Bioquímica Estrutural 01 Lógica Molecular

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A LÓGICA MOLECULAR DA VIDA
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No princípio não havia TEMPO nem ESPAÇO, só matéria e energia, e o Universo era pequeno, menor que um próton, e escuro, além de extremamente quente. 
Por razões que ainda são motivo de investigação da ciência, este Universo experimentou uma expansão a uma taxa maior que a velocidade da luz, e, à medida que foi expandindo, foi esfriando. 
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Big Bang
Do ponto de vista do universo atual, não há ponto no espaço sobre o qual se possa dizer, "o Big Bang aconteceu aqui“. O Big Bang aconteceu em todo o espaço.
Além disso, não há tempo "antes do Big Bang", pois o tempo principiou com esse evento. 
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Curiosidades sobre o tempo
1 milésimo de segundo = 10-3 s 
1 milionésimo de segundo = 10-6 s
1 bilionésimo de segundo = 10-9 s
O Big Bang relata eventos que ocorreram na ordem de 10-43 segundos!
Big Bang
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Entre Zero (Big Bang) e 10-43 s.
Neste diminuto porém importante período pouca coisa conhecemos, pois as leis da física, como as conhecemos, não valiam.
Neste instante 10-43 s, a temperatura do universo é cerca de 1023 K e o universo se expande rapidamente.
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Entre 10-43 s e 10-35 s. 
Durante este período, as forças forte, fraca e eletromagnética atuam como uma única força descrita pela Teoria da Grande Unificação.
A gravitação atua separadamente, como nos dias de hoje.
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Entre 10-35 s e 10-10 s.
A força forte se "congela" deixando a força eletrofraca continuar a atuar, como força unificada.
Entre 10-10 s e 10-5 s.
Todas as quatro forças aparecem separadamente, como nos dias de hoje. O universo é constituído por uma "sopa" quente de quarks, léptons e fótons.
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Entre 10-35 s e 10-10 s.
A força forte se "congela" deixando a força eletrofraca continuar a atuar, como força unificada.
Entre 10-10 s e 10-5 s.
Todas as quatro forças aparecem separadamente, como nos dias de hoje. O universo é constituído por uma "sopa" quente de quarks, léptons e fótons.
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Primeiro esfriou a ponto da matéria, que era constituída apenas de quarks e elétrons, pudesse se condensar em nêutrons e prótons, além de anti-nêutrons e antiprótons, e pósitrons, ou seja, matéria e anti-matéria. 
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Entre 10-5 s e 3 min. 
Os quarks se unem para formar mésons e bárions. A matéria e a antimatéria se aniquilam, desaparecendo a antimatéria e deixando um ligeiro excesso de matéria com a qual se forma o nosso presente universo.
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Entre 3 min e 105 anos. 
Os prótons e nêutrons se juntam para formar os nuclídeos leves, como o 4He, o 3He, o 2H e o 7Li, com as abundâncias que encontramos hoje. 
O universo é constituído por um plasma de núcleos e elétrons.
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Enquanto isto, o Universo continuava expandindo e esfriando, até que começou a fase da nucleossíntese, onde prótons e elétrons se uniram para formar os primeiros átomos de hidrogênio.
 Além de hidrogênio, também se formou hélio.
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Em um momento após isto, o Universo ficou transparente, depois de ter expandido e esfriado por milhões de anos.
Assim, já que transparente, a luz poderia atravessá-lo. 
E continuou expandindo e esfriando.
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Entre 105 anos e hoje. 
Formação de átomos de hidrogênio.
A luz que foi emitida durante a formação desses átomos é a radiação de fundo em microondas que foi detectada por Penzias e Wilson em 1965.
A radiação libertada pelos átomos durante esses tempos antigos nos dá uma imagem de como era o universo quando tinha cerca de 105 anos de idade.
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Imagem, em tonalidades codificadas, do universo quando tinha somente 300.000 anos de idade, ou seja, há 15 x l09 anos. Manchas de luz dos átomos estendem-se pelo " céu" mas ainda não se formaram galáxias, estrelas e planetas.
