CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE QUÍMICA

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1 Aulão: 16/05/2015 Conteúdo: Bioquímica Celular Básica Profº Davi Vergara Profº Roberto Fonseca Os avanços da Química, nos séculos XIX e XX, foram fundamentais para o desenvolvimento atual da Biologia. O ramo das ciências naturais que estuda a química da vida a Bioquímica tem revelado não só a existência de milhares e milhares de substâncias diferentes em uma única célula, como também a intrincada rede de reações químicas das quais elas participam. CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE QUÍMICA Átomos (modelo de Rutherford-Bohr, ) caracterizam-se por um núcleo maciço e pequeno constituído de cargas positivas; os elétrons movimentam-se em órbitas circulares e elípticas, com valores constantes de energia. O átomo apresenta duas regiões: Núcleo (prótons + nêutrons) e Eletrosfera (elétrons). As massas do próton e do nêutron são aproximadamente iguais; já a massa do elétron é cerca de 1840 vezes menor que a massa do próton. A carga positiva do próton e a carga negativa do elétron apresentam valores exatamente iguais. A identidade de um átomo é dada pelo seu NÚMERO ATÔMICO (Z), que corresponde ao número de prótons presentes no núcleo de um átomo. O conjunto de todos os átomos com um mesmo número atômico denomina-se ELEMENTO QUÍMICO. A eletrosfera pode alterar-se em virtude do aumento ou diminuição do nº de seus elétrons. Nisso, podem ocorrer três situações: Perde elétrons Cátion ou íon positivo (Na +, Ca +2 ) Átomo Neutro (nº p + = nº e - ) Ganha elétrons Ânion ou íon negativo (F -, P -3 ) Propriedades Periódicas dos Elementos O RAIO ATÔMICO é a distância do núcleo até o nível eletrônico mais externo da eletrosfera. Para átomos neutros de elementos de um mesmo período, o raio atômico diminui com o aumento do nº atômico. Justificativa: atração mais intensa entre núcleo e eletrosfera. Já para os de mesma família, o raio atômico aumenta com o aumento do nº atômico. Justificativa: presença cada vez maior de níveis eletrônicos. A ELETRONEGATIVIDADE é quando um átomo neutro apresenta tendência em receber elétrons, o que caracteriza um caráter não-metálico; já a ELETROPOSITIVIDADE é a tendência que um átomo neutro tem em perder elétrons, o que caracteriza um caráter metálico. Ligações Químicas Para o estudo das substâncias que constituem os seres vivos, as substâncias orgânicas, é importante conhecer dois tipos de ligação química: Na LIGAÇÃO COVALENTE, os átomos unem-se pelo compartilhamento de pares de elétrons, formando moléculas. As molécula de todas as substâncias orgânicas apresentam ligações covalentes. Mas atenção: a ligação covalente pode não formar moléculas, e sim o que chamamos de substâncias covalentes (grafite, diamante e sílica). A LIGAÇÃO IÔNICA resulta da transferência de um ou mais elétrons de um átomo para outro. A consequência é a formação de cátions e ânios, um atraindo o outro devido a cargas opostas entre si. Ex.: sal de cozinha (Na + Cl - ). Polaridade (em moléculas diatômicas) Moléculas constituídas por átomos diferentes apresentam dois pólos de carga elétrica: um pólo positivo, junto ao átomo menos eletronegativo de menor presença eletrônica e um pólo negativo junto ao átomo mais eletronegativo de maior presença eletrônica. A presença desses pólos caracteriza essa ligação como POLAR.

