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autora

JULIANA HORI

1ª edição

SESES

rio de janeiro 2015

BIOQUÍMICA

Sumário

7

Prefácio

Prezados(as) alunos(as),

A Bioquímica é a ciência que estuda a química da vida. Os avanços na tecnologia

atual fez com que esta Disciplina progredisse muito nas suas descobertas nos últi-

mos anos. Por meio de metodologias científicas e equipamentos de última geração

a Bioquímica hoje é capaz de estudar as estruturas químicas e tridimensionais das

moléculas biológicas, e mais, entender o funcionamento e a interação dessas bio-

moléculas nos organismos vivos.

Perguntas como: como as nossas células produzem e degradam as moléculas?

Como produzimos energia a partir de diferentes alimentos? Como a nossa infor-

mação genética é transmitida e decodificada? E até mesmo, como surgiu a vida na

Terra, podem hoje ser respondidas pela Bioquímica.

Esperamos que todos vocês façam um enorme proveito deste livro e saiam com

todas as suas dúvidas mais intrigantes, molecularmente respondidas por ele!

Boa leitura!

A Bioquímica é a ciência que estuda a química da vida. Os avanços na tecnologia

atual fez com que esta Disciplina progredisse muito nas suas descobertas nos últi-

mos anos. Por meio de metodologias científicas e equipamentos de última geração

a Bioquímica hoje é capaz de estudar as estruturas químicas e tridimensionais das

moléculas biológicas, e mais, entender o funcionamento e a interação dessas bio-

moléculas nos organismos vivos.

Perguntas como: como as nossas células produzem e degradam as moléculas?

Como produzimos energia a partir de diferentes alimentos? Como a nossa infor-

mação genética é transmitida e decodificada? E até mesmo, como surgiu a vida na

Terra, podem hoje ser respondidas pela Bioquímica.

Esperamos que todos vocês façam um enorme proveito deste livro e saiam com

todas as suas dúvidas mais intrigantes, molecularmente respondidas por ele!

Boa leitura!

Bons estudos!

Fundamentos da

Bioquímica

10 •

capítulo 1

Este capítulo tem o objetivo de introduzir conceitos básicos da Disciplina Bio-

química para os estudantes de graduação.

Iniciaremos a Unidade com um breve histórico do surgimento da vida na

Terra e a importância da Bioquímica no processo de origem da vida. Em segui-

da discutiremos brevemente sobre a unidade celular básica de todos os seres

vivos e seus principais componentes. Para finalizar, vamos estudar em mais de-

talhes um dos principais constituintes químico da célula viva, a água!

Estudaremos os aspectos físicos e químicos desta molécula, uma vez que ela é

essencial para a ocorrência de todas as reações químicas nos sistemas bioló-

gicos. Aprenderemos conceitos de polaridade, solubilidade, pH e pK a

os quais

estão diretamente relacionados com a molécula da água.

OBJETIVOS

Ao final desta Unidade, esperamos que você consiga compreender:

• O modelo do surgimento da vida na Terra e como, a partir de moléculas simples, surgiram

moléculas complexas capazes de se replicarem.

• Como a seleção natural direciona a evolução das espécies.
• A água é essencial para todos os organismos vivos.
• As diferenças entre as moléculas hidrofílicas e hidrofóbicas.
• Os conceitos de pH e pK a

12 •

capítulo 1

Segundo a teoria da seleção natural proposta pelo botânico inglês Charles Darwin, se

uma variação específica torna o descendente que a manifesta mais apto à sobrevivên-

cia e à reprodução bem sucedida, esse descendente e sua prole terão mais chances

de sobreviver do que os descendentes sem essa variação. Dessa forma, ao longo da

evolução, certas caraterísticas são preservadas devido à vantagem seletiva que confe-

rem a seus portadores, permitindo que um organismo deixe mais descendentes que os

indivíduos sem essas características.

Você pode saber mais sobre esta teoria no livro “A Origem das Espécies” (em inglês:

On the Origin of Species) o qual é considerado um dos livros mais influentes depois da

bíblia! DARWIN, C. A origem das espécies. Editora Martin Claret.

Uma vantagem seletiva importante foi a proteção desses sistemas de repli-

cação autônomos por ‘barreiras’ membranosas que, além de protegerem as

macromoléculas dos efeitos ambientais adversos, permitiram também a dife-

renciação da composição química do meio externo com a do meio interno. A

medida que os componentes essenciais para a replicação das macromoléculas

tornaram-se escassos no ambiente primordial da Terra, a seleção natural favo-

receu àqueles que desenvolveram mecanismos adicionais de síntese dos com-

ponentes essenciais a partir de precursores mais simples (e, principalmente,

mais abundantes no ambiente). A aquisição da capacidade de extrair, transfor-

mar e, principalmente, de utilizar a energia química do ambiente para a síntese

de novas moléculas resultou no surgimento dos primeiros organismos vivos na

Terra.

