PROCESSOS BIOLÓGICOS
CAPÍTULO 1 - O SURGIMENTO DAS
CÉLULAS: COMO A QUÍMICA E A BIOLOGIA
PODEM EXPLICAR?
Introdução
Você já se questionou de onde viemos e como viemos? Já se perguntou como a vida surgiu? Dentre as teorias existentes, as teorias evolucionistas do surgimento da vida são as mais aceitas na contemporaneidade para explicar as questões que dizem respeito às inúmeras dúvidas sobre o início da vida em suas mais diversas formas. Você já parou para observar o quão diversa a vida se apresenta? Há uma infinidade de formas de vida, desde as mais simples, formadas por uma única célula, até as mais complexas, como nós, os seres humanos, pluricelulares e altamente organizados. Mas, como foi possível o surgimento dos seres mais simples e como se deu a formação dos seres mais complexos? A premissa base mais aceita no meio científico é respaldada na formação da sopa primordial ou sopa orgânica. Trata-se de uma teoria que alia conhecimentos químicos e biológicos para explicar como uma sopa orgânica, contendo inicialmente átomos e moléculas simples, foi capaz de originar todas as formas de vida. A teoria se fortaleceu com a observação in vitro de tal acontecimento, com a formação de aminoácidos, blocos estruturais das proteínas, que são as macromoléculas mais abundantes nos seres vivos (JUNQUEIRA, 2012). Neste capítulo, veremos com mais detalhes sobre a formação da vida do ponto de vista químico e biológico. Assim, poderemos compreender como ligações químicas entre átomos e moléculas simples, foram responsáveis pela estruturação de moléculas orgânicas com enorme importância biológica no contexto do surgimento da vida.
1.1 Química dos organismos vivos
A química é uma ciência exata muito atrelada à formação da vida. Há milhões de anos, elementos químicos se agruparam por meio de ligações químicas em um processo gradual e complexo e deram origem à moléculas orgânicas precursoras das formas de vida mais simples. Essas formas simples, eventualmente, passaram por processos evolutivos que deram origem a rotas bioquímicas que possibilitaram a evolução para formas mais complexas. Mas tudo começou com elementos químicos simples. Não é incrível? Nesta sessão, iremos explorar os conceitos da química no contexto dos organismos vivos e surgimento da vida.
1.1.1 Composição química das células
Você certamente já ouviu dizer que somos feitos majoritariamente por água, não é mesmo? Essa premissa é absolutamente correta, visto que somos formados por células, e elas têm, em sua composição, a água como elemento mais abundante.
Mas, antes de iniciar seus estudos sobre a composição química das células, assista ao vídeo especialmente desenvolvido para esta seção.
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Além da água, outros elementos estão presentes na célula, entre compostos orgânicos e inorgânicos. A composição química das células segue o padrão aproximado ilustrado pelo objeto a seguir. Clique nos itens para conferir!
É interessante notarmos que as células são a unidade funcional mais básica dos seres vivos, e têm características em comum tanto nos seres mais simples como nos mais complexos. Nesta seção, iremos conhecer e compreender a importância desses elementos comuns em quase todas as células.
1.1.2 Átomos, moléculas e íons
Os organismos vivos são compostos por somente uma pequena seleção dos 92 elementos químicos que ocorrem naturalmente (ilustrados na tabela periódica dos elementos), sendo que apenas quatro deles – carbono (C), hidrogênio (H), nitrogênio (N) e oxigênio (O) – representam 95% do peso de um organismo e formam algumas moléculas importantes em nossas células, como água, proteínas, carboidratos, lipídios e DNA. Os átomos desses elementos são ligados um ao outro por ligações químicas, formando moléculas.
Figura 1 - Tabela Periódica dos Elementos. Fonte: Humdan/Shutterstock.
Mas, você sabe o que são átomos e moléculas? Conhece qual a diferença entre eles? Clique nos itens a seguir e conheça mais sobre estas questões.
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Química
A química pode ser definida como o estudo da matéria e das transformações que ela sofre. •
Matéria
Matéria é tudo aquilo que ocupa espaço e possui massa. •
Estados da matéria
Toda matéria, pelo menos em princípio, pode existir em três estados: sólido, líquido e gasoso.
Vamos agora conhecer um breve relato histórico sobre a química e os estudos que a transformaram nessa •
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Vamos agora conhecer um breve relato histórico sobre a química e os estudos que a transformaram nessa ciência importante e imprescindível para a manutenção da vida humana.
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Uma molécula é um agregado de, pelo menos, dois átomos ligados em um arranjo definido por forças químicas (também chamadas de ligações químicas). Uma molécula pode possuir átomos do mesmo elemento ou átomos de dois ou mais elementos unidos.
A partir do tipo e número de átomos que uma molécula possui, podemos escrever sua fórmula molecular. Confira alguns exemplos, clicando nas abas abaixo.
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Dióxido de Carbono (CO2)
Possui dois átomos de oxigênio e um de carbono. •
Metano (CH4)
Possui um átomo de carbono e quatro de hidrogênio.
As moléculas que têm carbono na sua composição são chamadas de moléculas orgânicas, e aquelas que não têm são chamadas de inorgânicas. Posteriormente, iremos abordar as principais moléculas orgânicas, suas características e funções.
Como dito anteriormente, dois átomos permanecem unidos por ligações químicas para formar moléculas. Dois tipos de ligações químicas são muito importantes para a compreensão da química da vida: ligações covalentes e não covalentes. Ligação covalente é a ligação em que há compartilhamento de elétrons entre átomos; essas ligações tendem a ser mais fortes. Graficamente são mostradas como um ( – ) entre dois átomos, e podem ser ligações simples, duplas ou triplas, como ilustrado a seguir:
Figura 2 - Anotações moleculares amplamente utilizadas em bioquímica. Fonte: Udaix/Shutterstock.
Dentre as ligações não covalentes, se destacam as ligações de hidrogênio e as ligações iônicas. Esse é um tipo de ligação química em que não há compartilhamento de elétrons. A ligação é baseada na atração eletrostática entre átomos, como a ligação que ocorre entre Na+ e Cl- na formação do sal de cozinha.
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Figura 3 - Ligações químicas entre átomos. Fonte: Adaptada de Nasky; OSweetNature/Shutterstock.
Por fim, um íon é um átomo ou grupo de átomos que tem uma carga positiva ou negativa. Um ânion é um íon com carga negativa, em virtude de um aumento do número de elétrons, e um cátion, um íon com carga positiva, devido à perda de um ou mais elétrons. O cloreto de sódio (NaCl), o sal de cozinha, é denominado um composto iônico, pois é formado por cátions e aníons (Na+ e Cl-).
Dando sequência aos seus estudos sobre o surgimento das células, veremos sobre de outro elemento químico muito importante: a água. Vamos lá?
1.1.3 A Água
A água representa cerca de 70% do peso nos organismos. As teorias evolutivas celebram que a formação da vida como conhecemos atualmente é resultado das características dos ambientes aquosos primordiais.
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Figura 4 - Molécula da Água.
Fonte: Fonte: Shade Design/Shutterstock.com.
As características físico-químicas da água explicam por que a vida pode ter se estabelecido inicialmente em ambientes aquosos. Para conhecer mais sobre a água, clique nas setas abaixo.
O ponto de ebulição, fusão e vaporização da água é maior na água do que em outros solventes devido à grande coesão interna entre os átomos de hidrogênio e oxigênio da molécula.
A molécula de água possui dois dipolos elétricos, gerando uma ligação de hidrogênio (VOET, 2013).
Essa ligação é mais fraca que uma ligação covalente, permitindo que a água interaja com diversas moléculas, solubilizando-as.
Graças a essa propriedade, a água é conhecida como solvente universal. Compostos que se dissolvem bem na água são chamados de hidrofílicos. Aqueles que não se dissolvem, chamados de hidrofóbicos.
Além de solvente, a água também é importante para o processo de tamponamento celular, garantindo a dissociação de moléculas de hidrogênio e hidroxilas para manutenção do pH celular.
