Bioquimica pratica hullll, Esquemas de Bioquímica

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Fundamentos

de Bioquímica

**- A Composição Química dos Seres Vivos

• Aspectos Bioquímicos e Teorias da Origem da Vida
• A Atmosfera Primitiva
• As Propriedades Da Água e o Conceito de Ph**

· Apresentar e discutir com os alunos as Teorias sobre o início da vida no Planeta: Teorias Criacionista, Panspermia Cósmica, Abiogênica, Biogênica e os Coacervados de Oparim, enfocando os aspectos bioquímicos; · Apresentar ao aluno a importância da água nos sistemas biológicos, sua estrutura e suas propriedades; · Apresentar o conceito de pH e a interação do H+ nas biomoléculas.

OBJETIVO DE APRENDIZADO

Introdução á Bioquímica

Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja uma maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas:

Assim:

Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como o seu “momento do estudo”.

Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar, lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo.

No material de cada Unidade, há leituras indicadas. Entre elas: artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você também encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados.

Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discussão, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e aprendizagem.

Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte

Mantenha o foco!

Evite se distrair com

as redes sociais.

Mantenha o foco!

Evite se distrair com

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Determine um

horário fixo

para estudar.

Aproveite as

indicações

de Material

Complementar.

Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar, lembre-se de que uma

Não se esqueça

de se alimentar

e se manter

hidratado.

Aproveite as

Conserve seu

material e local de

estudos sempre

organizados.

Procure manter

contato com seus

colegas e tutores

para trocar ideias!

Isso amplia a

aprendizagem.

Seja original!

Nunca plagie

trabalhos.

UNIDADE Introdução á Bioquímica

A Composição Química dos Seres Vivos

Em uma única célula, pode-se identificar mais de 30 elementos químicos dos 118 elementos químicos conhecidos na natureza. Determinados elementos químicos agrupam-se formando moléculas maiores e por ligações químicas formam as substâncias presentes em todos os seres vivos.

Aliás, em todos os seres vivos encontramos biomoléculas que podem ser identificadas por suas características químicas, como os carboidratos ou hidratos de carbono, ou simplesmente denominados açucares; os lipídios, ou simplesmente gorduras; as proteínas; os ácidos nucleicos; a água; os sais minerais e as vitaminas.

Dessa forma podemos dizer que os seres vivos são compostos de moléculas desprovidas de vida. Entretanto, os organismos vivos apresentam peculiaridades que não encontramos nos aglomerados de matéria inativa.

Sendo assim, gostaria de convidá-los(as) a refletir: Como surgiu a vida e como ela se organizou?

Questões que o homem tentou e tenta explicar ao longo do tempo, aplicando seus conhecimentos na área da bioquímica e outras.

Vamos citar as principais teorias que tentam explicar a origem da vida.

Aspectos Bioquímicos e Teorias

da Origem da Vida

Criacionismo

Esta “Teoria” sempre gerou discussão entre as religiões e a Ciência. Os teólogos afirmam que todos os seres vivos foram criados por Deus, que os fizeram perfeitos.

Figura 1 Fonte: iStock/Getty Images

UNIDADE Introdução á Bioquímica

Em 2008, um grupo de pesquisadores liderados por Yoshiru Fukurama publicou um trabalho na revista britânica Nature Geoscience.

O trabalho, desenvolvido na Universidade de Tohoku, no Japão, trouxe resultados de seus experimentos com um simulador de impacto de meteorito sobre superfície aquosa, em situação semelhante às encontradas nos oceanos primitivos.

O meteorito das simulações atingiu a superfície a uma velocidade de 2 km/s, produzindo uma temperatura superior a 2.760º C, gerando moléculas orgânicas, aminoácidos simples e graxos.

Em suas conclusões, os pesquisadores concluíram que os impactos de meteoritos podem não ter sido os únicos responsáveis pela formação da vida; porém, foram alguns dos fatores que contribuíram para a formação de moléculas orgânicas, que mais tarde originaram a vida.

Teoria Abiótica (Geração Espontânea)

Este pensamento é muito antigo. Aristóteles (381-322 a.C.), um grande pensador sobre a natureza e sobre a origem da vida, compilou informação das mais importantes civilizações da época (China, Babilônia, Índia, Egito etc.), publicando várias sínteses desse conhecimento, formulando a Teoria da Geração Espontânea.

De acordo com esse pensamento, os seres “animados” e “inanimados” possuiriam dois princípios, um passivo (matéria) e outro, ativo (forma).

Sob condições favoráveis, esses princípios interagiriam, formando a vida. O próprio Aristóteles explanava como trapos sujos e carne pútrida davam origem a ratos e moscas.

Essa teoria ganha força com os pensadores da Idade Média, como Santo Agostinho e São Tomás de Aquino, e também com cientistas como René Descartes, Isaac Newton e o naturalista William Harvey.

