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Bioquímica

 

 

Bioquímica, por vezes, chamado de Química Biológica, é o estudo dos produtos químicos e processos dentro relativa a vivem organismos.

Ao controlar o fluxo de informação através de sinais bioquímicos e o fluxo de energia química, através do metabolismo, processos bioquímicos dá origem à complexidade da vida.

Ao longo dos últimos 40 anos, a bioquímica se tornou tão bem sucedida em explicar os processos vivos que agora quase todas as áreas das ciências da vida a partir de botânica para medicina estão engajados na pesquisa bioquímica.

Hoje, o foco principal da bioquímica pura é na compreensão de como as moléculas biológicas podem dar origem a processos que ocorrem dentro vivas células, o que por sua vez, refere-se em grande medida para o estudo e a compreensão dos organismos inteiros.

A Bioquímica está intimamente relacionada com a biologia molecular, o estudo dos mecanismos moleculares pelos quais as informações genética codificadas no ADN é capaz de resultar em processos de vida. Dependendo da definição exata dos termos usados, a biologia molecular pode ser considerada como um ramo da bioquímica. A bioquímica é uma ferramenta para investigar e estudar a biologia molecular.

Grande parte bioquímica lida com as estruturas, funções e interações biológicas de macromoléculas, como proteínas, ácidos nucléicos, carboidratos e lipídios, que proporcionam a estrutura das células e executam muitas das funções associadas à vida.

A química da célula também depende das reações de pequenas moléculas e iões. Estes podem ser inorgânico, por exemplo, água e metais iões, ou orgânico, por exemplo, os aminoácidos que são utilizados para sintetizar proteínas.

Os mecanismos pelos quais as células aproveitam a energia do seu ambiente por meio de reações químicas são conhecidos como o metabolismo.

As descobertas da bioquímica são aplicados principalmente em: medicina, nutrição e agricultura.

Na medicina, bioquímicos investigam as causas e curas de doenças.
Em nutrição, eles estudam como manter a saúde e estudar os efeitos de deficiências nutricionais.
Na agricultura, os bioquímicos investigar solo e fertilizantes, e tentam descobrir maneiras de melhorar o cultivo, armazenamento de culturas e controle de pragas.

Bioquímica Celular

As estruturas químicas da célula são divididas em dois grandes grupos: substâncias inorgânicas (água e sais minerais) e substâncias orgânicas (vitaminas, carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucléicos).

Substâncias inorgânicas

Água

A água é considerada o solvente universal, pois tem grande força de adesão, ou seja, a união de moléculas polares. As substâncias que se dissolvem na água são chamadas de hidrofílicas e as que não dissolvem são chamadas hidrofóbicas.

A água participa da maioria das reações químicas e essa reação pode ser feita de duas maneiras:

Reações de síntese por desidratação: quando na união há a liberação de uma molécula de água.
Reações de hidrólise:
a molécula é quebrada em duas e nesse processo há a entrada de molécula de água.

Sais minerais

Como já diz o nome são os sais extraídos de minérios, eles têm função esquelética ou estrutural. São dissolvidos em água e são fundamentais ao metabolismo celular.

Substâncias orgânicas

Vitaminas

As vitaminas são substancias orgânicas essenciais para o metabolismo das células.

Quimicamente podemos dizer que as vitaminas são dissolvidas em dois tipos de substâncias: existem as vitaminas hidrossolúveis (B¹² e C), que dissolvem em água, e as lipossolúveis (D e E), que são dissolvidas em lipídios.

Carboidratos

Os carboidratos tambem chamados de glicídios, de hidratos de carbono ou açucares são divididos em três grupos:

1. Monossacarídeos: são os carboidratos mais simples, sua forma geral é composta da seguinte maneira: (CH2O) n. Por isso são chamados de hidratos de carbono, tem água e carbono em sua fórmula.

De acordo com o valor de N de cada monossacarídeo recebe um nome específico: triose, tetrose, pentose, hexose. Dentre as principais pentoses existentes destacam a ribose e desoxirribose que participam da síntese dos ácidos nucléicos. Dentre as hexoses destacam a frutose e a glicose importantes fontes de energia.

2. Dissacarídeos: é a união de dois monossacarídeos, um exemplo é a sacarose, a união da glicose com a frutose. Nessa reação de união ocorre a síntese por desidratação, onde a liberação de uma molécula de água. Inversamente, para quebrar uma molécula de dissacarídeo devemos utilizar a quebra pó hidrolise, entrada de uma molécula de água em uma substancia. É importante lembrar que para o corpo utilizar a fonte de energia de um dissacarídeo, ele tem que quebrar suas moléculas por meio da hidrolise. São solúveis em água.

3. Polissacarídeos: são formados por varias moléculas de monossacarídeos, formando imensas cadeias de energia. Eles são insolúveis à água e assim são extremamente importantes para o metabolismo do organismo, pois servem com fonte de energia fixa e também de componentes estruturais das células.

Lipídios

Abrangem uma grande variedade de funções e se caracterizam por serem insolúveis em água.

Observe os seguintes grupos de lipídios:

1. Carotenóides: são aqueles que atuam como pigmentos acessórios nas plantas no momento da fotossíntese.

Existem dois grupos de carotenóides: o caroteno e as xantofilas. Existem ainda aqueles que atuam na alimentação humana e tem função de renovar as células da pele e de evitar a cegueira.

2. Triglicerídeos: são representados pelos óleos e pelas gorduras e formados pela união de três moléculas de acido graxo com glicerol. Sua decomposição é feita por hidrolise, onde há a separação dos ácidos graxos. Os óleos são encontrados em plantas e raramente em animais. Já as gorduras são encontradas facilmente em animais, acumulando em células adiposas tendo função de reserva energética e proteção com a perda de calor.

Os ácidos graxos são divididos em dois grupos:

Saturados: formam a gordura animal e fica armazenada nas células
Insaturados:
formam os óleos presentes nas plantas Alguns ácidos graxos são considerados essenciais, pois não há a produção dele no organismo, sendo assim que devemos obtê-lo por meio da alimentação.

3. Fosfolipídios: são formados por duas moléculas de acido graxo contendo fosfato e uma molécula de glicerol. Um grande exemplo desse subgrupo é a membrana plasmática que é formada por duas camadas de fosfolipídios com proteínas imersas, o que é chamada de camada lipoprotéica. Uma característica exclusiva é que metade da substancia é solúvel a água (hidrofílica) e outra metade não é solúvel a água (hidrofóbica). Essa camada da membrana plasmática tem uma particularidade, as suas dimensões são fluidas, ou seja, permitem a passagem de substancias e depois ela é fechada como se fosse uma porta.

4. Cerídeos: são as ceras em geral. Têm a importância de impermeabilização da superfície de frutos, folhas com o objetivo de evitar a perda de água.
5. Esteróides:
são os lipídios relativamente complexos, destacando o colesterol abundante nos tecidos animais. Ele tem varias funções dentro do organismo e em quantidade normal faz bem a saúde, mas em excesso pode trazer prejuízos e acarretar doenças. Nas plantas e fungos não existe o colesterol e sim outros esteróides com a mesma função.

