2.6: Compostos orgânicos essenciais ao funcionamento humano

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Identifique quatro tipos de moléculas orgânicas essenciais ao funcionamento humano
• Explicar a química por trás da afinidade do carbono pela ligação covalente em compostos orgânicos
• Forneça exemplos de três tipos de carboidratos e identifique as funções primárias dos carboidratos no corpo
• Discuta quatro tipos de lipídios importantes no funcionamento humano
• Descreva a estrutura das proteínas e discuta sua importância para o funcionamento humano
• Identifique os blocos de construção dos ácidos nucléicos e os papéis do DNA, RNA e ATP no funcionamento humano

Os compostos orgânicos normalmente consistem em grupos de átomos de carbono ligados covalentemente ao hidrogênio, geralmente oxigênio e, frequentemente, a outros elementos também. Eles são encontrados em todo o mundo, em solos e mares, produtos comerciais e em todas as células do corpo humano. Os quatro tipos mais importantes para a estrutura e função humana são carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucléicos. Antes de explorar esses compostos, você precisa primeiro entender a química do carbono.

A química do carbono

O que torna os compostos orgânicos onipresentes é a química de seu núcleo de carbono. Lembre-se de que os átomos de carbono têm quatro elétrons em sua camada de valência e que a regra do octeto determina que os átomos tendem a reagir de forma a completar sua camada de valência com oito elétrons. Os átomos de carbono não completam suas camadas de valência doando ou aceitando quatro elétrons. Em vez disso, eles compartilham facilmente elétrons por meio de ligações covalentes.

Comumente, os átomos de carbono compartilham com outros átomos de carbono, geralmente formando uma longa cadeia de carbono conhecida como esqueleto de carbono. Quando eles compartilham, no entanto, eles não compartilham todos os seus elétrons exclusivamente uns com os outros. Em vez disso, os átomos de carbono tendem a compartilhar elétrons com uma variedade de outros elementos, um dos quais é sempre hidrogênio. Os agrupamentos de carbono e hidrogênio são chamados de hidrocarbonetos. Se você estudar os números de compostos orgânicos no restante deste capítulo, você verá vários com cadeias de hidrocarbonetos em uma região do composto.

Muitas combinações são possíveis para preencher as quatro “vagas” do carbono. O carbono pode compartilhar elétrons com oxigênio, nitrogênio ou outros átomos em uma região específica de um composto orgânico. Além disso, os átomos aos quais os átomos de carbono se ligam também podem fazer parte de um grupo funcional. Um grupo funcional é um grupo de átomos ligados por fortes ligações covalentes e que tendem a funcionar em reações químicas como uma única unidade. Você pode pensar em grupos funcionais como “grupos” bem unidos cujos membros provavelmente não se separarão. Cinco grupos funcionais são importantes na fisiologia humana; estes são os grupos hidroxil, carboxil, amino, metil e fosfato (Tabela 2.1).

Grupos funcionais importantes na fisiologia humana

Grupo funcional	Fórmula estrutural	Importância
Hidroxil	—O—H	Os grupos hidroxila são polares. Eles são componentes de todos os quatro tipos de compostos orgânicos discutidos neste capítulo. Eles estão envolvidos na síntese de desidratação e nas reações de hidrólise.
Carboxil		Os grupos carboxila são encontrados em ácidos graxos, aminoácidos e muitos outros ácidos.
Amino	—N—H 2	Os grupos amino são encontrados nos aminoácidos, os blocos de construção das proteínas.
Metil	—C—H 3	Os grupos metil são encontrados nos aminoácidos.
Fosfato	—P—O 4 ^2—	Os grupos fosfato são encontrados nos fosfolipídios e nucleotídeos.

Tabela 2.1

A afinidade do carbono pela ligação covalente significa que muitas moléculas orgânicas distintas e relativamente estáveis, no entanto, formam facilmente moléculas maiores e mais complexas. Qualquer molécula grande é chamada de macromolécula (macro- = “grande”), e todos os compostos orgânicos nesta seção se encaixam nessa descrição. No entanto, algumas macromoléculas são compostas por várias “cópias” de unidades únicas chamadas monômero (mono- = “um”; -mer = “parte”). Como contas em um colar longo, esses monômeros se ligam por ligações covalentes para formar polímeros longos (poli- = “muitos”). Existem muitos exemplos de monômeros e polímeros entre os compostos orgânicos.

