Em formação

Efeitos dos elétrons livres em uma célula?


Eu sou muito novo em biologia, atualmente apenas um estudante. Recentemente, aprendi sobre a cadeia de transporte de elétrons usada na respiração celular. Isso me fez pensar. No final da cadeia, os elétrons são unidos com hidrogênio e oxigênio formando água.

Parece que toda atividade celular (sobre a qual aprendi) é muito cuidadosa em ligar quaisquer elétrons a alguma molécula de subproduto depois de usá-los. Portanto, tenho a impressão de que os elétrons livres em uma célula são perigosos. Perguntei ao meu professor sobre isso, mas ele não tinha certeza. Portanto, agora estou morrendo de vontade de saber quais seriam as consequências de permitir que um elétron livre flutuasse em uma célula?


Subestimamos a importância da água na biologia celular?

A água líquida é um material altamente versátil. Embora seja formado a partir da menor das moléculas, ele pode moldar e controlar biomoléculas. As propriedades de ligação de hidrogênio da água são cruciais para essa versatilidade, pois permitem que a água execute um intrincado 'balé' tridimensional, trocando parceiros enquanto mantém uma ordem complexa e efeitos duradouros. A água pode gerar pequenos aglomerados ativos e montagens macroscópicas, que podem transmitir informações em diferentes escalas.


Muitos problemas com em vitro a viabilidade e função celular podem ser rastreadas até o oxigênio e seus radicais livres. Os radicais livres são definidos como átomos ou moléculas contendo um ou mais elétrons desemparelhados. Eles geralmente são altamente reativos e se envolvem em uma ampla variedade de reações químicas. Ao reorganizar os estados orbitais do elétron ou aceitar um elétron de cada vez, o oxigênio existe como várias espécies iônicas e radicais em cultura de células. Muitas dessas espécies são direta ou indiretamente destrutivas.

O oxigênio dimolecular, do estado fundamental, é um radical livre, porque tem dois elétrons de spin não pareados paralelos em seu orbital p externo. Esta configuração eletrônica não é muito reativa de acordo com o Princípio de Exclusão de Pauli. No entanto, o oxigênio do estado fundamental reagirá prontamente com os radicais carbonila para formar o radical peroxila orgânico. Radicais carbonila alílico que são formados em ácidos graxos poliinsaturados por agentes oxidantes fortes, como o radical livre hidroxila e estão entre os radicais carbonila mais importantes em vitro e na Vivo.


Oxidação biológica (com diagrama)

Este artigo dá a resposta à pergunta sobre & # 8220Como os alimentos que ingerimos e o oxigênio que respiramos produzem energia para continuar o processo da vida & # 8221. A resposta mais simples é que o alimento que ingerimos é oxidado pelas enzimas presentes no corpo.

Durante este processo, alguns equivalentes redutores viz. NADH e FADH2 são produzidos que são ricos em elétrons na natureza. Esses equivalentes redutores doam seus elétrons para o oxigênio em que respiramos, durante o qual a energia é liberada para produzir trifosfato de adenosina (ATP). O ATP é conhecido como a moeda de energia da célula e realiza o processo biológico da vida. Para entender o processo acima, precisamos entender algumas terminologias básicas.

A oxidação e a redução podem ser definidas de três maneiras diferentes, como em:

eu. A oxidação é & # 8216Adição de oxigênio & # 8217 ou & # 8216remoção de hidrogênio & # 8217 ou & # 8216remoção de elétrons & # 8217.

ii. A redução é & # 8216Remoção de oxigênio & # 8217 ou & # 8216adição de hidrogênio & # 8217 ou & # 8216adição de elétrons & # 8217.

Agente oxidante ou oxidante:

Um aceitador de elétrons é um agente oxidante ou oxidante.

Agente redutor ou redutor:

Um doador de elétrons é um agente redutor ou redutor.

A tendência relativa do redutor de doar elétrons em comparação com o hidrogênio é denominada potencial de oxidação-redução ou & # 8216 potencial redox & # 8217 (E0).

O potencial redox do hidrogênio é considerado zero em pH 0 (-0,417), 25 ° C, em uma solução de concentração 1 molar (1,0 átomo de hidrogênio).

eu. Um composto com um valor negativo de E0 é um melhor doador de elétrons do que o hidrogênio.

ii. Um composto com um valor positivo de E0 é um pobre doador de elétrons que o hidrogênio.

Os elétrons fluem de compostos com valor negativo de potencial redox para aqueles com valores positivos de potencial redox, pois haverá perda de energia e, assim, o composto se torna estável.

Cada substância química contém uma certa quantidade de energia, que é a energia das ligações químicas que mantêm os átomos unidos. Esta é a energia livre.

Compostos de alta energia e ligação rica em energia (

Qualquer ligação, que na hidrólise dá uma energia livre mínima de 7,4 Kcal / mol, é conhecida como ligação rica em energia e o composto que possui uma ligação rica em energia é conhecido como composto de alta energia. Ex. ATP, pirofosfato, ácido 1,3-difosfoglicérico, fosfoenol piruvato, fosfato de creatina e acetil-CoA.

Trifosfato de adenosina (ATP):

O ATP também é conhecido como a & # 8216 moeda de energia & # 8217 da célula viva, porque transfere energia de fontes geradoras de energia para os processos celulares que requerem energia. O ATP tem duas ligações pirofosfato. Na hidrólise de cada um dos dois grupos fosfato terminais, há liberação de mais de 7,4 Kcal / mol de energia, mas a terceira ligação rende apenas 3 Kcal / mol de energia, portanto, não é uma ligação de alta energia. Na hidrólise, o ATP é convertido em ADP e em AMP.

A oxidação biológica é catalisada por enzimas que funcionam em combinação com coenzimas e / ou proteínas transportadoras de elétrons.

Diferentes enzimas associadas à oxidação biológica são:

1. Oxidorredutases:

Essas enzimas catalisam a remoção do hidrogênio do substrato e o adicionam a outra substância, ocasionando a reação de redução da oxidação. Ex. Gliceraldeído — 3— Fosfato desidrogenase.

Essas enzimas catalisam a remoção de hidrogênio do substrato e adicionam diretamente ao oxigênio molecular. Ex. Citocromo oxidases, tirosinase, uricase.

Essas enzimas incorporam oxigênio aos substratos.

(uma) Monooxigenases:

Adiciona apenas um átomo de oxigênio ao substrato. Também são conhecidas como oxidases de função mista.

Adiciona os dois átomos de oxigênio ao substrato. Ex. Dioxigenase do ácido homogentísico.

4. Desidrogenases aeróbicas:

Essas enzimas removem o hidrogênio do substrato e o adicionam diretamente ao oxigênio ou a qualquer outro aceptor artificial, como o azul de metileno. O produto formado é o peróxido de hidrogênio.

5. Desidrogenases anaeróbicas:

Essas enzimas usam outros substratos ou substâncias para doar o hidrogênio. Eles transferem o hidrogênio & # 8217s para algum outro aceitador de hidrogênio, mas não diretamente para o oxigênio. Assim, os aceitadores de hidrogênio são NAD, FAD e FMN. As proteínas heme, como os citocromos, também recebem hidrogênio & # 8217s. Os citocromos são & # 8216b & # 8217, & # 8216c1& # 8216, & # 8216c & # 8217, & # 8216a & # 8217 e & # 8216a3‘.

6. Hidro peroxidases:

Essas enzimas têm peróxido de hidrogênio (H2O2) ou peróxido orgânico como substrato.

Existem dois tipos de hidro peroxidases:

Sua função principal é a destruição de H2O2.

Cadeia de transporte de elétrons:

Quando os elétrons são transferidos do sistema mais eletronegativo [(NADH ou FADH2) (-0,32V)] para o sistema mais eletropositivo (+ 0,82V) (Oxigênio), haverá liberação de toda a energia de uma só vez de forma explosiva. Mas, se eles forem transferidos de maneira gradativa através de alguns sistemas intermediários, haverá uma liberação lenta de energia e ela pode ser capturada pela célula para sintetizar compostos ricos em energia. Durante a oxidação biológica, os elétrons são transferidos por meio de proteínas de transporte de elétrons que são organizadas em uma cadeia específica para formar a cadeia de transporte de elétrons (ETC), que está situada na membrana mitocondrial interna.

Cadeia respiratória ou ETC:

A transferência de elétrons do substrato para o oxigênio molecular através de uma cadeia de transportadores de elétrons é chamada de cadeia de transporte de elétrons ou cadeia respiratória. A mitocôndria contém uma série de catalisadores que formam a cadeia respiratória, que estão envolvidos na transferência de elétrons e hidrogênio e sua reação final é com o oxigênio para formar água. Os componentes da cadeia respiratória são organizados sequencialmente na ordem crescente do potencial redox.

Os elétrons fluem pela cadeia de maneira gradual, do potencial redox inferior para o potencial redox superior. Alguma quantidade de energia é liberada com a transferência de elétrons de um componente para outro. Sempre que houver uma liberação de 7,4 Kcal de energia ou um pouco mais, ocorre a formação de ATP. O NADH forma 3 ATPs, enquanto o FADH2 forma apenas 2 quando entra na ETC no local além do primeiro local de formação do ATP.

Os três locais de formação de ATP na ETC ou cadeia respiratória são:

1. Entre NADH desidrogenase (flavoproteína) e ubiquinona (coenzima Q).

2. Entre o citocromo-b e o citocromo-c1.

3. Entre citocromo-a e citocromo-a3 (citocromos oxidase).

Os componentes do ETC, seu potencial redox e sua sequência são:

Fosforilação:

A esterificação de um fosfato por meio de uma ligação de alta energia (7,4 Kcal) é conhecida como fosforilação. A combinação de fosfato inorgânico (Pi) com qualquer outro composto por meio de ligação de alta energia é conhecida como fosforilação. Ou formação de ATP a partir de ADP e fosfato ou NTP a partir de NDP e Peu é conhecido como fosforilação.

Existem dois tipos de fosforilação:

1. Fosforilação em nível de substrato:

A formação de ligações de fosfato de alta energia no nível de um substrato sem o envolvimento da cadeia respiratória é conhecida como fosforilação no nível do substrato. Ex. O fosfoenolpiruvato é convertido em piruvato pela piruvato quinase onde o ATP é formado a partir do ADP.

2. Oxidativo fosforilação:

A fosforilação enzimática de ADP em ATP acoplada ao transporte de elétrons de um substrato para o oxigênio molecular é conhecida como fosforilação oxidativa ou fosforilação da cadeia respiratória.

Mecanismo de Fosforilação Oxidativa:

Existem três teorias ou hipóteses que explicam a formação do ATP por meio da cadeia de transporte de elétrons.

1. Hipótese de acoplamento químico:

Afirma que um composto de alta energia é formado levando a energia liberada pela transferência de elétrons e este composto, por sua vez, fosforila ADP em ATP.

2. Hipótese de acoplamento conformacional:

Existem muitas proteínas na parede da membrana mitocondrial interna, uma delas é F0F1, ATPase, que é responsável pela produção de ATP. De acordo com essa hipótese a energia liberada da ETC traz uma mudança conformacional nas proteínas da membrana e é então transferida para FQF1ATPase que, portanto, também obtém uma alteração de conformação e, portanto, torna-se instável. Para atingir estabilidade, fornece energia para a síntese de ATP.

3. Hipótese quimiosmótica:

Afirma que o transporte de elétrons bombeia H + da matriz mitocondrial através da membrana mitocondrial interna para a fase aquosa externa, desse modo a matriz se torna básica e a fase externa se torna ácida. Devido a esta diferença osmótica (ou seja, mais ácido fora e mais básico dentro da matriz mitocondrial), o influxo de H (difuso) na matriz através de um poro no F0F1 ATPase que fornece a energia para a síntese de ATP.

Razão P / O:

O número de fosfatos inorgânicos esterificados por átomo de oxigênio consumido é conhecido como razão P / O. Para NADH é 3 e FADH é 2.

Formação e Desintoxicação de H2O2:

Durante ETC, O2 aceita quatro elétrons formando dois H2O. Se por acaso O2 aceita apenas dois elétrons, o produto formado é H2O2 e se aceitar apenas um elétron, o radical superóxido (: O2

) é formado. Ambos danificam a estrutura da membrana, atacando os ácidos graxos insaturados das membranas.

O superóxido é desintoxicado como -

Citocromo-a3:

Citocromo-a3 também é conhecido como citocromo oxidase. Possui duas moléculas de heme com longas cadeias laterais de hidrocarbonetos. Na outra extremidade do heme, dois átomos de cobre estão ligados, os quais podem reagir diretamente com o oxigênio para doar quatro elétrons.

