Matéria: Biologia Assunto: Moléculas, células e tecidos - Bioquímica Prof. Enrico Blota
Biologia Moléculas, células e tecidos - Bioquímica Leitura complementar- Água, sais minerais e vitaminas Água A água não é só a substância mais abundante no ambiente, ela representa cerca de 75% das substâncias que compõem o corpo dos seres vivos, podendo variar em idade, espécie e metabolismo celular. Aproximadamente 65% da massa do indivíduo humano adulto é água e nosso encéfalo apresenta em média 90% dessa molécula. Os músculos possuem até 85% e os ossos variam de 20% a 40%. É importante salientar as propriedades que a água apresenta. As propriedades da água são: solvente universal; calor específico (energia para elevar de 1°C a quantidade de 1g de água); regulação térmica; adesão, coesão e tensão superficial; transporte de substâncias (capilaridade); hidrólise. Sabe-se, da calorimetria, que a capacidade térmica refere-se a determinado corpo (pois considera a massa), enquanto o calor específico diz respeito à substância. A água apresenta um alto calor específico (maior que o álcool e o mercúrio, por exemplo), o que faz dela um excelente protetor térmico contra variações de temperatura do ambiente. Mesmo que ocorram alterações bruscas de temperatura no meio externo, as condições biológicas internas do organismo que contém muita água permanecem mais estáveis. Os endotermos mantêm a temperatura constante com auxílio da água, principalmente em regiões quentes. As reações químicas também dependem da água para ocorrer e, sem água, não há atividade enzimática. Sais minerais São classificados de acordo com as quantidades presentes no corpo e necessárias a uma dieta equilibrada. Macronutrientes-nitrogênio, cálcio, fósforo, potássio, cloro, magnésio, enxofre, carbono, hidrogênio e oxigênio. Micronutrientes (oligoelementos)- ferro, zinco, cobre, iodo, flúor, cromo, selênio, cobalto, manganês, molibdênio, vanádio, níquel, estanho e silício. Alguns importantes sais: •• Cálcio - Componente dos ossos e dentes. Importante para a coagulação e contração muscular. Encontrado em diversos vegetais, leite e derivados. •• Cloro - Principal ânion do meio extracelular. Importente para o balanço hídrico do corpo. Presente no sal de cozinha e diversos tipos de alimento. •• Cobre - Componente de muitas enzimas. Essencial para a síntese da hemoglobina. Encontrado no fígado, ovos, peixes, feijão e outros. •• Enxofre - Componente de proteínas diversas, é essencial para a síntese das proteínas, já que está presente no aminoácido metionina. Encontrado em carnes e legumes.
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•• Ferro - Componente da hemoglogina, mioglobina e enzimas respiratórias. É fundamental para a respiração celular e no transporte dos gases respiratórios. Encontrado no fígado, carnes, gema de ovo, legumes e vegetais verdes. •• Fósforo - Importante componente dos ácidos nucleicos (DNA e RNA), do ATP, ossos e dentes. Encontrado no leite e derivados, carnes e cereais. •• Magnésio - Envolvido nas contrações musculares e impulso nervoso. Ativa reações químicas que produzem energia nas células. Está presente na clorofila e, portanto, é importante para a fotossíntese. Encontrado em castanhas, peixes, leite, cereais, soja, verduras. •• Potássio - Auxilia na saúde dos músculos, impulso nervoso e ajuda no equilíbrio hídrico do corpo. É muito concentrado no meio intracelular. Encontrado em grandes concentrações na banana. •• Sódio- Com funções semelhantes às do potássio. É muito concentrado no meio extracelular. Encontrado em quase todos os alimentos. Vitaminas O termo vitamina é empregado para substâncias orgânicas necessárias em pequenas quantidades, importantes em atividades metabólicas do organismo e que, como regra geral, não são sintetizadas por ele. Podem