Bioquímica: biomoléculas e metabolismo

O estudo das estruturas, organização e transformação moleculares que ocorrem nas células é chamado de bioquímica. Esses processos em conjunto constituem o metabolismo, que consiste em uma série de reações fundamentais para a manutenção e reprodução dos seres vivos. 

O metabolismo está presente em todas as células vivas e é classificado em dois tipos: anabolismo e catabolismo. No anabolismo, todas as reações químicas que ocorrem partem de moléculas mais simples e objetivam a síntese de moléculas ou estruturas moleculares mais complexas. Por outro lado, no caso do catabolismo, as estruturas moleculares mais complexas passam por reações de degradação. As reações químicas do catabolismo objetivam a transformação de moléculas complexas em moléculas de estrutura mais simples. 

Na bioquímica são utilizadas diversas ferramentas e conceitos da química, principalmente da química orgânica e físico-química. Essa área de estudo pode ser, muitas vezes confundida com a biologia molecular , genética ou biofísica, que são áreas que utilizam muitos conceitos da química orgânica também. No entanto, a bioquímica é focada principalmente na compreensão da estrutura e função das biomoléculas.

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As biomoléculas são as moléculas químicas presentes em todas as células vivas. Elas são formadas por dezenas a milhares de átomos de carbono, que se organizam em um esqueleto carbônico que pode estar ligado a outros elementos químicos. 

As cadeias carbônicas se unem através de ligações simples ou duplas e formam uma diversidade de cadeias:lineares, ramificadas ou cíclicas. A forma como esses carbonos se ligam e se organizam define uma estrutura tridimensional que vai determinar sua função dentro das células. 

Existem determinados grupos funcionais que podem estar ligados aos esqueletos carbônicos e também influenciam na característica de cada molécula Dentre os grupos funcionais existentes, destacam-se os hidrocarbonetos com ligação de hidrogênio (metil, etil, fenil) e os com ligações com Oxigênio (carboxila, carbonila, éter, éster). Além desses, também existem grupos com ligação com Nitrogênio (amina e amida), com Enxofre (dissulfeto) e com Fósforo (fosforila).

Abaixo veremos alguns exemplos de biomoléculas de extrema importância nas células vivas. 

Ácidos Nucleicos

Os ácidos nucleicos são biomoléculas responsáveis por codificar e traduzir as informações que determinam a síntese de inúmeras proteínas nos seres vivos. Essas biomoléculas são chamadas de polímeros pois são formadas a partir de pequenas unidades. Esses polímeros são compostos de nucleotídeos. 

Os nucleotídeos são formados por: um grupo fosfato, um açúcar de cinco carbonos (pentose) e uma base nitrogenada (base que contém nitrogênio.

Existem dois tipos de ácidos nucleicos e eles se diferem por conta dos nucleotídeos. Um apresenta a ribose como açúcar enquanto o outro apresenta uma desoxirribose, que apresenta um oxigênio a menos em comparação à ribose. Os dois ácidos nucleicos existentes são o RNA, que apresenta ribose como açúcar, e o DNA, que apresenta a desoxirribose em sua estrutura. 

Estrutura DNA (fonte: By Lijealso - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5071986

Estrutura RNA ( Sponk, Public domain, via Wikimedia Commons)

As bases nitrogenadas também podem variar, podendo ser a adenina, guanina, timina, citosina e uracila. Essas bases são agrupadas em grupos chamados pirimidinas e purinas. Estruturalmente, cada uma dessas bases apresenta um ou dois anéis de átomos com nitrogênio. Por isso, o nome “bases nitrogenadas”. 

Os ácidos nucleicos têm uma função primordial dentro dos sistemas vivos. O DNA armazena e transmite informações genéticas enquanto o RNA é o responsável por sintetizar as proteínas a partir das informações fornecidas pelo DNA. Ou seja, todo metabolismo de uma célula depende das informações contidas no DNA e das moléculas produzidas pelo RNA. 

Carboidratos 

Os carboidratos são biomoléculas formadas por átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio. Essas moléculas são também conhecidas como hidratos de carbono ou açúcares e podem ser representadas pela fórmula (CH2O)n. 

A principal função dessas moléculas é a função energética, mas sabe-se que elas também estão relacionadas a funções estruturais. A celulose e a quitina são exemplos de carboidratos com função estrutural. Essas duas moléculas estão presentes, respectivamente, na parede celular das plantas principalmente e no exoesqueleto dos artrópodes. 

Os carboidratos podem ser classificados em monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos.

Monossacarídeos

Os monossacarídeos são carboidratos simples que formam carboidratos mais complexos. Exemplos: glicose e frutose. 

Dissacarídeos

Os dissacarídeos são carboidratos formados por dois monossacarídeos ligados por uma ligação glicosídica.Exemplos: Sacarose (glicose + frutose) e maltose (duas moléculas de glicose).

Polissacarídeos

Os polissacarídeos são carboidratos mais complexos formados por diversos monossacarídeos, ligados através de ligações glicosídicas. Exemplos: Amido (reserva energética das plantas) e Glicogênio (reserva energética dos animais).

Proteínas

As proteínas são polímeros de aminoácidos, ou seja, são biomoléculas formadas por um ou mais polipeptídeos. Todas são formadas por carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e enxofre. Essas moléculas são importantes para os seres vivos pois constituem cerca de 50% da massa seca das células.Além disso, proteínas são responsáveis por acelerar a velocidade das reações e atuar na defesa do organismo.

