BIOQUÍMICA PARA ODONTO
Aula 1:
Introdução
Propriedades da Água
Ligações não-covalentes
Ionização da água
Autoria:
Luiza Higa
Programa de Biologia Estrutural
Instituto de Bioquímica Médica
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Reprodução Proibida
BIOQUÍMICA
química da vida
“A bioquímica descreve em termos moleculares as
estruturas, os mecanismos e os processos químicos
compartilhados por todos os organismos e fornece
princípios organizacionais que fundamentam a vida
em todas as suas diversas formas, princípios esses que
coletivamente serão referidos como a lógica molecular
da vida”
ORGANIZAÇÃO HIERÁRQUICA DAS
ESTRUTURAS BIOLÓGICAS
célula – unidade
estrutural e funcional
de todos os
organismos vivos
BIOMOLÉCULAS
PEQUENAS MOLÉCULAS
aminoácidos, nucleotídios, açúcares
GRANDES MOLÉCULAS (MACROMOLÉCULAS)
construídas a partir de unidades monoméricas
proteínas – função catalítica (enzimas), transporte de substâncias para
dentro e fora das células, componentes estruturais das membranas
ácidos nucléicos – armazenam, transmitem e transcrevem a informação
genética
polissacarídios – armazenam energia, componentes estruturais da paredes
celulares (em plantas e bactérias)
Lipídios – componentes estruturais das membranas, armazenam energia
Os lipídios são moléculas pequenas e por isso, não são classificados
como macromoléculas. Entretanto, quando um grande número de
moléculas lipídicas se associa não-covalentemente, resulta em
estruturas muito grandes
COMPOSIÇÃO MOLECULAR DAS CÉLULAS
COMPOSIÇÃO MOLECULAR DAS CÉLULAS
ÁGUA
• Substância mais abundante nos sistemas vivos
• Cerca de 70% ou mais do peso da maioria dos
organismos
• As propriedades da água afetam a estrutura e
função de todos os componentes celulares
incluindo proteínas, lipídeos e ácidos nucléicos.
DISTRIBUIÇÃO CORPORAL DA ÁGUA EM ADULTOS
Tecido e fluidos
Líquido cefaloraquidiano
% Água
99
Sangue (plasma)
91-93
Sangue (glóbulo vermelho)
60-65
Tecido Nervoso (substância cinza)
85
Tecido Nervoso (substância branca)
70
Medula
75
Músculo
75-80
Pele
Fígado
Tec. Conjuntivo
Osso (sem medula)
72
70-75
60
20-25
Tecido adiposo
15
Dentina
3
COMPOSIÇÃO DA SALIVA
• 99,5% = água!!
• 0,5% distribuídos entre:
– Íons
• K+, Na+, Ca2+, Mg2+, H+
• Cl-, HCO3-, I-, F-, HPO42– Moléculas orgânicas pequenas
• Uréia, hormônios, lipídios, DNA, RNA
– Um proteoma complexo
• Glicoproteínas grandes (106 D) a peptidios (1000 D)
• pI de 3,0 a 11,5
• Secretadas por glândulas salivares
• Produtos de células B, PMNs (leucócitos
polimorfonucleares), células epiteliais e bactérias
PRINCIPAIS COMPONENTES PROTÉICOS DA
SALIVA
Histatins
Statherins
Lysozyme
ProlineProline-rich proteins
Carbonic anhydrases
Amylases
Peroxidases
Lactoferrin
Mucin 2 (MG2)
sIgA
Mucin 1 (MG1)
1
10
100
Size (kDa)
1000
10000
IMPORTÂNCIA CLÍNICA DA SALIVA
• Compreender os mecanismos salivares a um nível molecular é um prérequisito para:
– tratamento efetivo de disfunções das glândulas salivares;
– modulação da colonização por bactérias;
– desenvolvimento de saliva artificial e outros produtos para disfunções
ou doenças salivares.
