Compreensão da Bioquímica: Membranas Plasmáticas, Organelas, Energia e Metabolismo, Resumos de Bioquímica

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FUNDAMENTOS DA BIOQUÍMICA E A LÓGICA MOLECULAR DA VIDA

A bioquímica estuda o conjunto de biomoléculas que fazem parte da constituição dos diversos organismos vivos, essas moléculas são formadas por diferentes elementos químicos, e ao

que dita às leis da química, estas apresentam diferentes propriedades de acordo com a sua constituição. A complexidade dessas moléculas, associada aos diferentes arranjos de

composição dos organismos vivos, implica em características estruturais, funcionais e metabólicas muito específicas. Portanto, o conhecimento da composição e função dessas moléculas

torna-se importante na compreensão de como esses organismos vivos funcionam e interagem com outros organismos vivos e o ambiente. A diversidade de organismos do planeta é

dividida em dois grupos, os procariotos e os eucariotos, com base na estrutura de suas respectivas células.

A maioria dos procariotos é unicelular e são representados por microrganismos microscópicos conhecidos como bactérias, já os eucariotos podem ser unicelulares, e na maioria das

vezes, multicelulares constituindo todas as formas macroscópicas de vida, incluindo as plantas, animais e fungos.

Fundamentos Celulares

As células vivas apresentam características universais e a partir do padrão de organização e de seus constituintes, podemos classificá-las em dois grupos: a célula animal e a

vegetal.A parede celular e os cloroplastos, que aparecem apenas na célula vegetal, enquanto os lisossomos apenas na célula animal. Esses “elementos” são estruturas especializadas

denominadas de organelas, e a sua presença na célula de um organismo vivo relaciona-se com a adaptação de cada espécie para realizar funções que atenda às suas necessidades

bioquímicas.

Apesar de diferenças pontuais existirem, como precisamos compreender o contexto geral das propriedades bioquímicas iremos focar nas semelhanças, e quando for necessário,

ressaltaremos as particularidades.

A função da membrana plasmática possui peso importante para os mecanismos que ocorrem no interior da célula, pois esta age como uma barreira seletiva para íons e outros compostos, envolvidos em reações químicas do metabolismo. As proteínas presentes na membrana plasmática têm papel essencial nessa passagem de substâncias para o lado externo e interno da célula.O núcleo celular carrega o material genético, representado na maioria dos organismos pelo ácido desoxirribonucleico (DNA), que codifica toda a informação necessária para promover a síntese e regulação de todos os outros elementos celulares. Além disso, o DNA também é responsável pela divisão celular, que forma outras células e garante a perpetuação da espécie. Apesar de todos os mecanismos de regulação e reparo de erros existentes, em alguns momentos o processo de replicação pode sofrer pequenos erros que não são reparados, produzindo uma mutação genética. Essas mutações podem ser repassadas para outras células, e inclusive, determinar mudança na função do produto codificado pelo gene. A mudança pode ser indiferente, de realizar funções que antes da mutação eram impossíveis de serem realizadas. contexto, o estudo dos genes de diferentes organismos pode trazer informações valiosas sobre a evolução entre espécies e também para a determinação de funções bioquímicas. O conjunto de sequências genéticas completas provenientes do DNA de um organismo é chamado de genoma. O estudo comparativo do genoma fornece uma visão ampla sobre o processo evolutivo de diferentes espécies, além de permitir a dedução da função dos produtos de um gene a partir da sequência de DNA. Essa dedução é possível porque o processo de formação de produtos em uma célula é interligado, como representado na figura abaixo. O processo integrado inicia-se no DNA que é transcrito em RNA, seguido pela tradução em proteínas. A interação de todos esses produtos em reações químicas determina a produção de metabólitos, que incluem carboidratos, aminoácidos, lipídeos e nucleotídeos, e que também podem possuir funções celulares específicas ou representar produtos provenientes destas. A partir da evolução científica e tecnológica, os pesquisadores têm achado meios de realizar o estudo de dados bioquímicos em larga escala. Algumas abordagens comuns são as “ômicas”, como a genômica, transcriptômica, proteômica e metabolômica. Intuitivamente, a genômica estuda o genoma, a transcriptômica o conjunto de RNA transcritos, a proteoma o conjunto de proteínas e o metabolômica o conjunto de metabólitos. O ácido ribonucleico, RNA, é outro componente celular importante que fica localizado no citoplasma das células eucariotas ou procariotas. Assim como o DNA, ele carreia informações genéticas, mas que estão relacionadas especificamente com a estrutura de Em outros organismos, como os vírus, o RNA também pode exercer funções semelhantes à do DNA, incluindo a síntese e regulação de componentes e a própria Portanto, apesar de seguir o mesmo padrão geral estrutural, alguns organismos podem apresentar características específicas quanto à composição celular. uma célula de um organismo eucarioto com uma de uma bactéria, podemos ressaltar algumas diferenças relevantes. Em eucariotos, o núcleo possui membrana nuclear, apresentando uma organização diferente do núcleo de bactérias, que não apresenta a membrana nuclear. A mitocôndria é uma organela que está presente no citoplasma de eucariotos e possui função associada à respiração celular, um mecanismo que produz energia para a célula. Em bactérias, a mitocôndria não está presente, e isso implica em reações metabólicas e caminhos diferentes para produção de energia. As bactérias possuem a capacidade de adaptar a forma de obtenção de energia de acordo com o habitat, sendo possível classificá-las em aeróbias e anaeróbias. Ambas obtêm energia pela transferência de elétrons de moléculas de combustível para um aceptor final, que no caso das aeróbias é o oxigênio. Nas anaeróbias, os elétrons serão transferidos para o nitrato, sulfato ou gás carbônico, com produção de gás. As bactérias apresentam uma camada mais externa de peptidoglicano que envolve a célula, além da membrana plasmática, e que também permite a diferenciação desses organismos. Ao aplicar técnicas de coloração, como a coloração de gram, é possível diferenciar as bactérias em classes de acordo com a espessura da camada de peptidoglicano. A coloração gram é aplicada como um teste laboratorial para direcionar o diagnóstico de bactérias patogênicas que causam doenças. As bactérias que possuem a camada mais espessa são classificadas em gram-positivas, enquanto as que possuem camada mais fina, em gram-negativas.

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**Além dos processos de obtenção de energia, também é necessário manter a produção constante para que a produção de componentes celulares e todas as reações químicas estejam sempre acontecendo. Apesar da segregação em grupos, os processos realizados por autotróficos e heterotróficos estão interligados e dependem um do outro. Podemos entender essa dependência observando a Figura 8, que ilustra de forma bem resumida que os autotróficos realizam a fotossíntese a partir da disponibilidade de CO2 e da luz solar, gerando produtos orgânicos e oxigênio (O2 ). Em seguida, os heterotróficos utilizam esses produtos e reciclam o CO2 , deixando-o disponível novamente para os autotróficos recomeçarem o ciclo. A produção de energia na verdade ocorre resultante de processos de transformações de substratos em produtos através das reações químicas. Naturalmente, as reações químicas resultam em uma variação de energia livre, expressa por ΔG, que pode ser negativa ou positiva. Quando negativa, a reação é denominada como exergônica, e quando positiva, como endergônica. De forma bem básica, uma reação química poderia ser representada da seguinte forma:

1. A + B → C ΔG = - 45,0 J
2. D + E → F ΔG = - 21,5 J Sendo A, B, D e E reagentes ou substratos, e C e F produtos obtidos da transformação de A e B (1) e D e F (2), respectivamente. Observe que temos a variação de energia livre negativa especificada ao lado de cada reação. Isso permite concluir que ambas seriam classificadas como exergônicas. A energia negativa da reação exergônica caracteriza que a energia livre dos produtos é menor que a do substrato e, portanto, uma quantidade de energia equivalente ao valor de ΔG é liberada de modo espontâneo. As reações que ocorrem em um organismo são dependentes uma das outras e precisam ser organizadas em sequências consecutivas. Por exemplo, para que a terceira reação ocorra, é necessário que outras duas reações (1 e 2) aconteçam anteriormente, porque os produtos dessas reações serão utilizados como reagentes da última.
3. C + F → G ΔG = + 32,5 J Observe que na terceira reação a variação de energia foi positiva, significando que para ocorrer será necessária uma disponibilidade de pelo menos 32,5 J. Portanto, nesse caso a reação é endergônica e de modo contrário à exergônica, a energia livre dos produtos da reação é maior que a dos substratos, implicando que esse tipo de reação necessita de energia para acontecer. Esse tipo de organização interdependente das reações comumente recebe o nome de rotas bioquímicas, e o conjunto dessas rotas pode ser classificado em catabolismo e anabolismo, de acordo com a energia envolvida nas reações. O catabolismo relaciona-se com rotas produtoras de energia principalmente através da degradação de nutrientes, ou seja, reações exergônicas que partem de moléculas grandes em direção a moléculas menores. Já o anabolismo é formado por rotas que requerem energia e geralmente partem da conversão de moléculas pequenas a moléculas maiores e mais complexas, caracterizando reações do tipo endergônicas. Para que todo esse cenário de rotas bioquímicas funcione de forma eficiente, é essencial a participação de enzimas acopladas a essas reações. As enzimas atuam como A união de rotas bioquímicas do catabolismo e do anabolismo catalisadas por enzimas integra o metabolismo. De modo geral, o estudo do metabolismo é organizado partindo de diferentes classes de biomoléculas ou constituintes, como os que seguem: água, carboidratos, nucleotídeos caracterizar a estrutura e função dessas classes para, em seguida, aprender os processos químicos integrados do metabolismo e suas consequências.**