Um dos primeiros estudos que refutaram a teoria da geração espontânea foi o do médico e naturalista florentino Francesco Redi (1626-1698). Esse pesquisador demonstrou experimentalmente que as larvas só apareciam na carne quando as moscas tinham acesso à ela; caso contrário, com uma barreira de gaze utilizada por ele, as larvas não apareceriam.

Na mesma época, Antoine van Leeuwenhoek (1632-1723), um holandês mercador de tecido, que usava lentes para ver a integridade da fibra e das tramas, inventou o microscópio, o que lhe permitiu observar, pela primeira vez, os microrganismos, denominados por ele “animáculos”, organismos inacessíveis à vista humana.

A teoria abiótica, que defende que as formas vivas se originam de formas não vivas, foi definitivamente contestada apenas no século XIX pelo pesquisador francês Louis Pasteur que demonstrou, experimentalmente e de forma irrefutável, que os

organismos microscópicos estão por todos os ambientes e que o aparecimento deles decorre de contaminações, afirmando que a vida não surge espontaneamente, mas é decorrente de outras formas de vida preexistentes.

Assim, assume-se a Teoria Biótica, na qual um ser vivo só pode se originar de outro ser vivo.

Evolução Química

Os pesquisadores Thomas Huxley (1825-1895) e Aleksandr Oparin (1894- 1980), sem se comunicar, formularam a hipótese de que a atmosfera primitiva da Terra era totalmente diferente da que conhecemos hoje, mas que, principalmente, não possuía o gás oxigênio e assim não era um ambiente oxidante, pois se o fosse, destruiria toda e qualquer formação pré-biótica.

Figura 3 Fonte: Adaptado de Wikimedia Commons

Essa teoria assume que, de forma espontânea e gradual, em condições ambientais específicas e, prioritariamente, diferentes das atuais, moléculas simples se combinaram originando as primeiras moléculas orgânicas (com esqueletos de carbono e constituintes dos organismos) e, em uma contínua evolução química, novamente essas moléculas interagem aumentando sua complexidade, dando origem a polímeros e, finalmente, chegando a estruturas mais complexas, constituindo entidades isoladas do meio, com capacidades metabólicas e de reprodução.

A Atmosfera Primitiva

Hoje, sabemos que as condições atmosféricas do nosso Planeta são completamente diferentes de quando ele se formou, há 4,6 bilhões de anos atrás. Essas peculiaridades da atmosfera primitiva foram essenciais para toda a evolução química ocorrida e a própria origem da vida que nela emergiu.

A Terra está localizada próxima a uma fonte de energia, que é o Sol, e a uma distância tal que não está tão perto que os elementos que aqui se encontram assumissem estados inadequados para a origem da vida (sob a forma de gases, ou

Essa etapa gasosa, contendo as substâncias elementares para a formação da matéria orgânica, foi a primeira de uma série de 5 etapas consideradas no processo de biogênese, identificadas a seguir.

Síntese de Monômeros

A formação de aminoácidos e nucleotídeos a partir de gases da atmosfera primitiva foi comprovada pelos pesquisadores Harold Urey e Stanley Miller (1952).

Além desses gases, os pesquisadores utilizaram centelha de eletricidade simulando as descargas elétricas ocorridas durante as tempestades.

Assim, mostraram que era possível sintetizar moléculas orgânicas de forma não biótica e enzimática.

O cenário da síntese abiótica de pequenas moléculas orgânicas na atmosfera, sob a ação das fontes de energia disponíveis, concretiza-se e as moléculas formadas foram acumulando-se nas águas, ficando protegidas de reações fotoquímicas e formando, assim, uma “sopa de nutrientes”.

Essa geração de moléculas abiótica não foi a única fonte de moléculas orgâni- cas acumuladas.

Assume-se que também cometas e meteoritos que colidiram com a Terra transportavam moléculas orgânicas em sua constituição. Alguns meteoritos possuem até 3% de seu peso em carbono (condritos carbonados), sendo que esse carbono está complexado em várias moléculas como grafite, aminoácidos, nucleotídeos e ácidos carboxílicos, o que prova que também fora da Terra são possíveis as sínteses de moléculas orgânicas.

Síntese de Polímeros

A terceira etapa do processo de biogênese é a complexação dos monômeros formados em três tipos de moléculas maiores:

· (^) Os monômeros de aminoácidos formaram peptídeos e proteínas, fundamentais para a estrutura dos organismos e como catalisadores das reações metabólicas; · (^) Os monômeros de açúcar (pentoses) e bases nitrogenadas formaram, a partir dos nucleotídeos, os ácidos nucleicos, que possuem a capacidade de autoduplicação;

UNIDADE Introdução á Bioquímica

· (^) Os monossacarideos se complexaram em oligo e polissacarídeos. Outros ainda formam estruturas ramificadas por associação de pequenos açúcares (monossacarídeos ou oligossacarídeos).