ser hidrossolúveis (solúveis em água) ou lipossolúveis (solúveis em lipídios). De maneira geral, as vitaminas lipossolúveis podem ficar mais tempo armazenadas no organismo. As vitaminas lipossolúveis são a vitamina K,A.D e E e as hidrossolúveis são a C e as do complexo B. Algumas vitaminas: •• Vitamina K (filoquinona) - Atua na coagulação do sangue prevenindo hemorragias. Presente em vegetais verdes, tomate e castanhas. •• Vitamina A (retinol) - Essencial para o funcionamento dos olhos, pois é precursora de pigmentos da retina. Previne a cegueira noturna e xeroftalmia (olho seco). Fontes importantes são os vegetais amarelos, gema de ovo e fígado. •• Vitamina D (calciferol) - Atua no metabolismo do cálcio e fósforo. Mantém ossos e dentes saudáveis. Previne o raquitismo. Principais fontes são óleo de fígado de bacalhau, fígado e gema de ovo. •• Vitamina E (tocoferol) - Auxilia na fertilidade masculina, atua no sistema nervoso involuntário e músculos involuntários. Previne a esterilidade masculina e envolvida na prevenção do aborto. Suas fontes são carnes magras, laticínios, alface e outras. •• Vitamina C (ácido ascórbico) - Mantém a integridade dos vasos sanguíneos e dos tecidos conjuntivos. É precursora do colágeno. Previne o escorbuto (mal das gengivas). Encontrada nas frutas cítricas, tomate, pimentão e outras. •• Vitamina B1 (Tiamina) - Atua no tônus muscular e no bom funcionamento do sistema nervoso. Previne o beribéri. Encontrada em cereais, feijão, fígado, carne de porco e outros. •• Vitamina B3 (Niacina) - Como a B1, auxilia no funcionamento dos músculos e sistema nervoso. Também ajuda no funcionamento do sistema digestório. Previne o pelagra (pele seca) e distúrbios do tubo digestivo. Encontrada em carnes magras, ovos, fígado e leite. •• Vitamina B5 (ácido pantotênico) - Componente da Coenzima A, que atua em processos energéticos celulares. Previne anemia, fadiga e dormência dos membros. Encontrada na carne, leite e derivados, verduras e cereais.
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•• Vitamina B9 (ácido fólico) - Importante para a síntese do DNA e para a formação do sistema nervoso durante o desenvolvimento embrionário. Previne anemia e má formação fetal (espinha bífida). Encontrada em vegetais verdes, frutas e cereais integrais. •• Vitamina B12 (cianocobalamina) - Importante para maturação das hemácias e síntese dos nucleotídios. Previne anemia perniciosa e distúrbios nervosos. Suas fontes são carnes, ovos, leite e derivados. Carboidratos São moléculas orgânicas formadas por C, H e O. Podem ser chamados de açúcares ou glicídios e a glicose é um dos açúcares mais comuns na natureza, sendo produzida pelo processo de fotossíntese (nos cloroplastos) e aproveitada durante a respiração celular para produção de energia ATP. No caso dos vegetais a glicose pode ser armazenada em caules e raízes na forma de amido. Já nos animais a glicose pode ser armazenada no fígado e nos músculos na forma de glicogênio. Podem ser divididos em três grupos 1. Monossacarídeos Apresentam fórmula (CH2O)n, em que “n” pode variar de 3 a 7. Assim, teremos trioses (3 carbonos), tetroses (4 carbonos), pentoses (5 carbonos), hexoses (6 carbonos) e heptoses (7 carbonos). Os monossacarídeos mais comuns são as hexoses, como por exemplo a glicose C6H12O6. As pentoses, como a ribose e a desoxirribose, também são monossacarídeos importantes e apresentam fórmula C5H10O5. Os monossacarídeos são sólidos, cristalinos e solúveis em água e apresentam sabor doce como regra geral. Os carboidratos são usados como fonte energética para o processo de respiração celular.
Desoxirribose Glicose
Outros tipos de monossacarídeos como as trioses e heptoses participam nos processos bioquímicos de respiração celular e fotossíntese, como compostos intermediários.