Adicionalmente, a água também tem papel reagente, podendo participar ativamente de reações químicas, como condensações, hidrólise e oxidorredução.
Os seres vivos são adaptados a ambientes aquosos e a grande maioria das reações bioquímicas ocorrem em ambiente aquoso, dentro das células, no citosol. Até mesmo as macromoléculas que repelem água se organizam em estruturas hidrofóbicas de dobramento essenciais para sua estabilidade, e sem a presença de água para induzir a repulsão, essa estrutura de dobramento não seria possível. Assim, a água é essencial para manutenção da vida, visto que sem ela, não ocorrem as reações necessárias para manutenção celular.
Figura 5 - Manutenção da vida.
Fonte: Fonte: ESB Professional/Shutterstock.com.
A seguir, você aprenderá mais sobre os ácidos e bases. Fique atento!
1.1.4 Ácidos e Bases
Um dos tipos de reação química mais simples, e que tem grande importância para as células, ocorre quando uma molécula que possui alguma ligação covalente altamente polar entre um hidrogênio e outro átomo se dissolve em água. Quando uma molécula polar fica rodeada por moléculas de água, o próton (H+) é atraído pela carga parcialmente negativa do átomo de oxigênio de uma molécula de água adjacente. Esse próton pode se dissociar facilmente do seu parceiro original e se associar ao átomo de oxigênio de uma molécula de água, gerando um íon hidrônio (H3O+) (ALBERTS, 2017).
Sendo assim, as moléculas que liberam prótons quando dissolvidas em água, formando, assim, H3O+, são denominadas ácido. Já a base é o oposto de ácido: é definida como qualquer molécula capaz de aceitar um próton de uma molécula de água. O interior das células também é mantido próximo da neutralidade pela presença de ácidos e bases fracos (tampões), que podem liberar ou receber prótons próximos do pH 7, o que mantém o ambiente celular relativamente constante sob uma grande variedade de condições.
1.1.5 Moléculas orgânicas
As moléculas orgânicas são aquelas que têm carbono como parte estrutural. O carbono é um elemento versátil, capaz de realizar diferente tipos de ligações covalentes – simples, duplas, triplas – com diferentes elementos químicos, como oxigênio, hidrogênio e nitrogênio, formando a estrutura básica das biomoléculas. Para compreender a química das células, devemos compreender a química dos elementos. Clique nos itens abaixo e conheça mais sobre o carbono.
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O carbono é o elemento primordial para formação dos compostos orgânicos que garantem a sobrevivência celular.
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A capacidade de formação de ligações do carbono reflete os diferentes tipos de biomoléculas. •
O carbono representa mais de 50% do peso seco total das células, explicitando a organização dos seres vivos em torno deste elemento.
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O carbono pode fazer até quatro ligações simples a partir de seu núcleo. A estrutura das quatro ligações remete a um tetraedro, com ligações nos quatro vértices.
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O carbono também realiza ligações duplas e triplas, por meio do compartilhamento de pares de elétrons, sendo dois pares compartilhados nas ligações duplas e três pares nas ligações triplas. •
A versatilidade das ligações resulta em um universo muito amplo e diverso de grupos químicos funcionais formados, que têm extrema importância para a dinâmica celular dos seres vivos.
Veja abaixo alguns exemplos de moléculas orgânicas (aminoácido alanina e glicose) e de como o átomo de carbono pode ser ligar a diversos outros átomos.
Figura 6 - Moléculas orgânicas. Fonte: Fonte: Shmitt Maria/Shutterstock.
Agora, para uma experiência mais dinâmica, acesse os links a seguir e explore essas moléculas em 3D! • • • • • •
Há centenas ou até milhares de biomoléculas nas células. Essas biomoléculas foram sendo conservadas ao longo dos processos evolutivos, participando ativamente das vias metabólicas essenciais dos seres vivos.
As principais biomoléculas, ou macromoléculas, presentes nas células são os carboidratos, lipídios, proteínas /enzimas e os ácidos nucleicos. Para conhecer mais sobre elas, clique nas abas a seguir.
Proteínas
As proteínas compreendem a segunda classe de elementos mais abundantes nas células. Elas são mediadores de praticamente todas as reações celulares. São polímeros, ou seja, a junção de monômeros de estruturas mais simples – chamadas de aminoácidos – que se polimerizam para formar uma estrutura complexa. Portanto, são polímeros de aminoácidos com funções diversas, incluindo função catalítica (enzimas), estrutural, transporte intra e extracelular, sinalizadores, entre outras. A ligação dos aminoácidos ocorre por meio de uma ligação peptídica, formando um polímero proteico através de ligações covalentes. Como resultado, são obtidas moléculas proteicas biologicamente ativas com funções diversas nas células, que possuem milhares de proteínas em seu interior.
Lipídios
Os lipídios são moléculas derivadas de hidrocarbonetos, ou seja, estruturas formadas primordialmente por carbono e hidrogênio. São insolúveis em água e são elementos importantes para manutenção estrutural da célula, visto que estão presentes na membrana plasmática como barreira seletiva e de proteção juntamente com agregados proteicos. As principais funções dos lipídios nas células são reserva energética, manutenção da temperatura e estrutural.
Carboidratos
Os carboidratos são estruturas formadas essencialmente por carbono, hidrogênio e oxigênio. O exemplo mais simples de carboidrato é a molécula de glicose. Os carboidratos podem sem simples (monossacarídeos) ou complexos (polissacarídeos) e são classificados popularmente como açúcares. São importantes como reserva
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complexos (polissacarídeos) e são classificados popularmente como açúcares. São importantes como reserva energética, estrutural, sinalização entre proteínas e outras macromoléculas, além de terem outras funções essenciais.
Ácidos nucléicos
Os nucleotídeos são os constituintes dos ácidos nucleicos, DNA e RNA. Cada nucleotídeo, apresenta três elementos principais em sua estrutura: uma base nitrogenada, uma pentose e um grupo fosfato. As bases nitrogenadas são quatro: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). A polimerização dos nucleotídeos origina os ácidos nucleicos: RNA ou DNA e ocorre por ligações do tipo fosfodiéster entre dois nucleotídeos. A distinção entre RNA e DNA ocorre pela presença de pentoses (açúcares de cinco carbonos) diferentes, e a substituição da base timina, por uma base chamada uracila (U). A estrutura dos ácidos nucléicos é helicoidal em dupla-hélice, com bases complementares (pares de base) ligadas por pontes de hidrogênio, e foi proposta por Watson e Crick.
Você sabe quem descobriu o DNA? Dê continuidade aos seus estudos e confira!
Nas próximas sessões, você estudará mais detalhes sobre as macromoléculas essenciais. Este e outros temas serão abordados para que a compressão da importância delas nas células seja esclarecida e melhor fixada. Vamos continuar explorando a maquinaria celular?
1.2 Origem da vida e teoria celular
Como a vida começou? A explicação da origem da vida para as ciências biológicas tem um marco muito importante: a descoberta das células!
Mas, antes dar continuidade aos seus estudos sobre a origem da vida e teoria celular, assista ao vídeo especialmente desenvolvido para esta seção.
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As células foram descobertas pelo cientista inglês Robert Hooke, no século XVII, com o auxílio de um microscópio rudimentar. Hooke observou, pela primeira vez, uma estrutura de cortiça vegetal. Ele foi capaz de identificar pequenos compartimentos que nomeou de célula, pela origem latina “cella”, compartimento fechado, ao observar as divisões referentes as paredes celulares. Anos depois, cientistas foram capazes de observar o núcleo, com microscópios melhores. Desde o século XIX, os cientistas sabem que todos os seres vivos são formados por células, e descobertas foram sendo realizadas para construir teorias que possam explicar a origem das células e
VOCÊ O CONHECE?
Watson e Crick são considerados os pais da estrutura do DNA, mas foi Rosalind Franklind que deu passos essenciais para que eles conseguissem desvendar a estrutura em hélice. Rosalind infelizmente não teve seu talento reconhecido em vida, mas sua história de vida é inspiradora para todos os amantes da ciência. Para conhecê-la melhor, acesse: <
https://cib.org.br/mulher->.
células, e descobertas foram sendo realizadas para construir teorias que possam explicar a origem das células e início da vida (JUNQUEIRA, 2012).
