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Apostila para estudo em Bioquímica Cleidiane Silva Petrolina-PE 2016 A ORIGEM DA VIDA E A TEORIA GRADUAL DOS SISTEMAS QUÍMICOS A preocupação do ser humano em desvendar a origem da vida data de antes de Cristo, tendo sido elaboradas várias hipóteses no decorrer de vários séculos. Por volta de 1927, os cientistas Oparin e Haldane elaboraram a hipótese mais aceita atualmente, que se baseia nas transformações e alterações da Terra primitiva. Segundo eles, a atmosfera primitiva era formada pelos gases: NH3(amônia); CH4 (metano); H2 (hidrogênio) e vapor de água. Por causa das altas temperaturas, durante um longo período ocorreu evaporação de água da superfície da Terra. Esses gases foram se acumulando na atmosfera e sofreram resfriamento, condensando-se e caindo em forma de chuvas. O resfriamento da superfície terrestre permitiu que a água se acumulasse nas depressões deixadas pelas erupções vulcânicas. A água carregava partículas presentes no solo e partículas oriundas da atmosfera para as depressões, originando os mares e oceanos. Com o passar do tempo, as águas dos oceanos foram se transformando em verdadeiros caldos de substâncias, que seriam os precursores da matéria orgânica. As partículas foram-se aglomerando, dando origem a estruturas maiores – os coacervados (coacervar=reunir). Esses coacervados ainda não são seres vivos, mas aglomerados de substâncias orgânicas. Oparin e Haldane admitem que os coacervados continuaram a reagir entre si, dando origem a compostos mais complexos com capacidade de se reproduzir. Teria surgido a primeira forma de vida. EXPERIÊNCIA DE STANLEY L. MILLER Utilizando um aparelho formado por um sistema de vidros, Miller misturou os elementos químicos NH3, CH4, H2 e H2O, simulando a atmosfera primitiva. Com a ação de descargas elétricas, simulou os raios que provavelmente atingiram a Terra primitiva. No fim da experiência, verificou que a mistura continha moléculas orgânicas, entre elas aminoácidos, substâncias que formam as proteínas. Essa experiência reforçou assim a hipótese gradual dos sistemas químicos de Oparin e Haldane. A HIPÓTESE HETEROTRÓFICA Para um ser vivo realizar suas funções e se reproduzir precisa de energia. Essa energia é obtida por meio dos alimentos. Os primeiros seres vivos eram estruturas simples, viviam em ambientes aquáticos, cercados por matéria orgânica (mares e oceanos primitivos) e incorporavam essa matéria orgânica para produção de energia. Seriam, portanto, seres heterotróficos (incapazes de produzir seus próprios alimentos). Nas condições atuais da Terra, a transformação dos alimentos em energia ocorre graças às reações com o oxigênio. Supondo que o oxigênio não fazia parte da atmosfera e de mares primitivos, os primeiros seres vivos conseguiam energia por meio de um processo anaeróbico – fermentação. Esses organismos anaeróbicos ou fermentadores reproduziam-se continuadamente, provocando escassez de matéria orgânica. Algumas mutações podem ter acontecido, permitindo a alguns seres utilizar a energia solar como fonte de energia. Surgiram assim os primeiros seres autótrofos ou fotossintetizantes (capazes de produzir seus próprios alimentos por meio da matéria inorgânica: gás carbônico, luz e água). No processo da fotossíntese ocorreu a liberação de gás oxigênio (O2) para a atmosfera, e com a presença desse gás surgiu a respiração aeróbica. A conclusão da hipótese heterotrófica é de que ocorreu primeiramente a fermentação, em seguida a fotossíntese e posteriormente a respiração. TEORIAS DA ABIOGÊNESE E DA BIOGÊNESE No decorrer dos séculos, inúmeras hipóteses têm sido elaboradas, na tentativa de entender se os seres vivos podem surgir da matéria inanimada ou se dependem necessariamente de outro ser vivo. Por volta do ano 380 a.C., acreditava-se que a vida era gerada a partir da matéria bruta, como por exemplo: do lodo, do lixo, de roupas sujas e amontoadas, do sol e sob a interferência de forças vitais. A partir dessa linha de pensamento, surgiu a teoria da abiogênese ou da geração espontânea, segundo a qual seres vivos podem nascer da matéria inanimada. Jan Baptist van Helmont (l577 – l644) médico fisiologista, formulava várias receitas sobre a Teoria da Abiogênese; uma delas explicava a origem dos camundongos. “Em um vasilhame qualquer, fechado, misturam-se roupas usadas com suor e trigo; passadas aproximadamente três semanas, o trigo transforma-se em ratos.” Hoje, sabe-se que os ratos eram atraídos pela mistura. Por volta de 1650, por meio de experimentos, começaram a surgir algumas teorias que combatiam a abiogênese ou geração espontânea. As que mais se destacaram foram: a) Francesco Redi (1626 – 