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2. Oligossacarídeos São açúcares formados pela união de 2 a 10 moléculas de monossacarídeos. Há vários tipos de oligossacarídeos, porém destacam-se os dissacarídeos, importantes na alimentação humana. São formados pela união de 2 monossacarídeos. Sacarose – glicose + frutose - encontrado na cana de açúcar. Maltose – glicose + glicose - encontrada em cereais e resultado da quebra do amido na digestão humana. Lactose – glicose + galactose - encontrada no leite. Os dissacarídeos e também os polissacarídeos podem ser sintetizados pela reação de desidratação. Cada dois monossacarídeos unidos liberam uma molécula de água. A síntese da maltose é um exemplo desse processo. Porém, eles também podem sofrer digestão por reações de hidrólise (na presença da água e enzimas), onde são novamente transformados em monossacarídeos ou dissacarídeos. A rafinose (presente no feijão) é um exemplo formado pela união da galactose + glicose + frutose, sendo um outro exemplo de oligossacarídeo. Monossacarídeo C6H12O6
OH + HO
Monossacarídeo C6H12O6
Reação de hidrólise
Reação de síntese
Ligação glicosídica O + H2O
3. Polissacarídeos São açúcares formados pela união de muitas moléculas de monossacarídeos. Podem ter função estrutural, como é o caso da quitina (açúcar importante na formação do exoesqueleto dos artrópodes e cerdas dos anelídeos) e da celulose. Apresentam também função de reserva energética, como é o caso do amido (reserva nos vegetais) e do glicogênio (reserva em fungos e animais). O glicogênio também é armazenado nos nossos músculos para uso no exercício muscular. Outros polissacarídeos importantes são a heparina (anticoagulante) e o ácido hialurônico (que participa da reação acrossômica e é um dos componentes das membranas das células e permite união entre elas). São pouco solúveis ou insolúveis em água e possuem alto peso molecular.
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Lipídios São moléculas formadas pela união de ácidos graxos e um álcool (no geral esse álcool é o glicerol). Assim como os hidratos de carbono (açúcares) são formados por C, H e O, mas podem apresentar outros constituintes associados a molécula (o fósforo por exemplo). Encontramos lipídios em diversas partes no nosso corpo e dos animais, assim como nos vegetais. Além da função energética que apresentam, estão presentes na composição da membrana celular e, isolam, nos neurônios, a condução dos impulsos nervosos (bainha de mielina) além de servir como isolante térmico sob a pele dos mamíferos. O tecido adiposo e o colesterol são exemplos de lipídios encontrados nos animais. As ceras são importantes lipídios encontrados nos vegetais. Os lipídios são insolúveis em água e solúveis em solventes orgânicos (éter, benzina, clorofórmio e álcool)
H
O
—
— —
Região derivativa do glicerol
Região derivada dos ácidos graxos H3
H 2C
HC CH 2C 2 H CH 2
C H — C — O — C — CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH = CH
2
— —
O H — C — O — C — CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 — —
O —
H — C — O — C — CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 H
Classificação dos lipídios Podem ser simples, apenas apresentando C, H e O. Os glicerídios (óleos e gorduras), as ceras (abelha, frutos e ouvido) e os esteróides (hormônios sexuais, hormônios corticóides, colesterol, sais biliares, vitaminas lipossolúveis). Já os complexos são aqueles que possuem em sua composição o nitrogênio, fósforo ou enxofre, como é o caso dos lipídios conjugados fosfolipídios, glicolipídios e cerebrosídios. As moléculas de glicerídeos, óleos em estado líquido (insaturados) e gorduras em estado sólido (saturados), são formadas por glicerol e três ácidos graxos. Os glicerídeos estão na composição da manteiga, da banha, dos queijos, do leite e nos óleos de origem vegetal. As ceras ou cerídeos são formados por uma grande cadeia de álcool, bem maior que o glicerol, ligada a um ácido graxo (permitem, por exemplo, impermeabilização – encontramos, também, na planta carnaúba). Os esteróides são formados pela combinação de ácidos graxos com alcoóis policíclicos, ou seja, de cadeias fechadas. Formam importantes hormônios (estrógeno, progesterona e testosterona) do corpo, além do colesterol. Este é um esteróide encontrado na membrana plasmática. Parte do colesterol é produzido pelo fígado, outra parte obtemos
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na alimentação (nas gorduras de origem animal). Lembre que a vitamina D (calciferol) e os sais biliares também estão enquadrados neste grupo.
