193 A Sinalização de Insulina Termina por Ação de Fosfatases, 194

12.4 Ionte Cálcio é um Mensageiro Citoplasmático Onipresente, 194 12.5 Defeitos nas Vias de Transmissão de Sinal Podem Levar a Doenças, 195 Aspecto Clínico Inibidores da Proteína Cinase Podem Ser Drogas Eficazes Contra o Câncer, 196

PARTE II TRANSFORMAÇÃO E

ARMAZENAMENTO DE ENERGIA SEÇÃO 6

Conceitos Básicos e Esboço do Metabolismo, 201 Capítulo 13 Digestão: Transformando uma Refeição em Compostos Bioquímicos Celulares, 203 13.1 A Digestão Prepara Grandes Biomoléculas para Utilização no Metabolismo, 204 13.2 Proteases Digerem Proteínas em Aminoácidos e Peptídeos, 204 13.3 Glicídeos Alimentares São Digeridos pela ␣-Amilase, 206 13.4 A Digestão de Lipídeos é Complicada pela Sua Hidrofobicidade, 207 Aspecto Biológico Venenos de Cobra Digerem às Avessas, 208

13.5 Metabolismo no Contexto: Sinalização Celular Facilita a Digestão, 209

Capítulo 14 Metabolismo: Esboço e Conceitos Básicos, 212 14.1 O Metabolismo é Composto por Muitas Reações Acopladas que se Interconectam, 213

Metabolismo Consiste em Reações Geradoras de Energia e Reações que Necessitam de Energia, 214 Uma Reação Termodinamicamente Desfavorável Pode Ser Impulsionada por uma Reação Favorável, 214

14.2 ATP é a Moeda Corrente Universal de Energia Livre em Sistemas Biológicos, 215 Hidrólise de ATP é Exergônica, 215 Hidrólise do ATP Impulsiona o Metabolismo por Desviar o Equilíbrio das Reações Acopladas, 216 O Alto Potencial de Fosforila do ATP Resulta de Diferenças Estruturais Entre ATP e Seus Produtos de Hidrólise, 217 Potencial de Transferência de Fosforila é uma Importante Forma de Transformação de Energia Celular, 218 Aspecto Clínico Exercício Depende de Vários Mecanismos Geradores de Energia, 218

14.3 A Oxidação de Compostos Carbonados Energéticos é uma Importante Fonte de Energia Celular, 219 Oxidação do Carbono é Pareada com uma Redução, 220 Compostos com Alto Potencial de Fosforila Podem Acoplar a Oxidação do Carbono para Sintetizar ATP, 220

14.4 As Vias Metabólicas Contêm Muitos Temas que Voltam a Aparecer, 221 Carreadores Ativados Exemplificam o Esboço Modular e a Economia do Metabolismo, 221 Aspecto Clínico Coenzima A e a Prática Médica Nazista, 224 Muitos Carreadores Ativados Derivam de Vitaminas, 225

14.5 Processos Metabólicos São Regulados por Três Vias Principais, 227 As Quantidades de Enzima São Controladas, 228 A Atividade Catalítica é Regulada, 228 A Acessibilidade de Substratos é Regulada, 229

SEÇÃO 7

Glicólise e Gliconeogênese, 233

Capítulo 15 Glicólise, 235 15.1 Glicólise é uma Via de Conversão de Energia, 236 Hexocinase Captura a Glicose na Célula e Começa a Glicólise, 236 Frutose 1,6-Bisfosfato é Gerada a Partir da Glicose 6-fosfato, 238 A Ose de Seis Carbonos é Clivada em Dois Fragmentos de Três Carbonos, 239 A Oxidação de um Aldeido Impulsiona a Formação de um Composto que Tem Alto Poder de Transferência de Fosforila, 240 ATP é Formado por Transferência de Fosforila do 1,3-Bisfosfoglicerato, 241 ATP Adicional é Gerado com a Formação de Piruvato, 241 Duas Moléculas de ATP São Formadas na Conversão de Glicose em Piruvato, 242

15.2 NAD+ é Regenerado a Partir do Metabolismo do Piruvato, 242 Fermentações São um Meio de Oxidar NADH, 243 Fermentações Fornecem Energia Utilizável na Ausência de Oxigênio, 245

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Conteúdo

15.3 Frutose e Galactose São Convertidas em Intermediários Glicolíticos, 246

17.2 O Complexo Piruvato Desidrogenase é Regulado por Dois Mecanismos, 283

Aspecto Clínico Muitos Adultos São Intolerantes ao Leite Porque São Deficientes em Lactase, 248

Aspecto Clínico Regulação Defeituosa da Piruvato Desidrogenase Resulta em Doença, 284

Aspecto Clínico Galactose é Muito Tóxica se a Transferase Estiver Ausente, 249

17.3 O Distúrbio do Metabolismo do Piruvato é a Causa do Beribéri, 284

15.4 A Via Glicolítica é Rigidamente Controlada, 249 Glicólise no Músculo é Regulada por Retroinibição (Inibição por Feedback) para Sustentar as Necessidades de ATP, 250 A Regulação da Glicólise no Fígado Corresponde à Versatilidade Bioquímica do Órgão, 251 Uma Família de Transportadores Capacita a Glicose a Penetrar e a Deixar as Células Animais, 253 Aspecto Clínico Câncer e Exercícios Afetam a Glicólise de uma Maneira Semelhante, 254

15.5 Metabolismo no Contexto: Glicólise Auxilia as Células ␤ Pancreáticas a Reconhecerem a Glicose, 255

Capítulo 16 Gliconeogênese, 259 16.1 Glicose Pode Ser Sintetizada a Partir de Precursores Não Glicídicos, 260 Gliconeogênese Não é uma Reversão da Glicólise, 260 A Conversão de Piruvato em Fosfoenolpiruvato Começa com a Formação de Oxaloacetato, 262 O Oxaloacetato é Levado ao Citoplasma e Convertido em Fosfoenolpiruvato, 263 A Conversão de Frutose 1,6-bisfosfato em Frutose 6-fosfato e Ortofosfato é uma Etapa Irreversível, 264 A Geração de Glicose é um Importante Ponto de Controle, 264 Seis Grupamentos Fosforila de Alto Potencial de Transferência São Gastos na Síntese da Glicose a Partir do Piruvato, 265

16.2 Gliconeogênese e Glicólise São Inversamente Reguladas, 266 A Carga Energética Determina se a Glicólise ou a Gliconeogênese Serão as Mais Ativas, 266 O Balanço Entre a Glicólise e a Gliconeogênese no Fígado é Sensível à Concentração de Glicose no Sangue, 267 Aspecto Clínico A Insulina Falha em Inibir a Gliconeogênese no Diabetes do Tipo 2, 268 Ciclos de Substratos Amplificam Sinais Metabólicos, 269

16.3 Metabolismo no Contexto: Precursores Formados pelo Músculo São Utilizados por Outros Órgãos, 269 16.4 Glicólise e Gliconeogênese São Evolucionariamente Entrelaçadas, 270 SEÇÃO 8

O Ciclo do Ácido Cítrico, 275

Capítulo 18 Colhendo Elétrons do Ciclo, 288 18.1 O Ciclo do Ácido Cítrico Consiste em Dois Estágios, 289 18.2 O Primeiro Estágio Oxida Unidades de Dois Carbonos, 289 Citrato Sintase Forma Citrato a Partir de Oxaloacetato e Acetil Coenzima A, 289 O Mecanismo da Citrato Sintase Impede Reações Indesejáveis, 290 Citrato é Isomerizado a Isocitrato, 291 Isocitrato é Oxidado e Descarboxilado a ␣-Cetoglutarato, 291 Succinil Coenzima A é Formada pela Descarboxilação Oxidativa do ␣-Cetoglutarato, 292

18.3 O Segundo Estágio Regenera Oxaloacetato e Colhe Elétrons Ricos em Energia, 292 Um Composto com Alto Potencial de Transferência é Gerado a Partir da Succinil Coenzima A, 292 Succinil Coenzima A Sintetase Transforma Tipos de Energia Bioquímica, 293 Oxaloacetato é Regenerado pela Oxidação do Succinato, 293 Aspecto Clínico Mutações na Succinato Desidrogenase Resultam em uma Gama de Distúrbios, 294 O Ciclo do Ácido Cítrico Produz Elétrons de Alto Potencial de Transferência, um Nucleosídeo Trifosfato e Dióxido de Carbono, 294