Nesta seção, iremos compreender como as células surgiram e qual o impacto disso no contexto da evolução dos organismos.
Mantenha-se atento e bons estudos!
1.2.1 Origem da vida: teorias e o elo com surgimento celular
O processo evolutivo que originou as primeiras células começou na Terra, há aproximadamente quatro bilhões de anos. Naquela época, a atmosfera provavelmente continha vapor d’água, amônia, metano, hidrogênio, sulfeto de hidrogênio e gás carbônico.
Para que o surgimento da vida fosse possível, como você estudou na seção anterior, há milhões de anos, surgiram ligações entre elementos químicos da atmosfera primitiva. Esses elementos deram origem às moléculas que permitiram o surgimento das formas mais básicas de vida. Essas ligações foram resultado de descargas energéticas que desencadearem desequilíbrio eletrônico. Esses elementos, por sua vez, se associaram em uma sopa orgânica, gerando moléculas como os ácidos nucleicos e os aminoácidos (JUNQUEIRA, 2012).
Eventualmente, após o surgimento dessas moléculas essenciais, as células surgiram. Com o surgimento das células, surgiram os primeiros organismos vivos. Mas como as células surgiram? E como surgiram diferentes tipos de células? Vamos descobrir?!
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Vamos conhecer uma laboratório virtual e aprender a usar um microscópio? Veja esse objeto interativo e aprenda mais sobre esse instrumento fundamental para a ciência!
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O documentário “Origem da vida”, produzido pela National Geographic, mostra uma linha do tempo pautada em eventos científicos importantes para a compreensão da origem da vida. É uma série muito interessante para aprender mais sobre o assunto e conhecer curiosidades sobre as teorias e seus criadores, incluindo a análise de experimentos antigos e atuais. Que tal aprender um pouco mais sobre esse assunto tão intrigante? Assista ao vídeo e aproveite! Acesse o link: <https://www.youtube.com/watch?v=SYOarZKipnU>.
1.2.2 A primeira célula seria composta por RNA autoreplicativo!
A formação espontânea de moléculas orgânicas foi demonstrada experimentalmente pela primeira vez na década de 1950. Na ocasião, Stanley L. Miller e Harold C. Urey demonstraram que a descarga de faíscas elétricas em uma mistura de H2, CH4 e NH3 na presença de água, levou à formação de uma variedade de moléculas orgânicas, incluindo vários aminoácidos (JUNQUEIRA, 2012). A hipótese mais aceita atualmente é a de que fitas de RNA se formaram e foram englobados em membranas lipídicas, dando origem às protocélulas (células primitivas). Esse RNA foi capaz de se autoduplicar, proporcionando a divisão das células primitivas. Um passo crítico no entendimento da evolução molecular foi alcançado no início dos anos 1980, quando foi descoberto que o RNA é capaz de catalisar uma série de reações químicas, incluindo a polimerização de nucleotídeos. Consequentemente, acredita-se que o RNA tenha sido o sistema genético inicial, e acredita-se que um estágio inicial da evolução química tenha sido baseado em moléculas de RNA autorreplicativas (que possuem a capacidade de duplicar-se a partir de uma molécula molde, formando cópias de si mesmas). Esse foi um período de evolução conhecido como o mundo do RNA. As interações ordenadas entre o RNA evoluíram para o código genético atual e o DNA acabou substituindo o RNA como material genético (COOPER, 2000). Apesar de a teoria da origem da primeira célula ainda ter lacunas, ela é a mais bem aceita no meio científico, atualmente.
Agora, conheça mais sobre a organização inicial de um RNA autorreplicante no interior de uma bicamada fosfolipídica de uma célula primitiva, observando a figura a seguir.
Figura 7 - Organização inicial de um RNA auto replicante no interior de uma bicamada fosfolipídica: célula primitiva.
Fonte: Adaptada de National Center for Biotechnology Information, [s.d].
Acompanhe, na sequência, como ocorreu o surgimentos dos primeiros organismos. Para tanto, clique nos itens abaixo.
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Primeiros organismos
Os primeiros organismos eram heterotróficos (incapaz de produzir o próprio alimento e que se nutre de outros seres vivos) anaeróbicos (não utilizavam oxigênio em seu metabolismo), devido à ausência de oxigênio na atmosfera terrestre.
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Autotrofia
Com o passar do tempo, esses organismos passam a apresentar alterações genéticas que possibilitam a autotrofia, como observado nas algas azuis.
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Fotossíntese
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Fotossíntese
Surge então, a capacidade de realizar fotossíntese nesses organismos, alterando a atmosfera primitiva pela geração de oxigênio (JUNQUEIRA, 2012).
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Organismos aeróbicos
A partir dessa alteração, organismos aeróbicos surgem, e a vida, que até então ocorria em ambiente aquoso, passa a ser possível no ambiente terrestre.
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Procariontes e unicelulares
Os primeiros organismos são classificados como procariontes (material genético não protegido por núcleo) e unicelulares.
Supõe-se que o passo seguinte no processo evolutivo foi o surgimento das células eucariontes (com material genético protegido por envoltório ou núcleo). Tudo indica que as células eucariontes, caracterizadas por seu elaborado sistema de membranas internas, tenham se originado a partir de procariontes, por invaginações da membrana plasmática. Essa hipótese é apoiada pela observação de que as membranas intracelulares se assemelham à membrana plasmática. A invaginação da membrana foi fundamental para a evolução das células eucariontes, pois formou diversos compartimentos intracelulares, ou organelas, como o núcleo, retículo endoplasmático, endossomos, lisossomos e aparelho de Golgi, que são organelas (microrregiões) com composições e atividades funcionais específicas (JUNQUEIRA, 2012). Por fim, há evidências sugestivas de que as organelas envolvidas nas transformações energéticas, cloroplastos e mitocôndrias, originaram-se de bactérias que foram incorporadas e se estabeleceram como simbiontes no interior das células eucariontes hospedeiras, criando um relacionamento mutuamente benéfico e que se tornou irreversível com o passar dos anos. A figura a seguir apresenta a teoria da Endossimbiose. Confira!
Figura 8 - a) Ilustração da teoria da invaginação da membrana plasmática; b) Ilustração da teoria da Endossimbiose.
Fonte: Adaptada de Junqueira; Carneiro (2012, p. 12-13).
Perceba que na imagem A podemos visualizar o processo de invaginação da membrana plasmática que deu •
Perceba que na imagem A podemos visualizar o processo de invaginação da membrana plasmática que deu origem ao envelope nuclear e possibilitou que as células evoluíssem de procariotos para eucariotos. Já na imagem B, observe a internalização de uma célula aeróbia, capaz de realizar fosforilação oxidativa, que posteriormente evoluiu para as nossas mitocôndrias.
Agora, vamos conhecer outros aspectos relacionados as células procariontes. Para tanto, mantenha-se atento ao próximo subtópico. Vamos lá?
1.2.3 Células procariontes
Vimos que as células procariontes são mais simples e menores do que as células eucariontes. Para conhecer as principais características dessas células, cujo material genético não protegido por núcleo, clique nas abas abaixo (ALBERTS,2017).
Ausência de núcleo
Ausência de núcleo (carioteca). A carioteca é uma membrana que envolve o DNA, compartimentalizando essa região.
Estruturas funcionais
Não apresentam organelas citoplasmáticas, que são estruturas funcionais limitadas por membranas.
DNA circular
Seu DNA é cíclico, diferente dos eucariotos que possuem DNA linear (com extremidades livres).
As células procariontes não são capazes de se associar formando tecidos: uma única célula procarionte dá origem a um organismo procarionte, isto é, um organismo unicelular. Podem ter formas diversas, dentre elas coco (forma esférica) e bacilo (forma de bastão) e a reprodução ocorre de forma assexuada, por fissão binária (ALBERTS, 2017).
VOCÊ SABIA?