OH CH3 CH3 HO
Estrógeno
Os fosfolipídios (glicerídeo + fosfato) são constituintes da membrana plasmática e os carotenóides são pigmentos amarelos (caroteno – na cenoura) e vermelho (licopeno – no tomate). Os glicolipídios são outros tipos de lipídios complexos encontrados no glicocálix da membrana plasmática de certas células e os cerebrosídeos são lipídios complexos encontrados no tecido nervoso. Proteínas São formadas pela união de vários aminoácidos (cinqüenta ou mais). Correspondem ao grupo de substãncias orgânicas com maior versatilidade de funções biológicas. Na natureza encontramos 20 tipos de aminoácidos e alguns organismos são capazes de sintetizar todos os tipos. Em alguns casos, os seres utilizam o esqueleto carbônico da glicose e do nitrato absorvido do solo e montam os aminoácidos para seu metabolismo, como ocorre nas plantas. Outros seres vivos são incapazes de produzir todos os aminoácidos de que necessitam, sendo obrigados a obtê-los pela dieta, como é o caso dos humanos. As proteínas são formadas por ligações peptídicas (entre os aminoácidos), assim poderemos formar pequenos fragmentos chamados de peptídios. Por exemplo: dois aminoácidos formam um dipeptídio, três formam um tripeptídio. Até dez unidades temos os chamados oligopeptídios. Acima disso temos os polipeptídios. Proteínas são polipeptídios biologicamente ativos.
R
H2N
C
Amina
H
C
O OH
Carboxila
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Alguns aminoácidos e seus radicais
A ligação peptídica é aquela que se estabelece entre o grupo amina de um aminoácido com o grupo carboxila do outro aminoácido, nesse processo ocorre saída de água (síntese por desidratação). A ligação peptídica:
H2N
R
O
H
R
C
C
N
C
H
C
H
O OH
Os aminoácidos são divididos em dois grupos quanto à necessidade. Na espécie humana são os seguintes: Naturais (não essenciais) - Produzidos pelo próprio organismo. São eles: Tirosina, alanina, ácido aspártico, arginina, histidina, ácido glutâmico, aspargina, cisteína, glicina, serina, prolina, glutamina e histidina (não produzido pelo recém nascido) Essenciais- Não são produzidos pelo próprio organismo. São eles: Fenilalanina, lisina, triptofano, treonina, isoleucina, metionina, valina, leucina. O leite, a carne, os ovos, a gelatina e outros alimentos podem ser utilizados como fonte de aminoácidos para o organismo. A proteína caseína, que é utilizada pelo organismo como fonte de aminoácidos naturais, está presente no leite.
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Classe das proteínas
Exemplo
Enzimas
Amilase, tripsina
Transporte
Hemoglobina, mioglobina
Protetoras (defesa)
Anticorpos, imunoglobulinas
Hormônios (regulatórias)
Insulina, prolactina
Estruturais
Colágeno, elastina, queratina
Movimento (contração)
Actina, miosina
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Estrutura das proteínas
Enzimas São proteínas que aceleram reações químicas, aumentando a velocidade da reação e não são consumidas durante o processo. Isso justifica o fato de serem necessárias em baixas concentrações. Para catalisarem as reação devem interagir com os “reagentes” (substratos). Assim, numa certa região da enzima (o centro ativo), encontramos uma forma que se encaixa ao substrato. Numa analogia teremos então uma chave de fenda (enzima) se encaixando no parafuso (substrato). Portanto existe alta especificidade enzima-substrato (chave-fechadura), dessa forma uma enzima atua em algum tipo de substrato, mas não em outro. Por exemplo, a maltase quebra a maltose, mas não a sacarose. Os fatores que interferem em uma atividade enzimática são a temperatura, o pH e a concentração do substrato (salinidade).
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Atenção! A miosina é a proteína que, associada à actina, produz a contração muscular. CD4 é a proteína de membrana de alguns linfócitos (glóbulos brancos), lembre que ela é a proteína que liga-se à proteína viral. Albumina é a proteína de reserva energética, tendo importante ação osmótica no sangue. Queratina é a proteína de ação estrutural de revestimento, presente na epiderme e em anexos epidérmicos dos vertebrados. Imunoglobulinas são os chamados anticorpos, proteínas específicas que atacam e inativam agentes estranhos que entram no organismo. Hemoglobina é a proteína que transporta oxigênio dos pulmões para as células. Quando as proteínas são submetidas à elevação de temperatura, a variações de pH ou a certos solutos como a uréia, sofrem alterações na sua configuração espacial, e sua atividade biológica é perdida. Este processo se chama desnaturação. Ao romper as ligações originais, a proteína sofre novas dobras ao acaso. Geralmente, as proteínas se tornam insolúveis quando se desnaturam. É o que ocorre com a albumina da clara do ovo que, ao ser cozida, se torna sólida.
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