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1 2 3 SHIRLEY MOREIRA ALVES BIOQUÍMICA GERAL 1° Edição Sobral 4 5 Sumário Palavras do Professor autor Sobre o autor Ambientação à disciplina Trocando ideias com os autores Problematizando Unidade I: INTRODUÇÃO À BIOQUÍMICA Definição A origem da vida Célula: A unidade básica da vida Biomoléculas Átomos Ligações Químicas Propriedade da água Unidade II: ESTRUTURA E FUNÇÃO DAS BIOMOLÉCULAS Carboidratos Lipídeos Aminoácidos e Proteínas Enzimas Unidade III: BIOENERGÉTICA E ATIVIDADE FÍSICA Vias metabólicas Educação Física escolar e os sistemas metabólicos: Algumas reflexões Leitura Obrigatória Pesquisando com a internet Saiba mais Vendo com olhos de ver Revisando Autoavaliação Bibliografia Bibliografia Web 6 Vídeos 7 Palavra do professor autor Nesta disciplina, estudaremos os principais assuntos sobre o conteúdo Bioquímico, através de uma abordagem, que buscou tratar do assunto de maneira objetiva, clara e sistemática. A bioquímica é a ciência que estuda a química da vida, investigando o componente material de um organismo vivo, identificando a substância ou macromolécula que nele intervém e a forma como interage. Trata-se de uma disciplina que dá suporte ao ensino dos conhecimentos básicos que diversos cursos tais como: os da área de saúde necessitam para uma formação mais abrangente. Esta disciplina aborda temas imprescindíveis para a Educação Física, tais como o metabolismo (anabolismo e catabolismo), as biomoléculas (carboidratos, proteínas e lipídeos), assim como a Bioenergéticas e os Sistemas Energéticos. Além disso, você terá a oportunidade de aprofundar seus estudos em questões específicas deste conteúdo, como por exemplo, compreender as enzimas como catalisadores biológicos notáveis, além de entender que existem dois fatores importantes que influenciam diretamente no funcionamento enzimático: o pH e a temperatura. Vale ressaltar, que essa abordagem didática, visa fornecer-lhe as informações necessárias, a partir das quais você possa construir um conhecimento com base sólida, científica e cultural, objetivando que no futuro exercício de sua profissão, você a exerça com ética, competência cognitiva e responsabilidade social. Dessa forma, este estudo o auxiliará no futuro como professor de Educação Física, dando subsídios para que você esteja preparado para compreender quais as interfaces da Bioquímica e a Educação Física no contexto escolar. Bons Estudos! 8 Sobre a autora Mestre em Ciências da Saúde pela Universidade Federal do Ceará - UFC (2016). Especialista em Fisiologia do Exercício e Biomecânica do Movimento pela Faculdade integrada do Ceara - FIC - Estácio de Sá (2006). Graduada em Educação Física - Licenciatura Plena pela Universidade Estadual Vale do Acaraú - UVA (2003). Professora substituta da UVA desde 2014. 9 Ambientação da disciplina Caro estudantes, sejam bem-vindos à disciplina de Bioquímica Geral. A Bioquímica Geral trata-se de uma disciplina que traz uma diversidade de conhecimentos básicos que os mais diversos profissionais da área de saúde, inclusive o professor de Educação Física, necessita para uma formação mais integral. Neste estudo abordaremos a Bioquímica como a parte da Biologia que examina, a partir da química, os processos evolutivos da vida e as transformações moleculares dos constituintes celulares. Ao conjunto dessas transformações, que podem ser chamadas de síntese (anabolismo) ou de degradação (catabolismo), dá- se o nome de metabolismo. Estudaremos a célula, compreendida como a unidade básica da vida, assim como os processos químicos vitais do organismo, que envolvem as biomoléculas: carboidratos, lipídeos e proteínas. Além disso, compreenderemos que os organismos necessitam de um suprimento ininterrupto de energia visando otimização do trabalho mecânico (contração muscular e movimentos a nível celular), o transporte de substâncias (íons e moléculas), e síntese de biomoléculas. De maneira geral, um dos principais focos da Bioquímica é a compreensão dos processos pelos quais os seres vivos obtêm, convertem, armazenam e utilizam energia em suas mais variadas atividades químicas, uma vez que todos os seres vivos são metabolicamente complexos, considerando a multiplicidade de reações químicas, que em conjunto são chamadas de metabolismo. Portanto, convidamos você, caro estudante, para nesta disciplina, imergir na vastidão de informações e conhecimentos que tal conteúdo dispõe. Somente assim você poderá futuramente conduzir com êxito o processo de ensino e aprendizagem. 10 Trocando ideias com os autores Sugerimos a leitura da obra de Conn e Stumpf (1980) Introdução à Bioquímica, esta obra trata principalmente do metabolismo intermediário. Propriedades químicas dos compostos de interesse biológico; energéticos e enzimológicos; metabolismo de carboidratos, lipídeos, aminoácidos e proteínas; consideração da inter-relação entre carbono, nitrogênio e os ciclos de energia. CONN, E.E. & STUMPF, P.K. Introdução à bioquímica. Tradução da 4ª Edição Americana. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 1980. Propomos também a leitura do livro Tópicos Avançados em Bioquímica do exercício. Esta obra aborda assuntos polêmicos como: a sarcopenia, a gliconeogênese, os aspectos moleculares da contração, a regulação dos substratos energéticos e muitos outros. Este livro constituir-se-á em obra de referência, tanto para o cientista interessado na intimidade do funcionamento orgânico, como para o fisiologista preocupado em conhecer os processos capazes de possibilitar uma melhoria do desempenho de seu atleta. CAMERON, L.C.; MACHADO, M.; Tópicos avançados em bioquímica do exercício. Rio de Janeiro: Editora Shape, 2004. GUIA DE ESTUDO: Sarcopenia é a perda de massa e força na musculatura esquelética com o envelhecimento. Após a leitura dessas obras construa um texto, abordando, se a perda de massa de uma pessoa que pratica esporte é a mesma de uma que não pratica e se o esporte pode ser um fator preventivo contra a sarcopenia. Em seguida poste no ambiente virtual. 11 Problematizando Caro estudante, durante sua vida profissional, você compreenderá por meio de diversas situações que a Bioquímica e a Educação Física se apresentam como duas áreas do conhecimento com grande interface. Um grande exemplo, diz respeito à fadiga em exercícios físicos prolongados ou de alta intensidade estar associada com baixos estoques e depleção de glicogênio nos músculos e desidratação.Bem, agora vamos imaginar que durante uma aula de Educação Física na escola para a turma do terceiro ano do Ensino Médio, você escute um aluno reclamar de tontura (vendo estrelinhas) e fraqueza muscular para os outros colegas. No entanto, por conta da correria e dinâmica da aula, você não se atenta a um possível problema e continua a aula com um ritmo ainda mais forte. Logo depois de três minutos realizando a próxima proposta, o aluno se escora no alambrado da quadra e reafirma que está a passar mal. Caro estudante, lembre-se que a baixa ingestão de carboidratos na dieta, impõe ao organismo algumas adaptações no sentido de preservar a manutenção da glicemia para as células do sistema nervoso central. Faça uma anamnese com o aluno, verifique se ele se alimentou adequadamente, pois possivelmente poderá este episódio se caracterizar como hipoglicemia. GUIA DE ESTUDO: Faça uma pesquisa sobre as causas e efeitos da hipoglicemia e logo em seguida produza um texto abordando quais consequências que ela faria em uma pessoa que costuma fazer jejum prolongado. Compartilha suas descobertas e poste no ambiente virtual. 12 13 INTRODUÇÃO À BIOQUÍMICA 1 CONHECIMENTOS Compreender a definição de Bioquímica, as características bioquímicas dos seres vivos, a origem da vida, assim como entender a água como solvente universal e suas principais propriedades. HABILIDADES Reconhecer as características que diferenciam células eucariontes de procariontes. ATITUDES Domínio do conteúdo, postura ética, espírito de equipe, investigação da temática em outras fontes de pesquisa demonstrando empenho, dedicação e comportamento condizente com a sua prática profissional. 