Inibidores de ETC:

Os inibidores da ETC são aqueles que inibem ou interrompem o fluxo de elétrons na cadeia de transporte de elétrons.

Alguns dos inibidores da ETC são:

(a) No primeiro local de formação de ATP, rotenona e barbital inibem o fluxo de elétrons

(b) No segundo local, a antimicina-A e o amital inibem o fluxo de elétrons.

(c) No terceiro local cianeto (Cn & # 8211), monóxido de carbono (CO) e H2Inibição de gás S.

Desacopladores de Fosforilação Oxidativa:

Os desacopladores são aquelas substâncias que evitam a fosforilação oxidativa (formação de ATP) embora o ETC esteja operando normalmente. Devido ao efeito de desacopladores, há um fluxo contínuo de elétrons, mas não há formação de ATP, ou seja, o ETC não está acoplado à formação de ATP, de modo que a energia é dissipada como calor.

Alguns dos desacopladores são:

1. 2,4-Dinitrofenol (DNP):

Ele transfere prótons através da membrana mitocondrial, desviando assim seu fluxo de F0F1 ATPase.

Ele transfere íons K 4, perturbando a pressão osmótica.

Ele transfere íons Na +, através da membrana.

Todos os três acima são conhecidos como & # 8216ionóforos & # 8217, ou seja, aqueles que interrompem a permeabilidade da membrana aos íons, desacoplando assim a fosforilação com ETC.

5. Atractyloside:

Inibe a proteína de transporte do nucleotídeo de adenina da membrana mitocondrial, que transporta ATP em troca de ADP.

Alguns dos mecanismos / aplicações de desacopladores são:

1. O mecanismo pelo qual o calor corporal é aumentado durante a febre é por desacoplamento.

2. O aumento do calor do pênis durante a ereção é devido ao desacoplamento.

3. A redução da gordura (peso) das pessoas obesas se dá pelo mecanismo de desacoplamento (proibido).

4. Os recém-nascidos têm um tipo especial de mitocôndria chamada mitocôndria de gordura marrom, que é altamente porosa e contém mais citocromos. Eles auxiliam na liberação de mais calor por desacoplamento, auxiliando assim na manutenção da temperatura corporal dos bebês, pois eles não possuem gordura subcutânea resultando na perda de mais calor.

Guerra química:

Envolve o uso de propriedades tóxicas de substâncias químicas para matar, ferir ou incapacitar um inimigo. O uso ofensivo de organismos vivos (como o antraz) é considerado guerra biológica em vez de guerra química. O uso de produtos tóxicos não vivos produzidos por organismos vivos, ex. toxinas como a toxina botulínica, ricina ou saxitoxina são consideradas guerra química. O produto químico usado na guerra é chamado de & # 8216agente de guerra química (CWA) & # 8217.

Cerca de 70 produtos químicos diferentes foram usados ​​ou armazenados como agentes de guerra química durante os séculos XX e XXI. Esses agentes podem estar na forma líquida, gasosa ou sólida. Os agentes líquidos são geralmente concebidos para evaporar rapidamente, tais líquidos são considerados voláteis ou têm uma alta pressão de vapor. Muitos agentes químicos se tornam voláteis para que possam ser dispersos em uma grande região rapidamente.

Os agentes de guerra química são divididos em categorias letais e incapacitantes. Uma substância é classificada como incapacitante se menos de 1/100 da dose letal causar incapacitação, por ex. através de náuseas ou problemas visuais.

Aulas:

Os agentes de guerra química são organizados em várias categorias, de acordo com a maneira como afetam o corpo humano.

Os nomes e o número de categorias variam ligeiramente de fonte para fonte, mas, em geral, diferentes tipos de agentes de guerra química são-


Danos de radicais livres em proteínas

Os radicais livres no corpo humano podem surgir de alimentos gordurosos, fumo, álcool, poluentes ambientais, peróxido de hidrogênio, poluentes, ozônio, toxinas, toxinas cancerígenas, ionização etc. A grande maioria dos radicais livres vem de dentro do corpo, um subproduto inevitável do sistema vivo. Os radicais livres intermediários são produzidos em sistemas vivos em condições normais, o corpo lida com os radicais livres formados pela quebra de compostos através do processo de metabolismo. As principais fontes de radicais livres (como O2 - e HO2 ) são vazamentos modestos das cadeias de transporte de elétrons da mitocôndria, cloroplastos e retículo endoplasmático.

Os radicais livres resultantes, como ânion superóxido (O2 -) e o radical hidroxila (OH ), assim como o peróxido de hidrogênio não radical, podem danificar macromoléculas, incluindo DNA, proteínas e lipídios. Da mesma forma, outros produtos do metabolismo do oxigênio, como ácido hipocloroso, cloraminas e lipídios oxidados, foram relacionados a tais danos. O radical superóxido, embora não seja reativo em comparação com muitos outros radicais, os sistemas biológicos podem convertê-lo em outras espécies mais reativas, como os radicais peroxila (ROO ), alcoxila (RO ) e hidroxila (HO ).

  1. Danos aos compostos de gordura: as membranas gordurosas que envolvem as células são o principal alvo dos ataques dos radicais livres. As membranas danificadas perdem sua capacidade de transportar oxigênio, nutrientes ou água para as células.
  2. Danos às moléculas de proteínas: os radicais livres também atacam o ácido nucléico que compõe o código genético de cada célula. A função dos ácidos nucléicos é regular a função celular normal, o crescimento e também reparar os tecidos danificados.
  3. Danos celulares: os danos causados ​​às cromosoínas e aos ácidos nucléicos podem iniciar o crescimento de células anormais, que é a primeira etapa no desenvolvimento do câncer.
  4. Danos nos lisossomos: Os lisossomos são pequenos sacos na célula que contêm enzimas degenerativas. As enzimas vazam quando a célula da membrana se rompe e elas começam a digerir a própria célula, espalhando-se para as células próximas, causando uma reação em cadeia de destruição que, eventualmente, diminuirá a resistência do sistema imunológico.

Felizmente, o corpo também possui vários meios ou sistemas químicos naturais para neutralizar os radicais livres. Existem agentes que neutralizam e minimizam os danos dos radicais livres e sua função é doar ou fornecer elétrons desemparelhados aos quais os radicais livres podem se ligar sem causar danos. Esses "protetores de células" são chamados de "antioxidantes".

  1. Aqueles que você obtém de alimentos ou suplementos alimentares
  2. Aqueles produzidos dentro de seu próprio corpo.

E existem alguns tipos de antioxidantes, como os flavonóides, encontrados na casca e nas sementes das frutas, que possuem a capacidade de capturar fisicamente os radicais livres até que sejam realmente removidos do corpo. Outros, como o sulforofano, encontrado nos brócolis, tendem a melhorar o mecanismo de eliminação de radicais livres do próprio corpo. E, por fim, aqueles como o L. Limonene, fitoquímico encontrado nas cascas de frutas cítricas, podem de fato realizar as duas ações. Alguns antioxidantes populares hoje em dia incluem vitamina E, vitamina C, vitamina A, que pode ser ingerida sob a forma de um suplemento de saúde ou por meio de frutas, vegetais, óleo de peixe, chá verde, óleo de gergelim e genisteína de soja comprovadamente preventiva do câncer. Alguns antioxidantes vêm de minerais, como selênio, cobre, zinco (eles são considerados antioxidantes porque trabalham juntos em conjunto com uma enzima antioxidante e são necessários para que a enzima funcione adequadamente) .. etc. A lista de antioxidantes dietéticos continua e e os cientistas estão continuamente descobrindo mais.

2. Os Princípios da Química de Radical Livre

Freqüentemente, a reação de radical livre envolve, direta ou indiretamente, a formação de oxirradicais. O oxigênio molecular é, na verdade, um biradical possuindo dois elétrons desemparelhados de spin paralelo (Fig.1). Esses elétrons existem em seu nível de energia mais baixo quando não emparelhados e quando têm spins na mesma direção. Essa configuração é chamada de estado terra ou tripleto e descreve o comportamento paramagnético e eletrônico do oxigênio.

A maioria das moléculas tem elétrons com spins opostos e são denominadas diamagnéticas; seus estados fundamentais são descritos como singletes. Existem duas formas de oxigênio singlete (Fig.1).

A transferência de elétrons para o oxigênio também pode levar à produção de espécies tóxicas de radicais livres. O mais bem documentado deles é o radical superóxido, mostrado na Fig.1. Uma redução de dois elétrons do oxigênio resulta na formação do íon peróxido (Fig.1). Este não é um radical livre, mas é muito reativo e em protonatos de pH fisiológico para formar peróxido de hidrogênio (H2O2) A reação do peróxido de hidrogênio com o radical superóxido pode levar a uma série de reações que produzem espécies reativas adicionais. Eles são descritos a seguir.

2.1. Reações de Haber - Welss e Fenton

2.2. Reações de terminação e propagação

Os radicais livres freqüentemente reagem com outras moléculas de uma maneira que inicia a formação de muitas outras espécies de radicais livres. É essa capacidade de autopropagação que os torna tão tóxicos para os organismos vivos. Assim, os radicais livres são gerados por vários mecanismos:

Um único evento de iniciação que leva à produção de um radical livre pode em breve produzir muitos mais é chamado de "cascata" e pode ser evitado por meio das etapas de terminação acima. Nas células, a terminação também ocorre pela interação do mecanismo de proteção e antioxidantes.

2.3. Oxigênio singlete

As reações fotossensibilizadas também são muito importantes, porque estão envolvidas na produção de células (1 O2) Uma molécula fotossensível é aquela que, na ativação por radiação ou luz, faz com que outro componente molecular reaja. Existem dois tipos de fotorreações:

  • Tipo I: O sensibilizador tripleto reage diretamente com o substrato.
  • Tipo II: O sensibilizador reage primeiro com o oxigênio para produzir (1 O2).

Uma sequência de eventos é iniciada pela absorção de um fóton pela molécula sensível (por carotenóide ou clorofila) e pode ser resumida nas reações de Tipo I e Tipo II como segue:

O fluxo ao longo dessas vias é muito dependente das concentrações do substrato e do oxigênio molecular. Se a concentração de oxigênio for alta, mas a concentração de substrato for baixa, as reações do Tipo II são favorecidas. A reação do tipo I é mais eficiente se as condições inversas prevalecerem. O destino das espécies excitadas em ambos os tipos de reação é o mais importante, particularmente porque mais espécies excitadas e radicais livres podem ser produzidos. Sensibilizações também podem sofrer reações de transferência de elétrons com o substrato ou oxigênio:

Formado (1 O2) e vários tipos de radicais livres podem reagir com muitas moléculas orgânicas diferentes, especialmente lipídios. Como consequência, as membranas são os principais alvos de ataque. Os ácidos nucléicos (particularmente guanina), proteínas e enzimas, também são suscetíveis. E na próxima seção, tentaremos descrever os danos dos radicais livres às proteínas.

3. Danos de radicais livres em aminoácidos e proteínas

3.1. Análise

A oxidação de proteínas mediada por radicais foi estudada ao longo do século. Na primeira década, Dakin publicou estudos químicos detalhados da oxidação da leucina e outros aminoácidos por sistemas Fenton (íon de metal de transição mais peróxido de hidrogênio), e a agregação e fragmentação de proteínas foram detectadas por outros. Logo após a descoberta da glutationa, Hopkins percebeu que esse redutor poderia ser um antioxidante e um pré-oxidante e proteínas inativadoras. Vários autores avaliaram a suscetibilidade proteolítica de proteínas oxidadas e demonstraram efeitos bifásicos, em que a oxidação limitada leva a uma suscetibilidade aumentada, enquanto uma oxidação mais extensa pode estar associada ao aumento da resistência.

3.2. Química de oxidação de proteínas

Em muitos trabalhos, foi detectado que os aminoácidos em muitas reações diversas podem formar carbonilos, tais como os oxoácidos e aldeídos com o mesmo ou menos átomo de carbono do que o aminoácido parental, e. glicina dando origem a glioxsal e ácido glioxílico, formaldeído e ácido fórmico alanina dando origem a acetaldeído e ácido acético, etc. Este esquema geral foi confirmado para muitos aminoácidos, incluindo aminoácidos aromáticos, embora outras reações também possam ocorrer.

