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W2017_Lecture_05_reading - Biologia


Estrutura de Aminoácidos

Aminoácidos são os monômeros que constituem as proteínas. Para uma introdução adicional sobre aminoácidos, clique aqui para um vídeo curto (4 minutos).

Os aminoácidos têm um carbono assimétrico central ao qual um grupo amino, um grupo carboxila, um átomo de hidrogênio e uma cadeia lateral (grupo R) estão ligados.

Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

Possível discussão:

Lembre-se de que um dos objetivos de aprendizagem desta aula é que você (a) seja capaz de reconhecer, em um diagrama molecular, a espinha dorsal de um aminoácido e sua cadeia lateral (grupo R) e (b) que você seja capaz de desenhe um aminoácido genérico. Certifique-se de praticar ambos. Você deve ser capaz de recriar de memória algo como a figura acima (um bom uso do seu caderno é praticar o desenho dessa estrutura até que você possa fazê-lo com a muleta de um livro ou da internet).

A espinha dorsal dos aminoácidos

O nome "aminoácido" é derivado do fato de que todos os aminoácidos contêm um grupo amino e um grupo ácido carboxílico em sua estrutura. Existem 20 aminoácidos comuns presentes nas proteínas naturais e cada um deles contém a mesma estrutura. O backbone, ao ignorar os átomos de hidrogênio, consiste no padrão:

N-C-C

Ao olhar para uma cadeia de aminoácidos, é sempre útil primeiro se orientar, encontrando esse padrão de estrutura começando do terminal N (a extremidade do aminoácido do primeiro aminoácido) até o terminal C (a extremidade do ácido carboxílico do último aminoácido )

A formação da ligação peptídica é uma reação de síntese por desidratação. O grupo carboxila do primeiro aminoácido está ligado ao grupo amino do segundo aminoácido de entrada. No processo, uma molécula de água é liberada e uma ligação peptídica é formada.
Tente encontrar a espinha dorsal do dipeptídeo formado a partir dessa reação. O padrão que você está procurando é: N-C-C-N-C-C

Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

A sequência e o número de aminoácidos determinam, em última instância, a forma, o tamanho e a função da proteína. Cada aminoácido está ligado a outro aminoácido por uma ligação covalente, conhecida como ligação peptídica, que é formado por uma reação de síntese de desidratação (condensação). O grupo carboxila de um aminoácido e o grupo amino do aminoácido entrante se combinam, liberando uma molécula de água e criando a ligação peptídica.

Grupo Aminoácido R

O aminoácido Grupo R é um termo que se refere ao grupo variável em cada aminoácido. A estrutura de aminoácidos é idêntica em todos os aminoácidos, os grupos R são diferentes em todos os aminoácidos. Para a estrutura de cada aminoácido, consulte a figura abaixo.

Existem 20 aminoácidos comuns encontrados nas proteínas, cada um com um grupo R diferente (grupo variante) que determina sua natureza química. Os grupos R são circulados em azul-petróleo. As cargas são atribuídas assumindo pH ~ 6,0. O nome completo, a abreviatura de três letras e as abreviações de uma única letra são exibidos.

Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

Observação:

Possível discussão: Vamos pensar sobre a relevância de ter 20 aminoácidos diferentes. Se você estivesse usando a biologia para construir proteínas do zero, como isso poderia ser útil se você tivesse mais 10 aminoácidos diferentes à sua disposição? A propósito, isso está realmente acontecendo em uma variedade de laboratórios de pesquisa - por que isso seria potencialmente útil?

Cada grupo variável em um aminoácido fornece a esse aminoácido propriedades químicas específicas (ácidas, básicas, polares ou não polares). Você deve estar familiarizado com a maioria dos grupos funcionais nos grupos R agora. As propriedades químicas associadas a toda a coleção de grupos funcionais individuais dão a cada grupo de aminoácido R um potencial químico único.

Por exemplo, aminoácidos como valina, metionina e alanina são tipicamente não polares ou hidrofóbicos por natureza, enquanto aminoácidos como serina e treonina têm caráter polar e possuem cadeias laterais hidrofílicas.

Observação:

Prática: Usando seu conhecimento sobre grupos funcionais, tente classificar cada aminoácido na figura acima como tendo a tendência de ser polar ou apolar. Tente encontrar outros esquemas de classificação e pense em fazer listas para você dos aminoácidos que você colocaria em cada grupo. Você também pode pesquisar na internet por esquemas de classificação de aminoácidos - você notará que existem diferentes maneiras de agrupar esses produtos químicos com base nas propriedades químicas. Você pode até descobrir que existem esquemas contraditórios. Tente pensar sobre o porquê disso e aplique sua lógica química para descobrir por que certos esquemas de classificação foram adotados e por que aminoácidos específicos foram colocados em certos grupos.

Estrutura e dobra de proteínas

Para entender como a proteína obtém sua forma ou conformação final, precisamos entender os quatro níveis de estrutura da proteína: primária, secundária, terciária e quaternária. Para um breve vídeo de introdução (4 minutos) sobre a estrutura da proteína, clique aqui.

Estrutura primária

A sequência única de aminoácidos em uma cadeia polipeptídica é o seu estrutura primária. A sequência linear de aminoácidos na cadeia polipeptídica é mantida unida por ligações peptídicas e resulta na estrutura padronizada N-C-C-N-C-C. A estrutura primária é codificada no DNA, um processo que você aprenderá nos módulos de Transcrição e Tradução.