MULTIFUNCIONALIDADE
Amylases, Cystatins, Histatins,
Mucins, Peroxidases
Carbonic anhydrases,
Histatins
AntiAntiBacterial
Cystatins,
Mucins
Buffering
Amylases,
Mucins, Lipase
AntiAntiViral
Digestion
Salivary
Families
Histatins
AntiAntiFungal
Mineralization
Tissue
Coating
Lubrication
&Viscoelasticity
Amylases,
Cystatins, Mucins,
ProlineProline-rich proteins, Statherins
Cystatins,
Histatins,
Statherins,
Statherins,
ProlineProline-rich proteins
Mucins, Statherins
adapted from M.J. Levine, 1993
SALIVA ARTIFICIAL
Lactoperoxidase, Glicose oxidase, Lactoferrina e Lisozima
• Boca seca
• Baixa salivação
• Pacientes respiradores bucais
• Disgeusia - sensação de gosto ruim na boca
• Pacientes entubados ou não no CTI
• Pacientes imunodeprimidos (hospitalizados, transplantados,
oncológicos e outros)
• Pacientes que usam prótese removível
• Pacientes com infecções orais, língua e lábios fissurados, alto risco de
ocorrência de úlceras aftosas, mucosite e candidíase oral
• Manutenção do sistema enzimático
ÁGUA
geometria molecular e polaridade
Eletronegatividade
O = 3,50
H = 2,10
ÁGUA
pontes de hidrogênio
Energia de dissociação da
ligação
Pontes de hidrogênio
23 kJ/mol
Ligação covalente (O-H)
470 kJ/mol
Tempo de vida da ponte de hidrogênio – 1 a 20 ps
Formação de uma nova ponte de hidrogênio – 0.1 ps
A água é dinâmica!
ÁGUA
pontes de hidrogênio
Na água líquida, as moléculas de
água estão desorganizadas e em
constante movimento, de forma
que, cada molécula de água forma
pontes de hidrogênio com cerca
de 3,4 outras moléculas.
A soma de todas as pontes de
hidrogênio entre as moléculas de
água conferem a coesão interna
da água na sua forma líquida.
ÁGUA
estrutura do gelo
No gelo, cada molécula de água
forma 4 pontes de hidrogênio com
as moléculas de água adjacentes
originando uma estrutura regular
e aberta.
ÁGUA
densidade da água líquida e do gelo
ÁGUA
propriedades
As propriedades da água são conseqüência das atrações entre as
moléculas de água adjacentes!!
ÁGUA
efeito da temperatura na estrutura da água
PONTES DE HIDROGÊNIO
pontes de hidrogênio em sistemas biológicos
Eletronegatividade
O = 3,5
H = 2,1
N = 3,0
aceptor de hidrogênio – átomo eletronegativo
doador de hidrogênio – átomo de hidrogênio covalentemente
ligado a outro átomo eletronegativo
PONTES DE HIDROGÊNIO
em sistemas biológicos
As pontes de hidrogênio são capazes de manter duas
moléculas ou grupos unidos por elas em um arranjo
geométrico específico. Essa propriedade acarreta
estruturas tridimensionais precisas às moléculas de
proteínas e ácidos nucléicos, que apresentam um alto
conteúdo de pontes de hidrogênio intramoleculares.
PONTES DE HIDROGÊNIO
efeito da disposição espacial
as pontes de hidrogênio são altamente direcionais
ÁGUA
solvente polar
A água dissolve a mais substâncias e em maiores quantidades que
qualquer outro solvente.
A característica polar da água faz com que seja um excelente
solvente para moléculas polares e carregadas, que são
denominadas hidrofílicas.
Substâncias apolares são insolúveis em água e são descritas
como hidrofóbicas.
POLARIDADE
eletronegatividade
C=2,55
H=2,10
O=3,50
POLARIDADE
ÁGUA
Interação eletrostática com solutos polares
a água dissolve sais como o NaCl hidratando e estabilizando os íons Na+ e
Cl- , enfraquecendo as interações eletrostáticas entre eles e assim,
contrapondo-se a tendência de se associarem.
ÁGUA
solvente polar
Os íons de um sal, assim como qualquer outra carga elétrica, interage de
acordo com a Lei de Coulomb
Onde,
F = força da interação iônica
Q = magnitude das cargas
r = distância entre grupos carregados
ε = constante dielétrica do solvente
ÁGUA
solubilidade dos gases
ÁGUA
Interação com moléculas apolares
As moléculas de água na
vizinhança imediata de um
soluto apolar apresentam
uma restrição em relação
às suas possíveis
orientações e formam
“gaiolas” altamente
organizadas ao redor das
moléculas de soluto.
Organização das moléculas de água em torno do soluto apolar resulta
na diminuição da entropia
ENTROPIA - AUMENTO DO GRAU DE DESORDEM!
ÁGUA
Interação com compostos anfipáticos
Compostos anfipáticos contém regiões polares e apolares
Ex: proteínas, pigmentos e fosfolipídios de membrana
Em solução aquosa, a região
polar interage
favoravelmente com o
solvente e tende a dissolve.
Por outro lado, a região
apolar tende a evitar o
contato com a água
ÁGUA
Interação com compostos anfipáticos
As regiões apolares das moléculas se agregam, apresentando, assim, a menor
área hidrofóbica ao solvente, e as regiões polares são arranjadas para
maximizar a sua interação com o solvente.