Segundo a Teoria de Haldade, essas reações de polimerização ocorreram na sopa nutritiva de forma aleatória, tendo em vista a grande concentração dos monômeros. Porém, dois fatores se contrapõem a essa hipótese: Como é que uma reação que liberta água (peptídica) e é reversível ocorreria em um ambiente rico em água sem que fosse deslocado o equilíbrio da reação para a hidrólise?

As reações de polimerização, considerando ainda a ausência de enzimas, necessitam de grande energia de ativação para ocorrer, o que já não acontece com a hidrólise.

Para que o equilíbrio da reação siga para a polimerização e não para a hidrólise, é necessário que se aumente a concentração dos reagentes, retirando a água produto da reação, ou ocorrendo paralelamente uma reação “doadora” de energia.

Sabe-se que alguns minerais tem características para desempenhar o papel de doadores de energia; entre eles estão os silicatos (argilas, micas etc.), que possuem elevado poder de adsorsão de moléculas, sendo utilizados nas indústrias de síntese de compostos orgânicos.

Sidney Fox demonstrou com seus experimentos que aminoácidos secos se polimerizam espontaneamente quando deixados algumas horas a temperaturas da ordem de 130ºC.

Em presença de polifosfatos e a temperaturas mais baixas, obtêm-se resultados comparáveis. Esse autor formulou a hipótese de que os aminoácidos acumulados nos oceanos primitivos foram polimerizados pelo calor de resíduos vulcânicos e que em um processo de lixiviação teria voltado aos lagos e oceanos, participado na organização dos primeiros protobiontes.

Por sua vez, a síntese abiótica dos ácidos nucleicos é tecnicamente acessível em condições térmicas brandas (55ºC), sendo possível conceber, para eles, um cenário semelhante ao da polimerização dos aminoácidos sobre superfícies de minerais adsorventes. Mas a ordenação dos nucleotídeos será também aleatória.

Formação de Coacervados

Os organismos vivos são separados do meio em que vivem por uma barreira, conferindo-lhes a sua individualidade. Assim, a estruturação dessa barreira é um passo fundamental para a formação das primeiras formas de vida. Assume-se que os primeiros organismos primitivos tenham tido o aspecto de coacervados.

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Mecanismo de Autoduplicação

Os protobiontes supracitados ainda estão muito distantes de serem considerados seres vivos. Falta-lhes a capacidade reprodutiva, de gerar seres idênticos a eles próprios. Essa é a principal característica que separa os probiontes que realizam algumas atividades metabólicas dos seres vivos verdadeiros (eubiontes) capazes de reprodução.

O grande dilema é a compreensão de como se estabelece a interação proteína/ ácido nucleico.

Todos os organismos vivos atuais possuem sequência de nucleotídeos de ácidos nucleicos que codificam e determinam a sequência dos aminoácidos na proteína (estrutura primária). Porém, as enzimas responsáveis pela catálise dos processos de transcrição, autoduplicação e transdução dos ácidos nucleicos também são proteínas e, assim, teriam de ter sido codificadas por outros ácidos nucleicos.

Pesquisas corroboram a Teoria que afirma que o RNA possa ter desempenhado tanto a função de codificar a síntese de proteínas como a de atuar cataliticamente sua própria.

Assim, o primeiro ser vivo teria exclusivamente o RNA, sem o DNA, nem enzimas interventoras na replicação dos ácidos nucleicos e em sua síntese proteica.

O sistema que requer DNA e enzimas proteicas, muito comum hoje nos seres vivos, seria posterior ao RNA e teria sido selecionado por apresentar inúmeras vantagens a esse sistema mais antigo.

Teoria Autotrófica

Os defensores dessa hipótese sustentam que a Terra primitiva não apresentava substâncias orgânicas em quantidade suficiente para proporcionar a multiplicação dos primeiros seres vivos até o aparecimento dos seres fotossintetizantes.

De acordo com os defensores da hipótese autotrófica, os primeiros seres vivos eram quimioautotróficos, produzindo seu próprio alimento a partir da energia liberada por reações químicas entre os componentes inorgânicos da crosta terrestre, como, por exemplo, FeS (Sulfeto de ferro) e H2S (Gás sulfídrico).

Teoria Heterorófica

Esta hipótese sustenta que os primeiros seres vivos tinham nutrição heterotrófica. A fonte de alimento dos primeiros seres vivos seria constituída de moléculas orgânicas produzidas abiogenicamente, nas condições especiais da Terra primitiva e que se acumulavam em mares e lagos primitivos.