CONEXÃO

Note que todos esses processos citados no texto como a extração, transformação e utili-

zação da energia química do ambiente são, em resumo, a definição da Bioquímica. Assim, o

entendimento dos processos bioquímicos nos permite uma melhor compreensão da origem

da vida! Leia este artigo superinteressante sobre este intrigante tema! http://super.abril.com.

br/ciencia/como-vida-comecou-438455.shtml

capítulo 1

• 13

1.2 A Unidade Celular

Todos os organismos vivos estão baseados na mesma unidade estrutural e fun-

cional básica: a célula.

Uma célula é a menor unidade estrutural de um organismo. Ela apresenta

a importante capacidade de se autorreplicar e pode existir como uma unidade

funcional independente nos organismos unicelulares (ex.: bactérias, leveduras)

ou como subunidades em um organismo multicelular (ex.: plantas e animais).

Existem duas classificações principais de células: as procarióticas, as quais

não apresentam um núcleo definido e as eucarióticas que apresentam um nú-

cleo delimitado por membranas separando o material genético do restante da

célula. Todas as células apresentam um material genético (DNA), citoplasma,

organelas e uma membrana que separa o conteúdo celular do meio extracelu-

lar. No caso das células eucarióticas, além do núcleo, elas diferem das células

procarióticas por apresentarem um maior número de organelas especializadas

no citoplasma (Figura 1.2).

Figura 1.2 – Desenho esquemático ilustrando uma célula procariótica (bactéria) versus uma

célula eucariótica. Atente-se para a presença do núcleo e de algumas organelas nas células

eucarióticas.

© MARK RASMUSSEN | DREAMSTIME.COM

capítulo 1

• 15

A água é uma molécula central no estudo da Bioquímica por diferentes razões:

as moléculas biológicas adotam sua estrutura e função em resposta às proprieda-

des físicas e químicas da água que está ao seu redor. Além disso os diferentes pro-

dutos e moléculas dependem da água para se transportarem no interior da célula.

Ela participa diretamente de muitas reações químicas importantes para a manu-

tenção da célula e, finalmente, a oxidação da água leva a formação do oxigênio mo-

lecular (O2), fundamental para a sobrevivência dos organismos aeróbicos

4 .

1.3 Propriedades Físicas da Água

Uma molécula de água consiste em dois átomos de hidrogênio ligados a um

átomo de oxigênio. Cada átomo de hidrogênio compartilha um par de elétrons

com o átomo central de oxigênio e o ângulo de ligação H-O-H é de 104,5.

O núcleo do átomo de oxigênio atrai elétrons mais fortemente do que o núcleo

de hidrogênio, deixando o oxigênio mais eletronegativo, ou seja, os elétrons com-

partilhados estão mais frequentemente ao redor do átomo de oxigênio do que dos

átomos de hidrogênio, resultando na formação de dipolos elétricos na molécula de

água (o oxigênio carrega uma carga negativa e o hidrogênio uma carga positiva), ca-

racterizando essa molécula como polar

5

. Essa diferença de cargas resulta em uma

atração eletrostática entre o átomo de oxigênio de uma molécula de água e o átomo

de hidrogênio de uma outra molécula de água vizinha. Essa ligação é chamada de

ligação de hidrogênio e são ligações químicas relativamente fracas (Figura 1.3).

Hidrogênio Hidrogênio

Oxigênio

Ligação de Hidrogênio

Ligação de Hidrogênio

Figura 1.3 – Esquema de uma molécula de água evidenciando as ligações de hidrogênios

que ocorre entre diferentes moléculas.

4 Aeróbicos: organismos que necessitam de O2 para obterem energia para a realização das suas funções celulares.

5 Polaridade: separação das cargas elétrica em uma molécula.

16 •

capítulo 1

As ligações de hidrogênio não são exclusivas entre as moléculas de água.

Elas podem se formar também entre o hidrogênio da molécula de água e áto-

mos de outros elementos altamente eletronegativos.

A água é considerada um solvente polar, e muitas vezes denominada de

“solvente universal” por dissolver prontamente a maioria das biomoléculas

6 .

