Bioquímica na faculdade, Esquemas de Química

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U N I D A D E 1

B I O Q U Í M I C A

I N T R O D U Ç Ã O À B I O Q U Í M I C A G E R A L : E S T U D O D A

M O L É C U L A D E Á G U A

RENATA BARBOSA BARRETO

AUTORA

APRESENTAÇÃO Conhecer os tipos de ligações/quebra que a molécula de água; Identificar os átomos que constituem as biomoléculas, e compreender que o arranjo diferente entre si, muda sua característica e função; Determinar e classificar as propriedades físico-químicas e importância biológica. Olá, aluno(a) Bioquímica é a química da VIDA! Pode ser entendida com o estudo das reações químicas que ocorrem nos seres vivos em nível celular. Trata-se, portanto, da disciplina que estuda as interações entre as diferentes moléculas e elementos que, ao final desses processos, são responsáveis pela construção e manutenção do que chamamos de METABOLISMO dos seres vivos. Para se ter uma ideia, existem alguns milhares de compostos inorgânicos conhecidos, catalogados e estudados. Mas na Química Orgânica, que é a mãe da Bioquímica, existem milhões de compostos. Ou seja, a filha gerou mais herdeiros que a mãe. Quantas pessoas existem hoje no mundo? Quase 8 bilhões de pessoas, cada qual com seu DNA, e o DNA dos outros seres vivos. Mas calma e paciência, não iremos decodificar o DNA, mas estudaremos como são formados. Sendo assim, focaremos nosso estudo nas biomoléculas: água, carboidratos, lipídios, proteínas, vitaminas, enzimas e os ácidos nucleicos (RNA e DNA). Nesta unidade de aprendizagem, serão abordados temas introdutórios como: Sistemas bioquímicos existentes nos seres vivos, estudo da molécula da água e dos carboidratos. A curiosidade nos impulsiona, Te desejo ótimos estudos e descobertas. Bons estudos! OBJETIVO DA UNIDADE Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:

UNIDADE 1 Na apresentação da disciplina, falamos de uma mãe, iniciemos por ela, já que é de extrema importância estudar o início, origem, o contexto histórico da bioquímica. A química iniciou seu forte desenvolvimento na segunda metade do século XVIII, especialmente após o ano de 1785, período em que houve uma verdadeira revolução na área, sobretudo na França. Nesse período foram descobertos os principais elementos químicos e desenvolvidos os métodos analíticos, que permitiram testar velhas e novas ideias quantitativamente e de forma científica. No ano de 1785, por exemplo, Claude Berthollet, descobriu que o vapor que saia dos animais em decomposição (odor nada agradável) era amônia e que ela era composta por 17% de hidrogênio e 83% de nitrogênio. Entre os anos de 1790 e 1794, Lavoisier estudou os processos de combustão dos alimentos e a respiração celular utilizando sofisticados equipamentos criados por ele e chamados calorímetros e concluíram que o calor produzido vinha da combustão lenta da matéria orgânica, processo que liberava CO2, H2O e cerca de 2.000 calorias/dia. Foi o descobridor dos elementos químicos, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e carbono, ou seja, descobridor do que mais tarde seria chamado de elementos organógenos, ainda aqui, a química era inorgânica. Ainda no final do século XVIII, Scheele, um farmacêutico sueco, descobriu o cloro, o glicerol e isolou os ácidos cítrico, tartárico e málico a partir de frutas, e o avanço foi progressivo. Em 1828 outro pesquisador alemão, o jovem Friedrich Wöhler, sintetizou a ureia por acidente em seu laboratório. Antes, o composto químico era conhecido apenas na urina de mamíferos. E em 1872 a França criou o primeiro centro dedicado ao estudo da química da vida: o Instituto de Química Fisiológica da Universidade de Strasbourg. O primeiro a oficializar a palavra “BIOQUÍMICA” em suas publicações foi o cientista alemão Carl Neuberg, em 1903. Apesar disso, outros pesquisadores europeus já realizavam estudos de química biológica e fisiológica desde a primeira metade do século XIX. Introdução

