Em formação

1.9: Grupos Funcionais - Biologia


Grupos funcionais

Um grupo funcional é um grupo específico de átomos dentro de uma molécula que é responsável por uma característica dessa molécula. No Bis2a, discutiremos os principais grupos funcionais encontrados nas moléculas biológicas. Esses incluem: Hidroxila, Metilo, Carboxyl, Carbonyl, Amino e Fosfato.

Os grupos funcionais mostrados aqui são encontrados em muitas moléculas biológicas diferentes. "R" representa qualquer outro átomo ou extensão da molécula. As cargas discutidas, mas não representadas, aqui em pH 7. Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria adaptada de imagem anterior de fonte desconhecida)

Um grupo funcional pode participar de uma variedade de reações químicas. Alguns dos grupos funcionais importantes em moléculas biológicas são mostrados acima; eles incluem: hidroxil, metil, carbonil, carboxil, amino, fosfato e sulfidril (R-S-H). Esses grupos desempenham um papel importante na formação de moléculas como DNA, proteínas, carboidratos e lipídios. Os grupos funcionais às vezes podem ser classificados como tendo propriedades polares ou apolares, dependendo de sua composição atômica e organização. O termo polar descreve algo que tem uma propriedade que não é simétrica - pode ter pólos diferentes (mais ou menos de algo em lugares diferentes). No caso de ligações e moléculas, a propriedade com a qual nos importamos é geralmente a distribuição de elétrons e, portanto, da carga elétrica entre os átomos. Em ligações não polares ou moléculas, os elétrons e a carga serão distribuídos de maneira relativamente uniforme. Em uma ligação ou molécula polar, os elétrons tendem a ser mais concentrados em algumas áreas do que em outras. Um exemplo de grupo não polar é o grupo metil (consulte a discussão em Atoms to Bonds para obter mais detalhes). Entre os grupos funcionais polares está o grupo carboxila encontrado nos aminoácidos, algumas cadeias laterais de aminoácidos e os ácidos graxos que formam triglicerídeos e fosfolipídeos.

Grupos funcionais não polares

Metil R-CH3

O grupo metil é o único grupo funcional não polar em nossa lista de classes acima. O grupo metil consiste em um átomo de carbono ligado a 3 átomos de hidrogênio. Nesta classe, trataremos essas ligações C-H como ligações covalentes efetivamente não polares. Isso significa que os grupos metil são incapazes de formar ligações de hidrogênio e não irão interagir com compostos polares como a água.

O aminoácido isoleucina à esquerda e o colesterol à direita. Cada um tem um grupo metil circulado em vermelho. Atribuição: Criado por Marc T. Facciotti (Obra própria adaptada de Erin Easlon)

Os grupos metil destacados acima são encontrados em uma variedade de compostos biologicamente relevantes. Em alguns casos, o composto pode ter um grupo metil, mas ainda ser um composto polar em geral devido à presença de outros grupos funcionais com propriedades polares (ver Grupos Funcionais Polares discutidos abaixo).

À medida que aprendemos mais sobre outros grupos funcionais, adicionaremos à lista de grupos funcionais não polares. Fique alerta!

Grupos funcionais polares

Hidroxil R-OH

Um hidroxila (grupo de álcool) é um grupo –OH ligado covalentemente a um átomo de carbono. O átomo de oxigênio é muito mais eletronegativo do que o hidrogênio ou o carbono, o que fará com que os elétrons nas ligações covalentes passem mais tempo em torno do oxigênio do que em torno do C ou H. Portanto, as ligações OH e OC no grupo hidroxila ser ligações covalentes polares. A figura abaixo representa as cargas parciais δ+ e δ- associado ao grupo hidroxila.

O grupo funcional hidroxila mostrado aqui consiste em um átomo de oxigênio ligado a um átomo de carbono e um átomo de hidrogênio. Essas ligações são polares covalentes, o que significa que o elétron envolvido na formação das ligações não é compartilhado igualmente entre as ligações C-O e O-H. Atribuição: Criado Marc T. Facciotti (Própria obra)

Os grupos funcionais hidroxila podem formar ligações de hidrogênio, mostradas como uma linha pontilhada. A ligação de hidrogênio se formará entre o δ- do átomo de oxigênio e um δ+ do átomo de hidrogênio. Dipolos mostrados em setas azuis. Facciotti (obra original)

Os grupos hidroxila são muito comuns em moléculas biológicas. Os grupos hidroxila aparecem nos carboidratos (A), nos grupos R de alguns aminoácidos (B) e nos ácidos nucléicos (C). Você consegue encontrar algum grupo hidroxila no fosfolipídeo em (D)?