Proteínas

São macromoléculas formadas basicamente de aminoácidos. Esses têm em resumo, moléculas de carbono, nitrogênio, oxigênio e hidrogênio. As proteínas têm diversas funções dentro do organismo e em geral podemos dizer que elas têm função energética e estrutural. Exemplos de proteínas são as enzimas, responsável pela aceleração das reações químicas, os anticorpos, responsáveis pela defesa do organismo, a insulina, a albumina, a queratina, o colágeno, entre outras.

Podem ser classificadas em simples e conjugadas, onde a única diferença entre as duas é que a simples é composta por apenas um aminoácido e a conjugada tem outros componentes como é o caso da hemoglobina que tem moléculas de ferro em sua estrutura.

Aminoácidos: como o nome já diz, os aminoácidos possuem dois grupos em sua estrutura química: o grupo amina (NH2) e o grupo ácido (COOH). Esse grupamento está ligado ao mesmo carbono que está ligado com o hidrogênio e um radical que varia de aminoácido para aminoácido. As células vegetais sintetizam todos os vinte aminoácidos necessários à sobrevivência, já os animais não sintetizam precisando assim ingeri-los por meio da alimentação. Desse modo obtemos o seguinte conceito: os aminoácidos presentes naturalmente no organismo são chamados de naturais e os que precisamos ingerir são chamados de essenciais.

Ligação peptídica: é a ligação que une aminoácidos, caracterizada pela junção do grupo amina de uma, aminoácido com o grupo carboxila (acido) de outro aminoácido. Essas ligações podem ser quebradas por meio de hidrolise voltando as moléculas ao estado inicial. Dois aminoácidos em uma ligação são chamados de dipeptideo, já a ligação com vários aminoácidos é chamada de polipeptídio, como é o caso da albumina, do ovo e a hemoglobina do sangue.

Estrutura da proteína: proteínas são colocadas de diversas formas e segundos elas, determinam as funções e também a sua forma geométrica. Uma proteína em que se parece com um fio esticado esta em sua forma primária e assim as mesmas proteínas com os dobramentos vão caracterizando as estruturas secundaria, terciária e quartenária. Fica evidente a percepção quando uma proteína muda sua função quando se muda sua forma, onde mudando uma substancia na hemoglobina, ela prejudica seu funcionamento podendo até ser letal ao ser. Esse processo de mudança da forma da proteína pode ocorrer por desnaturação podendo até ser irreversível.

Enzimas

Em geral, as reações químicas dentro do organismo são muito lentas e nem sempre ideal para a sobrevivência do ser. A solução para esse grande problema seria o aumento da temperatura, mas não seria ideal porque assim as proteínas seria tambem desnaturadas. Portanto nos organismos existem proteínas extremamentes importantes para o metabolismo em que aumentam a velocidade das reações químicas dentro do organismo sem elevar a temperatura, além disso, são partículas intactas, em que ao exercerem a sua função continuam da mesma forma. Outra característica das enzimas é que elas são muito especificas e que prevalece a teoria da chave-fechadura onde as enzimas têm o formato ideal que encaixa perfeitamente no substrato em se quer fazer à reação. Um dos fatores que influenciam diretamente na atividade das enzimas é o pH ou índice de acidez do organismo, em que se esse não for favorável ao desenvolvimento da enzima ela pode se tornar inativa.

Ácidos nucléicos

Basicamente existem dois tipos de ácidos nucléicos: o acido desoxirribonucléico (DNA) e o acido ribonucléico (RNA). O DNA é o principal constituinte dos cromossomos e o RNA é o responsável pela síntese das proteínas.

Tanto o DNA quanto o RNA são formados por nucleotídeos e cada uma dessas moléculas é formada por: fosfato, açúcar (RNA ou DNA) e base nitrogenada.

As bases nitrogenadas podem ser:

Púricas: adenina e guanina
Pirimídicas:
timina, citosina e uracila.

Raphael Gonçalves Nicésio

Fonte: biomedicinabrasil.com.br

Bioquímica

O que é Bioquimica?

A bioquímica é uma ciência que estuda principalmente a química dos processos biológicos que ocorrem em todos os seres vivos. Os bioquímicos utilizam ferramentas e conceitos da química, particularmente da química orgânica e físico-química, para a elucidação do sistema vivo. É frequentemente confundida com a biologia molecular, a genética e a biofísica, que são áreas de estudo profundamente relacionadas com a bioquímica mas distintas entre si. A bioquímica é voltada principalmente para o estudo da estrutura e função de componentes celulares como proteínas, carboidratos, lipídios, ácidos nucléicos e outras biomoléculas.

Recentemente a bioquímica tem se focalizado mais especificamente na química das reações enzimáticas e nas propriedades das proteínas.A bioquímica é a única ciência por si só que nasceu no século XX.

Métodos de estudo

Um dos métodos de estudo mais empregues em Bioquímica é a aproximação reducionista a um problema. É usual fazer-se a purificação de componentes dos sistemas vivos, como proteínas, para estudar as suas propriedades de forma isolada.

Esta aproximação é muito útil para o conhecimento profundo de aspectos estruturais e funcionais dos componentes dos sistemas vivos, mas tem a desvantagem de impedir o estudo de interações que ocorram in vivo: numa célula, nenhum componente se encontra isolado. Por isso, também existem métodos de estudo holísticos, que tentam determinar as propriedades de um sistema como um todo; um exemplo é o estudo do comportamento de vias metabólicas inteiras, em vez de estudar cada enzima que delas fazem parte.

A Bioquímica é uma ciência essencialmente experimental, mas com o desenvolvimento de mais e melhores ferramentas computacionais e matemáticas, existe também uma grande área de investigação bioinformática associada. Algumas das aplicações mais populares incluem a previsão de interação entre proteínas, a modelação da sua estrutura tridimensional, a comparação de sequências proteicas e nucleotídicas e a aplicação de modelos estatísticos a amostras reais.

Fonte: analiseceat.com.br

Bioquímica

Bioquímica
Bioquímica

A bioquímica é uma ciência que estuda principalmente a química dos processos biológicos que ocorrem em todos os seres vivos.

Os bioquímicos utilizam ferramentas e conceitos da química, particularmente da química orgânica e físico-química, para a elucidação do sistema vivo. É frequentemente confundida com a biologia molecular, a genética e a biofísica, que são áreas de estudo profundamente relacionadas com a bioquímica mas distintas entre si.

A bioquímica é voltada principalmente para o estudo da estrutura e função de componentes celulares como proteínas, carboidratos, lipídios, ácidos nucléicos e outras biomoléculas. Recentemente a bioquímica tem se focalizado mais especificamente na química das reações enzimáticas e nas propriedades das proteínas.A bioquímica é uma ciência que estuda principalmente a química dos processos biológicos que ocorrem em todos os seres vivos.