PRINCÍPIOS DE BIOENERGÉTICA E METABOLISMO

Como vimos até agora, o conteúdo celular é responsável por realizar vários processos químicos para manter a célula viva e, para compreender esses processos, precisamos conhecer a

lógica molecular da vida. Mas além dessa maquinaria celular, o que mais é necessário para que a célula se mantenha em funcionamento constante? A resposta é energia! Em

seguida, você poderia se perguntar, e como essa energia é produzida? As próprias células, a partir da organização de várias reações químicas, desenvolveram mecanismos que

permitem a conversão de matéria em energia utilizando combustíveis. A maioria dos organismos vivos, incluindo os animais e muitos microrganismos são quimiotróficos, e obtêm

energia a partir de moléculas orgânicas como a glicose. Por outro lado, temos algumas bactérias, algas e plantas que são capazes de utilizar a luz como fonte de energia, sendo

denominados de fototróficos.Outra subclassificação é feita levando em consideração a fonte de carbono que o organismo necessita para sintetizar suas biomoléculas. Quando apenas o

CO2 é suficiente chamamos de autotróficos, e quando requerem outros elementos que geralmente são previamente sintetizados por outros organismos, chamamos de heterotróficos. O

esquema abaixo ilustra essas classificações sobre a forma de obtenção de energia para a realização de todos os processos celulares:

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Seguindo a lei das atrações, em que cargas opostas se atraem, o átomo de O de uma molécula de água é atraído pelo átomo de H de outra, determinando a união de diferentes moléculas de água através de ligações de hidrogênio. A força dessa ligação é relativamente fraca, mas confere a organização de moléculas de água em redes ordenadas. Além disso, as ligações de hidrogênio também podem ocorrer entre moléculas de água com outros solutos polares, formando pontes que permitem a interação entre moléculas. Em muitas situações, a presença de moléculas de água é essencial para a função, como por exemplo, quando moléculas de água são desordenadas para permitir a ligação de um substrato a uma enzima, realocando-se para permitir a estabilização da interação. Essas características químicas da água determinam sua função como um solvente polar, o que facilita muito no metabolismo, uma vez que a maioria das biomoléculas é solúvel são compostos carregados ou polares, e consequentemente, solúveis em água. Os compostos podem ser classificados em hidrofílicos, hidrofóbicos e anfipáticos de acordo com a sua capacidade de se dissolver em água. Os compostos hidrofílicos são estes carregados ou polares que se dissolvem facilmente em água, enquanto os hidrofóbicos, geralmente são moléculas neutras ou apolares e, portanto, não se dissolvem facilmente em água. Já os compostos ou moléculas anfipáticas apresentam regiões hidrofílicas e hidrofóbicas em sua composição, de forma que a parte hidrofílica reage com a água e a hidrofóbico organiza-se de forma a evitar no máximo o contato com a água. Essa organização pode ser observada na estrutura das micelas, nas quais as moléculas apolares são unidas por interações hidrofóbicas. Os fosfolipídios, que fazem parte da estrutura da membrana plasmática seguem esse mesmo padrão de organização.Podemos observar que a parte da cabeça é hidrofílica e fica em contato com o meio externo, enquanto a parte interior formada por lipídeos (hidrofóbicos) ficam posicionados para o interior da célula. Além das ligações de hidrogênio, existem outras forças de interação que influenciam em várias interações biológicas e funções celulares, como as interações hidrofóbicas, as ligações iônicas e as forças de Van Der Waals. Todas estas, quando comparadas a ligações covalentes, são consideradas ligações fracas. Porém, o seu efeito cumulativo confere força maior e é determinante para formar a estrutura e conformação final de macromoléculas. Por exemplo, o dobramento de uma cadeia polipeptídica é definido pela união de forças intermoleculares para formar a estrutura tridimensional final de uma proteína. A água tende a mover-se de uma região mais concentrada em direção a uma região menos concentrada. Isso ocorre no processo de osmose, no qual a água é movimentada para o interior ou exterior da membrana plasmática devido a diferença de soluto existente entre os meios. A osmolaridade é uma medida que representa essa diferença de soluto, e de acordo com ela, as soluções são classificadas em isotônicas, hipertônicas e hipotônicas. As soluções isotônicas apresentam osmolaridade iguais à do citosol e, por esse motivo, determina um estado de equilíbrio entre os dois meios, não ocorrendo entrada ou saída de água. Em soluções hipertônicas, a osmolaridade da solução será maior em relação ao citosol, determinante a saída de água até atingir a equivalência de dissolução entre os dois meios. Já as soluções hipotônicas apresentam osmolaridade menor em relação ao citosol, fazendo com que a água desloque para o interior da célula até atingir o equilíbrio osmótico. Portanto, podemos concluir que a célula sempre trabalhará para manter o equilíbrio. Esse sistema é muito importante, pois a entrada e a saída de água da célula podem comprometer drasticamente as funções e a vitalidade celular. Para manter esse equilíbrio osmótico, a célula utiliza de vários mecanismos, que podem variar entre diferentes espécies de organismos. A presença de parede celular rígida nas bactérias confere resistência celular e contribui para impedir a lise celular. Algumas organelas também podem atuar na manutenção desse equilíbrio através do controle de dissolução de partículas no citosol. O plasma sanguíneo é um ótimo exemplo, no qual as proteínas são dissolvidas no seu interior para manter a osmolaridade sanguínea semelhante ao do citosol, determinando equilíbrio entre a célula e seu meio externo.

ÁGUA E SISTEMAS BIOQUÍMICOS

pós a introdução geral dos Fundamentos de Bioquímica e de Bioenergética, conseguimos definir com mais clareza quais são os principais pontos de conhecimento para compreender

o metabolismo como um todo. Partindo da organização em classes de constituintes e biomoléculas, nós iremos iniciar a caracterização da substância mais abundante nos seres vivos, a

água. Considerando que 70% da maioria dos seres vivos é constituído por água, fica claro a importância de definir suas propriedades físicas e químicas, pois estas afetam

diretamente ou indiretamente a estrutura e função de todos os outros componentes celulares. A molécula de água é formada por dois átomos de hidrogênio (H) e um átomo de

oxigênio (O), de forma que cada H compartilha um par de elétrons com o átomo central de oxigênio. O átomo de H possui carga elétrica parcial positiva que corresponde à +1,

enquanto o átomo de O possui uma carga elétrica parcial negativa correspondente à -2.