BIOQUÍMICA A partir deste avanço, a bioquímica se instalou e tem uma influência profunda na nossa saúde e nutrição, bem como nas nossas relações com o meio ambiente. Estudos bioquímicos permitiram entender a base molecular de várias doenças, como a diabetes, a anemia falciforme, a fenilcetonúria e a fibrose cística. Mais recentemente, outras doenças têm sido alvo de estudos bioquímicos intensos, tais como a AIDS, o câncer, a esquizofrenia e as doenças degenerativas, como a doença de Alzheimer, por exemplo. A manipulação do DNA abriu novas perspectivas para o diagnóstico e o tratamento de muitas dessas doenças. O estudo da catálise biológica (realizada pelas enzimas) e do metabolismo fornece uma base importante e concreta para o desenho racional de novas drogas. A biotecnologia é uma outra área multidisciplinar que tem se beneficiado cada vez mais dos avanços da bioquímica. Enzimas são utilizadas na indústria farmacêutica para sintetizar novas drogas, e o conhecimento de várias rotas do metabolismo de microorganismos tem possibilitado a sua seleção para a produção de diferentes compostos, como o álcool combustível, além da aplicação na mineração e na biorremediação ambiental. Mas não pense que a presença da bioquímica no nosso cotidiano é coisa recente. Pelo contrário! As civilizações antigas, como o Egito e também a China, já faziam uso da bioquímica, mesmo não entendendo os princípios bioquímicos por trás da fabricação de pão ou de bebidas, como o vinho ou a cerveja e até mesmo nos produção dos diversos queijos. Logo, apesar desses registros da utilização das leveduras há milhares de anos, o processo pelo qual o amido e outros açúcares são quebrados ou metabolizados a etanol permaneceu um mistério durante muito tempo. Foi somente na metade do século XIX, que Louis Pasteur mostrou que esse processo, denominado fermentação, não ocorria se as células de levedura fossem mortas pelo calor. Dessa maneira, acreditou-se que a fermentação era um processo que só poderia ser realizado pelas células vivas íntegras. Posteriormente, em 1897, os irmãos Edward e Hans Büchner usaram extratos de levedura para realizar esse processo com sucesso, mostrando que a fermentação podia ocorrer independentemente de células intactas. Um destaque da bioquímica hoje, ela tenta responder nossas necessidades para vencermos a atual pandemia do Sars Cov-2, o “novo” coronavírus.

Apesar de ser feita por dois H e um O, ligados por ligações covalentes, os pares de elétrons ficam mais tempo do lado do átomo de O, deixando-o parcialmente negativo, enquanto os átomos de H, cujo núcleo é muito pequeno, fica pouco tempo com o par de elétrons e por isto tem carga parcialmente positiva. A molécula de água é então um DIPOLO ELÉTRICO. Devido a polaridade elétrica a molécula da água consegue dissolver substâncias polares (com carga elétrica) ou hidrófilas, mas repele as substâncias apolares (sem carga elétrica) ou hidrófobas. Ainda devido às cargas elétricas, uma molécula de água atrai outra e assim se mantém unidas por meio de pontes de H. Para a água passar ao estado gasoso estas pontes devem ser rompidas e por isto a água necessita de muito calor de vaporização. A quantidade de água varia nos seres vivos de acordo com: a) IDADE: indivíduos mais jovens têm maior teor de água. Tem metabolismo maior; b) METABOLISMO: organismos e órgãos com mais metabolismo têm maior teor de água. Jovens têm mais metabolismo e mais água do que organismos mais velhos. Cérebro tem alto metabolismo (85% de água); ossos têm metabolismo mais baixo (30% de água); c) ESPÉCIE: há espécies com elevado teor de água e outros com baixo teor de água. BIOQUÍMICA Uma das características mais esquecidas e importante da água é a sua dureza, sua tensão superficial devido à forte atração existente em sua estrutura. Este tipo de ligação ocorre também em outras macromoléculas.