Durante a oxidação de aminoácidos alifáticos por HO +, derivados hidroxilados, notadamente das cadeias laterais, são formados. Durante a oxidação de resíduos aromáticos, pode ocorrer a formação de radicais fenoxila a partir da tirosina e sua conversão em ditirosina e outros produtos, especialmente se não houver redutores para reparar os radicais tirosila (por exemplo, tióis, vitamina E) e se houver radicais tirosil. A hidroxilação de fenilalanina, tirosina e triptofano também é uma reação característica dos radicais hidroxila, e reações semelhantes de histidina (dando 2-oxo-histidina) são importantes. A histidina em reações com radicais livres pode formar alguns produtos de decaimento de imidazol ou, em alguns casos, ácido aspártico e pode formar alguns derivados de histidina (Fig. 2). A química de Fenton pode gerar produtos alifáticos e aromáticos.

Os primeiros estudos de radiação em lisozima, ribonuclease e outras enzimas foram realizados principalmente na ausência de O 2 e mostraram que HO foi o inativador mais eficaz, e caracterizou outras espécies mais seletivas (mas menos eficiente inativando), como (SCN) 2 - , Br 2 - , Cl 2 - e I 2 - . Por exemplo, (SCN) 2 - foi encontrado para reagir com um importante resíduo de triptofano na pepsina e, assim, inativar a enzima, embora o dano pudesse ser revertido.

A Tabela 1. resume alguns produtos da oxidação de proteínas. Os esquemas 1 e 2 ilustram algumas das principais reações que se acredita serem importantes na oxidação da cadeia lateral e do esqueleto, respectivamente. Os radicais alcoxila aparentemente têm uma importância maior nas cadeias de oxidação de proteínas do que na peroxidação lipídica, na qual os radicais peroxila são espécies de propagação de cadeias-chave.


Aula 2: Bioquímica 1

Baixe o vídeo do iTunes U ou do Internet Archive.

Assuntos abordados: Bioquímica 1

Instrutores: Prof. Robert A. Weinberg

Aula 10: Biolo molecular.

Aula 11: Biolo Molecular.

Aula 12: Biolo Molecular.

Aula 13: Regulação do Gene

Aula 14: Localização de Proteínas.

Aula 15: DNA recombinante 1

Aula 16: DNA recombinante 2

Aula 17: DNA recombinante 3

Aula 18: DNA recombinante 4

Aula 19: Ciclo / Sinal Celular.

Aula 26: Sistema Nervoso 1

Aula 27: Sistema Nervoso 2

Aula 28: Sistema Nervoso 3

Aula 29: Células-tronco / Clon.

Aula 30: Células-tronco / Clon.

Aula 31: Molecular Medic.

Aula 32: Evolu Molecular.

Aula 33: Molecular Medic.

Aula 34: Polimorfo Humano.

Aula 35: Polimorfo Humano.

OK. Então, hoje vamos gastar um pouco de tempo em alguma química elementar apenas para desenvolver nossa linguagem que usamos uns com os outros. E então, quando eu digo ligação de hidrogênio, você não olha fixamente para mim e coça a cabeça. Muitos de vocês já tiveram isso.

Para muitos de vocês, esta é uma revisão, mas é uma revisão útil.

Acreditamos aqui no MIT em ensinar coisas duas ou três vezes com frequência, o mesmo assunto, mas em níveis crescentes de sofisticação.

Então, eu faço isso sem desculpas. Nossa primeira questão aqui é como os átomos e as moléculas se mantêm juntos? E a maneira mais familiar pela qual átomos e moléculas são mantidos juntos são, obviamente, as ligações covalentes. E as ligações covalentes têm uma energia de aproximadamente 80 quilocalorias por mol. E essa é uma energia bastante forte para manter juntos dois átomos porque a energia, a energia térmica, que é a energia, digamos, da temperatura corporal é de cerca de 0,6 quilocalorias por mol. E, portanto, se você tivesse um vínculo, se houvesse algo segurando as coisas juntas que estivesse neste intervalo ou duas, três ou quatro vezes maior do que a simples energia térmica em temperatura ambiente ou corporal seria suficiente para quebrar tal ligação. Mas, na verdade, essa energia, a energia de uma ligação covalente, é tão maior que é altamente improvável que a energia térmica quebre uma ligação covalente preexistente. E eu estava lendo ontem sobre como as pessoas estavam analisando o DNA mitocondrial de alguns ossos de Neandertal que foram desenterrados. O último Neandertal viveu há cerca de 30.000 anos, nossos primos recentemente falecidos.

E eles estavam analisando as sequências de DNA. E eles tiraram dessas análises trechos de DNA que tinham 200, 300 nucleotídeos de comprimento.

E isso é realmente um testemunho impressionante do fato de que, em condições muito difíceis, no entanto, moléculas biológicas complexas são capazes de sobreviver por períodos de tempo surpreendentes, na verdade, aquelas que são mantidas juntas por ligações covalentes como essa.

Claro, você se lembra do filme Jurassic Park, onde eles usaram a reação PCR para ressuscitar o DNA dos dinossauros. Isso é um pouco fantasioso desde que os dinossauros nos deixaram, eu acho, cerca de 150 milhões de anos atrás, algo assim. Há uma grande diferença, obviamente, entre 300.000 e 150 milhões de anos atrás.

Agora, o fato é que se você olhar para a maneira como as moléculas estão realmente conectadas, por exemplo, vamos olhar para uma molécula de água aqui.

Idealmente, não deveria haver carga sobre esta molécula.

E, de fato, não há cobrança líquida. Mas a verdade da questão é, se alguém quiser ser franco, que as moléculas de oxigênio, e sempre estamos aqui, que as moléculas de oxigênio têm uma afinidade maior com os elétrons do que os átomos de hidrogênio, ou seja, são eletronegativos.

E, portanto, o que isso significa é que os enxames de elétrons que mantêm tudo isso junto nos orbitais são atraídos mais próximos aos átomos de oxigênio e hidrogênio, ou seja, os prótons estão relativamente dispostos a ceder seus elétrons. E o que isso significa é que há uma distribuição desigual. E, como consequência, há uma fração de carga negativa aqui nesta extremidade da molécula e há frações de cargas positivas aqui porque não é como se eles tivessem desistido totalmente dos elétrons, mas os elétrons são deslocados mais em nesta direção. E esta molécula é, portanto, chamada de molécula polar em virtude do fato de que aqui ela tem um pólo positivo e aqui tem um pólo negativo. Existem outros pares de moléculas que são igualmente eletronegativas.

Por exemplo, aqui, se temos um carbono e um hidrogênio, esses dois átomos são praticamente iguais em termos de sua capacidade de puxar elétrons para longe, um do outro. E, como conseqüência, não há deslocamento de carga.

E tenha em mente que este delta que mostro aqui é apenas uma fração de uma carga eletrônica. Não é toda a carga eletrônica transferida. Mas isso tem consequências importantes para toda a bioquímica que vamos abordar hoje e na segunda-feira. Importante porque as moléculas polares, como a água como essa, são capazes de dissolver certos compostos.

E as moléculas não polares, que possuem grandes arranjos desses tipos de ligações ou ligações carbono-carbono, são relativamente insolúveis em água e isso tem consequências importantes para a organização das membranas biológicas. Podemos ter uma ligação carbonila aqui, que é um C indo para um O por meio de uma ligação dupla. E aqui temos, mais uma vez, uma situação em que o oxigênio é muito mais ávido em termos de sua disposição e interesse em puxar elétrons em sua direção.

E, portanto, o carbono cede um pouco da nuvem de elétrons e fica levemente eletropositivo.

Considerando que, o átomo de oxigênio torna-se ligeiramente eletronegativo.

Agora, o fato da questão é que também existem outras ligações que são não covalentes e são muito menos energéticas. Por exemplo, vamos falar um pouco sobre uma ligação de hidrogênio.

E talvez seja mais fácil demonstrar uma ligação de hidrogênio observando a estrutura de duas moléculas de água vizinhas em uma solução de água de todas as coisas. E, o fato da questão é, digamos que desenhemos uma molécula de água aqui e uma molécula de água aqui. O que vai acontecer é que esse átomo de oxigênio aqui, em virtude de sua eletronegatividade, terá uma certa afinidade para puxar esse átomo de hidrogênio em sua direção. E, de fato, o que realmente acontece na vida real, seja lá o que for no nível molecular, é que esse átomo de hidrogênio pode realmente estar saltando para frente e para trás entre esses dois oxigênios. Pode ser rapidamente um intercâmbio entre eles. Esse intercâmbio causa uma forte associação entre duas moléculas de água vizinhas. E, de fato, representa a razão pela qual a água não vaporiza à temperatura ambiente porque as moléculas de água têm uma forte afinidade ou avidez umas pelas outras.

E, portanto, apenas para tirar algumas ilustrações do livro, é assim que está ilustrado no livro.

Provavelmente bom ter uma tela fechada. E aqui você pode ver a maneira como as moléculas de água estão realmente organizadas na água. Esta é a ilustração inferior aqui. Apenas para indicar a você que os átomos de hidrogênio não são realmente a posse, a propriedade de uma molécula de água. Eles estão constantemente sendo trocados de um lado para outro. E essa troca de ida e volta, esse compartilhamento de um átomo de hidrogênio é o que permite que uma ligação de hidrogênio de cerca de 5 quilocalorias de energia por mol para manter as coisas juntas.

5 quilocalorias não é muito. É apenas uma ordem de magnitude acima de 0,6, em vez de duas ordens de magnitude.

E, portanto, se alguém elevar a temperatura ao nível de ebulição, se a temperatura for alta o suficiente, a energia térmica será alta o suficiente para destruir esses tipos de associações.

Agora, se voltássemos aqui para olhar este átomo de carbonila, encontraríamos o seguinte tipo de situação. Aqui temos esse compartilhamento desigual de ligações eletropositivas e eletronegativas.

Vamos colocar um grupo ácido como este. Este é um ácido carboxílico bem aqui. Aqui vemos uma ligação de carbono a uma hidroxila por meio deste átomo de oxigênio. Aqui, mais uma vez, temos um átomo eletronegativo. E, de fato, se falamos de um ácido ionizado, normalmente na ausência de ionização haveria uma carga líquida zero bem aqui. Mas em pH neutro pode muito bem ser o caso que a associação, por várias razões, entre esse oxigênio e esse hidrogênio permitirá que o hidrogênio, ou melhor, o próton, o núcleo do átomo de hidrogênio, simplesmente se distancie.

E, portanto, podemos imaginar que poderia haver uma carga negativa líquida aqui. Um todo, isso tem um elétron completo, carga eletronegativa aqui, carga de um elétron, e esse próton terá ionizado, terá deixado o grupo carboxílico em que se originou, e agora temos um grupo ácido ionizado. Antes ou mesmo depois dessa ionização, existe uma forte afinidade do grupo carboxila com a água ao seu redor, pois vamos ver o que acontecia antes de ocorrer a ionização. Este carbono aqui é forte e eletronegativo. E, portanto, participará da ligação de hidrogênio ao solvente de água aqui, i.

., este próton será um pouco compartilhado entre o oxigênio da molécula de água e o oxigênio aqui. Da mesma forma, aqui esse oxigênio será ligeiramente eletronegativo pelos motivos que acabei de descrever.

E aqui, mais uma vez, pode haver alguma ligação de hidrogênio fraca acontecendo.

Embora não seja tão eficaz quanto aqui, onde temos uma ligação dupla, onde temos muita concentração de uma nuvem de elétrons puxada em direção ao átomo de oxigênio. E isso começa a nos dar pistas sobre por que certas moléculas são solúveis em água e outras são insolúveis.

Por exemplo, se olharmos para os compostos alifáticos.

Vejamos um composto estruturado assim.

Eu acho que a maioria das pessoas chamaria isso de pentano. E podemos chamá-lo assim também. E isso não tem eletronegatividade ou positividade em virtude das afinidades iguais desses dois tipos de átomos, que é o hidrogênio e os carbonos para os elétrons. E, como consequência, isso não será capaz de formar nenhuma ligação de hidrogênio com um solvente ao seu redor se o solvente for água.

Portanto, não há uma boa ligação aqui. E isso vai, de fato, também se colocarmos isso em uma solução de água, isso fará com que todas as moléculas de água se alinhem de uma certa maneira, quase um quase cristal em torno da molécula alifática. Eles serão ordenados em uma determinada camada ao redor da molécula alifática, sem serem capazes de formar quaisquer ligações de hidrogênio fortes com eles. E essa ordenação representa uma perda de caos, uma perda de entropia. A entropia é o caos. É desordem.