Para ampliar seus conhecimentos sobre a origem das células, sugerimos que você acesse o site . Você terá uma experiência microscópica, ao Learn.Genetics – Genetic Science Learning Center
comparar a escala de tamanho entre uma célula eucarionte (célula de pele = skin cell), procarionte (bactéria E. coli) e um vírus (HIV)! Você irá se surpreender o quão pequenas essas estruturas são quando comparadas à um grão de arroz!
Figura 9 - Tipos de bactérias. Fonte: Designua/Shutterstock.
A célula procarionte mais estudada é uma bactéria chamada de Escherichia coli, e, assim como, ela há milhares de outras espécies de bactérias. Uma célula procarionte possui o material genético não compartimentalizado, polissacarídeos formando uma cápsula protetora, parede celular e fosfolipídios formando a membrana celular, flagelos para locomoção (em alguns organismos), citoplasma e ribossomos (JUNQUEIRA, 2012). Podemos observar a estrutura da célula procariótica e seus componentes na parte A da figura abaixo.
Figura 10 - A célula procariótica é mais simples e não apresenta carioteca, contendo estruturas para locomoção e reprodução em seu exterior.
Fonte: Ducus59us/Shutterstock.
Para complementar seus estudos sobre a origem da vida, na sequência, vamos apresentar outros aspectos relacionados às células eucariontes. Mantenha-se concentrado.
1.2.4 Células eucariontes
As células eucariontes são mais complexas e organizadas quando comparadas às procariontes. Possuem organelas celulares e um núcleo bem definido e compartimentalizado. São capazes de se associar e formar tecidos. Além disso, essas células podem estar presentes em organismos unicelulares, como leveduras e parasitas, ou pluricelulares, como plantas e animais. Dentre as organelas mais importantes estão os ribossomos, lisossomos, peroxissomos, mitocôndrias, complexo de Golgi e retículo endoplasmático rugoso e liso (JUNQUEIRA, 2012). A presença de organelas permite a ocorrência de reações bioquímicas mais complexas, possibilitando o surgimento de funções que permitiram a evolução das espécies. A figura a seguir apresenta uma célula eucarionte. Confira!
Figura 11 - A célula eucariótica apresenta carioteca e organelas. Fonte: Achiichiii/Shutterstock.
Agora, convidamos você a explorar algumas organelas celulares. Para tanto, observe os itens que compõem cada uma delas e conheça suas funções, segundo Junqueira (2013).
Agora, dando sequência aos nossos estudos, vamos conhecer os aspectos comuns aos dois tipos de células: as procariontes e eucariontes. Vamos lá?!
1.2.5 Aspectos comuns em procariontes e eucariontes
Como pudemos estudar nesta seção, ainda há muitas lacunas para a compreensão da origem da vida. Todavia, temos fortes indícios teóricos sobre esse assunto, como a hipótese da sopa orgânica, o surgimento de RNA e protocélulas e o eventual surgimento de procariontes, muito importantes na formação das células eucariontes,
de acordo com a teoria da endossimbiose. Assim, podemos compreender as semelhanças entre todas as células, independentemente de sua origem e classificação. O próximo ponto é conhecer algumas funções comuns a todos os tipos celulares (ALBERTS, 2017). Para tanto, clique nas abas a seguir.
O D N A é a molécula da vida
Todas as células vivas da Terra armazenam suas informações hereditárias na forma de moléculas de DNA de fita dupla. Assim, é possível inserir um pedaço de DNA de uma célula humana em uma bactéria. Bem como, também é possível inserir um pedaço de DNA bacteriano em uma célula humana. As informações, nas duas situações, serão lidas, interpretadas e copiadas com sucesso.
Hereditariedade
As células replicam sua informação genética da mesma forma, a partir de um molde, para garantir a hereditariedade. Ou seja, as células liberam uma fita simples do seu material genético como molde no processo de replicação, que servirá de base para a produção de novas moléculas de DNA ou RNA que serão transmitidas para as outras células, via sexuada ou assexuada.
Transcrição de RNA
A produção de proteínas em todas as células é baseada na transcrição de RNA, que é o intermediário da informação genética. Todas as células utilizam as proteínas como catalisadores de suas reações e produzem essas proteínas da mesma maneira, por meio dos processos de transcrição e tradução.
Sendo assim, podemos concluir que, apesar da distinção entre as células, várias característica essenciais, pincipalmente voltadas para transmissão de informação genética, são idênticas, fortalecendo a hipótese de que todas as células têm um ancestral em comum.
Agora que pudemos compreender melhor como surgiu e como funcionam as nossas “usinas bioquímicas”, as nossas células, podemos estudar melhor as biomoléculas que permitem que toda essa maquinaria se mantenha ativa! Vamos lá?
Vamos praticar o que estudamos até aqui? A partir de seus estudos sobre a origem das células, clique e arraste os nomes das partes que compõem a célula eucarionte para os lugares adequados.
1.3 Aminoácidos, proteínas e enzimas: estruturas e função.
As proteínas estão presentes e formam muitos componentes do nosso organismo. Elas representam aproximadamente 40% do peso seco do nosso corpo e estão presentes em nossas unhas, cabelos, pele, ossos, músculos, e até no sangue. Além de desempenharem uma função estrutural, há uma classe de proteínas especial, chamadas de enzimas, que aceleram reações químicas em nosso organismo.
Na sequência, antes de aprofundar em seus estudos sobre os aminoácidos, proteínas e enzimas, assista ao vídeo
VOCÊ QUER LER?
O livro “O gene egoísta”, de Richard Dawkins, traz uma visão diferenciada sobre a evolução das células. O livro apresenta um ponto de vista voltada para o DNA, como se os genes fossem responsáveis pela evolução de modo consciente. É uma obra muito interessante e que nos faz refletir sobre uma nova perspectiva em relação aos genes e informação hereditária.
Fonte: DAWKINS, Richard. O Gene Egoísta. Trad. Geraldo Florsheim. Belo Horizonte: Editora Itatiaia; São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, 1978.
Na sequência, antes de aprofundar em seus estudos sobre os aminoácidos, proteínas e enzimas, assista ao vídeo especialmente desenvolvido para esta seção.
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Todas as proteínas têm uma coisa em comum: são formadas pelos mesmos blocos de montagem – os aminoácidos. Nesta seção, iremos explorar características importantes dessas moléculas.
1.3.1 Aminoácidos
Você viu em seus estudos que as proteínas são importantes biomoléculas presentes em nossas células. Todas as são formadas por , unidos por uma . A estrutura básica dos
proteínas aminoácidos ligação peptídica
aminoácidos é composta por um átomo de carbono central (C), ligado à um grupo ácido carboxílico (COOH), um grupamento amina (NH2) e uma cadeia lateral “R”. A cadeira lateral R é diferente para cada um dos 20 aminoácidos encontrados nas proteínas, e confere propriedades bioquímicas diferentes para cada um deles (ALBERTS, 2017).
Figura 12 - Estrutura básica de um aminoácido, ilustrando o grupo ácido carboxílico (COOH em vermelho), um grupamento amina (NH2 em azul) e uma cadeia lateral R (em amarelo). De acordo com a cadeira lateral, os
aminoácidos adquirem características bioquímicas distintas. Fonte: Adaptada de Luciano Cosmo/Shutterstock.
Os aminoácidos podem ser nomeados de três formas diferentes. Clique nos itens a seguir e confira quais são elas. •
A primeira delas, é o nome por extenso, como por exemplo “Glicina” ou “Glycine”, do inglês. •
A segunda forma, é o código de três letras, que utiliza as três primeiras letras do termo em inglês. •
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A segunda forma, é o código de três letras, que utiliza as três primeiras letras do termo em inglês. Continuando o exemplo da glicina, o código de três letras são as iniciais “GLY”.
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Por fim, há o código de uma letra, onde apenas uma letra, que pode ser a letra inicial ou não, é associada a determinado aminoácido. No caso da glicina, temos a letra “G” (ALBERTS ,2017). A figura a seguir apresenta a lista com todas as nomenclaturas para os 20 aminoácidos principais, assim como suas estruturas químicas. Atente-se para os grupamentos laterais e as diferenças entre eles, que conferem características aos diferentes aminoácidos em relação a: solubilidade em água (hidrofobicidade), tamanho da molécula, presença de carga, entre outras característica físico-químicas que influenciam diretamente o meio biológico. Em pH neutro, todos os aminoácidos estão em sua forma ionizada (carregada).