2 A ÁGUA E OS SERES VIVOS Os seres vivos apresentam de 65% a 85% de água na sua composição (dependendo da espécie, da idade e da atividade metabólica). Tecidos mais jovens ou com mais atividade metabólica apresentam maior teor de água. A taxa de água decresce com a idade, ou seja, o teor de água nos tecidos diminui com o envelhecimento. Segue abaixo os principais aspectos sobre a água: Atua como solvente das reações químicas dos seres vivos e participa das reações de hidrólise; Transporta substâncias, como sangue, seivas e urina; Possui ação lubrificante para evitar o atrito entre os ossos e os órgãos entre si; Exerce proteção térmica, como no mecanismo de transpiração, dissipando parte do calor. Logo, regula a temperatura corporal devido ao seu alto calor específico (capacidade de absorver muita energia sem aumentar bruscamente a temperatura); Apresenta algumas propriedades: coesão (união de moléculas de água), adesão (quando água molha superfícies polares) e capilaridade (capacidade de atravessar espaços estreitos). SAIS MINERAIS Sódio e Potássio: atuam conjuntamente na condução do impulso nervoso, sendo o sódio mais abundante no meio extracelular e o potássio no meio intracelular. Magnésio: componente de muitas enzimas; faz parte da composição da clorofila, captando a luz solar. Flúor: componente dos ossos e dos dentes; protege os dentes contra cáries. Fluorapatita Iodo: componente dos hormônios da tireoide, que estimulam o metabolismo. Cálcio: componente importante dos ossos e dos dentes. Essencial à coagulação do sangue. Cobalto: componente d vitamina B12; essencial para a produção das hemácias. Ferro: componente da hemoglobina, auxiliando no transporte de gases no sangue, sendo, portanto, fundamental para respiração celular. Fósforo: componente importante dos ossos e dos dentes. Componente do DNA e do RNA.

3 LIPÍDIOS GLICERÍDEOS: são constituídos por uma molécula do álcool glicerol ligados a uma, duas ou três moléculas de ácidos graxos; neste último caso, são chamados de triglicerídios. Glicerol Ácidos Graxos Glicerídeo Gorduras: são formadas por glicerol + 3 ácidos graxos saturados. Logo, são sólidas a temperatura ambiente. Possuem diversas funções, entre as quais: estoque de energia em animais, amortecedores de impacto e isolante térmico. Além disso, contribuem para flutuabilidade de animais marinhos. Óleos: são formados por glicerol + 1,2 ou 3 ácidos graxos insaturados. Logo, são líquidos a temperatura ambiente. Função principal está no estoque de energia em plantas. CERAS: são constituídas por uma molécula de álcool (diferente do glicerol) unida a uma ou mais moléculas de ácidos graxos. Por serem altamente insolúveis em água, as ceras são úteis a plantas e animais, pois tem como função principal a impermeabilização, o que evita a desidratação excessiva. Estão presentes na casca de frutas; no exoesqueleto dos insetos; no ouvido humano e na superfície de folhas vegetais. ESTERÓIDES: são constituídos, cada molécula, por átomos de carbono interligados, formando quatro anéis, aos quais se ligam cadeias carbônicas, grupos hidroxilas ou átomos de oxigênio. Exs.: colesterol e diversos hormônios, entre eles os chamados hormônios sexuais, como a testosterona, progesterona e estrógeno. Colesterol Bom e Ruim: essas expressões se referem às proteínas carregadoras de lipídios, chamadas de lipoproteínas e conhecidas como LDL e HDL. Em overdose de colesterol no sangue, o LDL passa a se depositar na parede dos vasos sanguíneos (aterosclerose). FOSFOLIPÍDIOS: principais componentes das membranas celulares. É um glicerídeo combinado a um grupo fosfato. CAROTENÓIDES: são pigmentos de cor vermelha, laranja ou amarela, insolúveis em água e solúveis em óleos e solventes orgânicos. Estão presentes nas células de TODAS as plantas.