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Considerando que o valor de pH em uma solução neutra a 25ºC é de 1 x 10-7 M, é possível calcular o valor de pH, chegando ao número 7,0. Sendo assim, a valor 7,0 de pH é derivado do valor do produto iônico da água a 25ºC e representa uma solução neutra. A partir desses cálculos utilizando valores de concentração de íons H+ e OH-, foi possível criar uma escala numérica de pH, que varia de 0 a 14 e é capaz de caracterizar se uma solução tem caráter básico, ácido ou neutro. O pH é caracterizado por uma escala numérica que varia e que, a partir desses valores, é capaz de determinar se uma solução tem caráter básico, ácido ou neutro. Quando a concentração de íons H+ é igual a concentração de íons OH-, a solução é considerada neutra. As soluções com valores de pH menores que 7 (entre 0 e 7) são ácidas, enquanto as soluções com valores de pH maiores que 7 (entre 7 e 14) são básicas ou alcalinas. Devemos ficar atentos ao falar sobre valores de concentração de íons, pois a escala de pH é logarítmica. Portanto, se compararmos dois valores de pH que diferem por apenas uma unidade, a concentração de íons H+ entre estas soluções apresenta uma variação de dez vezes a mais ou a menos. Isso pode ser exemplificado observando a Figura 16. Se considerarmos o pH 1 e 2, por mais que a escala de pH esteja variando em apenas uma unidade, a concentração de íons H+ na escala de pH 1 é equivalente a 10-1 M, enquanto na solução de pH 2, equivale a 10-2 M. Ainda nesta figura, podemos observar que além da concentração de íons H+ expressa pela escala de pH, também temos a concentração de íons OH- expressa por uma escala pOH. Essa escala pOH pode ser usada quando queremos descrever a alcalinidade da solução, ao invés da acidez, de forma que segue o mesmo padrão de interpretação que utilizamos na escala de pH. O pH é uma propriedade de soluções aquosas que pode afetar diretamente a função de vários componentes celulares. Por exemplo, a atividade de enzimas é totalmente dependente do pH do meio e na maioria dos casos, a variação do pH do meio implica em perda da função enzimática. Nesse contexto, ressalta-se a importância de reconhecer o pH de soluções quando estamos estudando o metabolismo celular.Na rotina laboratorial ou de pesquisa, o pH de qualquer solução aquosa pode ser medido através do emprego de um pHmetro ou de indicadores de pH (Figura 16A). De modo geral, as medidas de pH utilizando o pHmetro são baseadas em um sinal produzido a partir de um eletrodo de vidro sensível à concentração de íons H+ e, em seguida, comparado com o sinal que foi gerado por uma solução padrão de pH conhecido. Portanto, chegamos a um valor de pH a partir de uma determinação por medidas aproximadas e comparadas a uma solução padrão. Os indicadores de pH são soluções preparadas com substâncias químicas específicas capazes de evidenciar valores de pH a partir da mudança de cor. Os indicadores mais utilizados são a fenolftaleína e o vermelho de fenol. A fenolftaleína apresenta cor rosa quando atinge o seu ponto de mudança de pH (8 a 10), enquanto em valores abaixo desse ponto é incolor. Já o vermelho de fenol apresenta ponto de viragem diferente, que varia de 6 a 8, exibindo coloração amarela abaixo desse ponto ou vermelha quando o pH se encontra acima de 8. Essas fitas são embebidas na solução a ser testada e, em seguida, observam-se as cores comparando-as com um padrão disponibilizado pelo fabricante. Esse tipo de técnica é utilizado na rotina laboratorial de exame de urina, para determinação do parâmetro pH. Quando for necessário estabelecer o valor de pH de uma solução no laboratório, você poderá escolher qual método atende melhor aos seus objetivos. A presença de ácidos e bases dissolvidos na água torna-se importante nesse contexto de dissociação de autoionização da água, pois os ácidos tem uma tendência de consumir íons OH- e as bases de consumir íons H+ em solução. Os ácidos e bases fracos estão presentes no sistema biológico dos organismos e são importantes para estabelecer condições para que alguns componentes celulares consigam exercer a função de forma correta. Além disso, também participam de regulações metabólicas para manter o corpo no seu melhor estado de equilíbrio. Partindo do princípio que a maioria das reações biológicas acontecem em um pH próximo do valor neutro (7), o corpo humano e todos os seus mecanismos podem trabalhar para buscar condições que garantam o mínimo de variação do pH ao redor dessas faixas. Assim, esses mecanismos reguladores garantem que o metabolismo terá condições ótimas para realizar todas as suas funções. Esse sistema existe, e além de ser utilizado pelas células, também conseguimos reproduzi-los in vitro para realização de técnicas laboratoriais em condições pré- estabelecidas. Os tampões são sistemas capazes de impedir mudanças bruscas na escala de pH e são produzidos através da mistura de ácidos e bases fracas. A adição de ácidos e bases fracas em uma solução vai contribuir para que os íons H+ e OH- sejam absorvidos, em uma quantidade ideal para neutralizar as mudanças de pH.

De modo geral, os fluidos intra e extracelulares utilizam de sistemas de tampão para manter os valores de pH. O pH do sangue utiliza um sistema tampão que consiste na

presença de ácido carbônico e bicarbonato para manter seus valores entre 7,35 e 7,45 e garantir o funcionamento normal de todos os sistemas biológicos. Valores abaixo e acima

desse pH determinam condições denominadas acidose e alcalose, respectivamente, nas quais uma série de reações são desencadeadas para buscar estabelecer o equilíbrio normal.

Essas alterações podem acontecer no contexto de alterações físicas ou pela presença de doenças metabólicas que estudaremos na última unidade. A ação desses sistemas tampão no

contexto de células e tecidos pode ser favorecida pela ação de organelas ou favorecida pela presença de algumas moléculas que apresentam em sua estrutura química grupamentos

funcionais que as caracterizam como ácidos ou bases fracas, como por exemplo, os aminoácidos.

O ser humano tenta compreender e explicar a vida a partir da elucidação de processos biológicos em nível molecular. Essa visão molecular da vida é explicada principalmente

através da bioquímica, de forma que a partir do momento que entendemos como um mecanismo funciona, podemos aprimorar técnicas experimentais e modificar processos específicos de

acordo com a nossa vontade.

Todas as células apresentam características em comum de composição e organização. Por exemplo, independente do organismo a célula sempre apresenta membrana plasmática, citosol

contendo os constituintes celulares e um núcleo. Os eucariotos são mais complexos que os procariotos, e por isso, apresentam uma organização celular mais organizada com a presença

de estruturas especializadas, chamadas de organelas. No grupo dos eucariotos, ainda podemos ressaltar algumas diferenças entre as células animais e vegetais.

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NUCLEOTÍDEOS E ÁCIDOS NUCLEICOS

Como introduzidos na primeira unidade, o material genético dos organismos vivos é formado por unidade monoméricas menores, os nucleotídeos, aminoácidos e açúcares. Agora, iremos iniciar o estudo de uma dessas unidades, os nucleotídeos. Os nucleotídeos são os constituintes dos ácidos nucleicos do DNA (ácido desoxirribonucleico) e do RNA (ácido ribonucleico), que carregam a informação genética. A partir do processamento desse material genético, a célula torna-se capaz de produzir todos os seus componentes e comandar todas as suas funções biológicas. E como é feito esse processamento? Para compreender o processo completo, devemos ressaltar alguns conceitos. Primeiro, o segmento de DNA que possui uma informação genética a ser lida é chamado de gene. Na sequência normal de processos celulares, o gene é transformado em RNA mensageiro (RNAm) através de um processo de transcrição com o envolvimento de enzimas chamadas de RNA polimerases. O RNAm é traduzido nos ribossomos pelos RNA transportadores (RNAt) em sequências específicas de aminoácidos, que serão combinadas para formar as proteínas. Isso mostra que todos os passos devem acontecer de forma articulada e que os nucleotídeos que formam os ácidos nucleicos do DNA e RNA são os primeiros elementos envolvidos na produção de produtos celulares. Como o processo depende de reações químicas a nível molecular, é fundamental conhecermos a estrutura molecular desses elementos. Os componentes moleculares de ambos, DNA e RNA. são semelhantes e por isso vamos caracterizá-los de forma única. A figura abaixo mostra os componentes de um nucleotídeo: um grupo fosfato, uma pentose e uma base nitrogenada. A pentose é um açúcar formado por cinco átomos de carbono e organizado em uma cadeia fechada (cíclico). No caso do DNA, a pentose presente é a desoxirribose (D) e no RNA é a ribose (R)

A idealização dessa quantidade ideal é feita através de cálculos que levam em consideração a força de dissociação dos ácidos e bases, além de concentrações para atingir o equilíbrio

iônico.o metabolismo é na verdade um conjunto de reações químicas que ocorrem de maneira ordenada e dependente uma das Para que o metabolismo aconteça de forma completa e

integrada, a célula necessita obter energia do ambiente. A energia pode ser obtida pelos organismos a partir da captação e absorção de luz solar ou pelo processamento de compostos

químicos, o que os classifica..a fonte de energia para produção de todos componentes biológicos também é importante e gera uma subclassificação em autotróficos e heterotróficos. espécies,

pois as reações de um tipo de organismo fornecem substratos importantes para Essa lógica também ocorre no funcionamento interno através das rotas bioquímicas. Depois que a energia

é obtida para que as reações químicas ocorram, essa energia precisa ser renovada constantemente, visto que o metabolismo celular não pode parar. Apesar de algumas reações

exigiram energia para iniciar (endergônicas), outras liberam energia (exergônica) e isso facilita a classificação das rotas bioquímicas em dois grupos dentro do metabolismo celular, o

catabolismo e o anabolismo.

O catabolismo está relacionado às reações de degradação e liberam energia, enquanto o anabolismo relaciona-se com a síntese de moléculas complexas e por isso exige energia

disponível.

Esse metabolismo celular. que se comportam quimicamente são essenciais para compreender as rotas bioquímicas que controlam o funcionamento celular. Sobre a água, vimos que suas

características químicas determinam propriedades de autoionização e de interações em sistemas aquosos muito importantes para manter o equilíbrio de vários processos químicos

celulares, além de facilitar a interação entre outros Os produtos de ionização da água (H+ e OH-) confere uma propriedade chamada pH, possível de ser mensurada por técnicas

experimentais e das quais fomos apresentados, além de aprendermos à interpretá-las. O valor de pH é importante para manter os organismos em equilíbrio com suas funções e reações

químicas. Os íons H+ e OH- liberados pela água participam do processo de tamponamento, que evita variações bruscas de pH e evitam o desequilíbrio das condições ótimas de

funcionamento do metabolismo.

