EFEITOS EM
MACROMOLÉCULAS
PROTEÍNAS
Estrutura dos 20 aminoácidos que compõe as
proteínas
IMPORTÂNCIA DAS LIGAÇÕES
QUÍMICAS FRACAS
1. Ligações covalentes não podem ser as responsáveis pelas
interações entre moléculas na célula, pois, por definição,
numa ligação covalente os átomos unidos devem
pertencer a uma mesma molécula.
2. Ligações fracas ocorrem entre átomos de uma mesma
molécula ou moléculas diferentes.
3. Uma ligação química é uma força atrativa que mantém
átomos juntos.
4. HbA é mantida por ligações fracas.
5. Ligações fracas são facilmente quebradas.
6. Dois H mantidos por ligação covalente
H2 são
separados por 0,74 A
enquanto que por Van der Waals
1,2 A
7. O máximo de ligações covalentes
no de valência
(oxigênio tem 2 valências)
8. No caso de ligações fracas, o fator limitante é puramente
espacial
9. O ângulo entre duas ligações covalentes é sempre o
mesmo. Por exemplo:
H
H
C
H
Todos tem 109o
H
para ligações fracas o ângulo é variável
10. Quanto mais forte a ligação, maior a energia liberada
por ela.
A+B
AB + energia
11. CALORIA
Cal
quantidade de energia necessária para elevar a
temperatura de 1 grama de água de 14,5 para 15,5 oC.
Em geral, usa-se kcal/mol
1kcal = 26 eV
12. As ligações podem ser quebradas por calor, radiação, etc.
AB + energia
A+B
13. No equilíbrio temos:
conc. AB
Keq =
conc. A x conc. B
14. Energia livre é a energia capaz de realizar o trabalho (G )
G (G é negativo)
reação espontânea
no equilíbrio  G = 0
15. Quanto mais forte a ligação, maior a mudança na
“energia livre” que acompanha a sua formação, maior o no
de átomos ligados.
16.
 G = - R.T.lnKeq
Keq = e -  G / RT
Keq G kcal/mol
0,001
4,089
0,01
2,726
0,1
1,363
1,0
0
10
-1,363
100
-2,726
1000
-4,089
R=1,987 cal/o/mol
T = temp. absoluta
Keq = cte equilíbrio
Temperatura = 25oC
(298K)
 G para ligações covalentes (H, O, etc) é da ordem de -50
a -110 kcal/mol
keq muito alta, portanto a concentração
de átomos não ligados será muitopequena.
17. Ligações fracas têm energias que variam de 1 a 7
kcal/mol e são constantemente feitas e quebradas.
18. Moléculas polares facilitam a formação de ligações
fracas.
0,95 A
H+
105o
H+
O2-
Raio de Van der Waals p/
o oxigênio é 1,4 A
Raio de Van der Waals p/ o hidrogênio é 1,2 A
19. Tipos de LIGAÇÕES QUÍMICAS FRACAS
a) Forças de Van der Waals
b) Pontes de hidrogênio
c) Ligações iônicas
d) Ligações hidrofóbicas
20. Van der Waals
Força atrativa que se origina pela aproximação de dois
átomos ou moléculas.
Energia  1 kcal/mol
Átomo Van der Waals
raio - A
H
1,2
N
1,5
O
1,4
P
1,9
S
1,85
CH3
2,0
21. Pontes de hidrogênio
Energia varia entre 3 a 7 kcal/mol. Aparece um
hidrogênio ligado covalentemente com alguma carga
positiva e um aceptor ligado covalentemente, porém
carregado negativamente.
Átomos
O – H--------O
O – H--------OO – H--------N
N – H--------O
N+ - H--------O
NH-----------N
Distância A
2,70
2,63
2,88
3,04
2,93
3,10
10 A
5A
fraca
forte
4A
atração e repulsão balanceadas
A soma de vários átomos ou moléculas pode chegar a 10 kcal/mol.
H
R
C
C=O
C=O
H
N
C
Entre grupos peptídicos
H
R
H
C=O
H
H
O
C
H
Entre grupos OH
O H
O-
C=O
Entre COO- e OH da Tyr
H
N+
H
H
O-
C=O
Entre NH3+ e COO-
H N
C
O H
O=C
H
C
Entre OH da Serina e
um grupo peptídico
H
R
Ponte de Hidrogênio são mais fortes quando
apontam diretamente para o aceptor
H
O H
mais forte
O
O
O
H
H
mais fraca
22. Ligações iônicas
Têm energia média de 5 kcal/mol
Ocorrem entre moléculas que têm uma ou mais unidades
de carga positiva ou negativa líquida.
