B I O L O G I A - G E O L O G I A 1 0 º A N O CONSTITUINTES BÁSICOS DA MATÉRIA VIVA

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1 Escola Secundária de Francisco Rodrigues Lobo Ano lectivo 13/ DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA E GEOLOGIA GRUPO DE RECRUTAMENTO 520 BIOLOGIA E GEOLOGIA BIOLOGIA TEMA 1. CAP.1 CONSTITUINTES BÁSICOS DA MATÉRIA VIVA NOME: N.º: TURMA: B I O L O G I A - G E O L O G I A 1 0 º A N O CONSTITUINTES BÁSICOS DA MATÉRIA VIVA Todos os seres vivos possuem uma composição química semelhante. Assim, a unidade biológica também se revela a nível químico. Todos os seres vivos, e consequentemente as suas células, são constituídos por moléculas orgânicas de grandes dimensões (macromoléculas/biomoléculas) formadas por um número relativamente reduzido de elementos químicos (C-carbono; H-hidrogénio; N-azoto e O-oxigénio, entre outros) e das quais são exemplo as proteínas, os glícidos, os lípidos e os ácidos nucleícos. As funções destas biomoléculas são variadas e incluem funções estruturais, energéticas, enzimáticas, de armazenamento, transferência de informação, etc. Estas biomoléculas apresentam normalmente um esqueleto de carbono associado a átomos de hidrogénio; falamos em longas cadeias hidrocarbonatadas e designamo-las de moléculas/compostos orgânicos. Da constituição da célula fazem igualmente parte os compostos inorgânicos (sais minerais e água), como os sais de cálcio, sódio, potássio, magnésio, ferro, cloro, enxofre, fósforo, etc; os quais, embora presentes em menores quantidades, são igualmente importantes para uma série de funções vitais. Os compostos inorgânicos caracterizam-se pelo facto de não serem formados por cadeias moleculares resultantes da ligação entre o carbono e o hidrogénio. COMPOSTOS INORGÂNICOS: ÁGUA Todos os organismos dependem da água para a sua sobrevivência. A Vida surgiu em ambiente aquático e muitos organismos continuam a habitar estes ambientes. Os seres humanos são organismos que habitam os ambientes terrestres, mas necessitam de água para a sua sobrevivência, tendo que a ingerir em elevadas quantidades diariamente. Os organismos vivos são constituídos por 70-90% de água. No caso do organismo humano, cerca de 2/3 da água encontra-se no interior das células, enquanto que o restante se encontra no meio extracelular, do qual o sangue é um exemplo. 1

2 As principais características da água são: É um composto constituído por 1 átomo de oxigénio e 2 de hidrogénio. Considerada como um todo, esta molécula é electricamente neutra. No entanto, como a distribuição espacial dos electrões é desigual, isto é, do lado onde se localiza o átomo de oxigénio, apresenta uma ligeira carga negativa, e do lado onde se encontram os átomos de hidrogénio, uma ligeira carga positiva, a molécula de água é considerada um dipolo eléctrico. Entre as moléculas de água existem pontes de hidrogénio (ligações fracas que se estabelecem entre as moléculas pela existência de cargas positivas e negativas) que fazem com que a molécula fique mais coesa. Esta é uma das características que permite aos alfaiates (insectos) deslocarem-se à sua superfície. Se não fossem as pontes de hidrogénio a água fervia aos -80ºC e congelava aos -100ºC. A polaridade e as pontes de hidrogénio entre as suas moléculas fazem da água um poderoso solvente para muitos compostos iónicos e moléculas neutras. É o solvente ideal para a ocorrência de inúmeras reacções, podendo entrar como reagente ou produto das mesmas. Por exemplo, no caso da solubilidade do cloreto de sódio na água, verifica-se que os iões Na + e Cl - têm tendência para estabelecer fortes ligações electrostáticas com os dipolos da água, formando iões hidratados muito estáveis, o que supera a tendência destes iões para se ligarem entre si. 2