É o que acontece, digamos, às 10:55, quando todos nós saímos da sala, de repente a ordem se torna caótica. E aqui, antes que esse alinhamento ocorresse, as moléculas de água estavam caoticamente dispostas em todo o solvente. Depois que esse alinhamento ocorreu, houve uma perda de entropia, houve uma perda de caos.

E a termodinâmica nos diz que geralmente a ordem das moléculas é desfavorecida. Conseqüentemente, agora temos duas razões pelas quais essa molécula não gosta de estar no meio da água.

Em primeiro lugar, ele é incapaz de formar ligações de hidrogênio com o solvente.

E em segundo lugar, há uma diminuição da entropia, no caos que ocorre quando essa molécula se confronta diretamente com a água.

E por esses dois motivos, essa molécula não gosta de estar na água. A molécula alifática, como se chamaria em química orgânica, não gosta de estar na água. E uma aversão à água costuma ser chamada de hidrofobicidade, ou costumamos chamá-la de hidro, pode muito bem soletrar bem, hidrofóbica, ou seja, realmente odeia estar na água.

Na verdade, classe, há um segundo significado para hidrofobia, ou hidrofóbico tem um segundo significado.

A cada cinco anos, eu pergunto a uma classe para ver quem sabe qual é o segundo significado de hidrofobia. Isso é realmente obscuro. Desculpa?

Raiva, certo. Os TAs não têm permissão para responder a isso.

Se alguém tem raiva, em um estágio da raiva, quase próximo ao estágio terminal, o indivíduo torna-se hidrofóbico porque não gosta de beber água, por razões que pelo menos para mim são obscuras. Agora, ao contrário, as moléculas que têm um grupo carboxila seriam chamadas de hidrofílicas.

E, como veremos nesta aula e na próxima, essas tendências hidrofóbicas e hidrofílicas tendem a ter grandes efeitos no comportamento geral das moléculas. Vamos, por exemplo, imaginar uma situação em que temos uma longa cauda alifática como esta. Na verdade, essas caudas podem continuar em certos compostos alifáticos. Eles podem durar 20 ou até 30 carbonos. E no final disso, vamos colocar arbitrariamente um grupo carboxila. E digamos que o ionizamos.

Então aqui está um grupo ácido que é ionizado. Ele derramou seu próton.

Na verdade, adquiriu uma carga negativa. E agora temos algo, esta molécula é um pouco esquizóide. Porque em uma ponta ela adora estar na água, na outra ponta odeia estar na água.

E isso tem fortes influências.Às vezes é chamado de anfipático, mas não precisamos nos preocupar com essa palavra. E, portanto, essa cabeça de carboxila adora enfiar a cabeça, mergulhar a cabeça na água. E essas coisas, a porção alifática odeia estar na água. Agora, como consequência desses sentimentos um tanto conflitantes que essas moléculas têm sobre a água, podemos nos perguntar o que acontece quando colocamos essas moléculas de fato na água? E o que vemos aqui é o seguinte. Que se formos construir, por exemplo, uma molécula do tipo que tem aqui, neste caso estamos falando de uma molécula que tem duas caudas hidrofóbicas. Entraremos em sua estrutura detalhada em breve, mas imagine por um momento duas longas caudas hidrofóbicas aqui terminadas com uma cabeça hidrofílica.

E em tais situações, se colocarmos milhares ou milhões dessas moléculas em uma solução de água, o que veremos é, nenhum ponteiro? Tudo bem. Pointer?

Tudo bem. O que veremos então é que os grupos de cabeças hidrofílicas, que estão aqui representados em vermelho, vão apontar seu caminho para fora, eles vão querer enfiar suas cabeças na água.

E, inversamente, as caudas hidrofóbicas que fogem da água irão realmente se associar uma à outra. E então você tem uma estrutura que é chamada, neste caso, de a micela onde você forma esta pequena esfera globular onde as caudas de lipídios estão enfiadas dentro.

E, portanto, estão realmente sendo protegidos de qualquer exposição direta à água. Essa estrutura aqui embaixo, a bicamada lipídica, é na verdade, como discutiremos em maiores detalhes em breve, a topologia geral da forma como a maioria das membranas biológicas são organizadas.

Na verdade, praticamente todos eles. Por que é que? Porque as membranas biológicas separam dois espaços hidrofílicos ou dois espaços aquosos.

Obrigado, senhor. Você é um cavalheiro. Portanto, aqui está um espaço aquoso e aqui está um espaço aquoso. E, como podemos ver, as cabeças hidrofílicas estão imersas ou enfiando suas cabeças no espaço hidrofílico.

Isso é chamado de bicamada lipídica. E, obviamente, é altamente eficaz separadamente para esses dois compartimentos aquosos.

Nas células eucarióticas, como mencionei da última vez, há um enorme prêmio colocado na separação e segregação de diferentes compartimentos aquosos, o que é invariavelmente alcançado por meio do dispositivo de construção dessas bicamadas lipídicas. Aqui está uma vesícula. Uma vesícula é mais complicada do que uma micela. Porque se você olhar para a membrana que reveste a vesícula, verá que na verdade é uma bicamada lipídica, mas que no espaço tridimensional é na verdade uma esfera. E no caso dessa vesícula, podemos bem imaginar que no interior da vesícula a água é mantida, pode ser armazenada, e do lado de fora da vesícula a água pode ser armazenada.

E muitas das membranas que vemos dentro dos próprios citoplasmas são, na verdade, construídas com esse tipo de desenho.

Então, quando desenhamos, por exemplo, neste caso o aparelho de Golgi, que mencionei a vocês de passagem da última vez que nos encontramos, cada uma dessas membranas aqui, é obviamente desenhada como uma linha dupla, mas sempre que você vir uma membrana indicada, está implícito nesse desenho o fato de que cada uma dessas membranas é, na verdade, uma bicamada. Nunca existem monocamadas de lipídios nas células vivas. Cada uma dessas vesículas que você vê aqui é na verdade uma bicamada lipídica com um interior aquoso e, mais uma vez, aquoso por fora. Novamente, grande parte da estabilidade termodinâmica que permite que essas vesículas permaneçam intactas em vez de apenas se difundirem é criada por essas forças hidrofílicas e hidrofóbicas que unem essas moléculas ou as separarão.

Agora, na verdade, existem ainda outros tipos de forças que governam a afinidade das moléculas umas com as outras. Por exemplo, vamos imaginar uma situação em que temos um grupo de ácido ionizado do tipo de que falamos antes. Agora, a propósito, aqui, digamos que eu desenhe a carga negativa em um desses dois oxigênios, se você pode ver isso. Mas a verdade é que os elétrons estão fervilhando para frente e para trás, e assim a carga negativa é compartilhada igualmente, a carga negativa de um elétron é compartilhada igualmente entre esses dois átomos de oxigênio. E esta é obviamente uma área de grande eletronegatividade. Independentemente disso, vamos imaginar aqui em cima que temos um grupo básico, digamos um grupo amina aqui. E, o fato da questão é, grupos amina, grupos NH2, isso é o que uma amina é, aqui está um grupo amina. Este é um grupo carboxílico.

E o grupo amina, muito usado em bioquímica, na verdade tem uma afinidade. Ele tem um conjunto desemparelhado de elétrons no nitrogênio e, por isso, gosta de atrair prótons para ele, o que o torna, faz com que seja chamado de básico.

E essa atração, a eliminação de prótons, talvez da água, obviamente dará a todo esse grupo aqui uma carga líquida positiva, uma carga igual à carga de um próton. Aqui, mais uma vez, podemos imaginar que isso é hidrofílico porque este grupo de carga pode mais uma vez também se associar intimamente com o solvente aquoso.

Agora, independente de quaisquer outras forças que possam existir aqui, de fato, pode-se imaginar situações em que há um compartilhamento de um próton.

E, portanto, uma ligação de hidrogênio se formou entre os dois. Independente disso é a interação eletrostática simples desses dois grupos. Essa é a atração mútua de grupos positivos e negativos, um para o outro. E as interações eletrostáticas, você não pode quantificar exatamente quantas quilocalorias um mol existe porque o valor energético na interação eletrostática é igual a um sobre r ao quadrado, onde r é a distância entre esses dois grupos carregados. E, obviamente, quanto mais distante você fica, mais fraca é a atração um pelo outro. Existem também as chamadas interações de van der Walls. São de grande interesse para uma comunidade muito pequena de bioquímicos.

Você provavelmente nunca ouvirá, talvez nunca mais ouça esse termo em sua vida. E as interações de van der Waals vêm do fato de que se tivéssemos, por exemplo, duas moléculas aqui que não são normalmente carregadas de forma alguma, vamos apenas falar sobre duas cadeias alifáticas novamente. E não vou colocar todos os prótons e tudo mais, mas imagine uma situação como essa. O que acontecerá é que por causa das flutuações dos elétrons, porque os elétrons estão nadando por aqui o tempo todo, movendo-se de uma área para outra, eles nunca estão igualmente distribuídos homogeneamente por um longo período de tempo, haverá um breve exemplo em tempo, microssegundos ou mesmo nanossegundos, quando acontece que há mais elétrons aqui do que aqui.

Por acaso. E esta área de distribuição desigual de elétrons irá, por sua vez, induzir o tipo oposto de deslocamento de elétrons em uma molécula vizinha aqui embaixo.

Obviamente, dependendo da distância entre eles.

Mas o negativo aqui vai repelir elétrons aqui.

O positivo aqui atrairá elétrons para cá.

E então você terá esses dois arranjos quase polares aqui e aqui, muito efêmeros, que duram por um período transitório muito curto. Mas, no entanto, o suficiente para dar uma interação muito fraca entre essas duas moléculas, que pode persistir apenas por um microssegundo e depois ser dissipada porque as cargas então redistribuídas mais uma vez.

E, como consequência disso, temos interações muito fracas que, no grande esquema das coisas, desempenham apenas um papel muito menor na energia geral que mantém as moléculas unidas. Agora, com esse pano de fundo em mente, vamos começar a elaborá-lo, sobre como podemos fazer moléculas que tenham propriedades interessantes que as habilitem, entre outras coisas, a participar da construção de bicamadas lipídicas, que serão o primeiro objeto de nosso atenções hoje em termos de bioquímica real.

Então aqui está um ácido graxo. Nós vemos isso aqui. Eu, na verdade, já desenhei para vocês a estrutura de um ácido graxo aqui uma vez antes. E o que podemos ver é através de uma ligação conhecida como esterificação, podemos criar essa molécula. Então, o que quero dizer com esterificação? Bem, neste caso, estamos falando sobre uma situação aqui onde temos um átomo de carbono aqui com um grupo hidroxila. Você vê isso aqui. E o que estamos fazendo é desidratando isso, retirando uma molécula líquida de água. E cada vez que fazemos isso, em três ocasiões distintas, o que acabamos fazendo é criar, em vez disso é criar uma ligação covalente entre os dois.

E o produto final da desidratação disso, retirando uma molécula líquida de água, é que acabamos com uma estrutura parecida com esta.

E você vê isso acontecendo em pelo menos três ocasiões diferentes, aqui, aqui e aqui. Bem, na verdade, eu deveria colocar um carbono aqui.

Portanto, aqui temos três esterificações.

O grupo hidroxila em cada caso está reagindo com um grupo carboxila aqui puxando uma água, e cada caso criando o que é chamado de triacilglicerídeo ou triglicerídeo. Triglicerídeo se refere ao fato de que começamos aqui com um glicerol e agora o esterificamos.

Agora, de fato, existem duas direções aqui neste tipo de reação. Esterificação é o tipo de ligação que acabamos de mostrar aqui. E a verdade é que um grande número de ligações bioquímicas são feitas por reações de esterificação e revertidas por reações que são chamadas simplesmente de hidrólise.

E, neste caso, estamos nos referindo ao fato de que se alguém reintroduzisse uma molécula de água em cada uma dessas três ligações, uma, duas e três, quebraríamos a ligação e fazeríamos com que toda a estrutura revertesse para os dois precursores que existiam ou preexistiam antes dessas três reações de esterificação.

E você verá repetidamente, nas próximas semanas, que as reações de esterificação são importantes para a construção de diferentes tipos de moléculas. Agora, o fato da questão é que podemos fazer outros tipos de modificações em um glicerol como este.

Aqui o que fizemos, em vez de adicionar um terceiro ácido graxo, observe o que foi feito aqui. Aqui, por meio de uma esterificação, vamos examinar este aqui, em vez de adicionar um terceiro ácido graxo, salvamos, reservamos um dos três grupos do glicerol.

