Moléculas Biológicas – Tipos, funções – Resumo

Carbono

Costuma-se dizer que a vida é “baseada no carbono”. Isso significa que os átomos de carbono, ligados a outros átomos de carbono ou outros elementos, formam os componentes fundamentais de muitas, se não a maioria das moléculas encontradas exclusivamente nos seres vivos. Outros elementos desempenham papéis importantes nas moléculas biológicas, mas o carbono certamente se qualifica como o elemento “base” para as moléculas nos seres vivos. São as propriedades de ligação dos átomos de carbono que são responsáveis ​​pelo seu papel importante.

Ligação de Carbono

O carbono contém quatro elétrons em sua casca externa. Portanto, pode formar quatro ligações covalentes com outros átomos ou moléculas. A molécula de carbono orgânico mais simples é o metano (CH ₄ ), no qual quatro átomos de hidrogênio se ligam a um átomo de carbono ( Figura ).

No entanto, estruturas mais complexas são feitas usando carbono. Qualquer um dos átomos de hidrogênio pode ser substituído por outro átomo de carbono ligado covalentemente ao primeiro átomo de carbono. Desta forma, longas e ramificadas cadeias de compostos de carbono podem ser feitas ( Figura a ). Os átomos de carbono podem se ligar a átomos de outros elementos, como nitrogênio, oxigênio e fósforo ( Figura b ). As moléculas também podem formar anéis, que podem se ligar a outros anéis ( Figura c). Essa diversidade de formas moleculares responde pela diversidade de funções das macromoléculas biológicas e baseia-se em grande parte na capacidade do carbono de formar múltiplas ligações com ele mesmo e com outros átomos.

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Carboidratos

Os carboidratos são macromoléculas com as quais a maioria dos consumidores está familiarizada. Para perder peso, alguns indivíduos aderem a dietas com baixo teor de carboidratos. Os atletas, em contraste, muitas vezes carregam carboidratos antes de competições importantes para garantir que tenham energia suficiente para competir em alto nível. Carboidratos são, de fato, uma parte essencial da nossa dieta; Grãos, frutas e legumes são fontes naturais de carboidratos. Os carboidratos fornecem energia ao corpo, particularmente através da glicose, um açúcar simples. Carboidratos também têm outras funções importantes em humanos, animais e plantas.

Os carboidratos podem ser representados pela fórmula (CH ₂ O) _n , onde n é o número de átomos de carbono na molécula. Em outras palavras, a proporção de carbono para hidrogênio para oxigênio é de 1: 2: 1 em moléculas de carboidratos. Carboidratos são classificados em três subtipos: monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos.

Monossacarídeos (mono- = “um”; sacchar- = “doce”) são açúcares simples, sendo o mais comum deles a glicose. Em monossacarídeos, o número de átomos de carbono geralmente varia de três a seis. A maioria dos nomes de monossacarídeos termina com o sufixo -ose. Dependendo do número de átomos de carbono no açúcar, eles podem ser conhecidos como trioses (três átomos de carbono), pentoses (cinco átomos de carbono) e hexoses (seis átomos de carbono).

Os monossacarídeos podem existir como uma cadeia linear ou como moléculas em forma de anel; em soluções aquosas, elas são geralmente encontradas na forma de anel.

A fórmula química para a glicose é C ₆ H ₁₂ O ₆ . Na maioria das espécies vivas, a glicose é uma importante fonte de energia. Durante a respiração celular, a energia é liberada da glicose, e essa energia é usada para ajudar a fazer trifosfato de adenosina (ATP). As plantas sintetizam glicose usando dióxido de carbono e água pelo processo de fotossíntese, e a glicose, por sua vez, é usada para as necessidades energéticas da planta. O excesso de glicose sintetizada é freqüentemente armazenado como amido que é decomposto por outros organismos que se alimentam de plantas.

Galactose (parte da lactose ou açúcar do leite) e frutose (encontrada na fruta) são outros monossacarídeos comuns. Embora a glicose, a galactose e a frutose tenham a mesma fórmula química (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), elas diferem estrutural e quimicamente (e são conhecidas como isômeros) devido a diferentes arranjos de átomos na cadeia de carbono ( Figura ).