3 Ajuda a manter uma temperatura estável (é reguladora térmica), pois consegue absorver grandes quantidades de calor com pequenos aumentos da temperatura. Para passar a vapor é necessário fornecer uma elevada quantidade de energia. Esta propriedade permite aos organismos protegerem-se das variações bruscas de temperatura. Assim, quando suamos, estamos a libertar elevadas quantidades de calor que poderia tornarse excessivo para o organismo. Ao contrário da maioria das substâncias, no estado sólido (gelo), a densidade é menor que no estado líquido. Esta característica é responsável pela flutuação do gelo, podendo formar icebergs. Quando um lago gela, só a camada superficial se transforma em gelo, funcionando como um isolador do frio, impedindo que as camadas inferiores de água gelem, o que permite a manutenção das condições para a sobrevivência dos seres vivos aquáticos. COMPOSTOS INORGÂNICOS: SAIS MINERAIS Os sais minerais são compostos inorgânicos pouco abundantes mas com elevada importância, pois: Intervêm na formação do esqueleto dos dentes (por exemplo o cálcio) Funcionam como activadores de moléculas (na sua ausência a molécula fica inoperante) Intervêm na actividade dos músculos e das células nervosas. Assim, podemos afirmar que possuem uma importante função estrutural, bem como reguladora de processos vitais para os seres vivos. Já foi referido o exemplo do cálcio, mas salienta-se a importância do flúor, do ferro, do magnésio, do potássio, do sódio e do iodo. As reduzidas quantidades em que se encontram nos seres vivos não reflectem a sua importância fundamental. COMPOSTOS ORGÂNICOS As moléculas orgânicas apresentam grande diversidade relativamente ao seu tamanho e constituição. Algumas moléculas possuem elevadas dimensões, à escala molecular, e designam-se macromoléculas. A maioria das macromoléculas são polímeros, isto é, são formadas pela ligação repetida de pequenos compostos orgânicos desigandos monómeros. 5 H 2 O Reacção de condensação (polimerização) Monómeros Reacção de hidrólise Polímero 5 H 2 O 3

4 Numa reacção de condensação ocorre a formação de ligações entre monómeros, com libertação de uma molécula de água. Ma hidrólise são quebradas as ligações entre os monómeros, com consumo de uma molécula de água por ligação. COMPOSTOS ORGÂNICOS: AS PROTEÍNAS/PRÓTIDOS São macromoléculas extraordinariamente versáteis possuindo elevada importância nos organismos vivos. São compostos quaternários de C, H, O e N (podem igualmente incluir enxofre, fósforo, cobre, magnésio, etc). Atendendo ao seu grau de complexidade podem considerar-se três grupos: aminoácidos (aa), peptídeos (polipeptídeos) e proteínas. 1. Aminoácidos (aa): Os aa são um grupo de moléculas relativamente pequenas, mas biologicamente importantes. Os aa podem classificar-se em aa essenciais, quando não são produzidos pelo organismo, tendo de ser incluídos na dieta alimentar; e os aa não essenciais, quando são produzidos pelo organismo. Como o próprio nome indica são constituídos por um grupo químico amina (NH 2 ) associado a um grupo químico ácido ou carboxilo (COOH). Para além disso, apresentam um átomo de H e um radical (R), o qual varia de aa para aa e é responsável pelas características específicas de cada aa. hidrogénio Radical Grupo ácido ou carboxilo Grupo amina 2. Peptídeos/Polipeptídeos: Resultam da união de vários aa entre si, formando cadeias que podem incluir até 100 aa. A ligação entre os aa denomina-se ligação peptídica e efectua-se entre o grupo amina de um aa e o grupo carboxilo de outro aa, com eliminação de uma molécula de água. 4

5 3. Proteínas: São prótidos de elevada massa molecular, uma vez que constituem polímeros de muitos aa (+ de 100). As proteínas podem estar organizadas em 4 níveis estruturais, assim: 3.1 Estrutura primária: corresponde à cadeia formada pela sequência dos aa unidos por ligações peptídicas. A insulina, utilizada no tratamento da diabetes, foi a primeira proteína cuja sequência completa de aa foi conhecida. 3.2 Estrutura secundária: Resulta do estabelecimento de pontes de hidrogénio entre aa localizados ao longo de uma cadeia, obrigando a uma mudança estrutural. A estrutura secundária mais comum é a α- hélice, que corresponde a uma espiral que pode ser comparável a um fio de telefone. É a estrutura básica das proteínas que constitui o cabelo, lã e unhas. Quando as pontes de hidrogénio são quebradas, modifica-se a estrutura, podendo ser, contudo repostas. É esta propriedade que permite ao cabelo esticar e, posteriormente, retomar a posição inicial. 3.3 Estrutura terciária: É obtida quando as secções polipeptídicas de uma mesma cadeia interagem entre si devido a uma série de atracções químicas entre os aa e o meio em que a proteína se encontra, como por exemplo a água. Corresponde, frequentemente, ao enrolamento da cadeia polipeptídica sobre si mesma. Pode ocorrer a ligação de outros compostos. Recorrendo á comparação com o fio de telefone, a estrutura terciária corresponderá ao enrolamento dos fios de telefone. A maioria das enzimas apresentam estrutura terciária. 3.4 Estrutura quaternária: Algumas proteínas são compostas por várias cadeias polipeptídicas unidas e com arranjo tridimensional específico. Isto é, para a proteína estar activa, tem que ter todas as cadeias formadas e ligadas na ordem exacta. A hemoglubina, proteína responsável pelo transporte do oxigénio no sangue humano, é formada por 4 cadeias, unidas por um átomo de ferro. A função das proteínas encontra-se relacionada com a sequência de aminoácidos e com a sua estrutura. Podem ter função estrutural (colagénio), enzimática (amilase), de reserva energética (albumina), transporte de substâncias (hemoglubina), protecção (anticorpos) e regulação hormonal (adrenalina). 5