18.4 A Entrada para o Ciclo do Ácido Cítrico e o Metabolismo Através Dele São Controlados, 297 O Ciclo do Ácido Cítrico é Controlado em Vários Pontos, 297 O Ciclo do Ácido Cítrico é uma Fonte de Precursores Biossintéticos, 298 O Ciclo do Ácido Cítrico Tem de Ser Capaz de Rapidamente Ser Reposto, 298

18.5 O Ciclo do Glioxilato Capacita Vegetais e Bactérias a Converterem Lipídeos em Glicídeos, 299 SEÇÃO 9

Fosforilação Oxidativa, 305

Capítulo 19 A Cadeia Transportadora de Elétrons, 307 19.1 Fosforilação Oxidativa em Eucariontes Ocorre em Mitocôndrias, 308

Capítulo 17 Preparação para o Ciclo, 277

Mitocôndrias São Delimitadas por uma Dupla Membrana, 308

17.1 Piruvato Desidrogenase Forma Coenzima A a Partir do Piruvato, 278

Aspecto Biológico Mitocôndrias São o Resultado de um Evento Endossimbiótico, 309

A Síntese de Acetil Coenzima A a Partir do Piruvato Necessita de Três Enzimas e Cinco Coenzimas, 279 Ligações Flexíveis Permitem à Lipoamida Mover-se Entre Centros Ativos Diferentes, 281

19.2 Fosforilação Oxidativa Depende da Transferência de Elétrons, 310 O Potencial de Transferência de Elétrons de um Elétron é Medido como Potencial Redox, 310

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Conteúdo O Fluxo de Elétrons pela Cadeia Transportadora de Elétrons Cria um Gradiente de Prótons, 312 A Cadeia Transportadora de Elétrons é uma Série de Reações Acopladas de Oxidorredução, 312

19.3 A Cadeia Respiratória Consiste em Bombas de Prótons e uma União Física ao Ciclo do Ácido Cítrico, 315 Os Elétrons de Alto Potencial do NADH Entram na Cadeia Respiratória na NADH-Q Oxidorredutase, 316 Ubiquinol é o Ponto de Entrada para Elétrons do FADH2 das Flavoproteínas, 317 Elétrons Fluem do Ubiquinol para o Citocromo c Através da Q-citocromo c Oxidorredutase, 317 O Ciclo Q Converge Elétrons de um Carreador de Dois Elétrons para um Carreador de um Elétron e Bombeia Prótons, 317 Citocromo c Oxidase Catalisa a Redução do Oxigênio Molecular em Água, 319 Aspecto Biológico A Zona da Morte: Respiração Excessiva, 321 Derivados Tóxicos do Oxigênio Molecular, como o Radical Superóxido, São Varridos por Enzimas Protetoras, 322

Capítulo 20 A Força Próton-Motriz, 326 20.1 Um Gradiente de Prótons Impulsiona a Síntese de ATP, 326 ATP Sintase é Composta de uma Unidade Condutora de Prótons e de uma Unidade Catalítica, 328 Fluxo de Prótons Através da ATP Sintase Leva à Liberação do ATP Firmemente Ligado, 328 Catálise Rotacional é o Menor Motor Molecular do Mundo, 329 Fluxo de Prótons ao Redor do Anel c Impulsiona a Síntese de ATP, 330

20.2 Lançadeiras Permitem o Movimento Através das Membranas Mitocondriais, 332 Elétrons do NADH Citoplasmático Entram nas Mitocôndrias por Lançadeiras, 332 A Entrada de ADP nas Mitocôndrias é Acoplada à Saída de ATP, 333 Transportadores Mitocondriais Permitem a Troca Metabólica Entre Citoplasma e Mitocôndrias, 334

20.3 Respiração Celular é Regulada pela Necessidade de ATP, 335 A Oxidação Completa de Glicose Origina Aproximadamente 30 Moléculas de ATP, 335 A Velocidade da Fosforilação Oxidativa é Determinada pelas Necessidades de ATP, 336 Aspecto Biológico Desacoplamento Regulado Leva à Geração de Calor, 337 A Fosforilação Oxidativa Pode Ser Inibida em Muitos Estágios, 338 Aspecto Clínico Do Vício à Morte: Drogas Ilícitas, Doença de Parkinson e Mitocôndrias Envenenadas, 338 Aspecto Clínico Doenças Mitocondriais Aumentam em Número ao Serem Descobertas, 340 Transmissão de Energia por Gradientes de Prótons é um Tema Central da Bioenergética, 340

SEÇÃO 10

As Reações à Luz da Fotossíntese e o Ciclo de Calvin, 345 Capítulo 21 As Reações à Luz, 347 21.1 Fotossíntese Ocorre em Cloroplastos, 348 Aspecto Biológico Cloroplastos, Semelhantes às Mitocôndrias, Surgiram de um Evento Endossimbiótico, 349

21.2 Fotossíntese Transforma Energia Luminosa em Energia Química, 349 Clorofila é o Aceptor Principal de Luz na Maioria dos Sistemas Fotossintéticos, 350 Complexos de Colheita de Luz Aumentam a Eficiência da Fotossíntese, 351 Aspecto Biológico Clorofila em Batatas Sugere a Presença de uma Toxina, 352

21.3 Dois Fotossistemas Geram um Gradiente de Prótons e NADPH, 352 Fotossistema I Utiliza Energia Luminosa para Gerar Ferredoxina Reduzida, um Poderoso Redutor, 353 Fotossistema II Transfere Elétrons para o Fotossistema I e Gera um Gradiente de Prótons, 354 Citocromo bf Une o Fotossistema II ao Fotossistema I, 355 A Oxidação da Água Alcança o Equilíbrio de Oxidorredução e Contribui com Prótons para o Gradiente de Prótons, 355

21.4 Um Gradiente de Prótons Impulsiona a Síntese de ATP, 357 A ATP Sintase dos Cloroplastos se Assemelha à das Mitocôndrias, 357 O Fluxo Cíclico de Elétrons Através do Fotossistema I Leva à Produção de ATP em Vez de NADPH, 358 A Absorção de Oito Prótons Origina Uma Molécula de O2, Duas de NADPH e Três de ATP, 359 Os Componentes da Fotossíntese São Muito Organizados, 359 Aspecto Biológico Muitos Herbicidas Inibem as Reações à Luz da Fotossíntese, 360

Capítulo 22 O Ciclo de Calvin, 364 22.1 O Ciclo de Calvin Sintetiza Hexoses a Partir de Dióxido de Carbono e Água, 364 Dióxido de Carbono Reage com Ribulose 1,5-bisfosfato, Formando Duas Moléculas de 3-fosfoglicerato, 365 Hexoses Fosfato São Produzidas a Partir de Fosfoglicerato e a Ribulose 1,5-bisfosfato é Regenerada, 366 Três Moléculas de ATP e Duas Moléculas de NADPH São Utilizadas para Trazer o Dióxido de Carbono ao Nível de uma Hexose, 368 Aspecto Biológico Uma Erupção Vulcânica Pode Afetar a Fotossíntese de Todo o Mundo, 369 Amido e Sacarose São os Principais Glicídeos de Armazenamento em Vegetais, 370 Aspecto Biológico Por que o Pão se Torna Velho: O Papel do Amido, 370

22.2 O Ciclo de Calvin é Regulado pelo Ambiente, 371 A Via C4 dos Vegetais Tropicais Acelera a Fotossíntese por Concentrar Dióxido de Carbono, 372

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Conteúdo O Metabolismo de Ácidos das Crassuláceas Permite Crescimento em Ecossistemas Áridos, 373 Rubisco é Ativada por Alterações Impulsionadas pela Luz nas Concentrações de Iontes Hidrogênio e de Magnésio, 374 Tiorredoxina Desempenha um Papel Importante na Regulação do Ciclo de Calvin, 374

SEÇÃO 11

Metabolismo do Glicogênio e a Via Pentose Fosfato, 379 Capítulo 23 Degradação do Glicogênio, 381 23.1 Degradação do Glicogênio Necessita de Várias Enzimas, 382 Fosforilase Cliva Glicogênio, Liberando Glicose 1-fosfato, 382 Uma Enzima Desramificadora Também é Necessária para a Quebra do Glicogênio, 382 Fosfoglicomutase Converte Glicose 1-fosfato em Glicose 6-fosfato, 383 Fígado Contém Glicose 6-fosfatase, uma Enzima Hidrolítica Ausente do Músculo, 384

23.2 Fosforilase é Regulada por Interações Alostéricas e Fosforilação Reversível, 384 Fosforilase Muscular é Regulada pela Carga Energética Intracelular, 385 Fosforilase Hepática Produz Glicose para Utilização por Outros Tecidos, 386 Fosforilase Cinase é Ativada por Fosforilação e por Iontes Cálcio, 386 Aspecto Clínico Doença de Hers se Deve a uma Deficiência de Fosforilase, 387

