A Química da célula
A química comanda nossas vidas
• Os maiores avanços da biologia decorrem
exatamente da compreensão do
funcionamento das moléculas dos seres vivos.
• Um passo decisivo foi entender que grande
parte da atividade das células implica reações
químicas que , em conjunto chamamos de
metabolismo.
• Veja uma lista de exemplos de como
substâncias químicas estão relacionadas às
nossas vidas:
a) O estudo dos mecanismos de defesa do
organismo contras as doenças mostrou a
importância de moléculas especiais, os
anticorpos, que “combatem” as moléculas
estranhas dos microrganismos invasores.
b) Características genéticas, como grupo
sanguíneos e tipo de cabelo, por exemplo, são
transmitidas de pais para filhos por meio de
informações químicas contidas nas moléculas do
DNA.
c) Diabéticos, pessoas cujo pâncreas não funciona
corretamente, ao tomarem a substância insulina,
vêem os sintomas de sua doença desaparecerem.
Isso porque, em diabéticos, o pâncreas não
produz insulina ou a fabrica em quantidade
insuficiente.
d) Uma doença chamada anemia ferropriva, em
que há menor quantidade de glóbulos
vermelhos no sangue, é tratada entre outras
coisas, com sais de ferro e vitamina B12.
• O assunto química celular, procura mostrar o
papel dos elementos inorgânicos e orgânicos
dentro de uma célula.
• Então pergunta-se:
QUEM SÃO AS SUBSTÂNCIAS QUE COMPÕEM UM
ORGANISMO?
• A resposta a essa pergunta depende da análise de
um pedaço de um organismo qualquer. Como um
pedaço de fígado bovino, teremos:
SUBSTÂNCIAS INORGÂNICAS
SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS
Água
Carboidratos
Vitaminas
Sais minerais
Lipídios
Aminoácidos e proteínas
Ácidos nucléicos
• Esta tabela acaba sendo uma lista básica daquilo
que existe em todos os seres vivos. As
substâncias inorgânicas e orgânicas.
• As inorgânicas, como a água e os sais minerais,
são substâncias simples, formadas por pequenas
moléculas e encontradas facilmente fora dos
seres vivos. As substâncias orgânicas, como
proteínas e os lipídios, são mais complexas e
apresentam carbono.
• As substâncias orgânicas da tabela encontram-se
normalmente associadas aos seres vivos.
• A tabela a seguir dá uma idéia da
porcentagem média de algumas substâncias
encontradas em células de animais e vegetais.
Constituintes das
células
Animais (%)
Vegetais (%)
Água
60,0
70,0
Sais minerais
4,3
2,45
Carboidratos
6,2
18,0
Lipídios
11,7
0,5
Proteínas
17,8
4,0
Água
• Não é possível hoje, imaginarmos que possa
existir vida sem a água.
• Mas por que esta é tão fundamental????
• É considerada um dos melhores solventes da
natureza, dissolve uma infinidade de tipos de
substâncias. Por causa desta característica a água
é capaz de transportar substâncias, tanto dentro
das células quanto entre uma célula e outra.
Nutrientes, gases da respiração, excretas, tudo
isso se difunde na água e é por ela carregado.
• A água favorece também a ocorrência de
reações químicas (enzimáticas). Isso porque
as moléculas em solução estão em constante
movimento, podendo “encontrar-se” e reagir
quimicamente. Para haver metabolismo é
essencial a presença de água.
• Quando se considera, não mais a célula, mas o
organismo como um todo, verifica-se que a
água tem muita importância na manutenção
da temperatura de animais e plantas
terrestres.
• De fato sua evaporação na superfície do
corpo, chamada de transpiração, retira o
excesso de calor, importante portanto, como
regulador térmico.
• A taxa de água num ser vivo depende de três
fatores: atividade do tecido, idade do
organismo e espécie estudada.
a) Atividade: quanto maior o metabolismo de
um tecido, maior é a taxa de água que nele
normalmente existe.