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Ácidos graxos Os ácidos graxos são chamados de ácidos devido a presença da função ácido carboxílico na extremidade de sua cadeia de hidrocarbonetos. Eles geralmente apresentam em média de 12 a 24 carbonos e podem ser formados por ligações simples (saturados) ou duplas (insaturados). As propriedades dos ácidos graxos são determinadas principalmente pelo comprimento e grau de insaturação da cadeia. Triacilgliceróis ou triglicerídeos Alguns ácidos graxos são importantes para o desempenho de funções celulares e podem interferir na homeostase do metabolismo, mas a maioria são derivados de ácidos carboxílicos, apresentando funções ésteres ou amida. Os triacilgliceróis ou triglicerídeos, por exemplo, são formados por ésteres de ácidos graxos com glicerol. Sua principal função nas células eucarióticas animais e vegetais é o armazenamento de energia, geralmente em células adiposas. A oxidação desses lipídeos gera mais energia do que a oxidação de carboidratos e por isso pode apresentar vantagem metabólica em certas situações. As ceras são ésteres de ácidos graxos saturados e insaturados com álcoois que apresentam pontos de fusão alto, ou seja, são encontradas na forma sólida. Além de da função de combustível, também desempenham funções relacionadas à propriedade impermeabilizante principalmente em glândulas da pele, útil para alguns animais na proteção da pele e de pelos e também para evitar a evaporação excessiva. Fosfolipídios Os fosfolipídios são classificados como lipídios estruturais de membranas que apresentam em sua estrutura uma parte polar (hidrofílica) e uma apolar (hidrofóbica), caracterizando-os como anfipáticos. A parte apolar é constituída por ácidos graxos e são chamadas de caudas, enquanto a parte polar deve-se à presença de grupos carregados como o fosfato, sendo denominada de cabeça e ambas são ligadas por uma ligação fosfodiéster. A característica anfipática dos fosfolipídios permite que eles se organizem em meios aquosos de forma vantajosa e que permite interações importantes. Na membrana plasmática, por exemplo, os fosfolipídios assumem uma organização em bicamada em que suas partes hidrofóbicas ficam todas voltadas para um mesmo lado, evitando interações com a água. Os grupos polares das cabeças dos fosfolipídios ficam voltados para fora em contato com esse meio aquoso garantindo que o interior da célula consiga se comunicar com o exterior. Os fosfolipídios podem ser subclassificados de acordo com a constituição das suas regiões hidrofóbicas em glicerofosfolipídios ou esfingolipídios. Os glicerofosfolipídeos apresentam dois ácidos graxos ligados ao glicerol e são representados pela fosfatidilcolina e fosfatidiletanolamina. Já os esfingolipídios apresentam apenas um ácido graxo, que está ligado a uma amina e resulta em um composto chamado ceramida. Esfingolipídios Os esfingolipídios são constituídos por um ácido graxo unido a uma função amida (--NH2) que resulta em um composto chamada ceramida. Eles ficam expostos na superfície da membrana celular e podem atuar como componentes de membrana ou agir como sítio de reconhecimento, ou seja, sinalizadores. Nós podemos dividi-los em três subclasses de acordo com a composição da cabeça polar: a esfingomielina (grupo fosfato), os glicoesfingolipídios (açúcares) e os gangliosídios (oligossacarídeos e ácido siálico). De acordo com essa classificação, podemos concluir que dependendo dos grupos químicos presentes na estrutura do esfingolipídio, este poderá ser classificado como fosfolipídios ou glicolipídio. A esfingomielina possui grupo fosfato e por isso é classificada como fosfolipídio, exercendo função de componente e sinalizador ao mesmo tempo. Ela está presente na bainha de mielina, que envolve os neurônios e auxilia na condução nervosa através da sinalização nessas células.

O RNA O RNA apresenta estrutura diferente do DNA e quando vamos estudá-lo precisamos considerar as várias classes que incluem: os RNAs mensageiros, os RNAs transportadores

e os RNAs ribossômicos. Quando o DNA é transcrito, o RNAm resultante apresenta uma estrutura de cadeia ou fita simples tendendo à conformação helicoidal devido ao empilhamento

das bases. O pareamento de bases ocorre de forma semelhante à do DNA, diferindo apenas na base uracila que ocorre no lugar da timina e é complementar à adenina.A estrutura

primária do RNA.

Vale ressaltar que no DNA não temos padrões estabelecidos de estruturas secundárias e as suas conformações são altamente complexas e únicas. Os RNAs transportadores têm função

na síntese proteica e apresentam um aminoácido em uma extremidade, responsável por parear com um RNAm para dar início à leitura e produção de proteínas no processo de

tradução. Ainda, existem as ribozimas que são RNAs de função especial e têm como função principal a atuação como enzimas em reações do metabolismo.

Lipídeos

Os lipídeos são compostos químicos que apresentam como principal característica a sua insolubilidade em água. A insolubilidade ocorre porque os lipídeos são constituídos por um

esqueleto de hidrocarbonetos que confere essa propriedade apolar. Eles desempenham funções variadas nas células, sendo as duas principais: o armazenamento de energia como

gorduras e óleos e componentes de membranas biológicas. Nas membranas, podem exercer tanto o papel estrutural quanto funcionar como mediadores da adesão e do reconhecimento

celular ou na transdução de sinal entre o ambiente intra e extracelular.

Quando os lipídeos participam nessa passagem de informação e interligam os processos metabólicos recebem o nome de sinalizadores. Além disso, eles também podem ser classificados

como cofatores ou pigmentos, auxiliando na atividade das enzimas em reações biológicas, conferindo cor à determinados componentes e participando de reações fotossensíveis. Para

facilitar o nosso estudo, vamos conhecer a constituição química e principais funções dos lipídeos de acordo com a seguinte classificação: ácidos graxos, triacilgliceróis, fosfolipídios,

esfingolipídios, glicolipídios, lipoproteínas e isoprenóides.

Bioquímica

Glicolipídios

Os glicolipídios podem ser esfingolipídios ou galactolipídeos. A constituição dos glicolipídios difere dos fosfolipídios, pois eles apresentam um carboidrato (açúcar simples ou

oligossacarídeo complexo) na sua extremidade polar e não o grupo fosfato que ocorre dos fosfolipídios. Como vimos anteriormente, os esfingolipídios classificados como glicolipídios são os

glicoesfingolipídios e os gangliosídios. Os glicoesfingolipídios ocorrem na forma de cerebrosídios ou globosídios e também podem ser chamados de glicolipídios neutros, uma vez que não

apresentam carga em pH neutro. Os gangliosídios estão presentes na membrana de células sanguíneas e possuem partes que contribuem para determinar os grupos sanguíneos

humanos. Um outro grupo de glicolipídios que são mais comuns em células vegetais são os galactolipídeos e os sulfolipídeos. Os galactolipídeos são os mais abundantes e atuam como

componentes de membranas, localizados nas membranas internas de cloroplastos.

Lipoproteínas

As lipoproteínas são constituídas pela associação entre moléculas de proteínas com triacilgliceróis, colesterol e ésteres de colesterol. Essa organização faz com que as lipoproteínas

tenham um núcleo hidrofóbico (triacilgliceróis, colesterol e ésteres de colesterol) e outro hidrofílico (proteínas e fosfolipídios), sendo caracterizadas como anfipáticas. Estas moléculas

podem ser classificadas em quatro tipos de acordo com a sua densidade: os quilomícrons, lipoproteína de densidade muito baixa (VLDL), de densidade baixa (LDL) e de densidade

alta (HDL).

Todos esses lipídios desempenham funções fundamentais na célula, eles precisam ser produzidos e renovados. A renovação ocorre mediante degradação por enzimas presentes nos

lisossomos, que atuam removendo o ácido graxo ou grupamento polar associado. As lipoproteínas possuem papel essencial e ajudam no transporte de lipídeos para remoção e

renovação dos componentes. Defeitos nesse sistema de reposição podem ocasionar doenças graves relacionadas ao acúmulo desses componentes no ambiente celular.

O esterol mais conhecido é o colesterol, presente nos animais, mas as plantas e os fungos apresentam lipídeos dessa mesma classe denominados estigmasterol e ergosterol,

respectivamente. O colesterol pode ser encontrado associado a esfingolipídios e proteínas ligadas ao fosfatidilinositol no interior da célula, formando balsas lipídicas que permitem a

comunicação e a adesão entre células. Os terpenos podem ser representados por pigmentos e substâncias voláteis produzidas naturalmente por plantas vasculares. As substâncias

voláteis podem atuar como sinalizadores na comunicação com outras plantas e animais e os pigmentos produzem cor, desempenhando papel importante na visão (fotossensíveis) e na

fotossíntese. O caroteno é um exemplo de pigmento de cor amarelo alaranjado que presente dá cor à cenoura e também a penas de aves.

Além dos esteróis e dos terpenos, várias outras biomoléculas importantes são formadas por grupos isoprenóides, por exemplo, algumas vitaminas, as ubiquinonas e as plastoquinonas

(transportadores de elétrons nas mitocôndrias e cloroplastos) e algumas citocinas.

AMINOÁCIDOS, PEPTÍDEOS E PROTEÍNAS

As proteínas são biomoléculas presentes em abundância em todas as células e desempenham funções importantes para o metabolismo. Como vimos anteriormente, elas são formadas por

unidades mais básicas denominadas de aminoácidos. Os grupamentos funcionais amino e carboxila são unidos através de ligações covalentes gerando os peptídeos (cadeias de

aminoácidos), que por fim, são combinados para formar uma proteína completa.

Os aminoácidos apresentam ligados ao seu esqueleto de carbono e hidrogênio dois grupos funcionais, o carboxil e o amino.

Além destes, também apresenta uma cadeia lateral (grupo R) que é o que determina a diferença de um aminoácido para o outro. De modo geral, vinte aminoácidos mais comuns são

combinados em quantidade e sequência diferentes e resultam em milhares de tipos de proteínas, que são responsáveis por uma infinidade de processos biológicos. A sequência em que

esses aminoácidos serão combinados não é definida por acaso, na verdade, as proteínas são resultado da leitura do nosso material genético.