Os monômeros formam polímeros ao se envolverem na síntese de desidratação (veja a Figura 2.14). Como foi observado anteriormente, essa reação resulta na liberação de uma molécula de água. Cada monômero contribui: um libera um átomo de hidrogênio e o outro desiste de um grupo hidroxila. Os polímeros são divididos em monômeros por hidrólise (-lise = “ruptura”). As ligações entre seus monômeros são quebradas, por meio da doação de uma molécula de água, que contribui com um átomo de hidrogênio para um monômero e um grupo hidroxila para o outro.

carboidratos

O termo carboidrato significa “carbono hidratado”. Lembre-se de que a raiz hidro-indica água. Um carboidrato é uma molécula composta de carbono, hidrogênio e oxigênio; na maioria dos carboidratos, o hidrogênio e o oxigênio são encontrados nas mesmas proporções relativas de dois para um que têm na água. Na verdade, a fórmula química para uma molécula “genérica” de carboidrato é (CH ₂ O) _n.

Os carboidratos são chamados de sacarídeos, uma palavra que significa “açúcares”. Três formas são importantes no corpo. Os monossacarídeos são os monômeros dos carboidratos. Os dissacarídeos (di- = “dois”) são compostos por dois monômeros. Os polissacarídeos são os polímeros e podem consistir em centenas a milhares de monômeros.

Monossacarídeos

Um monossacarídeo é um monômero de carboidratos. Cinco monossacarídeos são importantes no corpo. Três deles são os açúcares hexósicos, assim chamados porque cada um contém seis átomos de carbono. São glicose, frutose e galactose, mostradas na Figura 2.18 a. Os monossacarídeos restantes são os dois açúcares pentoses, cada um contendo cinco átomos de carbono. São a ribose e a desoxirribose, mostradas na Figura 2.18 b.

Figura 2.18 Cinco monossacarídeos importantes

Dissacarídeos

Um dissacarídeo é um par de monossacarídeos. Os dissacarídeos são formados por síntese de desidratação, e a ligação que os liga é chamada de ligação glicosídica (glico- = “açúcar”). Três dissacarídeos (mostrados na Figura 2.19) são importantes para os humanos. São sacarose, comumente chamada de açúcar de mesa; lactose ou açúcar do leite; e maltose, ou açúcar de malte. Como você pode ver pelos nomes comuns, você os consome em sua dieta; no entanto, seu corpo não pode usá-los diretamente. Em vez disso, no trato digestivo, eles são divididos em seus monossacarídeos componentes por meio de hidrólise.

Figura 2.19 Três dissacarídeos importantes Todos os três dissacarídeos importantes se formam pela síntese de desidratação.

Link interativo

Assista a este vídeo para observar a formação de um dissacarídeo. O que acontece quando a água encontra uma ligação glicosídica?

Polissacarídeos

Os polissacarídeos podem conter alguns a mil ou mais monossacarídeos. Três são importantes para o corpo (Figura 2.20):

• Os amidos são polímeros de glicose. Eles ocorrem em cadeias longas chamadas amilose ou cadeias ramificadas chamadas amilopectina, ambas armazenadas em alimentos vegetais e são relativamente fáceis de digerir.
• O glicogênio também é um polímero de glicose, mas é armazenado nos tecidos dos animais, especialmente nos músculos e no fígado. Não é considerado um carboidrato dietético porque muito pouco glicogênio permanece nos tecidos animais após o abate; no entanto, o corpo humano armazena excesso de glicose como glicogênio, novamente, nos músculos e no fígado.
• A celulose, um polissacarídeo que é o principal componente da parede celular das plantas verdes, é o componente do alimento vegetal conhecido como “fibra”. Em humanos, a celulose/fibra não é digerível; no entanto, a fibra alimentar tem muitos benefícios à saúde. Ajuda você a se sentir saciado e comer menos, promove um trato digestivo saudável e acredita-se que uma dieta rica em fibras reduza o risco de doenças cardíacas e possivelmente algumas formas de câncer.

Figura 2.20 Três polissacarídeos importantes Três polissacarídeos importantes são amidos, glicogênio e fibra.

Funções dos carboidratos

O corpo obtém carboidratos de alimentos vegetais. Grãos, frutas e legumes e outros vegetais fornecem a maior parte dos carboidratos da dieta humana, embora a lactose seja encontrada em produtos lácteos.