ÓRGÃO
Taxa de água (%)
Encéfalo
92,0
Músculo
83,0
Rins
60,8
Ossos
48,2
Dentina
12,0
b) Idade: a taxa de água normalmente decresce com a
idade. Um feto humano tem 94% de água; um recémnascido, apenas 69%.
c) Espécie: no ser humano, a água representa 63% da
massa do corpo; certos fungos têm ao redor de 83%; as
medusas (águas-vivas), 98%. As estruturas vivas mais
pobres em água, isto é, mais desidratadas, são as
sementes e os esporos de vegetais, que têm entre 10%
e 20% de água. No entanto, ficam em estado de vida
latente, somente voltando a atividade quando a
disponibilidade hídrica aumenta.
Sais minerais
• Os sais minerais são encontrados tanto nas
células vivas como na natureza não-vivas.
• Os sais minerais existem nos seres vivos sob
duas formas básicas: dissolvidos em água e
imobilizados como componentes dos
esqueletos.
Dissolvidos em água, sob forma de íons: os íons
minerais são tão importantes que pequenas
variações na sua porcentagem modificam
profundamente as propriedades da célula, como
a permeabilidade da membrana, a viscosidade do
citoplasma e a capacidade de responder a
estímulos.
• A concentração total dos íons minerais nos
líquidos celulares tem relação direta com a
entrada e saída de água na célula.
ÍONS
Observações
Sódio
Sua concentração dentro da célula é sempre menor do que fora dela.
As membranas celulares expulsam constantemente o sódio que
tende a penetrar na célula, controlando assim o impulso nervoso.
Potássio
Inversamente ao sódio, é mais abundante dentro da célula do que
fora dela. Sódio e potássio se relacionam para manter o sistema
nervoso. Além disso potássio é importante para que ocorram as
contrações musculares.
Cálcio
Necessário para a ação de certas enzimas, como as envolvidas na
coagulação, além de participar de constituição dos ossos e dentes.
Magnésio
Presente na molécula de clorofila, ajuda na manutenção dos ossos.
Ferro
Presente na molécula de hemoglobina, que transporta o oxigênio,
substâncias importantes que participam do processo de respiração
celular.
Fosfato
Indispensável para as transferências de energia dentro da célula,
ajuda na formação da molécula de ATP.
As reações da vida – entendendo o
metabolismo
• Metabolismo, como já vimos no começo, é o
conjunto das reações químicas que ocorrem
num organismo.
• Mas como explicar a importância das reações
químicas fora do organismo?
• Um grande trunfo foi o fato de que muitas das
reações do metabolismo podem ocorrer fora do
organismo, em tubo de ensaio, exatamente como
qualquer outra reação química não relacionada à
vida.
• Um exemplo famoso a tempos foi desenvolvido
na Alemanhã com células vivas de leveduras,
organismos utilizado na fabricação de pão, eram
capazes de transformar uma solução de açúcar
em gás carbônico e álcool, no processo da
fermentação.
• Foi demonstrado portanto, que a fermentação
do açúcar, não dependia das células vivas,
nem das células da levedura propriamente,
mas sim de uma substância química.
• Isso abriu um caminho para entender como
funciona uma importante categoria de
substâncias químicas celulares, as enzimas
que funcionam não apenas no interior das
células, mas também em tubo de ensaio.
Açúcares e Gorduras: energia
armazenada
As substâncias energéticas
• Os carboidratos que compreendem os açúcares, e
os lipídios dentre os quais encontramos as
gorduras, são duas substâncias orgânicas
fundamentais para a vida.
• De maneira geral, os carboidratos são
relacionados ao fornecimento de energia
imediato para a célula,enquanto os lipídios têm
frequentemente um papel de reserva energética.
• Também é importante ressaltar que nem todo
carboidrato tem papel energético, e da
mesma forma que nem todo lipídio serve de
reserva energética.