O DNA é formado por sequências de nucleotídeos que são lidos transcritos em RNA mensageiro (RNAm) através da transcrição. Sendo assim, podemos dizer que o RNAm é

proveniente de uma informação genética que foi expressa pela célula. Nos ribossomos, esse RNAm será traduzido em polipeptídios com o auxílio de um RNA transportador (RNAt). O

RNAt faz a leitura do RNAm em sequências específicas de três bases nucleotídicas, que são chamados de códon.

Cada códon codifica um desses vinte aminoácidos mais comuns e o conjunto completo dessa relação entre códons e aminoácidos é chamado de código genético.

Bioquímica

O encaixe induzido pode ser utilizado biologicamente como uma estratégia para evitar reações prematuras, de forma que em algumas situações pode ser necessário mais de uma

interação enzima-substrato, em etapas consecutivas para ativar uma enzima. Em uma primeira etapa, após o primeiro encaixe induzido, a enzima muda sua conformação e expõe um

novo sítio ativo. Esse segundo sítio pode ser ligado por um outro substrato de forma específica, e em seguida, a enzima poderá exercer a sua função propriamente dita.

Os principais fatores que podem afetar a atividade enzimática são a temperatura, o pH a concentração da enzima e de substrato. Ao pensarmos que a enzima é uma proteína, fica

simples de entender o porquê sua atividade pode ser influenciada pela temperatura e o pH, por estar suscetível ao processo de desnaturação. Já com relação à concentração de

enzima e substrato, podemos entender como ambos afetam a atividade enzimática fazendo uma relação muito simples, que considera a quantidade de sítio ativo que a enzima possui

disponível para ligar o substrato.

Quando todos os sítios da enzima estiverem ligados, a reação não poderá continuar sendo catalisada por enzimas na mesma proporção de substrato disponível, pois há mais

substrato que enzima. O mesmo acontece para o contrário, quando temos muita enzima e pouco substrato, pois todos os sítios da enzima serão ocupados e ela realizará sua função

máxima. Assim, a reação não poderá continuar acontecendo na mesma velocidade, pois não haverá mais substrato disponível.

A relação entre a velocidade de uma reação catalisada e a concentração é estudada pela cinética enzimática, porém, ela não é tão simples uma vez que a partir do momento que a

reação inicia o substrato começa a ser consumido, sendo difícil estudar os efeitos durante essa conversão em produto intermediário e final. A maioria das enzimas seguem um mesmo

padrão cinética e a partir de estudos desses parâmetros, os bioquímicos são capazes de comparar as atividades e caracterizar as eficiências catalíticas de enzimas. Algumas

disfunções e doenças metabólicas podem ser resultantes do mau funcionamento, do funcionamento excessivo ou do funcionamento deficiente de uma enzima. Por isso, pode ser muito

comum na rotina de diagnóstico de doenças a pesquisa ou dosagem de algumas enzimas, buscando esclarecer algumas patologias.Algumas enzimas exigem a presença de um cofator ou

coenzima para funcionar, que são componentes do tipo inorgânicos ou orgânicos, respectivamente. Entre os inorgânicos, os mais comuns são os íons ferro, manganês, magnésio ou zinco e

já os orgânicos na maioria das vezes é derivado de vitaminas ou nutrientes. Assim como nas proteínas, esses grupamentos que podem ser ligados à enzima recebem o nome de grupo

prostético, e quando a enzima está ligada a eles formando uma estrutura completa e ativa, a denominamos de holoenzima.

As vitaminas são exemplos de cofatores e suas propriedades e funções serão abordadas final deste tópico. Note que na primeira interação a enzima não é ativada (apoenzima) devido

à ausência de cofator e na segunda interação, o cofator possibilita a interação com o substrato e torna a enzina funcional (holoenzima).

Na maioria das situações o nome de uma enzima costuma representar a sua atividade ou estar relacionado com seu substrato ou reação que catalisa. Além disso, qualquer um destes comumente pode estar associado a um sufixo –ase. Por exemplo, a enzima hidrolase que participa de reações de hidrólise, ou ainda, a ATP: glicose-fosfotransferase, que catalisa a transferência de um grupo fosforil do ATP para a glicose. Ao exercer suas funções, as enzimas agem em reações que ocorrem de forma consecutiva e dependentes uma das outras. A ação etapa após etapa geralmente gera uma variação de energia livre durante as reações, que podem ser conservadas ou transformadas e posteriormente utilizada para o desempenho do metabolismo. É importante ressaltar que em uma reação o papel da enzima é o aumentar a velocidade e ela é capaz de fazer isso sem alterar o equilíbrio ou ser gasta durante o processo. Observe o esquema abaixo de uma reação enzimática simples: E + S ES EP E + P Ambos ES e EP são intermediários da reação, ou seja, espécies químicas transitórias que aparecem antes do produto final. Observe que a enzima aparece no final da reação, indicando que ela não foi consumida e sim conservada. O símbolo de seta dupla ( ) indica que a reação está ocorrendo em equilíbrio, e independente da velocidade da reação ter sido aumentada, esse equilíbrio prevalece em todas as etapas. Como já vimos na primeira unidade, cada uma das etapas de uma reação gera uma variação de energia (∆G). Antes de iniciar, temos um estado basal de energia que precisa ser superado para um estado de transição, no qual a reação inicia. A diferença de energia entre esses dois estados é chamada de energia de ativação. Quanto maior é a energia de ativação, de forma mais lenta a reação ocorre. Os catalisadores atuam justamente diminuindo a energia de ativação, o que consequentemente diminui o tempo que as reações levariam para ocorrer. Tudo isso pode ser visualizado de forma mais clara quando demonstramos a partir de um gráfico chamado de Diagrama da coordenada da reação (Figura 19). Nesse gráfico temos a energia livre (G) no eixo y plotada pelo progresso da reação no eixo horizontal. Partindo de um estado fundamental ou basal, é necessário energia suficiente para atingir um estado de transição tanto para S (∆G S → P) quanto para P (∆G P → S). A diferença entre essas variações de energia (do estado de transição e fundamentais) representa a energia de ativação. Vitaminas As vitaminas são substâncias essenciais para o funcionamento do metabolismo pois agem como cofatores enzimáticos, ou seja, ajudam na ativação de enzimas e permitem que uma reação ocorra. Elas são classificadas em dois grupos principais: as hidrossolúveis (complexo B e vitamina C) e as lipossolúveis (A, D, E e K). A maioria delas precisa ser obtida de uma fonte externa, como a dieta, e são necessárias em baixas quantidades. O excesso ou falta de vitaminas podem ocasionar várias doenças, chamadas de hipervitaminoses ou hipovitaminoses. Vitaminas lipossolúveis A vitamina A ou o retinol atua como um hormônio e um pigmento fotossensível no olho de vertebrados. O ácido retinóico é uma substância derivada dessa vitamina que tem papel importante na manutenção da pele. As principais fontes dessa vitamina são: óleo de peixe, fígado, ovos, leite e manteiga. Além disso, o pigmento β-caroteno presente na cenoura e em outros vegetais pode ser convertido em vitamina A. devido ao seu envolvimento com a pele e olhos, naturalmente sua deficiência causa impacto nesses dois órgãos.

Bioquímica

A vitamina D ou colecalciferol é formada através de uma reação catalisada pela luz solar e está associada a regulação de cálcio nos rins, intestino e ossos. Por isso, a sua deficiência

é interligada com defeitos ósseos e uma doença chamada raquitismo. As vitaminas E e K são encontradas principalmente em ovos, óleos vegetais e germe de trigo e atuam como

antioxidantes. A proteção contra o dano oxidativo ocorre um anel aromático presente em sua estrutura reage com radicais livres e impede os danos que poderiam causar fragilidade

celular. Essa característica faz com que ambas sejam consideradas cofatores. Além disso, a vitamina K participa da formação de alguns componentes da coagulação sanguínea, e

consequentemente, sua deficiência pode causar disfunções hemorrágicas.Os lipídios sinalizadores são aqueles que agem como mensageiros intracelulares e reagem à um sinal externo via

receptor de membrana, desencadeando uma série de reações intracelulares para gerar uma resposta. Eles são representados principalmente por hormônios esteroides (testosterona,

estradiol, cortisol, aldosterona), eicosanoides (prostaglandinas, leucotrienos e tromboxanos) e outros mensageiros celulares (fosfatidilinositol e esfingolipídios de membrana).

As prostaglandinas geram algumas respostas associadas à dor e a inflamação, afetando a temperatura corporal, o fluxo sanguíneo para outros locais e órgãos e a contração da

musculatura lisa. Os tromboxanos atuam na formação de coágulos e redução do fluxo sanguíneo e os leucotrienos regulam a contração da musculatura lisa do pulmão, relacionando-

se diretamente com alergias, asma e reações anafiláticas.

