Introdução à Bioquímica

Introdução à Bioquímica

1. Introdução à bioquímica

A bioquímica estuda as estruturas moleculares, os mecanismos e os processos químicos responsáveis pela vida. Os organismos vivos continuamente efetuam atividades funcionais que permitem a sua sobrevivência, crescimento e reprodução. Para realizar as suas funções, os seres vivos dependem da capacidade de obter, transformar, armazenar e utilizar energia. Sem energia eles perdem a vitalidade e morrem. A maioria dos constituintes moleculares apresenta formas tridimensionais que executam milhões de reações químicas entre si para manter e perpetuar a vida. Em bioquímica, a estrutura, a organização e as atividades potenciais dessas moléculas são examinadas na tentativa de elucidar que aspectos promovem as indispensáveis contribuições à manutenção da vida.

Os organismos vivos são estruturalmente complexos e diversificados. Todavia, muitas características são comuns a todos eles. Todos fazem uso das mesmas espécies de moléculas complexas e extraem a energia do meio ambiente para as suas funções. Quando as moléculas que compõem os seres vivos são isoladas, estão sujeitas a todas as leis da química e da física que regem o universo não vivo.

Apesar da grande diversidade dos processos bioquímicos que envolvem a integração funcional de milhões de moléculas para manter e perpetuar a vida, a ordem biológica é conservada pelos seguintes processos: (1) síntese de biomoléculas, (2) transporte de íons e moléculas através das membranas, (3) produção de energia e movimento e (4) remoção de produtos metabólicos de excreção e substâncias tóxicas.

Os processos dos seres vivos consistem de reações químicas catalisadas por enzimas. As reações celulares, conhecidas coletivamente como metabolismo, resultam de atividades altamente coordenadas. Os tipos mais comuns de reações encontradas nos processos bioquímicos são: (1) substituição nucleófila, (2) eliminação, (3) adição, (4) isomerização e (5) oxidação e redução.

    1. Células: a unidade básica da vida

As células são as unidades estruturais e funcionais de todos os organismos vivos. Elas diferem amplamente em suas estruturas e funções, mas todas são circundadas por uma membrana que controla o transporte de algumas substâncias químicas para dentro e para fora da célula.

As células são classificadas de acordo com seu tamanho e complexidade em uma das duas categorias: procarióticas e eucarióticas.

  • Procarióticas (do grego pro, antes); onde o material genético não está delimitado em um envelope nuclear. As procarióticas incluem bactérias e cianobactérias São organismos unicelulares que podem existir em associação, formando colônias de células independentes. Não apresentam estrutura intracelular (citoesqueleto). A sua estrutura é mantida pela parede celular. São subdivididas em três grupos distintos morfologicamente:

    • Bactérias: microrganismos confinados por uma rígida parede celular.

    • Micoplasma: organismo pleomórfico sem parede celular.

    • Cianobactérias: são capazes de utilizar a energia eletromagnética do sol, pois são dotadas de um aparelho membranoso fotossintético.

  • Eucarióticas (do grego eu, “verdadeiro”, e karyon, “núcleo”); onde o material genético está organizado em cromossomos e está contido dentro de um envelope nuclear. São organismos complexos e podem ser unicelulares ou multicelulares. As células eucarióticas possuem várias organelas limitadas por membranas no seu citoplasma, tais como, lisossomos, peroxissomos, mitocôndrias, retículo endoplasmático e aparelho de Golgi. Os organismos eucarióticos são:

    • Unicelulares, ex.: levedo e protozoários (Paramecium).

    • Multicelulares que formam tecidos, ex.: animais e plantas.