A ligação peptídica entre dois aminoácidos é ilustrada. O quadrilátero sombreado representa a natureza plana desta ligação.
Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

A estrutura primária de uma proteína é descrita aqui como "contas em um fio" com o terminal N e o terminal C marcados. A ordem em que você leria essa cadeia peptídica começaria com o terminal N como Glicina, Isoleucina, etc. e terminaria com metionina.
Fonte: Erin Easlon (trabalho próprio)

Estrutura secundária

O dobramento local do polipeptídeo em algumas regiões dá origem ao estrutura secundária da proteína. As formas mais comuns criadas pela dobra secundária são os α-hélice e β- folha pregueada estruturas. Essas estruturas secundárias são mantidas juntas por ligações de hidrogênio formando-se entre os esqueletos dos aminoácidos próximos uns dos outros. Mais especificamente, o átomo de oxigênio no grupo carboxila de um aminoácido pode formar uma ligação de hidrogênio com um átomo de hidrogênio ligado ao nitrogênio no grupo amino de outro aminoácido que está quatro aminoácidos adiante na cadeia.

A hélice α e a folha pregueada β são estruturas secundárias de proteínas que se formam por causa da ligação de hidrogênio entre os grupos carbonila e amino na estrutura do peptídeo. Certos aminoácidos têm tendência para formar uma hélice α, enquanto outros têm tendência para formar uma folha pregueada β.

Estrutura terciária

A estrutura tridimensional única de um polipeptídeo é a sua Estrutura terciária. Esta estrutura é em parte devido às interações químicas que atuam na cadeia polipeptídica. Primeiramente, as interações entre os grupos R criam a estrutura terciária tridimensional complexa de uma proteína. A natureza dos grupos R encontrados nos aminoácidos envolvidos pode neutralizar a formação das ligações de hidrogênio descritas para estruturas secundárias padrão. Por exemplo, grupos R com cargas semelhantes são repelidos uns pelos outros e aqueles com cargas diferentes são atraídos uns pelos outros (ligações iônicas). Quando ocorre o enovelamento da proteína, os grupos R hidrofóbicos de aminoácidos não polares ficam no interior da proteína, enquanto os grupos R hidrofílicos ficam do lado de fora. Esses tipos de interação também são conhecidos como interações hidrofóbicas. A interação entre as cadeias laterais de cisteína forma ligações dissulfeto na presença de oxigênio, a única ligação covalente se formando durante o enovelamento da proteína.

A estrutura terciária das proteínas é determinada por uma variedade de interações químicas. Estes incluem interações hidrofóbicas, ligações iônicas, ligações de hidrogênio e ligações dissulfeto. Esta imagem mostra uma representação achatada de uma proteína dobrada na estrutura terciária. Sem achatar, esta proteína seria uma forma 3D globular.

Todas essas interações, fracas e fortes, determinam a forma tridimensional final da proteína. Quando uma proteína perde sua forma tridimensional, pode não ser mais funcional.

Estrutura quaternária

Na natureza, algumas proteínas são formadas a partir de vários polipeptídeos, também conhecidos como subunidades, e a interação dessas subunidades forma o estrutura quaternária. As interações fracas entre as subunidades ajudam a estabilizar a estrutura geral. Por exemplo, uma proteína com várias subunidades chamada insulina (uma proteína globular) tem uma combinação de pontes de hidrogênio e pontes de dissulfeto que mantêm as várias subunidades juntas. Cada uma dessas subunidades passou por dobras primária, secundária e terciária, independentemente uma da outra.

Os quatro níveis de estrutura da proteína podem ser observados nessas ilustrações.
Fonte: modificação do trabalho do National Human Genome Research Institute

Desnaturação e dobramento de proteínas

Cada proteína tem sua própria sequência e forma única que são mantidas juntas por interações químicas. Se a proteína está sujeita a mudanças de temperatura, pH ou exposição a produtos químicos, a estrutura da proteína pode mudar, perdendo sua forma sem perder sua sequência primária. Este processo é conhecido como desnaturação. A desnaturação é frequentemente reversível porque a estrutura primária do polipeptídeo é conservada no processo se o agente desnaturante for removido, permitindo que a proteína retome sua função. Às vezes, a desnaturação é irreversível, levando à perda de função. Um exemplo de desnaturação irreversível de proteínas é quando um ovo é frito. A proteína albumina da clara de ovo líquida é desnaturada quando colocada em uma panela quente, quando o calor faz com que os fios de proteína presentes se desfiem e se colem em bolhas menos ordenadas. Nem todas as proteínas são desnaturadas em altas temperaturas; por exemplo, bactérias que sobrevivem em fontes termais têm proteínas que funcionam em temperaturas próximas à de ebulição. O estômago também é muito ácido, tem um pH baixo e desnatura as proteínas como parte do processo de digestão; entretanto, as enzimas digestivas do estômago retêm sua atividade nessas condições.

O dobramento de proteínas é crítico para sua função. Originalmente, pensava-se que as próprias proteínas eram responsáveis ​​pelo processo de dobramento. Só recentemente foi descoberto que muitas vezes eles recebem assistência no processo de dobramento de ajudantes de proteína conhecidos como acompanhantes (ou chaperoninas) que se associam à proteína alvo durante o processo de dobramento. Eles agem evitando a agregação de polipeptídeos que compõem a estrutura completa da proteína e se desassociam da proteína assim que a proteína alvo é dobrada.