Aqui está o que vimos antes. Nós salvamos um dos três grupos de glicerol e colocamos em vez deste grupo fosfato altamente hidrofílico, mais uma vez por meio de uma reação de desidratação, uma reação de esterificação. E agora o que fizemos foi agravar a situação porque, na ausência desse fosfato, haveria uma hidroxila que é levemente hidrofílica. Mas agora veja como isso é fortemente carregado. Aqui estão duas cargas negativas, um elétron cada. E isso já é um pouco eletronegativo.

Portanto, aqui temos uma entidade hidrofílica extremamente potente.

E aqui o grau de esquizofrenia entre uma extremidade da molécula e a outra é muito exagerado. Aqui, na verdade, isso é extremamente hidrofílico.

E, por isso, gosta mesmo de enfiar a cabeça dentro d'água. E quando falamos sobre isso, desenhamos as imagens de diferentes tipos de membranas, como esta que mostrei antes das duas caudas. Aqui você viu as duas caudas que desenhei antes naquele diagrama.

Aqui está o que podemos imaginar que eles realmente se parecem em termos moleculares mais reais. E as cabeças hidrofílicas grudando na água, isso é apenas uma repetição do que vimos antes, tornam-se ainda mais hidrofílicas se olharmos para uma molécula como esta.

Vamos dar uma olhada nisso aqui. Aqui está uma cauda hidrofóbica muito longa.

Aqui estão os dois gliceróis mais uma vez. Aqui está o fosfato.

E tenha em mente que o fosfato obviamente tem esses oxigênios extras.

O fosfato pode reagir com mais de um parceiro, o glicerol aqui embaixo. Neste caso, adicionamos este grupo aqui. E esse grupo aqui em cima é, mais uma vez, isso passa a ser uma serina que é um aminoácido, isso também passa a ser bastante hidrofílico. Aqui está nosso velho amigo, o grupo amino básico. Aqui está o grupo carboxila. Isso é um pouco hidrofóbico, CH2. E então temos mais uma vez a cabeça hidrofílica aqui.

E, portanto, imaginamos, se olharmos para o que é chamado de modelo de preenchimento de espaço, e um modelo de preenchimento de espaço realmente pretende nos mostrar o que se imagina se tivéssemos essa visão, que não temos, quanto espaço cada um desses átomos realmente ocuparia se alguém fosse capaz de vê-los.

E aqui vemos este modelo de preenchimento de espaço. Esta molécula de lipídio aqui está ligeiramente dobrada com sua cabeça hidrofílica enfiada no espaço da água. E então aqui está a aparência de muitas membranas biológicas em termos de como são construídas.

Agora, o fato da questão é que isso também dá à célula a capacidade de segregar conteúdos em um ou outro lado de qualquer bicamada lipídica que ela tenha construído. E aqui podemos ver sobre a semipermeabilidade, como essas membranas são permeáveis ​​a diferentes tipos de moléculas. A permeabilidade refere-se obviamente à capacidade desta membrana de obstruir ou permitir a migração de moléculas de um lado para o outro.

Íons, e esses íons que vemos aqui são obviamente altamente hidrofílicos em virtude de sua carga. Isso explica, de fato, por que, por exemplo, o sal de cozinha se transforma tão prontamente em solução, porque se ioniza prontamente em sódio, NA e CL, que então são avidamente absorvidos pelas moléculas de água.

Portanto, esses são íons altamente hidrofílicos. E a questão é: eles podem ir de um lado a outro da membrana?

E a resposta é absolutamente não ou altamente improvável. Porque?

Por serem altamente hidrofílicos, as moléculas de água adoram se reunir em torno deles e formar ligações de hidrogênio e eletrostáticas com eles. E se um desses íons se aventurar aqui, está indo de uma área onde é calorosamente abraçado pelas moléculas do solvente para uma área onde essas moléculas não gostam intensamente desses íons. E, portanto, termodinamicamente a entrada de qualquer um desses íons na membrana, na porção hidrofóbica da membrana é altamente desfavorecida, o que torna a membrana essencialmente, para todos os fins práticos, impermeável. O mesmo pode ser dito da glicose, que é um carboidrato. Falaremos sobre isso em breve. Mas também é bem hidrofílico. Também pode entrar na água. Na verdade, pode passar. E é verdade, que eu saiba, que ninguém realmente entende até hoje por que as bicamadas lipídicas são razoavelmente permeáveis ​​à água.

Você diria, bem, a água não deveria passar. Claramente não precisa ter uma carga líquida positiva ou negativa, mas o físico-químico, se você perguntou a eles por que a água tem, por que a água consegue passar pelas bicamadas lipídicas? Eles dirão, bem, estamos trabalhando nisso e obteremos uma resposta nos próximos cinco ou dez anos. E eles disseram isso há 40 e 30 anos, e ainda estão dizendo. E não entendemos realmente por que a água passa, o que é uma vergonha, porque aqui está uma das propriedades bioquímicas fundamentais da matéria viva que é mal compreendida. Os gases podem passar direto.

E aminoácidos, ATP, glicose 6 fosfato, altamente hidrofílicos, também não conseguem passar. Agora, a vantagem disso é que uma célula pode acumular grandes concentrações dessas moléculas tanto internamente quanto bombeá-las para fora. Em outras palavras, ele pode criar grandes gradientes nas concentrações de diferentes tipos de íons. Por exemplo, em muitas células, a concentração de cálcio, CA ++ é mil vezes maior no exterior da célula do que no interior da célula, o que é um testemunho de quão impermeáveis ​​são essas membranas de bicamada lipídica.

O fato é que estou enganando um pouco aqui porque nas bicamadas lipídicas da membrana plasmática da célula, a membrana externa da célula da qual falamos na última vez, existem bombas de íons que estão constantemente trabalhando O bombeamento de íons de um lado para o outro supera o pequeno vazamento que pode ter ocorrido se um íon de cálcio passar furtivamente em uma direção ou outra. E acabamos gastando muita energia para manter esses gradientes de íons em concentrações apropriadas por fora e por dentro. Na verdade, praticamente toda a energia que é gasta em nosso cérebro, quase toda ela é gasta para alimentar as bombas de íons que estão constantemente garantindo que as concentrações de certos íons no exterior e no interior dos neurônios sejam mantidas em seus respectivos níveis adequados .

Portanto, pode ser que, na verdade, mais da metade de nossa carga metabólica todos os dias seja gasta apenas mantendo os íons segregados por fora e por dentro das células. Por exemplo, o potássio está em níveis elevados dentro das células, o sódio está em níveis elevados fora das células, apenas para apontar alguns exemplos arbitrários. A propósito, também há canais, como mencionei da última vez.

E os canais são na verdade apenas pequenos objetos em forma de donut que são colocados, inseridos em bicamadas lipídicas nas membranas plasmáticas e apenas permitem a difusão passiva de um íon através deles, através do orifício do donut que permite um íon, então se aqui está a bicamada lipídica, não mostrando suas duas coisas, esses tipos de agregados de proteína em forma de donut permitirão a passagem de íons em uma direção ou outra. E aqui a energia não está sendo gasta para permitir esta passagem. Pode ser apenas por difusão.

Se houver uma concentração maior de íon no lado da bicamada lipídica e uma menor neste lado, essa difusão permitirá que o íon migre através do orifício do canal iônico de um lado para o outro.

Na verdade, mesmo que isso não envolva o gasto de energia por parte da célula, a célula pode realmente usar um mecanismo de passagem para abrir ou fechar esses canais.

Quando os canais estão fechados, os íons não podem se mover.

Quando os canais estão abertos, a difusão pode assumir e garantir a transferência, o transporte de íons de um lado para o outro. Agora, tendo dito isso, podemos começar a olhar para outras estruturas de nível superior.

A propósito, aqui está um desenho melhor do que o que eu lhe dei.

Isso vem do seu livro sobre a aparência de uma vesícula.

Aqui está o que parece sob o microscópio eletrônico e aqui está o que parece quando um artista talentoso, em vez de infeliz e desesperado como eu, tenta desenhá-lo. Então, vamos apenas dizer que esta é a nossa introdução em lipídios e membranas. E vamos passar para a próxima camada de complexidade. E a próxima camada de complexidade em termos de moléculas representa os carboidratos.

E quando falamos de um carboidrato entre nós, estamos falando de uma molécula que, grosso modo, tem um átomo de carbono para cada molécula de água. E em breve nos daremos ao luxo de falar sobre todos os tipos de moléculas de carboidratos diferentes.

Esta é realmente uma das moléculas de carboidratos mais importantes, a glicose. E o que devemos observar sobre a glicose?

Bem, a primeira coisa que você deve ver é que a glicose tem seis átomos de carbono. E, conseqüentemente, é chamado de hexose. Falaremos sobre pentoses muito em breve. Eles só têm cinco, para dizer o óbvio. O glicerol, sobre o qual falamos antes, também é considerado, em certo sentido, um carboidrato, mas tem sido chamado por algumas pessoas de triose.

Ele tem apenas três átomos de carbono. E você pode imaginar, portanto, em princípio, que existem certos mecanismos bioquímicos que realmente existem que permitem que alguém junte duas moléculas de glicerol, uma à outra, para criar algo como uma hexose, a glicose.

Na verdade, o que vemos neste desenho, habilmente desenhado por vocês, é que a molécula de hexose não é realmente uma molécula linear em solução. O que acontece é que, por causa de várias forças estéricas e termodinâmicas, ele gosta de ciclizar. Deixe-me apenas mencionar, acabei de usar duas palavras que são úteis para conhecer.

Estérico ou estereoquímica refere-se à estrutura tridimensional de uma molécula. E, obviamente, a estereoquímica de uma molécula é ditada pela flexibilidade com a qual os átomos participantes podem formar ligações, quer tenhamos um átomo trivalente como o nitrogênio ou um átomo tetravalente como o carbono ou um monovalente como o hidrogênio. E nessas estruturas, a estereoquímica é ditada pelos átomos que estão presentes aqui e por considerações termodinâmicas que fazem com que essa hexose em particular, na verdade praticamente todas as hexoses, ciclize. Quando digo ciclizar, obviamente pretendo formar uma estrutura circular. Aqui notamos uma coisa.

Você pode ver como a hidroxila aqui realmente ataca o carbono carregado positivamente para formar essa estrutura cíclica.

Você vê um dos seis pontos nesta estrutura hexagonal aqui é o oxigênio. Não é carbono de forma alguma. Portanto, há um oxigênio e cinco carbonos. E um dos carbonos é relegado, é exilado para fora do círculo. Às vezes é chamado de extracíclico porque está saindo do círculo real. E esta é a estrutura na qual a glicose realmente existe dentro das células. E, de fato, há, na verdade, duas maneiras alternativas pelas quais a glicose pode ciclizar, quer o oxigênio ataque o carbono no grupo carbonila por baixo ou por cima.

E você vê que nos dá duas estruturas alternativas.

O que há de diferente neles? Bem, se pensarmos nesta hexose como existindo em um plano, ou o hexágono está em um plano, neste caso o oxigênio está acima do plano e o hidrogênio está abaixo do plano. Com a mesma probabilidade, você pode ter esses dois átomos invertidos, onde o hidrogênio está agora acima do plano e a hidroxila está abaixo do plano. E ambas as estruturas, essas estruturas alternativas podem ser razoavelmente consideradas glicose. Agora, vamos complicar um pouco mais. Aqui temos frutose e galactose.

E o que vemos aqui é, aliás, que temos exatamente o mesmo número de átomos de carbono e átomos de hidrogênio e átomos de oxigênio, mas eles estão ligados de forma ligeiramente diferente. E aqui agora começamos a ser muito exigentes quanto à disposição, a orientação desses diferentes tipos de hidroxilas e hidrogênios.

E note, aliás, aqui que em muitos casos nem mesmo se coloca o H para o hidrogênio. Está apenas implícito no final desta linha. E aqui, se você olhar para isso, verá que agora temos dois carbonos cíclicos extras.

Aqui está a galactose, que é outra hexose.

Todas essas são hexoses, mas sua estereoquímica cria tipos de estruturas bastante diferentes. E acontece que essa estereoquímica é extremamente importante. Essas moléculas funcionam de maneira muito diferente, uma da outra.

E, por exemplo, na medida em que a glicose é usada em diferentes tipos de metabolismo energético e na medida em que a galactose não o é, deve haver certos mecanismos bioquímicos nos quais se tem catalisadores, os catalisadores que chamamos de enzimas que garantem que se possa converter uma dessas hexoses por meio de uma enzima em, digamos, uma menos útil em outra mais útil, a glicose, que pode ser facilmente queimada pelo maquinário de geração de energia. Aqui fomos ainda outra ordem de magnitude mais complexa porque passamos de um monossacarídeo, ou seja, uma ou outra hexose, para um dissacarídeo. E aqui está o açúcar comum.