		
A imagem obtida através da Radiação de Fundo em Microondas
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O hidrogênio formou as primeiras estrelas, que no seu núcleo faziam nucleossíntese, transformando hidrogênio em hélio (He), 
lítio (Li),
berilo (Be), oxigênio (O), carbono (C), cálcio (Ca), e ferro(Fe). 
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As estrelas formadas eram muito grandes e explodiam em pouco tempo, espalhando estes átomos pelo espaço ao seu redor. 
Também se formaram as primeiras galáxias. 
Das nuvens de gás e poeira resultante da explosão das primeiras estrelas se formaram outras estrelas, que também faziam nucleossíntese em seus núcleos, e, depois de consumirem o combustível que as alimentava, explodiam (super novas), espalhando os elementos no cosmos. 
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Até que uma destas nuvens, em uma galáxia gigante, em um lugar sem expressão nem importância do cosmos (todos os lugares do cosmos são sem expressão e sem importância, não há centro do Universo, nem bordas), uma estrela se formou, e em torno dela, vários planetas, planetas anões. 
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TERRA
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Há cerca de 3,9 bilhões de anos, uma mudança na órbita dos planetas mais distantes do sol enviou uma tempestade de grandes cometas e asteróides descontrolados no interior do sistema solar. 
Seus violentos impactos geraram grandes crateras ainda visíveis na superfície da lua, aqueceram a superfície da Terra, transformando-a em rocha derretida e vaporizaram os oceanos em uma névoa incandescente.
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Contudo, as rochas que se formaram na Terra há 3,9 bilhões de anos, praticamente logo após o fim do bombardeio, contêm possíveis evidências de processos biológicos. 
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Se a vida pode surgir a partir de matéria inorgânica tão rápida e facilmente, por que ela não é abundante no sistema solar e além?
Se a biologia é uma propriedade inerente à matéria, por que os químicos até agora foram incapazes de reconstruir a vida, ou qualquer coisa próxima disso, no laboratório?
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A origem da vida na Terra é repleta de enigmas e paradoxos. 
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Quem veio primeiro? 
As proteínas de células vivas ou a informação genética que as compõe? 
Como o metabolismo de seres vivos pôde começar sem um envoltório membranoso para manter todas as substâncias químicas necessárias juntas? 
Mas se a vida começou dentro da membrana de uma célula, como os nutrientes necessários entraram nela?
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Uma das hipóteses é sobre estruturas similares a células que poderiam ter se formado naturalmente a partir de substâncias químicas gordurosas que provavelmente existiam na Terra primitiva. 
A partir disto surgiu um longo debate:
Quem teria surgido primeiro no desenvolvimento da vida: o sistema genético ou a membrana celular?
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Ácidos graxos simples, que provavelmente existiram na Terra primitiva, formaram espontaneamente esferas de camada dupla, muito parecidas com as membranas de duas camadas das células vivas de hoje.
 Essas protocélulas incorporam novos ácidos graxos à água, e depois se dividiram.
Células vivas são geralmente impermeáveis e possuem mecanismos elaborados para permitir apenas a passagem dos nutrientes de que necessitam. 
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Se elas se combinam a moléculas maiores, no entanto, elas não conseguem sair, formando exatamente o arranjo de que uma célula primitiva precisaria. 
Se uma protocélula é feita para encapsular um pequeno pedaço de DNA e então é alimentada com nucleotídeos, os elementos fundamentais do DNA, os nucleotídeos irão espontaneamente entrar na célula e se ligar a outra molécula de DNA.
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Origem da Vida
o experimento de Urey-Miller (1953) para testar a hipótese de Oparin (1930): 
as condições primitivas da Terra possibilitavam a transformação dos compostos inorgânicos e orgânicos
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Todos as coisas vivas e não-vivas são constituídas da mesma essência. 
Os seres vivos são constituídos
de moléculas desprovidas de vida. 
Essas moléculas, quando isoladas e examinadas individualmente comportam-se de maneira idêntica a matéria inanimada. 
Apesar disso, os organismos vivos apresentam atributos peculiares, os quais não são encontrados nos aglomerados de matéria inanimada.
