A Química da célula

A química comanda nossas vidas

• Os maiores avanços da biologia decorrem exatamente da compreensão do funcionamento das moléculas dos seres vivos.

• Um passo decisivo foi entender que grande parte da atividade das células implica reações químicas que , em conjunto chamamos de metabolismo.

• Veja uma lista de exemplos de como substâncias químicas estão relacionadas às nossas vidas:

a) O estudo dos mecanismos de defesa do organismo contras as doenças mostrou a importância de moléculas especiais, os anticorpos, que “combatem” as moléculas estranhas dos microrganismos invasores.

b) Características genéticas, como grupo sanguíneos e tipo de cabelo, por exemplo, são transmitidas de pais para filhos por meio de informações químicas contidas nas moléculas do DNA.

c) Diabéticos, pessoas cujo pâncreas não funciona corretamente, ao tomarem a substância insulina, vêem os sintomas de sua doença desaparecerem. Isso porque, em diabéticos, o pâncreas não produz insulina ou a fabrica em quantidade insuficiente.

d) Uma doença chamada anemia ferropriva, em que há menor quantidade de glóbulos vermelhos no sangue, é tratada entre outras coisas, com sais de ferro e vitamina B12.

• O assunto química celular, procura mostrar o papel dos elementos inorgânicos e orgânicos dentro de uma célula.

• Então pergunta-se:QUEM SÃO AS SUBSTÂNCIAS QUE COMPÕEM UM

ORGANISMO?• A resposta a essa pergunta depende da análise

de um pedaço de um organismo qualquer. Como um pedaço de fígado bovino, teremos:

SUBSTÂNCIAS INORGÂNICAS SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS

Água CarboidratosVitaminas

Sais minerais Lipídios

Aminoácidos e proteínas

Ácidos nucléicos

• Esta tabela acaba sendo uma lista básica daquilo que existe em todos os seres vivos. As substâncias inorgânicas e orgânicas.

• As inorgânicas, como a água e os sais minerais, são substâncias simples, formadas por pequenas moléculas e encontradas facilmente fora dos seres vivos. As substâncias orgânicas, como proteínas e os lipídios, são mais complexas e apresentam carbono.

• As substâncias orgânicas da tabela encontram-se normalmente associadas aos seres vivos.

• A tabela a seguir dá uma idéia da porcentagem média de algumas substâncias encontradas em células de animais e vegetais.

Constituintes das células

Animais (%) Vegetais (%)

Água 60,0 70,0

Sais minerais 4,3 2,45

Carboidratos 6,2 18,0

Lipídios 11,7 0,5

Proteínas 17,8 4,0

Água• Não é possível hoje, imaginarmos que possa existir

vida sem a água. • Mas por que esta é tão fundamental????• É considerada um dos melhores solventes da

natureza, dissolve uma infinidade de tipos de substâncias. Por causa desta característica a água é capaz de transportar substâncias, tanto dentro das células quanto entre uma célula e outra. Nutrientes, gases da respiração, excretas, tudo isso se difunde na água e é por ela carregado.

• A água favorece também a ocorrência de reações químicas (enzimáticas). Isso porque as moléculas em solução estão em constante movimento, podendo “encontrar-se” e reagir quimicamente. Para haver metabolismo é essencial a presença de água.

• Quando se considera, não mais a célula, mas o organismo como um todo, verifica-se que a água tem muita importância na manutenção da temperatura de animais e plantas terrestres.

• De fato sua evaporação na superfície do corpo, chamada de transpiração, retira o excesso de calor, importante portanto, como regulador térmico.

• A taxa de água num ser vivo depende de três fatores: atividade do tecido, idade do organismo e espécie estudada.

a) Atividade: quanto maior o metabolismo de um tecido, maior é a taxa de água que nele normalmente existe.

ÓRGÃO Taxa de água (%)

Encéfalo 92,0

Músculo 83,0

Rins 60,8

Ossos 48,2

Dentina 12,0

b) Idade: a taxa de água normalmente decresce com a idade. Um feto humano tem 94% de água; um recém-nascido, apenas 69%.

c) Espécie: no ser humano, a água representa 63% da massa do corpo; certos fungos têm ao redor de 83%; as medusas (águas-vivas), 98%. As estruturas vivas mais pobres em água, isto é, mais desidratadas, são as sementes e os esporos de vegetais, que têm entre 10% e 20% de água. No entanto, ficam em estado de vida latente, somente voltando a atividade quando a disponibilidade hídrica aumenta.