CARBOIDRATOS

A maioria das pessoas está familiarizada com os carboidratos, especialmente quando se trata do que comemos. Os carboidratos são uma parte essencial de nossa dieta; grãos, frutas e vegetais são fontes naturais. De maneira mais geral, os carboidratos são uma das quatro classes de macromoléculas que compõem todas as células. Embora estejamos mais familiarizados com o papel que os carboidratos desempenham na nutrição, eles também têm uma variedade de outras funções essenciais em humanos, animais, plantas e bactérias. Nesta seção, discutiremos e revisaremos os conceitos básicos da estrutura e nomenclatura dos carboidratos, bem como uma variedade de funções que eles desempenham nas células.

Estruturas Moleculares

Em sua forma mais simples, carboidratos pode ser representado pela fórmula estequiométrica (CH2O)n, Onde n é o número de carbonos na molécula. Para carboidratos simples, a proporção de carbono para hidrogênio e oxigênio na molécula é de 1: 2: 1. Esta fórmula também explica a origem do termo “carboidrato”: os componentes são carbono (“carbo”) e os componentes da água (daí, “hidrato”). Os carboidratos simples são classificados em três subtipos: monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos, que serão discutidos a seguir. Embora os carboidratos simples caiam bem nessa proporção de 1: 2: 1, os carboidratos também podem ser mais complexos estruturalmente. Por exemplo, muitos carboidratos contêm grupos funcionais (lembre-se deles de nossa discussão básica sobre química) além da hidroxila óbvia. Por exemplo, os carboidratos podem ter fosfatos ou grupos amino substituídos em uma variedade de locais dentro da molécula. Esses grupos adicionais podem fornecer propriedades adicionais à molécula e alterar sua função geral. No entanto, mesmo com esse tipo de substituições, a estrutura geral básica do carboidrato é retida e facilmente identificada.

Nomenclatura

Um problema com a química dos carboidratos é a nomenclatura. Aqui estão algumas regras simples e rápidas:

  1. Os carboidratos simples terminam com um "... ose"; como glicose, lactose ou dexrose
  2. Os carboidratos simples podem ser classificados com base no número de átomos de carbono da molécula, como triose (3 carbonos), pentose (5 carbonos) ou hexose (6 carbonos).
  3. Os carboidratos simples podem ser classificados com base no grupo funcional encontrado na molécula, como cetoses ou aldoses.
  4. Os polissacarídeos são frequentemente organizados pelo número de moléculas de açúcar na cadeia, como um monossacarídeo, dissacarídeo ou trissacarídeo.

Para um breve vídeo sobre a classificação de carboidratos, veja o vídeo da Khan Academy (10 minutos de duração) clicando aqui.

Monossacarídeos

Monossacarídeos (mono- = “um”; sacar- = “doce”) são açúcares simples, o mais comum dos quais é a glicose. Em monossacarídeos, o número de carbonos geralmente varia de três a sete. Se o açúcar tiver um grupo aldeído (o grupo funcional com a estrutura R-CHO), ele é conhecido como uma aldose, e se tiver um grupo cetona (o grupo funcional com a estrutura RC (= O) R '), ele é conhecido como cetose.

Os monossacarídeos são classificados com base na posição de seu grupo carbonila e no número de carbonos na estrutura. As aldoses possuem um grupo carbonila (indicado em verde) no final da cadeia de carbono, e as cetoses possuem um grupo carbonila no meio da cadeia de carbono. Trioses, pentoses e hexoses têm três, cinco e seis estruturas de carbono, respectivamente.

Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

Glicose versus Galactose

Galactose (parte da lactose, ou açúcar do leite) e glicose (encontrada na sacarose, dissacarídeo de glicose) são outros monossacarídeos comuns. A fórmula química para glicose e galactose é C6H12O6, ambos são hexoses, mas os arranjos dos grupos hidrogênios e hidroxila são diferentes na posição C4. Por causa dessa pequena diferença, eles diferem estrutural e quimicamente (e são conhecidos como isômeros químicos) por causa do arranjo diferente de grupos funcionais em torno do carbono assimétrico; ambos os monossacarídeos têm mais de um carbono assimétrico (compare as estruturas na Figura abaixo).

Glicose, Galactose versus Frutose

Uma segunda comparação pode ser feita quando se olha para glicose, galactose e frutose (o segundo carboidrato que com a glicose compõe o dissacarídeo sacarose, e é um açúcar comum encontrado nas frutas, daí o nome). Todos os três são hexoses, no entanto, há uma grande diferença estrutural entre glicose e glactose versus frutose; o carbono que contém o carbonil (C = O). Na glicose e na galactose, está no C1 formação de carbono e aldeído grupo; na frutose está no C2 carbono, formando um ceto grupo. Os primeiros são chamados aldoses com base no grupo aldeído que é formado; enquanto os posteriores são designados cetoses com base no grupo ceto. Novamente, essa diferença dá à frutose propriedades químicas e estruturais diferentes das aldoses, glicose e galactose, embora todas as três tenham a mesma composição química C6H12O6.

