Introdução à Bioquímica

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Aula 1: Introdução à Bioquímica
Fundamentos da Bioquímica
Os processos biológicos ocorrem em todos os seres vivos desde os mais simples, como as bactérias procariotas, bem como organismos mais complexos e organizados como é o caso do ser humano.
Química inorgânica
- Química mineral, é responsável pelo estudo dos elementos químicos e pelas substâncias que não possuem cadeias carbônicas. 
- São moléculas como a água, os sais minerais, os ácidos e as bases inorgânicos, como o ácido clorídrico (HCl) e o hidróxido de sódio (NaOH).
Química orgânica
É responsável pelas moléculas orgânicas, que são caracterizadas pelos compostos contendo cadeias em que átomos de carbono são ligados entre si.
· como na molécula de glicose, um açúcar utilizado como fonte de energia.
O Átomo 
Um átomo possui um núcleo central composto de prótons, que são partículas com cargas positivas, e os nêutrons, que não possuem cargas. Esse núcleo central é compacto e contém a maior parte da massa do átomo. No entorno, encontramos a eletrosfera, onde estão dispostos os elétrons. 
Os elétrons possuem carga negativa. Em um átomo eletricamente neutro, o número de prótons é igual ao número de elétrons. Se um átomo ganha elétrons, ele fica com carga negativa, tornando-se um ânion. Já quando perde elétrons, ele fica com carga positiva, tornando-se um cátion. Observe a figura a seguir.
 Formação de compostos iônicos 
Atenção
É importante destacar que não é possível ganhar ou perder as partículas do núcleo, apenas na eletrosfera.
Moléculas
Os átomos dos elementos se combinam para formar estruturas mais estáveis que chamamos de moléculas. Com exceção dos gases nobres, os elementos da tabela periódica são capazes de se ligar compartilhando elétrons, como é o caso da ligação covalente, ou doando e recebendo elétrons, no caso da ligação iônica.
Dos elementos químicos presentes na tabela periódica, 22 deles estão presentes no organismo humano, sendo os principais:
· Oxigênio
· Carbono
· Hidrogênio
· Nitrogênio
· Enxofre
Os quatro primeiros correspondem a 98% da massa do corpo humano.
Saiba mais
Biomoléculas são moléculas que participam da estrutura e do funcionamento da matéria viva. São compostos de carbonos, e os principais são: proteínas, carboidratos, lipídeos.
A Bioquímica e a condição vital
Diferencia os organismos vivos da matéria inanimada
Estrutura complexa e alto índice de organização 
A célula é a unidade fundamental do ser vivo. As bactérias são exemplos de seres vivos simples, cuja estrutura celular não possui membranas internas, o núcleo fica disperso no citoplasma.
O organismo humano é bem mais complexo, com células eucarióticas, ou seja, que possuem membrana nuclear e outras organelas membranosas. Por ser pluricelular, essas células devem estar organizadas, manter uma comunicação entre si, além de metabolismo regulado.
Adaptação ao meio e evolução 
Ao longo do tempo, as espécies sofreram lentamente um processo de evolução, de forma que vão se adaptando melhor ao meio em que vivem.
Capacidade de autorreplicação e automontagem 
Os organismos vivos são capazes de se reproduzir, o que leva à perpetuação das espécies. Uma bactéria em meio aos nutrientes é capaz de gerar duas outras exatamente iguais em um intervalo de 20 a 30 minutos. A replicação das espécies é baseada na informação contida no material genético delas.
Saiba mais
Já os vírus não podem ser considerados seres vivos, uma vez que dependem da maquinaria de uma célula hospedeira para se reproduzirem, eles não são autorreplicativos.
Extração, transformação e utilização da energia 
Essa energia é encontrada no meio ambiente, sob forma de nutrientes químicos ou luz solar.
As células necessitam obter nutrientes químicos ou luz solar do meio ambiente para transformar em energia e realizar trabalho, por exemplo, mecânico, como a contração muscular. 
A contração muscular só acontece quando há a presença de cálcio e ATP, permitindo a interação entre as proteínas actina e miosina. Compreenderemos que uma nutrição balanceada é essencial para o funcionamento adequado do nosso organismo. 