BIOQUÍMICA Como já vimos, as ligações de hidrogênio são as mais fortes das ligações intermoleculares, contudo tendem a se desmancharem e se formarem novamente. Quanto maior a temperatura, essa alternância ocorre com uma frequência maior. Uma consequência disso é que outras moléculas capazes de formar as ligações de hidrogênio podem, por sua vez, interagir com a água, formando-as suas próprias “pontes” de hidrogênio com as moléculas de água. Isso é o que chamamos de dissolução na água, ou seja, existem moléculas que se dissolvem facilmente na água. Exemplo: água com açúcar, álcool, sal.... Por outro lado, observamos também que muitas substâncias não se dissolvem na água. O exemplo clássico, que todos nós já observamos, é representado pelos óleos, ou seja, os lipídeos, assim como um vasto conjunto de moléculas orgânicas, tais como o benzeno e o tolueno, e os hidrocarbonetos derivados do petróleo. Já observou que quando há derramamento de petróleo ele fica sobre nadando nas águas do oceano? Isso se deve a dois fatores físico-químicos: polaridade (apolar=hidrofóbico) e densidade (por ser menor que a água do mar, ele flutua, fica por cima). Essas substâncias são incapazes de formar ligações de hidrogênio e, dessa forma, não se dispersam na água de forma espontânea. Você já deve ter observado isso quando azeite de oliva é misturado com vinagre. Essa observação cotidiana simples é a base de uma classificação fundamental das moléculas, inclusive das biomoléculas importantes para os organismos vivos.

POLARIDADE DA ÁGUA

Ao estudante de fisioterapia, conhecer o calor específico da água é fundamental para entendimentos futuros, desde o uso correto de compressas de águas (em diversas temperaturas) e anamnese. A água, é uma substância que não apresenta variações de temperatura facilmente, ou seja, é necessária uma grande quantidade de energia para fazer a temperatura da água subir. Esta é uma das características da água (elevado calor específico, gravem) que faz com que ela funcione como um excelente moderador de temperatura. Além do calor específico, os altos pontos de fusão e de congelamento da água também têm um papel importante na capacidade de moderar as variações térmicas desempenhadas por essa substância. Quando está no estado sólido (gelo), a água requer muito mais energia para derreter (voltar ao estado líquido) do que outras substâncias de massa molecular semelhantes. Isso acontece porque o PONTO DE FUSÃO da água é alto. Já quando queremos passar a água do estado líquido para o sólido (processo inverso), uma grande quantidade de energia deve ser perdida para que a água congele. Assim como o ponto de fusão, o PONTO DE CONGELAMENTO da água também é alto. As três propriedades da água que você viu até o momento (calor específico, ponto de fusão e ponto de congelamento) tornam-se muito importantes biologicamente, visto que muitas reações químicas que ocorrem dentro das células liberam energia sob a forma de calor, e esse calor precisa ser absorvido por “algo” que não permita que a temperatura do corpo aumente, e inicie um processo hipertermia ou hipotermia, no qual podem gerar sequelas provisórias ou permanentes. ATENÇÃO!!! A quantidade de calor liberado na quebra de uma molécula, por exemplo, é muito pequena. Mas lembre-se de que, a todo instante, ocorrem milhares, milhões de reações no interior de uma célula ou de um organismo. Assim, é preciso que esse calor gerado seja absorvido e que não aconteça um aumento excessivo da temperatura do organismo. Já concluiu o que acontece? O calor gerado nas reações químicas dos organismos é absorvido pela água que, dessa maneira, evita o aumento excessivo da temperatura desses seres. Caso a água não fosse capaz de absorver a grande quantidade de calor liberada nas reações, as temperaturas dos meios intra e extracelular aumentariam, causando danos como perda de atividade de proteínas (estudaremos mais à frente), dentre outros, vida inexistente. Viva a água! BIOQUÍMICA CALOR ESPECÍFICO