Glicose, galactose e frutose são todas hexoses. Eles são isômeros estruturais, o que significa que têm a mesma fórmula química (C6H12O6), mas um arranjo diferente de átomos. Glucose, galactose e frutose

Forma linear versus forma de anel dos carboidratos

Os monossacarídeos podem existir como uma cadeia linear ou como moléculas em forma de anel; em soluções aquosas, eles são normalmente encontrados em formas de anel. A glicose em forma de anel pode ter dois arranjos diferentes do grupo hidroxila (OH) em torno do carbono anomérico (carbono 1 que se torna assimétrico no processo de formação do anel). Se o grupo hidroxila está abaixo do carbono número 1 no açúcar, diz-se que está na posição alfa (α), e se está acima do plano, diz-se que está na posição beta (β).

Cinco e seis monossacarídeos de carbono existem em equilíbrio entre as formas linear e anelar. Quando o anel se forma, a cadeia lateral em que ele se fecha é travada em uma posição α ou β. A frutose e a ribose também formam anéis, embora formem anéis de cinco membros em oposição ao anel de seis membros da glicose.

Dissacarídeos

Dissacarídeos (di- = “dois”) forma quando dois monossacarídeos sofrem uma reação de desidratação (também conhecida como reação de condensação ou síntese de desidratação). Durante esse processo, o grupo hidroxila de um monossacarídeo se combina com o hidrogênio de outro monossacarídeo, liberando uma molécula de água e formando uma ligação covalente. Uma ligação covalente formada entre uma molécula de carboidrato e outra molécula (neste caso, entre dois monossacarídeos) é conhecida como um glicosídico ligação. As ligações glicosídicas (também chamadas de ligações glicosídicas) podem ser do tipo alfa ou beta.

A sacarose é formada quando um monômero de glicose e um monômero de frutose são unidos em uma reação de desidratação para formar uma ligação glicosídica. No processo, uma molécula de água é perdida. Por convenção, os átomos de carbono em um monossacarídeo são numerados a partir do carbono terminal mais próximo do grupo carbonila. Na sacarose, uma ligação glicosídica é formada entre o carbono 1 na glicose e o carbono 2 na frutose.

Os dissacarídeos comuns incluem lactose, maltose e sacarose. A lactose é um dissacarídeo que consiste nos monômeros glicose e galactose. É encontrado naturalmente no leite. A maltose, ou açúcar do malte, é um dissacarídeo formado por uma reação de desidratação entre duas moléculas de glicose. O dissacarídeo mais comum é a sacarose, ou açúcar de mesa, que é composto pelos monômeros glicose e frutose.

Os dissacarídeos comuns incluem maltose (açúcar dos grãos), lactose (açúcar do leite) e sacarose (açúcar de mesa).

Interações com carboidratos

Acabamos de discutir os vários tipos e estruturas de carboidratos encontrados na biologia. A próxima coisa a abordar é como esses compostos interagem com outros compostos. A resposta para isso é que depende da estrutura final do carboidrato. Como os carboidratos têm muitos grupos hidroxila associados à molécula, eles são, portanto, excelentes Doadores H-bond e aceitantes . Monossacarídeos podem rápida e facilmente formar ligações H com água e são prontamente solúveis. Todas essas ligações H também as tornam bastante "pegajosas". Isso também é verdadeiro para muitos dissacarídeos e muitos polímeros de cadeia curta. Polímeros mais longos podem não ser tão prontamente solúveis.

Finalmente, a capacidade de formar uma variedade de ligações H, permite polímeros de carboidratos ou polissacarídeos para formar fortes ligações intramoleculares e intermoloculares. Em um polímero, porque existem tantas ligações H, isso pode fornecer muita força para a molécula ou complexo molecular, especialmente se os polímeros interagirem. Basta pensar na celulose, um polímero da glicose, se tiver alguma dúvida.

Polissacarídeos

Uma longa cadeia de monossacarídeos ligados por ligações glicosídicas é conhecida como um polissacarideo (poli- = “muitos”). A cadeia pode ser ramificada ou não ramificada e pode conter diferentes tipos de monossacarídeos. O peso molecular pode ser de 100.000 daltons ou mais, dependendo do número de monômeros unidos. Amido, glicogênio, celulose e quitina são exemplos primários de polissacarídeos.

O amido é a forma armazenada de açúcares nas plantas e é composto por uma mistura de amilose e amilopectina (ambas polímeros de glicose). As plantas são capazes de sintetizar glicose, e o excesso de glicose, além das necessidades imediatas de energia da planta, é armazenado como amido em diferentes partes da planta, incluindo raízes e sementes. O amido das sementes fornece alimento para o embrião à medida que ele germina e também pode atuar como fonte de alimento para humanos e animais. O amido consumido pelos humanos é decomposto por enzimas, como as amilases salivares, em moléculas menores, como a maltose e a glicose. As células podem então absorver a glicose.

O amido é feito de monômeros de glicose que são unidos por ligações glicosídicas α 1-4 ou α 1-6. Os números 1-4 e 1-6 referem-se ao número de carbono dos dois resíduos que se juntaram para formar a ligação. Conforme ilustrado abaixo, a amilose é amido formado por cadeias não ramificadas de monômeros de glicose (apenas ligações α 1-4), enquanto a amilopectina é um polissacarídeo ramificado (ligações α 1-6 nos pontos de ramificação).

Amilose e amilopectina são duas formas diferentes de amido. A amilose é composta de cadeias não ramificadas de monômeros de glicose conectadas por ligações glicosídicas α 1,4. A amilopectina é composta por cadeias ramificadas de monômeros de glicose conectadas por ligações glicosídicas α 1,4 e α 1,6. Devido à forma como as subunidades são unidas, as cadeias de glicose têm uma estrutura helicoidal. O glicogênio (não mostrado) é semelhante em estrutura à amilopectina, mas mais ramificado.