Figura 13 - Os aminoácidos possuem diferentes cadeias laterais, que fornecem suas características físico-químicas. Preto: átomos de carbono; azul: nitrogênio; vermelho: oxigênio; branco: hidrogênio; amarelo: enxofre.
Fonte: molekull_be/Shutterstock. •
As propriedades das cadeias laterais influenciam diretamente nas proteínas que serão formadas, e por isso, é muito importante compreendermos porquê essas cadeias são tão importantes. A capacidade de repulsão ou atração de moléculas de água, por exemplo, influenciam no dobramento das proteínas para a sua forma biologicamente ativa. Portanto, caso ocorra alguma troca de um aminoácido hidrofóbico por um hidrofílico, por exemplo, a conformação dessa proteína pode ser alterada, resultando em sua inativação (ALBERTS, 2017). Caso esta proteína seja associada a uma função vital, a célula poderá morrer, e, consequentemente, também morrerá o organismo vivo que carrega essa mutação. Diversas doenças têm base na mutação da trinca codificadora de aminoácidos (chamada de códon), que pode sofrer alterações que resultam na troca de um aminoácido por outro.
Nem todos os aminoácidos são produzidos pelos organismos e precisam ser adquiridos via alimentação. Nos seres humanos, os aminoácidos produzidos por nós são chamados de não essenciais ou naturais, ao passo que os que precisamos obter por vias exógenas (alimentação) são os essenciais.
Figura 14 - Aminoácidos essenciais. Fonte: Elaborado pelo autor, 2018.
Para conhecer a importância dos aminoácidos para a saúde humana, clique nas setas a seguir.
Além da formação de proteínas, os aminoácidos desempenham outras funções nas células, como por exemplo em reações de reparo muscular, resistência física e resposta imunológica. Por isso, uma alimentação equilibrada para adequação dos níveis de aminoácidos é de extrema importância.
Por meio da alimentação, consumimos proteínas complexas, formadas por muitos aminoácidos e pela ação de enzimas digestivas. Essas proteínas são totalmente degradadas e os aminoácidos, absorvidos individualmente. Para formação das proteínas, um processo que ocorre no interior das células, os aminoácidos são direcionados aos ribossomos. Nessa organela, eles são unidos, por ligações peptídicas, que irão formam a estrutura proteica. O processo de síntese proteica será abordado melhor na próxima unidade. A ligação peptídica ocorre entre o
de um aminoácido e o de outro, com a liberação de uma molécula de água.
grupo carboxila grupo amina
A molécula resultante da ligação entre dois aminoácidos é chamada de dipeptídeo, e para aquelas oriundas da ligação de alguns aminoácidos, damos o nome de oligopeptídeo (a maioria dos peptídeos apresentam até 30 aminoácidos). Quando muitos aminoácidos se unem, damos o nome de polipeptídeos. Aos polipetídeos com função biológica damos o nome de proteínas.
Os peptídeos apresentam funções importantes para as células, podendo atuar como hormônios, sinalizadores, antibióticos, entre outros (MARZZOCO, 2015).
Confira, na figura abaixo, uma representação de ligação peptídica entre dois aminoácidos.
Figura 15 - Ligação peptídica entre dois aminoácidos. Fonte: Marzzoco e Torres, 2015, p. 15.
Perceba que a ligação peptídica ocorre entre a hidroxila (OH) presente no Carbono de um aminoácido e o Hidrogênio ligado ao Nitrogênio de outro aminoácido. Dessa reação ocorre a liberação de uma molécula de água.
Antes de continuar seus estudos, participe de mais uma experiência enriquecedora. Vamos lá?
Agora que já compreendemos como as proteínas são formadas e a importância de reconhecer as propriedades das cadeias laterais, podemos começar nossos estudos sobre as proteínas. Vamos lá?!
1.3.2. Proteínas
As proteínas são as “engrenagens celulares”. São elas que regulam e possibilitam reações químicas, participam de processos estruturais, de proteção e manutenção basal e vital dos organismos vivos. Geralmente, são formadas pela união de mais de 50 aminoácidos, podendo variar amplamente em conformação e número de aminoácidos. A distribuição de aminoácidos depende da informação genética e conformação associada àquela proteína. Usualmente, todos os 20 aminoácidos principais estão presentes, em proporções variadas. As proteínas têm níveis de estruturação distintos. A estrutura primária engloba a sequência de aminoácidos per se, representada em um único plano, resultante das ligações peptídicas.
VOCÊ SABIA?
Você sabia que um dos adoçantes mais utilizados é um peptídeo? Trata-se do aspartame, formado pelos aminoácidos fenilalanina e ácido aspártico. Ele é quase 200 vezes mais doce que o açúcar!
VOCÊ QUER VER?
O convite agora é para explorar a estrutura de algumas moléculas em 3D. Veja se você é capaz de identificar os dois aminoácidos!
Para ver a molécula do ácido aspártico, acesse:
Ácido aspártico <http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp?ID=51>. Para ver a molécula da fenilalanina, acesse:
Fenilalanina <http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp?ID=44>. Para ver a molécula do aspartame, acesse:
Figura 16 - Estrutura primária de uma proteína. Fonte: Ciência, Educação/Shutterstock.
Observe na parte de cima da figura, em verde, a ligação peptídica entre dois aminoácidos. Já na parte de baixo, identificamos as extremidades amino-terminal (NH2) e carboxi-terminal (COOH) e os aminoácidos que compõem a proteína.
Agora, vamos testar seus conhecimentos sobre a cadeia polipeptídica. Para tanto, clique e arraste a partes destacadas abaixo para os respectivos lugares.
Para dar sequência aos seus estudos sobre as proteínas, clique nas abas abaixo. Você aprenderá sobre a estrutura secundária e o nível terciário. Fique atento!
Secundária
A estrutura secundária já contempla o enovelamento bidimensial da molécula, gerando as principais estruturas energeticamente mais estáveis: alfa hélices e folhas beta. Na estrutura de alfa hélice, ocorre o enrolamento em um eixo vertical, gerando uma torção ao redor desse eixo; já nas folhas beta, a interação ocorre lateralmente, lembrando uma estrutura de folhas empilhadas. Nesse nível, as interações ocorrem entre as cadeias peptídicas, por ligações ou pontes de hidrogênio.
Terciária
No nível terciário de estruturação, ocorre o enovelamento final, ou seja, interação entre estruturas secundárias. Pode ocorrer interações entre hélices, entre folhas beta, entre ambas, ou entre regiões não enoveladas. Os radicais R dos aminoácidos são os responsáveis por esse nível de estruturação, e podem realizar diferentes tipos
Pode ocorrer interações entre hélices, entre folhas beta, entre ambas, ou entre regiões não enoveladas. Os radicais R dos aminoácidos são os responsáveis por esse nível de estruturação, e podem realizar diferentes tipos de ligações para realização da estruturação terciária, como ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas, ligações iônicas (eletrostáticas) e forças de van der Waals. Além dessas ligações não covalente, um tipo de ligação covalente é frequentemente observado na estruturação terciária: as pontes dissulfeto. Essas pontes são realizadas entre aminoácidos cuja cadeia lateral apresenta uma molécula de enxofre (S), como as cisteínas. Os enxofres da cadeia peptídica interagem covalentemente formando a ponte na estrutura e influenciando o dobramento. (MARZZOCO, 2015)
Veja, na figura a seguir, o nível de organização secundário e terciário das proteínas. Perceba que, além das ligações peptídicas, ocorrem interações entre os próprios aminoácidos. Essas interações fazem com que a cadeia de aminoácidos “dobre-se” sobre si mesma. Dependendo como essas interações ocorrem, formam-se estruturas características chamadas de alfa hélice e folha beta.
Figura 17 - Nível de organização secundário e terciário das proteínas. Fonte: magnetix/Shutterstock.