Embora a maioria das células do corpo possa decompor outros compostos orgânicos como combustível, todas as células do corpo podem usar glicose. Além disso, as células nervosas (neurônios) do cérebro, da medula espinhal e do sistema nervoso periférico, bem como os glóbulos vermelhos, podem usar apenas glicose como combustível. Na decomposição da glicose em energia, moléculas de trifosfato de adenosina, mais conhecidas como ATP, são produzidas. O trifosfato de adenosina (ATP) é composto por um açúcar ribose, uma base de adenina e três grupos fosfato. O ATP libera energia livre quando suas ligações de fosfato são quebradas e, portanto, fornece energia pronta para a célula. Mais ATP é produzido na presença de oxigênio (O ₂) do que em vias que não usam oxigênio. A reação geral para a conversão da energia em glicose em energia armazenada no ATP pode ser escrita:

$${\text{C}}_{\text{6}}{\text{H}}_{\text{12}}{\text{O}}_{\text{6}}{\text{+ 6 DE}}_{\text{2}}\to {\text{6 UNIDADES}}_{\text{2}}{\text{+ 6 H}}_{\text{2}}\text{O + ATP}$$

Além de serem uma fonte crítica de combustível, os carboidratos estão presentes em quantidades muito pequenas na estrutura das células. Por exemplo, algumas moléculas de carboidratos se ligam às proteínas para produzir glicoproteínas e outras se combinam com lipídios para produzir glicolipídios, ambos encontrados na membrana que envolve o conteúdo das células do corpo.

Lipídios

Um lipídio faz parte de um grupo altamente diverso de compostos compostos compostos principalmente por hidrocarbonetos. Os poucos átomos de oxigênio que eles contêm geralmente estão na periferia da molécula. Seus hidrocarbonetos não polares tornam todos os lipídios hidrofóbicos. Na água, os lipídios não formam uma solução verdadeira, mas podem formar uma emulsão, que é o termo para uma mistura de soluções que não se misturam bem.

Triglicérides

Um triglicéride é um dos grupos lipídicos dietéticos mais comuns e o tipo encontrado mais abundantemente nos tecidos corporais. Este composto, comumente chamado de gordura, é formado a partir da síntese de dois tipos de moléculas (Figura 2.21):

• Uma espinha dorsal de glicerol no núcleo dos triglicérides consiste em três átomos de carbono.
• Três ácidos graxos, longas cadeias de hidrocarbonetos com um grupo carboxila e um grupo metil em extremidades opostas, se estendem de cada um dos carbonos do glicerol.

Figura 2.21 Triglicérides Os triglicérides são compostos por glicerol ligado a três ácidos graxos por meio da síntese de desidratação. Observe que o glicerol libera um átomo de hidrogênio, e os grupos carboxila nos ácidos graxos liberam um grupo hidroxila.

Os triglicérides se formam através da síntese de desidratação. O glicerol libera átomos de hidrogênio de seus grupos hidroxila em cada ligação, e o grupo carboxila em cada cadeia de ácidos graxos libera um grupo hidroxila. Um total de três moléculas de água são assim liberadas.

Cadeias de ácidos graxos que não têm ligações duplas de carbono em nenhum lugar ao longo de seu comprimento e, portanto, contêm o número máximo de átomos de hidrogênio são chamadas de ácidos graxos saturados. Essas correntes retas e rígidas se unem firmemente e são sólidas ou semissólidas à temperatura ambiente (Figura 2.22 a). Manteiga e banha de porco são exemplos, assim como a gordura encontrada em um bife ou em seu próprio corpo. Em contraste, ácidos graxos com uma ligação dupla de carbono são torcidos nessa ligação (Figura 2.22 b). Esses ácidos graxos monoinsaturados são, portanto, incapazes de se agrupar bem e são líquidos à temperatura ambiente. Os ácidos graxos poliinsaturados contêm duas ou mais ligações duplas de carbono e também são líquidos à temperatura ambiente. Os óleos vegetais, como o azeite de oliva, normalmente contêm ácidos graxos mono e poliinsaturados.

Figura 2.22 Formas de ácidos graxos O nível de saturação de um ácido graxo afeta sua forma. (a) As cadeias de ácidos graxos saturados são retas. (b) As cadeias de ácidos graxos insaturados estão torcidas.