23.3 Epinefrina e Glucagon Sinalizam as Necessidades para a Quebra do Glicogênio, 388 Proteínas G Transmitem o Sinal para a Iniciação da Quebra do Glicogênio, 388 Quebra do Glicogênio Deve Ser Rapidamente Interrompida Quando Houver Necessidade, 389

Capítulo 24 Síntese do Glicogênio, 392 24.1 Glicogênio é Sintetizado e Degradado por Vias Diferentes, 392 UDP-Glicose é uma Forma Ativada de Glicose, 393 Glicogênio Sintase Catalisa a Transferência de Glicose a Partir da UDP-Glicose para uma Cadeia em Crescimento, 393 Uma Enzima Ramificadora Forma as Ligações ␣-1,6, 394 Glicogênio Sintase é a Enzima Reguladora Importante na Síntese do Glicogênio, 395 Glicogênio é uma Forma Eficiente de Armazenamento de Glicose, 395

24.2 Metabolismo no Contexto: A Degradação e a Síntese do Glicogênio São Inversamente Reguladas, 395 Proteína Fosfatase 1 Reverte os Efeitos Reguladores das Cinases Sobre o Metabolismo do Glicogênio, 396 Insulina Estimula a Síntese do Glicogênio por Ativar a Glicogênio Sintase Cinase, 398 O Metabolismo do Glicogênio no Fígado Regula a Glicemia, 398

Aspecto Clínico Diabetes Mellitus Resulta da Deficiência de Insulina e Excesso de Glucagon, 399 Aspecto Clínico É Possível um Entendimento Bioquímico das Doenças de Armazenamento de Glicogênio, 400

Capítulo 25 A Via Pentose Fosfato, 404 25.1 A Via Pentose Fosfato Origina NADPH e Pentoses, 405 Duas Moléculas de NADPH São Geradas na Conversão de Glicose 6-fosfato em Ribulose 5-fosfato, 405 A Via Pentose Fosfato e a Glicólise São Unidas pela Transcetolase e pela Transaldolase, 405

25.2 Metabolismo no Contexto: Glicólise e Via das Pentoses São Controladas de Modo Coordenado, 409 A Velocidade da Via das Pentoses é Controlada pelo Nível de NADP+, 409 O Destino da Glicose 6-fosfato Depende da Necessidade de NADPH, Ribose 5-fosfato e de ATP, 409

25.3 Glicose 6-fosfato Desidrogenase Reduz o Estresse Oxidativo, 411 Aspecto Clínico A Deficiência de Glicose 6-fosfato Desidrogenase Causa uma Anemia Hemolítica Induzida por Droga, 412 Aspecto Biológico Uma Deficiência de Glicose 6-fosfato Desidrogenase Confere uma Vantagem Evolutiva em Algumas Circunstâncias, 413

SEÇÃO 12 Metabolismo de Ácidos Graxos e de Lipídeos, 415

Capítulo 26 Degradação de Ácidos Graxos, 417 26.1 Ácidos Graxos São Processados em Três Estágios, 417 Triacilgliceróis São Hidrolisados por Lipases Sensíveis a Hormônio, 418 Ácidos Graxos se Unem à Coenzima A Antes de Serem Oxidados, 419 Aspecto Clínico Ocorrem Doenças se os Ácidos Graxos Não Puderem Penetrar nas Mitocôndrias, 420 Acetil CoA, NADH e FADH2 São Gerados por Oxidação de Ácidos Graxos, 421 A Completa Oxidação de Palmitato Gera 106 Moléculas de ATP, 422

26.2 A Degradação de Ácidos Graxos Insaturados e de Cadeia Ímpar Necessita de Etapas Adicionais, 423 Uma Isomerase e uma Redutase São Necessárias para a Oxidação de Ácidos Graxos Insaturados, 423 Ácidos Graxos de Cadeia Ímpar Originam Propionil CoA na Etapa Final de Tiólise, 424

26.3 Corpos Cetônicos São Outra Fonte Energética Derivada de Lipídeos, 425 Síntese de Corpos Cetônicos Ocorre no Fígado, 425 Animais Não Podem Converter Ácidos Graxos em Glicose, 426

26.4 Metabolismo no Contexto: Metabolismo de Ácido Graxo é uma Fonte de Compreensão para Várias Doenças, 426

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Conteúdo Diabetes Pode Levar a uma Produção Excessiva de Corpos Cetônicos Potencialmente Fatal, 426 Corpos Cetônicos São uma Fonte Muito Importante de Energia Durante o Jejum Prolongado, 427

Capítulo 27 Síntese de Ácidos Graxos, 433 27.1 A Síntese de Ácidos Graxos Ocorre em Três Estágios, 434 Citrato Carreia Grupamentos Acetila da Mitocôndria para o Citoplasma, 434 Várias Fontes Fornecem NADPH para a Síntese de Ácidos Graxos, 435 A Formação de Malonil CoA é a Etapa Limitante da Síntese de Ácidos Graxos, 435 Síntese de Ácidos Graxos Consiste em uma Série de Reações de Condensação, Redução, Desidratação e Redução, 436 A Síntese de Palmitato Necessita de 8 Moléculas de Acetil CoA, 14 de NADPH e 7 de ATP, 438 Ácidos Graxos São Sintetizados em Animais por um Complexo Enzimático Multifuncional, 438 Aspecto Clínico Inibidores da Ácido Graxo Sintase Podem Ser Medicamentos Úteis, 439 Aspecto Clínico Um Ácido Graxo Pequeno que Causa Grandes Problemas, 439

27.2 Enzimas Adicionais Alongam e Insaturam Ácidos Graxos, 439 Enzimas Ligadas à Membrana Geram Ácidos Graxos Insaturados, 440 Hormônios Icosanoides Derivam de Ácidos Graxos Polinsaturados, 440 Aspecto Clínico Aspirina Exerce Seus Efeitos por Modificar de Modo Covalente uma Enzima Importante, 441

27.3 Acetil CoA Carboxilase é uma Importante Enzima Reguladora do Metabolismo de Ácidos Graxos, 441 Acetil CoA Carboxilase é Regulada por Condições Celulares, 441 Acetil CoA Carboxilase é Regulada por uma Gama de Hormônios, 442

27.4 Metabolismo no Contexto: Etanol Altera o Metabolismo Energético no Fígado, 443

Capítulo 28 Síntese de Lipídeos: Lipídeos de Armazenamento, Fosfolipídeos e Colesterol, 447 28.1 Fosfatidato é um Precursor de Lipídeos de Armazenamento e de Muitos Lipídeos de Membrana, 447 Triacilglicerol é Sintetizado a Partir do Fosfatidato em Duas Etapas, 448 Síntese de Fosfolipídeo Necessita de Precursores Ativados, 448 Esfingolipídeos São Sintetizados a Partir da Ceramida, 450 Aspecto Clínico Gangliosídeos Servem como Locais de Ligação para Patógenos, 451 Aspecto Clínico Metabolismo Lipídico Alterado Resulta na Síndrome da Angústia Respiratória e na Doença de Tay-Sachs, 451

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28.2 Colesterol é Sintetizado a Partir de Acetil Coenzima A em Três Estágios, 452 A Formação de Mevalonato Inicia a Síntese de Colesterol, 453 Esqualeno (C30) é Sintetizado a Partir de Seis Moléculas de Isopentenil Pirofosfato (C5), 453 Esqualeno se Cicliza Formando Colesterol, 454

28.3 A Regulação da Síntese de Colesterol Ocorre em Vários Níveis, 454 28.4 Lipoproteínas Transportam Colesterol e Triacilgliceróis por Todo o Organismo, 456 Aspecto Clínico Os Níveis Sanguíneos de Certas Lipoproteínas Podem Servir a Propósitos Diagnósticos, 457 Lipoproteínas de Baixa Densidade Desempenham um Papel Fundamental no Metabolismo do Colesterol, 457 Aspecto Clínico A Ausência do Receptor de LDL Leva à Hipercolesterolemia e à Aterosclerose, 458

28.5 Colesterol é o Precursor de Hormônios Esteroides, 460 Sais Biliares Facilitam a Absorção de Lipídeos, 460 Hormônios Esteroides São Moléculas Sinalizadoras Muito Importantes, 460 Vitamina D Deriva do Colesterol pela Energia Solar, 462 Aspecto Clínico Vitamina D é Necessária para o Desenvolvimento Ósseo, 462 Aspecto Clínico Androgênios Podem Ser Utilizados para de Modo Artificial Aumentar o Desempenho Atlético, 462 Átomos de Oxigênio São Adicionados aos Esteróis pelas Monoxigenases Citocromo P450, 462 Metabolismo no Contexto: Etanol Também é Processado pelo Sistema P450, 463