14 15 Definição A Bioquímica é definida como a parte da Biologia que estuda, a partir da química, os processos evolutivos da vida e as transformações moleculares dos constituintes celulares. Ao conjunto dessas transformações, que podem ser chamadas de síntese (anabolismo) ou de degradação (catabolismo), dá-se o nome de metabolismo. Muitas incógnitas relacionadas ao metabolismo (funcionamento químico) dos seres vivos têm sido elucidadas desde a descoberta, em 1828 por Friedrich Woehler, da síntese artificial de biomoléculas (composto orgânico) a partir de componentes não vivos, como é o caso da ureia, anulando a teoria da força vital de que os compostos orgânicos só poderiam ser sintetizados a partir de organismos vivos. Além disso, a Bioquímica possui aplicação em áreas do conhecimento relacionadas à saúde (medicina, odontologia, farmacologia, medicina legal e etc.), agricultura, antropologia, ciências ambientais, dentre outras. As características bioquímicas dos seres vivos permitem a identificação de três grupos fundamentais chamados de domínios: Eucaria (seres eucariontes) que compreendem todos os organismos multicelulares (como seres humanos) e que possuem como característica principal a presença de um núcleo celular bem definido; bactérias também chamadas de procariontes são organismos unicelulares e sua principal característica é ausência de um núcleo celular; e Archaea que também são organismos procariontes e unicelulares. O primeiro faz parte do reino animale, e os dois últimos do reino monera. Nesse contexto, é importante destacar que a diversidade biológica existente inclui espécies animais e vegetais com uma infinita variedade em tipos, tamanhos e funções metabólicas. Com a incrível capacidade de produzir o próprio alimento (seres autotróficos) os vegetais se distinguem metabolicamente dos animais, pois estes obtêm energia através da alimentação (seres heterotróficos), enquanto os vegetais utilizam-se da luz solar. 16 Observe uma imagem: uma possível via evolutiva a partir de um ancestral comum há aproximadamente 3,5 bilhões de anos, na base da árvore, até os organismos do mundo moderno, em cima. Figura 1. Árvore da vida. Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAhEPwAJ/bioquimica-stryer-7-edicao?part=4 A Origem da vida O processo evolutivo se iniciou há 4 bilhões de anos, e nessa época na atmosfera terrestre era possível identificar a presença de amônia, metano, hidrogênio, sulfeto de hidrogênio, vapor d’água e gás carbônico, porém, não havia oxigênio, que só surgiu tempos depois. Na superfície terrestre havia o chamado caldo primordial, uma grande quantidade de água e nela contidas muitas moléculas inorgânicas e os gases constituintes da atmosfera em solução. A ação dos raios solares e as descargas elétricas advindas das tempestades sobre essa mistura de aquosa proporcionou a junção das moléculas nela existentes dando origem a compostos orgânicos, ou seja, que continham carbono. Aquosa: É uma solução na qual o solvente é água. Outras moléculas importantes como proteínas e ácidos nucléicos surgiram de forma prebiótica (ao acaso), pois no caldo primordial havia polímeros de aminoácidos e nucleotídeos, precursores respectivos de tais moléculas. Contudo, 17 apenas os ácidos nucléicos possuem a capacidade de autorreplicação (construção de uma cópia idêntica) dando suporte a tese de que a evolução foi iniciada a partir de moléculas de ácido ribonucleico (RNA), que mais tarde originaria o ácido desoxirribonucleico (DNA). Outra molécula importante, que supostamente surgiu de forma espontânea, é chamada de fosfolipídeo, constituinte da bicamada fosfolipídica (membrana plasmática) que, de maneira simplificada, envolve e dá forma às células possuíam constituição simples. Nesse contexto, é possível supor que as primeiras células possuíam constituição estrutural simples e eram procariontes (células que não apresentam núcleo) e heterotróficas, ou seja, não produziam o próprio alimento. Vale ressaltar que o ambiente era desfavorável, pois a ausência de oxigênio tornava a Terra anaeróbia. Tais condições tornavam extremamente difíceis a continuidade da evolução celular, uma vez que a fonte de energia utilizada pelas células eram as moléculas contidas no caldo primordial e estas teriam se esgotado. Contudo, supõe- se que a célula procarionte tenha se adaptado a tais condições e um sistema de produção de energia a partir da luz solar e substâncias relativamente simples, o que se conhece como sistema autotrófico (células capazes de produzir sua própria energia). Essas células, conhecidas como algas azuis ou cianofíceas, são bactérias capazes de realizar fotossíntese a partir de seus pigmentos, como a clorofila. Assim, a realização da fotossíntese por essas bactérias permitiu o acúmulo de oxigênio na atmosfera terrestre, fenômenos de extrema importância para o surgimento de células aeróbias. A sequência evolutiva dá conta de que a próxima célula a surgir nesse contexto foi à célula eucarionte, pois ao passo que a concentração de oxigênio foi se tornando mais abundante na Terra as células eucariontes anaeróbias primitivas englobaram células procariontes aeróbias por endossimbiose (fenômeno que consiste em um ser viver no interior do corpo ou das células de outro organismo), processo pelo qual surgiram as mitocôndrias ( ver figura 3). Além disso, a partir de invaginações da membrana plasmática de células procariontes por atração de proteínascontráteis, originaram-se os vários compartimentos separados por membranas existentes na célula eucarionte como o retículo endoplasmático, as mitocôndrias, o complexo de Golgi e outros. Esses compartimentos, conhecidos 18 como organelas, ao longo da evolução foram se modificando até se tornarem especializadas (ver figura 4). Invaginação: são os processos morfogênicos pelos quais um embrião toma forma, e é a etapa inicial de gastrulação, a enorme reorganização do embrião a partir de uma simples esfera de células. Figura 2. Origem das mitocôndrias por endossimbiose. Células eucariontes anaeróbias primitivas teriam fagocitado bactérias procariontes. Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAg8gcAD/biologia-celular-junqueira-2012-9ed?part=4 Vídeo relacionado: https://vimeo.com/300372243 19 Figura 3. Origem dos compartimentos intracelulares. Invaginações da membrana plasmática por ação de proteínas contráteis nela existentes deram origem aos compartimentos intracelulares. Fonte: Junqueira e Carneiro, 2012. Célula: a unidade básica da vida Os seres vivos são divididos em reinos, conforme sua estrutura e captação de nutrientes: monera, protista, fungi, plantae e animália. Como mostra na figura 4, o reino monera é formado por seres procariontes, ou seja, por bactéria (algas azuis ou cianofíceas); o reino protista diz respeito aos organismos eucariontes primário, ou seja, unicelulares de vida livre ou coloniais (protozoários ou fitoflagelados); o reino fungi, o próprio nome já diz, são todos os fungos; já o reino plantae compreende todas as clorofíceas e os vegetais superiores, e por fim, o reino animália onde estão inclusos todos os animais que tenham passado pela fase embrionária deformação dos folhetos germinativos que originam a tecidos e órgãos, conhecida como gástrula. 20 Figura 4. Esquema dos cinco reinos. O reino monera é o único cujas células são procariontes. Fonte: Junqueira e Carneiro, 2012. Existem apenas dois tipos de célula, uma chamada eucarionte que tem como característica principal a separação do material genético do resto de sua composição interna por uma membrana denominada carioteca (núcleo), e outra que não apresenta tais características por ser mais simples, tendo seu material genético disperso no interior da célula, chamada de procarionte, ilustrada na figura 5. Os seres procariontes compreendem as bactérias (cianofíceas ou algas azuis) e, ao contrário dos seres eucariontes, não possuem núcleo e nem o mesmo sistema de membranas internas que delimitam organelas com diversas funções celulares. Cabe destacar que seu material genético, ou seja, os cromossomos (filamentos duplos de DNA) é circular e encontra-se disperso no meio citoplasmático, formando o que se conhece como nucleoide. Sua forma é definida por uma estrutura rígida 21 externa chamada parede celular que, por sua vez, confere proteção à célula bacteriana, uma vez que tais células enfrentam ambientes desfavoráveis e necessitam de uma proteção maior para sobreviver. Figura 5. Célula procarionte (bactéria Escherichia coli). A célula é envolvida por uma parede rígida presa à membrana plasmática. O citoplasma apresenta numerosos polirribossomos, e dois cromossomos presos na membrana plasmática, compondo uma região chamada de nucleoide. Fonte: Junqueira e Carneiro, 2012. Fonte: http://arquivobioqui.blogspot.com.br/2015/07/celulas-procariontes.html Já os seres eucariontes, células animais (conferir figura 6) e vegetais, incluem aqueles cuja configuração celular possui um núcleo bem definido responsável pela contenção do material genético, e um sistema de membranas intracelulares que formam compartimentos altamente especializados em determinadas funções celulares como o complexo de Golgi, retículo endoplasmático, mitocôndrias, dentre outros. Além disso, as membranas celulares proporcionam o acoplamento em sua superfície de moléculas transportadoras e enzimas, importantes para o funcionamento celular. Outro ponto importante a ser tratado é que as células eucariontes vegetais diferem das células eucariontes animais quimicamente por realizarem fotossíntese, e estruturalmente por possuírem parede celular, cloroplastos e vacúolo central. 