6 COMPOSTOS ORGÂNICOS: GLÚCIDOS, GLÍCIDOS OU HIDRATOS DE CARBONO Grande parte dos alimentos que consumimos, como por exemplo cereais, a fruta e a batata, possuem, na sua constituição, hidratos de carbono, ou glícidos. São compostos ternários de C, H e O, organizados de tal forma que, por cada átomo de C, existem 2H e 1º. De facto, o H e o O estão combinados na mesma proporção do que na água, conferindo aos glícidos a designação de hidratos de carbono. A fórmula geral dos glícidos é: C (H 2 O) n n= nº de carbonos Exemplo: 3C (C 3 H 6 O 3 ); 6C (C 6 H 12 O 6 ) Os glícidos podem dividir-se em 3 grupos, de acordo com o grau de complexidade das suas moléculas. 1. Monossacarídeos (oses): São os glícidos mais simples e são as unidades estruturais dos glícidos mais complexos. São classificados de acordo com o número de átomos de C que entram na sua composição, o qual pode variar entre 3 e 7. Grupo aldeído (COH)(confere propriedades redutoras) Exemplo: Trioses (3C), Tetroses (4C); Pentoses (5C); Hexoses (6C); Heptoses (7C) Os mais comuns são as pentoses (ribose e desoxirribose) e as hexoses (glicoses, frutose e galactose). A fórmula molecular de qualquer hexose é C 6 H 12 O 6. Frutose Grupo cetona (CO)(confere propriedades redutoras) Podem ser representadas em cadeia aberta, mas quando estão em solução formam anéis fechados de 5C ou 6C, para garantir maior estabilidade. Apesar de todas as hexoses (glicose, frutose e galactose) terem a mesma fórmula molecular (C 6 H 12 O 6 ), a sua fórmula estrutural, isto é, o arranjo tridimensional dos seus átomos é diferente, diz-se que são isómeros químicos. 6

7 2. Oligassacarídeos: resultam da ligação de 2 a 9 monossacarídeos. A ligação entre dois monossacarídeos denomina-se ligação glicosídica e promove a libertação de uma molécula de água. Nos seres vivos são muito frequentes os dissacarídeos (oligossacarídeos que resultam da ligação de 2 monossacarídeos), como a sacarose, a lactose e a maltose. Sacarose = glicose + frutose (os grupos redutores são envolvidos na ligação glicosídica, pelo que a sacarose não apresenta propriedades redutoras) Lactose = glicose + galactose (mantém as propriedades redutoras porque o grupo aldeído da glicose permanece livre) Maltose = glicose + glicose (mantém as propriedades redutoras porque um dos grupo aldeído de uma glicose permanece livre) Sacarose Lactose 3. Polissacarídeos: São macromoléculas que resultam da ligação de muitas moléculas de monossacarídeos. A sua síntese implica a remoção de uma molécula de água por cada ligação glicosídica que se estabelece. Os polissacarídeos são geralmente insolúveis na água. Os mais importantes nos seres vivos são o amido (resulta da união de muitas moléculas de glicose; é um polissacarídeo de reserva nas plantas), o glicogénio (resulta da união de muitas moléculas de glicose; é um 7

8 polissacarídeo de reserva nos animais), a celulose (polissacarídeo estrutural, é o principal componente das paredes celulares, conferindo-lhes fortaleza e rigidez) e a quitina (exoesqueleto de insectos) Celulose Amido Glicogénio COMPOSTOS ORGÂNICOS: LÍPIDOS Os lípidos (constituintes das gorduras animais, manteigas, óleos, azeite) são, na sua maioria, compostos ternários de C, H e O (lípidos simples, como as gorduras que se armazenam no tecido adiposo e as ceras, as quais servem de protecção à entrada/ evaporação de água nos animais/plantas), embora alguns lípidos possam ter fósforo e azoto (lípidos complexos, como os fosfolípidos e os glicolípidos, presentes na membrana plasmática). Possuem funções de isoladores térmicos do organismo e, na célula, são fontes de energia rapidamente mobilizadas (triglicéridos) e importantes componentes das membranas celulares (fosfolípidos, com função estrutural). Podem igualmente ter função vitamínica e hormonal. São menos densos que a água. Juntando água a um óleo, este sobrenada, formando uma camada distinta, no entanto, se agitarmos energeticamente obtemos uma mistura esbranquiçada (emulsão), constituída por inúmeras gotículas de óleo dispersas na água que rapidamente sobem à superfície (diz-se que a emulsão é 8