SEÇÃO 13 O Metabolismo das Moléculas que Contêm Nitrogênio, 467

Capítulo 29 Síntese de Aminoácidos, 469 29.1 O Complexo de Nitrogenase Fixa Nitrogênio, 470 O Cofator Molibdênio-Ferro da Nitrogenase Liga e Reduz o Nitrogênio Atmosférico, 471 Ionte Amônio é Incorporado em um Aminoácido Através do Glutamato e da Glutamina, 472

29.2 Aminoácidos São Produzidos a Partir de Intermediários das Principais Vias, 472 Humanos Podem Sintetizar Alguns Aminoácidos, mas Devem Obter Outros da Alimentação, 472 Alguns Aminoácidos Podem Ser Produzidos por Reações de Transaminação Simples, 473 Serina, Cisteína e Glicina São Formadas a Partir de 3-fosfoglicerato, 474 Tetra-hidrofolato Carreia Unidades Monocarbonadas Ativadas, 474 S-Adenosilmetionina é o Principal Doador de Metilas, 476 Aspecto Clínico Altos Níveis de Homocisteína se Correlacionam com Doença Vascular, 477

29.3 Inibição por Feedback Regula a Biossíntese de Aminoácidos, 477 A Etapa Limitante é o Local Comum de Regulação, 477 Vias Ramificadas Necessitam de Regulação Sofisticada, 478

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Capítulo 30 Metabolismo de Nucleotídeos, 482 30.1 Uma Visão Geral da Nomenclatura e da Biossíntese de Nucleotídeos, 483 30.2 O Anel Pirimidínico é Montado e Daí Unido a uma Ribose, 484 CTP é Formada pela Aminação de UTP, 485 Cinases Convertem Nucleosídeos Monofosfatos em Nucleosídeos Trifosfatos, 485

30.3 O Anel Purínico é Montado Sobre a Ribose Fosfato, 486 AMP e GMP São Formados a Partir de IMP, 488 Bases Podem Ser Recicladas pelas Vias de Recuperação, 488

30.4 Ribonucleotídeos São Reduzidos a Desoxirribonucleotídeos, 489 Timidilato é Formado por Metilação do Desoxiuridilato, 490 Aspecto Clínico Vários Medicamentos Valiosos Contra o Câncer Bloqueiam a Síntese de Timidilato, 490

30.5 Biossíntese de Nucleotídeos é Regulada Através de Inibição por Feedback, 492 Biossíntese de Pirimidinas é Regulada pela Aspartato Transcarbamilase, 492 A Síntese de Nucleotídeos Purínicos é Controlada Através de Inibição por Feedback em Vários Locais, 492 A Síntese de Desoxirribonucleotídeos é Controlada pela Regulação da Ribonucleotídeo Redutase, 493

30.6 Distúrbios no Metabolismo de Nucleotídeos Podem Causar Doenças, 493 Aspecto Clínico A Perda da Atividade da Adenosina Desaminase Resulta em Imunodeficiência Combinada Severa, 493 Aspecto Clínico Gota é Induzida por Altos Níveis Séricos de Urato, 494 Aspecto Clínico A Síndrome de Lesch-Nyhan é uma Consequência Dramática de Mutações em uma Enzima da Via de Recuperação, 495

Capítulo 31 Degradação de Aminoácidos e o Ciclo da Ureia, 499 31.1 A Remoção do Nitrogênio é a Primeira Etapa na Degradação de Aminoácidos, 500 Grupamentos Amino ␣ São Convertidos em Iontes Amônio por Desaminação Oxidativa do Glutamato, 500 Tecidos Periféricos Transportam Nitrogênio para o Fígado, 501

31.2 Ionte Amônio é Convertido em Ureia na Maioria dos Vertebrados Terrestres, 502 O Ciclo da Ureia é Ligado à Gliconeogênese, 504 Aspecto Clínico Metabolismo no Contexto: Defeitos Hereditários do Ciclo da Ureia Causam Hiperamonemia, 505 Aspecto Biológico Ureia Não é o Único Meio de Eliminar o Excesso de Nitrogênio, 505

31.3 Átomos de Carbono de Aminoácidos Degradados Emergem como Intermediários Metabólicos Importantes, 506

Piruvato é o Ponto de Entrada no Metabolismo, 507 Oxaloacetato é Outro Ponto de Entrada no Metabolismo, 507 Alfacetoglutarato é Ainda Outro Ponto de Entrada no Metabolismo, 507 Succinil CoA é um Ponto de Entrada para Vários Aminoácidos Apolares, 508 Aminoácidos de Cadeia Ramificada Originam Acetil Coenzima A, Acetoacetato ou Succinil Coenzima A, 509 Oxigenases São Necessárias para a Degradação de Aminoácidos Aromáticos, 510 Metionina é Degradada em Succinil Coenzima A, 511 Aspecto Clínico Erros Inatos do Metabolismo Podem Perturbar a Degradação dos Aminoácidos, 512

PARTE III SÍNTESE DAS MOLÉCULAS DA VIDA SEÇÃO 14

Estrutura dos Ácidos Nucleicos e Replicação do DNA, 517 Capítulo 32 Estrutura das Macromoléculas da Informação: DNA e RNA, 519 32.1 Um Ácido Nucleico Consiste em Bases Unidas a um Arcabouço de Ose-Fosfato, 519 DNA e RNA Diferem na Ose e em uma das Bases, 520 Nucleotídeos São as Unidades Monoméricas dos Ácidos Nucleicos, 521 Moléculas de DNA São Muito Longas, 522

32.2 Cadeias de Ácido Nucleico Podem Formar uma Estrutura em Hélice Dupla, 523 A Hélice Dupla é Estabilizada por Pontes de Hidrogênio e pelo Efeito Hidrófobo, 523 A Hélice Dupla Facilita a Transmissão Precisa da Informação Hereditária, 525 Meselson e Stahl Demonstraram que a Replicação é Semiconservativa, 525 As Fitas da Hélice Dupla Podem Ser Reversivelmente Separadas, 526

32.3 As Hélices Duplas do DNA Podem Adotar Várias Formas, 527 Z-DNA é uma Hélice Sinistrorsa na qual as Fosforilas do Arcabouço Ziguezagueiam, 527 Os Sulcos Maior e Menor São Revestidos por Grupamentos Formadores de Pontes de Hidrogênio Específicos para Sequências, 528 DNA de Fita Dupla Pode se Enrolar ao Redor de Si Mesmo para Formar Estruturas Super-helicoidizadas, 529

32.4 DNA de Eucariontes Está Associado com Proteínas Específicas, 530 Nucleossomos São Complexos de DNA e Histonas, 531 DNA de Eucariontes Está Circundado por Histonas Formando Nucleoproteínas, 531 Aspecto Clínico DNA Danificado Pode Inibir o Crescimento de Células Cancerosas, 532

32.5 RNA Pode Adotar Estruturas Elaboradas, 533

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Capítulo 33 Replicação do DNA, 538 33.1 O DNA é Replicado por Polimerases, 539 DNA Polimerase Catalisa a Formação de Ligações Fosfodiéster, 539 A Especificidade da Replicação é Determinada pela Complementariedade das Bases, 541 A Separação das Fitas de DNA Necessita de Helicases Específicas e da Hidrólise de ATP, 541 Topoisomerases Preparam a Dupla Hélice para a Abertura, 542 Aspecto Clínico A Topoisomerase Bacteriana é um Alvo Terapêutico, 543 Muitas Polimerases Revisam as Bases Recentemente Adicionadas e Extirpam os Erros, 543

33.2 A Replicação do DNA é Muito Bem Coordenada, 544 A Replicação do DNA na E. coli Começa em um Único Local, 544 Um Primer de RNA Sintetizado pela Primase Capacita o Começo da Síntese de DNA, 545 Uma Fita de DNA é Produzida Continuamente e a Outra Fita é Sintetizada em Fragmentos, 545 A Replicação do DNA Necessita de Polimerases Muito Processivas, 546 As Fitas Vanguardeira e Retardatária São Sintetizadas de Modo Coordenado, 546 A Síntese de DNA é Mais Complexa em Eucariontes do que em Procariontes, 548 Telômeros São Estruturas Especiais nas Extremidades dos Cromossomos Lineares, 549 Telômeros São Replicados pela Telomerase, uma Polimerase Especializada que Carreia Seu Próprio Molde de RNA, 550