22 Figura 6. Célula eucarionte animal (célula do fígado). Nesta representação tridimensional é possível observar o variado sistema de compartimentação celular: núcleo, mitocôndrias, retículo endoplasmático, lisossomo e outros. Fonte: Junqueira e Carneiro, 2012. Fonte: https://issuu.com/guanabarakoogan/docs/junqueira-bcm9-amostras-red/12 Biomoléculas Todo ser vivo é um conjunto células e moléculas biológicas que se originaram de compostos como a água (H2O), gás carbônico (CO2) nitrogênio (H2O), e amônia (NH3). As biomoléculas, por sua vez, são compostos orgânicos sintetizados por seres vivos, e possuem em sua constituição, via de regra, pelo menos átomos de carbono (C) e hidrogênio, como é o caso das proteínas, carboidratos, vitaminas, lipídeos dentre outros. Como mencionado, a Bioquímica ocupa-se dos processos químicos vitais, e estes envolvem macromoléculas (moléculas de grande peso molecular) como proteínas e ácidos nucléicos, e os metabólitos (moléculas de baixo peso molecular) como a glicose e o glicerol. Tais classes moleculares são comuns em todos os seres vivos, com pequenas variações. Em sua maioria as biomoléculas são formadas por monômeros (pequenas moléculas) que podem interligar-se dando origem aos polímeros (moléculas maiores que os monômeros). Dentre os principais monômeros constituintes dos organismos 23 vivos estão os aminoácidos, nucleotídeos e os monossacarídeos. A polimerização dos aminoácidos dá origem às proteínas, biomoléculas que participam da maioria dos processos metabólicos e possuem a mesma estrutura em todos os organismos, além de desempenhar funções similares. Dentre as funções mais comuns das proteínas estão o controle da entrada e saída de substâncias na célula, o movimento das organelas celulares, a participação na contração muscular e etc. Átomos Presente em todas as biomoléculas, o átomo é entendido como a unidade fundamental da matéria, composto por um núcleo contendo prótons e nêutrons em quantidades iguais, e por elétrons distribuídos organizadamente em sua parte externa, formando o que se conhece como eletrosfera. Em outras palavras, o átomo é eletricamente neutro e constituído de prótons, nêutrons e elétrons. Os átomos (112 tipos diferentes conhecidos) fazem parte da constituição de todos os seres animados e inanimados. Ao conjunto de átomos com o mesmo número atômico dá-se o nome de elemento químico, que é compreendido como substância ou espécie química simples por possuir como característica primordial a não possibilidade de serem transformados em átomos diferentes por meio de processos químicos, ou seja, átomos do elemento hidrogênio (H) não podem ser transformados em átomos de sódio (Na) por meio de processos químicos, por exemplo. A maioriadas células têm 99% de sua massa constituída pelos quatro elementos mais abundantes: hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e carbono. Ligações Químicas Os átomos interagem uns com os outros por meio de ligações químicas, que são forças que ocorrem para que haja a ligação entre átomos conferindo-lhes maior estabilidade, e podem ocorrer pela perda ou ganho permanente de elétrons (ligações iônicas) ou pelo compartilhamento de elétrons (ligações covalentes). As ligações mais fortes são as covalentes, e por esta razão é necessária uma maior quantidade de energia para que sejam quebradas. Já as ligações não 24 covalentes, como as pontes de hidrogênio, necessitam de menor quantidade de energia para dissociar-se por serem mais fracas que as ligações covalentes, contudo, são importantes para os processos bioquímicos. Além disso, esse tipo de ligação sofre ação peculiar pela presença da água. As pontes de hidrogênio ocorrem quando apenas dois elétrons são compartilhados por três átomos, ou seja, ocorre entre dipolos (dois polos) permanentes das moléculas, onde o polo positivo é o hidrogênio e o polo negativo pode ser o oxigênio, o flúor ou o nitrogênio, pois estes elementos são eletronegativos, em outras palavras, possuem maior atração por elétrons com carga parcialmente negativa. Um exemplo clássico de ponte de hidrogênio é a interação molecular do hidrogênio com o oxigênio (água - H2O). Propriedades da água A água é uma das substâncias mais abundantes e importantes da superfície terrestre ocorrendo em rios, lagos, mares, oceanos e nas calotas polares, recobrindo mais de 70% da superfície terrestre, sendo indispensável para a vida, pois possibilitou o surgimento dos seres vivos, sua evolução e sobrevivência. A água está presente em cerca de 80% da constituição de cada célula e todos os processos bioquímicos ocorrem em meio aquoso, demonstrando, assim, a sua condição imprescindível para a interação biomolecular. Por este motivo é importante conhecer suas propriedades físico-químicas. Calor Específico A água possui elevado calor específico, o que significa dizer que possui capacidade de absorver muito calor e variar pouco de temperatura, ou seja, para que sua temperatura ambiente seja alterada é necessária uma grande quantidade de calor, que significa a transferência de energia térmica entre corpos com temperaturas diferentes ou transferência de energia do corpo mais quente para o corpo mais frio. 25 O calor específico é uma grandeza física que determina a variação térmica de uma dada substância no instante em que recebe uma dada quantidade de calor. Em outros termos, é a quantidade de energia necessária para elevar a 1º C um grama de uma determinada substância. É importante frisar que cada substância possui um valor determinado de calor específico, que de forma geral é expresso através da unidade cal/g.°C (caloria por grama multiplicada por grau Celsius), sendo o calor específico da água 1 cal/g°C, o que significa que é necessário fornecer uma quantidade de calor de 1,0 cal para aquecer 1,0 g de água a 1ºC. O elevado calor específico da água é importante para o controle da temperatura do planeta tornando possível a vida, uma vez que os oceanos controlam o aquecimento e resfriamento da Terra. Além disso, a água contribui para a manutenção da temperatura corporal em mamíferos. Por exemplo, uma pessoa com temperatura corporal elevada acima de 37ºC é considerada em estado febril e tem sua sudorese aumentada para que haja a evaporação da água contida no suor e assim o calor corporal seja absorvido para que ocorra a redução da temperatura do indivíduo, contribuindo para a manutenção da homeostase do organismo, evitando a desnaturação de proteínas, por exemplo. Homeostase: É a tendência existente em alguns organismos para o equilíbrio e conservação de elementos fisiológicos e do metabolismo. Polaridade Como visto anteriormente, a molécula de água é formada por ligações químicas chamadas pontes de hidrogênio. A relação intermolecular gerada entre hidrogênio e oxigênio da molécula de água é do tipo polar, ou seja, o hidrogênio forma o polo positivo enquanto o oxigênio forma o polo negativo da molécula, gerando uma atração mútua entre esses dois polos. Portanto, se diz que a água é uma molécula eletricamente polar, pois o núcleo do oxigênio atrai elétrons distanciando-os dos dois núcleos de hidrogênio, deixando a região em torno de cada núcleo de hidrogênio com uma carga parcialmente positiva, formando um dipolo elétrico. A polaridade molecular está diretamente relacionada com a diferença de 26 eletronegatividade entre átomos e geometria molecular, ou seja, a forma como a molécula está arranjada (conferir Figura 7). É a característica polar que confere à água a capacidade de dissolver outras moléculas polares, pois dipolos interagem melhor com dipolos. Entretanto, a relação intermolecular da água com moléculas denominadas apolares (antônimo de polar) não é favorável, uma vez que o seu contato com esse tipo de molécula promove um efeito chamado hidrófobo (interação hidrofóbica), ou seja, moléculas apolares possuem maior tendência de associação na presença de água dificultando sua solubilidade. Cabe ressaltar que a polaridade influencia em propriedades físico- químicas como a tensão superficial, ponto de fusão, ponto de ebulição, bem como a solubilidade da água. Figura 7. Fórmula molecular e polaridade da água. A figura mostra o compartilhamento de elétrons via ligação covalente e as cargas que geram o dipolo elétrico da molécula de água. Fonte: http://maxaug.blogspot.com.br/2013/02/a-agua-propriedades-e-importancia-para.html Solubilidade A água possui a capacidade de dissolver diversos compostos orgânicos e inorgânicos, facilitando, dessa forma, o transporte dessas substâncias pelo organismo. Para que exerça sua função de solvente a água sofre diferentes 27 interações com o soluto (também chamado de dispersor, ou seja, a substância dissolvida), o que proporciona novas ligações químicas. A água é solvente (também chamado de dispersante, que permite que o soluto se distribua em seu interior) de substâncias em estado líquido, sólido e gasoso, e isso se dá em consequência de sua polaridade, pois promove a hidratação de íons e outras moléculas polares. Em razão de tais características a água é considerada como solvente