Enquanto uma dieta rica em ácidos graxos saturados aumenta o risco de doenças cardíacas, acredita-se que uma dieta rica em ácidos graxos insaturados reduza o risco. Isso é especialmente verdadeiro para os ácidos graxos insaturados ômega-3 encontrados em peixes de água fria, como o salmão. Esses ácidos graxos têm sua primeira ligação dupla de carbono no terceiro hidrocarboneto do grupo metil (conhecido como a extremidade ômega da molécula).

Finalmente, acredita-se que os ácidos graxos trans encontrados em alguns alimentos processados, incluindo algumas margarinas em palito, sejam ainda mais prejudiciais ao coração e aos vasos sanguíneos do que os ácidos graxos saturados. As gorduras trans são criadas a partir de ácidos graxos insaturados (como óleo de milho) quando tratadas quimicamente para produzir gorduras parcialmente hidrogenadas.

Como grupo, os triglicérides são uma importante fonte de combustível para o corpo. Quando você está descansando ou dormindo, a maior parte da energia usada para mantê-lo vivo é derivada dos triglicérides armazenados nos tecidos adiposos (adiposos). Os triglicérides também estimulam atividades físicas longas e lentas, como jardinagem ou caminhadas, e contribuem com uma porcentagem modesta de energia para atividades físicas vigorosas. A gordura dietética também auxilia na absorção e transporte das vitaminas não polares lipossolúveis A, D, E e K. Além disso, a gordura corporal armazenada protege e amortece os ossos e órgãos internos do corpo e atua como isolamento para reter o calor corporal.

Os ácidos graxos também são componentes dos glicolipídios, que são compostos de açúcar e gordura encontrados na membrana celular. As lipoproteínas são compostos nos quais os triglicérides hidrofóbicos são embalados em envelopes proteicos para transporte nos fluidos corporais.

Fosfolípidos

Como o próprio nome sugere, um fosfolipídio é uma ligação entre o componente glicerol de um lipídio e uma molécula de fósforo. De fato, os fosfolipídios têm estrutura semelhante aos triglicérides. No entanto, em vez de ter três ácidos graxos, um fosfolipídio é gerado a partir de um diglicerídeo, um glicerol com apenas duas cadeias de ácidos graxos (Figura 2.23). O terceiro local de ligação ao glicerol é absorvido pelo grupo fosfato, que por sua vez está ligado a uma região polar da “cabeça” da molécula. Lembre-se de que os triglicérides são apolares e hidrofóbicos. Isso ainda vale para a porção de ácidos graxos de um composto fosfolipídico. No entanto, a cabeça de um fosfolipídio contém cargas nos grupos fosfato, bem como no átomo de nitrogênio. Essas cargas tornam a cabeça fosfolipídica hidrofílica. Portanto, diz-se que os fosfolipídios têm caudas hidrofóbicas, contendo os ácidos graxos neutros, e cabeças hidrofílicas, contendo os grupos fosfato carregado e o átomo de nitrogênio.

Figura 2.23 Outros lipídios importantes (a) Os fosfolipídios são compostos por dois ácidos graxos, glicerol e um grupo fosfato. (b) Os esteróis são lipídios em forma de anel. Aqui é mostrado o colesterol. (c) As prostaglandinas são derivadas de ácidos graxos insaturados. A prostaglandina E2 (PGE2) inclui grupos hidroxila e carboxila.

Esteróides

Um composto esteróide (conhecido como esterol) tem como base um conjunto de quatro anéis de hidrocarbonetos ligados a uma variedade de outros átomos e moléculas (veja a Figura 2.23 b). Embora tanto as plantas quanto os animais sintetizem esteróis, o tipo que dá a contribuição mais importante à estrutura e função humanas é o colesterol, que é sintetizado pelo fígado em humanos e animais e também está presente na maioria dos alimentos de origem animal. Como outros lipídios, os hidrocarbonetos do colesterol o tornam hidrofóbico; no entanto, ele tem uma cabeça de hidroxila polar que é hidrofílica. O colesterol é um componente importante dos ácidos biliares, compostos que ajudam a emulsionar as gorduras alimentares. Na verdade, a palavra raiz chole- refere-se à bile. O colesterol também é um alicerce de muitos hormônios, sinalizando moléculas que o corpo libera para regular processos em locais distantes. Finalmente, como os fosfolipídios, as moléculas de colesterol são encontradas na membrana celular, onde suas regiões hidrofóbica e hidrofílica ajudam a regular o fluxo de substâncias para dentro e para fora da célula.