Os dissacarídeos (di- = “dois”) formam quando dois monossacarídeos sofrem uma reação de desidratação (uma reação na qual ocorre a remoção de uma molécula de água). Durante esse processo, o grupo hidroxila (–OH) de um monossacarídeo se combina com um átomo de hidrogênio de outro monossacarídeo, liberando uma molécula de água (H ₂ O) e formando uma ligação covalente entre átomos nas duas moléculas de açúcar.

Os dissacarídeos comuns incluem lactose, maltose e sacarose. A lactose é um dissacarídeo que consiste dos monômeros glicose e galactose. É encontrado naturalmente no leite. A maltose, ou açúcar de malte, é um dissacarídeo formado por uma reação de desidratação entre duas moléculas de glicose. O dissacarídeo mais comum é a sacarose, ou açúcar de mesa, que é composto dos monômeros glicose e frutose.

Uma longa cadeia de monossacarídeos ligados por ligações covalentes é conhecida como polissacarídeo (poli- = “muitos”). A cadeia pode ser ramificada ou não ramificada e pode conter diferentes tipos de monossacarídeos. Polissacarídeos podem ser moléculas muito grandes. Amido, glicogênio, celulose e quitina são exemplos de polissacarídeos.

O amido é a forma armazenada de açúcares nas plantas e é composto de amilose e amilopectina (ambos polímeros de glicose). As plantas são capazes de sintetizar glicose, e o excesso de glicose é armazenado como amido em diferentes partes da planta, incluindo raízes e sementes. O amido consumido pelos animais é decomposto em moléculas menores, como a glicose. As células podem então absorver a glicose.

O glicogênio é a forma de armazenamento de glicose em humanos e outros vertebrados, e é composto de monômeros de glicose. O glicogênio é o equivalente animal do amido e é uma molécula altamente ramificada, normalmente armazenada nas células do fígado e do músculo. Sempre que os níveis de glicose diminuem, o glicogênio é quebrado para liberar glicose.

A celulose é um dos biopolímeros naturais mais abundantes. As paredes celulares das plantas são feitas principalmente de celulose, que fornece suporte estrutural para a célula. Madeira e papel são principalmente de natureza celulósica. A celulose é composta de monômeros de glicose que são ligados por ligações entre átomos de carbono específicos na molécula de glicose.

Todos os outros monômeros de glicose na celulose são virados e embalados firmemente como longas cadeias estendidas. Isso dá à celulose sua rigidez e alta resistência à tração – o que é tão importante para as células da planta.

A celulose que passa pelo nosso sistema digestivo é chamada fibra alimentar. Embora as ligações glicose-glicose na celulose não possam ser decompostas por enzimas digestivas humanas, herbívoros como vacas, búfalos e cavalos são capazes de digerir grama rica em celulose e usá-la como fonte de alimento.

Nestes animais, certas espécies de bactérias residem no rúmen (parte do sistema digestivo dos herbívoros) e secretam a enzima celulase. O apêndice também contém bactérias que quebram a celulose, dando-lhe um papel importante nos sistemas digestivos dos ruminantes.

Carboidratos servem outras funções em diferentes animais. Artrópodes, como insetos, aranhas e caranguejos, têm um esqueleto externo, chamado de exoesqueleto, que protege suas partes internas do corpo. Este exoesqueleto é feito da macromolécula biológica quitina , que é um carboidrato nitrogenado. É feito de unidades repetidas de um açúcar modificado contendo nitrogênio.

Assim, através de diferenças na estrutura molecular, os carboidratos são capazes de atender as funções muito diferentes de armazenamento de energia (amido e glicogênio) e suporte estrutural e proteção (celulose e quitina) ( Figura ).