Carboidratos
• Os carboidratos, moléculas orgânicas
constituídas por carbono, hidrogênio e
oxigênio, são as principais substâncias
produzidas pelas plantas durante o processo
de fotossíntese. Costumam ser utilizados pelas
células, tanto animais quanto vegetais, como
combustível.
• Os carboidratos mais simples são os
monossacarídeos. Oligossacarídios e
polissacarídeos são moléculas maiores,
formadas por vários monossacarídeos
reunidos.
Monossacarídeos
• Os monossacarídeos têm normalmente a
fórmula C n(H2O)n, em que n geralmente varia
de três a sete. Os mais freqüentes nos
organismos são as pentoses (5 C) e as hexoses
(6 C).
Monossacarídeos
Carboidrato
Papel biológico
Pentose
ribose
Matéria-prima necessária à produção de ácido
ribonucléico (RNA)
Pentose
desoxirribose
Matéria-prima necessária à produção de ácido
desoxirribonucléico (DNA)
Hexose
glicose
A molécula mais usada pelas células na obtenção
de energia. Fabricada pelas partes verdes dos
vegetais, na fotossíntese, é abundante em
vegetais, no sangue e no mel.
Hexose
frutose
Desempenha papel fundamentalmente
energético
Hexose
galactose
Um dos monossacarídeos componentes do leite,
também tem papel energético.
Oligossacarídeos
• Os oligossacarídeos são moléculas
constituídas pela reunião de dois a dez
monossacarídeos.
• Os oligossacarídeos mais importantes são os
dissacarídeos, como a sacarose (açúcar
comum), a lactose (açúcar do leite) e a
maltose (açúcar do malte).
Polissacarídeos
• Os polissacarídeos são macromoléculas, ou
seja, moléculas muito grandes, às comuns são
o amido, o glicogênio e a celulose.
Dissacarídeos
Monossacarídeos
constituintes
Ocorrência
Papel biológico
sacarose
Glicose + frutose
Em muitos vegetais. Papel energético
Abundante na canade- açúcar e na
beterraba
lactose
Glicose + galactose
Encontrada no leite
maltose
Glicose + glicose
Encontrada em
Papel energético
alguns vegetais;
provém também da
digestão do amido
no tubo digestivo
Papel energético
Polissacarídeos
Monossacarídeos
constituinte
Ocorrência
Papel biológico
amido
Muitas moléculas
de glicose
Encontrado em
Reserva energética
raízes, caules e
folhas. O excesso de
glicose produzido
na fotossíntese é
armazenado na
forma de amido
celulose
Muitas moléculas
de glicose
Componente
esquelético da
parede de células
vegetais, é o
carboidrato mais
abundante na
natureza
Funciona como
reforço da parede
celular
glicogênio
Muitas moléculas
de glicose
Encontrado no
fígado e nos
músculos
Constitui a reserva
energética dos
animais
• Quando um animal ingeri dissacarídeos ou
polissacarídeos, seu sistema digestivo tem a
tarefa de transformá-lo em monossacarídeos,
sem o que a absorção desse tipo de
carboidrato não ocorreria.
• Essa “quebra” das moléculas é chamada de
hidrólise, porque acontece pela adição de
moléculas de água.
• Da mesma forma que a saída de moléculas de
água une os monossacarídeos uns aos outros,
a adição química de água separa os
monossacarídeos que constituem moléculas
grandes.
• No tubo digestivo dos animais substâncias
especiais, as enzimas, apresentam a hidrólise
das substâncias ingeridas.
• Apesar de amido, celulose e glicogênio serem
constituídos pelas mesmas unidades (glicose),
a diferença entre eles reside no tipo de ligação
entre as glicoses e na conformação espacial
das moléculas.
• O papel biológico desses três polissacarídeos
também é bastante diferente. O amido além
de ser uma reserva energética dos vegetais, é
um importante alimento para os animais.