E aqui você vê que é formado mais uma vez por meio de uma reação de esterificação, ou seja, há uma reação de desidratação entre essa hidroxila aqui e essa hidroxila aqui.

E os bioquímicos levam muito a sério a orientação desses grupos hidroxila e hidrogênio. Agora, você pode dizer que eles são um pouco obsessivos. Na verdade, provavelmente são.

Mas, no entanto, podemos admitir que as orientações específicas de todas essas coisas ditam de maneira muito importante a diferença entre aqui, neste caso a sacarose, e neste caso a lactose. Por que isso é importante? Bem, este é o açúcar do leite. Este é o açúcar dominante no açúcar do leite, a lactose. E metade do mundo, como adultos, não consegue absorver isso.

Todos os tipos de coisas desagradáveis ​​acontecem quando eles realmente bebem leite. Quantas pessoas aqui são intolerantes à lactose? Não é nada para se envergonhar. Sou casado com uma pessoa muito intolerante à lactose. Por outro lado, ela é muito legal.

O fato é que a enzima para quebrar a lactose, é uma enzima que se chama lactase. E aqui temos mais um item de nomenclatura. Portanto, a lactase é a enzima que decompõe a lactose. E, a propósito, este é apenas o prenúncio de muitas outras enzimas sobre as quais falaremos no futuro, que terminam em A-S-E. Enquanto os carboidratos, muitos deles terminam em O-S-E, como você já percebeu.

Acontece que a enzima lactase é produzida em grandes quantidades pela maioria dos mamíferos muito cedo na vida. Porque? Ser capaz de decompor o açúcar do leite que vem com o leite da mãe.

Mas, uma vez que os mamíferos são desmamados, não há razão na terra para eles continuarem a produzir lactase, no estômago, por exemplo.

E, como consequência, na maioria dos mamíferos a produção de lactase é interrompida mais tarde na vida. E por alguma peculiaridade estranha da história humana, uma proporção significativa da humanidade aprendeu como manter a capacidade de produzir lactose até a idade adulta. E, como consequência, as pessoas podem ir tomar sorvete até os 70, 80 ou 90 anos sem ficarem muito inchadas. E não precisamos entrar em todos os detalhes, mas você pode começar a imaginar. E o que acontece é, portanto, a enzima lactase é desligada em seu estômago.

Depende. Às vezes, eles perdem a idade de 10, 15 ou 20 anos.

E então, para o resto da vida, sempre que eles têm um produto que contenha leite, na verdade, meu filho também é intolerante à lactose. Estou cercado por essas pessoas. Novamente, ele é uma pessoa tolerante, mas é intolerante à lactose.

Portanto, essa molécula de lactose irá para o estômago, permanecerá não digerida, permanecerá um dissacarídeo em vez de ser clivada em dois monossacarídeos.

Os dois monossacarídeos não são problema porque podem ser facilmente interconvertidos. A galactose pode ser facilmente convertida em glicose, e a glicose é a moeda universal da energia dos carboidratos. E assim esse dissacarídeo passa pelo estômago inalterado e chega aos intestinos, no intestino delgado e no intestino grosso.

E acontece que temos mais células bacterianas em nosso intestino do que nossas próprias células no resto do corpo. Imagine isso.

E há muitas bactérias esperando no intestino por apenas um pequeno gole de lactose. E nunca conseguem, porque a maioria das pessoas decompõe a lactose muito antes de chegar ao intestino.

Mas aqui temos essas pessoas intolerantes à lactose.

O dissacarídeo entra no intestino e as bactérias vão para a cidade.

Eles estão esperando há anos, décadas por um pouco de lactose. E agora finalmente chega e eles vão para a cidade, e começam a metabolizá-lo e fermentam e produzem muito gás e outros tipos de subprodutos. E, como consequência, isso deixa as pessoas muito desconfortáveis. Só para mostrar a você, agora, o fato é que pessoas com intolerância à lactose podem perfeitamente decompor a sacarose, obviamente. Esta é uma das grandes fontes de energia das plantas. Mas eles não podem quebrar isso.

E enfatizo esse ponto para indicar que as diferenças estereoquímicas entre os diferentes tipos de carboidratos fazem uma diferença muito importante. Uma enzima como a sacarase quebra a sacarose, mas não toca a lactose.

Portanto, há um alto grau de estereoespecificidade, como é chamado no comércio. Aqui, vamos agora para outro passo em frente que iremos seguir com muito mais detalhes na próxima vez.

Porque aqui, pela primeira vez, falamos de polimerização. Estamos fazendo polímeros. Onde o grande número de grupos hidroxila nesses monossacarídeos oferece muitas oportunidades de fazer agregados lineares muito longos de ponta a ponta como este ou mesmo ramificações laterais. Se você imaginar que cada uma dessas hidroxilas, em princípio, representa um local para uma possível esterificação, ou seja, a formação de uma ligação a uma cadeia lateral vizinha.

Aqui vemos essas duas cadeias lineares e aqui vemos o ramo que é fornecido, o que é possível pela disponibilidade dessas cadeias laterais de hidroxila não utilizadas que estão apenas esperando para participar, se a oportunidade permitir, em algum tipo de reação de esterificação para formar uma ligação covalente. A propósito, aqui está o glicogênio, que é a forma como armazenamos muito açúcar no fígado.

Aqui está um amido, que obtemos de muitas plantas. E aqui está outro polissacarídeo muito interessante.

É chamado de celulose. E não podemos digerir a celulose, mas os cupins podem. E por que eles podem é algo que teremos que esperar até a próxima vez para aprender. Tenha um ótimo fim de semana. Vejo você na segunda.


Formação de espécies reativas de oxigênio e danos celulares

As espécies reativas de oxigênio (ROS) são moléculas que contêm um átomo de oxigênio com um elétron desemparelhado em sua camada externa. Conforme os ROS são formados, eles se tornam muito instáveis ​​devido ao elétron desemparelhado agora residir na camada mais externa. As formas instáveis ​​de oxigênio às vezes são chamadas de radicais livres.

Como as ROS são realmente geradas nas células? Uma maneira é por meio da respiração celular conduzida pelo transporte de elétrons cadeia na mitocôndria. A cadeia de transporte de elétrons é responsável pela geração de ATP, principal fonte de energia para o funcionamento de uma célula. Uma molécula chave que ajuda a "iniciar" a cadeia de transporte de elétrons é o NADH (ou dinucleotídeo de nicotinamida adenina), que serve como o doador de elétrons (ou seja, o H no NADH). O NADH é frequentemente referido como uma “coenzima”, embora não seja uma enzima (uma proteína).

NADH está presente em todas as células & # 8211é gerado por muitas reações bioquímicas. Uma maneira pela qual o NADH é gerado em grandes quantidades é quando o álcool é metabolizado (ou oxidado) para formar acetaldeído e depois em ácido acético. Durante o metabolismo do álcool, as enzimas álcool desidrogenase (ADH) e NAD + convertem o álcool em acetilaldeído, gerando NADH. Uma segunda enzima, a aldeído desidrogenase (ALDH) e o NAD +, convertem o acetaldeído em ácido acético, gerando ainda mais NADH. Nessas reações, a coenzima NAD + é reduzida a NADH (e o álcool e o acetaldeído são oxidados).

Reveja a oxidação do álcool pela álcool desidrogenase (ADH)

Para saber mais sobre a oxidação do álcool pelo ADH, você pode participar de um jogo de realidade virtual chamado “Mergulhe no álcool” em www.rise.duke.edu/dive-alcohol.

Agora, há bastante NADH disponível para “dar início” à respiração mitocondrial. O NADH se move do citosol para a mitocôndria, onde doa um elétron para a cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons consiste em um grupo de proteínas (e alguns lipídios) que trabalham juntas para passar elétrons “pela linha”. Finalmente, na presença de oxigênio, o ATP é formado, fornecendo energia para muitas funções celulares.

No entanto, alguns elétrons podem "escapar" da cadeia de transporte de elétrons e se combinar com o oxigênio para formar uma forma muito instável de oxigênio chamada de radical superóxido (O2• -). O radical superóxido é uma das espécies reativas de oxigênio (ROS).

O radical superóxido é um tipo de radical livre. Os radicais livres têm um elétron solitário em seu orbital eletrônico externo e são moléculas muito reativas porque tendem a doar elétrons únicos (e-) ou roubar e- de outras moléculas. Os radicais livres podem ser destrutivos para os componentes celulares. Os radicais livres geralmente têm um • mostrado para indicar o e- solitário.

Nossas células têm meios de se proteger dos efeitos prejudiciais dessas moléculas reativas. Por exemplo, nossas células são capazes de manter baixos níveis de radicais superóxido com a ajuda da enzima superóxido dismutase (SOD). SOD ajuda a reduzir o superóxido para formar peróxido de hidrogênio (H2O2), que é então convertido (desintoxicado) pela enzima catalase em água e O2.

No entanto, às vezes os níveis de superóxido aumentam, por exemplo, após a exposição ao álcool (que gera muito NADH). Assim, mais peróxido de hidrogênio é formado e não pode ser desintoxicado pela quantidade limitada de catalase. Em vez disso, o peróxido de hidrogênio é reduzido pelo ferro (Fe 2+) (normalmente presente nas células), que doa um elétron para produzir o radical hidroxila (• OH), uma molécula muito desagradável. É extremamente reativo e é um ótimo agente oxidante. O radical hidroxila oxida componentes celulares, como lipídios, proteínas e DNA, literalmente roubando um e- (associado a um átomo de H) deles, danificando as células.

Figura: O metabolismo (ou seja, a oxidação) do álcool produz NADH, que atua como um doador de elétrons para a cadeia de transporte de elétrons (moléculas designadas com algarismos romanos). Elétrons (e-) que "vazam" da cadeia de transporte de elétrons (estrelas em I e III) se combinam com o oxigênio para produzir radicais superóxidos (O2• -). Por meio de uma série de reações, os radicais superóxidos geram radicais hidroxila (OH •). Os radicais de oxigênio estão circulados em vermelho.


Efeitos dos elétrons livres em uma célula? - Biologia

A REAÇÃO DO MONTE DA FOTOSSÍNTESE

Os organismos fotossintéticos são capazes de capturar a energia da luz e usá-la para formar carboidratos e oxigênio livre. A equação geral para a reação fotossintética é a seguinte:

É importante notar que as plantas e algas usam água como fonte de elétrons, mas as bactérias podem usar H2, H2S ou NH3 como fonte de elétrons. a fotossíntese ocorre em grandes organelas chamadas cloroplastos. O primeiro estágio envolve as reações de luz em que a energia da luz é capturada pelo cloroplasto e resulta na fosforilação do ADP a partir do ATP e na redução de outra energia contendo a molécula NADP +. As reações da fotossíntese dependentes da luz são descritas abaixo.

Estamos interessados ​​na capacidade da clorofila-a no centro de reação de PSII680 para dividir a água e liberar oxigênio molecular livre no processo. Em 1937, Robert Hill mostrou que cloroplastos isolados podem desenvolver oxigênio na ausência de CO2. Sua descoberta foi uma das primeiras indicações de que a fonte dos elétrons nas reações de luz era na verdade a água. No dele em vitro sistema, Ele forneceu um aceitador de elétrons artificial. O aceitador de elétrons artificial intercepta os elétrons antes que eles caiam em cascata para PSI700, mas depois de terem descido na cadeia de transporte de elétrons. Vários corantes podem ser usados ​​como o aceptor artificial de elétrons (A), de modo que a equação geral, conhecida como Reação de Hill, pode ser escrita da seguinte forma:

A reação de Hill é formalmente definida como a fotorredução de um aceptor de elétrons pelos hidrogênios da água, com a evolução do oxigênio. Na Vivoou, no organismo, o aceptor de elétrons final é NADP +. Podemos medir a taxa da reação de Hill em cloroplastos isolados. Este procedimento usa um corante como um aceptor de elétrons artificial que muda de cor à medida que é reduzido. O DCIP (2,6-diclorofenolindofenol) é um corante azul na forma oxidada e incolor na forma reduzida.

A mudança na absorbância (em 600 nm) será usada para medir a taxa da reação de Hill. A mudança na absorbância será medida em intervalos de 1 minuto de exposição a uma fonte de luz intensa. Uma vez que o DCIP começará a voltar ao seu estado oxidado (azul) assim que os cloroplastos no vaso de reação forem removidos do caminho da luz, é essencial que todas as leituras de absorbância sejam feitas o mais rápido possível.