4 PROTEÍNAS São relativamente grandes por serem formadas pela união sequencial de dezenas ou mesmo centenas de moléculas menores, denominadas aminoácidos. Aminoácido é um molécula orgânica na qual existem vinte tipos. É formada por átomo de carbono ligado a um grupo amina ( NH 2), um grupo carboxila ( COOH), um átomo de hidrogênio ( H) e um grupo denominado, genericamente, radical ( R). Este é o grupo que varia nos diferentes aminoácidos e os caracteriza. A união de dois aminoácidos se dá por ligação peptídica, que resulta de uma síntese por desidratação. Ela sempre ocorre entre o grupo amina de um aminoácido e o grupo carboxila do outro. Queratina: fortalecimento de cabelos e unhas. Hemoglobina: auxilia no transporte de gases no sangue. Anticorpos: atuam na defesa do corpo. Colágeno: aumenta resistência dos ossos, cartilagens e tendões. Actina e miosina: responsáveis pela contração muscular. ENZIMAS são proteínas que atuam como catalisadores biológicos em reações químicas, podendo ser reutilizadas. Apresentam encaixes que se adaptam às moléculas sobre as quais ela atua, denominadas genericamente substratos enzimáticos. A parte da enzima responsável pelo encaixe com o substrato é chamada de centro ativo. LACTOSE GLICOSE + GALACTOSE As enzimas aceleram as reações químicas diminuindo a energia de ativação. FATORES QUE AFETAM A ATIVIDADE DAS ENZIMAS Concentração de substrato: se a concentração da enzima for constante, aumentos sucessivos na concentração do substrato são acompanhados por aumentos cada vez menores na velocidade da reação. Temperatura: existe uma temperatura na qual a atividade da enzima é máxima, é a temperatura ótima. ph: as enzimas têm um ph ótimo, no qual catalisam, com maior eficiência, uma determinada reação química, cuja velocidade é máxima.

5 GLICÍDIOS São moléculas formadas por átomos e carbono, hidrogênio e oxigênio. Essas moléculas também são chamadas de hidratos de carbono, carboidratos ou açúcares. Os vegetais, as algas e algumas bactérias produzem glicose na fotossíntese a partir de gás carbônico (CO 2), água (H 2O) e energia luminosa. A glicose produzida na fotossíntese pode ser utilizada como fonte de energia na respiração celular, ser armazenada na forma de amido nos caules e nas raízes dos vegetais ou, ainda, ser utilizada na formação de celulose presente na parede celular dos vegetais e das algas. Monossacarídeos: são carboidratos simples que não precisam sofrer digestão quando são ingeridos, possuem fórmula geral C nh 2nO n, em que o valor de n varia entre 3 e 7. O nome dos monossacarídeos é dado pelo valor de n. Os mais abundantes são as hexoses, com fórmula geral C 6H 12O 6, como a glicose, a frutose e a galactose. Esses carboidratos são utilizados como fonte de energia na respiração celular. As pentoses, como desoxirribose e ribose, possuem papel estrutural, pois são componentes das moléculas dos ácidos nucleicos, DNA e RNA, respectivamente. Oligossacarídeos: são carboidratos formados pela união de 2 até 10 unidades de monossacarídeos. Os mais conhecidos são os dissacarídeos, formados pela união de dois monossacarídeos Dissacarídeo Unidades formadoras Fonte Sacarose Glicose + Frutose Cana e beterraba Maltose Glicose + Glicose Cereais Lactose Glicose + Galactose leite Os dissacarídeos presentes nos alimentos não são aproveitados diretamente pelo organismo. Essas moléculas precisam ser digerida (hidrolisadas) pela ação de enzimas específicas em suas unidades formadoras (monossacarídeos) para serem absorvidas nas microvilosidades intestinais e, então, chegarem até as células, via corrente sanguínea. hidrólise C 12 H 22 O 11 + H 2 O C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 síntese Polissacarídeos: são moléculas orgânicas formadas pela união de mais de 10 moléculas de monossacarídeos. Ao contrário dos monossacarídeos e dos dissacarídeos, os polissacarídeos são, geralmente, insolúveis em água. O amido é o polissacarídeo de reserva energética dos vegetais, sendo armazenado nas células do parênquima amilífero de caules (batatinha) e raízes (mandioca). Ao fazer fotossíntese, as células desses organismos produzem amido e o armazenam. Em momentos de necessidade (à noite, por exemplo), o amido é hidrolisado, transformando-se em moléculas de glicose, utilizdas como fonte de energia e de matéria prima para a produção de substâncias celulares. Grãos como trigo e o milho são ricos em amido, por exemplo. O glicogênio é o polissacarídeo de reserva energética animal, sendo armazenado o fígado e nos músculos. Depois de uma refeição rica em glicídios, as células do nosso fígado utilizam moléculas de glicose do sangue para sintetizar glicogênio. Quando a taxa de glicose no sangue diminui, nos períodos entre as refeições, as células hepáticas hidrolisam o glicogênio armazenado, reconvertendo-o em moléculas de glicoses, que são liberadas para o sangue e levadas a todas as células do sangue. Os polissacarídeos necessitam sofrer digestão para liberarem as glicoses para serem utilizadas como fonte de energia celular. A celulose é o carboidrato mais abundante do planeta, rica em glicose, no entanto os animais não possuem a enzima celulase e, portanto, não conseguem digeri-lo. Mesmo assim, a ingestão de alimentos ricos em celulose é importante para o bom funcionamento do intestino. Animais, como os ruminantes, possuem em seu sistema digestório microorganismos como bactérias, que digerem a celulose. Os cupins podem aproveitar a celulose da madeira por terem protozoários produtores de celulase em seu intestino. A quitina é um polissacarídeos rígido que contém átomos de nitrogênio na molécula. Constitui o esqueleto externo dos artrópodes, como os insetos, crustáceos e aracnídeos, eentra na composição da parede celular de fungos.