No nível quaternário, mais complexo, ocorre a interação entre cadeias peptídicas distintas, podendo gerar proteínas com mais de uma subunidade. Nem todas as proteínas possuem esse nível de organização. Nos últimos níveis, a representação ocorre tridimensionalmente como ilustrado pela molécula de hemoglobina a seguir (MARZZOCO, 2015).
Figura 18 - Estrutura tridimensional da molécula de hemoglobina. Fonte: molekull_be/Shutterstock.
Perceba, na imagem, que é possível visualizar quatro cadeias, duas alfa e duas beta representadas em amarelo e vermelho. O grupamento heme contendo ferro, ao qual se liga o oxigênio, está representado em verde.
O enovelamento das proteínas ocorre em busca da conformação energeticamente mais favorável, ou seja, com menor energia livre. Cada proteína tem uma conformação espacial característica e definida. É importante compreendermos que as estruturas não são fixas, e podem ser alteradas de acordo com o meio e a necessidade celular. Estados transitórios às vezes fazem parte do mecanismo funcional dessas proteínas.
A classificação das proteínas pode ser de acordo com sua forma, sendo então classificadas como globulares ou fibrosas. Para conhecer sobre elas, conforme Marzzoco (2015), clique nas abas abaixo.
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Proteínas globulares
Apresentam forma enovelada, próxima a uma forma esférica. A classe das proteínas globulares é composta por proteína solúveis que desempenham funções no citosol principalmente.
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Proteínas fibrosas
Possui forma alongada e tem função estrutural. Um exemplo de proteína fibrosa, é a queratina, responsável pela rigidez das unhas, e o colágeno, importante componente da matriz extracelular dos tecidos.
Para dar sequência aos seus estudos sobre os tipos de proteínas, realize a experiência prevista a seguir. Aprender mais é gratificante. Aproveite!
•
O estudo de todas as proteínas se um ser vivo é chamado proteoma. A análise do proteoma permite identificar muitas informações sobre um organismo, desde seus ancestrais, até a compreensão de doenças em nível molecular.
As proteínas são formadas a partir da informação genética, em que as bases nitrogenadas dos nucleotídeos que formam o DNA são transcritas em RNA mensageiro, que, por sua vez, será traduzido em aminoácidos pelos ribossomos. Esse processo é chamado de Expressão Gênica, e será trabalhado em mais detalhes nas próximas unidades!
As proteínas podem estar associadas a compostos não proteicos, como açúcares, lipídios e íons metálicos. Esses grupos são chamados grupos prostéticos e são essenciais para o correto funcionamento das proteínas. Dependendo do componente que estiver associado, a proteína passa a ser chamada de, por exemplo, lipoproteína (se estiver associada a um lipídio), glicoproteína (se estiver associada a um açúcar), e assim por diante. Um grupo especial de proteínas com função catalítica, aceleram processos químicos nas células, que são as enzimas. Vamos aprender mais sobre elas? Para tanto, fique atento ao próximo subtópico de estudo.
1.3.3 Enzimas
As enzimas são proteínas com ação catalisadora ou catalítica. Mas o que é uma ação catalítica? É uma ação que resulta no favorecimento de uma reação química, pela diminuição da energia necessária para que ela ocorra. Diversas reações químicas ocorrem em nosso organismo o tempo todo e a manutenção da vida celular depende de dois fatores (MARZZOCO, 2015). Para conhecê-los, clique nas abas abaixo.
Velocidade As reações químicas devem ocorrer em uma velocidade adequada, para que não haja falta
VOCÊ SABIA?
Para ter uma experiência mais dinâmica, explore as formas tridimensionais de proteínas fibrosas e globulares.
A proteína do colágeno pode ser vista em: <http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp?ID=195
>.
Já a Proteína-Tirosina-Fosfatase 1B pode ser acessada em: <http://www.3dchem.com
>.
/3dmolecule.asp?ID=117
VOCÊ QUER LER?
Com o avanço da biotecnologia, é possível produzir proteínas com alto valor agregado de modo recombinante, ou seja, construindo um DNA carregador contendo a sequência para a proteína de interesse, e transformando esse DNA em um organismo que otimize a expressão e produção desta proteína para fins comerciais. A insulina é produzida de maneira recombinante, atualmente. Para saber mais, clique em: <
http://profissaobiotec.com.br/insulina->.
Velocidade As reações químicas devem ocorrer em uma velocidade adequada, para que não haja falta nem excesso de certas substâncias em nosso organismo.
Especificidade As reações químicas precisam ser altamente específicas, para que produtos definidos sejam
produzidos, pois eles são fundamentais para a vida.
O primeiro passo da reação enzimática, é a ligação ao substrato por meio do seu sítio ativo (porção da enzima o qual se liga ao substrato). A catálise se inicia com o reconhecimento do substrato pela enzima, formando um estado de transição enzima-substrato, que é energeticamente mais favorável a formação dos produtos. Após a ação da enzima, forma-se o produto, que agora é energeticamente estável.
É importante entendermos que a enzima faz parte da reação, mas não é modificada durante o processo. A ligação ao substrato é altamente específica, e a reação chega a ser acelerada por fatores, que, às vezes, ficam na casa de milhares!
Figura 19 - Ilustração da ação de uma enzima sob seu substrato específico. No primeiro caso, a enzima age sobre
VOCÊ QUER LER?
Durante muito tempo, admitiu-se que todas as enzimas eram proteínas! Ou seja, que todos os catalisadores biológicos eram proteínas, polímeros de aminoácidos. No início da década de 1980, entretanto, verificou-se que moléculas de RNA catalisavam reações químicas celulares. A descoberta foi surpreendente e este tipo particular de catalisador recebeu o nome de ribozima. Para saber mais sobre o assunto, acesse: <https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles
>.
Figura 19 - Ilustração da ação de uma enzima sob seu substrato específico. No primeiro caso, a enzima age sobre o substrato formado o produto 1 + 2. No segundo caso, a enzimas agem nos substratos 1 + 2, formando o
produto.
Fonte: VectorMine/Shutterstock.
Há um sistema alfa numérico bastante complexo, o qual organiza a nomenclatura das enzimas, de acordo com sua ação, substrato e produto gerado. Por exemplo, a enzima que catalisa a oxidação do etanol por NAD+ é designada álcool: NAD+: oxirredutase e tem o número de classificação EC 1.1.1.1 (EC de Enzyme Comission). Porém, o que prevalece no cotidiano é o nome usual da enzima, nesse caso a enzima é conhecida como álcool desidrogenase. Na terminologia usual, o nome é dado indicando o substrato, seguido de outra palavra terminada em “ase”, que especifica o tipo de reação que a enzima catalisa (MARZZOCO, 2015).
As enzimas são classificadas em seis grupos, de acordo com o tipo de reação que catalisam (HARVEY, 2015). Para saber mais sobre elas, clique nos itens abaixo.
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Oxirredutases
Fazem oxidação-redução de moléculas. •
Transferases
Fazem transferências de grupos. •
Hidrolases
Catalisam a quebra de ligações pela adição de água. •
Liases
Adicionam grupos em moléculas que possuem dupla ligação. •
Isomerases
Rearranjos intramoleculares. •
Ligases
Condensação de duas moléculas, consumindo ATP.