Você obterá os cloroplastos das folhas de espinafre usando uma modificação de um procedimento de fracionamento padrão descrito por Whaltey e Arnon (1962). Comece homogeneizando o espinafre em um pilão com solução salina isotônica tamponada e uma pequena quantidade de areia. Depois de espremer o homogenato em um pano de algodão para remover os pedaços maiores, você centrifugará o filtrado a 200 g por 1 minuto, sedimentando os detritos e células inteiras. Em seguida, você centrifugará o sobrenadante a 1.300 g por 5 minutos, sedimentando a maioria dos cloroplastos e núcleos. Para todos os procedimentos de fracionamento de células, as soluções e recipientes devem ser mantidos a 0 o C.

1. Pesar 4 g de folhas de espinafre frescas das quais foram removidas as veias principais, enxaguar e secar com papel absorvente.

2. Corte as folhas em pequenos pedaços com uma tesoura e coloque em um almofariz resfriado com 15 ml de tampão Tris-NaCl gelado e uma pitada de areia purificada. Moa o tecido com um pilão resfriado por 2 minutos.

3. Filtre a suspensão através de quatro camadas de gaze para um tubo cônico de centrífuga resfriado de 15 ml. Torça também o suco para o tubo de centrífuga.

4. Centrifugue o filtrado a 1.400 RPM com um rotor de 10 cm por 1 minuto. Certifique-se de que os tubos da centrífuga estejam balanceados, ou seja, os tubos opostos devem ter o mesmo volume total.

5. Decante o sobrenadante em um tubo de centrífuga limpo e resfriado e gire a 3.500 RPM com um rotor de 10 cm por 5 minutos, lembre-se de equilibrar os tubos.

6. Decante e descarte o sobrenadante e, em seguida, usando um cilindro graduado, adicione 10 ml de tampão Tris-NaCl gelado ao sedimento no tubo de centrífuga. Com uma pipeta para pastagem, ressuspenda completamente o pellet. Para garantir que a suspensão de cloroplasto seja bem misturada, cubra o tubo de centrífuga com parafilme e inverta várias vezes.

7. Transfira 4,0 ml da suspensão de cloroplasto para um tubo de centrífuga limpo e resfriado e dilua com 6,0 ml de tampão Tris-NaCl gelado. Cubra o tubo de ensaio, inverta várias vezes e coloque em um banho de água gelada no qual deve permanecer durante todo o experimento. É a suspensão diluída de cloroplasto (vamos chamá-la de suspensão de estoque de cloroplasto) que será usado para medir a reação de Hill.

8. Deixe o espectrofotômetro aquecer por pelo menos 15 min. Defina o comprimento de onda para 600 nm.

9. Prepare um banho-maria da seguinte maneira. Adicione 150 ml de água a 20C a um copo de 250 ml. Durante a iluminação, as cubetas são mantidas em banho-maria para manter a temperatura de reação razoavelmente constante. Ajuste a temperatura do banho-maria no início de cada ensaio experimental.

10. Coloque o banho-maria a 25 cm de uma lâmpada com uma lâmpada incandescente fosca de 100 watts. Mas não acenda a lâmpada até o início de cada ensaio experimental.

11. Identifique 3 cubetas conforme mostrado na tabela a seguir. Exceto para a suspensão de estoque de cloroplasto resfriada em gelo, todas as soluções devem estar em temperatura ambiente.

Número do tubo Tris-NaCl DCIP Dist H2O Estoque de Cloroplasto

Suspensão do tampão (4 x 10 -4)

1 (em branco) 3,5 ml ---- 1,0 ml 0,5 ml

2 * 3,5 ml 0,5 ml 0,5 ml 0,5 ml

3 3,5 ml 0,5 ml 0,5 ml 0,5 ml

12. O tubo número 2 * funcionará como um controle não iluminado. Ela será envolvida com duas camadas de papel alumínio e uma tampa solta de papel alumínio para o topo da cubeta.

13. Prepare o branco de referência e o tubo 2. Adicione as soluções na sequência fornecida na parte superior da tabela, da esquerda para a direita. Antes e depois de adicionar a suspensão de cloroplasto, que deve ser invertida várias vezes antes da adição, cubra cada cubeta com parafilme e inverta duas vezes para misturar o conteúdo. Remova o parafilme e cubra o tubo 2 com a tampa de alumínio. Observe o tempo e reserve o tubo 2. Uma leitura de absorbância deve ser feita após 15 min, mas, enquanto isso, prossiga com as etapas a seguir.

14. Ajuste o espectrofotômetro para o branco.

15. Prepare o tubo 3. Adicione as soluções da mesma maneira usada para o tubo 2 na etapa 13. Faça imediatamente a leitura de absorbância de 0 min e registre esse valor.

16. Coloque imediatamente o tubo 3 no banho-maria, acenda a lâmpada e anote a hora. Após 1 minuto de iluminação, remova o tubo do banho-maria e limpe rapidamente a superfície da cubeta e meça sua absorvância. Todas as leituras de absorbância devem ser feitas o mais rápido possível.

17. Retorne o tubo 3 ao banho-maria e faça leituras de absorbância em intervalos de 1 minuto de iluminação por 15 minutos. Certifique-se de registrar com precisão suas leituras. O espectrofotômetro deve ser ajustado para o branco após algumas leituras (isso não seria necessário em alguns dos melhores instrumentos). Lembre-se de fazer a leitura de 15 minutos do tubo 2. A absorbância deve chegar a 0 em cerca de 10 minutos.

18. Represente graficamente a taxa da reação de Hill da seguinte forma: Faça um gráfico da variação total na absorbância (ordenada) em função do tempo (abcissa). Inclui a origem como um ponto para todas as curvas, e.i. o valor de 0-min para a mudança na absorbância é assumido como 0. Ajuste a curva usando as opções em Sigma Plot.

1. Baldes de gelo, frascos erlenmeyer

2. Almofariz e pilão, réguas mm

3. Espectrofotômetros com 12 cubetas

4. Centrífugas clínicas, água destilada

6. Cilindros graduados, copos de 400 e 250 ml

7. Tubos de teste de 15 ml, tubos cônicos de centrífuga de 15 ml

8. Pipetas de 1, 5, 10 ml e pipetas e bulbos de pastagem

9. Termômetros e racks de teste

10. Funis e gaze de algodão - grau 10, disponível na Thomas Scientific

11. Tesouras, parafilme, kimwipes, folha de alumínio

12. 200 gramas de espinafre fresco, pouco antes de usar, enxágue com água fria da torneira e seque

13. Candeeiros de mesa Gooseneck com lâmpadas incandescentes congeladas de 100 watts

14. 30 gramas de areia do mar purificada

15. 100 ml 4 x 10 -4 M DCIP *

116 mg de sal de sódio de 2,6-diclorofenolindolfenol

Adicione água a 1 litro, prepare pouco antes de usar

16. 500 ml de NaCl 0,35 M-tampão Tris 0,02 M, pH 7,5

Adicione água a 1 litro, pH a 7,5, armazene em frig

17. Rolo de fita adesiva para marcar distâncias

1. Bregman, A. 1990. Laboratory Investigations in Cell and Molecular Biology. Terceira edição, John Wiley & amp Sons, Nova York.

2. Gasque, C.E. 1989. A Manual of Laboratory Experiences in Cell Biology. W.B. Brown, Dubuque Iowa.

3. Whatley, F.R. e Arnon, D.I. 1962. Photosynthetic phosphorylation in Plants. Em Methods in Enzymology, Vol. E, Colowick, S.P. e Kaplan, N.O., Eds. PP 308-313. Academic Press. NOVA IORQUE.

EFEITO DA INTENSIDADE DA LUZ E INIBIDORES NA REAÇÃO DO MONTE

Projete e execute um experimento para determinar o efeito da intensidade da luz e inibidores na Reação de Hill. Os dois inibidores que você usará (use os dois em seu projeto experimental) são amônia e DCMU <3- (3,4-diclorofenol) -1,1-dimetilureia>. A amônia funciona como um desacoplador ou um composto que separa o processo de fosforilação do transporte de elétrons.

Como ponto de interesse, o corante DCIP pode por si só ser um desacoplador eficaz, mas na baixa concentração que usamos no presente estudo ainda há acoplamento parcial para que os efeitos de outros desacopladores ainda possam ser medidos. O segundo composto que você estudará é o DCMU, que é um herbicida. Ele funciona para bloquear o transporte de elétrons e a fosforilação, interrompendo o fluxo de elétrons no início da principal cadeia de transporte de elétrons. Ao projetar um experimento para estudar os efeitos da intensidade da luz na Reação de Hill, tenha em mente que a intensidade da luz diminui com o quadrado da distância da fonte.

1. Baldes de gelo, frascos Erlenmeyer

2. Almofariz e pilão, réguas mm

3. Espectrofotômetros com 12 cubetas

4. Centrífugas clínicas, água destilada

6. Cilindros graduados, copos de 400 e 250 ml

7. Tubos de teste de 15 ml, tubos cônicos de centrífuga de 15 ml

8. Pipetas de 1, 5, 10 ml e pipetas e bulbos de pastagem

9. Termômetros e racks de teste

10. Funis e gaze de algodão grau 10, disponíveis na Thomas Scientific

11. Tesouras, parafilme, kimwipes, folha de alumínio

12. 200 gramas de espinafre fresco, pouco antes de usar, enxágue com água fria da torneira e seque

13. Candeeiros de mesa Gooseneck com lâmpadas incandescentes congeladas de 100 watts

14. 30 gramas de areia do mar purificada

15. 100 ml 4 x 10 -4 M DCIP *

* 116 mg de sal de sódio de 2,6-diclorofenolindolfenol

Adicione água a 1 litro, prepare pouco antes de usar

16. 500 ml de NaCl 0,35 M-tampão Tris 0,02 M, pH 7,5

2,42 gms de Tris, adicione água a 1 litro, pH a 7,5, armazene em frig

em 1.000 ml de água destilada de vidro

18. 100 ml de solução de amônia 0,01 N *

* 1N = 6,77 ml de NH4OH concentrado (28%), levar a 100 ml em água destilada


Quais são os melhores antioxidantes?

A partir de uma análise de mais de 3.100 alimentos, verificou-se que os alimentos à base de plantas tinham em média 64 vezes (6.400%) mais antioxidantes do que os alimentos de origem animal, como carnes e laticínios. Alimentos veganos e vegetarianos são superiores para antioxidantes de origem externa; no entanto, os melhores antioxidantes são aqueles criados internamente pelo corpo.

Os seres humanos e todos os organismos têm um sistema de defesa antioxidante interno. Os antioxidantes mais prevalentes ou importantes que produzimos dentro de nosso corpo são glutationa peroxidase (GPX), superóxido dismutase (SOD) e catalase. Acredita-se que estes sejam exponencialmente mais eficazes do que qualquer fonte externa, como os de alimentos e suplementos. (4)

Assim como algumas pessoas são abençoadas com boa aparência e saúde, enquanto outras são infectadas com doenças genéticas desde o nascimento, o mesmo se aplica à quantidade de antioxidantes que produzimos em nosso corpo - isso varia de indivíduo para indivíduo.

Isso pode explicar por que algumas pessoas comem lixo e não fazem exercícios, embora ainda vivam até os 90 anos. Existem outras que se alimentam de maneira saudável, não fumam e não bebem, mas parecem envelhecer de maneira semelhante.

Assim como tudo na vida, não é um jogo justo.

A boa notícia é que você pode empilhar o jogo a seu favor, independentemente de quantos antioxidantes você está predisposto a produzir.