O suor é o exemplo mais conhecido de uma forma de exercer esse controle. Isso acontece porque, além de alto calor específico, alto ponto de fusão e de congelamento, a água também apresenta um alto CALOR DE VAPORIZAÇÃO, ou seja, necessita de muita energia para evaporar. Começam a entender a importância de se estudar a água, e não apenas falar dela, mas compreendê-la a partir do conhecimento físico-químico, isso sempre será citado e cobrado. Assim, quando suamos, estamos colocando água na superfície do nosso corpo para que esta evapore. Para sofrer esta mudança de estado, é necessária uma grande quantidade de energia (calor), que é absorvida do nosso corpo. Portanto, para evaporar, o suor absorve muito calor do corpo, resfriando-o e auxiliando na manutenção da sua temperatura constante. BIOQUÍMICA Para ficar mais claro, pense em uma pessoa que está praticando esporte, por exemplo, corrida. Para realizar esta atividade, milhares de reações químicas estão acontecendo no seu organismo para promover a contração das fibras musculares, o aumento dos batimentos cardíacos, da frequência respiratória, dentre outros eventos. Logo, essas milhares de reações produzem energia livre na forma de calor. Repetindo- este calor, para ser dissipado, conta com a participação da água: quando estamos executando uma atividade física como a corrida, suamos bastante. A água do suor carrega consigo o calor de dentro do corpo quando evapora e impede que a nossa temperatura aumente significativamente.

Ácidos e bases são substâncias que foram definidas por mais de um estudioso da área de Química. A primeira definição veio em 1887, formulada por um químico sueco considerado um dos fundadores da físico-química: ARRHENIUS. Arrhenius vinha se dedicando ao estudo da dissociação de compostos, isto é, a separação em íons positivos e negativos de compostos misturados a um solvente. Ele descobriu que alguns compostos, quando colocados em água, se dissociavam, gerando íons H+ (prótons – e todas as vezes que nos referirmos a prótons, estamos falando de H+). Estes compostos foram então definidos por ele como ÁCIDOS. Outras substâncias, por sua vez, se dissociavam em água, originando íons OH– (íons hidróxido). Estas foram chamadas BASES. Contudo, quando chegarmos nas proteínas com o estudo da amônia, estudaremos outra definição, a de Bronsted- Lowry. Quando os cientistas estavam estudando as propriedades físico químicas da água, eles se depararam com o fato de a água ser capaz de conduzir corrente elétrica e, ao mesmo tempo, com a necessidade de entender esse fenômeno. A água, embora seja uma molécula polar, é também uma molécula neutra, ou seja, sem cargas. Como explicar a condução de corrente elétrica, se este fenômeno requer a presença de íons no meio condutor? Assim sendo, as substâncias puras possuem uma densidade definida e catalogada em uma determinada temperatura, pois a temperatura (dilatação, expansão, retração da matéria) influencia na leitura da densidade, misturas de substâncias também possuem seus valores padrões a partir de uma média aritmética. No organismo humano, podemos citar a preocupação da perda de massa óssea, solicitando o exame de densitometria óssea, pois mede a densidade mineral dos ossos, através do cálculo da concentração de cálcio e da comparação com padrões de idade e sexo. BIOQUÍMICA ÁCIDO E BASES

Dica importante! Os cálculos a seguir são importantes para que você entenda como surgiu o conceito de pH e a maneira de calculá-lo. Não é necessário que você se apegue aos detalhes numéricos, mas sim ao conceito de como calcular o grau de ionização da água, o seu produto iônico. Estudando passo a passo, você provavelmente não terá dificuldades em entender, mas, caso isso aconteça, procure seu tutor na sala do cafezinho ou no fórum de discussões e esclareça suas dúvidas. A resposta para essa pergunta veio quando se chegou à conclusão de que ocorre naturalmente um pequeno grau de ionização da água, ou seja, que ela se separa em íons positivos (H+) e negativos (OH–). Na verdade, duas moléculas de água participam da reação de ionização. Uma delas “captura” um próton da outra, resultando na formação de uma hidroxila (OH-) e de um íon hidrônio (H+). Esta última molécula é, de fato, um próton ligado a uma molécula de água. BIOQUÍMICA A reação de ionização da água, assim como qualquer outra reação química, pode ser expressa por sua constante de equilíbrio. Expressando a reação de ionização da água (na sua forma simplificada) como:

Exemplo: Ao analisar a urina de um atleta, encontrou-se a concentração de íons de hidrogênio igual a 0,0001. Determine o seu pH. Resolução [H+]= 0,0001 é preciso colocar em notação científica, quatro casas após a vírgula, teremos a seguinte notação: 10.- Substituindo [H+] pela concentração do nosso exemplo...