Vitaminas hidrossolúveis

O grupo de vitaminas hidrossolúveis é constituído por pelas vitaminas do complexo B (B1 a B12) e a vitamina C. A maioria das vitaminas do complexo B (B1, B2, B3, B5 e B7)

participam como coenzimas na respiração celular, um processo do metabolismo que gera energia principalmente a partir de moléculas de carboidratos, proteínas ou lipídios. Além da

participação nesse processo que é primordial para o funcionamento dos organismos, as vitaminas também podem apresentar outras funções que apresentaremos a seguir, juntamente

com as principais fontes e as consequências associadas à deficiência de cada uma..

A vitamina B1 ou tiamina é encontrada principalmente em cereais integrais, feijão, leite, fígado, peixe e carnes magras, apresenta papel importante na manutenção do tônus muscular

e do sistema nervoso e sua carência pode ocasionar perda de apetite e fadiga muscular, além de causar uma doença chamada beribéri.A vitamina B2 ou riboflavina pode ser

absorvida pelo organismo através da ingestão de carnes magras, ovos, leite, fígado e folhas vegetais. Sua função está associada à saúde da pele, do sistema nervoso e da produção de

células do sangue. A vitamina B3 ou niacina é obtida de fontes semelhantes à da vitamina B2 e atua no funcionamento do sistema nervoso, digestório e na manutenção do tônus

muscular. A carência de niacina pode causar fraqueza, nervosismo, distúrbios digestivos e feridas na pele.

A vitamina B5 ou ácido pantotênico é encontrado principalmente em carnes e grãos integrais e suas funções estão associadas à síntese de alguns lipídios e hemácias. A vitamina B6 ou piridoxina tem fonte e funções semelhantes às das vitaminas B1, B2 e B3, além de também apresentar papel no funcionamento normal das células nervosas e na formação de hemácias. A carência de piridoxina associa-se das doenças de pele, apatia e distúrbios nervosos.Apesar de estar presente no ovo e fígado, a vitamina B7 ou biotina não precisa ser ingerida na dieta, pois é produzida por bactérias da microbiota intestinal. É encontrada principalmente em ovos e cereais integrais e sua função está relacionada com a síntese de proteínas e de células sanguíneas. A vitamina B9 ou ácido fólico possui papel importante na gravidez, relacionando-se com a síntese de bases do DNA e consequentemente com a multiplicação celular e formação fetal. As principais fontes são folhas vegetais, frutas e cereais integrais, além da sua produção ser favorecida pelo metabolismo de bactérias presentes na microbiota intestinal. A vitamina B12 ou cianocobalamina é obtida de carnes, frutos do mar, ovos, leites e derivados e está associada com a síntese de nucleotídeos, renovação celular, maturação das hemácias. A carência desta vitamina pode causar distúrbios nervosos e anemia. A vitamina C ou ácido ascórbico é uma das vitaminas mais conhecidas por seu papel de auxiliar no sistema imunológico e na formação de colágeno. Níveis ideais desta vitamina contribuem para conservar o tecido conjuntivo, melhorar a integridade da pele e dos vasos sanguíneos. As principais fontes de vitamina C são frutas, principalmente as cítricas (laranja, limão, acerola, tomate, morango, etc.) e vegetais como couve e repolho. A carência de vitamina C pode causar dores nas articulações, alterações gengivais e dentárias, insônia, nervosismo e cansaço. A doença escorbuto é ocasionada pela deficiência desta vitamina e é caracterizada por um quadro de anemia com hematomas, sangramento nas gengivas e dentes enfraquecidos. CARBOIDRATOS Os carboidratos são as biomoléculas mais abundantes na Terra e apresentam funções variadas nos diversos organismos vivos. Uma das funções mais importantes desempenhadas por esse grupo de moléculas é a de servirem de fonte de energia para animais e vegetais. Também estão presentes como componentes estruturais e protetores de bactérias e vegetais, além de participar de processos metabólicos com papel no reconhecimento e adesão entre células. Quimicamente, são caracterizados como poli-hidroxialdeídos ou poli-hidroxicetonas, ou ainda, precursores desses compostos. Isso significa que apresentam na constituição química um esqueleto de hidrocarbonetos com função aldeído ou cetona, ou seja, um grupamento carbonila (C=O) no início ou no meio da cadeia. Usualmente são chamados de açúcares e recebem o sufixo “ose” no final de sua nomenclatura. Os carboidratos geralmente são classificados em três grupos de acordo com o tamanho de sua cadeia em monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. Os monossacarídeos são os carboidratos mais simples por apresentarem cadeias curtas de até seis carbonos e apenas uma unidade de poli-hidroxicetona ou poli-hidroxialdeído. Os oligossacarídeos geralmente são formados por cadeias curtas de monossacarídeos e os polissacarídeos por cadeias longas, sendo considerados polímeros de monossacarídeos. A seguir, iremos apresentar as características e funções dos carboidratos, evidenciando essas classes mais detalhadamente.

Bioquímica

A quitina também é um composto linear que apresenta ligações do tipo β (1 → 4), diferindo da celulose pela presença de um grupo amina acetilado no lugar de uma hidroxila. Esse

polissacarídeo também forma fibras longas e confere propriedade importante como componente de exoesqueleto de artrópodes.

Outros heteropolissacarídeos importantes que podemos citar são: o peptidoglicano, ágar e os glicosaminoglicanos. O peptidoglicano é constituído por resíduos de N-acetilglicosamina e

ácido N-acetilmurâmico organizados em cadeias alternadas e estão presentes na parede celular de bactérias desempenhando função estrutural e protetora. O ágar é encontrado na

parede de algas e tem a propriedade de formar géis, apresentando utilidade comercial na culinária, na produção de géis de agarose, meios de cultura, ou ainda, cápsulas para

medicamentos.

Os glicosaminoglicanos são heteropolissacarídeos lineares formados por unidades repetidas de dissacarídeos e estão presentes como componentes estruturais da matriz extracelular

(MEC). A MEC é constituída por uma mistura de proteínas (colágeno, elastina e fibronectina) que formam uma rede de ligações cruzadas com esses glicosaminoglicanos,

representados por: N-acetilglicosamina, N-acetilgalactosamina, ácido hialurônico, sulfato de condroitina, dermatan-sulfato, queratan-sulfato e heparan-sulfato.

Oligossacarídeos e glicoconjugados

Os carboidratos também possuem papel importante quando estão associados a outros tipos de moléculas, os chamados glicoconjugados. Geralmente, nesses casos são classificados em três

tipos: os proteoglicanos, as glicoproteínas e os glicolipídios. De modo geral, desempenham funções associadas ao armazenamento de combustível, função estrutural, transporte de

informações, comunicação entre as células e a MEC, sinalização e reconhecimento celular. Os glicoconjugados são encontrados principalmente no glicocálice da célula na forma de

oligossacarídeos associados a componentes da membrana plasmática. Observe na Figura 24 o glicocálice, uma camada formada do lado mais externo sobre a membrana apresentando

glicoproteínas e glicolipídios na sua composição.

As glicoproteínas são constituídas por oligossarídeos ligados às proteínas e estão presentes no glicocálice, na MEC, no sangue, ou ainda, na parte interna da célula em organelas específicas. Elas apresentam em sua constituição locais específicos que são usados como pontos de reconhecimento celular em imunoglobulinas ou hormônios, além de apresentarem afinidade de ligação com outras proteínas como as lectinas. Os glicolipídios são formados por resíduos de açúcar associados à lipídeos e suas funções também são associadas à capacidade de ligar-se as lectinas. Além disso, eles também estão presentes na bainha de mielina de células nervosas auxiliando na condução nervosa, na superfície de hemácias determinando os grupos sanguíneos humanos, na membrana de bactérias conferindo sorotipo específico e contribuindo para virulência. As lectinas utilizam tanto dos glicolipídios como das glicoproteínas como pontos de reconhecimento celular, para sinalização e também adesão celular. O movimento dos neutrófilos nos vasos sanguíneos em direção aos tecidos quando há inflamação é um exemplo que envolve um grupo de lectinas. Essas lectinas estão presentes na superfície interior dos vasos e reconhece os neutrófilos ligando-se à glicoproteínas da célula e partir disso controlam e direcionam o movimento dos neutrófilos. Os proteoglicanos são formados por uma proteína com um ou mais glicosaminoglicanos ligados e estão presentes na superfície celular como proteínas integrais de membrana ou livres na MEC. Os mais conhecidos são os proteoglicanos de membrana ligados a heparan-sulfato, que são divididos em duas famílias: os sindecanos e os glipicanos. Alguns podem formar os agregados de proteoglicanos, que são grupos de proteínas ligados a uma única molécula de ácido hialurônico. Na MEC esses agregados formam uma rede de ligações cruzadas que confere resistência e elasticidade à matriz extracelular. Nesse caso, desempenham função de ancoragem e modulação através de receptores de superfície celular que permitem a propagação de sinais para o interior da célula. A maioria dos óleos vegetais consumidos na dieta são constituídos de triacilgliceróis com ácidos graxos insaturados (líquidos à temperatura ambiente) ou saturados (sólidos à temperatura ambiente). Para aumentar a estabilidade dos óleos de cozinha em altas temperaturas realiza-se um processo de hidrogenação, que converte muitas ligações duplas em simples e aumentam seu ponto de fusão. Entretanto, essa hidrogenação faz com que as ligações cis sejam convertidas em ligações trans. O consumo de gorduras trans aumentam o nível de triglicerídeos e de colesterol LDL no sangue e por isso está associado à um maior risco de desenvolver doenças cardíacas. iMPORTANTE: A anemia falciforme é uma doença genética que ocorre em pessoas que herdam dois alelos (homozigotos) do gene que codifica a subunidade β da hemoglobina, determinando um defeito na estrutura da hemoglobina. Esses pacientes apresentam uma forma defeituosa de hemoglobina em formato de S que implica na sua incapacidade de oxigenação em níveis normais, além de ser insolúvel e formar agregados. Os eritrócitos que carreiam essas hemoglobinas apresentam formas anormais resultantes desses problemas com a forma e a disfunção da hemoglobina dessas células. Os indivíduos que recebem apenas um alelo (heterozigotos) apresentam o traço falciforme e as consequências na função da hemoglobina são proporcionalmente muito menores, de forma que costumam levar uma vida praticamente normal.