Sais minerais• Os sais minerais são encontrados tanto nas

células vivas como na natureza não-vivas. • Os sais minerais existem nos seres vivos sob

duas formas básicas: dissolvidos em água e imobilizados como componentes dos esqueletos.

Dissolvidos em água, sob forma de íons: os íons minerais são tão importantes que pequenas variações na sua porcentagem modificam profundamente as propriedades da célula, como a permeabilidade da membrana, a viscosidade do citoplasma e a capacidade de responder a estímulos.

• A concentração total dos íons minerais nos líquidos celulares tem relação direta com a entrada e saída de água na célula.

ÍONS Observações

Sódio Sua concentração dentro da célula é sempre menor do que fora dela. As membranas celulares expulsam constantemente o sódio que tende a penetrar na célula, controlando assim o impulso nervoso.

Potássio Inversamente ao sódio, é mais abundante dentro da célula do que fora dela. Sódio e potássio se relacionam para manter o sistema nervoso. Além disso potássio é importante para que ocorram as contrações musculares.

Cálcio Necessário para a ação de certas enzimas, como as envolvidas na coagulação, além de participar de constituição dos ossos e dentes.

Magnésio Presente na molécula de clorofila, ajuda na manutenção dos ossos.

Ferro Presente na molécula de hemoglobina, que transporta o oxigênio, substâncias importantes que participam do processo de respiração celular.

Fosfato Indispensável para as transferências de energia dentro da célula, ajuda na formação da molécula de ATP.

As reações da vida – entendendo o metabolismo

• Metabolismo, como já vimos no começo, é o conjunto das reações químicas que ocorrem num organismo.

• Mas como explicar a importância das reações químicas fora do organismo?

• Um grande trunfo foi o fato de que muitas das reações do metabolismo podem ocorrer fora do organismo, em tubo de ensaio, exatamente como qualquer outra reação química não relacionada à vida.

• Um exemplo famoso a tempos foi desenvolvido na Alemanhã com células vivas de leveduras, organismos utilizado na fabricação de pão, eram capazes de transformar uma solução de açúcar em gás carbônico e álcool, no processo da fermentação.

• Foi demonstrado portanto, que a fermentação do açúcar, não dependia das células vivas, nem das células da levedura propriamente, mas sim de uma substância química.

• Isso abriu um caminho para entender como funciona uma importante categoria de substâncias químicas celulares, as enzimas que funcionam não apenas no interior das células, mas também em tubo de ensaio.

Açúcares e Gorduras: energia armazenada

As substâncias energéticas• Os carboidratos que compreendem os açúcares,

e os lipídios dentre os quais encontramos as gorduras, são duas substâncias orgânicas fundamentais para a vida.

• De maneira geral, os carboidratos são relacionados ao fornecimento de energia imediato para a célula,enquanto os lipídios têm frequentemente um papel de reserva energética.

• Também é importante ressaltar que nem todo carboidrato tem papel energético, e da mesma forma que nem todo lipídio serve de reserva energética.

Carboidratos• Os carboidratos, moléculas orgânicas

constituídas por carbono, hidrogênio e oxigênio, são as principais substâncias produzidas pelas plantas durante o processo de fotossíntese. Costumam ser utilizados pelas células, tanto animais quanto vegetais, como combustível.

• Os carboidratos mais simples são os monossacarídeos. Oligossacarídios e polissacarídeos são moléculas maiores, formadas por vários monossacarídeos reunidos.

Monossacarídeos

• Os monossacarídeos têm normalmente a fórmula C n(H2O)n, em que n geralmente varia de três a sete. Os mais freqüentes nos organismos são as pentoses (5 C) e as hexoses (6 C).

Monossacarídeos Carboidrato Papel biológico

Pentose ribose Matéria-prima necessária à produção de ácido ribonucléico (RNA)

Pentose desoxirribose Matéria-prima necessária à produção de ácido desoxirribonucléico (DNA)

Hexose glicose A molécula mais usada pelas células na obtenção de energia. Fabricada pelas partes verdes dos vegetais, na fotossíntese, é abundante em vegetais, no sangue e no mel.

Hexose frutose Desempenha papel fundamentalmente energético

Hexose galactose Um dos monossacarídeos componentes do leite, também tem papel energético.

Oligossacarídeos

• Os oligossacarídeos são moléculas constituídas pela reunião de dois a dez monossacarídeos.

• Os oligossacarídeos mais importantes são os dissacarídeos, como a sacarose (açúcar comum), a lactose (açúcar do leite) e a maltose (açúcar do malte).

Polissacarídeos

• Os polissacarídeos são macromoléculas, ou seja, moléculas muito grandes, às comuns são o amido, o glicogênio e a celulose.

Dissacarídeos Monossacarídeosconstituintes

Ocorrência Papel biológico

sacarose Glicose + frutose Em muitos vegetais.Abundante na cana-de- açúcar e na beterraba

Papel energético

lactose Glicose + galactose Encontrada no leite Papel energético

maltose Glicose + glicose Encontrada em alguns vegetais; provém também da digestão do amido no tubo digestivo

Papel energético

Polissacarídeos Monossacarídeos constituinte

Ocorrência Papel biológico

amido Muitas moléculasde glicose

Encontrado em raízes, caules e folhas. O excesso de glicose produzido na fotossíntese é armazenado na forma de amido

Reserva energética

celulose Muitas moléculas de glicose

Componente esquelético da parede de células vegetais, é o carboidrato mais abundante na natureza

Funciona como reforço da parede celular

glicogênio Muitas moléculas de glicose

Encontrado no fígado e nos músculos

Constitui a reserva energética dos animais

• Quando um animal ingeri dissacarídeos ou polissacarídeos, seu sistema digestivo tem a tarefa de transformá-lo em monossacarídeos, sem o que a absorção desse tipo de carboidrato não ocorreria.

• Essa “quebra” das moléculas é chamada de hidrólise, porque acontece pela adição de moléculas de água.

• Da mesma forma que a saída de moléculas de água une os monossacarídeos uns aos outros, a adição química de água separa os monossacarídeos que constituem moléculas grandes.

• No tubo digestivo dos animais substâncias especiais, as enzimas, apresentam a hidrólise das substâncias ingeridas.

• Apesar de amido, celulose e glicogênio serem constituídos pelas mesmas unidades (glicose), a diferença entre eles reside no tipo de ligação entre as glicoses e na conformação espacial das moléculas.

• O papel biológico desses três polissacarídeos também é bastante diferente. O amido além de ser uma reserva energética dos vegetais, é um importante alimento para os animais.

• A celulose, porém é de difícil digestão, sendo raros os organismos que apresenta a enzima celulase necessária à sua hidrólise. O ser humano, por exemplo, não produz celulase.

• O glicogênio é uma substância usada como reserva energética pelos animais, quando nossas células exigem maior demanda de glicose, estão passam as ser liberadas gradativamente pelas células musculares e do fígado.

Lipídios• Os lipídios são substâncias muito abundante

em animais e vegetais. Compreendem os óleos, as gorduras, as ceras, os lipídios compostos (fosfolipídios), e os esteróides.

Lipídios simples Óleos e gorduras(glicerídeos)

Reserva energética de animais e vegetais. Nas aves e nos mamíferos, funcionam como isolante térmico, impedindo perda de calor pela pele. Funcionam também como amortecedores contra impactos mecânicos

Lipídios simples ceras Impermeabilização de superfícies sujeitas á desidratação, como superfícies de folhas e frutas

Lipídios compostos fosfolipídios Participante da formação da membrana plasmática, mantendo seu papel de permeabilidade seletiva

Esteróides colesterol Componente das membranas celulares

Esteróides Testosterona, progesterona

Hormônios relacionados com atividade sexual, características sexuais secundárias e gravidez

• Os lipídios simples originam-se da reação entre um álcool e um ácido graxo. Mesmo quando armazenados no tecido adiposo, os lipídios são removidos e repostos em curto espaço de tempo.

• Os lipídios compostos além de ácido graxo e do álcool, existe a adição do fósforo. Os fosfolipídios são componentes importantes da membrana plasmática.

• Os esteróides têm estrutura química bastante diferente do resto dos lipídios, são mais longas e complexas. Além de componentes da membrana plasmática das células animais, funcionam como hormônio no metabolismo sexual.

As substâncias da vida

• As macromoléculas da vida: o papel das proteínas e dos ácidos nucléicos está diretamente relacionado ao controle de tudo o que a célula é, e de tudo o que a célula faz.

Proteínas• As proteínas são componentes obrigatórios

dos seres vivos, aparecendo até nos vírus, que não têm estrutura celular. Um de seus papéis fundamentais está relacionado à construção de matéria viva.

• Reposição de material celular desgastado e crescimento dependem, portanto, da fabricação de proteínas com auxílio dos ribossomos.

• Algumas proteínas desempenham uma função de regulação do metabolismo celular: trata-se das enzimas, sem as quais as reações químicas numa célula não seriam possíveis.

• Outras proteínas ainda, os anticorpos, defendem o organismo das invasões de agentes externos.

Aminoácidos: as unidades de construção da proteína

• As proteínas são moléculas grandes e de estruturas complexa. Na realidade, uma molécula de proteína é constituída por muitas unidades menores, ligadas entre si: os aminoácidos.

Aminoácidos naturais e essenciais

• Enquanto os vegetais são capazes de fabricar os vinte aminoácidos necessários à produção de suas proteínas, as células animais não sintetizam todos, devendo adquirir alguns dos alimentos.

• Chamamos naturais os aminoácidos que um organismo animal é capaz de produzir. Os aminoácidos que devem ser por ele ingeridos são ditos essenciais, já que são obrigatórios para a síntese de suas proteínas e para sua sobrevivência.

• Nós produzimos doze dos vinte aminoácidos naturais, mas somos obrigados a obter os outros oito essenciais.

Aminoácidos naturais Aminoácidos naturais Aminoácidos essenciais

Glicina Histidina Fenilalanina

Alanina Asparagina Valina

Serina Glutamina Triptofano

Cisteína Prolina Treonina

Tirosina Lisina

Ácido aspártico Leucina

Ácido glutâmico Isoleucina

arginina Metionina

• Nem todas as proteínas dos alimentos contêm todos os aminoácidos essenciais. Na gelatina, por exemplo, falta o aminoácido triptofano, essencial ao ser humano. Assim, uma alimentação variada é muito importante, já que o aminoácido que falta num alimento poderá estar presente em outro.

• “Hidroxi triptofano, ou 5-HTP, é um percursor do importante neurotransmissor serotonina, que regula vários processos vitais no corpo, incluindo o sono, a estabilidade emocional, a sensibilidade à dor e as ânsias. A falta deste neurotransmissor pode originar os seguintes sintomas: depressão, insônia, ansiedade, enxaquecas e apetite incontrolável. O 5-HTP pode ajudar a diminuir estes sintomas. ”

• Por outro lado, as proteínas do leite, da carne e da clara do ovo são ditas “completas”, no sentido de que elas suprem nossas necessidades de aminoácidos essenciais.

Proteína: relação entre forma e função

Em muitas proteínas, a forma determina seu papel biológico. Proteínas diferentes, tendo formas diferentes, apresentam atividade biológica diferente.

• Proteína “deformada” perde sua função. Quando uma proteína é submetida a certos tratamentos químicos, ou então a temperaturas elevadas, ela se altera, muitas vezes de modo permanente, o que é chamado de desnaturação. Isso acontece quando o tratamento empregado rompe certas ligações químicas que mantinham a forma da molécula.

• Fica fácil agora compreender o motivo pelo qual as células vivas não sobrevivem, normalmente, em temperaturas superiores a 45-50ºC; suas proteínas celulares se deformam e perdem a capacidade de desempenhar suas funções.

• Um exemplo de desnaturação é observado quando cozinhamos um ovo: a clara, rica em albumina (proteina), logo endurece, não voltando a se liquefazer após o resfriamento. A albumina se desnatura, sofrendo coagulação.

Proteína: material de construção

• As proteínas têm um importante papel estrutural, ou seja, muitas delas fazem parte da estrutura da matéria viva.

• O hialoplasma, por exemplo, é constituído principalmente por água e proteínas. Nas membranas celulares sempre estão presentes proteínas associadas a lipídios.

Proteínaestrutural

Ocorrência Papel biológico

colágeno Abundante nos tendões, cartilagem e ossos. Presente ainda na pele, á qual confere resistência.

A resistência de um osso é responsabilidade do colágeno, enquanto o cálcio determina sua rigidez.

queratina Presente na superfície da pele, nas garras, unhas, bicos e pêlos dos vertebrados

Tem importante papel de impermeabilização das superfícies dos vertebrados

Actina e miosina

Principais componentes dos músculos São proteínas contráteis, portanto, fundamentais para o movimento

albumina É a proteína mais abundante do plasma, a parte líquida do sangue, ao qual confere certa viscosidade e pressão à esse flúido

Presente também na clara do ovo

Enzimas: proteínas catalizadoras

• Numa célula, a manutenção da vida depende da ocorrência de reações químicas variadas. Assim, o tempo todo, novas moléculas são montadas: açúcar, como a glicose, são oxidados, liberado energia; moléculas grandes, são “quebradas”, num processo que chamamos de digestão.

• A realização de todas essas reações químicas depende em grande parte da presença de proteínas especiais, as enzimas, que facilitam a ocorrência das reações. Substâncias com essas propriedades são chamadas de catalisadoras.

• O papel de qualquer enzima é muito específico; isso quer dizer que uma determinada enzima facilita a ocorrência de uma determina reação.

Enzima Papel no organismo

Lipase Facilita a digestão de lipídios

Lactase Facilita a digestão da lactose

DNA polimerase Catalisa a duplicação do DNA

Ribonuclease Facilita a digestão do RNA

catalase Facilita a decomposição da água oxigenada

Condições para que a enzima funcione: pH e temperatura

• Temos hoje muitas informações a respeito do funcionamento das enzimas, pois elas também atuam em tubo de ensaio, e não apenas na célula viva.

• Em vários experimentos feitos em laboratório, descobriu-se por exemplo, que a eficiência de uma enzima depende o pH e da temperatura.

• Cada enzima funciona melhor num determinado valor de pH, que é dito ótimo. Acima ou abaixo do ótimo, sua função é menos eficiente.

• A amilase salivar, que inicia na boca a digestão do amido do pão, tem ótimo desempenho em pH em torno de 7,0(neutro), e deixa de funcionar em condições de acidez extrema, como ocorre no estômago.

• A pepsina, enzima do estômago que digere proteínas, é mais eficaz em pH ácido (ao redor de 2,0).

• Da mesma forma que o pH, cada enzima tem uma temperatura ótima de funcionamento. A velocidade da reação é máxima na temperatura ótima. Dependendo da enzima, a temperatura pode variar de 0 a 40 ºC. Acima disso, as proteinas perdem função, desnaturam.

Proteínas de defesa: os anticorpos

• Quando uma proteína estranha (antígeno) penetra num organismo animal, ocorre a produção de uma proteína de defesa chamada anticorpo. A molécula de anticorpo se liga quimicamente ao antígeno, neutralizando seu efeito.

• Os anticorpos, da mesma forma que as enzimas, são específicos; assim determinado anticorpo atua somente contra aquele antígeno particular que induziu sua formação.

• Desde que um certo antígeno tenha invadido nosso corpo uma primeira vez, provocando a fabricação de anticorpos, o organismo parece guardar uma “lembrança”, ou formar uma espécie de memória da estrutura da proteína invasora.

• Isso faz com que invasões posteriores do mesmo antígeno sejam prontamente repelidas, porque o mecanismo de produção do anticorpo já se encontra instalado. Dizemos que o organismo ficou imunizado.

Proteínas que imunizam

• Vacinas: microrganismos a favor. As vacinas são constituídas frequentemente pelo próprio microrganismo, enfraquecido (atenuado) ou morto, que é inoculado na pessoa que se quer imunizar.

• Esta produz anticorpos exatamente da mesma forma que produzia se o microrganismo fosse virulento. Assim, sem apanhar a doença, ou contraindo-a de forma benigna, ficamos imunizados contra ela.

• Quando dizemos que uma vacina “pegou”, isso significa que contraímos a forma benigna da doença.

• Modernamente, certas vacinas têm sido produzidas utilizando-se fragmentos do microrganismo, isolando-se por exemplo, algumas proteínas ou polissacarídeos da parede de uma bactéria e fabrica-se uma vacina com eles. Esse processo, por motivos óbvios, é bem mais seguro do que a inoculação do microrganismo inteiro.

Soro: quando a doença já se instalou

• Há casos em que os animais começam a agir assim que penetram no organismo. É o caso dos venenos de cobra, que podem matar em algumas horas, sendo evidente não esperar a reação do próprio organismo, já que a produção de anticorpos é lenta. É preciso usar anticorpos prontos.

• Esses anticorpos são conseguidos assim: pequenas doses do veneno (antígeno) são injetadas num animal, como o cavalo por exemplo. Aos poucos, o cavalo fica imunizado contra aquele tipo particular de veneno, havendo no seu sangue um aumento na concentração de anticorpos específicos.

• Do sangue do cavalo imunizado é separado o soro (parte líquida), no qual ficam os anticorpos. Esse soro tem agora a propriedade de curar uma pessoa que tenha sido picada, já que contém os anticorpos específicos contra aquele veneno. Chamamos essas preparações de anticorpos prontos de soros terapêuticos.