Glicogênio é a forma de armazenamento de glicose em humanos e outros vertebrados e é composta de monômeros de glicose. O glicogênio é o equivalente animal do amido e é uma molécula altamente ramificada geralmente armazenada no fígado e nas células musculares. Sempre que os níveis de glicose no sangue diminuem, o glicogênio é quebrado para liberar a glicose em um processo conhecido como glicogenólise.

Celulose é o biopolímero natural mais abundante. A parede celular das plantas é feita principalmente de celulose; isso fornece suporte estrutural para a célula. Madeira e papel são principalmente de natureza celulósica. A celulose é composta de monômeros de glicose que estão ligados por ligações glicosídicas β 1-4.

Na celulose, os monômeros de glicose estão ligados em cadeias não ramificadas por ligações glicosídicas β 1-4. Por causa da forma como as subunidades de glicose são unidas, cada monômero de glicose é invertido em relação ao próximo, resultando em uma estrutura linear e fibrosa.

Observação:

Possível discussão: A celulose não é muito solúvel em água quando em um estado cristalino - isso pode ser aproximado pela representação da fibra de celulose empilhada acima na figura acima. Você pode sugerir um motivo pelo qual (tipos de interação) pode ser tão insolúvel?

Conforme mostrado na figura acima, todos os outros monômeros de glicose na celulose são invertidos e os monômeros são compactados como cadeias longas estendidas. Isso dá à celulose sua rigidez e alta resistência à tração - o que é muito importante para as células vegetais. Enquanto o β Ligação 1-4 não pode ser quebrada por enzimas digestivas humanas, herbívoros como vacas, coalas, búfalos e cavalos são capazes, com a ajuda da flora especializada em seu estômago, de digerir o material vegetal que é rico em celulose e usá-lo como fonte de alimento. Nesses animais, certas espécies de bactérias e protistas residem no rúmen (parte do sistema digestivo dos herbívoros) e secretam a enzima celulase. O apêndice dos animais que pastam também contém bactérias que digerem a celulose, o que lhe confere um papel importante no sistema digestivo dos ruminantes. As celulases podem quebrar a celulose em monômeros de glicose que podem ser usados ​​como fonte de energia pelo animal. Os cupins também são capazes de quebrar a celulose por causa da presença de outros organismos em seus corpos que secretam celulases.

ÁCIDOS NUCLEICOS

Os ácidos nucléicos são moléculas compostas de nucleotídeos que carregam o projeto genético de uma célula. Cada nucleotídeo é composto de um açúcar pentose, uma base nitrogenada e um grupo fosfato. Existem dois tipos de ácidos nucléicos: DNA e RNA. O DNA carrega o projeto genético da célula e é passado de pais para filhos. O DNA de fita dupla tem uma estrutura helicoidal com as duas fitas correndo em direções opostas. As duas fitas são conectadas por ligações de hidrogênio e quimicamente complementares entre si. As interações conhecidas como "base stacking" também ajudam a estabilizar a dupla hélice. O RNA pode ser de fita simples ou dupla e é feito de um açúcar pentose (ribose), uma base nitrogenada e um grupo fosfato. O RNA está envolvido na síntese de proteínas como um mensageiro, na regulação da síntese de proteínas, em outros processos regulatórios e em alguma atividade catalítica. O RNA mensageiro (mRNA) é copiado do DNA, é exportado do núcleo para o citoplasma e contém informações para a construção de proteínas. O RNA ribossômico (rRNA) é uma parte dos ribossomos no local da síntese protéica, enquanto o RNA de transferência (tRNA) carrega o aminoácido para o local da síntese protéica. microRNA regula o uso de mRNA para a síntese de proteínas.

Estrutura Nucleotídica

Os dois principais tipos de ácidos nucléicos são ácido desoxirribonucléico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). A principal diferença comum entre esses dois tipos de ácidos nucléicos é a presença ou ausência de um grupo hidroxila no C2 posição, também chamada de posição 2 ', da ribose. O DNA não tem a ribose e contém um átomo de hidrogênio nessa posição, daí o nome ácido ribonucléico "desoxi", enquanto o RNA tem um grupo funcional hidroxila nessa posição.

DNA e RNA são constituídos por monômeros conhecidos como nucleotídeos. Os nucleotídeos individuais condensam-se uns com os outros para formar um ácido nucleico polímero. Cada nucleotídeo é feito de três componentes: uma base nitrogenada (para a qual existem cinco tipos diferentes), um açúcar pentose (cinco carbonos) e um grupo fosfato. Eles são descritos abaixo.