Proteínas Dinâmica

As proteínas dinâmicas são as proteínas envolvidas no transporte de substâncias entre as células, pela catalisação de reações químicas (controlando o metabolismo) e também na defesa do organismo. 

Proteínas Estruturais

As proteínas estruturais são responsáveis pela estruturação celular e agrupamento dos tecidos. Um dos exemplos mais clássicos de proteína estrutural é o colágeno: proteína encontrada na pele, nos ossos e nas cartilagens dos animais. 

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Lipídios

Os lipídios são biomoléculas conhecidas como “gordura”. Eles desempenham diversas funções nos organismos como, por exemplo: fonte de energia, isolante térmico, e ainda compõem a membrana plasmática celular. 

Os lipídios são compostos pela união de um álcool (glicerol) a três cadeias carbônicas longas de ácido graxo. 

O metabolismo é o conjunto de reações que ocorrem nas células responsáveis pela manutenção e equilíbrio dos sistemas. O metabolismo está presente em todas as células vivas e é classificado em dois tipos: anabolismo e catabolismo.

Catabolismo

No caso do catabolismo, as estruturas moleculares mais complexas passam por reações de degradação. As reações químicas do catabolismo objetivam a transformação de moléculas complexas em moléculas de estrutura mais simples.

Anabolismo

No anabolismo, todas as reações químicas que ocorrem partem de moléculas mais simples e objetivam a síntese de moléculas ou estruturas moleculares mais complexas.

Como já mencionado, o metabolismo consiste em uma série de reações importantes nas células. Quando o produto de uma reação torna-se o substrato de outra reação, desencadeando reações em séries, damos o nome de via metabólica. Esse conjunto de reações é chamado de metabolismo energético, envolve o catabolismo e o anabolismo.

As vias catabólicas, que vão quebrar moléculas para gerar energia, são a glicólise, ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa. Já as vias anabólicas, que vão criar novas moléculas, são a fotossíntese e a quimiossíntese, por exemplo.

Glicólise

A glicólise é a quebra da glicose, ou seja, a quebra de um carboidrato. Essa via metabólica é composta por 10 reações químicas que ocorrem no citoplasma celular. Essas reações resultam em 4 moléculas de ATP, mas com saldo de 2 ATP uma vez que durante o processo são consumidas duas moléculas de ATP. 

Fonte imagem: Andreenka, Public domain, via Wikimedia Commons

Ciclo de Krebs

Uma das moléculas finais da glicólise é o piruvato, que consiste no substrato necessário para ativar a via cíclica de Krebs. Nesse ciclo, o piruvato condensa-se com a molécula Acetil-Coenzima A e em seguida ocorrem oito reações químicas que ocorrem na matriz mitocondrial. 

Fonte imagem: User Minutemen on de.wikipedia, Public domain, via Wikimedia Commons

Fosforilação oxidativa

Durante a glicólise e o ciclo de Krebs, parte da energia produzida é armazenada em moléculas intermediárias. Essas moléculas precisam ser reoxidadas para formar o ATP, que é a molécula energética. Por isso, essas moléculas passam por um processo de fosforilação, recebendo um grupo fosfato. Esse processo é chamado de fosforilação oxidativa. 

É importante ressaltar que esse processo ocorre apenas nos seres aeróbios.

Fonte imagem: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1a/Mitochondrial_electron_transport_chain%E2%80%94Etc4_pt.svg

Ciclo da ureia

Esse ciclo ocorre no fígado e inclui a síntese de ureia a partir da amônia, gás carbônico, aspartato e bicarbonato. O ciclo ocorre em uma reação de alimentação que incorpora a amônia e quatro reações seguintes. Esse ciclo é extremamente importante pois previne os níveis citotóxicos de hiperamonemia. 

Fonte imagem: Vivian Dias (Winky), Public domain, via Wikimedia Commons

Síntese de aminoácidos

Os aminoácidos são derivados de intermediários da glicólise, do ciclo de Krebs ou da via das pentoses-fosfato. O nitrogênio NH4+ é incorporado nos aminoácidos e em seguida em outras moléculas nitrogenadas através do glutamato ou da glutamina.

Fonte imagem: Keministi, CC0, via Wikimedia Commons

β-oxidação

A beta oxidação é um processo catabólico dos ácidos graxos. Essa via consiste na oxidação mitocondrial. Os ácidos graxos sofrem remoção de muitas unidades de dois átomos de carbono na forma de acetil-CoA, por oxidação.

Fonte imagem: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/72/B-oxi-1.jpg

O desenvolvimento e aprofundamento da Bioquímica possibilitaram descobertas que mudaram os rumos da ciência e nosso nível de compreensão acerca dos seres vivos. A descoberta da estrutura do DNA, bem como a compreensão da função dessa molécula e também do RNA, foi fundamental para o desenvolvimento de diversas outras áreas. Tanto a medicina quanto a agricultura foram áreas impactadas por essa descoberta.

Considerando esse fato, além de diversos outros aspectos, conclui-se que a Bioquímica é um estudo de extrema importância no sentido de compreender os processos que permitem a manutenção da vida, além de possibilitar o desenvolvimento de técnicas e ferramentas que podem atuar na melhoria da qualidade de vida para todos os seres. 

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