universal, exercendo papel primordial na regulação das mais variadas funções no corpo humano, e as substâncias por ela dissolvidas, tais como: proteínas, vitaminais, aminoácidos e outras, realizam reações químicas mais facilmente possibilitando uma otimização do metabolismo. Adesão e Coesão A molécula de água realiza diferentes interações com outras moléculas biológicas e entre suas próprias moléculas, como é o caso dos fenômenos de adesão e coesão. A polaridade da água permite que haja uma atração por moléculas de tipos semelhantes como a que acontece entre as pontes de hidrogênio. Esse tipo de interação é conhecida como coesão, que, por sua vez, pode ser observada através da forte atração intermolecular da água, formando uma película em sua superfície que impede, por exemplo, que um inseto afunde. A este fenômeno dá-se o nome de tensão superficial. Já a adesão ocorre pela interação das moléculas de água com outras moléculas também polares, e é por esta razão que a água possui a capacidade de molhar. Porém, a água não interage com substânciasapolares como as gorduras, possibilitando observar que óleo e a água não se misturam. Outra característica marcante da água decorre da combinação entre coesão e adesão, permitindo que a água flua subindo em tubos finos com extremidades abertas como canudos. A capilaridade ocorre, pois a força gravitacional exercida dentro do tudo é menor que as forças de coesão e adesão em seu interior, fazendo com que o líquido suba. A capilaridade também pode ser observada nos vegetais, uma vez que para realizar suas funções metabólicas as plantas necessitam de água e esta é obtida pelo contato da raiz com o solo molhado. Assim, a água, através das forças de adesão e coesão, sobe pelo caule da planta sendo levada até as demais estruturas do vegetal. 28 29 ESTRUTURA E FUNÇÃO DAS BIOMOLÉCULAS 2 CONHECIMENTO Compreender a estrutura e função das Biomoléculas (carboidratos, lipídeos e proteínas), assim como das enzimas. HABILIDADES Reconhecer a estrutura química das Biomoléculas. ATITUDES Domínio do conteúdo, postura ética, espírito de equipe, sendo crítico, investigação da temática em outras fontes de pesquisa demonstrando empenho, dedicação e comportamento condizente com a sua prática profissional. 30 31 Carboidratos Apontados como as biomoléculas mais abundantes na natureza, os carboidratos, também conhecidos como sacarídeos ou açúcares, são substâncias que, por hidrólise (reação química de quebra de qualquer molécula por ação de uma molécula de água), liberam poliidroxialdeídos ou poliidroxicetonas, ou seja, possuem várias hidroxilas e um grupo que pode ser aldeído ou cetona, respectivamente. As ligações químicas formadas por carboidratos são quebradas sempre que a célula tem a necessidade de gerar energia, portanto, sua oxidação é uma das principais fontes de geração de energia (adenosina trifosfato – ATP) para os biossistemas, porém, esta não é sua única função, participando ainda como elementos estruturais na parede celular vegetal, no exoesqueleto de insetos e no glicocálice de células animais, na estrutura de ácidos nucléicos (RNA e DNA), e como sinalizadores celulares no organismo. Em células animais, os carboidratos são armazenados energeticamente sob a forma de glicogênio, e nas células vegetais com amido. Biossistemas: É um novo ramo da engenharia no Brasil que lida com a produção agropecuária, de certos materiais, alimentos e energia. Exoesqueleto: É o nome dado para a estrutura esquelética localizada fora do corpo do ser vivo. Os hidratos de carbono, representados pela fórmula geral (CH2O)n, são formados essencialmente por moléculas de carbono (C), hidrogênio (H) e oxigênio (O), podendo ainda possuir outros tipos de átomos em sua estrutura, como por exemplo, o nitrogênio que faz parte da estrutura do carboidrato quitina (exoesqueleto de insetos), e de acordo com o número de ligações glicosídicas pode ser dividido em três grupos, que são: os monossacarídeos, os oligossacarídeos e os polissacarídeos. 32 São moléculas que não podem ser hidrolisadas a unidade menores, como por exemplo, o gliceraldeído e a dihidroxicetona. Esse tipo de carboidrato também pode ser classificado de acordo com o número de carbonos em suas moléculas, sendo as trioses com menor número de carbonos (3 carbonos), seguidas das tetroses (4 carbonos), pentoses (5 carbonos), hexoses (6 carbonos) e etc. Os carboidratos simples (monossacarídeos), são unidades das quais derivam as demais classes dessas macromoléculas, como é o caso da D-glucose, considerada monômero básico originador de polissacarídeos abundantes como o amido e a celulose. São açúcares originados pela união de cadeias curtas de monossacarídeos (de 2 a 6). Os dissacarídeos (ligação entre 2 monossacarídeos), por sua vez, se dão através de ligações glicosídicas, ou seja, ligações entre um carbono anomérico (carbono envolvido em ligação glicosídica) de um carbono e qualquer outro carbono de outro monossacarídeo, ou, de forma mais simples, através de ligações covalentes entre açúcares simples. Dentre os dissacarídeos mais importantes estão à sacarose, a lactose e a maltose. Também definidos como carboidratos complexos, os açúcares com mais de 20 unidades de monossacarídeos são denominados polissacarídeos, cuja existência predomina na natureza. Os polissacarídeos são formados por muitas unidades de monossacarídeos ligados através de ligações glicosídicas, sendo os mais importantes àqueles formados pela polimerização da glicose e frutose, que se unem para originar amido e celulose, que constituem reserva energética vegetal, e glicogênio que corresponde à reserva de energia animal. Monossacarídeos ou açúcares: Oligossacarídeos: Polissacarídeos: 33 OBS: A maior parte dos monossacarídeos e oligossacarídeos são moléculas polares (solúveis em água) de aparência cristalina e, geralmente, de sabor adocicado. Já os polissacarídeos são moléculas de alto peso molecular, insolúveis (apolares) e sem sabor. Lipídeos Os lipídeos são macromoléculas apolares, ou seja, pouco solúveis em água e muito solúveis em solventes orgânicos como o clorofórmio, a benzina, o éter e o álcool, dentre outros. Tais biomoléculas resultam da associação entre ácidos graxos (gorduras) e álcool, e exercem diversas funções biológicas como constituição estrutural das membranas celulares, de reserva de energia, sinalização em vias de transmissão de sinais e ainda servem como alimento. Diversos lipídeos dão origem a hormônios como a progesterona e testosterona, hormônio sexual feminino e masculino, respectivamente. Além disso, os lipídeos são isolantes térmicos, elétricos e mecânicos, oferecendo proteção ao organismo e suas estruturas. Os lipídeos podem ser encontrados em diversos tecidos, principalmente nas membranas celulares e nos adipócitos (células que armazenam gordura), e sua insolubilidade em água confere sua propriedade hidrofóbica, ou, em outros termos, não possui afinidade com a água. Geralmente contém menos oxigênio em sua estrutura química do que os carboidratos, sendo constituídos principalmente por ácidos graxos, e destes derivam as gorduras e óleos. Os ácidos graxos originam outros tipos de lipídeos denominados triglicerídeos, tracilglicerois, também conhecidos como gordura de reserva. Além disso, existem os ácidos graxos saturados e os insaturados, sendo os primeiros sólidos em temperatura ambiente, como por exemplo, o chocolate, a gordura de origem animal encontrada no leite e seus derivados, na carne, ovo e etc. Já os insaturados são líquidos em temperatura ambiente e podem ser encontrados em óleos vegetais, por exemplo. Outro tipo de lipídeo importante são os fosfolipídeos (contém um átomo de fósforo em sua molécula), encontrados na constituição estrutural das membranas 34 plasmáticas celulares. Os fosfolipídeos são moléculas compostas, de forma geral, por glicerol, ácido graxo e uma base nitrogenada, e possuem característica anfipática, ou seja, possuem uma cabeça polar ou hidrofílica (possui afinidade com a água, mas não com gorduras) e uma cauda apolar ou hidrofóbica (não possui afinidade com a água, e sim com gorduras). Tais características possuem importância fundamental notransporte de substâncias através da membrana plasmática celular. Aminoácidos e Proteínas Derivada do Grego “protos” (primeiro, primário ou principal) a palavra proteína representava a substância mais importante da matéria, porém, estudos posteriores indicaram que as proteínas são macromoléculas formadas por aminoácidos que, por sua vez, representam seus blocos estruturais. De forma simplificada, os aminoácidos se agrupam para formar proteínas com diferentes funções no organismo (estrutural, enzimática, de transporte, de defesa, de regulação, nutritiva e etc.). Estas, por sua vez, são um nutriente indispensável ao ser humano, desempenhando diversas funções tais como: a função plástica, uma vez que são constituintes dos tecidos e células, nomeadamente do tecido muscular; têm uma função reguladora, pois, todas as enzimas do nosso organismo são proteínas; são estimulantes do sistema imunológico, formando anticorpos. Os aminoácidos são compostos orgânicos, cuja estrutura básica é formada por um grupo amina (NH2), um grupo carboxila (COOH) e um radical (R) variável que determina a função de cada aminoácido. Observe na figura 8. Quimicamente, os aminoácidos são pequenas moléculas, que, ao agruparem-se, formam as proteínas. Os aminoácidos podem ser classificados em essenciais e não essenciais. Consideram-se essenciais, ou indispensáveis, aqueles que o nosso organismo não tem capacidade de sintetizar, logo, a única forma de que dispomos para obtê-los, é através da ingestão de determinados alimentos, nomeadamente através da carne, dos ovos, do leite e seus derivados, que são: metionina, valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, triptofano, lisina, treonina, histidina e arginina. 