CÉLULA PROCARIÓTICA

CÉLULA EUCARIÓTICA - Animal

CÉLULA EUCARIÓTICA - Vegetal

1. Envoltório Nuclear

2. Cromossomo

3. Nucléolo

4. Divisão Celular

5. Citoplasma

6. Organelas

7. Organização Celular

Ausente

Único

Ausente

Cromossomos separados por ligação à MP

Sem Citoesqueleto

Nenhuma

Principalmente Unicelular

Presente

Múltiplos

Presente

Cromossomos separados por Microtúbulos

Citoesqueleto

Várias

Principalmente Multicelular

Os seres vivos são formados por uma grande variedade de moléculas, tais como: carboidratos, lipídeos, proteínas, ácidos nucléicos e compostos relacionados. Além destas, outras substâncias estão presentes em pequenas quantidades: vitaminas, sais minerais, hormônios etc. A maioria destes compostos se caracterizam por um ou mais grupos ácidos ou básicos em cada molécula e ocorrem em solução aquosa como espécies ionizadas. A ionização tem lugar em água, sendo este um pré-requisito para muitas reações bioquímicas. O grau de dissociação ou a extensão da ionização de um grupo químico em particular e, portanto, a reatividade bioquímica da molécula, são amplamente influenciadas pela concentração do íon hidrogênio da solução. Isto é aplicável tanto para as vias metabólicas, como também para os catalisadores biológicos (enzimas), que controlam as reações celulares.

    1. Água: o meio da vida

A água compõe a maior parte da massa corporal do ser humano. É o solvente biológico ideal. A capacidade solvente inclui íons (ex.: Na+ , K+ e Cl- ), açúcares e muitos aminoácidos. Sua incapacidade para dissolver algumas substâncias como lipídios e alguns aminoácidos, permite a formação de estruturas supramoleculares (ex.: membranas) e numerosos processos bioquímicos (ex.: dobramento protéico). Nela estão dissolvidos ou suspensos os compostos e partículas necessários para o bom funcionamento celular. Reagentes e produtos de reações metabólicas, nutrientes, assim como produtos de descarte, dependem da água para o transporte dentro e entre as células.

A seleção da água como o solvente das reações bioquímicas, está relacionada às propriedades físicas e químicas da mesma, que são bastante distintas em relação a outros solventes. Quando comparado ao etanol, a água apresenta as seguintes diferenças em algumas de suas propriedades:

  • Ponto de fusão: água, 0°C etanol; –117 °C

  • Ponto de ebulição: água, 100 °C; etanol, 78°C

  • Calor de vaporização (quantidade de energia calórica necessária para alterar 1 g de solvente do estado líquido para o estado gasoso). O valor para a água é 2260 Jg-1 comparado com 854 Jg-1 para o etanol. O calor de vaporização é uma medida direta da energia necessária para superar as forças de atração entre moléculas na fase líquida.

  • Constante dielétrica (capacidade de armazenar energia potencial elétrica em um campo elétrico). O valor para a água: 78,5; para o etanol, 24,3.

Os valores mais elevados de algumas propriedades da água em relação ao etanol devem-se às atrações entre as moléculas de água adjacentes.

Figura 1-1: A molécula da água possui polaridade devido à diferença de carga entre os átomos de hidrogênio e o de oxigênio que, por ser mais eletronegativo, favorece a criação de uma nuvem eletrônica em torno de seu núcleo, induzindo a uma carga formal positiva para os átomos de hidrogênio. Esta polaridade permite o surgimento de pontes de hidrogênio o que torna a água um soluto perfeito para a maioria das biomoléculas. (Adaptado de Lehninger, A.L et al., 1995).

    1. Biomoléculas

Os organismos vivos são compostos por milhares de moléculas inorgânicas e orgânicas diferentes. Contêm cerca de 27 elementos químicos. O número real depende do tipo de célula e a espécie de organismo. Acima de 99% da massa da maioria das células, são compostos por oito elementos denominados elementos principais. Os outros constituintes são elementos secundários (Tabela 1.6). A grande maioria dos constituintes moleculares dos sistemas vivos contém carbonos unidos covalentemente a outros carbonos e a átomos de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio.

Carbono

O carbono (número atômico 6, peso atômico 12) é um átomo pequeno que tem quatro elétrons em seu orbital eletrônico externo que permite participar no compartilhamento com outros quatro átomos. Os elétrons externos do carbono estão arranjados ao redor do núcleo como um tetraedro, uma pirâmide com faces triangulares.