Ex: COO- e NH3+
23. Ligações fracas necessitam de superfícies
complementares (chave - fechadura).
24. Moléculas de H2O formam pontes de hidrogênio.
Moléculas orgânicas que formam pontes de hidrogênio
são solúveis em água.
25. Moléculas não polares como o Benzeno, em água
tendem a se unir
ligações hidrofóbicas (tendência da
água a excluir grupos não polares)
26. Ligações fracas participam das ligações E - S, dão
flexibilidade e a forma das moléculas.
27. Algumas moléculas formam hélices e subunidades.
Ferritin tem PM 480.000, porém não contém uma única
cadeia de 4.000 a.a. , mas 20 polipeptídeos idênticos de
cerca de 200 a.a.
28. Subunidades são econômicas e diminuem o erro de
síntese
Formação de estrutura secundária das proteínas
Formação de estrutura terciária das proteínas
Exemplo: hemoglobina humana
Formação de estrutura quaternária das proteínas
Exemplo: hemoglobina humana
Deoxihemoblobina
Oxihemoglobina
Interação Enzima – Substrato
Estrutura terciária da Hexokinase A
Formação de agregação de proteínas
Ação da radiação
DIRETA
INDIRETA
AÇÃO DIRETA
1. Absorção de Energia
Excitação e Ionização
2. Processos de transferência de Energia
ESR (Ressonância Eletro Spin)
R S
Termoluminescência
Adição de 3H
3. Formação de moléculas danificadas estáveis
4. Características da ação direta
4.a. Relação dose-efeito
Teoria do alvo
A = Ao . cm
Beauragard (1985), Kempner (1986)
temperatura dependente
Swillens (1986) - considera “target” e a eficiência
do “hit”
processo multievento estocástico
“Teoria do alvo – target size”
1. Num organismo vivo temos um ou mais “target(s)”.
2. A interação da radiação com um organismo vivo é ao
acaso
3. Um “hit” ou uma interação da radiação com o target
mata, inativa ou induz um efeito radiobiológico no
organismo
4. A probabilidade de produção de um hit é proporcional
ao tamanho do target.
5. Para radiações de alta energia ocorre o que chamamos de
ionizações primárias.
6. Uma ionização primária envolve 66 eV de energia 
1500 kcal/mol
Ligação covalente  100 kcal/mol
Ponte de hidrogênio  7 kcal/mol
7. Como as ionizações ocorrem ao acaso, a probabilidade
de ocorrer 0, 1, 2, ..., n ionizações é dada pela fórmula de
Poisson
P(n) = e-x (X)n
n!
Onde x é a função da exposição à radiação.
8. Como a energia é muito alta cada vez que ocorre
1 HIT
INATIVAÇÃO BIOLÓGICA
9. A probabilidade de não ocorrer ionizações é
P(0) = e –x

A curva de sobrevivência ou atividade biológica medida
após várias exposições decrescerá como uma simples
exponencial
A= A0.e-KD
A = Atividade após a dose D de irradiação
A0 = Atividade inicial
A exposição é dada em unidades de ionização primárias
por cm3
K é a constante característica de cada atividae biológica
cuja uniadade é volume (cm3 )
K é chamado RADIATION TARGET ou VOLUME
SENSÍVEL
Como as ionizações ocorrem ao acaso e a energia é alta:
a sensibilidade é independente da FORMA e da
COMPOSIÇÃO QUÍMICA do alvo
Para radiações não ionizantes, por exemplo UV, a
energia absorvida depende de fatores tais como presença
de ANÉIS AROMÁTICOS, PTES. DE ENXOFRE, etc.
O target size K é obtido a partir da dose 37% ou D37 que
é a dose necessária para reduzir a atividade para 37% da
inicial.
A = 0,37 A0
0,37 A0 = A0. e-KD37
ln 0,37 = -1 = -KD37
K=1
D37
Cálculo do Peso Molecular
Considerando:
1. RAD é a deposição de 100 ERGs de energia por cm3
de material.