Bioquímica

METABOLISMO DOS CARBOIDRATOS

Entre os carboidratos, a glicose apresenta papel especial no metabolismo de plantas, animais e microrganismos, pois seu alto potencial energético faz com que ela seja a principal fonte

de energia para os seres vivos. Nem todos os organismos possuem glicose disponível para usar como energia, sendo necessário sintetizá-la em alguns casos. Os organismos fotossintéticos

são capazes de produzir glicose através da captação de gás carbônico da atmosfera, gerando açúcares de três carbonos que são convertidos em glicose. Já os não fotossintéticos, podem

produzir a partir de precursores de carbono pela gliconeogênese. Além da sua função energética, a glicose também é direcionada para outros destinos importantes no metabolismo,

desempenhando papel de precursor para vários intermediários de reações metabólicas.

Sendo assim, vamos focar nosso estudo nesses principais destinos buscando compreender como as vias Biosintética utilizam esse carboidrato para manter a célula em funcionamento.

Como já vimos anteriormente, a glicose tende a ser armazenada na forma de amido e de glicogênio. Ambos servem como um estoque energético, sendo possível liberar glicose a partir

deles para a produção de energia a célula necessita, como também armazenar este carboidrato quando não for utilizado totalmente. O processo de produção de energia pela liberação

de glicose é chamado de glicólise, e o processo de estocagem na forma de glicogênio é chamado de gliconeogênese. Vamos descrever a seguir os principais processos envolvidos na

utilização e síntese de glicose: glicólise, gliconeogênese e a via das pentoses-fosfato.

Glicólise

A glicólise é uma via metabólica responsável pela produção de energia para tecidos e células animais e vegetais e também microrganismos através da degradação, via oxidação, de

moléculas de glicose. Durante o processo, a energia da glicose é conservada na forma de NADH e de ATP. Outros carboidratos endógenos ou oriundos da dieta também podem ser

transformados em intermediários e entrar na via glicolítica para produção de ATP.A glicose é uma molécula de seis átomos de carbono e na glicólise ela é convertida em duas

moléculas de piruvato, que possuem três átomos de carbono cada uma. Essa conversão ocorre em 10 etapas divididas em duas fases: a fase preparatória e a fase de compensação.

A fase preparatória recebe esse nome porque durante as cinco etapas ocorre o consumo de duas moléculas de ATP. Apesar do gasto energético, isso será compensado na próxima etapa,

denominada fase de compensação, na qual a energia é recuperada pela produção de ATP.

A produção de NADH ocorre de forma semelhante, sendo necessário para a sua formação um grupo fosforil para cada NAD+, visualizado na etapa 6 da segunda fase (Quadro 1).

Na oxidação e fosforilação da etapa 6 ocorre essa reação com produção de dois NADH e um próton de hidrogênio livre (H+). Também vale destacar que na conversão das duas

moléculas de 2-fosfoglicerato em duas moléculas de fosfoenolpiruvato há produção de duas moléculas de água (H2 O), e por esse motivo, essa etapa da via também recebe o nome de

desidratação.

Durante a fosforilação da glicose e da frutose-6-fosfato o grupamento fosforil é utilizado e o ATP é convertido em ADP. Como dois ATPs foram consumidos na primeira fase da

glicólise, consideramos que o rendimento líquido é de dois ATPs. O piruvato tende a ser direcionado à três destinos dependendo das condições de aerobiose ou anaerobiose. A partir

dessas informações, usualmente é produzido um balanço geral da via glicolítica a partir de uma equação global da glicólise em condições aeróbicas. Ao escrevermos todos os

participantes da via metabólica e cancelar os termos comuns aos dois lados, obtemos a equação global.

Equação completa: Glicose + 2ATP + 2NAD+ + 4ADP + 2Pi → 2 piruvato + 2ADP + 2NADH + 2H+ 4ATP + 2H2 O Equação global: Glicose + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2 piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O As duas moléculas de NADH formadas na glicólise são utilizadas na cadeia de transporte de elétrons, na qual os elétrons do NADH são transferidos ao oxigênio na mitocôndria de célula eucarióticas, com produção de energia para síntese de ATP. Esse processo será retomado no próximo tópico sobre fosforilação oxidativa. Na presença de oxigênio, o piruvato pode ser convertido em acetil-CoA e entrar no ciclo do ácido cítrico, que ocorre em animais, vegetais e alguns microrganismos sob condições aeróbias. Na ausência de oxigênio ou anaerobiose, o piruvato pode ser fermentado até lactato (fermentação láctica) ou etanol (fermentação alcóolica). Na fermentação a glicose é degradada de forma anaeróbia e a energia é conservada na forma de ATP. Realizada por alguns microrganismos parasitas e arqueobactérias que não possuem as enzimas necessárias para a glicólise. A fermentação láctica ocorre principalmente no músculo esquelético em baixas concentrações de oxigênio ou em determinados tecidos ou células como a retina ou eritrócitos. A fermentação alcóolica é muito comum em leveduras e é utilizada como estratégia para fabricação de pães e cervejas, mas também ocorre em tecidos vegetais, invertebrados, protistas e leveduras. Gliconeogênese A gliconeogênese é uma via que permite a síntese de glicose a partir de precursores que não são carboidratos. Essa via ocorre de forma semelhante em todos os animais, vegetais, fungos e microrganismos, diferindo apenas nos precursores, tecidos e na regulação. Em animais, os precursores mais importantes são o lactato, piruvato, triacilglicerídeos, glicerol e alguns aminoácidos ocorrendo principalmente nos tecidos hepático, renal ou epitelial. As plantas podem utilizar proteínas (aminoácidos) e gorduras (triacilglicerois), além de serem capazes de converter gás carbônico em carboidratos. O seu funcionamento segue um sentido oposto ao da glicólise, partindo do piruvato e compostos relacionados em direção à produção de glicose. Podemos destacar que das 10 reações da via glicolítica, sete são exatamente o inverso (etapas 2 e 4 a 9) e três são diferentes porque são irreversíveis (etapa 1, 3 e 10). Na gliconeogênese, as etapas irreversíveis são contornadas por outras reações que utilizam enzimas diferentes e também são irreversíveis. Assim como para a glicólise, podemos deduzir a equação geral e global da gliconeogênese. Inclusive, podemos utilizá-la para comparar com a equação da glicólise e confirmar que elas realmente não são exatamente opostas. A principal diferença está na molécula de ATP, pois se fossem contrárias, a gliconeogênese exigiria apenas dois ATPs e não quatro.

Bioquímica

1.O oxalacetato passa por uma condensação à citrato pela enzima citrato-sintase.

2. O citrato é transformado em isocitrato pela enzima aconitase.

3. O isocitrato é oxidado a α-cetoglutarato pela enzima isocitrato desidrogenase. Uma molécula de NADH e uma de CO2 são liberadas.

4. O α-cetoglutarato é oxidado a succinil-CoA pela enzima α-cetoglutarato-desidrogenase. Uma molécula de NADH e uma de CO2 são liberadas.

5. O succinil-CoA é convertido em succinato pela enzima A succinil-Coa sintetase. Nessa etapa, a energia libera forma 1 ATP.

6. O succinato é oxidado a fumarato pela enzima succinato desidrogenase. Uma molécula de FADH2 é liberada.

7. O fumarato é transformado em malato pela enzima fumarase.

8. O malato é convertido a oxalacetato pela enzima malato desidrogenase, reciclando o componente da primeira etapa do ciclo. Uma molécula de NADH é liberada

O rendimento final dessas oito etapas é de apenas 1 ATP, mas no terceiro estágio da respiração celular esse rendimento será bem maior. A fosforilação oxidativa inicia com os

transportadores de elétrons NADH (rendimento de 3 moléculas) e FADH2 (rendimento de 1 molécula) que foram produzidos no estágio anterior.

Fosforilação Oxidativa

A fosforilação oxidativa é caracterizada por reações de transferência de elétrons nas mitocôndrias. A anatomia da mitocôndria influencia diretamente nessas reações, de forma que

apesar de a membrana externa permitir a passagem de moléculas e íons, a interna é impermeável e a passagem só é permitida devido a presença de transportadores. Além disso, na

matriz mitocondrial encontra-se enzimas, coenzimas, cofatores e intermediários que estão envolvidos na fosforilação.