35 Quanto aos aminoácidos não essenciais, são aqueles que o nosso organismo consegue produzir, mais concretamente, que o nosso fígado sintetiza. Assim, destacamos os seguintes: alanina, ácido aspártico, ácido glutâmico, cisteína, glicina, glutamina, hidroxiprolina, prolina, serina e tirosina. Figura 8. Fórmula geral do aminoácido. A fórmula diz respeito a um grupo carboxílico, um grupo amino, um radical variável e um carbono central. Fonte: http://brasilescola.uol.com.br/biologia/peptideos.htm Além de serem extremamente importantes para a construção de proteínas, os aminoácidos são precursores de diversas moléculas biológicas que possuem papel de destaque no organismo como as purinas e pirimidinas, que derivam de aminoácidos, e são importantes na formação de ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). Em adição, originam substâncias denominadas peptídeos, formados pela associação entre a carboxila de um aminoácido e o grupo amina de outro. Os peptídeos podem ser classificados em oligopeptideos, palavra derivada do grego “oligos” que significa pouco, que compreende até dez unidades de aminoácidos; em polipeptídeos, que possuem de onze a cem unidades de aminoácidos em sua composição, e em proteínas, que são macromoléculas com peso molecular acima de 10.000 Dalton constituída, total ou predominantemente, por aminoácidos, e o número destes podem passar de cem. Como exemplo de oligopeptídeo é possível citar a oxitocina (9 aminoácidos), hormônio produzido durante o trabalho de parto para provocar a contração uterina. 36 Dentre os polipeptídeos está o glucagon (29 aminoácidos), hormônio que promove o aumento de açúcar no sangue. Já como exemplo de proteína tem a hemoglobina, macromolécula constituída por 574 aminoácidos, responsável pelo transporte de oxigênio para as células. As proteínas são macromoléculas originadas a partir de ligações peptídicas entre aminoácidos, e que exercem diversas funções biológicas. Quanto a sua estrutura, possuem quatro níveis básicos: primário, secundário, terciário e quaternário, que influenciarão diretamente em sua função. A estrutura primária de uma proteína é definida pela ligação linear de aminoácidos de sua cadeia peptídica. Já a conformação estrutural secundária ocorre devido à rotação, formando hélices, das ligações entre os carbonos alfa dos aminoácidos e grupos amina e carboxílico. Outra estrutura que a proteína pode assumir é a terciária, que ocorre devido a tendência da cadeia polipeptídica a se enrolar, gerar um novelo ou dobrar. Por fim, a estrutura quaternária que resulta da interação por ligação não covalente entre várias moléculas envolvidas. Tais estruturas podem ser observadas na figura 9. Cabe frisar que a organização das proteínas está diretamente correlacionada com a sequência de aminoácidos em sua composição, e a modificação estrutural da proteína, dependendo da magnitude, pode acarretar consequências desastrosas para o organismo como a perda de função biológica da proteína modificada. Dentre os fatores que podem levar à modificação estrutural (desnaturação) das proteínas estão: o calor (a partir de 50ºC já ocorre desnaturação de algumas proteínas), pois o aumento da temperatura aumenta os movimentos moleculares rompendo as ligações mais fracas, e a ação de ácidos e bases, através da modificação do pH da solução, fragilizando as forças que mantém a estabilidade estrutural das proteínas. Figura 9. Estrutura proteica. A figura mostra os tipos de estruturas que a proteína pode assumir. 37 Fonte: Berg, J.M.; Tymoczko, L.S.; Stryer, L., 2008. Enzimas Toda reação química depende da ação de uma determinada enzima para acontecer. Além disso, as enzimas são catalisadores biológicos notáveis, ou seja, substâncias que modificam a velocidade de uma reação química, e, por conseguinte, determinam os padrões das reações químicas, diferenciando-se de catalisadores químicos em quatro importantes aspectos: 1- maior velocidade de reação; 2- condições de reações não extremas; 3 - maior especificidade da reação, e 4 - capacidade desregulação. É fato que sem a catálise (alteração da velocidade de uma reação química), talvez as reações químicas nos sistemas biológicos não conseguissem atingir a velocidade ideal para que seus produtos alcançassem a proporção adequada para suprir as demandas metabólicas. Em média, reações catalisadas por enzimas são de 106 a 1012 mais velozes do que reações correspondentes não catalisadas. Além disso, são inúmeras vezes mais velozes do que reações que sofrem ação de catalisadores químicos. As enzimas são capazes de aumentar tal velocidade respeitando as condições do ambiente celular. Em outras palavras, as reações químicas são aceleradas pelas enzimas que, ao contrário de catalisadores químicos, mantém uma temperatura de 37ºC e pH de 7,4 (valor do pH do plasma sanguíneo) no interior da célula, e por isso a vida celular é preservada. Contrastando, uma 38 catálise química requer ambiente condição extremas, ou seja, para ser eficiente necessita de temperaturas e pressões elevadas, bem como pH extremo. Ademais, as enzimas são altamente mais específicas do que os catalizadores químicos, ou seja, reúnem menos subprodutos ao final das reações, o que significa dizer que as enzimas são específicas para a ligação de seus substratos. Por fim, sua capacidade de catalisar uma reação química pode estar relacionada à outra substância que não seja especificamente seu substrato, demonstrando assim sua capacidade de regulação. As enzimas são polímeros (proteínas) de cadeia longa com aminoácidos unidos por ligações peptídicas com sequências definidas geneticamente. Além daporção proteica (apoenzima), as enzimas possuem uma porção formada por uma sequência de aminoácidos denominada cofator. Quando a enzima está completa, ou seja, cataliticamente ativa, ela é denominada holoenzima, junção entre a apoenzima e o cofator através do sítio de ligação. Este pode ser dividido em metais e moléculas orgânicas pequenas, conhecidas como coenzimas. Semelhantemente às proteínas, as enzimas podem ser simples ou conjugadas, e estas necessitam de cofatores para sua atuação catalítica. Na figura 10 podemos observar o mecanismo de atuação da enzima, que tem início quando ela se liga ao substrato ou reagente, dando origem a um complexo enzima substrato, bem como a atuação do cofator na reação, servindo como decodificador do substrato. O complexo enzima-substrato, por sua vez, é instável e rapidamente se desfaz liberando os produtos da reação. Com relação à especificidade com que as enzimas se ligam aos seus substratos, podem ser classificadas em absolutas, aquelas que não permitem ligar em seu sítio ativo nem mesmo moléculas extremamente semelhantes (isômeros ópticos), e em relativas, pois estas são capazes de reconhecer grupos químicos comuns que se encontram nas estruturas dos substratos. A interação das enzimas com seus substratos, ilustrada na figura 11, é contemplada por mecanismos como o conhecido como chave-fechadura, caracterizado pelo perfeito encaixe do substrato na enzima, pois o encaixe é complementar em tamanho, forma e natureza química, e o mecanismo de ajuste induzido, no qual a enzima muda de conformação ao ligar- se ao substrato. 