2. Densidade da proteína.
3. O número de Avogadro.
4. Uma série de dados obtidos por radiação.
Chegou-se a uma equação empírica
Peso molecular = 6,4 x 1011
D37
D37 em RADs
1. Se tivermos mais de uma molécula, teremos soma de
exponenciais
2. Só é válido para efeito direto da radiação (irradiação a
seco)
Exemplos da literatura
Enzima
Malato
desidrogenase
Catalase
Lisozima
ATPase
Glutamato
desidrogenase
Fosforilase de
amido
PM x 10-3
74
Target size Radiação
73
e-
232
14
284
320
230
15
280
300
RX
eee-
215
210
g
Enzima
Álcool
Desidrogenase
Xantina
Oxidase
Glucose e
Fosfatase
Peroxidase
PM x
10-3
141
No. de
cadeias
4
PM x
10-3
35
Target Radiação
size
37
a
300
2
150
125
a
130
2
63
70
g
14
g
40
a Amilase
96
2
48
46
g
Fosfatase
Alcalina
140
2
69
70
e-
Crotoxina
1. É a toxina mais potente do veneno de cascavel brasileira
2. PM por várias técnicas: 23. 000
3. Cristalizável
4. Contém duas subunidades
CROTAPOTIN = PM  8 000
FOSFOLIPASE A2 = PM  13 000
TOXICIDADE
Crotoxina: LD50 = 0,05 mg/kg camundongo
Fosfolipase A2 : LD50 = 0,55 mg/kg camundongo
Crotapotin: LD50  100 mg/kg camundongo
A interação das duas proteínas aumenta a toxicidade 10
vezes (não covalente)
Importância da fosfolipase A2
R
O=P
H
O
H
R = colina
O
POLAR
H
C1
C 2 C H2
3
O
O
Fosfolipase A2
C=O C=O
x
x
x
x
x
x
x
x
1,2 diacil
fosfoglicerídeos
APOLAR
CH3
- CH2 - CH2 - N+ - CH3
CH3
Leticina
A dor é provocada pelo estímulo do receptor da dor, que é
chamado nociceptor.
PEI2 e PGE2 agem na membrana destes receptores
alterando a atividade elétrica, produzindo estímulos de
dor levados pelos nervos sensitivos ao sistema nervoso
central.
Bactérias
Pirogênio exógeno Macrófagos
Pirogênio endógeno
Circulação
C.N.C.
PGE2 Altera o centro regulador do hipotálamo
Temp. 37oC do sangue como fria
Ordena vaso
constrição periférica
Evita perda de calor. Ao
mesmo tempo
Tremores
gera calor.
Isto tudo leva à febre.
Aspirina age no mesmo ponto.
Mecanismo de ação
J.R. Vane (Nobel, 1982)
Sérgio H. Ferreira - Med. Rib. Preto
década de 70
Fosfolipídeos da membrana
ASPIRINA
Fosfolipase A2
COOH
COOH
Ácido aracdônico
O
Ciclo oxigenase
COOH
O
O
Endoperóxidos cíclicos
O
OH
O
Prostaciclina
COOH
HO
OH
Prostaglandinas clássicas
PGE2
PGI2
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
1. Irradiação de Fosfolipase A2 e Crotoxina 1mg/mL Liofilizada - em placas de Petri, elétrons acelerados
com doses de 0, 5, 10, 15, 20, 25 e 30 Mrad.
2. Dissolução das amostras em solução fisiológica.
3. Determinação da atividade enzimática usando gema de
ovo como substrato e glóbulos vermelhos de rato.
FOSFOLIPASE A2
Dose % Ativid.
Mrad
0
100
5
70
10
23
15
18
20
17
25
15
30
12
D37 = 8 Mrad
PM = 80 000
Agregação ?
CROTOXINA
Dose % Ativid.
Mrad
0
100
5
56,4
10
49,3
15
40
20
24,2
25
24,2
30
19,2
Em gráfico semi log
D37 = 19 Mrad
PM = 33 000
4.b. Fatores que afetam a radiosensibilidade das moléculas
b.1 Temperatura
77 K
Ativ. Enz.
100
195 K
310 K
0
Dose Mrad
30
60
Inativação da Ribonuclease por 60Co (g) no vácuo
b.2. Presença de O2
Radioss.
3
2
1
0
Mm Hg
720
Radiosensibilidade da Tripsina seca, irradiada com 60Co
D37 oxigênio
D37 no vácuo
b.3. Presença da segunda molécula
Radiosensibilidade relativa de enzimas no estado sólido
irradiadas na presença de diferentes aditivos
Aditivo
Nenhum
Cisteína
Glutationa
Extrato de lev.