Há enzimas que necessitam de cofatores para exercer sua função catalítica. Esses cofatores, se associam aos sítios ativos das enzimas e podem ser íons metálicos ou moléculas orgânicas, de complexidade variada, que recebem o nome de coenzimas. Íons metálicos como Zn2+, Fe2+, Cu2+, Mg+, Mn+, e algumas vitaminas são importantes coenzimas. As vitaminas são compostos orgânicos sintetizados por plantas ou microrganismos, indispensáveis ao crescimento e às funções normais dos animais superiores e são requeridos na dieta em pequenas quantidades (microgramas ou miligramas diários). As vitaminas são classificadas como lipossolúveis (vitaminas A, D, E K) e hidrossolúveis, que incluem a vitamina C e as vitaminas do complexo B. Essas são coenzimas importantes para muitas enzimas que participam de vias metabólicas para produção de energia e uma ingestão inadequada pode levar a sérias complicações como anemia, fadiga e perda de memória (HARVEY, 2015). • • • • • •
Há fatores que podem interferir na eficiência de uma enzima: temperatura, pH e concentração do substrato! A estrutura e a forma do sítio ativo dependem da estrutura tridimensional da enzima. Essa conformação pode ser afetada por quaisquer agentes capazes de provocar mudanças na conformação da proteína. Para a maioria das enzimas, existe uma faixa de pH e temperatura em que sua eficiência é máxima. Se alterações drásticas no pH ou na temperatura do ambiente ocorrerem, a enzima pode ter sua eficiência reduzida. Há locais em nosso corpos, como o estômago, em que o pH é extremamente baixo. Já locais como o intestino, o pH é mais elevado. As enzimas presentes em cada um desses locais não teriam a mesma eficiência se o pH fosse diferente. Esse efeito do pH e da temperatura sobre a estrutura das proteínas é chamado de desnaturação.
A velocidade da reação pode variar de acordo com a concentração de substrato disponível. A velocidade de uma reação (V) é o número de moléculas de substrato convertidas em produto por unidade de tempo; geralmente, a velocidade é expressa como μmol (micromol) de produto formado por minuto (μmol/minuto). Quanto maior a concentração do substrato disponível, maior será a velocidade de uma reação catalisada, até que se atinja uma velocidade máxima. Quando se chega a esse “platô” na velocidade de reação (altas concentrações de substrato), temos o momento de saturação e estabilização da velocidade da reação, pois todos os sítios ativos encontram-se virtualmente preenchidos (HARVEY, 2015).
VOCÊ SABIA?
A evolução da ciência permite que, atualmente, enzimas sejam sintetizadas em laboratório. Um grupo de pesquisadores brasileiros conseguiu criar uma enzima sintética capaz de clivar DNA de patógenos, com potencial aplicação para a saúde. A notícia pode ser lida aqui: <
http://agencia.fapesp.br/enzima-sintetica-abre-novas-perspectivas-na-pesquisa-em-saude
>.
Fonte: VectorMine/Shutterstock.
A atividade enzimática pode ser diminuída, também, pela ação de substâncias, genericamente chamadas de . Esses inibidores podem ser irreversíveis ou reversíveis. Estes, por sua vez, são classificados em
inibidores
competitivos e não competitivos (quando competem ou não com o substrato pelo sítio ativo da enzima). Algumas dessas substâncias são constituintes normais das células, outras são estranhas aos organismos (como alguns compostos organofosforados presentes em pesticidas, e fármacos, como a aspirina e penicilina).
Os inibidores enzimáticos encontrados nas células que cumprem um papel regulador importante são designados reguladores alostéricos. Como esses inibidores são produzidos pelas próprias células, a variação de sua concentração é um recurso largamente empregado por elas no controle da velocidade das reações (MARZZOCO, 2015).
Vamos explorar como o pH pode interferir na eficiência de uma enzima?!
Agora, chegou outro momento importante: realizar uma atividade especialmente preparada para você. Você
VOCÊ QUER VER?
Acesse o site a seguir e modifique as condições de pH em cada tubo de experimento (clicando nas setas para cima ou para baixo. Deixe os tubo com pH 3, 5, 7, 9 e 11. Adicione uma quantidade fixa de substrato (1 g) em cada tubo arrastando o pó branco para dentro dos tubos. Em seguida, faça o contrário. Mantenha o pH fixo nos tubos (pH 7), e adicione quantidades diferentes de substrato em cada reação. Você é capaz de identificar qual a melhor condição de reação para essa enzima?
Disponível em: <http://www.mhhe.com/biosci/genbio/virtual_labs_2K8/labs/BL_02/index.
>.
Agora, chegou outro momento importante: realizar uma atividade especialmente preparada para você. Você deverá, na sequência, representar a enzima com e sem inibidor, indicando o que vai ocorrer em cada situação. Vamos lá?!
Fique atento, pois no próximo tópico vamos estudar sobre outras estruturas importantes para compreender a composição química dos organismos vivos: os carboidratos e lipídios. Siga em frente!
1.4 Carboidratos e lipídios: estrutura e função
Antes dar continuidade aos seus estudos, convidamos você a acompanhar um vídeo que trata dos carboidratos e lipídios. Nele, você poderá ver quais as principais funções biológicas desempenhadas pelos carboidratos e lipídios nas células. Fique atento e aproveite essa oportunidade enriquecedora.
https://cdnapisec.kaltura.com/p/1972831/sp/197283100/embedIframeJs/uiconf_id/30443981/partner_id /1972831?iframeembed=true&playerId=kaltura_player_1550166560&entry_id=1_vdvvkztk
Você estudou sobre a importância dessas moléculas na formação das células e origem da vida, não é mesmo? Nesta seção, iremos aprofundar nossos conhecimentos sobre essas moléculas tão importantes. Vamos lá?!
1.4.1 Carboidratos
A fórmula geral dos carboidratos é dada por (CH2O)n. Perceba que seu nome está diretamente ligado à sua fórmula química (hidrato de carbono), embora alguns carboidratos fujam à essa regra. Os carboidratos estão presentes em nossa alimentação, e muitos conferem sabor doce aos alimentos como glicose, frutose e sacarose e são chamados de açúcares ou sacarídeos. Os carboidratos podem ser classificados quanto ao número de suas unidades componentes em monossacarídeos oligossacarídeos polissacarídeos e e . Os monossacarídeos são o tipo mais simples de carboidratos, formados por apenas uma molécula. Podem ser nomeados de acordo com o número de carbonos presentes em sua estrutura: em trioses (3C), tetroses (4C), pentoses (5C) e hexoses (6C). Os monossacarídeos são classificados de acordo com o grupo funcional que possuem, em cetoses e aldoses, que contêm grupo funcional do tipo cetona ou aldeído, respectivamente (MARZZOCO, 2015).
Veja na próxima figura a estrutura linear de monossacarídeos com diferentes números de carbonos e grupos funcionais.
Figura 20 - Estrutura linear de monossacarídeos com diferentes números de carbonos e grupos funcionais. Na linha superior, temos as aldoses. Na linha inferior, temos as cetoses.
Fonte: Marzzoco, 2015, p. 84.
Em soluções aquosas, como o citosol, os monossacarídeos com mais de quatro carbonos apresentam estrutura cíclica. Por exemplo, as moléculas de glicose e frutose são monossacarídeos com seis carbonos, chamadas de hexoses e adquirem a estrutura cíclica em meio aquoso.
Em geral, as formas cíclicas prevalecem nas células. Para a molécula de glicose, por exemplo, apenas 1% permanece na forma aberta (HARVEY, 2015).
Figura 21 - Estrutura cíclica da glicose. Fonte: Marzzoco, 2015, p. 84
Os oligossacarídeos são polímeros de monossacarídeos, ligados por ligações glicosídicas. As ligações glicosídicas são ligações covalentes que ocorrem entre dois monossacarídeos, por meio da interação entre duas hidroxilas, com liberação de uma molécula de água.
Agora, observe na figura a seguir, uma ligação glicosídica alfa-1,4, em outros termos, uma ligação glicosídica entre o carbono 1 de um monossacarídeo e o carbono 4 de outro monossacarídeo.
Figura 22 - Ligação glicosídica entre o carbono 1 de um monossacarídeo e o carbono 4 de outro monossacarídeo (ligação glicosídica alfa-1,4).
Os oligossacarídeos com maior função biológica são os dissacarídeos (união de dois monossacarídeos). Entre os dissacarídeos, os mais comuns são consequência da ligação entre glicose e frutose, gerando a sacarose (componente do açúcar de mesa); glicose e galactose, gerando, por sua vez, a lactose (o açúcar presente no leite).
Figura 23 - Dissacarídeos e monossacarídeos em sua forma cíclica. Por meio da união de dois monossacarídeos, com uma ligação glicosídica, forma-se um dissacarídeo.
Fonte: lyricsaima/Shutterstock.
Você sabia que a junção de centenas de monossacarídeos dá origem aos polissacarídeos? Eles são moléculas de reserva nos seres vivos, como o glicogênio nos animais e o amido nos vegetais.