39 Figura 10. Interação enzima e cofator. O cofator se encaixa perfeitamente na porção proteica da enzima tornando possível o encaixe subsequente do substrato, e assim a reação ocorra. Fonte: sobiologia.com. br Figura 11. Interação enzima e substrato. A) No modelo chave-fechadura o substrato se encaixa perfeitamente no sítio ativo da enzima formando o complexo enzima substrato (ES). B) No modelo induzido, a enzima muda sua forma ao interagir com o substrato. Sítio ativo: É a pequena região de uma enzima onde ocorrerá uma reação química. A) B) Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfbxYAL/enzimas2?part=2 40 É necessário atentar para dois fatores importantes que influenciam diretamente no funcionamento enzimático: o pH e a temperatura. A maior parte das enzimas apresentam um pH chamado pH ótimo, ou seja, um valor de pH em que sua atividade catalítica ocorre em nível máximo. Assim, o pH poderá sofrer alterações dependendo do meio em que se encontra (na cavidade bucal possui um valor, no estômago outro e nos intestinos pode apresentar um valor diferente). Contudo, essas variações não podem ser extremas (nem muito alcalino e nem muito ácido), podendo levar à desnaturação da enzima e sua consequente perda de função. Já a temperatura, dita o ritmo das reações enzimáticas, uma vez que seu aumento faz crescer a velocidade catalítica de forma estável. A cada aumento de 10ºC a velocidade das reações enzimáticas é duplicada, porém, as enzimas podem sofrer desnaturação com o calor intenso, tornando-se inativas. Para a maioria das enzimas a temperatura ideal para o desempenho de suas funções é acima de 55ºC, apesar de haver determinadas enzimas que conseguem manter suas atividades com temperaturas acima desse valor, como é o caso de enzimas de bactérias que vivem em ambientes extremamente quentes (bactérias termofílicas) e podem exercer suas funções em temperaturas superiores a 85ºC. Grande parte das enzimas é classificada de acordo com a reação que catalisam ou segundo seus substratos. Sua nomenclatura se dá através do acréscimo do sufixo “ase”, e, de acordo com a União Internacional de Bioquímica, as reações foram divididas em seis classes: As oxidorredutases, que realizam reações de oxidorredução, ou seja, reação química e biológica que envolve a recíproca transferência de elétrons (lactato desidrogenase); As transferases, que realizam a transferência de grupamentos de uma molécula para outra (hexocinase); As hidrolases, envolvidas em reações de hidrólise, ou seja, transferência de grupamentos funcionais para a água (quimiotripsina); As liases promovem à remoção de grupamentos formando dupla ligação, ou adição à dupla ligação (fumarase); 41 As isomerases fazem a isomerização, conduzem a transferência de grupamentos ou outras reações intramoleculares (triose fosfato isomerase); As ligases, que realizam a ligação de dois substratos a custa de hidrólise de ATP (aminoacil-tRNAsintetase). Vídeo relacionado: https://vimeo.com/300372497 42 43 BIOENERGÉTICA E ATIVIDADE FÍSICA 3 CONHECIMENTO Compreender a Bioenergética, assim como os principais sistemas energéticos do organismo. HABILIDADES Distinguir os sistemas energéticos. ATITUDES Domínio do conteúdo, postura ética, espírito de equipe, sendo crítico, investigação da temática em outras fontes de pesquisa demonstrando empenho, dedicação e comportamento condizente com a sua prática profissional. 44 45 Vias metabólicas De forma geral, as células produzem energia e a armazenam na forma de um composto (ATP) capaz de reter energia advinda das reações químicas exergônicas (liberam energia), bem como de reações químicas endergônicas (consomem energia). Em condições adequadas de temperatura e concentração de reagentes no músculo durante a contração muscular, caracterizada pelo deslize dos microfilamentos de actina e miosina, o ATP libera, aproximadamente, 11 kcal (quilocaloria). No entanto, apenas 30-40% da energia liberada durante a hidrólise de ATP é utilizada na contração muscular, o percentual restante (60-70%) é liberado na forma de calor pelo organismo. Cabe frisar que essa perda de energia é apenas aparente, uma vez que o organismo precisa manter uma temperatura ótima constante (homeotermia) no intuito de permitir que as reações enzimáticas ocorram sem nenhum prejuízo. Como exemplo é possível citar a regulação da temperatura corporal que ocorre durante a prática de um determinado exercício físico, já que nesta condição a temperatura tende a subir além dos níveis de homeostáticos e se não fosse controlada poderia causar desnaturação celular, causando diversos problemas no organismo. A comunicação química intercelular ocorre através de vários caminhos denominados vias metabólicas, que são usualmente distintas, pois existem as que transformam alimentos em energia (reações catabólicas) e as que necessitam de energia para acontecer (reações anabólicas). Para promover essa comunicação entre as células a moeda energética comum utilizada pelas vias de produção de energia é o ATP, um nucleotídeo constituído por uma adenina, uma ribose e uma porção trifosfato ( ver figura 12). É esta unidade (conjunto de três fosfatos) que confere à molécula de ATP a condição de molécula de alto valor energético, já que é um doador eficiente de fosforila (fosfato) nas reações químicas. Porém, o ATP não é a única molécula de alto valor energético, destacando-se também ofosfoenolpiruvato, o 1,3-bifosfoglicerato e a creatina fosfato. Figura 12. Fórmula estrutural da molécula de ATP. A molécula de ATP é composta por 3 grupos fosfatos, um grupo adenina e um grupo ribose. 46 Fonte: http://www.sobiologia.com.br/conteudos/figuras/bioquimica/ATP.jpg A grande função dos sistemas energéticos (vias metabólicas) é gerar trifosfato de adenosina (ATP) para que haja contração muscular, uma vez que a energia proveniente da quebra de macromoléculas (carboidratos, ácidos graxos, aminoácidos) advindas dos alimentos não pode ser utilizada diretamente pelo musculo esquelético, pois a única enzima presente no ciclo contrátil é a (ATP ase) que, por sua vez, só hidrolisa ATP, ou seja, só realiza a quebra de adenosina trifosfato pela ação da molécula de água, gerando, dessa forma, energia útil para a contração muscular. Isso explica porque as demais moléculas ricas em energia, como por exemplo, a fosfocreatina (CP), precisa ser convertida previamente em ATP para que possam ser utilizadas pelo organismo durante o movimento. Embora, o número de reações químicas seja abundante, seu tipo possui menor variedade, e são simples e comuns a diversos organismos do ponto de vista químico. Nesse sentido, é possível apontar três vias metabólicas de produção e transferência de energia: via do fosfagênio ou ATP-CP, via glicolítica ou glisólise, e via oxidativa. Além disso, ocorrem processos intermediários envolvidos na produção de energia como o ciclo de Krebs. Tais vias serão estudadas a seguir. Via ATP-CP ou Sistema Fosfagênio Como citado anteriormente, o ATP não é a única molécula energética presente no organismo capaz de transferir energia para suas demandas. A 47 fosfocreatina (CP) é outra molécula considerada como moeda de alto valor energético, pois se encontra de 4-5 vezes mais concentrada no músculo do que o ATP, sendo a concentração de ATP de 6 mmol\kg\músculo e a CP de 28 mmol\kg\músculo, na musculatura esquelética de uma pessoa sedentária. Além disso, a CP libera mais energia se comparada ao ATP, cerca de 13 kcal/mol e 11kcal/mole, respectivamente, em se tratando de musculatura ativa. Porém, a CP, assim como as demais moléculas energéticas não podem exercer papel funcional de libertadores de energia diretamente para os sistemas de geração de energia celulares, mas, pode oferecer sua energia em permuta com o ATP. O método mais simples e rápido de produção de energia requer a doação de um grupo fosfato na ligação entre CP e ADP (adenosina difosfato) no intuito de formar ATP, ou seja, o fosfato da CP é transferido para ADP gerando como produto ATP, e tal reação são catalisados pela enzima creatina quinase (CK). O acúmulo de ATP na célula permite que uma parte de sua energia seja utilizada para gerar um reservatório de energia através da síntese de CP. Assim, quando a contração muscular ocorrer, ATP será utilizada e a CP entrará na reação para ressintetizar rapidamente ATP. Com efeito, os níveis de concentração de ATP são mantidos, e sempre que houver uma diminuição, CP entra em ação para reestabelecer o reservatório de ATP no músculo. Em razão disto, o sistema ATP-CP é reconhecido como sistema tampão de ATP. Porém, a quantidade de CP contida nos músculos esqueléticos é relativamente pouca, o que limita a síntese de ATP através de CP. Como o exercício físico requer a utilização de ATP, é importante que seus níveis de concentração sejam mantidos, uma vez que sem essa molécula o movimento não pode ser realizado, e durante os primeiros segundos de um exercício de alta intensidade e curta duração é a fosfocreatina que mantém constante os níveis de concentração de ATP. Com a continuidade do exercício, nessas condições, a fadiga ocorre e o nível de ambos os substratos entra em declínio, portanto, o organismo é incapaz de manter por tempo prolongado a realização de exercícios intensos. 