Tampão acetato
Sacarose
NaCl
Invertase
1,0
0,5
0,5
0,45
1,4 – 1,6
1,5 – 3,5
Ribonuclease
1,0
0,52  0,10
0,52  10
4,8  1,4
2,6  0,5
0,98  0,21
D37 nenhum / D37 aditivo
Urease
1,0
0,5 – 0,7
0,8
-
b.4. Conteúdo de água
Dose 37 x 10 6
12
6
% água
14
Arilesterase
Colinesterase
28
b.5. Efeito do pH
Dose 37 x 10 6
10
2
pH
3,5
6,5
8,5
Deoxiribonuclease dissolvida em tampão fosfato pH 3,5 - 8,5,
liofilizado e inativado com 60 Co
AÇÃO INDIRETA
Reação entre as moléculas do soluto e as espécies reativas
do solvente, formadas pela ação direta da radiação
1. Espécies reativas da água
H2O
H + OH + e-aq + H2
+ H2O2 + H3O+
Valores de G a pH neutro
Produto
e-aq
H
OH
H2
H2 O 2
G
2,6
0,6
2,6
0,45
0,75
2. Algumas reações dos produtos da radiólise com o soluto
2.a. Abstração de átomos de H
R H+H
R H2
2.b. Reações dissociativas
R NH3+ + e-aq
R +NH3
2.c. Reação de adição
H H
C=C + OH
R R
H R
R
C
OH
C
2.d. Dimerização e adição
Glicina
NH2 CH2 COOH
NH2 CH2 COOH
e- aq
H
NH2 CH2 COOH
CH2 COOH
NH2 CH COOH
CH2 COOH
Ácido aspártico
2.e. Reações de desprotonação
CH3 COH
2 CH3 CH2 OH
2 CH3 CH OH
álcool
acetaldeído
CH3 CH2 OH
álcool
2.f. Hidrólise
RCO NH2 + H2O
OH
RCO NH CH R2
RCO NH CH R2
RCOR
1
0,1
0,01
0
5 X 10-1
DNA ase
G de inativação
1,0
G
0,5
0
0,1
1,0
10
100
Conc. DNA (%)
G da formação de grupos monofosfatos
(quebras simples da cadeia)
2.g. Adição de oxigênio
R
+
O2
RO2
RO2H
2.h. Transferência de H
CH2OH
+
RSH
CH3OH
+ RS
3. Fatores que afetam a radiosensibilidade das moléculas
frente à radiação indireta
3.a. Concentração do soluto (‘efeito da diluição’)
Geralmente o efeito da diluição está entre 0,1 e 10%
para macromoléculas e para moléculas pequenas, como a
glicina, entre 10-3 a 10-1 M.
Fração
relativa
2
conc x conc
dose
1
0
Conc. Carboxi Peptidase 1,0
3.b. Presença do segundo soluto
Tipo de reação competitiva (Scavengers)
3.c. Efeito do oxigênio
Em algumas moléculas o O2 pode aumentar o dano de 2 ou 3
vezes. Embora isto não seja observado em algumas enzimas e
no DNA.
3.d. Efeito do pH
O pH altera a distribuição de cargas na superfície molecular
além da conformação molecular.