O caráter polar da água permite a rápida solubilização de compostos polares

ou iônicos (carregados). As moléculas que se dissolvem facilmente na água são

chamadas de hidrofílicas. Em contraste, moléculas apolares (sem cargas) como

por exemplo, óleos e ceras são chamadas de moléculas hidrofóbicas e são inso-

lúveis em água.

CONEXÃO

Faça o teste você mesmo e misture uma colher de sal (cloreto de sódio - NaCl), em um copo

com água. Faça o mesmo com uma colher de óleo em um copo de água. Eles se misturam?

Como você explicaria ambas as reações?

A maioria das moléculas biológicas apresentam tanto regiões polares como

regiões apolares, sendo simultaneamente hidrofílicas e hidrofóbicas. Tais

moléculas são denominadas de anfipáticas. Quando uma molécula anfipáti-

ca é misturada com água, a região polar hidrofílica interage favoravelmente

com a água e tende a se dissolver, porém, a região apolar, hidrofóbica, tende

a evitar o contato com a água. Como consequência, essas moléculas tendem a

formar agregados estruturalmente ordenados que são chamados de micelas.

As forças que mantêm as regiões apolares unidas são chamadas de interações

hidrofóbicas.

Muitas biomoléculas são anfipáticas, por exemplo: proteínas, certas vita-

minas e alguns lipídeos como os esteroides e os fosfolipídeos que compõem

a membrana celular. A estrutura da bicamada lipídica encontrada nas mem-

branas biológicas é consequência da sua constituição química, composta pri-

mordialmente por fosfolipídeos que em ambiente aquoso, como o interior do

nosso corpo, se organizam em bicamadas (Figura 1.4).

6 Biomoléculas: compostos químicos sintetizados por seres vivos e que participam da estrutura e do funcionamento

da célula. A maioria das biomoléculas são compostos orgânicos, ou seja, apresentam principalmente átomos de

carbono e hidrogênio na sua composição.

18 •

capítulo 1

K

H OH

M

eq

[ ]

• −

Rearranjando:

55 5, M K H OH K

eq w

( )( ) =  

• −

Onde K w

designa o produto (55.5 M)(Keq), que é o produto iônico da água a

o C.

O valor determinado para a Keq da água pura é 1,8 x 10-16 M a 25

o C.

Substituindo este valor na equação acima temos:

K

w

= [H

][OH

• ]= (55.5 M)(1,8 x 10 - M)

K

w

= [H

][OH

• ]= (100 x 10 - M

2 )

K

w

= [H

][OH

• ]= 1,0 x 10 - M

2

Desta forma, o produto [H+][OH-] em solução aquosa a uma temperatura de

o C é sempre igual a 1 x 10

• M

2

. Uma vez que na água pura as concentrações

de H+ e OH- são iguais, diz se que a solução está em pH neutro. Neste pH, a con-

centração de H

e de OH

• pode ser calculada a partir do produto iônico da água:

K

w

= [H

][OH

• ]= [H

]

2 = [OH

• ]

2

Se quisermos saber a concentração de H

temos:

H K x M w

• −  

14 2

[H

]= [OH

• ]= 10 - M

Uma vez que [H+] e [OH-] estão reciprocamente relacionadas, quando [H+]

é maior que 10-7 M, [OH-] tem que ser correspondentemente menor e vice-ver-

sa. Soluções com [H+]= 10-7 M são ditas neutras, as com [H+] > 10-7 M são ditas

ácidas e as com [H+] < 10-7 M são ditas básicas.

Um meio mais prático de designar a concentração de H+ (e, portanto, de

OH-) em qualquer solução aquosa é por meio do pH. O termo pH é definido

como o inverso do logaritmo da concentração de H+, pela expressão temos:

capítulo 1

• 19

pH

H

= H

[ +]

log = − log[ +]

Para uma solução neutra a 25

o C, onde vimos anteriormente que a concen-

tração de íons H

é exatamente 1 x 10

• M, o pH pode ser calculado como se

segue:

pH

x

−

log ,

7

Lembre-se que a escala do pH é logarítmica, e não aritmética, ou seja, se duas soluções

diferirem no pH por uma unidade, significa que uma solução tem dez vezes mais a con-

centração de íons H

do que a outra.

A maioria das soluções fisiológicas apresentam pH próximo da neutralida-

de, o sangue por exemplo apresenta um pH de aproximadamente 7,4 enquan-

to que um refrigerante de cola apresenta um pH em torno de 3,0. Veja outros

exemplos na Figura 1.5.

© ALAIN LACROIX | DREAMSTIME.COM