Os grupos hidroxila aparecem nos carboidratos (A glicose), em alguns aminoácidos (B Serina) e nos nucleotídeos (C Adenosina trifosfato). D é um fosfolipídeo.

Carboxil R-COOH

O ácido carboxílico é uma combinação de um grupo carbonila e um grupo hidroxila ligado ao mesmo carbono, resultando em novas características. O grupo carboxila pode se ionizar, o que significa que pode atuar como um ácido e liberar o átomo de hidrogênio do grupo hidroxila como um próton livre (H+) Isso resulta em uma carga negativa deslocalizada nos átomos de oxigênio restantes. Os grupos carboxil podem alternar entre protonado (R-COOH) e desprotonado (R-COO-) estados dependendo do pH da solução.

O grupo carboxila é muito versátil. Em seu estado protonado, pode formar ligações de hidrogênio com outros compostos polares. Em seus estados desprotonados, pode formar ligações iônicas com outros compostos carregados positivamente. Isso terá várias consequências biológicas que serão mais exploradas quando discutirmos as enzimas.

Você pode identificar todos os grupos carboxila nas macromoléculas mostradas acima?

Amino R-NH3

O grupo amino consiste em um átomo de nitrogênio ligado por ligações simples a átomos de hidrogênio. Um composto orgânico que contém um grupo amino é denominado amina. Como o oxigênio, o nitrogênio também é mais eletronegativo do que o carbono e o hidrogênio, o que faz com que o grupo amino exiba algum caráter polar.

Os grupos amino também podem atuar como bases, o que significa que o átomo de nitrogênio pode se ligar a um terceiro átomo de hidrogênio, conforme mostrado na imagem abaixo. Quando isso ocorre, o átomo de nitrogênio ganha uma carga positiva e pode agora participar de ligações iônicas.

O grupo funcional amina pode existir em um estado desprotonado ou protonado. Quando protonado, o átomo de nitrogênio está ligado a três átomos de hidrogênio e tem carga positiva. A forma desprotonada deste grupo é neutra.
Atribuição: Criou Erin Easlon (Trabalho próprio)

Fosfato R-PO4-

Um grupo fosfato é um átomo de fósforo covalentemente ligado a 4 átomos de oxigênio e contém uma ligação P = O e três P-O títulos. Os átomos de oxigênio são mais eletronegativos do que o átomo de fósforo, resultando em ligações covalentes polares. Portanto, esses átomos de oxigênio são capazes de formar ligações de hidrogênio com átomos de hidrogênio próximos que também têm um δ+(átomos de hidrogênio ligados a outro átomo eletronegativo). Os grupos fosfato também contêm uma carga negativa e podem participar de ligações iônicas.

Os grupos fosfato são comuns em ácidos nucléicos e em fosfolipídios (o termo "fosfo" referindo-se ao grupo fosfato no lipídio). Abaixo estão as imagens de um monofosfato de nucleotídeo (A) e uma fosfoserina (B).

Um nucleotídeo à esquerda e fosfoserina à direita. Cada um tem um grupo fosfato circulado em vermelho. Atribuição: Criado por Marc T. Facciotti (Trabalho próprio)

Água

A água é uma substância única cujas propriedades especiais estão intimamente ligadas aos processos da vida. A vida evoluiu originalmente em um ambiente aquoso, e a maior parte da química celular e do metabolismo de um organismo ocorre dentro do conteúdo solvatado em água da célula. A água solvata ou "molha" a célula e as moléculas nela contidas, desempenha um papel fundamental como reagente ou produto em inúmeras reações bioquímicas e medeia as interações entre as moléculas dentro e fora da célula. Muitas das propriedades importantes da água derivam da natureza polar da molécula induzida pelas ligações covalentes polares entre hidrogênio e oxigênio, combinado com o fato de que essas ligações estão em um ângulo, resultando em um dipolo líquido do pólo mais rico em O para o mais H pólo rico da molécula. Em contraste, no CO2 as ligações entre O e C são polares, mas não há dipolo líquido (assimetria de carga) de uma extremidade da molécula para a outra, porque as ligações se estendem em um ângulo de 180˚ uma da outra (O = C = O). Assim, o CO2 não é uma molécula polar, embora tenha ligações polares.