3.e. Efeito do tipo de radiação
LET é menos efetivo em soluções diluídas
Mudanças na estrutura primária
1. Destruição de aminoácidos
 entre proteínas
2. Gly e Ala
3. Cys, His, Met, Phe, Tyr, Trp estão entre os mais
radiosensíveis
4. Formação de grupos carbonilas a partir de quebras da
ligação C - N
5. Formação de fragmentos de PM
formação de agregados
Por exemplo: crosslink s
poli ala
poli phe
Mudanças na estrutura secundária
1. Desestabilização das pontes de H
2. Agregação
Por exemplo:
% amino grupos
de Lys ñ nativos
40
g globulina
30
BSA
20
10
10
1. Estrutura quaternária
2. Dissociação de subunidade
50
Dose x 10-6 rad
elétrons de Z MeV
Ocorre, em seguida, uma reação em cadeia que pode ser
interrompida de duas maneiras
H
OH
+ H2O2
+ H2
OH
H
+ H2O
+ H 2O
Que termina
OH
+ H
H2O
ou
OH + H2O2
HO2 + H
HO2
H2O2
+
H2O
Do ponto de vista de rendimento, quando a radiação
atinge moléculas de água, temos:
28% de ionização
26% de excitação
47% de superexitação
H2O
exitação
H2O
H
+ OH
H2O+ + e-
H2O
ionização
H+ + OH
e-
+ H2O
+ H+
+H2O
H2O + H2O
H2OH
e-aq
H2O-
H + OH-
H
+ OH-
EFEITO DA RADIAÇÃO
ULTRAVIOLETA - UV
Efeito da radiação UV
A) Absorção
UV causa como efeio biológico excitação de parte das
macromoléculas. O primeiro passo é a absorção de
QUANTA - um processo que ocorre ao acaso
QUANTA: São pulsos de energia que para uma dada
frequência  de luz que tem a mesma energia
definida como
E = h
h = cte. de Plank = 6,63 x 10-34 J. seg
1 eV = 1,6 x 10-19 Jaule
A absorção ocorre ao acaso e segue a equação:
I/I0 = e-nsl
I = Intensidade transmitida
I0 = Intensidade incidente
n = número de partículas absorventes/cm3
l = comprimento do trajeto da amostra em cm
s = cte. que depende da natureza das partículas e
comprimento de onda da radiação
B) Rendimento quântico
A probabilidade da UV provocar uma alteração
mensurável é pequena porque a energia pode ser
dissipada como fluorescência ou calor.
Esta probabilidade é chamada rendimento quântico ,
que é o número de partículas danificadas pelo número
QUANTA absorvido.
 é da ordem de 10-2 ou menos para macromoléculas
biológicas
C) Radiação Monocromática
Usando-se prismas que filtram a luz UV, obtém-se bandas
da ordem de 20 A com intensidade suficiente para produzir
efeitos biológicos.
D) Curva Dose-Efeito
A inativação de enzimas obedece a equação:
N/N0 = e- D
Onde: D = dose em QUANTA/cm2
 = é a sensitividade que varia com o comprimento
de onda
Se D = 1
N/N0 = 1/2 = 37%
Dose = 37%
CURVAS DE INATIVAÇÃO
100
100
10
10
1
% sobrevida
% sobrevida
A) Inativação de gramicidin
(11 a a )
2967 A
2650 A
1
2375 A
2650 A
2805 A
30
60
0,01
QUANTA / cm2 x 10-21
2537 A
0,02
0,03
QUANTA / cm2 x 10-21
C) Inativação de DNA de
haemophilus influenzae
D) Inativação de Hema glutinina
de vírus influenzae
100
10
% sobrevida
100
% sobrevida
B) Inativação de
Bacteriófago T2
2967 A
1
2400 A
10
3023 A
1
2303 A
2652 A
2650 A
4
QUANTA /
8
cm2
x
10-21
10
QUANTA /
cm2
x
10-21
20
AÇÃO EM PEOTEÍNAS E SEUS CONSTITUINTES
Pode ocorrer
- Rompimento de ponte C - C
- Desaminação
- Oxidação para formar carboxil ou ceto grupos
- Transferência de amino grupos
Phe, Tyr, Trp e cistina são os mais sensíveis. Deles, cistina
é o mais sensível
 para produzir cisteína é 0,2; para formar NH3, H2S é 0,04
e 0,02 respectivamente
 para produzir NH3 a partir de Phe, Tyr e Trp é 0,002
 para destruição de cistina é 0,13; 10 vezes maior que
para os aa aromáticos
INATIVAÇÃO DE ENZIMAS E A.A.
Os QUANTA absorvidos pela cistina são os maiores
responsáveis pela inativação por causa do rompimento das
pontes S - S.
0,03
L
R
I
T

0,02
CHT
D
TD
CH
0,01
C
A
P
% 1/2 cistina
I - insulina
R - RNAase
L - lisizima
CH - quimiotripsina
P - pepsina
TD - triposfato desidrogenase
A - aldolase
D - DNAase
C - catalase
G - gramicidin
CHT - quimiotripsinogênio
 medido em água ou com proteína seca dá resultados
semelhantes  solvente parece não ser importante.
RNAase dá mesmo  para 95% etanol ou 100% H2O.
Comprimento de onda é importante para algumas enzimas.
pH: não parece ser importante - lisozima tem mesmo  a pH
3-12.
T
menor sensibilidade das proteínas
O2
não afeta
Conc. da proteína
não afeta