Lipídios

Os lipídios incluem um grupo diversificado de compostos que são unidos por uma característica comum. Os lipídios são hidrofóbicos (“temerosos”), ou insolúveis na água, porque são moléculas não polares. Isso ocorre porque são hidrocarbonetos que incluem apenas ligações carbono-carbono ou carbono-hidrogênio não-polares. Os lipídios realizam muitas funções diferentes em uma célula. As células armazenam energia para uso a longo prazo na forma de lipídios chamados gorduras. Os lipídios também fornecem isolamento do ambiente para plantas e animais ( Figura ). Por exemplo, ajudam a manter as aves aquáticas e os mamíferos secos devido à sua natureza repelente à água. Lipídios são também os blocos de construção de muitos hormônios e são um importante componente da membrana plasmática. Lipídios incluem gorduras, óleos, ceras, fosfolipídios e esteróides.

Uma molécula de gordura , como um triglicerídeo, consiste em dois componentes principais – glicerol e ácidos graxos. O glicerol é um composto orgânico com três átomos de carbono, cinco átomos de hidrogênio e três grupos hidroxila (-OH). Os ácidos graxos possuem uma longa cadeia de hidrocarbonetos à qual um grupo carboxílico ácido está ligado, daí o nome “ácido graxo”. O número de carbonos no ácido graxo pode variar de 4 a 36; os mais comuns são aqueles contendo 12 a 18 carbonos. Em uma molécula de gordura, um ácido graxo é ligado a cada um dos três átomos de oxigênio nos grupos -OH da molécula de glicerol com uma ligação covalente ( Figura ).

Durante esta formação de ligação covalente, três moléculas de água são liberadas. Os três ácidos graxos da gordura podem ser semelhantes ou diferentes. Essas gorduras também são chamadas de triglicérides porque possuem três ácidos graxos. Alguns ácidos graxos têm nomes comuns que especificam sua origem. Por exemplo, o ácido palmítico, um ácido graxo saturado, é derivado da palmeira. O ácido araquídico é derivado de Arachis hypogaea , o nome científico do amendoim.

Os ácidos graxos podem ser saturados ou insaturados. Em uma cadeia de ácidos graxos, se houver apenas ligações simples entre carbonos vizinhos na cadeia de hidrocarbonetos, o ácido graxo é saturado. Os ácidos gordos saturados são saturados com hidrogénio; em outras palavras, o número de átomos de hidrogênio ligados ao esqueleto de carbono é maximizado.

Quando a cadeia de hidrocarbonetos contém uma ligação dupla, o ácido gordo é um ácido gordo insaturado .

A maioria das gorduras insaturadas são líquidas à temperatura ambiente e são chamadas de óleos . Se houver uma ligação dupla na molécula, então ela é conhecida como gordura monoinsaturada (por exemplo, azeite de oliva) e, se houver mais de uma ligação dupla, ela é conhecida como gordura poliinsaturada (por exemplo, óleo de canola).

Gorduras saturadas tendem a ficar compactadas e são sólidas à temperatura ambiente. Gorduras animais com ácido esteárico e ácido palmítico contido na carne, e a gordura com ácido butírico contido na manteiga, são exemplos de gorduras saturadas. Mamíferos armazenam gorduras em células especializadas chamadas adipócitos, onde os glóbulos de gordura ocupam a maior parte da célula. Nas plantas, gordura ou óleo é armazenado em sementes e é usado como fonte de energia durante o desenvolvimento embrionário.

Gorduras insaturadas ou óleos são geralmente de origem vegetal e contêm ácidos graxos insaturados. A ligação dupla causa uma dobra ou uma “dobra” que impede que os ácidos graxos se empacem firmemente, mantendo-os líquidos à temperatura ambiente. Azeite, óleo de milho, óleo de canola e óleo de fígado de bacalhau são exemplos de gorduras insaturadas. As gorduras insaturadas ajudam a melhorar os níveis de colesterol no sangue, enquanto as gorduras saturadas contribuem para a formação de placas nas artérias, o que aumenta o risco de um ataque cardíaco.

Na indústria alimentícia, os óleos são hidrogenados artificialmente para torná-los semi-sólidos, levando a menos deterioração e maior prazo de validade. Simplesmente falando, o gás hidrogênio é borbulhado através de óleos para solidificá-los. Durante este processo de hidrogenação, ligações duplas do cis -Conformação na cadeia de hidrocarbonetos podem ser convertidos em ligações duplas na trans -Conformação. Isso forma uma gordura trans de uma gordura cis . A orientação das ligações duplas afeta as propriedades químicas da gordura ( Figura ).