Dependendo da necessidade do tecido, a quantidade de mitocôndrias pode ser maior para proporcionar uma maior produção de ATP proporcional ao funcionamento dessas células. Por exemplo, o músculo cardíaco exige muito mais energia do que o fígado e apresenta cerca de três vezes mais mitocôndrias. O início da fosforilação é marcado pela entrada de elétrons na cadeia respiratória, dos quais foram coletados anteriormente por enzimas desidrogenases e transferidos para os transportadores de elétrons chamados de nucleotídeos de nicotinamida (NAD e NADP) ou nucleotídeos de flavina (FAD e FMN). Além desses, também existem outros carreadores de elétrons que são as ubiquinonas e proteínas que apresentam ferro como os citocromos e as proteínas ferro-enxofre. Elas foram complexas que acoplam uma séria de reações de transferência de elétrons, à medida que elas acontecem forma-se um gradiente de prótons e a diferença de concentração gera uma energia que impulsiona a síntese de ATP. A passagem de dois elétrons do NADH ao oxigênio é equivalente a aproximadamente 2,5 ATP, enquanto a do FADH2 a 1,5 ATP. Essa proporção permite calcula o rendimento total de ATP após a oxidação completa da glicose. Ao avaliar o processo desde a glicólise, pela equação global observamos um rendimento de: ● 2 NADH (na etapa de conversão do gliceraldeído 3-fosfato ao 1,3-bifosfoglicerato) ● 4 ATP (2 na etapa de conversão do 1,3 bifosfoglicerato a 3-fosfoglicerato e 2 na etapa de conversão do fosfoenolpiruvato a piruvato). Nas oito etapas do ciclo são formadas 3 moléculas de NADH, 1 de FADH2 e 1 ATP por molécula de glicose. Entretanto, também devemos considerar que na preparação do piruvato para entrar no ciclo como acetil-CoA, também é gerado 1 NADH. Uma vez que o ciclo é realizado a partir de 2 moléculas de glicose, temos que o rendimento total é o dobro disso: ● 2 de NADH (na etapa de conversão de 2 moléculas de piruvato a 2 moléculas de acetil-CoA); ● 6 moléculas de NADH (2 na etapa de conversão de 2 moléculas de isocitrato a α-cetoglutarato; 2 na etapa de conversão de 2 moléculas de α-cetoglutarato a succinil-CoA; e 2 na etapa de conversão do 2 moléculas de malato a 2 moléculas de oxalacetato); ● 2 de FADH2 (2 na etapa de conversão de 2 moléculas de succinato a 2 moléculas de fumarato); ● 2 de ATP (na etapa de conversão de 2 moléculas de succinil-CoA a 2 moléculas de succinato). Considerando que a cada duas moléculas de NADH geramos 2,5 ATP, temos que as 10 moléculas de NADH (2 provenientes da glicólise + 2 da formação da acetil-CoA + 6 do ciclo do ácido cítrico) produzirão 25 ATP. Se uma molécula de FADH2 gera 1,5 ATP, as 2 moléculas de FADH gerarão 3 ATP. Estes 25 ATP somados aos 6 ATP (4 da glicólise e 2 do ciclo do ácido cítrico), produzem em média 31 ATP (30 a 32 ATP) por oxidação completa de duas moléculas glicose. Fotossíntese Os organismos fotossintéticos apresentam algumas diferenças importantes no processo de síntese de energia, e por isso, iremos estudar esses processos através da descrição da fotossíntese e da fotofosforilação. Em plantas, a fosforilação utiliza a luz como fonte de energia e pode ser chamada como fotofosforilação. Na reação de fotossíntese, o gás carbônico atmosférico (CO2 ) e a água (H2 O) são utilizados como reagentes para produzir compostos orgânicos (CH2 O) e oxigênio (O2 ).

Bioquímica

1Um ponto importante para destacar é que para sintetizar esses produtos, esses organismos precisam de energia. Essa energia é obtida inicialmente de a utilização da luz parar

gerar NADPH e ATP. Isso é importante para possibilitar que o fluxo de elétrons aconteça, e partir daí, o processo fica muito parecido ao que ocorre na fosforilação oxidativa sendo

criado um potencial eletroquímico para produzir ATP.Os cloroplastos são as organelas que representam o local em que a fotossíntese ocorre, suas características morfológicas são

semelhantes à da mitocôndria, apresentando uma membrana externa que permite a passagem de pequenas moléculas e outra externa que exige o envolvimento de transportadores.

Os tilacoides são membranas que apresentam pigmentos complexos de enzimas em suas membranas, necessários para as reações dependentes de luz e para a formação de ATP. Os

pigmentos mais importantes são a clorofila e os pigmentos acessórios chamados de carotenoides, com destaque para o β-carotena e a luteína. Esses tilacoides se organizam em pilhas

chamadas de grana e as suas membranas são chamadas de lamelas. O estroma é um tecido de sustentação que contém várias enzimas necessários nas reações de assimilação de

carbono.

Os pigmentos fotossintéticos são arranjados em fotossistemas que apresentam uma mistura de moléculas de clorofila, carotenoides e luteína. Cada pigmento absorve luz em um comprimento de onda característico. Como cada comprimento corresponde a uma cor específica, a combinação de pigmentos é responsável pela gama de cores que os organismos apresentam. As plantas têm cor verde porque seus pigmentos absorvem luz das regiões correspondentes à cor azul e vermelha do espectro, refletindo principalmente a luz verde. A clorofila a e b são os principais pigmentos coletores das plantas, possibilitando a absorção da maior parte de energia presente na luz solar. Nas plantas temos dois fotossistemas importantes, o I e o II, que apresentam a seguintes organizações: ● Fotossistema II: apresenta quantidade equivalente de moléculas de clorofila a e b e um centro de reação P680. ● Fotossistema I: apresenta maior quantidade de clorofila a do que de clorofila b e um centro de reação P700. Além desses fotossistemas, também existe um complexo muito importante para a produção de energia em organismos fotossintéticos, o complexo citocromo b6f. ● Complexo citocromo b6f: formado com uma associação de enzimas que interliga o fotossistema II e I através da catalisam a transferência de elétrons do centro de reação P680 ao P700. Tendo em vista todas as características relevantes das células vegetais fotossintéticas, agora podemos pontuar em passos as etapas da fotossíntese. A fotossíntese é dividida em duas etapas de acordo com a características das reações envolvidas, sendo a primeira etapa constituída por reações dependentes de luz e a segunda por reações de assimilação de carbono, também chamada de ciclo de Calvin. Reações dependentes de luz

**1. Uma molécula de clorofila absorve luz, fica em um estado excitado e transfere a energia diretamente a uma molécula vizinha de pigmento. O estado excitado significa que um elétron da molécula passa para um nível maior de energia e pode ser transferido para um aceptor de elétron. Quando o elétron é transferido, a molécula retorna ao estado não excitado com carga positiva e sua carga é estabilizada novamente quando uma molécula vizinha doa um elétron para ela. Assim, inicia-se uma cadeia de oxidação-redução

2. Quando um elétron atinge uma molécula de pigmento que está associada a um fotossistema, um centro de reação é excitado e uma sequência de reações acontecem. A excitação do centro P680 pela recepção de um elétron impulsiona a transferência desse elétron através da feofitina, seguido de uma plastoquinona ligada a proteínas (PQA e PQB), formando plastoquinol.
3. O complexo b6f conecta o fotossistema II com o I através da proteína plastocianina que carrega os elétrons do plastoquinol formado no centro de reação P680 até o centro de reação P700 do fotossistema I.
4. Após a excitação do centro P700, o elétron recebido é transferido por uma série de carreadores até a ferredoxina, que é responsável por reduzir NADP+ a NADPH.
5. A comunicação entre os dois fotossistemas forma um gradiente de prótons através da membrana tilacoide que é utilizado para produzir NADPH e ATP na fotofosforilação.
6. Ao fim de toda transferência de elétrons, obtém-se cerca de 2 NADPH e 3 ATP para cada oxigênio produzido Reações de assimilação de carbono ou ciclo de Calvin Estágio 1: 3 moléculas de CO2 são condensadas à 3 compostos de 5 carbonos (ribulose-1,5-bifosfato) para formar 6 moléculas de 3- fosfoglicerato. Estágio 2: 6 moléculas de 3-fosfoglicerato são reduzidas a trioses-fosfato formando 6 moléculas de gliceraldeído-3-fosfato. Nesse estágio há gasto de 6 ATP e 6 NADPH, com liberação de 6 ADP provenientes do ATP e 6 H+, 6 NADPH+ e 6 Pi provenientes do NADPH+ (Figura 11). Estágio 3: 5 moléculas de gliceraldeído-3-fosfato são recicladas e forma-se 3 moléculas de ribulose-1,5-bifosfato para reiniciar o ciclo. Nessa etapa são consumidas 3 moléculas de ATP com liberação de 3 ADP. A molécula que sobra de gliceraldeído-3-fosfato pode ser utilizada para formar moléculas de combustível, sacarose para o transporte ou amido para o armazenamento de energia**