1697) Observando carne contaminada por vermes, Redi elaborou a hipótese de que eles teriam se originado a partir de ovos postos por moscas. Para provar tal raciocínio, colocou carne em oito vidros, mantendo quatro deles abertos e os outros fechados, previamente esterilizados. Após alguns dias, surgiram vermes apenas nos vidros abertos, provando assim que esses não surgiam espontaneamente da carne em estado de decomposição, e sim dos ovos postos pelas moscas. b) Por volta de 1750, renasce com Needhan a teoria da abiogênese Colocando em vários frascos uma sopa nutritiva (legumes, carnes etc.) e tampando os frascos para impedir a entrada do ar, ele submeteu os frascos a uma temperatura elevada e os resfriou novamente, na tentativa de matar os micróbios que neles já possivelmente existissem. Passados alguns dias, Needhan pôde ver que os frascos estavam cheios de micróbios novamente. Concluiu então que os micróbios tinham sido gerados espontaneamente. c) Por volta de 1770, Lazzaro Spallanzani refaz os experimentos de Needhan Ferveu novamente os frascos contendo a sopa nutritiva, por um tempo mais longo, tampando-os, e o caldo não mais apresentou o processo de contaminação. Needhan combateu Spallanzani, afirmando que, com o superaquecimento, o princípio ativo da vida havia sido eliminado. Spallanzani não conseguiu convencer, prevalecendo a teoria da geração espontânea. d) Louis Pasteur (1822 – 1895) anula a teoria da abiogênese e definitivamente comprova a teoria da biogênese Pasteur realizou uma série de experiências conclusivas com seus famosos frascos de pescoço longo em forma de cisne. Submeteu os frascos com sopas nutritivas a fervura por tempo prolongado. O pescoço fino e comprido dos vasos funcionava como filtro para as partículas e microrganismos que se encontravam em suspensão no ar, impedindo o contato com o caldo. Pasteur constatou que, após alguns meses, as soluções nutritivas continuavam isentas de qualquer tipo de contaminação. Para provar seu experimento, quebrou o pescoço de um dos frascos: o caldo em contato com o ar foi rapidamente contaminado. Colaborou, assim, com a queda da abiogênese, que foi substituída pela teoria da biogênese, a qual baseia- se na ideia de que toda vida provém de outra preexistente. A CÉLULA TEORIA CELULAR Em 1838, depois de longas e demoradas pesquisas, o botânico alemão Matthias Schleiden observou a presença de células em vegetais. Em 1939, o zoólogo alemão Theodor Schwann concluiu que os animais eram formados por células, estabelecendo-se assim a teoria celular de Schwann e Schleiden, segundo a qual “todos os seres vivos são formados por células”. Em 1858, o médico alemão Rudof Virchow concluiu que “toda célula tem sua origem em outra preexistente”. No decorrer do século XIX, novas descobertasforam acontecendo, tais como estruturas com funções determinadas, denominadas organóides, encontrados no interior das células. Com a capacidade de realizar inúmeras funções e de reproduzir- se, a hipótese de que a célula é a menor parte viva de um ser vivo ganhou muita força, e passou a ser definida como a unidade morfológica e fisiológica de todos os seres vivos, passando também a ser responsável pela transmissão das características hereditárias. Com todos os conhecimentos adquiridos sobre a célula, foi possível formular a nova teoria celular: a) Todos os seres vivos são formados por células. b) As reações que ocorrem em um organismo, e que são responsáveis pela vida do mesmo, dependem do funcionamento das células. Portanto a célula é a unidade fisiológica de todos os seres vivos. c) Toda célula tem sua origem a partir de outra célula preexistente, que se divide fornecendo às células filhas seu material genético. ESTUDO COMPARATIVO ENTRE CÉLULAS ANIMAIS E VEGETAIS CÉLULA ANIMAL Vimos anteriormente que, ao observarmos uma célula animal ao microscópio eletrônico, percebemos a presença de uma fina membrana envolvendo todos os componentes da célula e separando o meio interno do externo; é a membrana plasmática ou membrana celular que, por ser semipermeável, permite trocas de materiais entre a célula e o meio que a cerca. Preenchendo a célula, vamos encontrar um material de consistência viscosa denominado citoplasma ou hialoplasma, onde ocorrem as funções vitais da célula, tais como: digestão, respiração, transportes etc., pois é no citoplasma que se encontram mergulhados os organoides e um vasto sistema de membranas. Os principais organóides são: ribossomos, retículo endoplasmático, complexo de Golgi, mitocôndrias, lisossomos, centríolos. Localizado geralmente na parte central das células eucariontes, vamos encontrar o núcleo, separado do citoplasma pela carioteca ou membrana nuclear. O