Margarina, alguns tipos de manteiga de amendoim e gordura são exemplos de gorduras trans hidrogenadas artificialmente . Estudos recentes mostraram que um aumento de gorduras trans na dieta humana pode levar a um aumento nos níveis de lipoproteína de baixa densidade (LDL), ou colesterol “ruim”, que, por sua vez, pode levar à deposição de placas nas artérias. , resultando em doença cardíaca. Muitos restaurantes de fast food eliminaram recentemente o uso de gorduras trans , e os rótulos de alimentos dos EUA agora são obrigados a listar seu conteúdo trans- gordo.

Ácidos graxos essenciais são ácidos graxos que são necessários, mas não sintetizados pelo corpo humano. Consequentemente, eles devem ser suplementados através da dieta. Os ácidos graxos ômega-3 se enquadram nessa categoria e são um dos dois únicos ácidos graxos essenciais conhecidos para os seres humanos (sendo o outro os ácidos graxos ômega-6). Eles são um tipo de gordura poliinsaturada e são chamados ácidos graxos ômega-3 porque o terceiro carbono do final do ácido graxo participa de uma ligação dupla.

Salmão, truta e atum são boas fontes de ácidos graxos ômega-3. Os ácidos graxos ômega-3 são importantes na função cerebral e no crescimento e desenvolvimento normais. Eles também podem prevenir doenças cardíacas e reduzir o risco de câncer.

Como os carboidratos, as gorduras receberam muita publicidade negativa. É verdade que comer um excesso de alimentos fritos e outros alimentos “gordurosos” leva ao ganho de peso. No entanto, as gorduras têm funções importantes. Gorduras servem como armazenamento de energia a longo prazo. Eles também fornecem isolamento para o corpo. Portanto, gorduras insaturadas “saudáveis” em quantidades moderadas devem ser consumidas regularmente.

Os fosfolipídios são o principal constituinte da membrana plasmática. Como as gorduras, elas são compostas de cadeias de ácidos graxos ligadas a um glicerol ou a um esqueleto semelhante. Em vez de três ácidos gordos ligados, no entanto, existem dois ácidos gordos e o terceiro carbono do esqueleto de glicerol está ligado a um grupo fosfato. O grupo fosfato é modificado pela adição de um álcool.

Um fosfolípido tem regiões hidrofóbicas e hidrofílicas. As cadeias de ácidos graxos são hidrofóbicas e se excluem da água, enquanto o fosfato é hidrofílico e interage com a água.

As células são cercadas por uma membrana, que tem uma camada dupla de fosfolipídios. Os ácidos graxos dos fosfolipídios estão voltados para dentro, afastados da água, enquanto o grupo fosfato pode enfrentar tanto o ambiente externo quanto o interior da célula, ambos aquosos.

As proteínas são uma das moléculas orgânicas mais abundantes nos sistemas vivos e possuem a mais variada gama de funções de todas as macromoléculas. As proteínas podem ser estruturais, reguladoras, contráteis ou protetoras; eles podem servir no transporte, armazenamento ou membranas; ou podem ser toxinas ou enzimas. Cada célula de um sistema vivo pode conter milhares de proteínas diferentes, cada uma com uma função única. Suas estruturas, assim como suas funções, variam muito. São todos, no entanto, polímeros de aminoácidos, dispostos em uma seqüência linear.

As funções das proteínas são muito diversas porque existem 20 diferentes aminoácidos quimicamente distintos que formam longas cadeias, e os aminoácidos podem estar em qualquer ordem. Por exemplo, as proteínas podem funcionar como enzimas ou hormônios.

Enzimas, que são produzidas por células vivas, são catalisadores de reações bioquímicas (como a digestão) e geralmente são proteínas. Cada enzima é específica para o substrato (um reagente que se liga a uma enzima) sobre o qual age. As enzimas podem funcionar para romper as ligações moleculares, reorganizar as ligações ou formar novos laços. Um exemplo de uma enzima é a amilase salivar, que decompõe a amilose, um componente do amido.