48 Dessa forma, os níveis de ATP sustentados por CP podem fornecer energia para atividades musculares intensas por até 15 segundos, entrando em ação a partir de outros sistemas de geração de energia. Porém, há literaturas que defendem que esse tempo de fornecimento de energia a partir de CP pode chegar até 30 segundos. Dentre os exercícios com tais características podemos citar: as provas de corrida de 100 metros, levantamento de peso olímpico, musculação, salto em altura, dentre outros. Glicólise Evidentemente mais complexo que o sistema de geração de energia anterior, a glicólise, também conhecida como sistema anaeróbio lático, diz respeito à degradação anaeróbia (sem a presença de oxigênio) da molécula de glicose para obtenção de duas moléculas de ácido pirúvico. Essa via metabólica é realizada por quase todos os organismos vivos, sendo as cianofíceas (algas azuis) a exceção dessa regra, e em células eucariontes ocorrem em seu citoplasma. A glicólise (quebra de açúcar) compreende um conjunto de dez reações que ocorrem no citoplasma celular eucarionte e estão agrupadas em duas fases: a fase de investimento de energia, que compreende as quatro primeiras reações adicionadas de uma intermediária e a de geração de energia (cinco últimas reações). Essa via de geração de energia é realizada por ação de diversas enzimas catalizadoras, e na primeira fase o objetivo central é transformar a molécula de glicose em frutose 1,6-bifosfato. Tal processo ocorre por meio de uma fosforilação, quando a glicose é transformada em glicose 6-fosfato; de uma isomeração, ilustrada na reorganização da molécula de glicose 6-fosfato em frutose 6-fosfato, e da segunda fosforilação que dará origem a frutose 1,6-bifosfato. A célula realiza essas reações com o intuito de aprisionar a molécula de glicose em seu interior (citoplasma), ou seja, tornar a molécula de glicose incapaz de ultrapassar a membrana plasmática, e produzir um composto mais energizado pronto a ser clivado em duas moléculas fosforiladas (energizadas). 49 Em outras palavras, o objetivo é gerar frutose 1,6-bifosfato com energia suficiente para originar duas moléculas com 3 carbonos (gliceraldeído 3-fosfato e di- hidroxiacetona fosfato). Contudo, esta é uma molécula tóxica para a célula, que rapidamente a converte, por ação da enzima triose fosfato isomerase, em outra molécula de gliceraldeído 3-fosfato, permitindo, assim, que a glicólise siga em duplicata daqui em diante. Vale ressaltar que até aqui nenhuma energia foi produzida pela glicólise, e sim o investimento de duas moléculas de ATP. Na fase de geração de energia ocorrem cinco reações de clivagem (divisões mitóticas), a partir da molécula de gliceraldeído 3-fosfato. A primeira das cinco reações ocorre com a fosforilação e desidrogenação da molécula de gliceraldeído 3- fosfato. Neste momento, entra em ação uma molécula carreadora de elétrons denominada dinucleotídeo de niconinamida (NAD), que receberá durante a reação um hidrogênio e passará a ser NADH. A adição do um fosfato à molécula de gliceraldeído 3-fosfato dará origem a uma molécula com maior poder energético de 1,3-bifosfoglicerato. Parece confuso a célula promover a perda de energia através da doação de um hidrogênio para NAD e ao mesmo tempo inserir um composto energético (fosfato) na reação quase que simultaneamente, porém, isso ocorre devido à necessidade de transferir energia para a próxima via metabólica de geração de energia. A próxima reação ocorre com a clivagem de 1,3-bifosfoglicerato a 3- fosfoglicerato, melhor entendidacomo a primeira geração de energia, ou seja, é nesta reação que ocorre a formação da primeira molécula de ATP, pois um dos fósforos da molécula de 1,3-bifosfoglicerato é doado para uma molécula de adenosina difosfato (ADP) que está livre na reação, consequentemente formando um ATP. Na reação subsequente a 3-fosfoglicerato é modificada pela enzima fosfoglicerato mutase, que muda de posição o fósforo que antes ocupava posição no carbono 3 e agora passa a se alojar no carbono 2, originando a 2-fosfoglicerato, no intuito de facilitar a liberação da molécula de água. Portanto, ocorrerá à desidratação da molécula de 2-fosfoglicerato e consequente formação do fosfoenolpiruvato, e este a piruvato. Nesta última reação, a liberação de um fósforo que se ligará a ADP gerando um ATP, ocorrerá paralelamente à formação da molécula de piruvato. Em destaque observa-se que a partir da quinta reação a glicólise ocorre em dobro, então houve a geração de quatro moléculas de ATP. 50 Em suma, a glicólise consome, em suas reações iniciais, dois mols de ATP, caracterizando a fase de investimento de energia. Em seguida, nas fases subsequentes, 2 mols de ATP são gerados, um em cada reação, a partir da doação de um fosfato para ADP que está livre na reação. Cabe frisar que o aceptor de elétrons NAD+ entra em cena e ganha um íon hidrogênio passando a ser NADH que, por sua vez, doa seus elétrons, atraídos pelo oxigênio, para a cadeia transportadora de elétrons em organismos aeróbios. Em situações metabolicamente anaeróbias o NAD+ é regenerado, ou seja, ganha um íon hidrogênio, através da redução de piruvato à lactato, ou ainda, a etanol. Essas reduções são exemplo de fermentação. Contabilizando a produção de duas moléculas de ATP (fase de geração de energia) mais o investimento de também duas moléculas de ATP, o saldo final da glicólise seria de nenhuma molécula de ATP. Porém, é preciso lembrar que a glicólise ocorre em dobro a partir da quinta reação e, por isso, seu saldo final é de dois moles de ATP. Esse relativo potencial reduzido na produção de ATP coloca a via glicolítica como um dos sistemas menos efetivos para tanto, porém, é de extrema importância para dar início ao próximo sistema energético (via oxidativa) e seus processos intermediários (ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs), uma vez que moléculas carreadoras de elétrons como o NAD levam íons hidrogênios para a cadeia transportadora de elétrons a fim de gerar ATP de forma mais abundante. Apesar da baixa produção energética, a via da glicólise fornece combustível para a realização de atividades como corrida de 400 metros e nado 100 metros livre, por exemplo. Ciclo de Krebs A redução da glicose a piruvato (glicólise) representa uma oxidação apenas parcial da molécula de glicose, pois a molécula de piruvato gerada durante esse processo continua a ser oxidada até que todos os carbonos da molécula de glicose sejam transformados em dióxido de carbono (CO2), e os hidrogênios em água (H2O). Essa oxidação é denominada ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs, compreendido como a via final comum para que ocorra a oxidação de biomoléculas energéticas 51 como ácidos graxos, aminoácidos e carboidratos, que dão início ao ciclo através da formação da molécula de acetil coenzima A (Acetil-CoA). A descarboxilação (reação química na qual um grupo carboxilo é eliminado de um composto na forma de dióxido de carbono (CO2) oxidativa do piruvato a acetil- CoA, conhecida como complexo piruvatodesidrogenase (PHD), é um conjunto de reações que acontecem antes do início do ciclo de Krebs. Este, por sua vez, é a junção metabólica central celular, e é caracterizado pela oxidação da molécula de acetil-CoA a CO2 em uma conjunção cíclica de reações que acontecem nas mitocôndrias, mais especificamente nas cristas mitocondriais em células eucariontes, já em seres procariontes ocorre no citoplasma celular. O ciclo do ácido cítrico, dentre outras funções, serve como base para blocos estruturais como aminoácidos, nucleotídeos, dentre outros, porém, sua função primordial é colher de moléculas energéticas elétrons de alta energia (oxidação de acetil CoA originada a partir de carboidratos, ácidos graxos ou aminoácidos). Além disso, o ciclo de Krebs fornece, à cadeia de transporte de elétrons, energia através de íons hidrogênio; serve de via para a atuação de aminoácidos na gliconeogênese (síntese de glicose, em maior parte no fígado, a partir de percussores como lactato, piruvato, glicerol e aminoácidos); biossíntese de ácidos graxos gerando Acetil-CoA a partir do citrato, e etc. Em detalhe, o ciclo de Krebs acontece a partir da molécula de Acetil-CoA gerada a partir do piruvado advindo da glicólise. Na sequência, Acetil-CoA reage com oxaloacetato (produto gerado no próprio ciclo) formando citrato, que por sua vez, dará origem ao alfa-cetoglutarato, um composto de cinco carbonos. Nesta reação, ocorre ainda a liberação de NADH e de CO2. O alfa-cetoglutarato, por conseguinte, originará compostos com quatro carbonos e GTP (guanosina trifosfato, molécula de transporte de energia utilizada para gerar ATP), FADH2 (forma reduzida de FAD – dinucleotídeo de flavina e adenina), NADH e oxaloacetato. Este último dará início novamente ao ciclo, uma vez que reagirá com a molécula de acetil CoA reativando as atividades cíclicas. As reações do ciclo de Krebs podem ser observadas na figura 13. 