Em Bis2a, o papel onipresente da água em quase todos os processos biológicos é fácil de ignorar, ficando preso nos detalhes de processos específicos, proteínas, papéis dos ácidos nucléicos e em seu entusiasmo por máquinas moleculares (isso vai acontecer). No entanto, a água desempenha um papel fundamental em todos esses processos e precisaremos estar continuamente cientes do papel que a água está desempenhando se quisermos desenvolver um melhor entendimento funcional. Esteja atento e preste atenção também quando seu instrutor apontar isso.

No estado líquido, as moléculas individuais de água interagem umas com as outras por meio de uma rede de ligações de hidrogênio dinâmicas que estão constantemente se formando e se quebrando (ligações H são ligações relativamente fracas). A água também interage com outras moléculas que possuem grupos funcionais carregados e / ou grupos funcionais com doadores ou aceitadores de ligações de hidrogênio. Uma substância com caráter polar ou carregado suficiente pode se dissolver ou ser altamente miscível em água é referida como sendo hidrofílico (hidro- = “água”; -fílico = “amando”). Em contraste, as moléculas com caráter mais apolar, como óleos e gorduras, não interagem bem com a água e se separam dela, em vez de se dissolver nela, como vemos em molhos para salada que contêm óleo e vinagre (uma solução ácida de água). Esses compostos não polares são chamados hidrofóbico (hidro- = “água”; -fóbico = “temor”). Consideraremos alguns dos componentes energéticos desses tipos de reações em outro capítulo.

No estado líquido, a água forma uma rede dinâmica de ligações de hidrogênio entre moléculas individuais. São mostrados um par doador-aceitador. Facciotti (obra original)

Propriedades do solvente da água

Como a água é uma molécula polar com cargas ligeiramente positivas e ligeiramente negativas, os íons e as moléculas polares podem se dissolver facilmente nela. Portanto, a água é referida como um solvente, uma substância capaz de dissolver outras moléculas polares e compostos iônicos. As cargas associadas a essas moléculas formarão ligações de hidrogênio com a água, envolvendo a partícula com moléculas de água. Isso é conhecido como esfera de hidratação, ou uma concha de hidratação e serve para manter as partículas separadas ou dispersas na água.

Quando os compostos iônicos são adicionados à água, os íons individuais interagem com as regiões polares das moléculas de água e as ligações iônicas são provavelmente interrompidas no processo denominado dissociação. A dissociação ocorre quando átomos ou grupos de átomos se separam das moléculas e formam íons. Considere o sal de cozinha (NaCl ou cloreto de sódio). Quando seco, um bloco de NaCl é mantido unido por ligações iônicas e é difícil de dissociar. Quando os cristais de NaCl são adicionados à água, no entanto, as moléculas de NaCl se dissociam em Na+ e Clíons e esferas de hidratação se formam em torno dos íons. O íon de sódio carregado positivamente é cercado pela carga parcialmente negativa do oxigênio da molécula de água. O íon cloreto carregado negativamente é rodeado pela carga parcialmente positiva do hidrogênio na molécula de água. Pode-se imaginar um modelo no qual as ligações iônicas no cristal são "trocadas" por muitas ligações iônicas em escala menor com os grupos polares nas moléculas de água.

Quando o sal de cozinha (NaCl) é misturado à água, esferas de hidratação são formadas ao redor dos íons. Esta figura representa um íon sódio (esfera azul escura) e um íon cloreto (esfera azul claro) solvatados em um "mar" de água. Observe como os dipolos das moléculas de água ao redor dos íons estão alinhados de forma que cargas complementares / cargas parciais estão associadas umas às outras (ou seja, as cargas positivas parciais nas moléculas de água se alinham com o íon cloreto negativo, enquanto as cargas negativas parciais no oxigênio de água se alinha com o íon de sódio carregado positivamente. Atribuição: Ting Wang - UC Davis (trabalho original modificado por Marc T. Facciotti)

Nota: Possível discussão

Considere o modelo de água dissolvendo um cristal de sal apresentado acima. Descreva com suas próprias palavras como esse modelo pode ser usado para explicar o que está acontecendo no nível molecular quando sal suficiente é adicionado a um volume de água que o sal não mais se dissolve (a solução atinge a saturação). Trabalhem juntos para criar uma imagem comum.