Os polissacarídeos podem ainda ter função estrutural, como a quitina e a celulose nas plantas. Para saber mais sobre o tema, clique nas abas abaixo.
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Fator chave
A ligação glicosídica é um fator chave para a formação estrutural desses carboidratos complexos,
VOCÊ QUER VER?
Antes de continuar seus estudos sobre o tema, que tal conhecer algumas moléculas de carboidratos em 3D?
Para conhecer a molécula da lactose, clique em:
Lactose (dissacarídeo presente no leite): <http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp?ID=58> E, para conhecer a molécula da Sacarose, clique em:
Sacarose (dissacarídeo do açúcar de mesa): <http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp?
>.
ID=59
A ligação glicosídica é um fator chave para a formação estrutural desses carboidratos complexos, que exercem as funções primordiais de armazenamento e estrutura, além de diversas outras, como sinalização celular.
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Adição de moléculas
A adição de moléculas, para formação das estruturas lineares longas é possível, pela presença das extremidades redutoras que possibilitam a adição e remoção de novas moléculas de glicose e alongamento ou diminuição da estrutura (MARZZOCO, 2015).
A figura a seguir apresenta uma estrutura de carboidratos. Observe que os destaques em verde são as unidades formadoras. Em azul, temos as unidades de ramificação. E, por sua vez, em vermelho, estão as unidades redutoras, pelas quais é possível fazer a adição ou remoção de unidades.
Figura 24 - Estrutura de carboidratos. Fonte: Elaborada pelo autor, 2018.
As funções principais dos polissacarídeos são de armazenamento e estrutural. Além disso, são fonte principal para o metabolismo energético das células. As moléculas mais simples, como a glicose, são o combustível celular e base de rotas bioquímicas complexas que necessitam de energia ou precursores gerados na via da glicólise. Para ampliar seus conhecimentos sobre a glicose, clique nas abas abaixo.
Principal carboidrato
A glicose é o principal carboidrato obtido pela alimentação nos seres humanos, que é baseada essencialmente na ingestão de amido (polissacarídeo de glicose), sacarose (dissacarídeo de glicose) e lactose (dissacarídeo de glicose e galactose).
Vias metabólicas
Essa glicose é, então, clivada e utilizada pelas vias metabólicas, garantindo a sobrevivência das células. (MARZZOCO,2015)
Você sabe por que os seres humanos não digerem a celulose, presente na alface e na rúcula? Mesmo sendo um polissacarídeo de glicose, assim como o amido (presente na batata e no arroz), os seres humanos não conseguem digeri-la para obter moléculas de açúcar isoladas e utilizar para produzir energia! Na celulose, as unidades de glicose são polimerizadas por ligações glicosídicas entre os carbonos 1 (com configuração β) e 4: ligações β-1,4. Os seres humanos não possuem a enzima digestiva necessária para a quebra desta ligação específica, e, portanto, a celulose proveniente dos vegetais que ingerimos não é digerida em nosso trato gastrointestinal, sendo considerada uma fibra dietética (HARVEY, 2015).
A glicose é um carboidrato chave para a sobrevivência humana. Ela é o combustível básico das funções neurológicas e, sem ela, o cérebro pode entrar em colapso. Por isso, períodos longos de jejum ou atividade física muito intensa sem reposição energética podem causar danos ao cérebro. Toda a maquinaria celular é sustentada pela via da glicólise e outras rotas alternativas, que geram energia, sob a forma de calor e ATP.
Para complementar seus estudos sobre o tema, conheça o caso de uma jovem de 21 anos e aprenda mais sobre a lactose.
VOCÊ QUER LER?
Conheça mais sobre as fibras dietéticas e seus benefícios para a saúde lendo ao artigo “Fibra alimentar – Ingestão adequada e efeitos sobre a saúde do metabolismo.” Você irá se surpreender com o quanto é importante manter uma alimentação equilibrada, rica em fibras! Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/abem/v57n6/01.pdf>.
VOCÊ SABIA?
Você sabia que seu tipo sanguíneo (A, B, O e AB) é determinado por carboidratos presentes na superfície das hemácias? Isso mesmo, dependendo do tipo de açúcar presente na superfície das suas células, você será de um tipo sanguíneo específico. Indivíduos do tipo A, possuem o “Açúcar A”, indivíduos do tipo B possuem o “Açúcar B”, indivíduos AB possuem ambos e indivíduos O não possuem nenhum. Para saber mais sobre esse assunto, leia o artigo “Aspectos moleculares do Sistema Sanguíneo ABO”, disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/%0D
>
Vamos testar os conhecimentos adquiridos até aqui? Para isso, realize a atividade especialmente preparada para você. Você deverá, então, clicar e arrastar os respectivos nomes para as moléculas que o representam.
Agora que você já conheceu sobre a estrutura e função dos carboidratos, vamos, dando sequência aos seus estudos sobre o surgimentos das células, aprender sobre os lipídios. Mantenha-se concentrado e bons estudos!
1.4.2 Lipídios
O termo lipídio, conhecido como gordura ou óleo em nosso cotidiano, muitas vezes é tachado como vilão da nossa dieta. Porém, essas moléculas são importantes fontes de energia para nosso organismo. Isto porque os lipídios participam da estrutura das nossas membranas plasmáticas e servem como precursores para a síntese de vitaminas e hormônios. Os lipídios formam um grupo de moléculas bastante diverso e possuem a característica de serem pouco solúveis em água. Fazem parte desse grupo de moléculas os ácidos graxos e os esteroides (como por exemplo o colesterol). Vamos conhecer um pouco mais sobre essas moléculas? Clique nas abas abaixo e confira!
Ácidos graxos
Os ácidos graxos geralmente são compostos por uma cadeia carbônica longa, com número par de átomos de carbono e sem ramificações, podendo ser saturada (conter apenas ligações simples entre os átomos de carbono) ou conter uma ou mais instaurações (ligações duplas) ao longo da cadeia.
Os compostos que contém apenas ligações simples são chamado de ácidos graxos
CASO
E. J. D., 21 anos de idade, sexo feminino. Apresenta quadro de diarreia e dor abdominal há seis meses. Acreditava que seu quadro estava atribuído a estresse, porém, mesmo após início das férias escolares não houve melhora. Orientada por um amigo se automedicou com antiparasitário pois acreditava estar com “vermes”. O tratamento também não surtiu efeito. Ela então decidiu procurar um médico. Na consulta, relatou que os sintomas aparecem principalmente no período da manhã 1h – 2h após o café da manhã. Relata que costuma consumir pão, leite, café, queijo e frutas. Alguns dias consome iogurte batido com aveia e frutas. O médico suspeita de um quadro de intolerância à lactose e a jovem então relata que seus pais apresentam a condição. O médico solicita que a jovem suspenda laticínios da dieta e faça um exame chamado de teste de tolerância a lactose. No laboratório, a jovem mediu a glicemia as 7h da manhã em jejum. Ela, então, ingeriu uma quantidade grande de lactose, na forma de um líquido. Às 8h e as 9h mediram novamente os índices de glicose na corrente sanguínea. Os índices não se elevaram, ficando quase iguais ao índice medido em jejum. Frente aos resultados, o médico sugeriu o diagnóstico de intolerância a lactose. Você sabe como é possível justificar os fatos observados?
Se justifica porque, em indivíduos normais, a enzima lactase age sobre a lactose no intestino, rompendo a ligação glicosídica, resultando em moléculas de galactose e glicose. A glicose, ao ser absorvida, eleva os seus níveis na corrente sanguínea. Em indivíduos intolerantes, a enzima não é produzida. Sendo assim, a lactose permanece na forma de dissacarídeo e não é absorvida. Por isso, os níveis de glicose no sangue não se alteram e o acúmulo de lactose no intestino causa a diarreia e a cólica.
Nas células podem ocorrer associações entre os carboidratos e lipídios ou proteínas, formando glicoconjugados, como os glicolipídios e glicoproteínas com funções diversas nas células, incluindo sinalização e proteção celular.