O argumento a favor dessa hipótese seria de que os primeiros seres vivos, por serem muito simples, ainda não teriam a capacidade de produzir alimento a partir de substâncias inorgânicas e orgânicas encontradas no meio ambiente.

Estima-se que a Terra tenha aproxi- madamente 4.5 bilhões de anos e os primeiros organismos por volta de 3, bilhões de anos, sendo unicelulares, e que dominaram a Terra por aproximadamente 2 milhões de anos. Esses organismos foram denominados Procariontes, por serem organismos que ainda não possuíam a carioteca (membrana que recobre o núcleo) e estão presentes no Planeta até hoje.

Figura 6 Fonte: iStock/Getty Images

Os primeiros organismos fotossintetisantes eram muito parecidos com as atuais cianobactérias e foram tão abundantes que provocaram uma alteração na atmosfera terrestre, diminuindo a quantidade de Gás carbônico e aumentando a quantidade de Oxigênio.

4,6 3,6 2,6 1,6 0,

Formação dos oceanos e continentes

10

20

Dias de hoje

A B

Tempo (Bilhões de anos)

Nível de O2 na atmosfera (%)

Figura 7 Fonte: Adaptado de Alberts B., 2002

As Propriedades Da Água e o Conceito de Ph

Água

Todo organismo vivo é composto, em sua maior parte, de água, em torno de 70 a 90% de toda a biomassa. A vida surgiu muito provavelmente em ambiente aquoso, e não só sua origem envolve água, mas toda a sua evolução e o funcionamento dependem das propriedades dessa molécula.

Por sua vez, há uma carga elétrica parcial negativa na zona na qual não há o compartilhamento de elétrons. Dessa maneira, a água, embora efetivamente não tenha carga elétrica, é considerada um dipolo elétrico, pois apresenta cargas parciais negativas e positivas. Quando uma molécula de água se aproxima de outra, ambas são atraídas e ocorre redistribuição das cargas elétricas das moléculas envolvidas.

A união eletrostática entre as moléculas é denominada “Ponte de Hidrogênio” e, no caso da água, devido à sua estrutura tetraédrica, cada molécula pode formar dessas pontes de hidrogênio outras quatro moléculas de água adjacentes.

Pontes de hidrogênio e outros solutos

O fenômeno eletroquímico das pontes de hidrogênio não ocorre apenas com a molécula de água. Ele tem tendência a se formar quando um átomo altamente eletronegativo (nitrogênio, fluor, oxigênio etc.) e um átomo de hidrogênio que estão ligados covalentemente se ligam a outro átomo doador de elétron (eletronegativo) na mesma molécula ou em outra.

Quando uma molécula está ligada a outra por uma única ponte de hidrogênio, essa ligação é fraca, ainda mais em ambiente aquoso, pois as moléculas de água circundante irão competir pela ligação do hidrogênio.

Quando uma segunda ponte se forma, devido às características geométricas, será mais forte a tendência a formar a terceira, e assim por diante. Essa sinergia é chamada de cooperatividade, característica fundamental na estruturação das macromoléculas biológicas como proteínas e polissacarídeos.

A água é considerada um solvente polar; por isso várias moléculas biológicas que, na sua maioria, são polares, ou carregadas eletricamente, são dissolvidas facilmente na água, ou seja, são hidrofílicas. Os solventes apolares como clorofórmio e benzeno são incapazes de dissolver tais moléculas, mas dissolvem facilmente as moléculas hidrofóbicas como lipídeos e ceras.

Vários sais cristalinos e outros compostos iônicos são facilmente dissolvidos pela água. No caso do Cloreto de sódio (NaCl), ocorre um enfraquecimento das ligações entre os dois átomos, dissociando-os em íons Na+ e Cl- hidratados, muito estáveis, excedendo muito a atração entre estes íons.

Outra classe de substâncias que se dissolve facilmente na água são os compostos polares como os álcoois aldeídos, cetonas e açúcares. Tais substâncias têm sua solubilidade marcada pela formação de pontes de hidrogênio com a água por meio de seus grupos hidroxílicos e o átomo de oxigênio da carbonila.

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Interações hidrofóbicas

Moléculas anfipáticas são aquelas que apresentam ao mesmo tempo grupos altamente apolares e outros polares. Quando colocados em água, há tendência que ocorra dispersão ou solubilização em forma de micelas.

Figura 9 – Compostos anfipáticos em solução aquosa

(A) Os ácidos graxos de cadia longa têm cadeias alquílicas muito hidrofóbicas, cada

uma delas é envolvida por uma camada de moléculas de H 2 O altamente ordenadas.

(B) Agregando-se em micelas, as moléculas de ácidos graxos expõem a menor área

superficial hidrofóbica possível à água, e poucas moléculas de água são requeridas

na camada ordenada de H2O. A energia ganha pela liberação das moléculas de H2O

imobilizada estabiliza a micela.