AULAS – BASES MOLECULARES DA VIDA

Prof. Hércules Freitas

Biologia

BIOQUÍMICA DE ÁGUA & SAIS MINERAIS

Propriedades físico-químicas da água

Fórmula molecular: H2O

Massa molecular: 18,015 g/mol

Estado físico (25 ºC / 1 atm): líquido

Cor: incolor

Odor: inodoro

Sabor: insípido

Ponto de ebulição: 99,974 ºC

Ponto de fusão: 0 ºC

Solubilidade em água: 55,5 mol/L

Densidade (25 ºC / 1 atm): 0,9950 g/cm3

Características ecológicas da água

Abundância (%): ~71 % da superfície terrestre

Abundância (Vol.): ~330.000.000.000 L ou 3,3 x 1011 L

Distribuição: água salgada; calotas polares; nuvens; rios; aquíferos; lagos...

Organismos aquáticos: > 8500 espécies

Organismos semiaquáticos: > 4500 espécies

H+O+C+N > 99%

Na+Mg+K+Ca+P+S+Cl ~ 0,9%

V+Cr+Mn+Fe+Co+Ni+Cu+Zn+Mo+Se+I+F ~ 0,1%

Poucos elementos químicos

compõem a maior parte

(m/m) dos organismos vivos.

Composição química da vida

Composição química da vida

Água corporal durante a vida

Água corporal durante a vida

Água corporal durante a vida

Respiração: ~0,4 L

Urina: ~1,2 L

Transpiração: ~0,6 L

Evacuação: ~0,1 a 0,3 L

Total: ~2,5 L/dia

Ingestão diária: água (~1,5 L)

& alimentos (~1,0 L)

Ingestão diária: ~35 mL/Kg

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Dinâmica da água no corpo

Estrutura química da água

O átomo de hidrogênio compartilha um

par de elétrons com o oxigênio,

produzindo uma geometria característica

(104,5°).

Ponte de Hidrogênio

Interações iônicas Atrativa

Repulsiva

Interações hidrofóbicas

Interações de van der Waals Quaisquer átomos

em estreita

proximidade

Interações químicas da água

Interações químicas da água

Assim, os hidrogênios assumem carga

aparente positiva, revelando a polaridade

da água.

Como o oxigênio é mais eletronegativo

("força de atração dos elétrons") que o

hidrogênio, forma ao seu redor uma

nuvem eletrônica negativa (carga

aparente).

Pontes de hidrogênio

Cada molécula de água estabelece quatro

ligações de hidrogênio com as moléculas

vizinhas; sendo, portanto, muito intensas

as forças que as mantêm unidas.

Pontes de hidrogênio e propriedades da água

Ponto de fusão (o C)

Ponto de ebulição (o C)

Calor de evaporação(J/g)*

Aceptor de hidrogênio

Doador de hidrogênio

Molécula Ponto de

ebulição (oC)

Butanol 117

Butano -0,5

O aceptor de hidrogênio é, geralmente,

um oxigênio ou nitrogênio.

O hidrogênio doador está sempre ligado a

um átomo eletronegativo (O, N, S).

A ligação C—H não é suficientemente

polar para formar pontes de hidrogênio.

Álcoois, aldeídos, cetonas e compostos

que contenham o grupamento N—H e

tendem a ser solúveis.

Pontes de hidrogênio e propriedades da água

Entre uma

carbonila e

a água

Entre uma

hidroxila e

a água

Esses tipos de ligações estão

presentes na superfície das

macromoléculas, tem papel

importante na solubilização.

Entre grupamentos

peptídicos

Tem papel muito

importante na

estrutura 3D das

proteínas.Determinam a estrutura em hélice

do DNA. São a base do

armazenamento e da duplicação da

informação genética.

Pareamento múltiplo entre

bases nitrogenadas

Pontes de hidrogênio e propriedades da água

Solubilidade em água

Sais cristalinos, compostos orgânicos

polares (açúcares, álcoois, aldeídos,

cetonas, ácidos).

Formação de pontes de hidrogênio

com os grupos hidroxila ou

carbonila.

Solubilidade em água

Substâncias anfipáticas

(fosfolipídeos, proteínas,

ácidos nucléicos).

Solubilidade em água

A água forma micelas,

interatuando com a

porção hidrofílica e

repelindo a porção

hidrofóbica.

Funções da água

1. Transporte de substâncias;

2. Reações químicas;

3. Termorregulação;

4. Equilíbrio osmótico;

5. Equilíbrio ácido-base;

1. Transporte de substâncias

Passivo – mediado por transportador Ativo – mediado por transportador

1. Transporte de substâncias

2. Reações químicas

Seres vivos só podem existir

em uma estreita faixa de

temperatura.