- log 10–4 = pH Desenvolvendo esta expressão por partes, temos: pH = – (10–4) → pH = – (–4) → pH = 4 Assim, o pH de uma solução que tenha [H+] = 10–4 é 4. Calculando o logaritmo, foi possível criar uma escala de pH baseada nas concentrações de hidrogênio livres em uma solução. Não importa se a [H+] é 10– 1M ou 10–10 M, pois quando expressarmos o pH desta solução, teremos um número natural (que, nesses dois exemplos, seria 1 ou 10). É para ter um número natural como valor de pH que o dinamarquês que propôs este cálculo colocou o sinal de “-” (negativo) na frente do resultado do log. Assim, ao invés de ter uma escala com valores negativos (por exemplo, pH = –3), temos sempre números positivos. A água é uma molécula fundamental à vida por participar de diversos processos biológicos. Essa participação só é possível devido às suas propriedades. O alto calor específico da água (quantidade de energia térmica necessária para elevar em 1°C a temperatura de 1 g de água) possibilita a esta substância participar do controle de temperatura nos organismos homeotérmicos, pois absorve o calor gerado nas reações que acontecem dentro dos organismos. O alto calor de vaporização da água (quantidade de calor necessária para passar a água do estado líquido para vapor) também auxilia no controle de temperatura: o suor carrega consigo grande quantidade de calor para evaporar, retirando-o do corpo do indivíduo. Temos que enfatizar que a importância da água como líquido vital está diretamente associada às suas propriedades físico-químicas. Coesão, altos pontos de fusão e ebulição, dentre outras, são propriedades que se devem ao fato de a estrutura da molécula de água proporcionar a formação de interações intermoleculares do tipo ligações de hidrogênio. As ligações de hidrogênio, portanto, são responsáveis por a água ser tão fundamental aos sistemas biológicos como, de fato, é. BIOQUÍMICA

CONCLUINDO A UNIDADE

Entender as várias propriedades da água é fundamental para que adiante seja mais fácil compreender a participação dessa importante molécula nos diversos processos biológicos. A maioria das reações químicas que ocorrem nos seres vivos se dá em meio aquoso e, além disso, a água, muitas vezes, pode participar diretamente de algumas dessas reações. Toda essa versatilidade é devida a tantas peculiaridades físicas e químicas dessa substância! Recordemos: A água, uma molécula polar, tem, pelo menos, três papéis importantes na célula: é um solvente eficiente, participa de diversas reações e contribui para a estabilidade da temperatura. Como solvente, a água interage com biomoléculas iônicas e polares. Assim, as propriedades da água têm efeito direto no comportamento das biomoléculas. A “ponte” de hidrogênio (ligação de hidrogênio) é um caso especial de interação dipolo-dipolo. Tanto no estado líquido, como no sólido, as moléculas de água são amplamente ligadas entre si por hidrogênio. As pontes de hidrogênio entre a água e solutos polares ocorrem em soluções aquosas. As pontes de hidrogênio também são importantes para estabilizar as estruturas tridimensionais de diversas biomoléculas, como os ácidos nucleicos. http://conhecerprojetoagua2013.blogspot.com/p/tirinhas-e-quadrinhos_26.html?m= BIOQUÍMICA

SAIBA MAIS Introdução à Solução Tampão https://pt.khanacademy.org/science/chemistry/acid-baseequilibrium/buffer-solutions/v/buffer-system Cálculo da Solução Tampão https://pt.khanacademy.org/science/chemistry/acid-base-equilibrium/buffer-solutions/v/buffer-solution- calculations

Questão 1: A água tem características especiais, que são, por exemplo, capazes de manter a vida no planeta. Sobre as propriedades da água assinale a afirmativa INCORRETA. a. É um solvente universal, visto que pode dissolver uma grande quantidade de substâncias. b. As pontes de hidrogênio são o tipo de ligações que deixam as moléculas de água unidas c. Ao receber calor, a quantidade de 1 g de água eleva a sua temperatura em 1º C. d. A camada superficial da água em um recipiente forma uma película superficial com o mesmo arranjo das moléculas em toda a extensão do líquido. SEU GABARITO EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO