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14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd=… 1/48 PROCESSOS BIOLÓGICOS BÁSICOS UNIDADE 1 - O SURGIMENTO DAS CE� LULAS: COMO A QUI�MICA E A BIOLOGIA PODEM EXPLICAR? Ana Paula Felizatti 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd=… 2/48 Introdução Você já se questionou como a vida surgiu? Dentre as teorias existentes, as evolucionistas do surgimento da vida são as mais aceitas na contemporaneidade para explicar as questões que dizem respeito às inúmeras dúvidas sobre o inı́cio da vida em suas mais diversas formas. Você já parou para observar o quão diversa a vida se apresenta? Há uma in�inidade de formas de vida, desde as mais simples, formadas por uma única célula, como as bactérias, até as mais complexas, como nós, os seres humanos, pluricelulares e altamente organizados. Como foi possı́vel o surgimento dos seres mais simples e como se deu a formação dos seres mais complexos? A premissa base mais aceita no meio cientı́�ico é respaldada na formação do caldo primordial ou sopa orgânica. Trata-se de uma teoria que alia conhecimentos quı́micos e biológicos para explicar como uma sopa orgânica, contendo inicialmente átomos e moléculas simples, foi capaz de originar todas as formas de vida. Nesta unidade, veremos com mais detalhes como os seres vivos são organizados do ponto de vista quı́mico e biológico. Assim, vamos compreender como ligações quı́micas entre átomos e moléculas simples foram responsáveis pela estruturação de moléculas complexas com enorme importância biológica no contexto do surgimento da vida. Bons estudos! 1 Química dos organismos vivos A Quı́mica é uma ciência exata muito atrelada à formação da vida. Há milhões de anos, elementos quı́micos se agruparam por meio de ligações quı́micas em um processo gradual e complexo e deram origem a moléculas orgânicas precursoras das formas de vida mais simples. Essas formas simples, eventualmente, passaram por processos evolutivos que deram origem a rotas bioquı́micas que possibilitaram a evolução para formas de vida mais complexas. Nosso organismo, do ponto de vista mais complexo para o mais simples, é formado por: Sistemas: conjunto de órgãos; Órgãos: conjunto de tecidos; Tecidos: conjunto de células. As células são as unidades fundamentas que organizam nosso corpo. Elas são estruturas microscópicas que funcionam como “fábricas” e desempenham funções especı́�icas. As células possuem um conjunto fantástico e altamente diversi�icado de moléculas. Essas moléculas são formadas pela união dos elementos quı́micos mais simples ainda, chamados de átomos. Podemos dizer que no nı́vel mais básico, nosso organismo é formado por átomos. Mas tudo começou com elementos quı́micos simples. Não é incrı́vel? Vamos agora explorar os conceitos da Quı́mica no contexto dos organismos vivos e surgimento da vida. 1.1 Composição química das células • • • 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd=… 3/48 Você certamente já ouviu dizer que somos feitos majoritariamente por água, não é mesmo? Essa premissa é absolutamente correta, visto que somos formados por células, e elas têm, em sua composição, a água como elemento mais abundante. Além da água, outros elementos estão presentes na célula, entre compostos orgânicos e inorgânicos. E� interessante notar que as células são a unidade funcional mais básica dos seres vivos e têm caracterı́sticas em comum tanto nos seres mais simples como nos mais complexos. Vamos conhecer e compreender a importância desses elementos comuns em quase todas as células. 1.2 Átomos, moléculas e íons Os organismos vivos são compostos por somente uma pequena seleção dos átomos ou elementos quı́micos que ocorrem naturalmente (ilustrados na tabela periódica dos elementos), sendo que apenas quatro deles – carbono (C), hidrogênio (H), nitrogênio (N) e oxigênio (O) – representam 95% do peso de um organismo e formam algumas moléculas importantes em nossas células, como água, proteı́nas, carboidratos, lipı́dios e DNA. Os átomos desses elementos são ligados um ao outro por ligações quı́micas, formando moléculas. Uma molécula é um agregado de, pelo menos, dois átomos ligados em um arranjo de�inido por forças quı́micas (também chamadas de ligações químicas). Uma molécula pode possuir átomos do mesmo elemento ou átomos de dois ou mais elementos unidos. A partir do tipo e número de átomos que uma molécula possui, podemos escrever sua fórmula molecular. Figura 1 - Tabela periódica dos elementos. Fonte: Humdan, Shutterstock, 2019. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd=… 4/48 As moléculas que têm carbono na sua composição são chamadas de moléculas orgânicas, e aquelas que não têm são chamadas de inorgânicas. Posteriormente, vamos abordar as principais moléculas orgânicas, suas caracterı́sticas e funções. Como dito anteriormente, dois átomos permanecem unidos por ligações quı́micas para formar moléculas. Dois tipos de ligações quı́micas são muito importantes para a compreensão da quı́mica da vida: ligações covalentes e não covalentes. Ligação covalente é a ligação em que há compartilhamento de elétrons entre átomos; essas ligações tendem a ser mais fortes. Gra�icamente são mostradas como um ( – ) entre dois átomos e podem ser ligações simples, duplas ou triplas, como ilustrado a seguir. Dentre as ligações não covalentes, se destacam as ligações de hidrogênio e as ligações iônicas. Esse é um tipo de ligação quı́mica em que não há compartilhamento de elétrons. A ligação é baseada na atração eletrostática entre átomos, como a ligação que ocorre entre Na e Cl na formação do sal de cozinha. Figura 2 - Anotações moleculares amplamente utilizadas em bioquı́mica. Fonte: Udaix, Shutterstock, 2019. + - 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd=… 5/48 Dando sequência aos seus estudos sobre o surgimento das células, veremos sobre de outro elemento quı́mico muito importante: a água. Vamos lá? Figura 3 - Ligações quı́micas entre átomos. Fonte: Adaptada de Nasky; OSweetNature, Shutterstock, 2019. VOCÊ QUER VER? Quer saber um pouco mais sobre a estrutura dos átomos? Assista ao vıd́eo (2012) a seguir: https://www.youtube.com/watch?v=FsS0nLKoaoo (https://www.youtube.com/watch?v=FsS0nLKoaoo). https://www.youtube.com/watch?v=FsS0nLKoaoo 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd=… 6/48 1.3 A água A água representa cerca de 70% do peso nos organismos. As teorias evolutivas celebram que a formação da vida como conhecemos atualmente é resultado das caracterı́sticas dos ambientes aquosos primordiais. As caracterı́sticas fı́sico-quı́micas da água explicam por que a vida pode ter se estabelecido inicialmente em ambientes aquosos. Os seres vivos são adaptados a ambientes aquosos e a grande maioria das reações bioquı́micas ocorre em ambiente aquoso, dentro das células, no citoplasma ou citosol. Até mesmo as macromoléculas que repelem água se organizam em estruturas hidrofóbicas (que não se solubilizam em água) essenciais para sua estabilidade e sem a presença de água para induzir a repulsão, essa estrutura não seria possı́vel. Assim, a água é essencial para a manutenção da vida, visto que sem ela não ocorrem as reações necessáriaspara a manutenção celular. Figura 4 - Molécula da A� gua. Fonte: Shade Design, Shutterstock, 2019. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd=… 7/48 A seguir, você aprenderá mais sobre os ácidos e bases. Acompanhe com atenção! Um dos tipos de reação quı́mica mais simples, que depende totalmente da água e tem grande importância para as células, ocorre quando uma molécula que possui alguma ligação covalente entre um hidrogênio (H) e outro átomo se dissolve em água. Quando uma molécula polar �ica rodeada por moléculas de água, o próton (H ) é atraı́do pela carga parcialmente negativa do átomo de oxigênio de uma molécula de água vizinha. Esse próton pode se dissociar facilmente do seu parceiro, na molécula original, e se associar ao átomo de oxigênio de uma molécula de água, gerando um ı́on hidrônio (H O ) (ALBERTS et al., 2017). Sendo assim, as moléculas que liberam prótons quando dissolvidas em água, formando H O , são denominadas ácido. Já a base é o oposto de ácido: é de�inida como qualquer molécula capaz de aceitar um próton de uma molécula de água. O interior das células também é mantido próximo da neutralidade pela presença de ácidos e bases fracos (tampões), que podem liberar ou receber prótons próximos do pH 7, o que mantém o ambiente celular relativamente constante sob uma grande variedade de condições. 1.4 Moléculas orgânicas As moléculas orgânicas são aquelas que têm o elemento carbono (C) como parte estrutural. O carbono é um elemento versátil, capaz de realizar diferente tipos de ligações covalentes – simples, duplas, triplas – com diferentes elementos quı́micos, como oxigênio (O), hidrogênio (H) e nitrogênio (N), formando a estrutura Figura 5 - Manutenção da vida. Fonte: ESB Professional, Shutterstock, 2019. + 3 + 3 + 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd=… 8/48 básica das biomoléculas. Veja abaixo alguns exemplos de moléculas orgânicas (aminoácido alanina e glicose) e de como o átomo de carbono (representado com linha preta) pode se ligar a diversos outros átomos, como oxigênio (em vermelho) e nitrogênio (em azul). Há centenas ou até milhares de biomoléculas nas células. Essas biomoléculas foram sendo conservadas ao longo dos processos evolutivos, participando ativamente das vias metabólicas essenciais dos seres vivos. As principais biomoléculas, ou macromoléculas, presentes nas células são os carboidratos, lipı́dios, proteı́nas e ácidos nucleicos. Figura 6 - Moléculas orgânicas dos aminoácidos alanina e glicose. Fonte: Shmitt Maria, Shutterstock, 2019. VOCÊ O CONHECE? Watson e Crick são considerados os pais da estrutura do DNA, mas foi Rosalind Franklind que deu passos essenciais para que eles conseguissem desvendar a estrutura em hélice. Rosalind infelizmente não teve seu talento reconhecido em vida, mas sua história de vida é inspiradora para todos os amantes da ciência. Para conhecê- la melhor, leia A mulher que fotografou o DNA: conheça Rosalind Franklin (CIB, 2019): 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd=… 9/48 1.5 Origem da vida e teoria celular Como a vida começou? A explicação da origem da vida para as ciências biológicas tem um marco muito importante: a descoberta das células. As células foram descobertas pelo cientista inglês Robert Hooke, no século XVII, com o auxı́lio de um microscópio rudimentar. Hooke observou, pela primeira vez, uma estrutura de cortiça vegetal. Ele foi capaz de identi�icar pequenos compartimentos que nomeou de célula, pela origem latina “cella”, compartimento fechado, ao observar as divisões referentes às paredes celulares. Anos depois, cientistas foram capazes de observar o núcleo, com microscópios melhores. Desde o século XIX, os cientistas sabem que todos os seres vivos são formados por células, e descobertas foram sendo realizadas para construir teorias que possam explicar a origem das células e inı́cio da vida (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). Vamos compreender como as células surgiram e qual o impacto disso no contexto da evolução dos organismos? Acompanhe! Origem da vida: teorias e o elo com surgimento celular O processo evolutivo que originou as primeiras células começou na Terra, há aproximadamente quatro bilhões de anos. Naquela época, a atmosfera provavelmente continha vapor d’água, amônia, metano, hidrogênio, sulfeto de hidrogênio e gás carbônico. Para que o surgimento da vida fosse possı́vel, como você estudou na seção anterior, há milhões de anos surgiram ligações entre elementos quı́micos da atmosfera primitiva. Esses elementos deram origem às moléculas que permitiram o surgimento das formas mais básicas de vida. Essas ligações foram resultado de descargas energéticas que desencadearem desequilı́brio eletrônico. Esses elementos, por sua vez, se associaram em uma sopa orgânica, gerando moléculas como os ácidos nucleicos e os aminoácidos (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). Em conjunto, essas moléculas possibilitaram o desenvolvimento das primeiras células, muito simples, chamadas de procariontes (não possuı́am seu material genético protegido por um envelope nuclear). Eventualmente, após o surgimento dessas moléculas essenciais, as células mais complexas se desenvolveram, chamadas de eucariontes (com material genético protegido por um envelope nuclear) e com o surgimento delas vieram os primeiros organismos vivos complexos. Células procariontes e eucariontes Vimos que as células procariontes são mais simples e menores do que as células eucariontes. Para conhecer as principais caracterı́sticas dessas células, cujo material genético não protegido por núcleo, clique nas abas abaixo (ALBERTS et al., 2017). As células procariontes não são capazes de se associar formando tecidos: uma única célula procarionte dá origem a um organismo procarionte, isto é, um organismo unicelular. Podem ter formas diversas, dentre elas coco (forma esférica) e bacilo (forma de bastão) e a reprodução ocorre de forma assexuada, por �issão binária (ALBERTS et al., 2017). 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 10/48 A célula procarionte mais estudada é uma bactéria chamada de Escherichia coli e assim como ela há milhares de outras espécies de bactérias. Uma célula procarionte possui o material genético não compartimentalizado, polissacarı́deos formando uma cápsula protetora, parede celular e fosfolipı́dios formando a membrana celular, �lagelos para locomoção (em alguns organismos), citoplasma e ribossomos (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). Podemos observar a estrutura da célula procariótica e seus componentes na parte A da �igura abaixo. Figura 7 - Tipos de bactérias. Fonte: Designua, Shutterstock, 2019. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 11/48 Por outro lado, as células eucariontes são mais complexas e organizadas quando comparadas às procariontes. Possuem organelas celulares e um núcleo bem de�inido e compartimentalizado. São capazes de se associar e formar tecidos. Além disso, essas células podem estar presentes em organismos unicelulares, como leveduras e parasitas, ou pluricelulares, como plantas e animais. Dentre as organelas mais importantes estão os ribossomos, lisossomos, peroxissomos, mitocôndrias, complexo de Golgi e retı́culo endoplasmático rugoso e liso (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). A presença de organelas permitea ocorrência de reações bioquı́micas mais complexas, possibilitando o surgimento de funções que permitiram a evolução das espécies. Figura 8 - A célula procariótica é mais simples e não apresenta carioteca, contendo estruturas para locomoção e reprodução em seu exterior. Fonte: Ducus59us, Shutterstock, 2019. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 12/48 VOCÊ QUER LER? O livro O gene egoísta (DAWKINS, 2007), de Richard Dawkins, traz uma visão diferenciada sobre a evolução das células, pois apresenta um ponto de vista voltado para o DNA, como se os genes fossem responsáveis pela evolução de modo consciente. E� uma obra muito interessante e que nos faz re�letir sobre uma nova perspectiva em relação aos genes e informação hereditária 2 Aminoácidos, proteínas e enzimas: estruturas e função As proteı́nas estão presentes e formam muitos componentes do nosso organismo. Elas representam, aproximadamente, 40% do peso seco do nosso corpo e estão presentes em unhas, cabelos, pele, ossos, músculos e até no sangue. Além de desempenharem uma função estrutural, há uma classe de proteı́nas especial, chamadas de enzimas, que aceleram reações quı́micas em nosso organismo. 2.1 Aminoácidos Você viu em seus estudos que as proteı́nas são importantes biomoléculas presentes nas células. Todas as proteínas são formadas por aminoácidos, unidos por uma ligação peptídica. A estrutura básica dos aminoácidos é composta por um átomo de carbono central (C), ligado a um grupo ácido carboxı́lico (COOH), um grupamento amina (NH ) e uma cadeia lateral “R”. A cadeira lateral R é diferente para cada um dos 20 aminoácidos encontrados nas proteı́nas e confere propriedades bioquı́micas diferentes para cada um (ALBERTS et al., 2017). 2 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 13/48 Os aminoácidos podem ser nomeados de três formas diferentes. A primeira delas é o nome por extenso, como, por exemplo, “Glicina” ou “Glycine”, do inglês. A segunda forma é o código de três letras, que utiliza as três primeiras letras do termo em inglês. Continuando o exemplo da glicina, o código de três letras são as iniciais “GLY”. Por �im, há o código de uma letra, em que apenas uma letra, que pode ser a letra inicial ou não, é associada a determinado aminoácido. No caso da glicina, temos a letra “G” (ALBERTS et al., 2017). A �igura a seguir apresenta a lista com todas as nomenclaturas para os 20 aminoácidos principais, assim como suas estruturas quı́micas. Atente-se para os grupamentos laterais e as diferenças entre eles, que conferem caracterı́sticas aos diferentes aminoácidos em relação a: solubilidade em água (hidrofobicidade), tamanho da molécula, presença de carga, entre outras caracterı́stica fı́sico-quı́micas que in�luenciam diretamente o meio biológico. Em pH neutro, todos os aminoácidos estão em sua forma ionizada (carregada). Figura 9 - Estrutura básica de um aminoácido, ilustrando o grupo ácido carboxı́lico (COOH em vermelho), um grupamento amina (NH2 em azul) e uma cadeia lateral R (em amarelo). De acordo com a cadeira lateral, os aminoácidos adquirem caracterı́sticas bioquı́micas distintas. Fonte: Adaptada de Luciano Cosmo, Shutterstock, 2019. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 14/48 Figura 10 - Os aminoácidos possuem diferentes cadeias laterais, que fornecem suas caracterı́sticas fı́sico- quı́micas. Preto: átomos de carbono; azul: nitrogênio; vermelho: oxigênio; branco: hidrogênio; amarelo: enxofre. Fonte: molekull_be, Shutterstock, 2019. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 15/48 Nem todos os aminoácidos são produzidos pelos organismos e precisam ser adquiridos via alimentação. Nos seres humanos, os aminoácidos produzidos por nós são chamados de não essenciais ou naturais, ao passo que os obtidos por vias exógenas (alimentação) são os essenciais. Con�ira, na �igura abaixo, uma representação de ligação peptı́dica entre dois aminoácidos. Perceba que a ligação peptı́dica ocorre entre a hidroxila (OH), presente no carbono de um aminoácido, e o hidrogênio ligado ao nitrogênio de outro aminoácido. Dessa reação, ocorre a liberação de uma molécula de água. Figura 11 - Aminoácidos essenciais. Fonte: Elaborado pelo autor, 2019. Figura 12 - Ligação peptı́dica entre dois aminoácidos. Fonte: MARZZOCO; TORRES, 2015, p. 15. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 16/48 Agora que já compreendemos como as proteı́nas são formadas e a importância de reconhecer as propriedades das cadeias laterais, podemos começar nossos estudos sobre as proteı́nas. Vamos lá? 2.2 Proteínas As proteı́nas são as “engrenagens celulares”. São elas que regulam e possibilitam reações quı́micas, participam de processos estruturais, de proteção e manutenção basal e vital dos organismos vivos. Geralmente, são formadas pela união de mais de 50 aminoácidos, podendo variar amplamente em conformação e número de aminoácidos. A distribuição de aminoácidos depende da informação genética e conformação associada àquela proteı́na. Usualmente, todos os 20 aminoácidos principais estão presentes, em proporções variadas. As proteı́nas têm nı́veis de estruturação distintos. A estrutura primária engloba a sequência de aminoácidos per se, representada em um único plano, resultante das ligações peptı́dicas. VOCÊ SABIA? Você sabia que um dos adoçantes mais utilizados é um peptıd́eo? Trata-se do aspartame, formado pelos aminoácidos fenilalanina e ácido aspártico. Ele é quase 200 vezes mais doce que o açúcar. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 17/48 Observe na parte de cima da �igura, em verde, a ligação peptı́dica entre dois aminoácidos. Já na parte de baixo identi�icamos as extremidades amino-terminal (NH2) e carboxi-terminal (COOH) e os aminoácidos que compõem a proteı́na. Agora. para dar sequência aos seus estudos sobre as proteı́nas, vamos aprender sobre a estrutura secundária e o nı́vel terciário. Secundária A estrutura secundária já contempla o enovelamento bidimensional da molécula, gerando as principais estruturas energeticamente mais estáveis: alfa hélices e folhas beta. Na estrutura de alfa hélice, ocorre o enrolamento em um eixo vertical, gerando uma torção ao redor desse eixo; já nas folhas beta, a interação ocorre lateralmente, lembrando uma estrutura de folhas empilhadas. Nesse nı́vel, as interações ocorrem entre as cadeias peptı́dicas, por ligações ou pontes de hidrogênio. Terciária No nível terciário de estruturação, ocorre o enovelamento �inal, ou seja, interação entre estruturas secundárias. Pode ocorrer interações entre hélices, entre folhas beta, entre ambas, ou entre regiões não enoveladas. Os radicais R dos aminoácidos são os responsáveis por esse nı́vel de estruturação, e podem realizar diferentes tipos de ligações para realização da estruturação terciária, como ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas, ligações iônicas (eletrostáticas) e forças de van der Waals. Além dessas ligações não covalente, um tipo de ligação covalente é frequentemente observado na estruturação terciária: as pontes Figura 13 - Estrutura primária de uma proteı́na. Fonte: Ciência, Educação,Shutterstock, 2019. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 18/48 dissulfeto. Essas pontes são realizadas entre aminoácidos cuja cadeia lateral apresenta uma molécula de enxofre (S), como as cisteı́nas. Os enxofres da cadeia peptı́dica interagem covalentemente formando a ponte na estrutura e in�luenciando o dobramento (MARZZOCO; TORRES, 2015). Veja, na �igura a seguir, o nı́vel de organização secundário e terciário das proteı́nas. Perceba que, além das ligações peptı́dicas, ocorrem interações entre os próprios aminoácidos. Essas interações fazem com que a cadeia de aminoácidos “dobre-se” sobre si mesma. Dependendo como essas interações ocorrem, formam-se estruturas caracterı́sticas chamadas de alfa hélice e folha beta. No nı́vel quaternário, mais complexo, ocorre a interação entre duas ou mais cadeias terciárias, podendo gerar proteı́nas com mais de uma subunidade. Nem todas as proteı́nas possuem esse nı́vel de organização. Nos últimos nı́veis, a representação ocorre tridimensionalmente, como ilustrado pela molécula de hemoglobina a seguir (MARZZOCO; TORRES, 2015). Figura 14 - Nı́vel de organização secundário e terciário das proteı́nas. Fonte: magnetix, Shutterstock, 2019. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 19/48 A classi�icação das proteı́nas pode ser de acordo com sua forma: globulares ou �ibrosas. Proteínas globulares Apresentam forma enovelada, próxima a uma forma esférica. A classe das proteı́nas globulares é composta por proteı́nas solúveis que desempenham funções, principalmente, no citosol. Proteínas �ibrosas Possuem forma alongada e têm função estrutural. Um exemplo é a queratina, responsável pela rigidez das unhas, e o colágeno, importante componente da matriz extracelular dos tecidos. Para dar sequência aos seus estudos sobre os tipos de proteı́nas, realize a experiência prevista a seguir. Aprender mais é grati�icante. Aproveite! Figura 15 - Estrutura tridimensional da molécula de hemoglobina. Fonte: molekull_be, Shutterstock, 2019 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 20/48 As proteı́nas podem estar associadas a compostos não proteicos, como açúcares, lipı́dios e ı́ons metálicos. Esses grupos são chamados grupos prostéticos e são essenciais para o correto funcionamento das proteı́nas. Dependendo do componente que estiver associado, a proteı́na passa a ser chamada de, por exemplo, lipoproteı́na (se estiver associada a um lipı́dio), glicoproteı́na (se estiver associada a um açúcar), e assim por diante. Um grupo especial de proteı́nas com função catalı́tica acelera processos quı́micos nas células, que são as enzimas. Vamos aprender mais sobre elas? 2.3 Enzimas As enzimas são proteı́nas com ação catalisadora ou catalı́tica. Mas o que é uma ação catalı́tica? E� uma ação que resulta no favorecimento de uma reação quı́mica pela diminuição da energia necessária para que ela ocorra. Diversas reações quı́micas ocorrem em nosso organismo o tempo todo e a manutenção da vida celular depende de dois fatores (MARZZOCO; TORRES, 2015). Velocidade As reações quı́micas devem ocorrer em uma velocidade adequada para que não haja falta nem excesso de certas substâncias em nosso organismo. Especi�icidade As reações quı́micas precisam ser altamente especı́�icas para que produtos de�inidos sejam produzidos, pois eles são fundamentais para a vida. O primeiro passo da reação enzimática é a ligação ao substrato por meio do seu sítio ativo (porção da enzima o qual se liga ao substrato). A catálise se inicia com o reconhecimento do substrato pela enzima, formando um estado de transição enzima-substrato, que é energeticamente mais favorável a formação dos produtos. Após a ação da enzima, forma-se o produto, que agora é energeticamente estável. VOCÊ QUER VER? Para ter uma experiência mais dinâmica, explore as formas tridimensionais de proteıńas �ibrosas e globulares. A proteıńa do colágeno pode ser vista em: http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp? ID=195 (http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp?ID=195). Já a Proteıńa-Tirosina-Fosfatase 1B pode ser acessada em: http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp?ID=117 (http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp?ID=117). http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp?ID=195 http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp?ID=117 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 21/48 E� importante entender que a enzima faz parte da reação, mas não é modi�icada durante o processo. A ligação ao substrato é altamente especı́�ica, e a reação chega a ser acelerada por fatores, que, às vezes, �icam na casa de milhares. VOCÊ QUER LER? Durante muito tempo, admitiu-se que todas as enzimas eram proteıńas. Ou seja, que todos os catalisadores biológicos eram proteıńas, polıḿeros de aminoácidos. No inıćio da década de 1980, entretanto, veri�icou-se que moléculas de RNA catalisavam reações quıḿicas celulares. A descoberta foi surpreendente e este tipo particular de catalisador recebeu o nome de ribozima. Para saber mais sobre o assunto, leia este artigo (WALTERS; ENGELKE, 2002): https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3770912/pdf/nihms413112.pdf (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3770912/pdf/nihms413112.pdf ). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3770912/pdf/nihms413112.pdf 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 22/48 Embora haja um sistema técnico e complexo para nomenclatura das enzimas, na terminologia usual, o nome é dado indicando o substrato, seguido de outra palavra terminada em “ase”, que especi�ica o tipo de reação que a enzima catalisa (MARZZOCO; TORRES, 2015). As enzimas são classi�icadas em seis grupos, de acordo com o tipo de reação que catalisam (HARVEY; FERRIER, 2012). Há enzimas que necessitam de cofatores para exercer sua função catalı́tica. Esses cofatores se associam aos sı́tios ativos das enzimas e podem ser ı́ons metálicos ou moléculas orgânicas, de complexidade variada, que recebem o nome de coenzimas. I�ons metálicos, como Zn , Fe , Cu , Mg , Mn , e algumas vitaminas são importantes coenzimas. As vitaminas são compostos orgânicos sintetizados por plantas ou microrganismos, indispensáveis ao crescimento e às funções normais dos animais superiores e são requeridos na dieta em pequenas quantidades (microgramas ou miligramas diários). As vitaminas são classi�icadas como lipossolúveis (vitaminas A, D, E, K) e hidrossolúveis, que incluem a vitamina C e as do complexo B. Essas são coenzimas importantes para muitas enzimas que participam de vias metabólicas para produção de energia e uma ingestão inadequada pode levar a sérias complicações, como anemia, fadiga e perda de memória (HARVEY; FERRIER, 2012). Figura 16 - Ilustração da ação de uma enzima sob seu substrato especı́�ico. No primeiro caso, a enzima age sobre o substrato formando o produto 1 + 2. No segundo caso, a enzimas agem nos substratos 1 + 2, formando o produto. Fonte: VectorMine, Shutterstock, 2019. 2+ 2+ 2+ + + 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 23/48 Há fatores que podem interferir na e�iciência de uma enzima: temperatura, pH e concentração do substrato. A estrutura e a forma do sı́tio ativo dependem da estrutura tridimensional da enzima. Essa conformação pode ser afetadapor quaisquer agentes capazes de provocar mudanças na conformação da proteı́na. Para a maioria das enzimas, existe uma faixa de pH e temperatura em que sua e�iciência é máxima. Se alterações drásticas no pH ou na temperatura do ambiente ocorrerem, a enzima pode ter sua e�iciência reduzida. Há locais em nosso corpo, como o estômago, em que o pH é extremamente baixo. Já locais como o intestino, o pH é mais elevado. As enzimas presentes em cada um desses locais não teriam a mesma e�iciência se o pH fosse diferente. Esse efeito do pH e da temperatura sobre a estrutura das proteı́nas é chamado de desnaturação. A atividade enzimática pode ser diminuı́da, também, pela ação de substâncias, genericamente chamadas de inibidores. Esses inibidores podem ser irreversı́veis ou reversı́veis. Estes, por sua vez, são classi�icados em competitivos e não competitivos (quando competem ou não com o substrato pelo sı́tio ativo da enzima). Algumas dessas substâncias são constituintes normais das células, outras são estranhas aos organismos (como alguns compostos organofosforados presentes em pesticidas e fármacos, como a aspirina e penicilina). VOCÊ QUER LER? A evolução da ciência permite que, atualmente, enzimas sejam sintetizadas em laboratório. Um grupo de pesquisadores brasileiros conseguiu criar uma enzima sintética capaz de clivar DNA de patógenos, com potencial aplicação para a saúde. A notıćia (AGE� NCIA FAPESP, 2018). 3 Carboidratos e lipídios: estrutura e função Você já estudou alguns conceitos sobre carboidratos e lipı́dios para compreender a importância dessas moléculas na formação das células e origem da vida, não é mesmo? Vamos agora aprofundar nossos conhecimentos sobre essas moléculas tão importantes. 3.1 Carboidratos A fórmula geral dos carboidratos é dada por (CH O)n. Perceba que seu nome está diretamente ligado à fórmula quı́mica (hidrato de carbono), embora alguns carboidratos fujam à regra. Os carboidratos estão presentes em nossa alimentação e muitos conferem sabor doce aos alimentos como glicose, frutose e sacarose e são chamados de açúcares ou sacarı́deos. Os carboidratos podem ser classi�icados quanto ao número de suas unidades componentes em monossacarídeos e oligossacarídeos e polissacarídeos. Os monossacarı́deos são o tipo mais simples de carboidratos, formados por apenas uma molécula. Podem ser nomeados de acordo 2 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 24/48 com o número de carbonos presentes em sua estrutura: trioses (3C), tetroses (4C), pentoses (5C) e hexoses (6C). Os monossacarı́deos são classi�icados de acordo com o grupo funcional que possuem, em cetoses e aldoses, que contêm grupo funcional do tipo cetona ou aldeı́do, respectivamente (MARZZOCO; TORRES, 2015). Veja a estrutura linear de monossacarı́deos com diferentes números de carbonos e grupos funcionais. Em geral, as formas cı́clicas prevalecem nas células. Para a molécula de glicose, por exemplo, apenas 1% permanece na forma aberta (HARVEY; FERRIER, 2012). Figura 17 - Estrutura linear de monossacarı́deos com diferentes números de carbonos e grupos funcionais. Na linha superior, temos as aldoses. Na linha inferior, as cetoses. Fonte: MARZZOCO; TORRES, 2015, p. 84. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 25/48 Os oligossacarı́deos são polı́meros de monossacarı́deos ligados por ligações glicosídicas. Agora, observe na �igura a seguir, uma ligação glicosı́dica alfa-1,4, em outros termos, uma ligação glicosı́dica entre o carbono 1 de um monossacarı́deo e o carbono 4 de outro monossacarı́deo. Figura 18 - Estrutura cı́clica da glicose. Fonte: MARZZOCO; TORRES, 2015, p. 84. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 26/48 Os oligossacarı́deos com maior função biológica são os dissacarı́deos (união de dois monossacarı́deos). Entre os dissacarı́deos, os mais comuns são consequência da ligação entre glicose e frutose, gerando a sacarose (componente do açúcar de mesa); glicose e galactose, gerando, por sua vez, a lactose (o açúcar presente no leite). Figura 19 - Ligação glicosı́dica entre o carbono 1 de um monossacarı́deo e o carbono 4 de outro monossacarı́deo (ligação glicosı́dica alfa-1,4). Fonte: MARZZOCO; TORRES, 2015, p. 86. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 27/48 Você sabia que a junção de centenas de monossacarı́deos dá origem aos polissacarı́deos? Eles são moléculas de reserva nos seres vivos, como o glicogênio nos animais e o amido nos vegetais. Os polissacarı́deos podem ainda ter função estrutural, como a quitina e a celulose nas plantas. A �igura a seguir apresenta uma estrutura de carboidratos. Observe que os destaques em verde são as unidades formadoras. Em azul, temos as unidades de rami�icação. E, por sua vez, em vermelho, estão as unidades redutoras, pelas quais é possı́vel fazer a adição ou remoção de unidades. Figura 20 - Dissacarı́deos e monossacarı́deos em sua forma cı́clica. Por meio da união de dois monossacarı́deos, com uma ligação glicosı́dica, forma-se um dissacarı́deo. Fonte: lyricsaima, Shutterstock, 2019. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 28/48 As funções principais dos polissacarı́deos são de armazenamento e estrutural. Além disso, são fonte principal para o metabolismo energético das células. As moléculas mais simples, como a glicose, são o combustı́vel celular e base de rotas bioquı́micas complexas que necessitam de energia ou precursores gerados na via da glicólise. Você sabe por que os seres humanos não digerem a celulose, presente na alface e na rúcula? Mesmo sendo um polissacarı́deo de glicose, assim como o amido (presente na batata e no arroz), os seres humanos não conseguem digeri-la para obter moléculas de açúcar isoladas e utilizar para produzir energia. Na celulose, as unidades de glicose são polimerizadas por ligações glicosı́dicas entre os carbonos 1 (com con�iguração β) e 4: ligações β-1,4. Os seres humanos não possuem a enzima digestiva necessária para a quebra dessa ligação especı́�ica e, portanto, a celulose proveniente dos vegetais que ingerimos não é digerida em nosso trato gastrointestinal, sendo considerada uma �ibra dietética (HARVEY; FERRIER, 2012). Figura 21 - Estrutura de carboidratos. Fonte: Elaborada pelo autor, 2018. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 29/48 A glicose é um carboidrato chave para a sobrevivência humana. Ela é o combustı́vel básico das funções neurológicas e sem ela o cérebro pode entrar em colapso. Por isso, perı́odos longos de jejum ou atividade fı́sica muito intensa sem reposição energética podem causar danos. Toda a maquinaria celular é sustentada pela via da glicólise e outras rotas alternativas, que geram energia, sob a forma de calor e ATP. Para complementar seus estudos sobre o tema, conheça o caso de uma jovem de 21 anos e aprenda mais sobre a lactose. VOCÊ SABIA? Conheça mais sobre as �ibras dietéticas e seus benefıćios para a saúde lendo o artigo “Fibra alimentar – Ingestão adequada e efeitos sobre a saúde do metabolismo” (BERNAUD; RODRIGUES, 2013). Você irá se surpreender com o quanto é importante manter uma alimentação equilibrada e rica em �ibras. Disponıv́el em: <http://www.scielo.br/pdf/abem/v57n6/01.pdf(http://www.scielo.br/pdf/abem/v57n6/01.pdf ). http://www.scielo.br/pdf/abem/v57n6/01.pdf 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 30/48 Agora que você já conheceu a estrutura e função dos carboidratos, vamos dar sequência aos seus estudos sobre o surgimento das células e aprender sobre os lipı́dios. Mantenha-se concentrado e bons estudos! 3.2 Lipídios CASO E. J. D., 21 anos de idade, sexo feminino. Apresenta quadro de diarreia e dor abdominal há seis meses. Acreditava que seu quadro estava atribuıd́o ao estresse, porém, mesmo após inıćio das férias escolares não houve melhora. Orientada por um amigo se automedicou com antiparasitário, pois acreditava estar com “vermes”. O tratamento também não surtiu efeito. Ela então decidiu procurar um médico. Na consulta, relatou que os sintomas aparecem principalmente no perıódo da manhã, 1h – 2h após o café da manhã. Relata que costuma consumir pão, leite, café, queijo e frutas. Alguns dias consome iogurte batido com aveia e frutas. O médico suspeita de um quadro de intolerância à lactose e a jovem, então, relata que seus pais apresentam a condição. O médico solicita que a jovem suspenda laticıńios da dieta e faça um exame chamado teste de tolerância à lactose. No laboratório, a jovem mediu a glicemia às 7h da manhã em jejum. Ela, então, ingeriu uma quantidade grande de lactose, na forma de um lıq́uido. A� s 8h e 9h mediram novamente os ıńdices de glicose na corrente sanguıńea. Os ıńdices não se elevaram, �icando quase iguais ao medido em jejum. Frente aos resultados, o médico sugeriu o diagnóstico de intolerância à lactose. Você sabe como é possıv́el justi�icar os fatos observados? Se justi�ica porque, em indivıd́uos normais, a enzima lactase age sobre a lactose no intestino, rompendo a ligação glicosıd́ica, resultando em moléculas de galactose e glicose. A glicose, ao ser absorvida, eleva os seus nıv́eis na corrente sanguıńea. Em indivıd́uos intolerantes, a enzima não é produzida. Sendo assim, a lactose permanece na forma de dissacarıd́eo e não é absorvida. Por isso, os nıv́eis de glicose no sangue não se alteram e o acúmulo de lactose no intestino causa a diarreia e a cólica. Nas células, podem ocorrer associações entre os carboidratos e lipıd́ios ou proteıńas, formando glicoconjugados, como os glicolipıd́ios e glicoproteıńas com funções diversas nas células, incluindo sinalização e proteção celular. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 31/48 O termo lipı́dio, conhecido como gordura ou óleo em nosso cotidiano, muitas vezes é tachado como vilão da nossa dieta. Porém, essas moléculas são importantes fontes de energia para nosso organismo. Isto porque os lipı́dios participam da estrutura das nossas membranas plasmáticas e servem como precursores para a sı́ntese de vitaminas e hormônios. Os lipı́dios formam um grupo de moléculas bastante diverso e possuem a caracterı́stica de serem pouco solúveis em água. Fazem parte desse grupo de moléculas os ácidos graxos e os esteroides (como por exemplo o colesterol). Ácidos graxos Os ácidos graxos geralmente são compostos por uma cadeia carbônica longa, com número par de átomos de carbono e sem rami�icações, podendo ser saturada (conter apenas ligações simples entre os átomos de carbono) ou conter uma ou mais instaurações (ligações duplas) ao longo da cadeia. Ácidos graxos saturados Os compostos que contém apenas ligações simples são chamados de ácidos graxos saturados. Monoinsaturados e poli-insaturados Já aqueles que contêm apenas uma ligação dupla são chamados de monoinsaturados e duas ou mais ligações duplas poli-insaturados (RODWELL, 2017). Agora, con�ira, na �igura a seguir, a estrutura molecular e tridimensional de dois ácidos graxos. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 32/48 Analisada a estrutura da molécula, perceba que em uma das extremidades temos uma carboxila (COO ) e na outra extremidade um CH . Em uma das nomenclaturas utilizadas para identi�icar as ligações quı́micas das moléculas de ácidos graxos, o carbono da extremidade CH é identi�icado como carbono de número 1 ou também chamado de carbono ômega (ω). Ao representar a fórmula geral de um ácido graxo, identi�icamos, em primeiro lugar, o número de carbonos totais da molécula, em seguida (separado por dois pontos), o número de ligações duplas que ela possui. Por �im, indicamos a posição da primeira ligação dupla presente na cadeia. Lembre-se de que o primeiro carbono da cadeia extremidade CH é chamado de ômega, e, se a primeira ligação dupla está no segundo carbono, ela será chamada de ômega-2, se estiver no 6 carbono, ômega-6. (MARZZOCO; TORRES, 2015). Para ampliar sua compreensão sobre o tema, vamos tomar como exemplo o ácido oleico, apresentado anteriormente: 18:1 ω-9 Observe que esse ácido graxo possui 18 carbonos e uma ligação dupla em sua estrutura. A ligação dupla está no carbono número nove. Como vimos, os ácidos graxos poli-insaturados chamados de ômega-3 são aqueles que possuem uma ligação dupla entre o terceiro e quarto carbono da cadeia (numerado a partir do carbono 1 ou carbono ômega). Pode haver mais duplas ligações ao longo da cadeia, porém apenas uma é identi�icada. Alimentos como peixes (atum, salmão e sardinha) e azeite de oliva são fontes desses ácidos graxos. Figura 22 - Estrutura molecular e tridimensional de dois ácidos graxos. Ambos possuem 18 átomos de carbono, porém em (a) temos ácido esteárico, saturado e em (b), ácido oleico, insaturado (b). A presença da dupla ligação cis resulta em uma dobra na molécula. Fonte: MARZZOCO; TORRES, 2015, p. 89. - 3 3 3 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 33/48 Lembrando que o EPA é o ácido eicosapentaenoico. Há o DHA é o ácido docosahexaenóico. E, por sua vez, o ALA é o ácido alfa-linolênico; são ácidos graxos do tipo ômega-3, que trazem inúmeros bené�icos à saúde. O último é encontrado no azeite extravirgem, e os dois primeiros em peixes, como salmão e sardinha. A� temperatura ambiente, os ácidos graxos podem apresentar consistência diferentes. A� cidos graxos saturados com mais de 14 carbonos são sólidos e, se possuı́rem pelo menos uma dupla ligação, são lı́quidos. Figura 23 - A� cidos graxos do tipo ômega 3. Fonte: Perception7, Shutterstock, 2019. VOCÊ QUER LER? Nos últimos anos, as investigações cientı�́icas têm comprovado que as dietas com quantidades adequadas de ácidos graxos poli-insaturados desempenham papel importante na prevenção de doenças cardiovasculares e aterosclerose. Nesta revisão da literatura, descubra diversos benefıćios relacionados ao consumo regular desse tipo de ácido graxo. Leia o artigo Ácidos graxos poli-insaturados n-3 e n-6: metabolismo em mamíferos e resposta imune (PERINI, et al., 2010) disponıv́el em: http://www.scielo.br/pdf/rn/v23n6/13.pdf (http://www.scielo.br/pdf/rn/v23n6/13.pdf ). http://www.scielo.br/pdf/rn/v23n6/13.pdf 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 34/48 O grau de �luidez das membranas biológicas depende, então, do tipo de ácido graxo presente nos seus lipı́dios estruturais. A diversidade lipı́dica é espécie-dependente, sendo que alguns só são produzidos por vegetais, outros apenas por microrganismos e outros apenas por mamı́feros, por exemplo. Sendo assim, o consumode diferentes formas de ácidos graxos é o ideal para a manutenção da saúde humana (RODWELL, 2017). Os ácidos graxos livres são pouco encontrados nos organismos vivos e mais frequentemente ligados a uma molécula de glicerol (um tipo de álcool) formando os triglicerídeos ou triacilgliceróis. Acompanhe, na sequência, uma representação de um triacilglicerol formado pela ligação de um glicerol e três ácidos graxos. Outro tipo de lipı́dio com importante função biológica são os fosfolipídios. Eles são compostos de maneira semelhante aos triacilgliceróis, porém possuem apenas duas cadeias de ácidos graxos ligados à molécula de glicerol. Na terceira posição do glicerol, liga-se um grupo fosfato, que ainda pode se ligar a outras moléculas. Essa con�iguração molecular confere aos fosfolipı́dios um caráter an�ipático. Isso signi�ica que uma porção da molécula é hidro�ílica ou polar (cabeça de fosfato) e a outra é hidrofóbica ou apolar (cauda de ácidos graxos) (RODWELL, 2017). Essa propriedade é fundamental para a organização da membrana plasmática. Figura 24 - Triacilglicerol formado pela ligação de um glicerol e três ácido s graxos. Fonte: MARZZOCO; TORRES, 2015, p. 92. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 35/48 Na estrutura do fosfolipı́deo, observe uma porção hidrofóbica (caudas de ácidos graxos) e uma hidrofı́lica (grupamento fosfato ligado ao glicerol). Além dos ácidos graxo, triglicerı́deos e fosfolipı́dios há uma outra classe de lipı́dios importantes, os esteroides. Os esteroides possuem uma conformação bastante diferente dos ácidos graxos, que são cadeias carbônicas lineares. Essa classe de lipı́dios apresenta um núcleo tetracı́clico caracterı́stico em sua estrutura. O principal representante desse grupo é o colesterol. O colesterol é o esteroide mais abundante nos tecidos animais. E� capaz de servir de precursor para sı́ntese de todos os outros esteroides, que incluem hormônios esteroides (hormônios sexuais e do córtex das glândulas suprarrenais), sais biliares e vitamina D (MARZZOCO; TORRES, 2015). Por �im, o colesterol apresenta uma função estrutural importante, compondo a membrana plasmática das células. Figura 25 - Fosfolipı́dio. Fonte: ALBERTS et al., 2017, p.72. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 36/48 A �igura ilustra a molécula de colesterol, na qual podemos observar os quatro anéis carbônicos, o grupo polar (OH) e a região apolar com aspecto mais linear. Essas caracterı́sticas tornam a molécula an�ipática. Figura 26 - Molécula de colesterol. Fonte: MARZZOCO; TORRES, 2015, p. 95. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 37/48 Os triacilgliceróis e as moléculas de colesterol provenientes da dieta, e mesmo aquelas produzidas por via endógena, viajam na corrente sanguı́nea em partı́culas chamadas de lipoproteínas. São agregados moleculares formados por um núcleo central de triglicerı́deos e ésteres de colesterol (colesterol ligado a um ácido graxo). Esse núcleo é envolto por uma camada de fosfolipı́dios e proteı́nas chamadas de apoproteı́nas. Essa partı́cula se torna solúvel em água devido à cabeça (hidrofı́lica) do fosfolipı́dio. Dependendo do tamanho e composição (quantidade de lipı́dios e proteı́nas) dessas lipoproteı́nas, elas são chamadas de lipoproteı́nas de alta (HDL), baixa (LDL) e muito baixa (VLDL) densidade. (RODWELL, 2017). VOCÊ O CONHECE? Bruce D. Roth (1954- ) é um americano PhD em quıḿica orgânica que, aos 32 anos, descobriu a atorvastatina enquanto trabalhava na empresa Warner-Lambert, posteriormente adquirida pela gigante farmacêutica P�izer. Essa droga pertence à classe das estatinas e é vendida como o medicamento Lipitor™ que se tornaria o medicamento mais vendido na história da indústria farmacêutica. Ele é utilizado para reduzir os nıv́eis de colesterol e na prevenção de doenças cardiovasculares e já auxiliou no tratamento de milhões de pessoas em todo o mundo. Entre 1996 e 2012, estima-se que o medicamento tenha um resultado de vendas de mais de 125 bilhões de dólares. Para saber mais sobre o Bruce D. Roth, acesse (2011): https://www.crainsnewyork.com/article/20111228/HEALTH_CARE/111229902/lipit or-becomes-world-s-top-selling-drug (https://www.crainsnewyork.com/article/20111228/HEALTH_CARE/111229902/lipi tor-becomes-world-s-top-selling-drug). https://www.crainsnewyork.com/article/20111228/HEALTH_CARE/111229902/lipitor-becomes-world-s-top-selling-drug 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 38/48 Na sequência, observe a representação de lipoproteı́nas de alta e baixa densidade (HDL e LDL) transportadoras de colesterol e triglicerı́deos na corrente sanguı́nea. VOCÊ QUER LER? Diversos estudos clıńicos, epidemiológicos e experimentais têm mostrado de maneira incontestável a relação entre dosagem sérica dos nıv́eis de lipoproteıńa de alta densidade (HDL) e doença cardiovascular. Baixos nıv́eis de HDL estão presentes em aproximadamente 10% da população e representam um dos mais frequentes achados de dislipidemia nos pacientes com doença arterial coronariana (DAC). Leia este artigo (LIMA; COUTO, 2006) e descubra fatos interessantes sobre ela: estrutura, metabolismo e funções �isiológicas da lipoproteıńa de alta densidade. Disponıv́el em: http://www.scielo.br/pdf/jbpml/v42n3/a05v42n3.pdf (http://www.scielo.br/pdf/jbpml/v42n3/a05v42n3.pdf ). http://www.scielo.br/pdf/jbpml/v42n3/a05v42n3.pdf 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 39/48 Graças às lipoproteı́nas é possı́vel transportar moléculas de ácidos graxos e colesterol por todo organismo para que eles possam desempenhar suas funções energética, estrutural, de sinalização e precursora de hormônios nos diferentes órgãos. Figura 27 - Lipoproteı́nas de alta e baixa densidade (HDL e LDL) transportadoras de colesterol e triglicerı́deos na corrente sanguı́nea. Fonte: lyricsaima, Shutterstock, 2019. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 40/48 Sendo assim, podemos entender os lipı́dios e carboidratos não somente como moléculas provenientes da nossa dieta que nos fornecem energia, mas também como importantes constituintes estruturais das nossas células. Eles são essenciais para a manutenção da vida celular e, por consequência, de todo nosso organismo. VOCÊ QUER VER? Você já ouviu falar na relação existente entre colesterol e doenças cardıácas? Para entender melhor essa relação, precisamos descobrir como essas moléculas de lipıd́ios são transportadas pela corrente sanguıńea. A�inal, eles são lipıd́eos, insolúveis em meio aquoso e o plasma sanguıńeo é um composto aquoso. Como isso acontece? Assista ao vıd́eo (2018) e saiba mais sobre as lipoproteıńas de alta e baixa densidade (LDL e HDL) e o transporte de lipıd́ios pela corrente sanguıńea. Disponıv́el em: https://www.youtube.com/watch?v=9dghtf 7Z7fw (https://www.youtube.com/watch?v=9dghtf 7Z7fw). 4 Ácidos nucleicos (DNA e RNA) Os ácidos nucleicos são moléculas orgânicas muito importantes para a manutenção da vida dos organismos e suas gerações de células futuras. São representados pelo A� cido Desoxirribonucleico (ADN ou DNA) e pelo A� cido Ribonucleico (ARN ou RNA), macromoléculas constituı́das por unidades monoméricas conhecidascomo nucleotı́deos. Como descrito, o DNA compõe, com proteı́nas nucleares, a cromatina. Nas células eucarióticas, ele se encontra armazenado e protegido no núcleo, mas também em organelas, como nas mitocôndrias. Além disso, o material genético das células eucarióticas é organizado em fragmentos lineares, ou seja, em cromossomos. Os cromossomos são as estruturas nucleares que contêm milhares de genes, sendo estes os responsáveis por armazenar as informações para sı́ntese de proteı́nas nas células. Ao contrário, nas células procarióticas, o DNA não tem uma estrutura membranosa de proteção (carioteca) e está localizado em uma região especı́�ica conhecida como nucleoide. Os cromossomos procarióticos, em comparação aos eucarióticos, são menores e normalmente circulares. Unidades monoméricas dos ácidos nucleicos são os nucleotídeos de DNA e RNA Tanto o DNA quanto o RNA são considerados biopolı́meros, cuja constituição monomérica (unidade constitutiva) é feita por nucleotı́deos. Os nucleotı́deos se associam ordenadamente em cadeias polinucleotı́dicas. Esse processo de polimerização será detalhado, na sequência, nos processos de replicação do DNA e transcrição de genes. https://www.youtube.com/watch?v=9dghtf7Z7fw 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 41/48 Os nucleotı́deos são constituı́dos por três estruturas distintas: base nitrogenada, estrutura cı́clica, que contém átomo de nitrogênio; pentose, monossacarı́deo (açúcar simples) de cinco carbonos; e grupo fosfato. A pentose ocupa a região central do nucleotı́deo, estando a ela associada a base nitrogenada e o grupo fosfato. Na imagem, os componentes estão presentes no DNA e RNA e incluem o açúcar (desoxirribose ou ribose), o grupo fosfato e a base nitrogenada. As bases são bases pirimidinas (citosina, timina no DNA e uracila no RNA, um anel) e as bases purinas (adenina e guanina, dois anéis). O grupo fosfato está ligado ao carbono 5'. O carbono 2' liga-se a um grupo hidroxila na ribose, mas nenhuma hidroxila (apenas hidrogênio) na desoxirribose. Bases nitrogenadas No total, são conhecidas quatro categorias de bases nitrogenadas nas moléculas de DNA e que são sempre lembradas por suas letras iniciais A, G, C e T. Assim, “A” é atribuı́do à adenina, “G” à guanina, “C” à citosina e “T” à timina. Além disso, as bases adenina e guanina são classi�icadas como purinas, uma vez que apresentam, estruturalmente, dois anéis de carbono e nitrogênio. Já as bases citosina e timina são pirimidinas, sendo constituı́das por um anel de carbono e nitrogênio. Observe na imagem a seguir as diferentes bases nitrogenadas. Figura 28 - Nucleotı́deos constituem o DNA e o RNA. Fonte: ALBERTS et al., 2017, p. 76. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 42/48 No RNA, há nucleotı́deos como bases adenina, guanina e citosina, porém não timina, mas sim outra pirimidina, uracila, na qual é referida a letra “U”. Pentoses Como citado anteriormente, o monossacarı́deo de cinco carbonos no DNA é a desoxirribose e no RNA é a ribose, ambos com estrutura bastante parecidas. Diferem pelo ligante do carbono dois ser uma hidroxila na ribose e um hidrogênio na desoxirribose. Os carbonos da pentose são numerados como na �igura. Dessa forma, a pentose tem a base associada ao seu carbono 1', e o fosfato ao carbono 5'. Ao serem incorporados à cadeia polinucleotı́dica nascente do DNA ou do RNA, os fosfatos unem o carbono 3 da pentose de um nucleotı́deo com o carbono 5 da pentose de um próximo Figura 29 - Bases purinas e pirimidinas. Fonte: ALBERTS et al., 2017, p. 76. Figura 30 - Pentose dos nucleotı́deos de DNA e RNA. Fonte: ALBERTS et al., 2017, p. 76. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 43/48 nucleotı́deo. Fosfato Nos nucleotı́deos, há um grupo fosfato, variando para grupos de três fosfatos naqueles que serão incorporados à cadeia polinucleotı́dica nascente. Ao serem associados à cadeia do DNA ou do RNA, acaba perdendo os dois grupos fosfato. Nessas ligações, os fosfatos unem o carbono 3 da pentose de um nucleotı́deo com o carbono 5 da pentose do próximo nucleotı́deo. Cadeias polinucleotídicas As cadeias de polinucleotı́deos vão sendo originadas quando nelas são incorporados nucleotı́deos. Dessa forma, a estrutura da cadeia tem extremidades diferentes. Sendo assim, na extremidade 5' há um grupo fosfato, e na extremidade 3', uma hidroxila. Por isso, no DNA, a orientação da direção é dita 5' para 3'. A hidroxila do carbono 3 da pentose de um nucleotı́deo se associa ao grupo fosfato, ligado ao carbono 5 de outro por ligação fosfodiéster. Figura 31 - Fosfatos estão normalmente ligados à hidroxila C5 da ribose ou desoxirribose (especi�icado como 5’). Os mais comuns são mono-, di- e trifosfatos. Fonte: ALBERTS et al., 2017. p. 76. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 44/48 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 45/48 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 46/48 Estrutura da dupla hélice do DNA As cadeias de DNA são dispostas em uma estrutura de dupla hélice, com duas �itas complementares associadas, sendo que as pentoses e os fosfatos se localizam na porção externa da hélice, formando um esqueleto de açúcar-fosfato. Já as bases nitrogenadas são projetadas para o interior da molécula e, dessa forma, lembram degraus de uma escada em caracol. Pareadas, as bases nitrogenadas são mantidas unidas entre si por interações intermoleculares do tipo ponte de hidrogênio (ligações hidrogênio). Figura 32 - Exemplo de como se forma a ligação fosfodiéster. Fonte: ALBERTS et al., 2017, p. 7. Figura 33 - Quatro unidades de nucleotı́deos do DNA. Cada uma é composta de açúcar-fosfato ligado à base (A). Os nucleotı́deos são ligados em cadeias polinucleotı́dicas com uma cadeia principal de açúcar-fosfato de onde as bases se projetam (B). DNA tem duas cadeias unidas por ligações de hidrogênio entre a bases (C). DNA organizado em dupla-hélice (D). Fonte: ALBERTS et al., 2017, p. 173. 14/11/2022 13:44 Processos Biológicos Básicos https://student.ulife.com.br/ContentPlayer/Index?lc=rTro2%2benLj4f9%2bKZy%2fMuRg%3d%3d&l=Oyhje4TRdGxYuLhHGvLcMg%3d%3d&cd… 47/48 Essa con�iguração da molécula de DNA permite que as informações genéticas permaneçam armazenadas em sequências lineares para serem codi�icadas em proteı́nas. Síntese Concluı́mos o primeiro capı́tulo sobre evolução das células e composição quı́mica dos organismos. Agora, você já conhece as células e as macromoléculas fundamentais para a vida. Sendo assim, neste capı́tulo você teve a oportunidade de: Nesta unidade, você teve a oportunidade de: descrever como a vida surgiu na Terra; conceituar átomos e moléculas essenciais para a vida; relacionar a forma das proteínas com sua composição de aminoácidos; descrever carboidratos e lipídios com funções biológicas relevantes; descrever as propriedades estruturais e informacionais dos ácidos nucleicos; relacionar as moléculas a condições fisiológicas e patológicas que ocorrem em nosso organismo. • • • • • • Bibliografia AGE�NCIA FAPESP. Enzima sintética abre novas perspectivas na pesquisa de saúde. Agência FAPESP, 24 jul. 2018. Disponı́vel em: (http://agencia.fapesp.br/enzima-sintetica-abre-novas-perspectivas-na-pesquisa-em-saude/28293/)http://agencia.fapesp.br/enzima-sintetica-abre-novas-perspectivas-na-pesquisa-em- saude/28293/ (http://agencia.fapesp.br/enzima-sintetica-abre-novas-perspectivas-na-pesquisa-em- saude/28293/). Acesso em: 8 ago. 2019. ALBERTS, B. et al. Fundamentos da Biologia Celular. 4 ed. Porto Alegre: ArtMed, 2017. ALBERTS, B. et al. Biologia Molecular da Célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010. BERNAUD, F. S. R.; RODRIGUES, T. C. Fibra alimentar – Ingestão adequada e efeitos sobre a saúde do metabolismo. Arq. Bras. Endocrinol. Metab. v. 57, n. 6, p. 397-405, 2013. Disponı́vel em: (http://www.scielo.br/pdf/abem/v57n6/01.pdf)http://www.scielo.br/pdf/abem/v57n6/01.pdf (http://www.scielo.br/pdf/abem/v57n6/01.pdf). 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