• A celulose, porém é de difícil digestão, sendo
raros os organismos que apresenta a enzima
celulase necessária à sua hidrólise. O ser
humano, por exemplo, não produz celulase.
• O glicogênio é uma substância usada como
reserva energética pelos animais, quando nossas
células exigem maior demanda de glicose, estão
passam as ser liberadas gradativamente pelas
células musculares e do fígado.
Lipídios
• Os lipídios são substâncias muito abundante
em animais e vegetais. Compreendem os
óleos, as gorduras, as ceras, os lipídios
compostos (fosfolipídios), e os esteróides.
Lipídios simples
Óleos e gorduras
(glicerídeos)
Reserva energética de animais e vegetais.
Nas aves e nos mamíferos, funcionam
como isolante térmico, impedindo perda de
calor pela pele. Funcionam também como
amortecedores contra impactos mecânicos
Lipídios simples
ceras
Impermeabilização de superfícies sujeitas á
desidratação, como superfícies de folhas e
frutas
Lipídios compostos
fosfolipídios
Participante da formação da membrana
plasmática, mantendo seu papel de
permeabilidade seletiva
Esteróides
colesterol
Componente das membranas celulares
Esteróides
Testosterona,
progesterona
Hormônios relacionados com atividade
sexual, características sexuais secundárias e
gravidez
• Os lipídios simples originam-se da reação
entre um álcool e um ácido graxo. Mesmo
quando armazenados no tecido adiposo, os
lipídios são removidos e repostos em curto
espaço de tempo.
• Os lipídios compostos além de ácido graxo e
do álcool, existe a adição do fósforo. Os
fosfolipídios são componentes importantes da
membrana plasmática.
• Os esteróides têm estrutura química bastante
diferente do resto dos lipídios, são mais longas
e complexas. Além de componentes da
membrana plasmática das células animais,
funcionam como hormônio no metabolismo
sexual.
As substâncias da vida
• As macromoléculas da vida: o papel das
proteínas e dos ácidos nucléicos está
diretamente relacionado ao controle de tudo
o que a célula é, e de tudo o que a célula faz.
Proteínas
• As proteínas são componentes obrigatórios
dos seres vivos, aparecendo até nos vírus, que
não têm estrutura celular. Um de seus papéis
fundamentais está relacionado à construção
de matéria viva.
• Reposição de material celular desgastado e
crescimento dependem, portanto, da
fabricação de proteínas com auxílio dos
ribossomos.
• Algumas proteínas desempenham uma função
de regulação do metabolismo celular: trata-se
das enzimas, sem as quais as reações químicas
numa célula não seriam possíveis.
• Outras proteínas ainda, os anticorpos,
defendem o organismo das invasões de
agentes externos.
Aminoácidos: as unidades de
construção da proteína
• As proteínas são moléculas grandes e de
estruturas complexa. Na realidade, uma
molécula de proteína é constituída por muitas
unidades menores, ligadas entre si: os
aminoácidos.
Aminoácidos naturais e essenciais
• Enquanto os vegetais são capazes de fabricar os
vinte aminoácidos necessários à produção de
suas proteínas, as células animais não sintetizam
todos, devendo adquirir alguns dos alimentos.
• Chamamos naturais os aminoácidos que um
organismo animal é capaz de produzir. Os
aminoácidos que devem ser por ele ingeridos são
ditos essenciais, já que são obrigatórios para a
síntese de suas proteínas e para sua
sobrevivência.
• Nós produzimos doze dos vinte aminoácidos
naturais, mas somos obrigados a obter os
outros oito essenciais.
Aminoácidos naturais
Aminoácidos naturais
Aminoácidos essenciais
Glicina
Histidina
Fenilalanina
Alanina
Asparagina
Valina
Serina
Glutamina
Triptofano
Cisteína
Prolina
Treonina
Tirosina
Lisina
Ácido aspártico
Leucina
Ácido glutâmico
Isoleucina
arginina
Metionina
• Nem todas as proteínas dos alimentos contêm todos os
aminoácidos essenciais. Na gelatina, por exemplo, falta o
aminoácido triptofano, essencial ao ser humano. Assim,
uma alimentação variada é muito importante, já que o
aminoácido que falta num alimento poderá estar presente
em outro.