A água
O organismo humano é constituído em grande parte de água. Crianças têm, em média, 80% de água; idosos podem ter um conteúdo bem menor de água no organismo, chegando a 50% ou menos.
O nosso organismo pode ser considerado um imenso meio aquoso, e a água possui propriedades que afetam a estrutura e a função de todos os outros constituintes celulares.
A água é responsável por 70% do peso total de uma célula. As moléculas de água interagem entre si por forças não covalentes, chamadas ligações de hidrogênio, que fazem com que ela tenha ponto de fusão, ebulição e calor de vaporização mais alto do que outros solventes comuns.
Essa característica se deve à geometria da molécula em função da distribuição dos elétrons em torno dos átomos de hidrogênio e oxigênio, conforme ilustra a figura a seguir.
Como podemos observar, o núcleo do átomo de oxigênio atrai mais os elétrons do que os átomos de hidrogênio, uma vez que o átomo de oxigênio é mais eletronegativo, ficando com carga parcial negativa (δ-) e a carga parcial positiva (δ+) sobre o átomo de hidrogênio, sendo, portanto, uma molécula polar.
Como existem dois pares de elétrons não ligantes, a molécula assume uma forma angular. Dessa forma, existe uma atração eletrostática entre o átomo de oxigênio de uma molécula e o hidrogênio de outra, formando as ligações de hidrogênio.  
Essas ligações de hidrogênio podem ser formadas entre as moléculas de água (indicada pelas linhas paralelas em amarelo) ou entre as moléculas de água e soluto polares, contendo átomos eletronegativos, como oxigênio e nitrogênio. Álcoois, aldeídos, cetonas e compostos contendo ligações N – H formam ligações de hidrogênio com a água.
As biomoléculas polares terão tendência a se dissolver na água, formando interações água soluto conforme ilustra a figura a seguir:
 Polaridade de moléculas da água 
 
 Moléculas anfipáticas
Algumas moléculas possuem tanto uma porção hidrofílica ou polar quanto hidrofóbica ou apolar. Neste caso, a molécula é anfipática.
Nesse tipo de molécula, a porção polar interage com a água e a porção apolar tende a evitar o contato com a água formando estruturas que são chamadas de micelas. Os grupos apolares se aproximam e formam interações hidrofóbicas, conforme ilustram as imagens a seguir.
Equilíbrio em soluções de tensão
Funções da água
Transporte de substâncias 
A presença de água nos organismos mais primitivos permite que haja o processo de difusão. Pode ser uma forma de eliminar toxinas do organismo, como é o caso da urina nos seres humanos e animais. As células apresentam-se em estado coloidal (rico em água), o que facilita o transporte de substâncias.
Facilita reações químicas 
Reações químicas ocorrem mais facilmente com os reagentes em estado de solução.
Em algumas reações químicas, a união entre moléculas ocorre com formação de água como produto, chamada de síntese por desidratação. As reações de quebra de moléculas em que a água participa como reagente são denominadas reações de hidrólise.
Função de termorregulação 
· Seres vivos só podem existir em uma estreita faixa de temperatura;
· A água evita variações bruscas de temperatura dos organismos;
· A transpiração diminui a temperatura corporal de mamíferos.
Função lubrificante 
· Nas articulações e entre os órgãos, a água exerce um papel lubrificante para diminuir o atrito entre essas regiões; 
· A lágrima diminui o atrito das pálpebras sobre o globo ocular;
· A saliva facilita a deglutição dos alimentos.
Função de equilíbrio osmótico 
Solução é um tipo de dispersão em que o disperso tem proporções nanométricas (10-9m), ou seja, o disperso é constituído por átomos, íons ou moléculas.
É uma mistura homogênea composta de dois ou mais componentes:
Solução = soluto + solvente
· Solvente ou dispersante: É o componente da solução que se apresenta em maior quantidade, que dissolverá o soluto.
· Soluto ou disperso: É o componente que se apresenta em menor quantidade. É a substância que será dissolvida nosolvente.