Você é movido pela mecânica quântica. Não mesmo…

De acordo com a biologia quântica, o robin europeu tem um 'sexto sentido' na forma de uma proteína em seu olho sensível à orientação do campo magnético da Terra, permitindo-lhe 'ver' para que lado migrar. Fotografia: Helmut Heintges / Helmut Heintges / Corbis Fotografia: Helmut Heintges / Helmut Heintges / Corbis

De acordo com a biologia quântica, o robin europeu tem um 'sexto sentido' na forma de uma proteína em seu olho sensível à orientação do campo magnético da Terra, permitindo-lhe 'ver' para que lado migrar. Fotografia: Helmut Heintges / Helmut Heintges / Corbis Fotografia: Helmut Heintges / Helmut Heintges / Corbis

Última modificação em quinta-feira, 22 de março de 2018, às 21h21 GMT

A cada ano, por volta dessa época, milhares de tordos europeus escapam do inverno escandinavo rigoroso que se aproxima e rumam para o sul, para as costas mais quentes do Mediterrâneo. Como eles encontram seu caminho infalivelmente nesta jornada de 2.000 milhas é uma das verdadeiras maravilhas do mundo natural. Ao contrário de muitas outras espécies de aves migratórias, animais marinhos e até insetos, eles não dependem de marcos, correntes oceânicas, a posição do sol ou um mapa estelar embutido. Em vez disso, eles estão entre um grupo seleto de animais que usam um notável sentido de navegação - notável por duas razões. A primeira é que eles são capazes de detectar pequenas variações na direção do campo magnético da Terra - surpreendente em si mesmo, dado que esse campo magnético é 100 vezes mais fraco do que até mesmo o de um ímã de geladeira miserável. A segunda é que os tordos parecem ser capazes de "ver" o campo magnético da Terra por meio de um processo que até Albert Einstein se referiu como "assustador". A bússola embutida dos pássaros parece fazer uso de uma das características mais estranhas da mecânica quântica.

Nos últimos anos, o tordo-europeu e seu "sexto sentido" quântico emergiram como pin-up para um novo campo de pesquisa, que reúne o mundo vivo maravilhosamente complexo e confuso e o contra-intuitivo, etéreo, mas estranhamente mundo ordenado de átomos e partículas elementares em uma colisão de disciplinas que é tão surpreendente e inesperado quanto excitante. Bem-vindo à nova ciência da biologia quântica.

A maioria das pessoas provavelmente já ouviu falar da mecânica quântica, mesmo que não saibam realmente do que se trata. Certamente, a ideia de que se trata de uma teoria científica desconcertante e difícil, compreendida apenas por uma pequena minoria de físicos e químicos inteligentes, tornou-se parte da cultura popular. A mecânica quântica descreve uma realidade nas menores escalas que é, notoriamente, muito estranho, um mundo no qual as partículas podem existir em dois ou mais lugares ao mesmo tempo, espalhar-se como ondas fantasmagóricas, túneis através de barreiras impenetráveis ​​e até possuem conexões instantâneas que se estendem através de grandes distâncias.

Mas, apesar dessa descrição bizarra dos blocos básicos de construção do universo, a mecânica quântica fez parte de todas as nossas vidas por um século. Sua formulação matemática foi concluída em meados da década de 1920 e nos deu um relato extraordinariamente completo do mundo dos átomos e seus constituintes ainda menores, as partículas fundamentais que constituem nossa realidade física. Por exemplo, a habilidade da mecânica quântica de descrever a maneira como os elétrons se organizam dentro dos átomos sustenta toda a química, a ciência dos materiais e a eletrônica e está no cerne da maioria dos avanços tecnológicos do último meio século. Sem o sucesso das equações da mecânica quântica em descrever como os elétrons se movem através de materiais como semicondutores, não teríamos desenvolvido o transistor de silício e, posteriormente, o microchip e o computador moderno.

No entanto, se a mecânica quântica pode descrever de forma tão bela e precisa o comportamento dos átomos com toda a estranheza que os acompanha, então por que nem todos os objetos que vemos ao nosso redor, incluindo nós - que afinal somos feitos apenas desses átomos - também são capazes estar em dois lugares ao mesmo tempo, passar por barreiras impenetráveis ​​ou comunicar-se instantaneamente através do espaço? Uma diferença óbvia é que as regras quânticas se aplicam a partículas ou sistemas individuais que consistem em apenas um punhado de átomos, enquanto objetos muito maiores consistem em trilhões de átomos unidos em uma variedade e complexidade alucinantes. De alguma forma, de maneiras que só agora começamos a entender, a maior parte da estranheza quântica desaparece cada vez mais rapidamente quanto maior for o sistema, até que acabemos com os objetos do cotidiano que obedecem às regras familiares do que os físicos chamam de "mundo clássico" . Na verdade, quando queremos detectar os delicados efeitos quânticos em objetos de tamanho cotidiano, temos que ir a extremos para fazê-lo - congelando-os a um fio de zero absoluto e realizando experimentos em vácuos quase perfeitos.

Certamente não se esperava que os efeitos quânticos desempenhassem qualquer papel dentro do mundo quente, úmido e bagunçado das células vivas, de modo que a maioria dos biólogos até agora ignorou completamente a mecânica quântica, preferindo seus modelos tradicionais das estruturas moleculares da vida. Enquanto isso, os físicos relutam em se aventurar no mundo confuso e complexo da célula viva, por que deveriam, quando podem testar suas teorias de forma muito mais limpa no ambiente controlado do laboratório, onde pelo menos sentem que têm uma chance de entender o que é indo?

Erwin Schrödinger, cujo livro What is Life? sugeriu que a ordem macroscópica da vida era baseada na ordem em seu nível quântico. Fotografia: Bettmann / CORBIS

No entanto, 70 anos atrás, o físico austríaco vencedor do Prêmio Nobel e pioneiro quântico, Erwin Schrödinger, sugeriu em seu famoso livro: O que é a vida?, que, no fundo, alguns aspectos da biologia devem ser baseados nas regras e no mundo ordenado da mecânica quântica. Seu livro inspirou uma geração de cientistas, incluindo os descobridores da estrutura de dupla hélice do DNA, Francis Crick e James Watson. Schrödinger propôs que havia algo único sobre a vida que a distingue do resto do mundo não-vivo. Ele sugeriu que, ao contrário da matéria inanimada, os organismos vivos podem de alguma forma alcançar o domínio quântico e utilizar suas propriedades estranhas para operar a maquinaria extraordinária dentro das células vivas.

O argumento de Schrödinger baseava-se no fato paradoxal de que as leis da física clássica, como as da mecânica newtoniana e da termodinâmica, são, em última análise, baseadas na desordem. Considere um balão. Ele é preenchido com trilhões de moléculas de ar, todas movendo-se inteiramente ao acaso, batendo umas nas outras e na parede interna do balão. Cada molécula é governada por leis quânticas ordenadas, mas quando você soma os movimentos aleatórios de todas as moléculas e calcula sua média, seu comportamento quântico individual se esvai e você fica com as leis dos gases que predizem, por exemplo, que o balão irá expandir por uma quantidade precisa quando aquecido. Isso ocorre porque a energia térmica faz com que as moléculas de ar se movam um pouco mais rápido, de modo que colidem com as paredes do balão com um pouco mais de força, empurrando as paredes um pouco mais para fora. Schrödinger chamou esse tipo de lei de “ordem a partir da desordem” para refletir o fato de que essa aparente regularidade macroscópica depende do movimento aleatório no nível de partículas individuais.

Mas e quanto à vida? Schrödinger apontou que muitas das propriedades da vida, como a hereditariedade, dependem de moléculas feitas de relativamente poucas partículas - certamente muito poucas para se beneficiar das regras de ordem de desordem da termodinâmica. Mas a vida era claramente organizada. De onde veio essa ordem? Schrödinger sugeriu que a vida era baseada em um novo princípio físico pelo qual sua ordem macroscópica é um reflexo da ordem do nível quântico, ao invés da desordem molecular que caracteriza o mundo inanimado. Ele chamou esse novo princípio de “ordem a partir da ordem”. Mas ele estava certo?

Até cerca de uma década atrás, a maioria dos biólogos teria dito não. Mas à medida que a biologia do século 21 investiga a dinâmica de sistemas cada vez menores - mesmo átomos e moléculas individuais dentro das células vivas - os sinais do comportamento da mecânica quântica nos blocos de construção da vida estão se tornando cada vez mais aparentes. Pesquisas recentes indicam que alguns dos processos mais fundamentais da vida realmente dependem da estranheza que surge da corrente subterrânea quântica da realidade. Aqui estão alguns dos exemplos mais interessantes.

As enzimas são os burros de carga da vida. Eles aceleram as reações químicas para que processos que, de outra forma, levariam milhares de anos, ocorram em segundos dentro das células vivas. A vida seria impossível sem eles. Mas como eles aceleram as reações químicas por meio de fatores tão enormes, muitas vezes mais de um trilhão de vezes, tem sido um enigma. Experimentos nas últimas décadas, entretanto, mostraram que as enzimas usam um truque notável chamado tunelamento quântico para acelerar as reações bioquímicas. Essencialmente, a enzima estimula os elétrons e prótons a desaparecerem de uma posição em uma biomolécula e se rematerializarem instantaneamente em outra, sem passar pelo intervalo entre eles - uma espécie de teletransporte quântico.

E antes que você jogue suas mãos para o alto em incredulidade, deve ser enfatizado que o tunelamento quântico é um processo muito familiar no mundo subatômico e é responsável por processos como a decadência radioativa de átomos e até mesmo o motivo do sol brilhar (transformando hidrogênio em hélio através do processo de fusão nuclear). As enzimas formaram cada biomolécula em suas células e cada célula de cada criatura viva do planeta, portanto, são ingredientes essenciais da vida. E eles mergulham no mundo quântico para ajudar a nos manter vivos.

Outro processo vital em biologia é, naturalmente, a fotossíntese. Na verdade, muitos argumentariam que é a reação bioquímica mais importante do planeta, responsável por transformar luz, ar, água e alguns minerais em grama, árvores, grãos, maçãs, florestas e, em última instância, o resto de nós que comemos as plantas ou os comedores de plantas.

O evento inicial é a captura da energia da luz por uma molécula de clorofila e sua conversão em energia química que é aproveitada para fixar o dióxido de carbono e transformá-lo em matéria vegetal. O processo pelo qual a energia da luz é transportada através da célula há muito tempo é um quebra-cabeça porque pode ser muito eficiente - perto de 100% e mais alto do que qualquer processo de transporte de energia artificial.

A luz do sol brilha através das folhas do castanheiro. A biologia quântica pode explicar por que a fotossíntese nas plantas é tão eficiente. Fotografia: Getty Images / Visuals Unlimited

O primeiro passo na fotossíntese é a captura de um minúsculo pacote de energia da luz solar que então tem que pular através de uma floresta de moléculas de clorofila para chegar a uma estrutura chamada centro de reação, onde sua energia é armazenada. O problema é entender como o pacote de energia parece encontrar tão infalivelmente a rota mais rápida pela floresta. Um experimento engenhoso, realizado pela primeira vez em 2007 em Berkley, Califórnia, investigou o que estava acontecendo, disparando raios laser contra complexos fotossintéticos. A pesquisa revelou que o pacote de energia não estava pulando ao acaso, mas executando um truque quântico bacana. Em vez de se comportar como uma partícula localizada viajando ao longo de uma única rota, ela se comporta de maneira mecânica quântica, como uma onda espalhada, e coleta amostras de todas as rotas possíveis de uma só vez para encontrar a maneira mais rápida.

Um terceiro exemplo de truque quântico em biologia - aquele que introduzimos em nosso parágrafo inicial - é o mecanismo pelo qual pássaros e outros animais fazem uso do campo magnético da Terra para navegação. Estudos do robin europeu sugerem que ele tem uma bússola química interna que utiliza um conceito quântico surpreendente chamado emaranhamento, que Einstein descartou como "ação fantasmagórica à distância". Este fenômeno descreve como duas partículas separadas podem permanecer conectadas instantaneamente por meio de um link quântico estranho.O melhor palpite atual é que isso ocorre dentro de uma proteína no olho do pássaro, onde o emaranhamento quântico torna um par de elétrons altamente sensível ao ângulo de orientação do campo magnético da Terra, permitindo que o pássaro "veja" de que maneira precisa voe.

Todos esses efeitos quânticos foram uma grande surpresa para a maioria dos cientistas que acreditavam que as leis quânticas só se aplicavam ao mundo microscópico. Todo delicado comportamento quântico foi pensado para ser lavado muito rapidamente em objetos maiores, como células vivas, contendo o movimento turbulento de trilhões de partículas que se movem aleatoriamente. Então, como a vida administra seus truques quânticos? Pesquisas recentes sugerem que, em vez de evitar tempestades moleculares, a vida as envolve, como o capitão de um navio que aproveita rajadas e rajadas turbulentas para manter seu navio em posição vertical e em curso.

Assim como Schrödinger previu, a vida parece estar equilibrada na fronteira entre o mundo cotidiano sensato do grande e o estranho e maravilhoso mundo quântico, uma descoberta que está abrindo um novo campo empolgante da ciência do século 21.

Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology, de Jim Al-Khalili e Johnjoe McFadden, será publicado pela Bantam Press em 6 de novembro. Clique aqui para comprá-lo por £ 15