Capítulo 34 Reparo e Recombinação do DNA, 553 34.1 Erros Podem Ocorrer na Replicação do DNA, 554 Aspecto Clínico Algumas Doenças Genéticas São Causadas pela Expansão de Repetições de Três Nucleotídeos, 554 As Bases Podem Ser Danificadas por Agentes Oxidantes, Agentes Alquilantes e Luz, 555

34.2 Danos ao DNA Podem Ser Detectados e Reparados, 557 A Presença da Timina em Vez da Uracila no DNA Permite o Reparo da Citosina Desaminada, 559 Aspecto Clínico Muitos Cânceres São Causados por um Reparo Defeituoso do DNA, 559 Muitos Carcinógenos Potenciais Podem Ser Detectados Através de Sua Ação Mutagênica em Bactérias, 560

34.3 A Recombinação do DNA Desempenha Importantes Papéis na Replicação e no Reparo, 561 RecA Pode Iniciar a Recombinação Através da Promoção da Invasão da Fita, 562 Algumas Reações de Recombinação Ocorrem Através de Intermediários da Junção de Holliday, 562

SEÇÃO 15 Síntese, Processamento e Regulação de RNA, 567

Capítulo 35 Síntese e Regulação de RNA em Procariontes, 569 35.1 RNA Celular é Sintetizado por RNA Polimerases, 569 Genes São Unidades de Transcrição, 571 RNA Polimerase é Composta por Várias Subunidades, 571

35.2 Síntese de RNA Compreende Três Estágios, 571 Transcrição é Iniciada em Locais Promotores no Molde de DNA, 571 Subunidades Sigma da RNA Polimerase Reconhecem os Locais Promotores, 572 As Cadeias de RNA Crescem no Sentido 5 para 3 , 573 Alongamento Ocorre em Bolhas de Transcrição que se Movem ao Longo do Molde de DNA, 574 Um RNA em Forma de Grampo de Cabelo (Hairpin) Seguido por Várias Uracilas Termina a Transcrição de Alguns Genes, 575 A Proteína Rô Ajuda a Terminar a Transcrição de Alguns Genes, 575 Precursores de RNA de Transferência e Ribossomal São Clivados e Quimicamente Modificados Após a Transcrição, 576 Aspecto Clínico Alguns Antibióticos Inibem a Transcrição, 577

35.3 O lac Óperon Ilustra o Controle da Expressão Gênica em Procariontes, 578 Um Óperon Consiste em Elementos Reguladores e em Genes que Codificam Proteínas, 578 A União de um Ligando Induz Alterações Estruturais em Proteínas Reguladoras, 579 Transcrição Pode Ser Estimulada por Proteínas que Entram em Contato com a RNA Polimerase, 579

Capítulo 36 Expressão Gênica em Eucariontes, 583 36.1 Células de Eucariontes Têm Três Tipos de RNA Polimerases, 584 36.2 RNA Polimerase II Necessita de Regulação Complexa, 586 O Complexo Proteico TFIID Inicia a Montagem do Complexo de Transcrição Ativo, 587 Sequências Acentuadoras Podem Estimular a Transcrição em Locais de Partida Milhares de Bases Afastados, 588 Aspecto Clínico Utilização Inapropriada do Acentuador Pode Causar Câncer, 588 Vários Fatores de Transcrição Interagem com Promotores e Acentuadores de Eucariontes, 588

36.3 Expressão Gênica é Regulada por Hormônios, 589 Receptores Nucleares de Hormônios Têm Estruturas de Domínio Semelhantes, 589 Receptores Nucleares de Hormônios Recrutam Coativadores e Correpressores, 590 Aspecto Clínico Receptores dos Hormônios Esteroides São Alvos de Medicamentos, 591

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36.4 Acetilação das Histonas Resulta em Remodelamento da Cromatina, 591 Histona Acetiltransferases Ligam uma Acetila na Lisina das Histonas, 592 Histona Desacetilases Contribuem para a Repressão Transcricional, 593

Capítulo 37 Processamento de RNA em Eucariontes, 596 37.1 RNA Ribossomal Maduro é Gerado pela Clivagem de uma Molécula Precursora, 597 37.2 RNA de Transferência é Amplamente Processado, 597 37.3 RNA Mensageiro é Modificado e Recomposto, 598 Sequências nas Extremidades dos Íntrons Especificam os Locais de Recomposição em Precursores de mRNA, 599 RNA Nucleares Pequenos em Spliceossomos Catalisam a Recomposição de Precursores de mRNA, 600 A Transcrição e a Recomposição do mRNA São Acopladas, 601 Aspecto Clínico Mutações que Afetam a Recomposição dos Pré-mRNA Causam Doenças, 602 A Maioria dos Pré-mRNA Pode Ser Recomposta por Vias Alternativas, Originando Diferentes Proteínas, 602

37.4 RNA Pode Funcionar como um Catalisador, 603 SEÇÃO 16

Síntese Proteica, 607

Capítulo 38 O Código Genético, 609 38.1 O Código Genético Une a Informação do Ácido Nucleico e da Proteína, 609 O Código Genético é Quase Universal, 611 Moléculas de RNA de Transferência Têm um Esboço Comum, 611 Algumas Moléculas de RNA de Transferência Reconhecem Mais de um Códon, Devido à Oscilação no Pareamento de Bases, 613 A Síntese de Proteínas Longas Necessita de uma Baixa Frequência de Erro, 614

38.2 Aminoácidos São Ativados pela União ao RNA de Transferência, 614 Aminoácidos São Inicialmente Ativados por Adenilação, 615 Aminoacil-tRNA Sintetases Têm Pontos de Ativação de Aminoácidos Altamente Discriminantes, 615 A Revisão pela Aminoacil-tRNA Sintetase Aumenta a Fidelidade da Síntese Proteica, 616 Sintetases Reconhecem as Alças do Anticódon e as Hastes Aceptoras das Moléculas de RNA de Transferência, 617

38.3 Um Ribossomo é uma Partícula Ribonucleoproteica Composta de Duas Subunidades, 617 RNA Ribossomal Desempenha um Papel Fundamental na Síntese Proteica, 618 O RNA Mensageiro é Traduzido no Sentido 5 para 3 , 618

Capítulo 39 O Mecanismo da Síntese de Proteínas, 623 39.1 A Síntese de Proteínas Decifra a Informação no RNA Mensageiro, 623

Ribossomos Têm Três Locais de Ligação ao tRNA que Unem as Subunidades 30S e 50S, 623 O Sinal de Iniciação é AUG (ou GUG), Precedido de Várias Bases que se Pareiam com o RNA Ribossomal 16S, 624 A Síntese de Proteínas Bacteriana é Iniciada pelo Formilmetionil RNA de Transferência, 625 Formilmetionil-tRNAf é Colocado no Local P do Ribossomo na Formação do Complexo de Iniciação 70S, 625 Fatores de Alongamento Saem do Aminoacil-tRNA para o Ribossomo, 626 Peptidil Transferase Catalisa a Síntese da Ligação Peptídica, 626 A Formação de uma Ligação Peptídica é Seguida por uma Translocação Impulsionada por GTP de tRNA e de mRNA, 627 A Síntese Proteica Termina por Fatores de Liberação que Leem os Códons de Parada, 628

39.2 Procariontes e Eucariontes Diferem na Iniciação da Síntese de Proteínas, 629 Aspecto Clínico Mutações no Fator de Iniciação 2 Causam uma Doença Curiosa, 630

39.3 Uma Gama de Biomoléculas Pode Inibir a Síntese de Proteínas, 631 Aspecto Clínico Alguns Antibióticos Inibem a Síntese de Proteínas, 631 Aspecto Clínico A Toxina Diftérica Bloqueia a Síntese de Proteínas em Eucariontes por Inibir a Translocação, 632 Aspecto Clínico Ricina Modifica de Modo Fatal o RNA Ribossomal 28S, 633

39.4 Ribossomos Ligados ao Retículo Endoplasmático Produzem Proteínas de Secreção e de Membrana, 634 A Síntese de Proteínas Começa nos Ribossomos que Estão Livres no Citoplasma, 634 As Sequências Sinalizadoras Distinguem Proteínas para Translocação Através da Membrana do Retículo Endoplasmático, 634

39.5 A Síntese de Proteínas é Regulada por uma Gama de Mecanismos, 636 A Utilização do RNA Mensageiro Está Sujeita à Regulação, 636 A Estabilidade do RNA Mensageiro Pode Também Ser Regulada, 637 RNA Pequenos Podem Regular a Estabilidade e a Utilização do mRNA, 637