Um nucleotídeo é feito de três componentes: uma base nitrogenada, um açúcar pentose e um ou mais grupos fosfato. Os resíduos de carbono na pentose são numerados de 1 ′ a 5 ′ (o primo distingue esses resíduos daqueles na base, que são numerados sem usar uma notação de primo). A base é fixada na posição 1 'da ribose, e o fosfato é fixado na posição 5'. Quando um polinucleotídeo é formado, o fosfato 5 'do nucleotídeo de entrada se liga ao grupo hidroxila 3' no final da cadeia crescente. Dois tipos de pentose são encontrados nos nucleotídeos, desoxirribose (encontrada no DNA) e ribose (encontrada no RNA). A desoxirribose é semelhante em estrutura à ribose, mas possui um H em vez de um OH na posição 2 '. As bases podem ser divididas em duas categorias: purinas e pirimidinas. As purinas têm uma estrutura de anel duplo e as pirimidinas têm um único anel.
Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

A Base Nitrogênica

As bases nitrogenadas dos nucleotídeos são moléculas orgânicas e têm esse nome porque contêm carbono e nitrogênio. São bases porque contêm um grupo amino que tem o potencial de se ligar a um hidrogênio extra e, assim, atuar como base ao diminuir a concentração de íons de hidrogênio no ambiente local. Cada nucleotídeo no DNA contém uma das quatro bases nitrogenadas possíveis: adenina (A), guanina (G) citosina (C) e timina (T). O RNA contém adenina (A), guanina (G) citosina (C) e uracila (U) em vez de timina (T).

Adenina e guanina são classificadas como purinas. A principal característica distintiva da estrutura de uma purina é o anel duplo carbono-nitrogênio. Citosina, timina e uracila são classificados como pirimidinas. Estes são diferenciados estruturalmente por um único anel de carbono-nitrogênio. Você deverá reconhecer que cada uma dessas estruturas de anel é decorada por grupos funcionais que podem estar envolvidos em uma variedade de químicas e interações.

Nota: Pratique

Reserve um momento para revisar a figura acima da base nitrogenada: Identifique os grupos funcionais conforme descrito na aula. Para cada grupo funcional identificado, descreva em que tipo de química você espera que ele esteja envolvido. Se houver ligação de hidrogênio, o grupo funcional atua como um doador ou aceitador?

O açúcar pentose

O açúcar pentose contém 5 átomos de carbono. Cada átomo de carbono da molécula de açúcar é numerado como 1 ′, 2 ′, 3 ′, 4 ′ e 5 ′ (1 ′ é lido como “um primo”). Os dois grupos funcionais principais que estão ligados ao açúcar são freqüentemente referenciados em referência ao número de carbono ao qual estão ligados. Por exemplo, o resíduo de fosfato está ligado ao carbono 5 'do açúcar e o grupo hidroxila está ligado ao carbono 3' do açúcar. Frequentemente usaremos o número de carbono para se referir a grupos funcionais em nucleotídeos, portanto, esteja bem familiarizado com a estrutura do açúcar pentose.

O açúcar pentose no DNA é chamado de desoxirribose, e no RNA, o açúcar é a ribose. A diferença entre os açúcares é a presença do grupo hidroxila no carbono 2 'da ribose e sua ausência no carbono 2' da desoxirribose. Portanto, você pode determinar se está olhando para um nucleotídeo de DNA ou RNA pela presença ou ausência do grupo hidroxila no átomo de carbono 2 '- provavelmente será solicitado que faça isso em várias ocasiões (incluindo exames).

O Grupo Fosfato

Pode haver entre 1 e 3 grupos fosfato ligados ao carbono 5 'do açúcar. Quando um fosfato se liga, o nucleotídeo é referido como um Nucleotida MonoPhosfato (NMP). Se 2 fosfatos estiverem ligados, o nucleotídeo é referido como Nucleotida DeuPhosfato (NDP). Quando 3 fosfatos estão ligados ao nucleotídeo, é referido como um Nucleotida TriPhosfato (NTP). As ligações fosfoanidrido que ligam os grupos fosfato uns aos outros têm propriedades químicas específicas que os tornam bons para várias funções biológicas. A hidrólise das ligações entre os grupos fosfato é termodinamicamente exergônica em condições biológicas e a natureza desenvolveu vários mecanismos para acoplar essa mudança negativa na energia livre para ajudar a impulsionar muitas reações na célula. A figura abaixo mostra um exemplo da hidrólise do trifosfato de nucleotídeo ATP.

Observação: Títulos de "alta energia"

O termo "ligação de alta energia" é MUITO usado em biologia. É, no entanto, um daqueles atalhos aos quais nos referimos anteriormente. O termo se refere à quantidade de energia livre negativa associada à HIDRÓLISE dessa ligação! A água é importante. Embora tenhamos tentado minimizar o uso do vernáculo "alta energia" ao nos referirmos a ligações, mantenha o acima em mente quando estiver lendo ou ouvindo discussões sobre biologia.

ATP (adenosina trifosfato) tem três grupos fosfato que podem ser removidos por hidrólise para formar ADP (adenosina difosfato) ou AMP (adenosina monofosfato). As cargas negativas no grupo fosfato se repelem naturalmente, exigindo energia para uni-los e liberando energia quando esses laços são quebrados.
Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

Estrutura de dupla hélice do DNA

O DNA tem uma estrutura de dupla hélice (mostrada abaixo). O açúcar e o fosfato ficam do lado de fora da hélice, formando a espinha dorsal do DNA. As bases nitrogenadas são empilhadas no interior, como degraus de uma escada, aos pares; os pares estão ligados entre si por ligações de hidrogênio. Cada par de bases na dupla hélice é separado do próximo par de bases por 0,34 nm. As duas fitas da hélice correm em direções opostas, o que significa que a extremidade de carbono 5 ′ de uma fita ficará de frente para a extremidade de carbono 3 de sua fita correspondente. Isso é conhecido como orientação antiparalela.