3. Termorregulação

A água evita variações

bruscas de temperatura nos

organismos. A transpiração diminui a

temperatura corporal de

mamíferos.

4. Equilíbrio osmótico

5. Equilíbrio ácido-base

Alguns elementos químicos e suas funções no organismo humano

Elemento Funções Fontes

Cálcio (Ca)Componente de ossos e dentes; essencial à coagulação

do sangue e à contração muscularVegetais, leite e laticínios

Cobalto (Co)Componente da vitamina B12; essencial

para a produção de HemáciasCarnes e laticínios

Enxofre (S)Componente de muitas proteínas; necessário

à atividade metabólica normalCarnes e legumes

Ferro (Fe)Componente da hemoglobina, mioglobina

e enzimas Respiratórias

Fígado, carnes, gema de

ovo, legumes

e vegetais Verdes

Flúor (F)Componente dos ossos e dos dentes;

proteção contra cáriesÁgua fluorada

Fósforo (P)Componente de ossos e dentes; componente

do ATP, do DNA e do RNA

Leite e laticínios,

carnes e cereais

Iodo (I) Componente dos hormônios da glândula tireóideaFrutos do mar; sal de

cozinha iodado e laticínios

Magnésio (Mg)Componente da clorofila e de coenzimas; necessário

ao funcionamento de nervos e Músculos

Cereais integrais,

vegetais verdes

Potássio (K)Principal cátion do líquido intracelular; participa da

contração muscular e do impulso nervosoCarnes, leite e frutas

Sódio (Na)Principal cátion do líquido extracelular; importante no balanço

de líquidos do corpo; participa da contração muscular e do impulso nervoso

Sal de cozinha e muitos

tipos de Alimentos

Sais minerais

Movimento das células e contração muscular

Sinalização celular e neurotransmissores

Cálcio (Ca)

Enxofre (S)

Ferro (Fe)

Fósforo (P)

Iodo (I)Iodo (I)

Canal de K+ Bomba de Na+/K+

ATPase tipo P

Potássio (K)

Sódio (Na)

GLICÍDIOS: CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

Nucleotídeos: ácidos nucleicos (DNA e RNA).

Biomoléculas (monômeros) e seus polímeros

Glicídio: polissacarídeos (amido, celulose).

Ácidos graxos: (fosfolipídeos, triglicerídeos). Aminoácidos: (proteínas ou polipeptídios).

Os carboidratos são as biomoléculas mais abundantes na natureza, e apresentam a

seguinte fórmula geral: [C(H2O)]n, daí o nome carboidratos ou hidratos de carbono.

Desempenham uma ampla variedade de funções, tais como:

Fonte de energia – representam de 40 a 50% da ingestão energética diária

Reserva de energia (glicogênio e amido)

Matéria prima para a biossíntese de outras macromoléculas

Glicídios

Glicídios

Monossacarídeos

Glicose

Frutose

Galactose

Dissacarídeos

Maltose

(Glicose + Glicose)

Sacarose

(Glicose + Frutose)

Lactose

(Glicose + Galactose)

Glicídios

Polissacarídeos

PROTEÍNAS: CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

Proteínas são moléculas

orgânicas formadas por

aminoácidos.

Existem cerca de 20

aminoácidos, divididos entre

essenciais, condicionalmente

essenciais e não-essenciais.

Proteínas são complexas, e

podem conter mais de um

polipeptídio (conjunto de

aminoácidos).

A cadeia lateral denominada “R” determina o

tipo de aminoácido a ser formado. Note, na

imagem, que o elemento “R” é substituído

para formar os aminoácidos glicina, alanina,

serina e histidina.

Aminoácidos

Aminoácidos

Não carregados

polares

Não carregados

polares

BásicosÁcidos

Apolares

Peptídeos

São cadeias de aminoácidos unidos entre si por ligações peptídicas entre um grupo

amino e um grupo carboxila.

Como vimos anteriormente, esse tipo de reação ocorre em solução aquosa e envolve

um processo de condensação, onde há perda de água (A-OH + H-B -> AB + H2O).

Estrutura primária das proteínas

Nessas proteínas, aminoácidos unidos por ligações peptídicas formam uma estrutura

linear (uma “linha”), com pouca interação entre aminoácidos de diferentes partes da

cadeia.

Estrutura secundária das proteínas

Nessas proteínas, uma cadeia primária começa a se contorcer e assumir uma forma

mais tridimensional.

Estrutura terciária das proteínas

Nas proteínas terciárias, diversas interações químicas (pontes de hidrogênio, pontes

dissulfeto...) passam a ocorrer entre as cadeias primárias de aminoácidos,

aumentando sua tridimensionalidade.

Estrutura terciária das proteínas

Dentre as interações que sustentam a estrutura terciária das proteínas, encontramos

ligações iônicas, covalentes, pontes de hidrogênio, interações hidrofóbicas e forças de

Van der Waals.