• “Hidroxi triptofano, ou 5-HTP, é um percursor do
importante neurotransmissor serotonina, que regula vários
processos vitais no corpo, incluindo o sono, a estabilidade
emocional, a sensibilidade à dor e as ânsias. A falta deste
neurotransmissor pode originar os seguintes sintomas:
depressão, insônia, ansiedade, enxaquecas e apetite
incontrolável. O 5-HTP pode ajudar a diminuir estes
sintomas. ”
• Por outro lado, as proteínas do leite, da carne
e da clara do ovo são ditas “completas”, no
sentido de que elas suprem nossas
necessidades de aminoácidos essenciais.
Proteína: relação
entre forma e função
Em muitas
proteínas, a forma
determina seu
papel biológico.
Proteínas
diferentes, tendo
formas diferentes,
apresentam
atividade biológica
diferente.
• Proteína “deformada” perde sua função.
Quando uma proteína é submetida a certos
tratamentos químicos, ou então a
temperaturas elevadas, ela se altera, muitas
vezes de modo permanente, o que é chamado
de desnaturação. Isso acontece quando o
tratamento empregado rompe certas ligações
químicas que mantinham a forma da
molécula.
• Fica fácil agora compreender o motivo pelo
qual as células vivas não sobrevivem,
normalmente, em temperaturas superiores a
45-50ºC; suas proteínas celulares se
deformam e perdem a capacidade de
desempenhar suas funções.
• Um exemplo de desnaturação é observado
quando cozinhamos um ovo: a clara, rica em
albumina (proteina), logo endurece, não
voltando a se liquefazer após o resfriamento.
A albumina se desnatura, sofrendo
coagulação.
Proteína: material de construção
• As proteínas têm um importante papel
estrutural, ou seja, muitas delas fazem parte
da estrutura da matéria viva.
• O hialoplasma, por exemplo, é constituído
principalmente por água e proteínas. Nas
membranas celulares sempre estão presentes
proteínas associadas a lipídios.
Proteína
estrutural
Ocorrência
Papel biológico
colágeno
Abundante nos tendões, cartilagem e
ossos. Presente ainda na pele, á qual
confere resistência.
A resistência de um osso é
responsabilidade do
colágeno, enquanto o
cálcio determina sua
rigidez.
queratina
Presente na superfície da pele, nas
garras, unhas, bicos e pêlos dos
vertebrados
Tem importante papel de
impermeabilização das
superfícies dos vertebrados
Actina e
miosina
Principais componentes dos músculos
São proteínas contráteis,
portanto, fundamentais
para o movimento
albumina
É a proteína mais abundante do
plasma, a parte líquida do sangue, ao
qual confere certa viscosidade e
pressão à esse flúido
Presente também na clara
do ovo
Enzimas: proteínas catalizadoras
• Numa célula, a manutenção da vida depende
da ocorrência de reações químicas variadas.
Assim, o tempo todo, novas moléculas são
montadas: açúcar, como a glicose, são
oxidados, liberado energia; moléculas
grandes, são “quebradas”, num processo que
chamamos de digestão.
• A realização de todas essas reações químicas
depende em grande parte da presença de
proteínas especiais, as enzimas, que facilitam a
ocorrência das reações. Substâncias com essas
propriedades são chamadas de catalisadoras.
• O papel de qualquer enzima é muito específico;
isso quer dizer que uma determinada enzima
facilita a ocorrência de uma determina reação.
Enzima
Papel no organismo
Lipase
Facilita a digestão de lipídios
Lactase
Facilita a digestão da lactose
DNA polimerase
Catalisa a duplicação do DNA
Ribonuclease
Facilita a digestão do RNA
catalase
Facilita a decomposição da água oxigenada
Condições para que a enzima
funcione: pH e temperatura
• Temos hoje muitas informações a respeito do
funcionamento das enzimas, pois elas
também atuam em tubo de ensaio, e não
apenas na célula viva.