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Alguns atributos são inerentes aos seres vivos: 
são complexos e altamente organizados em relação à matéria inanimada; 
cada parte componente de um organismo vivo tem função específica; 
tem capacidade de extrair e transformar a energia de seu meio ambiente , a qual eles usam para construir e manter suas intricadas estruturas, a partir de materiais primários simples: 
absorver, transformar e armazenar energia!
As células têm capacidade de efetuar auto-replicação.
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TERRA: PLANETA ÁGUA!
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SISTEMA SOLAR
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 Diferentes estados da água
VAPOR
LÍQUIDO
GELO
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ESTRUTURA ORGANIZADA
DAS MOLÉCULAS DE ÁGUA
NO ESTADO DE GELO
 (Cada Molécula de água forma 4 pontes de hidrogênio com outra molécula de água)
Na água (líquida) ocorrem
3,4 ligações por molécula
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A Lógica Molecular dos seres vivos:
 Células
 Biomoléculas
 Água 
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Que elementos quimicos são encontrados nas células?
Que tipos de moléculas estão presentes na matéria viva?
Em que proporções estão presentes?
Porque estas moleculas estão adaptadas às suas funções?
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Ambiente aquoso terrestre conduziu os
Seres vivos a utilizarem propriedades
da água
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 1 - Interações fracas em sistemas aquosos
 Estrutura da água/pontes de hidrogênio
 Pontes hidrogenio com solutos polares
 Ação eletrostaticamente com solutos carregados
 Composção com gases
 Compostos não polares (lípidios produzem mudanças desfavoráveis
 na estrutura da água.
 Interações fracas são importantes para função e estrutura
 das macromoléculas
 2 - Dissociação da água, ácidos e bases fracas
 pH, curvas de titulação, tamponamento
 3 - Significados biológicos de propriedades da água
Água: H2O
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ESQUEMA DA FORMAÇÃO
 DE UMA
 PONTE DE HIDROGÊNIO
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PONTES DE HIDROGÊNIO ENTRE DIFERENTES ELEMENTOS
DEFINIÇÃO DE PONTE DE HIDROGÊNIO: interação que ocorre
com o Hidrogenio quando ligado a elementos químicos eletronegativos (*)
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EXEMPLOS BIOLÓGICOS DE PONTES DE HIDROGÊNIO
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 ORIENTAÇÃO DOS ELEMENTOS ELETRONEGATIVOS*
 FORMA PONTES FORTES OU PONTES FRACAS
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EXEMPLOS DE 
MOLÉCULAS:
 POLARES
NÃO POLARES
 apolares
ANFI
PATICAS
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DISSOLUÇÃO DE SAIS CRISTALINOS PELA HIDRATAÇÃO
DOS IONS CONSTITUÍNTES
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 INFLUÊNCIA DA
PRESSÃO OSMÓTICA EXTRACELULAR
 NO MOVIMENTO DA ÁGUA 
 ATRAVÉS DAS MEMBRANAS
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 EXEMPLOS DA OSMOLARIDADE EM FUNÇÕES BIOLÓGICAS
Dionea muscipula
 carnivora
 Mimosa pudica
 dormideira (sensitiva)
Toque a pelos sensitivos desencadeiam mudanças no turgor
pela saída de íons K+
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Interações fracas
 são importantes
 Fatores para a
Função e Estrutura
de macromoléculas
1. Pontes Hidrogênio
2. Interações iônicas
3. Interações hidrofóbicas
4. Van de Waals
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Dissociação da água e 
 Escala de pH
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Radicais de aminoácidos (Histidina) na estrutura proteica 
Podem exercer controle de pH (tamponamento)
Exemplo: dissociação do H+ em pH próximo do
pH fisiológico (6.0)
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Efeito do pH
na atividade
de diferentes
enzimas
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PARTICIPAÇÃO
 DA
 ÁGUA (H2O)
EM REAÇÕES
 BIOLÓGICAS
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Significados Biológicos e propriedades da água usados pelos seres vivos
Considerar:
Ponto de fusão e ebulição elevados: são consequência da formação de pontes de 
Hidrogênio, necessitando portanto maior energia para rompê-las.
Calor específico da água (caloria): é a quantidade de calor necessária para aumentar a 
temperatura de 1 g de água de 15, para 16oC.
Calor de vaporização: Se I kg de água absorver 1Kcal de calor, sua temperatura aumenta
1oC. Porém, a vaporização de apenas 2g de água, diminuem a temperatura das 998g de 
Água restantes, em 1 oC. Esse efeito de resfriamento minimiza a perda de água por grandes
variações de temperatura (funciona como termostado): ex: SUOR
Calor de fusão: O calor despreendido pela água no congelamento minimiza mudanças de
temperatura no inverno. O calor absorvido quando o gelo derrete, diminui as mudanças
de temperatura na primavera.
Tensão superficial: capilaridade
Densidade: O congelamento da água ocorre com aumento de volume e diminuição da
densidade. Logo, quando ocorre formação de gelo, sempre será de cima para baixo.
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 TENSÃO SUPERFICIAL
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A lógica molecular dos seres vivos
Unidade química dos diferentes seres vivos
 Características da matéria viva
 Bioquimica procura explicar a
 vida em termos
 químicos (moleculares)
 Onde ? Quando? Como? Porque?
A produção de energia e seu consumo
 troca matéria energia com meio ambiente
 desequilibrio – entropia
 interconverções – fluxo elétrons
 vias metabólicas
 papel do ATP e coenzimas
Definição de célula de acordo com lógica molecular
 dos seres vivos
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 Diferentes estudos das Biomoléculas
 1- Bioquimica: Lógica molecular seres vivos
 Células; Biomoleculas; Água
 2 - Estruturas e catálise: 
aminoácidos – proteinas – enzimas
carboidratos – polissacarídeos
Lipideos; nucleotideos - 
 3 - Metabolismo: 
Bioenergética/biossinalização
Catabolismo: carboidratos, lipideos, proteinas 
Anabolismo: carboidratos, lipideos
Integração do metabolismo
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Apesar de tudo
Parecer
complicado,
tudo se
Resume
nisso.
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 ALFABETO BIOLÓGICO
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HIERARQUIA MOLECULAR NA ORGANIZAÇÃO DAS CÉLULAS
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Ciclo do nitrogênio na atmosfera
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Os organismos trocam energia e matéria com o meio ambiente: variação de energia livre
Um objeto no alto de um plano inclinado apresenta uma certa quantidade de energia potencial devido à sua altura
Quando o objeto desliza para baixo a sua energia potencial de posição pode ser acoplada para realizar uma certa quantidade de trabalho
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Durante as transduções metabólicas, a entropia aumenta à medida que diminui a energia potencial das moléculas nutrientes complexas 
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Metabolismo: integração entre catabolismo e anabolismo
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Tres tipos de vias metabólicas não-lineares
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Definição da célula de acordo com a lógica molecular seres vivos
Uma célula viva é um sistema isotérmico de macromoléculas que extraem Energia livre do seu meio ambiente. 
A célula conduz muitas reações consecutivas promovidas por catalisadores específicos, chamados de enzimas ( produzidos pela própria célula ).
 A célula mantém-se em estado de equilibrio dinâmico, distante do equilíbrio com seu meio ambiente.
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Definição da célula de acordo com a lógica molecular seres vivos
Há uma grande economia de partes e processos obtida pela regulação em enzimas-chave.
A auto-replicação é conseguida pelo sistema linear de codificar a informação, que é auto reparável. 
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Atividade enzimática
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Definição da célula de acordo com a lógica molecular seres vivos
A informação genética codificada como seqüências de subunidades de nucleotideos de DNA e RNA especifica a seqüência de aminoácidos em cada proteina, o que em última análise, determina a estrutura tridimensional e a função de cada proteina. 
Muitas interações fracas, não-covalentes, agindo cooperativamente, estabilizam as estrututras tridimensionais das biomoléculas e dos complexos supramoleculares.
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O FUNCIONAMENTO DA CÉLULA SE DÁ PELOS PROCESSOS ENVOLVENDO A BIOQUÍMICA!
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Figure 1-3
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Figure 1-11