6 VITAMINAS São substâncias orgânicas de que nossas células necessitam em pequenas quantidades para se manterem saudáveis. Precisamos obtê-las da dieta, pois nosso organismo é incapaz de produzi-las. A maioria atua como fator auxiliar em reações químicas catalisadas por enzimas. Elas podem ser hidrossolúveis, entre elas a B1, B3, B12 e C, ou lipossolúveis, como a A, D e K. B1: auxilia a oxidação dos carboidratos, estimula o apetite e mantém o tônus muscular e nervoso. Carência BERIBÉRI B3: mantém o tônus muscular e nervoso e o bom funcionamento do sistema digestivo Carência PELAGRA B12: é essencial para a maturação das hemácias e para síntese de nucleotídeos. Carência ANEMIA PERNICIOSA D: mantém os ossos e dentes em bom estado; atua no metabolismos do cálcio e do fósforo. Carência RAQUITISMO A: necessária para o crescimento normal e para o bom funcionamento dos ohos, do nariz, da boca, das orelhas e dos pulmões. Carência CEGUEIRA NOTURNA E XEROFTALMA C: mantém a integridade dos vasos sanguíneos e a saúde dos dentes. Carência ESCORBUTO K: atua na coagulação do sangue. Carência HEMORRAGIAS ÁCIDOS NUCLEICOS: são polímeros de nucleotídeos (ácido fosfórico + pentose + base nitrogenada). Estrutura do nucleotídeo de DNA Há dois tipos de ácidos nucleicos: o ácido desoxirribonucleico (DNA) e o ácido ribonucleico (RNA). Essas substâncias apresentam, respectivamente, desoxirribose e ribose em suas moléculas. Dos cinco tipos de bases nitrogenada, três ocorrem tanto no DNA quanto no RNA adenina (A), citosina (C) e guanina (G). A base nitrogenada timina (T) ocorre exclusivamente no DNA, enquanto a base uracila (U) ocorre exclusivamente no RNA. Moléculas de DNA são constituídas por duas cadeias de nucleotídeos enroladas uma sobre a outra, lembrando uma escada helicoidal. As duas cadeias mantêm-se unidas entre si por meio de um tipo especial de ligação, a ligação de hidrogênio entre pares de bases específicos: adenina emparelha-se com timina; guanina emparelha-se com citosina; e, no caso do RNA, adenina emparelha-se com uracila. A união dos nucleotídeos se dá com a ligação entre o fosfato de um com o açúcar (pentose) do outro. Essa ligação recebe o nome de fosfodiéster. TRIFOSFATO DE ADENOSINA (ATP):a moeda energética da Vida A função do ATP pode ser descrita em três passos: o primeiro é captar energia de reações exergônicas (respiração celular) da degradação do alimento; o segundo é armazenar essa energia em ligações moleculares de alta energia (entre os fosfatos); e a terceira é transferir a energia para reações endergônicas (secreção de substâncias, locomoção). Durante esse fornecimento, o ATP quebra-se em ADP (difosfato de adenosina) e Pi (grupo fosfato inorgânico), liberando 7,3 Kcal/mol, que pode ser aproveitada para as atividades celulares.

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