9 instável). Os lípidos deixam no papel uma mancha translúcida, que não desaparece por acção do calor, diz-se que os lípidos não são voláteis. Na sua maioria, os lípidos são formados pela combinação de ácidos gordos com um álcool, geralmente o glicerol. Glicerol: é um triálcool, porque tem 3 grupos OH (grupo álcool ou hidroxilo) na sua composição. Grupo álcool ou hidróxilo Ácidos gordos: ácidos orgânicos constituídos por uma cadeia de átomos de carbono que tem na extremidade um grupo ácido (COOH). Os átomos de carbono suportam até 4 ligações químicas simples; nos casos em que isso se verifica diz-se que os ácidos gordos são saturados. Quando tal não se verifica diz-se que os ácidos gordos são insaturados (nestes casos alguns átomos de carbono apresentam ligações químicas duplas, ou mesmo triplas, não estando saturados). Uma das características dos ácidos gordos insaturados é o facto de tolerarem temperaturas mais elevadas sem se degradarem, o que os torna num importante componente de uma alimentação saudável (as gorduras vegetais são mais ricas em ácidos gordos insaturados, sendo mais saudáveis do que as gorduras de origem animal). 9

10 Como se processa a ligação entre os ácidos gordos e o glicerol? Se o glicerol tem 3 grupos OH é possível que se liguem até 3 cadeias de ácidos gordos. Independentemente do número, cada cadeia de ácido gordo se liga ao grupo OH do glicerol através do seu grupo carboxilo (COOH), com libertação de uma molécula de água. Esta reacção designa-se esterificação e a ligação química produzida designa-se ligação éster (daí dizermos que os lípidos são ésteres de ácidos gordos e glicerol). H H 2 O Ligação éster Se apenas se ligar uma cadeia de ácidos gordos, produz-se um monoglicerídeo ou monoglicérido; se se ligarem duas cadeias de ácidos gordos, produzem-se diglicerídeos ou diglicéridos; e se se ligarem três cadeias de ácidos gordos obtemos um triglicerídeo ou triglicérido. Estes últimos são os mais frequentes. FOSFOLÍPIDOS São lípidos muito importantes, com função estrutural, principalmente ao nível das membranas das células. Apresentam um grupo fosfato na sua constituição, o que significa que apenas se ligam duas cadeias de ácidos gordos ao glicerol, ficando um grupo OH livre para o grupo fosfato. Os fosfolípidos são moléculas polares. A parte da molécula constituída pelo glicerol, pelo grupo fosfato e pelo composto R (radical ligado ao fosfato e que determina o tipo de fosfolípido) é hidrofílica (solúvel na água, carregada electricamente e designa-se parte polar); a parte da molécula constituída pelas cadeias hidrocarbonatadas dos ácidos gordos é hidrofóbica (insolúvel na água e designa-se parte apolar). Moléculas com estas características designam-se anfipáticas. 10

11 Quando em solução os fosfolípidos tendem a organizar-se de tal maneira que a cauda (hidrofóbica) fica longe da água e a cabeça (hidrofílica) fica mergulhada na água. A estrutura mais provável em meio aquoso corresponde à formação de uma bicamada fosfolípidica, tal como nas membranas celulares. 11

12 COMPOSTOS ORGÂNICOS: ÁCIDOS NUCLEICOS Os ácidos nucleicos são as principais moléculas envolvidas no controlo celular. Existem duas classes de ácidos nucleicos nas células: ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). São polímeros compostos por subunidades designadas nucleótidos. Cada nucleótido é constituído por: Uma pentose (glícido com 5C; desoxirribose ou ribose; C 5 H 10 O 5 e C 5 H 10 O 4, respectivamente) Um grupo fosfato (PO 3-4, que confere propriedades ácidas) Uma base azotada (adenina - A, guanina - G, citosina - C, timina - T - e uracilo U -) DNA RNA Estrutura Dupla hélice Linear Número de cadeias 2 1 Pentose Desoxirribose Ribose Baes azotadas A,T,G,C A,U,G,C Resolver as actividades das páginas 48 e 49 do manual escolar. Bom trabalho! 12