Hormônios são moléculas de sinalização química, geralmente proteínas ou esteroides, secretados por uma glândula endócrina ou grupo de células endócrinas que atuam no controle ou regulação de processos fisiológicos específicos, incluindo crescimento, desenvolvimento, metabolismo e reprodução. Por exemplo, a insulina é um hormônio proteico que mantém os níveis de glicose no sangue.

As proteínas possuem diferentes formas e pesos moleculares; algumas proteínas são de forma globular, enquanto outras são de natureza fibrosa. Por exemplo, a hemoglobina é uma proteína globular, mas o colágeno, encontrado em nossa pele, é uma proteína fibrosa. A forma da proteína é fundamental para sua função. Alterações na temperatura, pH e exposição a produtos químicos podem levar a mudanças permanentes na forma da proteína, levando a uma perda de função ou desnaturação (a ser discutido em mais detalhes posteriormente). Todas as proteínas são constituídas por diferentes arranjos dos mesmos 20 tipos de aminoácidos.

Os aminoácidos são os monômeros que compõem as proteínas. Cada aminoácido tem a mesma estrutura fundamental, que consiste de um átomo de carbono central ligado a um grupo amino (-NH ₂ ), um grupo carboxilo (-COOH), e um átomo de hidrogénio. Cada aminoácido também tem outro átomo variável ou grupo de átomos ligados ao átomo de carbono central conhecido como o grupo R. O grupo R é a única diferença na estrutura entre os 20 aminoácidos; caso contrário, os aminoácidos são idênticos ( Figura ).

A natureza química do grupo R determina a natureza química do aminoácido dentro de sua proteína (isto é, se é ácido, básico, polar ou não polar).

A seqüência e o número de aminoácidos determinam, em última análise, a forma, o tamanho e a função de uma proteína. Cada aminoácido é ligado a outro aminoácido por uma ligação covalente, conhecida como uma ligação peptídica, que é formada por uma reação de desidratação. O grupo carboxilo de um aminoácido e o grupo amino de um segundo aminoácido combinam-se, libertando uma molécula de água. A ligação resultante é a ligação peptídica.

Os produtos formados por uma tal ligação são chamados polipéptidos. Embora os termos polipéptido e proteína sejam por vezes utilizados indistintamente, um polipéptido é tecnicamente um polímero de aminoácidos, enquanto o termo proteína é utilizado para um polipéptido ou polipéptidos que combinaram em conjunto, têm uma forma distinta e têm uma função única.

Estrutura proteica

Como discutido anteriormente, a forma de uma proteína é crítica para sua função. Para entender como a proteína adquire sua forma ou conformação final, precisamos entender os quatro níveis de estrutura da proteína: primária, secundária, terciária e quaternária ( Figura ).

A sequência única e o número de aminoácidos em uma cadeia polipeptídica é sua estrutura primária. A seqüência única para cada proteína é determinada pelo gene que codifica a proteína. Qualquer alteração na sequência do gene pode levar a um aminoácido diferente sendo adicionado à cadeia polipeptídica, causando uma alteração na estrutura e função da proteína. Na anemia falciforme, a cadeia da hemoglobina β tem uma única substituição de aminoácidos, causando uma alteração na estrutura e função da proteína. O que é mais notável considerar é que uma molécula de hemoglobina é composta de duas cadeias alfa e duas cadeias beta, cada uma com cerca de 150 aminoácidos. A molécula, portanto, tem cerca de 600 aminoácidos.

Devido a esta alteração de um aminoácido na cadeia, os glóbulos vermelhos normalmente bicôncavos, ou em forma de disco, assumem uma forma crescente ou “falciforme”, que obstrui as artérias. Isso pode levar a uma miríade de sérios problemas de saúde, como falta de ar, tontura, dores de cabeça e dor abdominal para quem tem essa doença.