Estrutura quaternária das proteínas

A estrutura quaternária implica, necessariamente, na união de duas ou mais cadeias

polipeptídicas, que podem ser estruturas primárias, secundárias e/ou terciárias,

como mencionado anteriormente.

Estrutura quaternária das proteínas

A hemoglobina, proteína responsável por garantir o transporte de oxigênio pela

corrente sanguínea, é um exemplo de proteína quaternária importante no contexto

biológico.

Estrutura das proteínas

Enzimas

Proteínas possuem muitas funções biológicas. Elas podem atuar no transporte de

oxigênio (hemoglobina), na estrutura de tecidos (colágeno), na defesa do organismo

(anticorpos), como hormônios (insulina), na contração muscular (actina) e até como

reserva energética em casos especiais.

Uma das principais funções de proteínas, porém, é a atividade enzimática, que

garantem a ocorrência de reações químicas importantes para o organismo.

REAGENTE PRODUTO

REAGENTE PRODUTO

Sem enzima

Com enzima

Reação lenta

Reação rápida

Catálise de reações

Note, no gráfico abaixo, como a presença da enzima diminui a energia total (eixo y)

necessária para que uma reação aconteça ao longo do tempo (eixo x).

Modelo chave-fechadura

As reações químicas de condensação e hidrólise são facilitadas por enzimas

específicas para cada tipo de substratos. Substrato, nesse caso, se trata dos reagentes

de uma reação química.

Coenzimas (ou cofatores)

Frequentemente, enzimas (apoenzimas) necessitam de um elemento não-proteico

para funcionar adequadamente. Esse elemento é chamado de coenzima (ou cofator)

e, com frequência, se trata de uma vitamina.

Temperatura e acidez

Tal como no caso de outras proteínas, temperatura, acidez e outros fatores podem

causar desnaturação, o que no caso das enzimas promove perda da capacidade de

reagir com o substrato.

Temperatura e acidez

LIPÍDIOS: CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

São glicerídeos, ceras,

esteroides e vitaminas

lipossolúveis.

Em geral, compartilham a

característica de não-

polaridade, ou seja, baixa

solubilidade em água.

Dizemos que os ácidos graxos

são os monômeros dos

lipídios, isso quando falamos

de glicerídeos e ceras.

Triglicerídeo

(triacilglicerol)

Cera

(palmitato de cetila)

Esteroides

(colesterol)

Vitaminas lipossolúveis

(betacaroteno)

Glicerídeos representam um

grupo de substâncias onde a

molécula de glicerol se une a

uma (monoacilglicerol), duas

(diacilglicerol) ou três

(triacilglicerol) moléculas de

ácidos graxos.

Glicerídeos

Triglicerídeo

(triacilglicerol)

Glicerídeos são o principal

componente lipídico da dieta,

eles são importantes na

composição da membrana

celular e na produção de energia

para os animais.

Ceras

Ceras, ou cerídeos, representam

um grupo de substâncias onde

uma molécula de álcool

(diferente do glicerol) se une a

moléculas de ácidos graxos.

Cera

(palmitato de cetila)

Por possuírem baixíssima

solubilidade em água, cerídeos

são muito comumente utilizadas

por plantas e animais como

impermeabilizantes naturais.

Esteroides

Esteroides são um grupo de

substâncias lipídicas baseadas

na molécula de colesterol.

Muitos hormônios (testosterona,

estrógenos...) são derivados do

colesterol. Além disso, o

colesterol é muito importante na

composição da membrana

celular.

Esteroides

(colesterol)

Vitaminas lipossolúveis

Vitaminas lipossolúveis

(betacaroteno)

Vitaminas lipossolúveis são um

grupo de nutrientes essenciais

para o consumo humano.

Apesar disso, essas vitaminas

pertencem a classes químicas

distintas.

São as vitaminas lipossolúveis:

retinóis (vit. A), calciferol (vit.

D), tocoferol (vit. E) e

filoquinona (vit. K).

Vitaminas

Vitaminas são substâncias não definidas em uma única classe química. Elas são um

conjunto de elementos consumidos em pequenas concentrações na dieta, mas que

possuem funções essenciais à sobrevivência do organismo.

A maioria das vitaminas atua como cofatores enzimáticos (coenzimas); dessa forma,

sua deficiência (hipovitaminose) pode trazer consequências graves à saúde.

Vitaminas podem ser hidrossolúveis (vitamina C e vitaminas do complexo B) ou

lipossolúveis (vitamina A, D, E e K).

