Aula 1 Introdução à Bioquímica

Disciplina: Bioquímica\n\nAula 1: Introdução à Bioquímica Apresentação\n\nNesta aula, apresentaremos os conceitos importantes para a disciplina de Bioquímica e relembrarmos outros conceitos da Química como átomos, moléculas, diferenças entre as moléculas orgânicas e inorgânicas.\n\nCostumamos nos referir à Bioquímica como química da vida. Por isso, discutiremos quais são as capacidades que os organismos vivos possuem que os diferenciam da matéria inanimada.\n\nEm seguida, estudaremos mais profundamente a molécula da água, suas propriedades químicas, suas funções orgânicas e de forma ela influencia as reações metabólicas que ocorrem no organismo humano. Costumamos dizer que o organismo humano é um menos meio aquoso, pois possui em média 70% de água.\n\nPor fim, estudaremos os conceitos de ácido e base, pH e os sistemas tampão, que são essenciais para a manutenção da vida dos meios biológicos em condições ideais e, portanto, para a manutenção da vida.\n\nBons estudos! Fundamentos da Bioquímica\n\nBioquímica é uma das disciplinas-chave de todos os cursos da área de saúde e servirá de base para outras etapas da construção do seu conhecimento. Isso porque ela é a ciência que estuda a química dos processos biológicos. Nosso estudo envolve como moléculas inanimadas interagem para manter o ciclo da vida.\n\nOs processos biológicos ocorrem em todos os seres vivos desde os mais simples, como as bactérias procariontes, bem como organismos mais complexos e organizados como é o caso do ser humano, o organismo que será o foco do nosso estudo. Nosso primeiro passo será revisar alguns conceitos-chave da Química orgânica e inorgânica.\n\nQuímica inorgânica\n\nTambém conhecida como química mineral, é responsável pelo estudo dos elementos químicos e pelas substâncias que não possuem cadeias carbonícas. São estudadas moléculas como a água, os sais minerais, os ácidos e as bases inorgânicas, como o ácido clorídrico (HCl) e o hidróxido de sódio (NaOH).\n\nQuímica orgânica\n\nÉ responsável pelo estudo das moléculas orgânicas, que são caracterizadas pelos compostos contendo cadeias em átomos de carbono são ligados entre si, como na molécula de glicose, um açúcar utilizado como fonte de energia. O Átomo\nO primeiro conceito que devemos ter em mente é o do átomo, já que ele é o elemento básico que compõe a matéria. Vejamos:\n\nElétron\nNêutron\nPróton\n\nUm 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.\n\nOs elétrons possuem carga negativa. Em um átomo electricamente neutro, o número de prótons é igual ao número de elétrons. Se um átomo ganha elétrons, ele fica com carga negativa, tornando-se um íon. Já quando perde elétrons, ele fica com carga positiva, tornando-se um cát ion. Observe a figura a seguir. Na\nCl\n\nAtenção\nÉ importante destacar que não é possível ganhar ou perder as partículas do núcleo, apenas na eletrosfera.\n\nMoléculas\nOs 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.\n\nDos elementos químicos presentes na tabela periódica, 22 deles estão presentes no organismo humano, sendo os principais: O\nC\n\nH\nO\nx\ni\ng\nn\ni\nu\n\nN\n\nS\n\nH\n\n6\n12.011\n 1\n 1\nHidrogênio\n\n14.007\n 16\n\nOxigênio\n\nNitrogênio\n\n32.06\n\nEnxofre\n Os quatro primeiros correspondem a 98% da massa do corpo humano.\n\nSaiba mais\n\nBiomoléculas são moléculas que participam da estrutura e do funcionamento da matéria viva. São compostos de carbonos, e os principais são: proteínas, carboidratos, lipídeos.\n\nAtividade\n1. Observe as moléculas a seguir e identifique se são orgânicas ou inorgânicas:\na) H – O – H\nb) CH₃–CH₂OH\nc) O = C = O\nd) Na – Cl\n\nA Bioquímica e a condição vital\nVocê sabe o que diferencia os organismos vivos da matéria inanimada? Vamos ver o que caracteriza a condição vital.\n\nEstrutura complexa e alto índice de organização\nA 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.\n\nO 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.\n\nAdaptação ao meio e evolução\nAo longo do tempo, as espécies sofreram lentamente um processo de evolução, de forma que vão se adaptando melhor ao meio em que vivem.\n\nCapacidade de autorreplicação e automatagem\nOs organismos vivos são capazes de se reproduzir, o que leva à perpetuação das espécies. Uma bactéria em meio aos nutrientes é capaz de dividir-se exatamente iguais em um intervalo de 20 a 30 minutos. A replicação das espécies é levada a cabo por um material genético das mesmas.\n\nSaiba mais\n\nJá os vírus não podem ser considerados seres vivos, uma vez que dependem da maquinária de uma célula hospedeira para se reproduzirem, eles não são autorreplicativos.\n\nExtração, transformação e utilização da energia\nEssa energia é encontrada no meio ambiente, sob forma de nutrientes químicos ou luz solar.\n\nAs 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.\n\nA 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. Atividade\n2. Existem características específicas para que os organismos sejam considerados vivos. Entre outras características, os seres vivos possuem células organizadas de forma que sejam capazes de realizar autorreplicação e automatagem.