Introdução a bioquimica

Introdução a bioquimica

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Introdução à bioquímica

Capítulo 1

1 Introdução à bioquímica

Objetivos

1. Diferenciar entre as células procarióticas e eucarióticas

2. Relacionar a importância da água a suas propriedades físicas e químicas.

3. Definir os termos pH, pK, o conceito de tampão e seu significado biológico.

4. Descrever as propriedades biologicamente importantes do carbono. 5. Descrever a estrutura tridimensional das moléculas biológicas. 6. Descrever as macromoléculas como polímeros de pequenas moléculas.

7. Descrever as moléculas híbridas como conjugados de diferentes classes de moléculas biológicas.

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 apresentam 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

2 • Motta • Bioquímica 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.

1.1 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

Célula

A palavra célula foi introduzida na biologia em 1665 por Robert Hooke em sua coleção de desenhos microscópicos, chamados Micrographia, que inclui uma fina fatia de cortiça. Ele registrou a estrutura de favos vazios da cortiça e denominou os compartimentos de células em analogia a cela de uma prisão ou mosteiro. O termo, atualmente, não é empregado para descrever o compartimento vazio mas o conteúdo vivo existente entre estas paredes celulares. Hoje, a célula pode ser definida como a mais simples unidade integrada nos sistemas vivos capazes de sobreviver independentemente.

No início do século 19, as células foram reconhecidas como formas vivas e como pertencentes a organismos multicelulares mais complexos. Em 1839, Theodor Schwann, um zoologista, publicou o Mikroskopische Untersuchungen, que contém figuras desenhadas por Mathias Schleiden, um botânico, que registrou semelhanças entre as células vegetais e animais. Vinte anos após, Rudolf Virchow anunciou ‘omnis cellula et cellula’, i.e. todas as células são provenientes de outras células.

1 Introdução à Bioquímica • 3 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 (Quadro 1.1). Os organismos eucarióticos são:

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

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

Quadro 1.1. Resumo das organelas e de suas funções Organela Função

Núcleo Envolvido com uma membrana nuclear.

Localização do DNA e proteínas (histonas); sítio da síntese da maior parte do DNA e do RNA.

Mitocôndria Corpos separados constituídos por membranas altamente convolutas. Sítio de reações de oxidação produtoras de energia; possui o seu próprio DNA. Parte do sistema sintético: biossíntese e metabolismo energético.

Retículo endoplasmático

Membrana citoplasmática contínua com as membranas nuclear e plasmática; parte rugosa apresenta com ribossomos ligados

Complexo de Golgi Série de membranas achatadas; envolvido na secreção de proteínas pela célula e em reações que ligam açúcares e outros componentes celulares.

Lisossomos Vesículas envolvidas por membranas contendo vários tipos de enzimas hidrolíticas. Parte do sistema sintético (digestivo); hidrólise do material estranho, lise de células mortas.

Peroxissomos Vesículas que contêm enzimas envolvidas no metabolismo do peróxido de hidrogênio.

Ribossomos Compostos de partículas nucleoprotéicas

(RNA e proteínas). Sítios da síntese protéica.

Membrana plasmática É uma camada semipermeável contínua ao redor do citoplasma que separa o seu conteúdo da circunvizinhança. Contêm transportadores e receptores. Regula a troca com o meio.

Os seres vivos são formados por uma grande variedade de moléculas, tais como: carboidratos, lipídeos, proteínas, ácidos

4 • Motta • Bioquímica 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.

1.2 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:

• 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.

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

A. Estrutura da água

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