Os bioquímicos utilizam ferramentas e conceitos da química, particularmente da química orgânica e físico-química, para a elucidação do sistema vivo. É frequentemente confundida com a biologia molecular, a genética e a biofísica, que são áreas de estudo profundamente relacionadas com a bioquímica mas distintas entre si.

A bioquímica é voltada principalmente para o estudo da estrutura e função de componentes celulares como proteínas, carboidratos, lipídios, ácidos nucléicos e outras biomoléculas. Recentemente a bioquímica tem se focalizado mais especificamente na química das reações enzimáticas e nas propriedades das proteínas.A bioquímica é uma ciência que estuda principalmente a química dos processos biológicos que ocorrem em todos os seres vivos.

Os bioquímicos utilizam ferramentas e conceitos da química, particularmente da química orgânica e físico-química, para a elucidação do sistema vivo. É frequentemente confundida com a biologia molecular, a genética e a biofísica, que são áreas de estudo profundamente relacionadas com a bioquímica mas distintas entre si.

Fonte: www.trabalhosfeitos.com

Bioquímica

1 DEFINIÇÃO, CONTEXTO HISTÓRICO E IMPORTÂNCIA DA BIOQUÍMICA

Muitos dos avanços verificados nas ciências biológicas e nas ciências derivadas, tais como a farmacologia, a engenharia genética e a medicina, tornaram-se possíveis graças à abordagem química (ou molecular) que tem sido dada ao estudo de tais ciências. Depois dos trabalhos de Lavoisier, que levaram à descoberta da Lei da Conservação das Massas e ao fim da teoria do Flogisto, e a partir da observação de Friedrich Wöhler (a da síntese da uréia a partir de substâncias inorgânicas), que mostrou ser possível sintetizar substâncias naturais em laboratório, a despeito do que acreditavam os defensores do Vitalismo, a Química emergiu como ciência, perdendo as últimas amarras que a prendiam ao misticismo medieval, e a Química Orgânica experimentou um grande avanço. Com as descobertas sobre a natureza íntima da matéria que ocorreram graças ao advento da Física Quântica, a Química progrediu de tal maneira que, no tempo presente, já é possível planejar e fabricar fármacos mais eficientes e com maior grau de especificidade, usando-se programas de computador (química computacional), produzir alimentos ricos em determinado nutriente (biotecnologia) e criar ou recriar organismos vivos através da engenharia genética, desde aqueles com fins medicinais até os agentes de destruição em massa, usados em guerras e atentados terroristas; e é possível atribuir grande parte do mérito desse progresso (ou regresso, em se tratando das guerras biológicas) ao conhecimento, cada vez maior, que se tem das bases moleculares sobre as quais assenta o estudo dos seres vivos. A Química Orgânica já foi considerada o ramo da ciência Química que se ocupa do estudo das substâncias naturais, aquelas que só podiam ser produzidas por organismos vivos (crença à qual se denominou Vitalismo ou Teoria da Força Vital). Na atualidade, é considerada a área da Química que estuda as moléculas cujas estruturas têm como unidade básica o átomo de carbono, tanto aquelas de origem biológica (produzidas por organismos vivos) como as de origem sintética (produzidas em laboratório).

As substâncias biológicas, ou biomoléculas, também denominadas metabólitos, podem ser divididas em duas classes de compostos: os metabólitos primários e os metabólitos secundários. Estes últimos são estudados pela Química de Produtos Naturais, uma divisão da Química Orgânica, e são fabricados pelos organismos vivos com os mais variados fins, tais como sinalizadores químicos, defesa contra predadores etc. Podem ser consideradas substâncias especializadas e não formam a base do metabolismo de todo organismo vivo. Os metabólitos primários, que incluem os açúcares (carboidratos), lipídios (óleos e gorduras), aminoácidos, peptídeos, proteínas e ácidos nucléicos (DNA e RNA), são estudados pela Bioquímica. Essas substâncias são a base de todo organismo vivo e não há nenhuma célula que exista viva sem a presença de qualquer um deles. Os metabólitos secundários e principalmente os primários, juntamente com os processos químicos (metabolismo) que levam à sua formação e transformações, constituem a base química da vida. Conhecer quais são, saber de que são constituídas, entender como são formadas e transformadas as biomoléculas, os “tijolos da vida”, permitirá ao biólogo compreender o funcionamento dos organismos vivos e seus processos metabólicos, o que lhe fornecerá subsídios para atuar mais eficazmente na busca de soluções para os problemas envolvendo a produção e manutenção da vida, a restituição e garantia da saúde e a geração de riqueza. A Bioquímica pode ser definida como a ciência que estuda os metabólitos primários e os processos pelos quais estes metabólitos são sintetizados e degradados, com o fim de explicar a forma e a função biológica a partir do ponto de vista da química.

2 CARACTERÍSTICAS GERAIS DA VIDA

2.1 O surgimento e a diversificação da vida

De acordo com a teoria mais difundida entre biólogos e cientistas em geral, a vida teria surgido na Terra há aproximadamente quatro bilhões de anos atrás, na forma de microorganismos simples mas capazes de extrair energia de compostos orgânicos ou da luz solar, os quais eles usavam para construir uma vasta variedade de biomoléculas complexas a partir dos elementos e compostos simples existentes na superfície e atmosfera terrestres. Estes microorganismos teriam evoluído e dado origem à grande variedade de seres vivos que conhecemos, incluindo os humanos, sistemas biológicos multicelulares muito complexos e organizados, formados por células morfológico e fisiologicamente distintas, com as mais diversas especializações e perfeitamente coordenadas.

2.2 Características comuns aos organismos vivos

O que é a vida? O que vai me permitir distinguir um pedaço de madeira morta de um organismo com vida?

Um pedaço de madeira tem átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio e vários outros componentes que também podem ser encontrados no corpo de um cachorro que abana o rabo, late e come ração, ou no corpo de uma galinha que, deitada no ninho, choca despreocupadamente seus ovos. Todavia, um pedaço de madeira não poderá chocar ovos ou dar à luz, ou ainda latir, correr ou se alimentar.

Destas considerações, podemos perceber que existe um conjunto de características comuns a todos os seres vivos e que só está presente neles, mas não nos outros tipos de matéria sem vida. É por meio dessa distinção que podemos afirmar que uma porção de matéria é viva ou não.

Podemos relacionar seis características básicas que estão presentes nos seres vivos, e são:

1 – Alto grau de complexidade química e organização microscópica (organização complexa);
2 –
Sistemas de obtenção, transformação e uso da energia proveniente do ambiente (aproveitamento de energia);
3 –
Capacidade precisa de auto-replicação e montagem (reprodução biológica);
4 – Mecanismos de percepção e resposta a alterações ambientais (percepção e resposta ao meio);
5 –
Cada componente de um organismo vivo tem uma função específica (especificidade funcional);
6 –
Um histórico de mudanças evolucionárias (sofre evolução ao longo do tempo).

A seguir, encontra-se um pouco detalhada cada uma dessas características:

Alto grau de complexidade química e organização microscópica

Milhares de diferentes moléculas constituem as intrincadas estruturas internas existentes nas células (figura 1-1).

Cada estrutura molecular tem sua seqüência característica de subunidades, seu único arranjo tridimensional e seu conjunto de padrões de ligações na célula altamente específico.

Bioquímica
Figura 1-1 – Complexidade das estruturas internas das células e dos organismos

 

Sistemas de obtenção, transformação e uso da energia proveniente do ambiente

Os organismos vivos são dotados de sistemas que os capacitam a obter as reservas energéticas de que necessitarão para construir e manter suas estruturas complexas e realizar trabalho mecânico, químico, osmótico e elétrico. Enquanto os sistemas vivos usam a energia, de diferentes formas e proveniente do ambiente externo para a manutenção e aumento da ordem morfofisiológica (processo denominado anabolismo), a matéria inanimada tende, basicamente, a decair a um estado cada vez mais desordenado, para entrar em equilíbrio com suas vizinhanças. Os seres vivos, por outro lado, nunca estão em equilíbrio com o meio ambiente.

Capacidade precisa de auto-replicação e automontagem (Fig. 1-2)

Bioquímica
Figura 1-2 – A reprodução biológica ocorre com fidelidade próxima da perfeição

Uma única célula bacteriana introduzida num meio nutritivo estéril é capaz de dar origem a um bilhão de células “filhas” idênticas em 24 horas. Cada célula contém milhares de diferentes moléculas, algumas extremamente complexas. Apesar disso, cada bactéria é uma cópia fiel da original; sua construção fora orientada inteiramente pela informação contida no material genético da célula original (célula mãe).

Mecanismos de percepção e resposta a alterações ambientais

Os organismos vivos dão resposta às mudanças ambientais, ajustando-se constantemente a essas mudanças adaptando sua química interna. Um exemplo muito comum é o camaleão, que muda a cor da pele, ou os animais de sangue quente (homeotermos) que aumentam ou diminuem o metabolismo, como resposta às oscilações de temperatura ambientais, a fim de manterem a temperatura corpórea constante.

Cada componente de um organismo vivo tem uma função específica.

Isso é verdade não apenas para as estruturas macroscópicas, como folhas e caules ou corações e pulmões, mas também para estruturas intracelulares microscópicas, como os núcleos e cloroplastos. Até mesmo os compostos químicos individuais existentes nas células têm funções específicas. O inter-relacionamento entre os compostos químicos de um organismo vivo é dinâmico; alterações em um componente provocam mudanças coordenadas ou compensatórias em outro, tendo como resultado que o conjunto exibe características que vão além daquelas exibidas pelos constituintes individuais.

A coleção de moléculas executa um programa, o resultado final do qual é a reprodução do programa e a autoperpetuação daquela coleção de moléculas.

Um histórico de mudanças evolucionárias

Os organismos mudam suas estratégias de vida herdadas para sobreviverem a novas circunstâncias. O resultado de eras de evolução (Teoria da Evolução de C. Darwin) é uma enorme diversidade de formas de vida, superficialmente muito diferentes mas fundamentalmente relacionadas através de um ancestral comum.

Muito embora sejam verificadas essas propriedades comuns e, como conseqüência, perceba-se a existência de uma unidade fundamental da vida, é importante reconhecer que só é possível fazer pouquíssimas generalizações a respeito dos organismos vivos aplicáveis a todos eles e sob quaisquer condições; há uma enorme diversidade de formas vivas. A variação de habitat nos quais os organismos vivem, desde fontes termais quentes até tundra ártica, de intestinos de animais a dormitórios de residências estudantis, é acompanhada por uma variação igualmente ampla de adaptações bioquímicas específicas. Essas adaptações são integradas dentro do padrão químico fundamental compartilhado por todos os organismos. Embora as generalizações não sejam perfeitas, elas permanecem úteis.

De fato, as exceções geralmente iluminam as generalizações científicas.

3 A LÓGICA MOLECULAR DA VIDA

3.1 O que denominamos lógica molecular da vida?

Como já foi definido no início, a Bioquímica é a ciência que estuda os metabólitos primários (carboidratos, lipídios, aminoácidos etc.) e as reações químicas envolvendo esses metabólitos para tentar explicar como a vida funciona, a partir da linguagem da química. Em outras palavras, o que a bioquímica estuda é a química que acontece nos organismos vivos. Para isso, precisamos falar de moléculas, de íons, de misturas, soluções, à medida que estivermos interessados em estudar as células e seus processos, tais como a obtenção de energia, a formação de novas substâncias dentro dessas células e a replicação celular, que permite a reprodução das espécies. Sabemos que uma célula é a menor unidade morfofisiológica de um ser vivo. Ela é uma estrutura complexa, separada do exterior por uma membrana (membrana plasmática) constituída por lipídios, proteínas e carboidratos, na forma de grandes moléculas (macromoléculas) numa estrutura denominada bicamada fosfolipoprotéica; um interior cheio de organelas, líquidos e milhares de moléculas de vários tamanhos e íons, todos dissolvidos ou dispersos (citoplasma); e, em algumas células, também há um núcleo onde se encontra o material genético (figuras 1-3 e 1-4). Ou seja, se observarmos atentamente, uma célula é, na verdade, um conjunto de milhares de moléculas dos mais variados tipos e tamanhos, e um conjunto de íons, todos organizados de tal maneira a permitirem uma precisa e imbricada organização e funcionamento que resulta na vida, com todas as suas características, como já citadas nas páginas anteriores.

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Figura 1-3 – Desenho esquemático de uma célula animal, em que se observam as principais organelas. Estão mostradas as três divisões básicas de uma célula, ou seja, membrana plasmática, citoplasma e núcleo

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Figura 1-4 – A membrana plasmática é uma estrutura formada por fosfolipídios organizados na forma de bicamada, apresentando também moléculas de carboidratos e de proteínas

Todas essas estruturas mostradas nas figuras anteriores (figuras 1-3 e 1-4) são resultantes, em última análise, das ligações químicas existentes entre os átomos, e das interações entre as moléculas e os íons. Portanto, para entendermos bem a estrutura e o funcionamento celular, precisamos obrigatoriamente estudar sua química.

Porém, depois de todas essas considerações feitas até aqui, surge uma pergunta: Como será que essas milhares de diferentes substâncias químicas sem vida podem dar origem a um organismo vivo? Se você juntar açúcar, óleo de panela e gorduras animais, sal, água, aminoácidos de suplementos alimentares e todos os demais componentes que existem em uma célula, você não será capaz de produzir uma célula. O açúcar de mesa (sacarose) que é um carboidrato não tem vida! Também não tem vida o óleo de panela, nem o sal de cozinha. Mas todas essas substâncias estão presentes nas células e resultam na vida celular! A grande questão da Bioquímica é saber como as milhares de biomoléculas geram as marcantes propriedades características dos organismos vivos. Como dito, quando estas moléculas estão isoladas e são examinadas individualmente, elas se comportam como toda e qualquer molécula, segundo leis físicas e químicas que descrevem o comportamento da matéria inanimada (sem vida). Porém, quando juntas, elas interagem de acordo com um outro conjunto de princípios que podem ser chamados, coletivamente, de lógica molecular da vida. Esses princípios são, na verdade, conseqüências das mesmas leis físicas e químicas, e emergem do conjunto de relacionamentos característicos da natureza, função e interação dessas biomoléculas. Se os organismos vivos são formados por moléculas intrinsecamente inanimadas, como é possível essas moléculas exibirem a extraordinária combinação de características que chamamos de vida? Como pode ser que um organismo vivo pareça ser mais do que a simples soma de suas partes inanimadas? Os filósofos, uma vez, propuseram que que os organismos vivos seriam dotados de uma força vital divina e misteriosa, mas esta doutrina (vitalismo) não encontra lugar na ciência moderna. Como visto, existe um princípio de funcionamento da vida que, apesar de ser resultante das mesmas leis físicas e químicas que atuam sobre todas as biomoléculas, vai um pouco além e não pode ser simplesmente deduzido daquelas leis. É esse princípio que estamos chamando de lógica molecular da vida. A Bioquímica descreve, em termos moleculares, as estruturas, os mecanismos e os processos compartilhados por todos os organismos, e fornece princípios de organização que estão por traz da vida em todas as suas diversas formas; os mesmo princípios que regem o comportamento das biomoléculas sem vida mas que, atuando conjuntamente, formam a vida, como já mencionado. A lógica molecular da vida. A maioria dos constituintes moleculares dos sistemas vivos são compostos de átomos de carbono unidos covalentemente a outros átomos de carbono e a átomos de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. As propriedades especiais de ligação do carbono permitem a formação de uma grande variedade de moléculas. Os compostos orgânicos de massa molecular (MM) menor que aproximadamente 500, como aminoácidos, nucleotídeos e monossacarídeos, servem como subunidades monoméricas de proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos, respectivamente. Uma única molécula protéica pode ter 1.000 ou mais aminoácidos e o ácido desoxirribonucléico tem milhões de nucleotídeos.

Para ilustrar, vamos fazer uma comparação bem grosseira: suponha que você precisa construir uma parede. Para isso, serão necessários os tijolos. Se a parede for uma proteína, os tijolos dessa parede serão os aminoácidos. Cada célula da bactéria Escherichia coli (E. coli) contém mais de 6.000 diferentes tipos de compostos orgânicos, incluindo perto de 3.000 proteínas diferentes e um número similar de moléculas de ácidos nucléicos. Em humanos pode haver dezenas de milhares de tipos diferentes de proteínas, assim como muitos tipos de polissacarídeos (cadeias de carboidratos simples), uma grande variedade de lipídios e muitos outros compostos de peso molecular menor. Purificar e caracterizar exatamente todas essas moléculas seria um trabalho insuperável se não fosse o fato de cada classe de macromoléculas (proteínas, ácidos nucléicos, polissacarídeos) ser composta de um pequeno conjunto de subunidades monoméricas comuns. Estas subunidades monoméricas podem ser unidas covalentemente em uma variedade praticamente ilimitada de seqüências, exatamente como as 23 letras do alfabeto podem ser arranjadas em um número ilimitado de palavras, sentenças ou livros.

3.2 DNA, RNA, Nucleotídeos e Proteínas

O DNA (ácido desoxirribonucléico) é o responsável pelas características hereditárias que são passadas de pais para filhos durante da reprodução, bem como pelo controle da duplicação e funcionamento celular. Os ácidos desoxirribonucléicos são construídos de apenas quatro diferentes tipos de unidades monoméricas simples, chamados desoxirribonucleotídeos, e os ácidos ribonucléicos (RNA) são compostos por apenas quatro tipos dessas unidades, chamadas ribonucleotídeos. Tantos os desoxirribonucleotídeos como os ribonucleotídeos são chamados simplificadamente de nucleotídeos. São, ao todo, oito nucleotídeos, sendo quatro do tipo desoxirribonucleotídeos e quatro do tipo ribonucleotídeos. Os nucleotídeos são ligados uns aos outros, em cadeias enormes, para formarem os ácidos nucléicos, ou seja, o DNA ou o RNA. Assim, podemos dizer que os ácidos nucléicos são polímeros de nucleotídeos.

Será visto mais à frente que uma única molécula de nucleotídeo é, na verdade, formada por três moléculas menores: um carboidrato, uma base nitrogenada e um grupo fosfato! As proteínas são compostas de 20 tipos diferentes de aminoácidos. Os aminoácidos ligam-se uns aos outros para formarem longas cadeias, que formam uma proteína. Assim, podemos dizer que a proteína é um polímero de aminoácidos. Os oito tipos de nucleotídeos com os quais todos os ácidos nucléicos são construídos e mais os 20 tipos de aminoácidos com os quais todas as proteínas são construídas, são idênticos em todos os organismos vivos.

3.3 A versatilidade das biomoléculas pequenas

A maioria das subunidades monoméricas com as quais todas as macromoléculas são construídas exercem mais de uma função nas células vivas, ou seja, são versáteis. Os nucleotídeos servem não apenas como subunidades para a síntese dos ácidos nucléicos, mas também como moléculas transportadoras de energia. Os aminoácidos são subunidades das moléculas protéicas e também precursores de neurotransmissores, pigmentos e muitos outros tipos de biomoléculas.

Destas considerações é possível destacar alguns dos princípios da lógica molecular da vida:

Todos os organismos vivos têm os mesmos tipos de subunidades monoméricas
A estrutura das várias macromoléculas biológicas revela a existência de modelos básicos comuns
A identidade de cada organismo é preservada pela posse de conjuntos característicos de ácidos nucléicos e proteínas.

3.4 DNA: A estrutura responsável pela reprodução quase perfeita da vida

Uma das mais importantes características da vida é a capacidade que os organismos e células têm de se reproduzirem com fidelidade quase perfeita por incontáveis gerações. O filho guarda os caracteres do(s) progenitor(es), que são passados à geração seguinte, e a informação que permitirá a expressão desses caracteres está contida no interior das células. A descoberta da natureza química e estrutural do DNA figura como uma das mais importantes descobertas da biologia. O DNA é um polímero orgânico, longo e fino, formado por um número muito grande de unidades poliméricas menores denominadas nucleotídeos.

Cada nucleotídeo é constituído por três diferentes compostos: um açúcar de cinco átomos de carbono (pentose), uma base nitrogenada (nucleotídeo) e um grupo fosfato. Há quatro diferentes tipos de bases nitrogenadas na molécula de DNA e a pentose é uma ribose que perdeu um átomo de oxigênio (desoxirribose); devido a isso, os nucleotídeos do DNA são também chamados desoxirribonucleotídeos. Os nucleotídeos ligam-se um ao outro através do grupo fosfato que atua como ponte, dando origem a uma seqüência linear precisa, que constitui uma das metades do DNA (uma fita). É esta seqüência linear que codifica a informação genética. No DNA, duas fitas ligam-se entre si através de ligações hidrogênio (pontes de hidrogênio) entre a base nitrogenada de uma fita e sua base nitrogenada complementar na outra fita. O conjunto está organizado de tal maneira a gerar uma estrutura tridimensional no formato de dupla hélice (Fig. 1-5).

A capacidade das células vivas de preservar o seu material genético para a geração seguinte resulta da complementaridade estrutural entre as duas metades da molécula do DNA. Na replicação enzimática ou no reparo do DNA, uma das duas fitas serve de molde para a montagem de outra fita de DNA e que é estruturalmente complementar. Antes que uma célula sofra divisão, as duas fitas de DNA separam-se e cada uma serve como molde para a síntese de uma fita complementar, gerando duas moléculas em dupla-hélice idênticas, uma para cada célula filha. Se uma fita é danificada, a continuidade da informação é assegurada pela informação presente na outra fita. A seqüência de desoxirribonucleotídeos no polímero linear codifica as instruções para a formação de todos os outros componentes celulares e proporciona um molde para a reprodução de moléculas idênticas de DNA a serem distribuídas para as células filhas, ou progênie, quando a célula se multiplica. O esperma ou o óvulo humano, carregando a informação hereditária acumulada por milhões de anos de evolução, transmite essas instruções na forma de moléculas de DNA, no qual a seqüência linear de nucleotídeos unidos covalentemente codifica a mensagem genética.

Bioquímica
FIGURA 1-5 – A estrutura complementar da fita dupla do DNA é responsável pela sua replicação acurada. O DNA é um polímero linear de subunidades ligadas covalentemente, essas subunidades são os desoxirribonucleotídeos. Há quatro diferentes desoxirribonucleotídeos, cada um deles difere dos demais pela base nitrogenada que o compõe: deoxiadenilato (A), deoxiguanilato (G), deoxicitidilato (C) e desoxitimidilato (T). Devido à sua estrutura tridimensional, cada nucleotídeo tem a habilidade intrínseca de se associar, de forma altamente específica, a um outro nucleotídeo, porém de forma nãocovalente: A sempre se associa ao seu nucleotídeo complementar T, e G com seu complemento C. Na molécula em fita dupla do DNA, a seqüência de nucleotídeos em uma fita é complementar à seqüência na outra; em qualquer lugar que G ocorra na fita 1, C ocorrerá no ponto correspondente da fita 2. Onde quer que A ocorra na fita 1, T ocorrerá na fita 2. As duas fitas do DNA mantidas unidas por um grande número de pontes de hidrogênio entre os pares de nucleotídeos complementares, enrolam-se umas nas outras para formar a dupla-hélice do DNA. Na replicação do DNA, antes da divisão celular, as duas fitas do DNA original separam-se e são sintetizadas duas novas fitas, cada uma delas com uma seqüência de nucleotídeos complementar àquela da fita original. O resultado são duas moléculas de DNA em dupla-hélice, cada uma delas exatamente idêntica ao DNA original. As bases nitrogenadas são Adenina, Guanina, Citosina e Timina.

4 A LÓGICA ENERGÉTICA DA VIDA

4.1 O metabolismo, o trabalho e o papel da energia na bioquímica

Todo o conjunto de moléculas já mencionadas, as biomoléculas, constitui a base molecular da vida; e aos processos pelos quais as mesmas biomoléculas são construídas ou degradadas, dá-se o nome de metabolismo. É o metabolismo que está por traz de todos os eventos que caracterizam o estado de um organismo como vivo, e para que ele ocorra, é necessário o consumo de energia extraída do ambiente. As células e organismos precisam realizar trabalho para permanecerem vivos e a força motriz para que o trabalho seja realizado é a energia. Por exemplo, para você se manter vivo, você precisa respirar e o seu coração tem que permanecer batendo. Para isso, seu tórax faz esforço para que seus pulmões se encham de ar, e os músculos cardíacos fazem esforço para bombear o sangue. Esses são apenas dois exemplos de trabalho, dentre os milhares tipos de trabalho que estão ocorrendo tanto em células como em organismos maiores e mais complexos. E, como parece óbvio, para esses trabalhos acontecerem, é necessário haver energia. Mas, o que é energia? De acordo com a física, energia é algo abstrato e o qual não podemos tocar, mas é definida como a capacidade para realizar trabalho. E o que é trabalho? Trabalho pode ser definido como um movimento contra uma força que lhe oferece resistência. A síntese contínua de componentes celulares requer trabalho químico; o acúmulo e a retenção de sais e de vários compostos orgânicos contra um gradiente de concentração envolve um trabalho osmótico; a contração de um músculo ou o movimento do flagelo de uma bactéria ou do espermatozóide representa trabalho mecânico. A bioquímica examina esses processos pelos quais a energia é extraída, canalizada e consumida; área de estudo denominada bioenergética. A energia é um tema central em bioquímica porque as células e os organismos dependem de um suprimento constante de energia para poderem se opor à tendência, inexorável da natureza, de queda para níveis menores de estado energético. As reações de síntese que ocorrem no interior das células, como os processos de síntese em uma fábrica, requerem o fornecimento de energia. A energia é consumida no movimento de uma bactéria ou em uma corrida olímpica, no acender das luzes de um vagalume ou na descarga de um peixe-elétrico. O armazenamento e a expressão da informação consomem energia; sem esta as estruturas ricas em informação tornar-se-iam inevitavelmente desordenadas e sem significado.

4.2 Metabolismo – reações catabólicas e reações anabólicas

No que diz respeito às trocas de energia, há dois tipos de reações químicas.

As exergônicas e as endergônicas:

Reações exergônicas – são aquelas que ocorrem espontaneamente e liberam energia. São exemplos de reações desse tipo, as reações de combustão. Nos organismos vivos, as reações desse tipo são conhecidas vulgarmente como “queima de calorias”. São as reações catabólicas, reações em que fontes de energia, carboidratos, por exemplo, são degradados para a produção de ATP. Essas reações liberam energia no organismo para que as demais reações que dependem de energia possam ocorrer.
Reações endergônicas –
não ocorrem espontaneamente. Para ocorrerem precisam receber energia, vinda das reações catabólicas. Um exemplo dessa classe de reações é a síntese de uma proteína, a partir dos aminoácidos.

Nem toda energia liberada das reações catabólicas estará disponível, porque parte dela se perde na forma de calor.

A quantidade de energia realmente disponível para a realização de trabalho é denominada energia livre de Gibbs ou simplesmente energia de Gibbs, ou ainda energia livre. A energia de Gibbs é designada pela letra G em homenagem ao cientista do qual leva o nome.

A energia liberada pelas reações catabólicas é canalizada para os processos que requerem energia através de acoplamentos químicos. Uma reação endergônica ocorre porque é acoplada a outra reação que é exergônica. Nesse acoplamento, o produto de uma reação exergônica é o reagente de uma reação endergônica. Um organismo vivo é um sistema aberto. Ele troca matéria e energia com seu meio ambiente.

Os organismos vivos usam uma de duas estratégias para obter energia livre do seu meio ambiente:

1. Eles captam componentes do meio (alimentos), extraem energia livre desses alimentos a partir de reações exergônicas, e transferem esta energia para reações endergônicas que são acopladas às primeiras
2.
Eles usam a energia absorvida da luz solar para a realização de reações fotoquímicas exergônicas, às quais eles acoplam reações endergônicas.

De acordo com a primeira Lei da Termodinâmica, também denominada Lei da Conservação da Energia, a energia não pode ser criada nem destruída. A energia existente no Universo conserva-se indefinidamente. Não aumenta nem diminui. Apenas flui de um ponto a outro e é transformada (transduzida) de um tipo em outro. Há diferentes formas de energia; elétrica, química, mecânica, térmica, luminosa etc. Um organismo vivo, portanto, não pode criar energia, nem tampouco destruí-la. O que ocorre, na realidade, é uma interconversão (transdução) de diferentes formas de energias realizada por células e organismos. As células são transdutores eficientes de energia. Elas são capazes de, com grande eficiência, interconverter energia química, eletromagnética, mecânica e osmótica.

4.3 As máquinas celulares trabalham sempre à mesma pressão e à mesma temperatura

Os transdutores biológicos de energia diferem da maioria das máquinas comuns que dependem de diferenças de pressão e temperatura. Uma máquina a vapor, por exemplo, converte a energia química do combustível em calor, aumentando a temperatura de uma porção de água até seu ponto de ebulição para produzir vapor d’água em alta pressão, o qual aciona um mecanismo qualquer. O motor de combustão interna, como o de um automóvel, por exemplo, da mesma forma, depende de mudanças na temperatura e na pressão. Em contraste, todas as partes de um organismo vivo precisam operar à mesma temperatura e pressão, e o fluxo de calor não é uma fonte utilizável de energia. As células são sistemas isotérmicos, ou seja, sistemas de temperatura constante. Inclusive, a temperatura de um organismo no geral é controlada pela homeostase de tal forma a não sofrer grandes variações. Por exemplo, nós temos uma temperatura corporal que não se afasta muito da média dos 37 graus Celsius, sob o risco de morte. Todas as reações químicas do metabolismo precisam acontecer de modo tal sem a ocorrência de grandes mudanças na temperatura. Ocorre que, muitas reações químicas são muito lentas na temperatura de 37 graus e outras nem ocorrem bem. Para contornar esse problema, existem as enzimas.

4.4 Enzimas: catalisadores naturais das reações metabólicas

O fato de uma reação ser exergônica não significa que ela necessariamente se processará de forma rápida. Para que as reações metabólicas ocorram em tempo hábil, de modo que o organismo se mantenha vivo, entram em cena as enzimas, que são os catalisadores naturais dessas reações. Um catalisador é uma substância que acelera a velocidade da reação sem ser consumido na mesma. Para que um reagente se transforme num produto, no decorrer de uma reação, é necessária a quebra de ligações já existentes e a formação de novas ligações químicas, sem exceção. Esse processo se dá através de um caminho que envolve uma barreira energética, chamada barreira de ativação (Figura 1-6), a qual precisa ser ultrapassada para que a reação ocorra. A quebra e formação de ligações químicas geralmente requerem o tensionamento e a torção das ligações existentes, criando um estado de transição de alto nível energético, tanto em relação ao reagente quanto ao produto. O ponto mais alto da coordenada da reação, no diagrama, representa o estado de transição.

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Figura 1-6 – Diagrama da Energia Livre versus o Caminho da Reação. A presença do catalisador diminui a energia de ativação.

As barreiras de ativação são crucialmente importantes para a estabilidade das biomoléculas existentes nos sistemas vivos. Quando isoladas dos demais componentes celulares, a maioria das biomoléculas são estáveis por dias, ou mesmo anos, no interior das células; entretanto, elas sofrem transformações químicas em milissegundos. Sem a barreira de ativação, as biomoléculas no interior das células seriam rapidamente quebradas em forma simples e de pequeno conteúdo energético. O tempo de existência das moléculas complexas seria muito curto, e a extraordinária continuidade e organização da vida seriam impossíveis. No interior das células todas as reações químicas ocorrem devido à presença de enzimas. A energia de ativação requerida para superar a barreira energética poderia, em princípio, ser suprida pelo aquecimento da mistura de reação, ou seja, bastaria aumentar a temperatura da célula e as reações dentro dela aconteceriam de modo rápido. Porém, isso não é possível para as células vivas. O que acontece é que durante a reação, as enzimas ligam-se às moléculas dos reagentes no estado de transição, diminuindo, desta maneira, a energia de ativação e acelerando enormemente a velocidade da reação.

4.5 O que são e como atuam as enzimas?

As enzimas são proteínas, com um número muito pequeno de exceções. Cada proteína enzimática é específica para a catálise de uma determinada reação e cada reação no interior da célula é catalisada por uma enzima diferente. Cada célula requer, portanto, milhares de tipos diferentes de enzimas. A multiplicidade de enzimas, a sua alta especificidade para os reagentes e a sua suscetibilidade à regulação dão às células a capacidade de diminuir as barreiras de ativação seletivamente. Esta seletividade é crucial na eficaz regulação dos processos celulares. As milhares de reações químicas enzimaticamente catalisadas nas células são funcionalmente organizadas em muitas seqüências diferentes de reações consecutivas chamadas vias, nas quais o produto de uma reação torna-se o reagente para a próxima reação (Fig. 1-7). Algumas dessas seqüências de reações enzimaticamente catalisadas degradam nutrientes orgânicos em produtos finais simples, de forma a extrair energia química e convertê-la em uma forma utilizável pela célula. Juntos esses processos degradativos liberadores de energia livre são designados por catabolismo, mencionado anteriormente. Outras vias enzimaticamente catalisadas partem de moléculas precursoras pequenas e as convertem, progressivamente, em moléculas maiores e mais complexas, incluindo proteínas e ácidos nucléicos. Essas vias sintéticas requerem sempre a adição de energia, e quando consideradas em conjunto representam o anabolismo. Esse conjunto de vias imbricadas e enzimaticamente catalisadas constitui o que é chamado de metabolismo.

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Figura 1-7 – Exemplo de uma via sintética (anabólica) típica. Na bactéria E. coli, a treonina é convertida em isoleucina (dois aminoácidos) em uma via de cinco passos, cada um deles catalisado por uma enzima separada. (Aqui estão mostrados apenas os reagentes e produtos principais). A treonina, por sua vez, foi sintetizada a partir de um precursor mais simples. Ambas, treonina e isoleucina, são precursoras de moléculas maiores e mais complexas: as proteínas (Lehninger, 1995).