SEÇÃO 17

Bioquímica Experimental, 643

Capítulo 40 Técnicas em Bioquímica de Proteínas, 645 40.1 O Proteoma é a Representação Funcional do Genoma, 646 40.2 A Purificação de Proteínas é a Primeira Etapa para o Entendimento de Sua Função, 646 Proteínas Devem Ser Removidas da Célula para Serem Purificadas, 647 Proteínas Podem Ser Purificadas de Acordo com Solubilidade, Tamanho, Carga e Afinidade de Ligação, 647

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Conteúdo Proteínas Podem Ser Separadas por Eletroforese em Gel e Exibidas, 650 Um Esquema de Purificação Pode Ser Avaliado de Modo Quantitativo, 652

40.3 Determinação da Estrutura Primária Facilita o Entendimento da Função Proteica, 653 Sequências de Aminoácidos São Fontes de Muitos Tipos de Compreensão, 656 Aspecto Clínico Entendendo a Doença ao Nível Molecular: A Anemia Falciforme Resulta da Troca de um Único Aminoácido, 657

Capítulo 41 Técnicas Imunológicas e de DNA Recombinante, 661 41.1 Proteínas Necessitam de um Ensaio para Purificação, 662 Centrifugação é um Meio de Separar Proteínas, 662 Centrifugação de Gradiente Fornece um Ensaio para o Complexo Estradiol-Receptor, 663

41.2 Imunologia Fornece Importantes Técnicas para Investigar Proteínas, 664 Podem Ser Gerados Anticorpos Contra Proteínas Específicas, 664 Anticorpos Monoclonais Podem Ser Prontamente Preparados com Quase Qualquer Especificidade Desejada, 666 O Receptor de Estrogênio Pode Ser Purificado por Imunoprecipitação, 668 Proteínas Podem Ser Detectadas e Quantificadas com a Utilização de um Ensaio Imunoadsorvente Ligado à Enzima, 669 Western Blotting Permite a Detecção de Proteínas Separadas por Eletroforese em Gel, 670

41.3 Genética Reversa Permite a Síntese de Ácidos Nucleicos a Partir de uma Sequência de Proteína, 671 Sequência de Proteína é um Guia para a Informação de Ácido Nucleico, 671 Sondas de DNA Podem Ser Sintetizadas por Métodos Automatizados, 672

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Enzimas de Restrição e DNA Ligase São Ferramentas Importantes para Formar Moléculas de DNA Recombinante, 674

41.5 Genes de Eucariontes Podem Ser Manipulados com Considerável Precisão, 674 DNA Complementar Preparado a Partir de mRNA Pode Ser Expresso em Células Hospedeiras, 675 cDNA do Receptor de Estrogênio Pode Ser Identificado por Triagem de uma Biblioteca de cDNA, 676 Bibliotecas de DNA Complementar Podem Sofrer Triagem para as Proteínas Sintetizadas, 676 Genes Específicos Podem Ser Clonados a Partir de Produtos de Digestão do DNA Genômico, 678 DNA Pode Ser Sequenciado pelo Término Controlado da Replicação, 678 Sequências Selecionadas de DNA Podem Ser Muito Amplificadas pela Reação em Cadeia pela Polimerase, 680 Aspecto Clínico PCR é uma Técnica Poderosa em Diagnóstico Médico, em Medicina Legal e em Estudos de Evolução Molecular, 683 Níveis de Expressão Gênica Podem Ser Examinados de Modo Abrangente, 683

Apêndices, 688 Glossário, 694 Respostas dos Problemas, 708 Índice Alfabético, 733 Leituras Selecionadas (disponíveis para download em http://gen-io.grupogen.com.br, na área relativa a este livro)

41.4 Tecnologia do DNA Recombinante Tem Revolucionado Todos os Aspectos da Biologia, 673 Enzimas de Restrição Cindem o DNA em Fragmentos Específicos, 673

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A Bioquímica Ajuda-nos a Entender Nosso Mundo

SEÇÃO

1

Objetivos de Aprendizagem 9 9 9 9 9

Quais são as principais classes de biomoléculas? O que é dogma central? Como as células de eucariontes diferem das de procariontes? Por que a água é muito importante para as interações bioquímicas? Quais são os tipos de interações reversíveis, não covalentes e por que elas são importantes em Bioquímica? 9 O que é pH?

O

objetivo final de todos os esforços científicos é desenvolver um entendimento mais rico e mais profundo de nós próprios e do mundo em que vivemos. A Bioquímica tem tido e continuará a ter um papel amplo em ajudar-nos a desenvolver esse entendimento. Bioquímica, o estudo dos organismos vivos ao nível molecular, mostrou-nos muitos dos detalhes da maioria dos processos fundamentais da vida. Por exemplo, a Bioquímica mostrou como uma única molécula de DNA pode criar duas cópias idênticas de si própria e como a informação inerente na molécula de DNA é expressa em uma maneira biologicamente útil. Em outras palavras, a Bioquímica mostrou-nos como a informação flui dos genes para moléculas que têm capacidades funcionais. Em anos recentes, a Bioquímica tem também elucidado alguns dos mistérios das moléculas geradoras que fornecem a energia que impulsiona os organismos vivos. A concretização que podemos entender de tais processos da vida tem implicações filosóficas significativas. O que significa bioquimicamente o ser humano? Quais são as diferenças bioquímicas entre um ser humano, um chimpanzé, um rato e uma drosófila? Somos mais semelhantes do que diferentes? O entendimento alcançado pela Bioquímica está influenciando muito a Medicina e outras áreas. Embora não possamos estar habituados a pensar em doenças em relação às moléculas, a doença é no fim das contas alguma forma de mau funcionamento ao nível molecular. As lesões moleculares que causam a anemia falciforme, a fibrose cística, a hemofilia e muitas outras doenças genéticas foram elucidadas ao nível molecular. Foram elucidados muitos dos eventos moleculares que contribuem para o desenvolvimento do câncer. Um entendimento dos defeitos subjacentes abre caminho para a descoberta de terapias eficazes. A Bioquímica torna possível o planejamento racional de novas drogas, incluindo inibidores específicos de enzimas necessárias para a replicação de vírus, como o vírus da imunodeficiência humana (HIV), o agente causador da AIDS (SIDA). Bactérias ou outros organismos geneticamente projetados podem ser utilizados como “fábricas” para produzirem proteínas valiosas como a insulina e estimulantes do desenvolvimento de células sanguíneas. A Bioquímica está também contribuindo esplendidamente para o diagnóstico clínico. Por exemplo, níveis elevados de enzimas intrigantes no sangue revelam se o paciente recentemente teve um infarto do miocárdio (ataque cardíaco). Também, a agricultura beneficia-se dos avanços em Bioquímica como o desenvolvimento de herbicidas e pesticidas mais eficazes e mais seguros e com a criação de vegetais geneticamente planejados que são, por exemplo, mais resistentes aos insetos. A Bioquímica outorga-nos a lidar com algumas das questões mais excitantes e profundas que podemos questionar. Como um óvulo humano fertilizado dá origem a um ser

Capítulo 1: Bioquímica e a Unidade da Vida

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humano, com uma ampla ordenação de células e tecidos que interagem e são interdependentes? Como trabalham os sentidos; isto é, como conhecemos o mundo? Quais são as bases moleculares dos distúrbios mentais como a doença de Alzheimer e a esquizofrenia? As respostas a tais questões, que no momento parecem remotas, foram parcialmente reveladas e estarão possivelmente a ser mais a fundo reveladas em um futuro próximo. Nesta seção, aprenderemos alguns dos conceitos importantes que dão sustentação ao estudo da Bioquímica. Começaremos com uma introdução às moléculas bioquímicas, seguida por uma visão geral da unidade da Bioquímica e da própria vida — a célula. Finalmente, examinaremos as fracas reações reversíveis que capacitam a formação de estruturas biológicas e permitem a interação entre moléculas que tornam possível a vida.

Capítulo 2: Água, Ligações Fracas e Ordem Fora do Caos

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Bioquímica e a Unidade da Vida

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Capítulo 1

Bioquímica e a Unidade da Vida 1.1 Os Sistemas Vivos Necessitam de um Número Limitado de Átomos e de Moléculas 1.2 Há Quatro Classes Importantes de Biomoléculas 1.3 O Dogma Central Descreve os Princípios Básicos da Transferência de Informação Biológica 1.4 Membranas Definem a Célula e Executam Funções Celulares

Apesar das grandes diferenças de massa — o elefante africano tem uma massa de 3 ⫻ 1018 vezes maior do que a bactéria E. coli — e da complexidade, os funcionamentos bioquímicos desses dois organismos são bastante semelhantes. [E. coli: Eye of Science/Photo Researchers. Elephant: Imagebroker/Alamy.]