52 Cabe observar que o ciclo não gera grandes quantidades de ATP e sim oportuniza a remoção de elétrons da molécula de acetil-CoA para a formação de NADH e FADH2. Os carreadores NAD+ e FAD, quando oxidados na cadeia transportadora de elétrons, geram moléculas de ATP. Em associação com a fosforilação oxidativa (cadeia transportadora de elétrons), o ciclo do ácido cítrico fornece mais de 90% da energia utilizada pelas células aeróbias em seres humanos. Figura 13. Ciclo de Krebs ou Ciclo do Ácido Cítrico. Sequência de reações químicas do Ciclo de Krebs. Fonte: http://mundodabioquimica.blogspot.com.br Sistema Oxidativo Os seres humanos necessitam de uma quantidade elevada de ATP para viver, e o sistema oxidativo possui a capacidade de suprir essa necessidade, uma vez que gera 26 de um total de 30 moléculas de ATP formadas quando a glicose é completamente oxidada a CO2 e H2O. A cadeia de transporte de elétrons, também chamada de cadeia respiratória, é a via oxidativa final nas células em condições aeróbias, num processo que consiste em capturar e estocar em forma de ATP toda a energia possível da molécula de glicose. 53 A cadeia transportadora de elétrons recebe o nome de via oxidativa final em função das fosforilações que ocorrem durante as reações sequenciadas de oxirredução, ou seja, diz-se que uma substância foi oxidada quando perde um ou mais elétrons, e que foi reduzida quando ganha um ou mais elétrons. A molécula de glicose, assim como outras ricas em energia, são oxi reduzidas numa série de reações que têm como produto final CO2 e H2O. Os elétrons são transportados até a via oxidativa por moléculas carreadoras de elétrons chamadas NAD+ e FAD+, que em sua forma reduzida são representadas por NADH + H+ e FADH2, respectivamente. Cada um desses carreadores é capaz de transportar um par de elétrons com alto potencial de transferência de energia. Resumidamente, tais elétrons são utilizados para reduzir o oxigênio contido na cadeia respiratória à água, liberando, dessa forma, uma quantidade elevada de energia,uma parte utilizada para gerar ATP e outra parte é dissipada na forma de calor. Contudo, é necessário conhecer detalhadamente essa via de geração de ATP, dada a sua importância no que diz respeito ao quantitativo de energia fornecida aos organismos vivos em aerobiose, pois, em média, 83 kg de ATP são utilizados por um homem sedentário pesando 70 kg exercendo apenas suas atividades diárias comuns, porém, a quantidade de ATP que cada ser humano possui é de apenas 250g. Essa diferença é plenamente solucionada pelo sistema oxidativo, que fornece energia para atividades físicas e esportes de longa duração como as provas de corrida meio fundas e maratonas. A fosforilação oxidativa (cadeia de transporte de elétrons ou cadeia respiratória) diz respeito ao fluxo gerado pelo trânsito de elétrons transportados por NADH ou FADH2 até o oxigênio. Esse trânsito de elétrons acontece através de proteínas (complexos protéicos) localizadas na membrana interna mitocondrial, onde o acúmulo de NADH ou FADH2 promove o bombeamento de hidrogênios para fora da matriz mitocondrial interna (espaço intermembranar da mitocôndria). O acúmulo de hidrogênios no espaço intermembranar mitocondrial gera uma força motriz que empurra os prótons (hidrogênios) de volta para a matriz mitocondrial interna através de três complexos proteicos (NADH: Q oxirredutase, Q: citocromo e oxirredutase; e 54 citocromoredutase) nela localizados capazes de promover oxirredução. Finalmente, a ATP sintetase é ativado pelo fluxo de prótons que promovem o giro desse grupo proteico sintetizador (ATP sintetase) gerando, dessa forma, ATP. Cabe esclarecer que na literatura há uma divergência quanto à quantidade de ATP gerado pelo sistema oxidativo, porém, a estimativa atual dar conta de que cerca de 2,5 ATP são gerados como resultado do fluxo de elétrons doados por NADH para o O2, e 1,5 ATP quando os elétrons são doados por FADH2. É importante levar em consideração que o número de prótons que cada complexo proteico localizado na matriz mitocondrial bombeia é de 4 no NADH:Q oxirredutase, de 2 no Q:citocromo e oxirredutase, e de 4 no citocromoredutase, totalizando um total de 10 hidrogênios (energia potencial) no espaço intermembranar mitocondrial, sendo necessários 4 hidrogênios para formar uma molécula de ATP. Portanto, a contabilidade final aponta a geração de cerca de 30 moléculas de ATP a partir da oxidação completa da glicose. Educação Física escolar e os sistemas metabólicos: algumas reflexões A Atividade Física nos primeiros anos escolares apresenta-se como grande aliada na prevenção e tratamento de diversas doenças crônicas degenerativas como obesidade, dislipidemia, síndrome metabólica, diabetes, doenças cardíacas e outras. Além disso, o exercício físico durante a infância é importante para a melhora das valências físicas, do desempenho, do desenvolvimento físico, da composição física, das relações interpessoais, dentre outras, sendo indispensável ainda para a projeção de uma vida adulta mais saudável. Devido ao grande aumento dos índices relacionados ao sobrepeso e obesidade infantil é possível afirmar que a atividade física escolar orientada possui papel fundamental na melhora da qualidade de vida de crianças e adolescente de forma geral. Portanto, é importante conhecer as demandas metabólicas do organismo durante o esforço nas aulas de Educação Física escolar. 55 Quando em atividade física sistemática o organismo tende a receber uma demanda energética muito maior do que quando está em repouso, a energia química utilizada para suprir essa necessidade advém dos macronutrientes contidos nos alimentos, que através de sistemas de geração de energia (ATP) é transformada em energia mecânica. Como já estudado anteriormente, os sistemas energéticos são sistema fosfagênio (ATP-CP), sistema glicolítico (glicólise), e sistema oxidativo (cadeia de transporte de elétrons). Existem duas nuances primordial a serem observadas durante o esforço físico: a duração e a intensidade do exercício, bem como o estado prévio acerca das reservas de substratos energéticos, e o nível de condicionamento físico do praticante, aluno ou atleta, pois podem interferir diretamente na predominância metabólica, ou seja, serão pontos decisivos no suprimento energético através de um ou mais sistemas de produção de ATP. Nos primeiros instantes do esforço, há um aumento considerável da necessidade do organismo em gerar energia, uma vez que a passagem do estado de repouso para a atividade física requer um maior investimento energético para realizar o esforço. A via metabólica que transmite a energia necessária para realizar os primeiros segundos de uma atividade de alta intensidade e de curta duração é o sistema ATP-CP, isso se deve a redução dos níveis de fosfocreatina no músculo durante esse primeiro momento de esforço, em média até os 30 segundos iniciais. Na prática, podemos identificar o emprego do sistema ATP-CP em atividades escolares nas quais sejam preservadas as características metabólicas desse sistema, por exemplo, em uma aula sobre os fundamentos básicos do basquetebol: como o passe em suspensão, onde é necessário que o aluno realize o movimento de passe conjugado com um salto. Tal exercício requer energia rápida, pois saltar e arremessar a bola são um esforço de curta duração e alta intensidade se comparado ao estado de repouso do aluno atleta. Outra atividade com tais características é a competição entre equipes onde o esforço básico é a corrida. Duas equipes enfileiradas com o objetivo de transpor uma distância curta correndo de um lado a outro da quadra, a fim de completar um desafio dado pelo professor, também recebe aporte energético do sistema ATP-CP. 56 Com a continuidade do esforço físico ocorre uma mudança na utilização do substrato energético, elevando ou reduzindo a participação dos sistemas de geração de energia. Esforços com duração acima de 1 minuto e com intensidade moderada são supridos pelo sistema glicolítico de produção de ATP. Nesse contexto, um professor pode propor a realização de uma aula de dança de roda (cirandas), ou solicitar que seus alunos completem um circuito de ginástica para todos, participar de jogos populares como pular corda, brincar de amarelinha, jogar voleibol etc. Já as atividades com duração longa e intensidade moderada são supridas pelo sistema oxidativo. Dentre as atividades propostas no âmbito escolar, podemos destacar aquelas que duram acima de 4 minutos como corridas de longas distâncias, passeio ciclístico, caminhadas ecológicas, dentre outras. Vídeo relacionado: https://vimeo.com/300372860 57 Explicando melhor com a pesquisa Para ampliar mais seus conhecimentos, indicamos a leitura do artigo Sistema de Ensino Interativo. Neste artigo estudaremos a Bioquímica como ciência que analisa os processos químicos observados dentro dos organismos vivos, tendo como elemento central, as moléculas geralmente grandes e complexas. Sugerimos ainda a leitura do artigo: Treinamento físico na síndrome lipodistrófica. O objetivo desse artigo foi revisar na literatura as evidências científicas sobre o treinamento físico na síndrome lipodistrófica. GUIA DE ESTUDO: Após a leitura desses artigos, redija um texto dissertativo argumentativo abordando a importância do exercício físico em combate a lipodistrófica. 58
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