Função de equilíbrio ácido-base 
Funções inorgânicas:
· Ácido: Substâncias que em meio aquoso liberam íons H+(aq) ou H3O+.
Ionização de ácidos em meio aquoso:
HCl(g) + H2O → H3O+ + Cl- (aq)
H2SO4 + H2O → H3O+ + SO4- (aq)
HNO3 + H2O → H3O+ + NO3- (aq)
· Base: Substâncias que em meio aquoso liberam íons OH-(aq).
Dissociação de bases em meio aquoso:
NaOH(s) + H2O → Na+(aq) + OH- (aq)
Ca(OH)2 + H2O → Ca2+(aq) + 2OH- (aq)
Al(OH)3 + H2O → Al3+(aq) + 3OH- (aq)
Exemplo
Para conhecer um exemplo da água exercendo a função de equilíbrio osmótico, leia o texto “Exemplo da função da água como equilíbrio osmótico”.
Força de ácidos e Bases
Antes de falarmos sobre a força de ácidos e bases, vamos conhecer alguns conceitos:
Grau de Ionização (α)
Capacidade que o ácido, ou a base, apresenta de formar íons em solução aquosa. Quanto maior esta capacidade, mais forte é considerado o ácido ou a base. 
Medida de pH — potencial hidrogeniônico
Indica a concentração de íons H+ ou H3O+ em uma solução aquosa, indicando acidez ou alcalinidade.
É importante saber que:
· H+
· Quanto mais íons H+, mais ácida é a solução e menor é o valor do pH.
· pH
· O pH de soluções aquosas pode ser medido por meio de eletrodos de vidro, sensíveis a concentrações de H+ , conforme ilustra a figura a seguir:
Observe a escala do pH:
O ácido clorídrico é considerado um ácido forte, que em meio aquoso se dissocia completamente.
HCl em água
H+ + Cl-
A escala de pH é uma medida logarítmica, isso significa que se duas medidas diferem em uma unidade, uma solução apresenta dez vezes mais íons H+ que a outra.
pH= -log10 [H+]
Exemplo
· Coca-cola pH 3,0
· Sangue pH 7,4
Nesse caso, a Coca-cola possui 10 mil vezes mais concentração de H+ que o sangue.
Tampões Biológicos
Sistema tampão é um sistema aquoso que resiste a alterações do seu pH quando pequenas quantidades de ácido (H+) ou base (OH-) são adicionadas.
Consiste de um ácido fraco e sua base conjugada em concentrações aproximadamente iguais, conforme ilustra a figura a seguir:
 Curva de tamponamento do sistema tampão ácido acético — acetato 
A região de tamponamento corresponde à região de pH de 3,76–5,76. No ponto central da região de tamponamento do par tampão ácido acético — acetato, a concentração do doador de prótons (ácido acético) é exatamente igual a do aceptor de prótons (acetato), e a força de tamponamento do sistema é máxima.
O pH nesse ponto na curva de titulação é igual ao seu pKa = 4,76. O tamponamento é a capacidade de uma solução resistir a variações de pH.
Observe no gráfico a seguir:
No experimento com o sistema tampão não há praticamente variação de pH quando pequenas quantidades de uma solução ácida são adicionadas.
No experimento com água, há variação de pH, já que ela não possui poder tamponante.
Adição de HCl 
Os principais sistemas-tampão em nosso organismo são:
· 1 Tampão fosfato
· 2 Tampão bicarbonato
· 3 Proteína hemoglobina
Atenção
O tampão bicarbonato é o sistema mais eficiente no organismo humano, mantém o pH sanguíneo estável — regula a homeostase do organismo mantendo o pH sanguíneo na faixa normal de 7,4.
 Representação esquemática do sistema no tampão bicarbonato 
Variações de pH sanguíneo podem levar a estados patológicos denominados acidose e alcalose, que podem decorrer de duas maneiras distintas: respiratória e metabólica.
Veremos adiante que alterações de pH resultam em alterações na estrutura e função das proteínas no organismo, resultando em graves consequências para o organismo.