Os padrões de dobragem resultantes de interacções entre as porções de aminoácidos do grupo não R originam a estrutura secundária da proteína. As mais comuns são as estruturas de folha plaqueadas alfa (α) -hélice e beta (β). Ambas as estruturas são mantidas em forma por ligações de hidrogênio. Na hélice alfa, as ligações formam-se entre cada quarto aminoácido e causam uma torção na cadeia de aminoácidos.

Na folha plissada β, as “pregas” são formadas por pontes de hidrogênio entre os átomos da cadeia principal da cadeia polipeptídica. Os grupos R estão ligados aos carbonos e se estendem acima e abaixo das dobras do plissado. Os segmentos plissados ​​se alinham paralelamente uns aos outros e formam-se ligações de hidrogênio entre os mesmos pares de átomos em cada um dos aminoácidos alinhados. As estruturas em hélice α e hélice plissada são encontradas em muitas proteínas globulares e fibrosas.

A estrutura tridimensional única de um polipéptido é conhecida como a sua estrutura terciária. Esta estrutura é causada por interações químicas entre vários aminoácidos e regiões do polipeptídeo. Primeiramente, as interações entre os grupos R criam a estrutura terciária tridimensional complexa de uma proteína. Pode haver ligações iônicas formadas entre grupos R em diferentes aminoácidos, ou pontes de hidrogênio além daquelas envolvidas na estrutura secundária. Quando ocorre o dobramento de proteínas, os grupos R hidrofóbicos de aminoácidos não polares estão no interior da proteína, enquanto os grupos R hidrofílicos estão no lado de fora. Os primeiros tipos de interações também são conhecidos como interações hidrofóbicas.

Na natureza, algumas proteínas são formadas a partir de vários polipeptídeos, também conhecidos como subunidades, e a interação dessas subunidades forma a estrutura quaternária. Interações fracas entre as subunidades ajudam a estabilizar a estrutura geral. Por exemplo, a hemoglobina é uma combinação de quatro subunidades polipeptídicas.

Ácidos nucleicos

Os ácidos nucleicos são macromoléculas fundamentais na continuidade da vida. Eles carregam o projeto genético de uma célula e carregam instruções para o funcionamento da célula.

Os dois principais tipos de ácidos nucleicos são o ácido desoxirribonucleico (DNA) e o ácido ribonucleico (RNA) . O DNA é o material genético encontrado em todos os organismos vivos, variando de bactérias unicelulares a mamíferos multicelulares.

O outro tipo de ácido nucleico, o RNA, está envolvido principalmente na síntese de proteínas. As moléculas de DNA nunca deixam o núcleo, mas usam um intermediário de RNA para se comunicar com o resto da célula. Outros tipos de RNA também estão envolvidos na síntese de proteínas e sua regulação.

O DNA e o RNA são compostos de monômeros conhecidos como nucleotídeos . Os nucleótidos combinam-se entre si para formar um polinucleótido, DNA ou RNA. Cada nucleotídeo é composto de três componentes: uma base nitrogenada, uma pentose (cinco carbonos) e um grupo fosfato ( Figura ). Cada base nitrogenada em um nucleotídeo é anexada a uma molécula de açúcar, que é anexada a um grupo fosfato.

Estrutura Dupla Helicoidal de DNA

O DNA tem uma estrutura helicoidal dupla ( Figura ). É composto de duas cadeias, ou polímeros, de nucleotídeos. As cadeias são formadas com ligações entre fosfato e grupos de açúcar de nucleotídeos adjacentes. Os cordões são ligados uns aos outros em suas bases com ligações de hidrogênio, e os fios se enrolam ao longo de seu comprimento, daí a descrição de “dupla hélice”, que significa uma espiral dupla.

Os grupos alternados de açúcar e fosfato ficam do lado de fora de cada filamento, formando a espinha dorsal do DNA. As bases nitrogenadas são empilhadas no interior, como os degraus de uma escada, e essas bases se combinam; os pares estão ligados entre si por ligações de hidrogênio. O par de bases de tal forma que a distância entre os backbones das duas vertentes é o mesmo ao longo de toda a molécula.