Vitamina C (ácido ascórbico)

Nome genérico Nome

Químico

Fontes Carência

Vitamina B1 Tiamina Cereais, carnes, vegetais

Beribéri

(Problemas neurológicos e

dificuldades respiratórias)

Vitamina B2 Riboflavina Carnes, ovos e vegetais Dermatite

Vitamina B3 ou PP Niacina Carnes, ovos e laticínios

Pelagra – Doença dos 3 Ds

Dermatite, Demência e

Diarréia

Vitamina B6 Pirodoxina Carnes, cereais, ovos e

laticínios

Cansaço, metabolismo baixo,

distúrbios nervosos

Vitamina B11 Ácido Fólico Carnes, ovos, frutas e

cereais.

Anemia

Vitamina B12 Cobalamina Carnes, ovos e laticínios Anemia Perniciosa

Vitamina C Ácido

Ascórbico

Frutas cítricas, vegetais

folhosos

Escorbuto

(Hemorragia nas gengivas e

inflamação das articulações)

Vitaminas hidrossolúveis

Nome genérico Nome

Químico

Fontes Carência

Vitamina A Retinol

Legumes, frutos e vegetais

folhosos

Xeroftalmia

(Ressecamento da retina)

Cegueira noturna

Vitamina D Calciferol

Carnes, ovos e laticínios

* Alimentos contém precursor

que se transforma em vitamina

D quando exposto aos raios

ultravioleta

Raquitismo

Vitamina E Tocoferol Carnes, ovos e laticínios Esterilidade Masculina

Vitamina K Filoquinona Vegetais em geral Hemorragias

Vitaminas lipossolúveis

ÁCIDOS NUCLEICOS: CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

Composição química dos nucleotídeos

Os polinucleotídeos (“ácidos nucleicos”) são

compostos por nucleotídeos. Os melhores

exemplos de ácidos nucleicos são o DNA

(ácido desoxirribonucleico) e o RNA (ácido

ribonucleico).

Nucleotídeos contém três elementos

fundamentais: (1) base nitrogenada; (2)

açúcar e (3) grupamento fosfato.

(1) base nitrogenada

(2) açúcar

(3) grupamento fosfato

Composição química dos nucleotídeos

Existem 5 tipos de bases nitrogenadas: guanina e adenina, que são purinas & citosina,

uracila e timina, que são pirimidinas.

Nas moléculas de DNA estão presentes a adenina, timina, citosina e guanina, enquanto que

nas moléculas de RNA estão presentes adenina, uracila, citosina e guanina. Note que a

única substituição é da timina pela uracila.

Interação entre nucleotídeos

Nas moléculas de DNA, dois nucleotídeos

realizam ligações de hidrogênio entre si para

garantir que a estrutura do ácido nucleico

seja sustentada.

Na presença de um nucleotídeo contendo

adenina (purina), sempre se ligará um outro

nucleotídeo contendo timina (pirimidina), se

a molécula for de DNA e uracila

(pirimidina), se a molécula for de RNA.

Na presença de um nucleotídeo contendo

guanina (purina), sempre se ligará um outro

nucleotídeo contendo citosina (pirimidina),

tanto nas moléculas de DNA quanto de RNA.

A dupla hélice (DNA)

Nucleotídeos se unem em pares através de

suas bases nitrogenadas.

As ligações químicas entre as bases são do

tipo ponte de hidrogênio, sendo duas para a

interação de adenina com timina e três para

a interação de citosina com guanina.

Note que as fitas estão orientadas de maneira

oposta entre si, fazendo com que a ligação

entre fitas simples de DNA se chame

“antiparalela”.

Genes

Genes são pequenas sequências de pares de

nucleotídeos dentro de uma grande molécula

de DNA.

Um cromossomo é uma molécula de DNA

com grande quantidade de nucleotídeos, que

formam nesse cromossomo diversos genes.

Cada gene traz a informação necessária para

produzir RNA e proteínas na célula, gerando

o que chamamos de fenótipo, algo como a

“aparência” do organismo.

RNA

RNA, como sabemos, é uma

molécula de ácido nucleico,

composta por nucleotídeos

que contém a combinação

de quatro bases

nitrogenadas.

No caso do RNA, as a

uracila (pirimidina)

substitui a timina e pode,

eventualmente, interagir

com uma base de adenina.

O RNA é uma fita simples,

mas como nas proteínas,

pode assumir conformação

tridimensional. Isso garante

interação entre algumas

bases nitrogenadas.

RNAt (RNA transportador)

O RNAt, ou RNA transportador, é uma molécula de RNA

que atua na síntese (“construção”) de novas proteínas. Seu

papel é adicionar aminoácidos à cadeia peptídica.

RNAr (RNA ribossômico)O RNAr, ou RNA ribossômico, é uma riboproteína (RNA

+ proteínas) que também participa na síntese de proteínas

utilizando uma outra forma de RNA, o RNAm (RNA

mensageiro).