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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).