As forças que mantêm juntas as regiões apolares das moléculas são chamadas
interações hidrofóbicas
ÁGUA
Interação hidrofóbica
As forças que mantêm as regiões apolares
juntas das moléculas são chamadas
interações hidrofóbicas
A força dessas interações não ocorre devido a atração
intrínseca entre as moléculas apolares. Ao contrário, resulta
do fato de o sistema atingir maior estabilidade
termodinâmica, minimizando o número de moléculas de água
ordenadas, requeridas para envolver as regiões hidrofóbicas
das moléculas de soluto.
LIGAÇÕES NÃO-COVALENTES
interação de van der Waals
Resultado da influência das nuvens eletrônicas de átomos muito próximos
Variações aleatórias nas posições dos elétrons ao redor do núcleo podem
criar um dipolo elétrico transiente, que induz no átomo próximo um outro
dipolo elétrico oposto, também transiente. os dois dipolos se atraem
fracamente, aproximando os núcleos.
À medida que os dois núcleos se aproximam, as suas nuvens eletrônicas
começam a se repelir. Na distância em que a atração de van der Waals
contrabalança exatamente essa força repulsiva, os núcleos são
considerados estar em contato de van der Waals.
Cada átomo possui tem um raio de van der Waals característico, uma
medida de quão próximo um átomo permite que outro se aproxime.
LIGAÇÕES NÃO-COVALENTES
Ligação
Energia de dissociação da
ligação
covalente O-H
110 kcal/mol
covalente C-C
84 kcal/mol
covalente C-H
98 kcal/mol
ponte de hidrogênio O-H
eletrostática/iônica
5 kcal/mol
10 kcal/mol
hidrofóbica
1-2 kcal/mol
van der Waals
1-2 kcal/mol
Embora as interações não-covalentes sejam individualmente
fracas quando comparadas as ligações covalentes, o efeito
cumulativo de muitas dessas interações é significativo e
crucial para a estrutura e função das macromoléculas
LIGAÇÕES NÃO-COVALENTES
Importância para a estrutura e função das
macromoléculas
Ex: Formação do complexo enzimasubstrato
água organizada e
interagindo com o
substrato e a enzima
Quando separadas, as moléculas da
enzima e do substrato forçam as
moléculas de água a se organizarem
em torno delas.
A ligação do substrato libera algumas
dessas moléculas organizadas
resultando no aumento da entropia que
propicia um impulso termodinâmico na
formação do complexo enzimasubstrato.
moléculas de água
deslocadas pela
interação enzima
substrato
interação enzimasubstrato estabilizada
por pontes de
hidrogênio, interações
iônicas e hidrofóbicas
SOLUÇÕES AQUOSAS
solutos e propriedades coligativas
As propriedades coligativas da água são modificadas pela presença de
solutos que alteram a estrutura da água
Ex: Ponto de fusão e ebulição
Diminuição da pressão de vapor
Aumento do ponto de ebulição
Diminuição do ponto de
congelamento
ÁGUA
ionização da água
A ionização da água pode ser descrita pelo equilíbrio:
íon hidrônio (H30+)
Na água pura, as moléculas de água apresentam um pequeno
grau de ionização
Só 2 molécula de água em cada 109 moléculas está ionizada!!
IONIZAÇÃO DA ÁGUA
constante de equilíbrio
[H2O] =
m
=
Mol x V
1000 = 55,5 M
18 x 1
constante em relação
às baixas
concentrações de
[H+] e [OH-]
[H+] = 1 x 10-7 M
[OH-] = 1 x 10-7 M
IONIZAÇÃO DA ÁGUA
constante de equilíbrio
Onde Kw = produto iônico da água
O valor da constante de equilíbrio da ionização da água, obtido
experimentalmente a partir de medidas de condutividade elétrica, é
de
1,8 x 10–16 M.
IONIZAÇÃO DA ÁGUA
constante de equilíbrio
O produto dos íons [H+] e [OH-] é sempre 1.0 x 10-14 M2
Na água pura, [H+] = [OH-]
ANESTÉSICOS LOCAIS
Primeiro anestésico local – cocaína
1859 – isolamento do princípio ativo da folha da coca, a
cocaína
efeitos anestésicos
efeitos alucinógenos (observados por Freud)
MECANISMO DE AÇÃO DOS ANESTÉSICOS
LOCAIS - aminas terciárias
éster
amina terciária
passível de ionização
Tetracaína
base fraca pk ~ 8.0
H+
ácido
benzóico
A + H+
AH+
A
A + H+
A + H+
A
AH+
A + H+
AH+
X
AH+
AH+
Os anestésicos locais bloqueiam
fisicamente os canais de sódio
das membranas neuronais. Sem
o influxo de sódio não ocorre o
potencial de ação e
conseqüentemente, não há
propagação do sinal nervoso.