Uma das mais importantes propriedades do átomo de carbono é sua capacidade em formar ligações covalentes com outros átomos de carbono para formar cadeias ou anéis que são a base das macromoléculas. A formação de ligações necessita energia, exemplo: a ligação C-H requer 414 kJ/mol ; a ligação C-C 343 kJ/mol ; a ligação C-O 351 kJ/mol ; a ligação C=C 615 kJ/mol e a ligação C=O 686 kJ/mol.

Os átomos de carbono quando ligados um ao outro por ligações simples tem a capacidade girar livremente a menos que estejam restritos por grupos muito grandes ou cargas elétricas. A rotação permite a uma molécula orgânica assumir diferentes formas chamadas conformações. As ligações duplas carbono- carbono:

  • São mais curtas que as ligações simples.

  • Apresentam rotação limitada.

  • São mais rígidas, (importante em grandes moléculas).

  • Variam o ângulo entre dois elétrons, afetando a conformação da molécula. Isto tem um grande impacto sobre a atividade biológica da molécula, que muitas vezes envolve uma interação dependente da conformação de outras moléculas.

As cadeias e anéis podem apresentar diferentes arranjos em suas ligações que se alternam dando origem a um sistema de ligação conjugada. Os elétrons da ligação movem-se no interior da molécula aumentando a estabilidade da estrutura. Esse fenômeno é chamado estabilização por ressonância e a estrutura é constantemente alternada entre as duas formas.

As moléculas biologicamente ativas são provenientes da capacidade do carbono ligar covalentemente o nitrogênio, hidrogênio, oxigênio e enxofre. Simplificadamente considera-se as moléculas biológicas como esqueletos de átomos de carbono ligados covalentemente entre si para formar cadeias longas, ramificadas ou lineares ou, ainda, anéis de hidrocarbonetos. Os átomos de hidrogênio que estão ligados aos átomos de carbono podem ser substituídos por N, O e S para formar uma grande variedade de grupos funcionais, tais como: amino, aldeídos, álcoois e sulfidrila. Isso resulta em uma grande gama de compostos químicos com diferentes grupos funcionais encontrados nas moléculas biológicas. Os grupos funcionais podem alterar a distribuição dos elétrons e ângulos da ligação e contribuem consideravelmente para a reatividade química. As moléculas biológicas muitas vezes contêm mais que um grupo funcional e são denominadas polifuncionais. Por exemplo, os aminoácidos contêm grupos aminos e grupos carboxílicos que determinam as propriedades químicas dos aminoácidos.

Macromoléculas

As macromoléculas são construídas pela união química de precursores relativamente simples (subunidades monoméricas) para formar polímeros de unidades repetidas. Todos os organismos vivos têm os mesmos tipos de subunidades monoméricas que além da formação de macromoléculas exercem, também, várias funções biológicas. As ligações específicas para cada tipo de macromolécula, são formadas por reações de condensação com perda de água, em processos que requerem o fornecimento de energia.

O tamanho das moléculas são comparados em relação a sua massa molecular. A unidade de massa empregada é o Dalton (Da) ou quilodalton (1000 Da ou 1 kDa) onde 1 Da é igual ao peso de um átomo de hidrogênio, i.e. 1,66 x 10-24g. As quatro principais classes de moléculas biológicas são:

  1. Proteínas: são formadas por longos polímeros de aminoácidos; apresentam elevada massa molecular que variam de centenas a milhões de daltons. Exercem muitos papéis, tais como, enzimas, estruturais, transporte, hormônios, regulação gênica, proteção e toxinas.

  1. Carboidratos: são polímeros de açúcares simples, como a glicose, com massas moleculares semelhantes a das proteínas. Armazenam energia e também são elementos estruturais extracelulares.

  1. Lipídeos: são formados por moléculas relativamente pequenas (ao redor de 300-1500 Da) que podem se associar para constituir grandes moléculas que servem, principalmente, como componentes estruturais das membranas, como forma de armazenaento de energia e em outras funções (hormônios esteróides, vitaminas, proteção, material isolante).

  1. Ácidos nucléicos: são polímeros dos nucleotídeos; constituem o DNA e o RNA que armazenam, transmitem e transcrevem a informação genética. São componentes organelas celulares.

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