• Em vários experimentos feitos em laboratório,
descobriu-se por exemplo, que a eficiência de
uma enzima depende o pH e da temperatura.
• Cada enzima funciona melhor num
determinado valor de pH, que é dito ótimo.
Acima ou abaixo do ótimo, sua função é
menos eficiente.
• A amilase salivar, que inicia na boca a digestão
do amido do pão, tem ótimo desempenho em
pH em torno de 7,0(neutro), e deixa de
funcionar em condições de acidez extrema,
como ocorre no estômago.
• A pepsina, enzima do estômago que digere
proteínas, é mais eficaz em pH ácido (ao redor de
2,0).
• Da mesma forma que o pH, cada enzima tem
uma temperatura ótima de funcionamento. A
velocidade da reação é máxima na temperatura
ótima. Dependendo da enzima, a temperatura
pode variar de 0 a 40 ºC. Acima disso, as
proteinas perdem função, desnaturam.
Proteínas de defesa: os anticorpos
• Quando uma proteína estranha (antígeno)
penetra num organismo animal, ocorre a
produção de uma proteína de defesa chamada
anticorpo. A molécula de anticorpo se liga
quimicamente ao antígeno, neutralizando seu
efeito.
• Os anticorpos, da mesma forma que as enzimas,
são específicos; assim determinado anticorpo
atua somente contra aquele antígeno particular
que induziu sua formação.
• Desde que um certo antígeno tenha invadido
nosso corpo uma primeira vez, provocando a
fabricação de anticorpos, o organismo parece
guardar uma “lembrança”, ou formar uma
espécie de memória da estrutura da proteína
invasora.
• Isso faz com que invasões posteriores do
mesmo antígeno sejam prontamente
repelidas, porque o mecanismo de produção
do anticorpo já se encontra instalado. Dizemos
que o organismo ficou imunizado.
Proteínas que imunizam
• Vacinas: microrganismos a favor. As vacinas são
constituídas frequentemente pelo próprio
microrganismo, enfraquecido (atenuado) ou
morto, que é inoculado na pessoa que se quer
imunizar.
• Esta produz anticorpos exatamente da mesma
forma que produzia se o microrganismo fosse
virulento. Assim, sem apanhar a doença, ou
contraindo-a de forma benigna, ficamos
imunizados contra ela.
• Quando dizemos que uma vacina “pegou”, isso
significa que contraímos a forma benigna da
doença.
• Modernamente, certas vacinas têm sido
produzidas utilizando-se fragmentos do
microrganismo, isolando-se por exemplo,
algumas proteínas ou polissacarídeos da parede
de uma bactéria e fabrica-se uma vacina com
eles. Esse processo, por motivos óbvios, é bem
mais seguro do que a inoculação do
microrganismo inteiro.
Soro: quando a doença já se instalou
• Há casos em que os animais começam a agir
assim que penetram no organismo. É o caso
dos venenos de cobra, que podem matar em
algumas horas, sendo evidente não esperar a
reação do próprio organismo, já que a
produção de anticorpos é lenta. É preciso usar
anticorpos prontos.
• Esses anticorpos são conseguidos assim:
pequenas doses do veneno (antígeno) são
injetadas num animal, como o cavalo por
exemplo. Aos poucos, o cavalo fica imunizado
contra aquele tipo particular de veneno,
havendo no seu sangue um aumento na
concentração de anticorpos específicos.
• Do sangue do cavalo imunizado é separado o
soro (parte líquida), no qual ficam os
anticorpos. Esse soro tem agora a propriedade
de curar uma pessoa que tenha sido picada, já
que contém os anticorpos específicos contra
aquele veneno. Chamamos essas preparações
de anticorpos prontos de soros terapêuticos.