núcleo é preenchido por uma substância denominada suco celular ou cariolinfa, semelhante ao citoplasma; mergulhado no suco celular encontra-se a cromatina (material genético) e os nucléolos, que estão relacionados com a produção de ribossomos. CÉLULA VEGETAL Com exceção dos centríolos, a célula vegetal possui todos os componentes da célula animal, e ainda apresenta um envoltório externo à membrana celular, denominado membrana celulósica ou parede celular. O citoplasma da célula vegetal apresenta grandes vacúolos: cavidades limitadas por membranas, contendo no seu interior o suco vacuolar com reservas de água e outras substâncias. São também encontrados nas células vegetais os organoides denominados plastos, cuja função é armazenar substâncias, tais como o amido, ou pigmentos, como os cloroplastos, que armazenam o pigmento verde denominado clorofila responsável pela fotossíntese. COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA CÉLULA Como vimos no Capítulo 1, as substâncias inorgânicas como a água e os sais minerais são constituídos por moléculas simples e pequenas e podem ser encontradas livres na natureza ou fazendo parte de um organismo. Já as substâncias orgânicas, tais como: carboidratos, lipídios, proteínas são constituídos por grandes e complexas moléculas que obrigatoriamente possuem em sua composição o elemento químico carbono (C) e são sempre encontradas nos seres vivos. COMPONENTES INORGÂNICOS A ) ÁGUA Recobrindo 3/4 da superfície terrestre, a água é a substância química mais abundante em nosso planeta. Suas principais funções em um organismo são: ❑ Solvente universal: dispersante de substâncias orgânicas e inorgânicas. Todas as reações químicas da natureza biológica ocorrem em estado de solução. ❑ Transporte de substâncias: tanto de dentro para fora como de fora para dentro das células, moléculas se difundem na H2O e por ela são transportadas. ❑ Equilíbrio térmico: o excesso de calor é dissipado pelo suor, ajudando na manutenção da temperatura interna de um ser homeotérmico. ❑ Lubrificante: ajuda a diminuir o atrito entre os ossos (nas articulações). B) SA I S MINERAIS ❑ Solúvel: dissolvido na água em forma de íons, como o potássio (K+), o sódio (Na+) e o cloro (Cl-), participam do controle osmótico (entrada e saída de H2O nas células) e também contribuem para a passagem dos impulsos nervosos nos neurônios. ❑ Insolúvel: encontra-se imobilizado, como os fosfatos de cálcio que fazem parte da estrutura esquelética dos vertebrados, da casca de ovo, do exoesqueleto ou carapaças de insetos, siris, caranguejos etc., conferindo maior rigidez aos órgãos em que se encontram. Papel biológico de alguns sais minerais: COMPONENTES ORGÂNICOS A) GL I C Í D I O S OU CARBOIDRATOS Também conhecidos como açúcares, os glicídios são os grandes fornecedores imediatos de energia para os seres vivos. São fabricados pelas plantas no processo da fotossíntese e apresentam em suas moléculas átomos de carbono (C), hidrogênio (H) e oxigênio (O). Além de fornecedores de energia, possuem também função estrutural, como a celulose, encontrada revestindo as células vegetais; e constituindo os ácidos nucléicos (material genético). Os glicídios são classificados em três grupos: Monossacarídios: são os açúcares mais simples, formados por pequenas moléculas que não se dividem na presença de água, portanto não sofrem hidrólise. Os exemplos mais comuns encontrados nos organismos vivos são: glicose (produzido pelos vegetais na fotossíntese), frutose (encontrado nas frutas doces), galactose (encontrado no leite) e ribose e desoxirribose (componentes dos ácidos nucléicos). ❑ Dissacarídeos: são glicídios constituídos pela união de dois monossacarídios. Na ligação de dois ou mais monossacarídios, estamos ingerindo dissacarídios ou polissacarídios, nosso sistema digestório os transforma em monossacarídios para que estes possam fornecer energia para a célula. Todos os dissacarídios têm função energética e os principais são: – Sacarose: glicose+frutose, suas principais fontes são: a cana de açúcar e beterraba. – Lactose: glicose+galactose, sua principal fonte é o leite. – Maltose: glicose+glicose, suas principais fontes são: raízes, caule, folhas dos vegetais. ❑ Polissacarídios: os polissacarídios são moléculas grandes, constituídas por ligação de muitos monossacarídios. Os polissacarídios não são solúveis em água, alguns são reservas de energia, como o amido, outros fazem parte da estrutura esquelética da célula vegetal, como a celulose. Os principais polissacarídios são: – Amido: formado por inúmeras moléculas de glicose, encontrado nos vegetais, funciona como reserva de energia. – Celulose: formado por inúmeras glicoses, encontrado