O DNA nativo é uma dupla hélice antiparalela. A espinha dorsal de fosfato (indicada pelas linhas curvas) está do lado de fora e as bases estão do lado de dentro. Cada base de uma fita interage por meio de ligações de hidrogênio com uma base da fita oposta.
Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

Em uma dupla hélice, certas combinações de emparelhamento de bases são quimicamente mais favorecidas do que outras com base nos tipos e localizações dos grupos funcionais nas bases nitrogenadas de cada nucleotídeo. Em biologia, descobrimos que a adenina (A) é quimicamente complementar com a timidina (T) e a guanina (G) é quimicamente complementar com a citosina (C), como mostrado abaixo. Freqüentemente nos referimos a esse padrão como "complementaridade de base" e dizemos que as fitas antiparalelas são complementares entre si. Por exemplo, se a sequência de uma fita é de DNA é 5'-AATTGGCC-3 ', a fita complementar teria a sequência 5'-GGCCAATT-3'.

Em uma molécula de DNA de fita dupla, as duas fitas funcionam antiparalelas uma à outra, de modo que uma fita se estende de 5 ′ a 3 ′ e a outra de 3 ′ a 5 ′. A espinha dorsal do fosfato está localizada na parte externa e as bases no meio. A adenina forma ligações de hidrogênio (ou pares de bases) com a timina e os pares de bases da guanina com a citosina.
Criado por Ivy Jose

Funções e papéis dos ácidos nucleicos e nucleotídeos

Os ácidos nucléicos desempenham uma variedade de papéis no processo celular, além de serem a molécula de armazenamento de informações. Os ácidos nucléicos, em particular o RNA, são considerados as primeiras moléculas biologicamente ativas durante um período denominado "mundo do RNA", quando se pensava que o RNA catalítico desempenhava o papel duplo de catalisadores e moléculas de armazenamento de informações. Remanescentes do mundo do RNA podem ser vistos em muitos riboproteína complexos essenciais para a vida. Nestes complexos RNA-proteína, o RNA desempenha funções catalíticas e estruturais. Os exemplos incluem de tais complexos, ribossomos, RNases, complexos de splicesossomo e telomerase. Nucleotídeos como ATP e GTP também servem como unidades móveis de transporte de energia de curto prazo para a célula. Os nucleotídeos também desempenham papéis importantes como cofatores (além de veículos de energia) para muitas reações enzimáticas. Como lipídios, proteínas e carboidratos, ácidos nucléicos e nucleotídeos desempenham uma ampla variedade de papéis na célula.

Lipídios

Lipídios incluem um grupo diverso de compostos. Muitos lipídios são, em sua essência, hidrocarbonetos, moléculas que incluem muitas ligações não polares carbono-carbono ou carbono-hidrogênio. A abundância de grupos funcionais não polares dá aos lipídios um grau de caráter hidrofóbico ("temor de água") e a maioria dos lipídios tem baixa solubilidade em água. Os lipídios incluem moléculas como gorduras, óleos, ceras, fosfolipídios e esteróides. Eles desempenham muitas funções importantes em biologia (armazenamento de energia, isolamento, atuam como barreira, sinalização). A diversidade de moléculas de lipídios e sua gama de atividades biológicas também é grande - talvez surpreendentemente para um novo estudante de biologia. Vamos explorar um pouco.

Gorduras e óleos

Uma molécula de gordura comum ou triglicerídeo é uma molécula derivada de dois tipos de componentes moleculares - um grupo de "cabeça" polar e um grupo de "cauda" não polar. O glicerol, um carboidrato, é um composto orgânico composto por três carbonos, cinco hidrogênios e três grupos hidroxila (OH). O grupo "cabeça" de um triglicerídeo é derivado de uma única molécula de glicerol. O não polar ácido graxo O grupo "cauda" consiste em três hidrocarbonetos (um grupo funcional composto de ligações C-H) que também possuem um grupo funcional carboxila polar (daí o termo "ácido graxo" - o grupo carboxila é ácido na maioria dos pHs biologicamente relevantes). O número de carbonos no ácido graxo pode variar de 4 a 36; mais comuns são aqueles que contêm 12-18 carbonos. Esses tipos de moléculas são geralmente hidrofóbicos e, embora tenham inúmeras funções, são provavelmente mais conhecidos por seus papéis na gordura corporal e nos óleos vegetais.

O triacilglicerol é formado pela união de três ácidos graxos a uma estrutura de glicerol em uma reação de desidratação. Três moléculas de água são liberadas no processo.
Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

Nota: Possível Discussão

Os modelos dos triglicerídeos mostrados acima mostram as posições relativas dos átomos na molécula. Se você procurar imagens de triglicerídeos no Google, encontrará alguns modelos que mostram as caudas dos fosfolipídios em posições totalmente diferentes. O que é igualmente bem representado pelo modelo no livro e em outros on-line? Usando sua intuição, dê uma opinião sobre qual modelo você acha que é uma representação mais correta da vida real. Porque?