U

m objetivo importante da Bioquímica, um que foi conhecido com sucesso surpreendente, é entender o que significa estar vivo a um nível molecular. Outro objetivo é estender essa compreensão ao nível do organismo — isto é, entender o efeito que as manipulações moleculares têm na vida que o organismo leva. Por exemplo, o entendimento de como o hormônio insulina trabalha ao nível molecular esclarece como o organismo controla os níveis de substâncias energéticas que estão em seu sangue. Com frequência, tais entendimentos facilitam uma compreensão das doenças — em relação à insulina, o diabetes — que por sua vez pode ser uma fonte de discernimento de como a doença pode ser tratada. A Bioquímica foi uma área ativa de pesquisa por mais de um século. Obteve-se muito entendimento sobre como uma gama de organismos manipula a energia e a informação. Contudo, um dos resultados mais excitantes da pesquisa bioquímica foi a compreensão de que todos os organismos têm bioquimicamente muito em comum. Os organismos são extraordinariamente uniformes ao nível molecular. Esta observação é com frequência referida como a unidade da Bioquímica, mas, na realidade, ela ilustra a unidade da vida. O bioquímico francês Jacques Monod condensou esta ideia em 1954 com a frase “Algo encontrado pode ser verdade em

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Capítulo 1

E. coli [a bactéria], mas também pode ser verdade em elefantes”. Esta uniformidade revela que todos os organismos da Terra surgiram de um ancestral comum. Um cerne de processos bioquímicos essenciais, comum a todos os organismos, apareceu precocemente na evolução da vida. A diversidade da vida no mundo moderno foi gerada por processos evolutivos que atuam nesses processos do cerne através de milhões ou mesmo bilhões de anos. Começamos nosso estudo da Bioquímica por considerar os pontos em comum. Examinaremos as moléculas e os constituintes moleculares que são utilizados por todas as formas de vida e então consideraremos as regras que governam como se acessa a informação bioquímica e como se passa de uma geração para as seguintes. Finalmente, enveredaremos por uma visão global da unidade fundamental da vida — a célula. Isto é apenas o começo. Todas as moléculas e estruturas que veremos neste capítulo encontraremos repetidamente quando explorarmos a base química da vida.

1.1 Os Sistemas Vivos Necessitam de um Número Limitado de Átomos e de Moléculas Foram identificados noventa elementos de ocorrência natural, embora somente três — oxigênio, hidrogênio e carbono — constituam 98% de átomos em um organismo. Além disso, a abundância desses três elementos na vida é amplamente diferente de sua abundância na crosta terrestre (Quadro 1.1). O que pode ser responsável pela disparidade entre o que é disponível e de que os organismos são feitos? Uma das razões de que o oxigênio e o hidrogênio sejam tão comuns é a onipresença da água ou a “matriz da vida”, como chamava o bioquímico Albert Szent-Györgi. Esta molécula muito pequena — que consiste em somente três átomos — torna possível a vida na Terra. De fato, a crença atual é que toda vida necessita de água, daí o porquê de tão grandes esforços serem feitos em décadas recentes para determinar se Marte teve água no passado ou se ainda a tem. A importância da água para a vida é tão importante que sua presença é a mesma

Quadro 1.1 Composições químicas como percentagens do número total de átomos Composição em Elemento Hidrogênio Oxigênio Carbono Nitrogênio Cálcio Fósforo Cloreto Potássio Enxofre Sódio Magnésio Silício Alumínio Ferro Titânio Todos os outros

Humanos (%) 63 25,5 9,5 1,4 0,31 0,22 0,03 0,06 0,05 0,03 0,01 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1

Água do mar (%) 66 33 0,0014 <0,1 0,006 <0,1 0,33 0,006 0,017 0,28 0,003 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1

Crosta terrestre (%) 0,22 47 0,19 <0,1 3,5 <0,1 <0,1 2,5 <0,1 2,5 2,2 28 7,9 4,5 0,46 <0,1

Nota: Devido ao arredondamento, as percentagens totais não são iguais a 100%. Fonte: De acordo com E. Frieden, The chemical elements of life, Sci. Am. 227(1), 1972, p. 54.

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Bioquímica e a Unidade da Vida

RNA, uma molécula monofilamentar, é uma forma descartável de ácido nucleico. DNA é copiado como moléculas de RNA para a utilização das células. Uma utilização proeminente de RNA é como um molde para a síntese de proteínas. Diferente do DNA, RNA é com frequência degradado após sua utilização. RNA é semelhante em composição ao DNA com duas exceções: a base timina (T) é substituída pela base uracila (U), e a ose dos ribonucleotídeos contém um grupamento hidroxila (—OH) adicional (Figura 1.5).

Lipídeos São uma Forma de Armazenamento de Energia e Servem Como uma Barreira Entre as biomoléculas importantes, os lipídeos são muito menores do que as proteínas e os ácidos nucleicos. Enquanto as proteínas e os ácidos nucleicos podem ter pesos moleculares de milhares a milhões, um lipídeo típico tem um peso molecular de 1.300. As características importantes dos lipídeos são sua natureza química dupla: parte da molécula é hidrófila, o que significa que se pode dissolver em água, enquanto a outra parte, constituída de uma ou mais cadeias hidrocarbonadas, é hidrófoba e não se pode dissolver em água (Figura 1.6). (A)

H HO

H

C

OH

O H

H

H

H HO

OH Ribose

O H

H

N

O

N H

H

Uracila

Figura 1.5 As características diferentes do RNA. A ose no RNA é a ribose, e a base uracila substitui a base timina do DNA.

(B)

Cauda hidrófoba Cabeça hidrófila

Modelo de preenchimento de espaço (compacto)

Representação de forma abreviada

Figura 1.6 As propriedades duplas dos lipídeos. (A) Uma parte da molécula lipídica é hidrófila; a outra, hidrófoba. (B) Em água, os lipídeos podem formar uma bicamada que constitui uma barreira que separa os dois compartimentos aquosos.

Esta natureza dupla permite aos lipídeos formarem barreiras que delineiam a célula e os compartimentos celulares. Os lipídeos permitem o desenvolvimento de “dentro” e “fora” ao nível bioquímico. As cadeias hidrocarbonadas não podem interagir com a água e, ao contrário, interagem com as de outros lipídeos para formar uma barreira ou membrana, enquanto os componentes hidrossolúveis interagem com o ambiente aquoso em um lado da membrana. Os lipídeos também são formas importantes de armazenamento de energia. Como veremos, o componente hidrófobo dos lipídeos pode sofrer combustão para fornecer grandes quantidades de energia celular. Lipídeos são também moléculas sinalizadoras importantes.

Glicídeos São Energéticos e Moléculas de Informação A maioria de nós não necessita de um curso de Bioquímica para saber que os glicídeos são uma importante fonte energética para a maior parte dos seres vivos. A substância energética (combustível) glicídica mais comum é a glicose. Esta é armazenada em animais como glicogênio, que consiste em muitas moléculas de glicose unidas ponta a ponta e que têm ramificações aleatórias (Figura 1.7). Em vegetais, a forma de armazenamento de glicose é o amido, semelhante ao glicogênio em composição molecular. Há milhares de glicídeos diferentes. Eles podem estar unidos em cadeias e estas são muito ramificadas, muito mais do que no glicogênio e no amido. Tais cadeias de glicídeos desempenham papéis importantes em auxiliar as células a se reconhecerem. Muitos dos componentes do exterior da célula são revestidos com vários glicídeos que podem ser reconhecidos por outras células e funcionam como locais de interações entre elas.

G

Figura 1.7 A estrutura do glicogênio. Glicogênio é um polímero composto por glicoses. A proteína identificada com a letra G ao centro da molécula de glicogênio é necessária para a síntese do glicogênio (Cap. 24). CH2OH O OH H H OH H HO H H

OH

Glicose

QUESTÃO RÁPIDA 1 Nomeie as quatro classes de biomoléculas e indique uma função importante para cada uma delas.