revestindo externamente as células vegetais, funciona como reforço esquelético. – Glicogênio: formado por inúmeras glicoses, encontrado nos animais, funciona como reserva de energia. B) LI P Í D I O S Substâncias orgânicas de origem animal ou vegetal, mais conhecidos como óleo, gordura e cera. Alguns tipos de lipídios funcionam como reservatório de energia, outros entram na composição das membranas celulares ou ainda formam hormônios. Possuem como característica comum o fato de serem insolúveis em água e solúveis em solventes orgânicos como o éter, o álcool e a benzina. São classificados em: – Glicerídeos: os lipídios simples. Compreendem os óleos, as gorduras, e as ceras, podem ter origem animal ou vegetal. Principais funções dos glicerídeos: As gorduras são reservatórios de energia e também isolante térmico, principalmente para os animais de regiões frias. Os óleos presentes nas sementes de girassol, da soja, do amendoim servem de alimento para o embrião das sementes germinar. As ceras impermeabilizamas folhas de muitas plantas e é fabricada pelas abelhas, que constroem os favos de mel. – Fosfolipídeos: presentes na composição química das membranas celulares dos animais e vegetais. – Esteróides: o mais conhecido é o colesterol. Produzido pelos animais, faz parte da composição química de suas membranas celulares e é precursor de alguns hormônios, como a testosterona (hormônio masculino) e a progesterona (hormônio feminino). PROTEÍNAS São os componentes orgânicos presentes em maior percentual no organismo dos seres vivos. Fundamentais para a vida na Terra, são encontradas em todos os seres vivos, inclusive nos vírus que não possuem uma estrutura celular. As proteínas são resultantes de uma seqüência de ligações entre moléculas menores denominadas aminoácidos. Principais funções das proteínas: – Elemento construtor: faz parte, juntamente com os lipídios, da composição das membranas celulares. Exemplo: o colágeno, proteína que confere resistência às células da pele, dos tendões, das cartilagens etc. A miosina e a actina, que conferem elasticidade aos músculos; a queratina, que confere impermeabilidade aos cabelos e à pele, contribuindo para adaptação dos animais à vida terrestre. – Função enzimática: dentro das células ocorrem muitas reações químicas. Para que elas aconteçam é necessário energia. Em alguns casos, não há energia suficiente para a ocorrência da reação química e se faz necessária a presença de um catalisador (substância que desencadeia ou acelera reações químicas). Os catalisadores das células são um tipo de proteína especial chamada enzima. As atividades enzimáticas dependem da temperatura e do pH. Analisando o gráfico, verifica- se que a 0C de temperatura as enzimas se encontram inativas. À medida que aumenta a temperatura, a atividade enzimática também aumenta, chegando ao ponto ótimo de 40C. Acima disso, a atividade enzimática vai diminuindo, até que por volta de 60C ocorre desnaturação das enzimas (o calor acarreta mudanças espaciais na proteína, o que acarreta a perda de sua função). Quanto ao pH (nível de acidez do meio), cada enzima atua em um específico. Exemplo: a pepsina – enzima do suco estomacal – é ativa somente em pH ácido, ou seja, por volta de 2; a ptialina – enzima da saliva – é atuante somente em um pH neutro, ou seja, por volta de 7. Atuação enzimática ou modelo chave-fechadura. Cada tipo de enzima consegue catalisar um único tipo de substrato (substância reagente). O encaixe da enzima no substrato assemelha-se ao sistema chave-fechadura. Esse modelo explica a especificidade das enzimas. Após a reação ocorrer, as enzimas deixam o substrato intactas, podendo atuar em outros substratos. – Função de defesa. Antígenos são substâncias estranhas ao nosso organismo. A presença de um antígeno no organismo induz o sistema imunológico a produzir uma proteína de defesa, denominada anticorpo. – Função hormonal. Alguns hormônios são de origem protéica; exemplo: a insulina, hormônio produzido pelo pâncreas, cuja função é de controlar a manutenção da taxa de glicose no sangue. – Função energética. As proteínas são fontes de aminoácidos, que uma vez oxidados pelo organismo, liberam energia, principalmente no processo da respiração. VITAMINAS Substâncias orgânicas sintetizadas pelos vegetais e por alguns seres unicelulares, funcionam como ativadores das enzimas. As vitaminas diferem entre si na composição química, formando um grupo heterogêneo. Para classificar esse grupo foi usado o grau de solubilidade em lipídios (lipossolúveis), que são: A, D, E e K, e as solúveis em água (hidrossolúveis), que são: C e o complexo B (B1, B2, B3, B6 e B12).
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