9.1: Compostos Orgânicos com Grupos Funcionais

Anteriormente, consideramos vários tipos de hidrocarbonetos. Agora vamos examinar alguns dos muitos compostos orgânicos que contêm grupos funcionais. Primeiro introduzimos a ideia de grupo funcional, um arranjo estrutural específico de átomos ou ligações que confere uma reatividade química característica à molécula. Se você compreender o comportamento de um determinado grupo funcional, saberá muito sobre as propriedades gerais dessa classe de compostos. Neste capítulo, fazemos um estudo breve, porém sistemático, de algumas famílias de compostos orgânicos. Cada família é baseada em um grupo funcional comum e simples que contém um átomo de oxigênio ou um átomo de nitrogênio. Alguns grupos funcionais comuns estão listados na Tabela ( PageIndex <1> ).

Tabela ( PageIndex <1> ): Grupos funcionais orgânicos selecionados
Nome da família Fórmula geral Grupo funcional Sufixo*
alcano RH Nenhum -ane
alceno R2C = CR2 -ene
alcino RC e equivCR & ndashC & equivC & ndash -yne
álcool ROH & ndashOH -ol
tiol RSH & ndashSH -tiol
éter ROR & ndashO & ndash éter
aldeído -al
cetona -1
ácido carboxílico -oic ácido
* Os éteres não têm um sufixo em seu nome comum, todos os éteres terminam com a palavra éter.


A fisiologia e o habitat do último ancestral comum universal

O conceito de um último ancestral comum universal de todas as células (LUCA, ou progenota) é central para o estudo da evolução inicial e da origem da vida, mas faltam informações sobre como e onde LUCA viveu. Nós investigamos todos os clusters e árvores filogenéticas para 6,1 milhões de genes codificadores de proteínas de genomas procarióticos sequenciados, a fim de reconstruir a ecologia microbiana de LUCA. Entre 286.514 clusters de proteínas, identificamos 355 famílias de proteínas (∼ 0,1%) que traçam a LUCA por critérios filogenéticos. Como essas proteínas não são universalmente distribuídas, elas podem lançar luz sobre a fisiologia de LUCA. Suas funções, propriedades e grupos protéticos retratam LUCA como anaeróbico, CO2-fixar, H2- dependente de um caminho Wood – Ljungdahl, N2-fixante e termofílico. A bioquímica do LUCA estava repleta de clusters FeS e mecanismos de reação radical. Seus cofatores revelam dependência de metais de transição, flavinas, S-adenosilmetionina, coenzima A, ferredoxina, molibdopterina, corrinas e selênio. Seu código genético exigia modificações de nucleosídeos e S-adenosil metionina-dependentes de metilação. As 355 filogenias identificam clostrídios e metanógenos, cujos estilos de vida modernos se assemelham ao de LUCA, como basais entre seus respectivos domínios. LUCA habitou um ambiente geoquimicamente ativo rico em H2, CO2 e ferro. Os dados apóiam a teoria de uma origem autotrófica da vida envolvendo a via Wood-Ljungdahl em um ambiente hidrotérmico.

O último ancestral comum universal (LUCA) é um intermediário evolutivo inferido 1 que liga a fase abiótica da história da Terra com os primeiros vestígios de vida microbiana em rochas com 3,8–3,5 bilhões de anos de idade 2. Embora LUCA tenha sido considerado o ancestral comum de bactérias, arquéias e eucariotos 3,4, as novas árvores de dois domínios da vida têm eucariotos originando-se de procariotos 5,6, tornando LUCA o ancestral comum de bactérias e arquéias. As investigações genômicas anteriores do conteúdo do gene LUCA se concentraram em genes que estão universalmente presentes em todos os genomas 4,7,8, revelando que LUCA tinha 30-100 proteínas para ribossomos e tradução. Em princípio, os genes presentes em um archaeon e em uma bactéria podem traçar a LUCA, embora sua distribuição filogenética também possa ser o resultado da origem do gene pós-LUCA e da transferência gênica lateral interdomínio (LGT) 8, visto que milhares de tais transferências gênicas entre procarióticos domínios foram detectados 9.


Assista o vídeo: Aula de revisão - Grupos Funcionais - Química Orgânica - Prof. Aurélio Miguel (Novembro 2021).