\n\nAssinale o grupo que não possuí essa capacidade, e, portanto, não pode ser considerado um organismo vivo:\na) Protozoários\nb) Bactérias\nc) Vírus\nd) Algas\ne) Plantas\n\nA água F2\n\nMoléculas apolares\n\nTambém são conhecidas como hidrofóbicas (medo de água) e são incapazes de formar interação água-soluto, sendo insolúveis em água.\n\nTendem a se dissolver em solventes apolares. Uma das propriedades da água é ser um solvente universal.\n\nVamos ver um exemplo do nosso dia a dia? Para fazermos macarrão, primeiro devemos colocar água para ferver.\n\nEm seguida colocamos sal, que é o cloreto de sódio (NaCl) e óleo para que o macarrão não grude.\n\nVamos analisar?\n\nO cloreto de sódio é polar, então esperamos que ele se dissolva na água e forme uma mistura homogênea com ela.\n\nO óleo de cozinha é apolar, como a água é polar, esperamos que ele não se dissolva na água e forme uma mistura heterogênea. Atividade\n3. Observe a figura a seguir:\n\nágua + álcool\ngasolina + querosene\n\nmistura homogênea\ngasolina + água\n\nmistura heterogênea\n\nAs substâncias mostradas são polares ou apolares? Por que a gasolina e a água não se misturam?\n\nMoléculas anfipáticas\n\nAlgumas moléculas possuem tanto uma porção hidrofílica ou polar quanto hidrofóbica ou apolar. Neste caso, a molécula é anfipática.\n\nNesse 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.\n\nEquilíbrio em soluções de tensão Hidrofílico Hidrofóbico Lipofílico Monocamada Solução Micelas zona polar e hidrofílica zona apolar e hidrofóbica água óleo óleo água Funções da água Transporte de substâncias A presença de água nos organismos mais primitivos permite que haja o processo de difusão. Já os organismos mais evoluídos apresentam sistemas circulatórios mais elaborados como o sangue, hemolinfa e seiva vegetal. 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 síntese por desidratação. As reações de quebra de moléculas em que a água participa como reagente são denominadas reações de hidrólise. Função de termorregulação Serve-vos vir 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 propriedades nanométricas (10−9 m), 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 no solvente. Função de equilíbrio ácido-base Funções inorgânicas: Definições segundo Arrhenius (1887): Ácido: Substâncias que em meio aquoso liberam íons H+(aq) ou H3O+(aq). Ionização de ácidos em meio aquoso: HCl(ag) + H2O <=> H+(aq) + Cl−(aq) H2SO4(ag) + H2O <=> 2H+(aq) + SO42−(aq) HNO3(ag) + H2O <=> H+(aq) + 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(s) <=> Ca2+(aq) + 2OH−(aq) Al(OH)3(s) + 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 está 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: pH 7,0 – neutro pH 0 a 6,9 – ácido pH 7,1 a 14 – alcalino 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: A região de tamponamento corresponde à região de pH de 2,36–5,76. No ponto central da região de tamponamento do par tampão ácido acético – acetato, a concentração de doador de prótons (ácido acético) é exatamente igual a do receptor de prótons (acetato), 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 e 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. pH\n0 0,05 0,1 0,2 0,3 0,5 1 3 6 15\nVolume\n\nAdição de HCl\n\nOs principais sistemas-tampo em nosso organismo são:\n\n1 ___________\nTampão fosfato\n\n2 ___________\nTampão bicarbonato\n\n3 ___________\nProteína hemoglobina\n\nAtenção 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.\n\nRemoção de H+\n\nCO2 + H2O\n\nH2CO3\n\nH+\n\nHCO3-\n\nAdição de H+\n\nPulmão\n\nRins\n\nAumento na\nfrequência\nrespiratória\n\nRedução na\nfrequência\nrespiratória\n\nOutros\nsistemas\ntampão\n\nVariações de pH sanguíneo podem levar a estados patológicos denominados acidose e alcalose, que podem decorrer de duas maneiras distintas: respiratória e metabólica.\n\nVeremos adiante que alterações de pH resultam em alterações na estrutura e função das proteínas no organismo, resultando em graves consequências para o organismo. Atividade\n4. Observe as soluções a seguir e classifique-as como ácidas, básicas ou neutras:\n\na) Café pH 5.0\n\nb) Solução de bicarbonato de sódio pH 9.0\n\nc) Suco de limão pH 2.0\n\nd) Limpadores à base de amônia pH 12.0\n\ne) Vinho tinto pH 3.5\n\nf) Água pura pH 7.0\n\nReferências\nHARVEY, R. A.; FERRIER, D. R. Bioquímica ilustrada. 5.ed. Porto Alegre: Artmed, 2012.\nHORI, J. Bioquímica. Rio de Janeiro: Universidade Estadual de Sãu, 2015.\nNELSON, D. L.; COX, M. L. Princípios de Bioquímica. 5.ed. São Paulo: Sarvier, 2011.\nSACKHEIM, G. I.; LEHMAN, D. Q. Química e Bioquímica para Ciências Biomédicas. 1.ed. Barueri: Manole, 2001.\nSTRYER, L.; TYMOCZKO, J. L.; BERG, J. M. Bioquímica. 7.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014.\n\nPróxima aula\n• Definição e estrutura dos aminoácidos;\n• Classificação dos aminoácidos;\n• Formação de ligação peptídica.\n\nExplore mais Leia:\n\nRazões da atividade biológica: interações micro e biomacro moléculas <//gnesc.sqb.org.br/online/cadernos/03/atividade.pdf>\n\n;\n\nÁgua: o significado das fórmulas químicas <//gnesc.sqb.org.br/online/gnesc03/conceito.pdf>.