O ácido esteárico é um ácido graxo saturado comum, o ácido oleico e o ácido linolênico são ácidos graxos insaturados comuns.
Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

Nota: Possível Discussão

The physical properties of different natural fats like butter, canola oil, etc. (composed mostly of triglycerides) are very dependent on two factors:
1) The number of carbons in the hydrocarbon chains
2) The number of desaturations (double bonds) in the carbon chains.
The first factor influences how these molecules interact with each other and with water while the second factor influences their shape dramatically. The introduction of a double bond causes a "kink" in the otherwise relatively "straight" hydrocarbon (depicted in a slightly exaggerated figure below). Based on what you can surmise from this brief description, propose a rationale - in your own words - to explain why butter is solid at room temperature while vegetable oil is liquid.
Fact: butter has a greater percentage of longer and saturated hydrocarbons in its triglycerides than does vegetable oil.

O ácido graxo saturado linear versus o ácido graxo insaturado "dobrado" / "dobrado".
Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

Esteróis

Esteróides são lipídios com uma estrutura de anel fundido. Although they do not resemble the other lipids discussed here, they are designated a lipid because they are also largely composed of carbons and hydrogens, are hydrophobic and insoluble in water. All steroids have four linked carbon rings and several of them, like cholesterol, have a short tail. Many steroids also have the –OH functional group, which puts them in the alcohol classification (sterols). O colesterol é o esteróide mais comum. Cholesterol is mainly synthesized in the liver and is the precursor to many steroid hormones such as testosterone and estradiol, which are secreted by the gonads and endocrine glands. It is also the precursor to Vitamin D. Cholesterol is also the precursor of bile salts, which help in the emulsificação de gorduras e sua subsequente absorção pelas células. Although cholesterol is often spoken of in negative terms, it is necessary for proper functioning of many animal cells. It is a component of the plasma membrane of animal cells and is thought to play a variety of roles that stem from its influence on modulating membrane structure, organization and fluidity.

O colesterol é uma molécula lipídica modificada que é sintetizada por células animais e é um elemento estrutural chave nas membranas celulares. O cortisol é um hormônio (molécula sinalizadora) que geralmente é liberado em resposta ao estresse.
Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

Nota: Possível Discussão

In the molecule of cortisol above: what parts of the molecule would you classify as functional groups? Existe alguma discordância sobre o que deve e não deve ser incluído como um grupo funcional?

Fosfolipídios

Fosfolipídios são os principais constituintes da membrana celular, a camada mais externa das células. Like fats, they are composed of fatty acid chains attached to a polar head group. Specifically, there are two fatty acid tails and a phosphate group as the polar head group. The phospholipid is an anfipático molecule, meaning it has a hydrophobic part and a hydrophilic part. The fatty acid chains are hydrophobic and cannot interact with water, whereas the phosphate-containing head group is hydrophilic and interacts with water. Você pode identificar os grupos funcionais no fosfolipídeo abaixo que dão a cada parte do fosfolipídeo suas propriedades?

Observação

Make sure to note in the figure below that the phosphate group has an R-group linked to one of the oxygen atoms. R é uma variável comumente usada nesses tipos de diagramas para indicar que algum outro átomo ou molécula está ligado a essa posição. That part of the molecule can be different in different phospholipids - and will impart some different chemistry to the whole molecule. At the moment, however, you are responsible for being able to recognize this type of molecule (no matter what the R group is) because of the common core elements - the glycerol backbone, the phosphate group, and the two hydrocarbon tails.

Um fosfolipídeo é uma molécula com dois ácidos graxos e um grupo fosfato modificado ligado a uma estrutura de glicerol. O fosfato pode ser modificado pela adição de grupos químicos carregados ou polares. Vários grupos químicos R podem modificar o fosfato. Colina, serina e etanolamina são mostradas aqui. Estes se ligam ao grupo fosfato na posição marcada R por meio de seus grupos hidroxila.
Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

A phospholipid bilayer forms as the basic structure of the cell membrane. The fatty acid tails of phospholipids face inside, away from water, whereas the phosphate group faces outside, hydrogen bonding with water. Phospholipids are responsible for the dynamic nature of the plasma membrane. The phospholipids will spontaneously form a structure known as a micelle, where the hydrophilic phosphate heads face the outside and the fatty acids face the interior of this structure.

Na presença de água, alguns fosfolipídios irão se organizar espontaneamente em uma micela. Os lipídios serão arranjados de forma que seus grupos polares fiquem do lado de fora da micela e as caudas apolares fiquem do lado de dentro. A lipid bilayer can also form, a two layered sheet only a few nanometers thick. The lipid bilayer consists of two layers of phospholipids organized in a way that all the hydrophobic tails align side by side in the center of the bilayer and are surrounded by the hydrophilic head groups.
Fonte: Criado por Erin Easlon (trabalho próprio)

Nota: Possível Discussão

Above it says that if you were to take some pure phospholipids and drop them into water that some if it would spontaneously (on its own) form into micelles. This sounds a lot like something that could be described by an energy story. Go back to the energy story rubric and try to start creating an energy story for this process - I expect that the steps involving the description of energy might be difficult at this point (we'll come back to that later) but you should be able to do at least the first three steps. You can constructively critique (politely) each other's work to create an optimized story.

A membrana fosfolipídica é discutida em detalhes em um módulo posterior. Será importante lembrar as propriedades químicas associadas aos grupos funcionais do fosfolipídeo para entender a função da membrana celular.


For additional information on lipids:

For an additional perspective on lipids, explore the interactive animation “Biomolecules: The Lipids”. For more information on lipids, please visit the UCD Chemwiki site at Chemwiki lipids

Another perspective on lipids, that contains a variety of animations to help you, is the following link from Carnegie Mellon University, Department of Biological Sciences flash tutorial on lipids.