4.6 ATP: transportador universal de energia metabólica e elo entre anabolismo e catabolismo

As células capturam, armazenam e transportam energia livre em uma forma química. A adenosina trifosfato (ATP) (Fig. 1-8) funciona como o principal transportador de energia química em todas as células. O ATP transporta energia entre as vias metabólicas representando o papel do intermediário comum que acopla as reações endergônicas àquelas exergônicas. Poderia ser comparado à moeda, que faz a ponte entre o trabalho de um empregado e a mercadoria que ele deseja adquirir. Para adquirir a mercadoria ele precisa trabalhar. Todavia, ele não recebe a mercadoria diretamente das mãos do empregador, mas sim, a moeda e com esta ele se dirige ao supermercado onde vai encontrar a mercadoria que deseja. Podemos dizer que o ATP é a “moeda energética”.

Como o ATP funciona?

O grupo fosfato terminal do ATP é transferido a uma variedade de moléculas receptoras, as quais são assim ativadas para sofrerem outras transformações químicas. A adenosina difosfato (ADP), que sobra depois da transferência do fosfato, é reciclada para tornar-se ATP, às expensas da energia química (que ocorre durante a fosforilação oxidativa), ou da energia solar nas células fotossintéticas (pelo processo de fotofosforilação). No interior das células o ATP é o mais importante elo de conexão (intermediário compartilhado) entre as redes de reações catalisadas enzimaticamente catabólicas e anabólicas. Essas redes de reações catalisadas por enzimas são praticamente idênticas em todos os organismos vivos.

A atuação do ATP pode ser representada simplificadamente pelas equações químicas a seguir:

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ATP Bioquímica ADP + Pi + Energia

A primeira equação representa a ação do ATP para impulsionar alguma outra reação que necessite de energia. Se o ATP fosse uma bateria, poderíamos dizer que essa é a reação em que a bateria será descarregada. A segunda equação representaria, no modelo da “bateria”, o seu processo de recarregamento.

Obs.: Pi é a sigla usada para representar fosfato inorgânico ou, alternativamente, grupo fosfato, HPO42–.

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Figura 1-8 – (a) Fórmula estrutural e (b) modelo bola-e-bastão da adenosina trifosfato (ATP). A remoção do fosfato terminal do ATP é altamente exergônica e, na célula, esta reação está acoplada a muitas reações endergônicas diferentes.

4.7 O Metabolismo é regulado para ser econômico e equilibrado

O metabolismo é auto-regulado de tal forma que as células nunca produzem mais de uma biomolécula do que o estritamente necessário. A cada instante, uma célula estará sintetizando simultaneamente milhares de tipos diferentes de moléculas de carboidratos, lipídeos, proteínas e ácidos nucléicos nas precisas proporções requeridas. Isso é possível graças a um mecanismo de retro-alimentação negativa (“feedback”) que funciona da seguinte forma. Suponha que uma célula necessita sintetizar um aminoácido precursor de dada proteína que está sendo requisitada pela célula durante, por exemplo, sua reprodução. A quantidade do aminoácido que deverá ser sintetizado é regulada através da enzima-chave, uma das várias enzimas presentes na via metabólica daquela biomolécula e que controla sua síntese. Considere a via mostrada na Figura 1-6 (página 9) e na Figura 1-9 a seguir, a qual leva à síntese da isoleucina (um dos aminoácidos para a síntese protéica). Se a célula começa a produzir mais isoleucina do que o necessário para a síntese protéica, a isoleucina não utilizada acumula-se. Altas concentrações desse aminoácido inibirão a atividade catalítica da primeira enzima da via, diminuindo, imediatamente, sua produção. Esse mecanismo mantém em equilíbrio a produção e a utilização de cada biomolécula.

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Figura 1-9 – Regulação de uma via biossintética por inibição retroativa (“feedback”). Na via de biossíntese da isoleucina a partir da treonina (Fig. 1-4), o acúmulo do produto, isoleucina (F), provoca a inibição da primeira reação da via; a isoleucina liga-se à enzima que catalisa esta reação (enzima 1) reduzindo sua atividade. (As letras de A até F representam os componentes mostrados na Fig. 1-4) (Lehninger, 1995).

As células vivas também regulam a síntese dos seus catalisadores, as enzimas. Assim, uma célula pode desativar a síntese de uma enzima necessária para a produção de um determinado produto, enquanto este produto é obtenível já pronto do meio ambiente. Estas propriedades de auto-ajustar-se e auto-regular-se permitem às células manterem-se em um estado de equilíbrio dinâmico, a despeito das flutuações do ambiente externo.

5 RESUMO

A Bioquímica é a ciência que estuda os metabólitos primários no intuito de compreender a vida, a estrutura e funcionamento dos organismos e células vivas. Os metabólitos primários fazem parte do metabolismo de toda célula viva, e são representados pelos carboidratos, aminoácidos, peptídeos, proteínas e ácidos nucléicos.

Os organismos vivos apresentam um conjunto de características que os distinguem do restante da matéria, quais sejam: alto grau de complexidade química e organização microscópica; sistemas de obtenção, transformação e uso da energia proveniente do ambiente; capacidade precisa de auto-replicação e automontagem; mecanismos de percepção e resposta a alterações ambientais; alto grau de organização intercelular e divisão do trabalho nos organismos multicelulares e capacidade adaptativa. Uma célula viva é um sistema isotérmico de macromoléculas que se autocontém, automonta, autoajusta e autoperpetua, e que extrai energia livre do seu meio ambiente. A célula conduz muitas reações consecutivas promovidas por catalisadores específicos, chamados de enzimas, que são produzidos pela própria célula. Sem essas enzimas as reações metabólicas seriam muito lentas devido aos grandes níveis de energia de ativação e a vida seria impraticável. Para realizar trabalho, as células obtêm energia do meio ambiente através dos nutrientes ou da luz solar. Essa energia é transduzida em diferentes formas, conforme as demandas do organismo. Energia química pode converter-se em energia mecânica, eletromagnética, térmica etc. Reações exergônicas são aquelas que liberam energia. Estas reações são acopladas no interior das células às reações endergônicas, de modo que estas últimas possam ocorrer. O principal elo que liga essas duas classes de reações é o ATP.

Há duas classes de reações metabólicas quanto à energética: o catabolismo, que degrada moléculas maiores em menores para fornecer energia que será necessária à segunda classe de reações, as reações anabólicas. Estas últimas englobam todas aquelas reações que levam à síntese de moléculas maiores e mais complexas (proteínas, DNA etc.) a partir de moléculas menores e simples, com consumo de energia. As células se auto-replicam através de muitas gerações graças ao sistema linear de codificar a informação, do DNA, que é auto-reparável. A informação genética contida no DNA é a responsável pelas instruções para a formação de todos os outros componentes celulares e controle do metabolismo celular.

Fonte: quimicauva.org

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