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Capítulo 1

(A) Célula procariótica

(B) Célula eucariótica Núcleo

Espaço periplasmático e parede celular

Vesículas de Golgi

Lisossomo

Membrana externa

Membrana interna

Nucleoide

Mitocôndria

0,5 ␮ m Retículo endoplasmático

Cromossomo (localizado no nucleoide)

1 ␮m

Membrana citoplasmática Vesículas de Golgi Mitocôndria Núcleo Lisossomo

Membrana citoplasmática (interna) Parede celular Espaço periplasmático Membrana externa

Retículo endoplasmático granular

Vesícula secretora

Figura 1.12 Células procarióticas e eucarióticas. As células eucarióticas exibem estrutura mais interna do que as procarióticas. Os componentes dentro de uma célula eucariótica, de modo mais notável o núcleo, são limitados por membranas. [Micrografias: (A) Cortesia de I. D. J. Burdett e R. G. E. Murray; (B) a partir de P. C. Cross e K. L. Mercer Cell and Tissue Ultrastructure: A Functional Perspective (W. H. Freeman and Company, 1993), p. 199.] [Diagramas: (A e B) De acordo com H. Lodish et al., Molecular Cell Biology, 6a edição (W. H. Freeman and Company, 2008), p. 3.]

O núcleo. A maior organela é o núcleo, que é delimitada por dupla membrana (Figura 1.13). A membrana nuclear é interrompida com poros que permitem o transporte para dentro e para fora do núcleo. Tal transporte é muito importante, pois o núcleo é o centro de informação da célula. O núcleo é o local do genoma do organismo. Contudo, o núcleo é mais do que uma caixa forte de armazenamento. É onde a informação genômica é expressa de modo seletivo em tempo e em quantidade apropriados.

Figura 1.13 O núcleo. [Don W. Fawcett/Photo Researchers.]

A membrana plasmática (melhor seria, membrana citoplasmática). A membrana citoplasmática separa o interior do exterior da célula, uma célula da outra. Todas as células, eucarióticas ou procarióticas, são delimitadas por uma membrana citoplasmática. Esta membrana é impermeável à maioria das substâncias,

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Capítulo 1 Membrana celular Material extracelular

Citoplasma Tempo

Figura 1.21 Endocitose.

O endossomo. O material é captado pela célula quando a membrana citoplasmática se invagina e brota, para formar um endossomo. Este processo é chamado de endocitose, que é oposto à exocitose. A endocitose se utiliza para captar biomoléculas importantes, como os iontes ferro, vitamina B12 e colesterol. Ela ocorre através de pequenas regiões da membrana, tal como quando uma proteína de membrana é captada para dentro da célula (Figura 1.21). Por outro lado, quando grandes quantidades de material são captadas pela célula, o processo é denominado fagocitose. A Figura 1.22 mostra uma célula do sistema imune chamada de macrófago, fagocitando uma bactéria. Qual o destino das vesículas formadas por endocitose ou por fagocitose?

Figura 1.22 Fagocitose. Bactérias (indicadas por setas) são fagocitadas por um macrófago. [Cortesia do Dr. Stanley Falkow.]

Lisossomos. O lisossomo é uma organela que contém uma ampla coleção de enzimas digestivas. Os lisossomos surgem de modo análogo à formação de vesículas secretoras, mas eles fundem-se com os endossomos em vez da membrana celular. Após ocorrer a fusão, as enzimas lisossomais digerem o material, liberando pequenas moléculas que podem ser utilizadas como blocos de construção ou combustível pela célula. Os macrófagos fagocitam as bactérias como um meio de proteger de infecção um organismo. Contudo, os lisossomos não apenas degradam material extracelular. Outro papel é a digestão de organelas intracelulares danificadas. A Figura 1.23 mostra uma mitocôndria sofrendo digestão dentro de um lisossomo.

Vacúolos vegetais. Outra organela exclusiva de células vegetais, além dos cloroplastos, é um grande vacúolo. Em algumas células vegetais, a organela delimitada por uma única membrana pode ocupar até 80% do volume de uma célula (veja Figura 1.15). Estes vacúolos armazenam água, iontes e vários nutrientes. Por exemplo, os vacúolos das frutas cítricas são ricos em ácido cítrico, que é o responsável pelo sabor ácido dessas frutas. Proteínas transportam as moléculas através da membrana vacuolar.

M

1 µm

Figura 1.23 Um lisossomo. Uma micrografia de um lisossomo digerindo uma mitocôndria (M) e outros materiais celulares. [Cortesia de D. Friend.]

Aspecto Clínico Defeitos na Função das Organelas Podem Levar à Doença Muitas doenças surgem devido a mau funcionamento em várias organelas. Por exemplo, a hipercolesterolemia familiar, uma doença na qual crianças de até 6 anos morrem de ataques cardíacos, é causada pela endocitose ineficiente do colesterol sanguíneo. Os altos níveis resultantes de colesterol no sangue resultam em ataques cardíacos. A doença de Tay-Sachs, caracterizada por fraqueza muscular, demência e morte em idade precoce, geralmente antes dos 3 anos, resulta de função inadequada dos lisossomos. Visitaremos de novo esses distúrbios e examinaremos muitos outros, quando progredirmos em nosso estudo da Bioquímica.

QUESTÃO RÁPIDA 2 Nomeie três organelas ou estruturas encontradas em células vegetais, mas não em células animais.

A organização celular é testemunha do alto conteúdo de informação da célula. Mas esta visão geral resumida tocou apenas no plano do processamento da informação que deve continuar a construir algo tão sofisticado como a célula. No restante deste livro-texto, examinaremos a energia bioquímica e as vias de informação que constroem e mantêm os sistemas vivos.

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Bioquímica e a Unidade da Vida

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RESUMO 1.1

Os Sistemas Vivos Necessitam de um Número Limitado de Átomos e de Moléculas Oxigênio, hidrogênio e carbono constituem 98% dos átomos em organismos vivos. Hidrogênio e oxigênio são prevalentes devido à abundância de água, e o carbono é o átomo mais comum em todas as biomoléculas.

1.2 Há Quatro Classes Importantes de Biomoléculas Proteínas, ácidos nucleicos, lipídeos e glicídeos constituem as quatro classes importantes de biomoléculas. Proteínas são as mais versáteis com um papel especialmente proeminente como enzimas. Ácidos nucleicos são principalmente moléculas de informação: DNA é a informação genética na maioria dos organismos, enquanto o RNA pode ser considerado uma forma descartável de informação molecular. Lipídeos servem como combustíveis e como membranas. Glicídeos são moléculas energéticas que também desempenham um papel na interação entre as células. 1.3 O Dogma Central Descreve os Princípios Básicos da Transferência de Informação Biológica O dogma central da Biologia afirma que o DNA é replicado para formar novas moléculas de DNA. DNA também pode ser para formar RNA, uma forma mais transitória de informação de ácido nucleico. Alguma informação na forma de RNA pode ser traduzida em proteínas 1.4 Membranas Limitam a Célula e Executam Funções Celulares Membranas, formadas de bicamada lipídica, são muito importantes para estabelecer limites: entre as células e seu ambiente e dentro de regiões internas de muitas delas. Há dois tipos estruturalmente distintos de células: eucarióticas e procarióticas. As células eucarióticas caracterizam-se por um arranjo complexo de compartimentos intracelulares delimitados por membranas chamado de organelas. O núcleo é a maior organela e hospeda a informação genética da célula. Outras organelas desempenham papéis na transformação de energia, no processamento e secreção de proteínas, e na digestão. Ao contrário, as células procarióticas são menores e menos complexas.

Termos Principais ácido desoxirribonucleico (DNA) ácido ribonucleico (RNA) ácidos nucleicos citoesqueleto citoplasma cloroplastos complexo de Golgi dogma central endocitose endossomos

eucariontes exocitose fagocitose glicídeos glicogênio grânulos secretores (de zimogênios) lipídeos lisossomos membrana citoplasmática mitocôndrias

núcleo nucleotídeos procariontes proteínas replicação retículo endoplasmático (RE) tradução transcrição unidade da Bioquímica

Respostas das QUESTÕES RÁPIDAS 1. Proteínas: catalisadores. Ácidos nucleicos: transferência de informação. Lipídeos: combustível e estrutura. Glicídeos: combustível e comunicação entre as células.

2. Cloroplastos, vacúolos e parede celular.

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Capítulo 1

Problemas 1. Similar, mas não o mesmo. Quais são as diferenças estruturais entre DNA e RNA?

5. Complexo e tão menos. Diferencie células eucarióticas de procarióticas.

2. Polímeros. Diferencie proteínas e glicogênio em relação às suas estruturas poliméricas.

6. Um órgão diminuto. O que é uma organela?

3. Uma crença impositiva. Qual é o dogma central da biologia?

7. Uma estratégia de saída. Represente a via de formação de uma proteína secretora de seu gene até a sua exocitose da célula.

4. Processando a informação. Defina replicação, transcrição e tradução em relação ao dogma central.

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