Prostaglandinas

Como um hormônio, a prostaglandina faz parte de um grupo de moléculas sinalizadoras, mas as prostaglandinas são derivadas de ácidos graxos insaturados (veja a Figura 2.23 c). Uma razão pela qual os ácidos graxos ômega-3 encontrados nos peixes são benéficos é que estimulam a produção de certas prostaglandinas que ajudam a regular aspectos da pressão arterial e da inflamação e, assim, reduzem o risco de doenças cardíacas. As prostaglandinas também sensibilizam os nervos à dor. Uma classe de medicamentos analgésicos chamados antiinflamatórios não esteroidais (AINEs) atua reduzindo os efeitos das prostaglandinas.

Proteínas

Você pode associar proteínas ao tecido muscular, mas, na verdade, as proteínas são componentes essenciais de todos os tecidos e órgãos. Uma proteína é uma molécula orgânica composta por aminoácidos ligados por ligações peptídicas. As proteínas incluem a queratina na epiderme da pele que protege os tecidos subjacentes, o colágeno encontrado na derme da pele, nos ossos e nas meninges que cobrem o cérebro e a medula espinhal. As proteínas também são componentes de muitas substâncias químicas funcionais do corpo, incluindo enzimas digestivas no trato digestivo, anticorpos, os neurotransmissores que os neurônios usam para se comunicar com outras células e os hormônios baseados em peptídeos que regulam certas funções corporais (por exemplo, o hormônio do crescimento). Enquanto os carboidratos e lipídios são compostos de hidrocarbonetos e oxigênio, todas as proteínas também contêm nitrogênio (N) e muitas contêm enxofre (S), além de carbono, hidrogênio e oxigênio.

Microestrutura das Proteínas

As proteínas são polímeros feitos de monômeros contendo nitrogênio chamados aminoácidos. Um aminoácido é uma molécula composta por um grupo amino e um grupo carboxila, junto com uma cadeia lateral variável. Apenas 20 aminoácidos diferentes contribuem para quase todas as milhares de proteínas diferentes importantes na estrutura e função humanas. As proteínas corporais contêm uma combinação única de algumas dezenas a algumas centenas desses 20 monômeros de aminoácidos. Todos esses 20 aminoácidos compartilham uma estrutura semelhante (Figura 2.24). Todos consistem em um átomo de carbono central ao qual os seguintes estão ligados:

• um átomo de hidrogênio
• um grupo amino alcalino (básico) NH ₂ (ver Tabela 2.1)
• um grupo carboxilo ácido COOH (ver Tabela 2.1)
• um grupo de variáveis

Figura 2.24 Estrutura de um aminoácido

Observe que todos os aminoácidos contêm um ácido (o grupo carboxila) e uma base (o grupo amino) (amina = “contendo nitrogênio”). Por esse motivo, eles são excelentes amortecedores, ajudando o corpo a regular o equilíbrio ácido-base. O que distingue os 20 aminoácidos um do outro é seu grupo variável, conhecido como cadeia lateral ou grupo R. Esse grupo pode variar em tamanho e pode ser polar ou não polar, dando a cada aminoácido suas características únicas. Por exemplo, as cadeias laterais de dois aminoácidos — cisteína e metionina — contêm enxofre. O enxofre não participa prontamente das ligações de hidrogênio, enquanto todos os outros aminoácidos participam. Essa variação influencia a forma como as proteínas contendo cisteína e metionina são reunidas.

Os aminoácidos se unem por meio da síntese de desidratação para formar polímeros proteicos (Figura 2.25). A ligação única que mantém os aminoácidos juntos é chamada de ligação peptídica. Uma ligação peptídica é uma ligação covalente entre dois aminoácidos que se forma pela síntese por desidratação. Um peptídeo, na verdade, é uma cadeia muito curta de aminoácidos. Fios contendo menos de cerca de 100 aminoácidos são geralmente chamados de polipeptídeos em vez de proteínas.

Figura 2.25 Ligação peptídica Diferentes aminoácidos se unem para formar peptídeos, polipeptídeos ou proteínas por meio da síntese de desidratação. As ligações entre os aminoácidos são as ligações peptídicas R1 e R2 podem ser as mesmas ou diferentes cadeias laterais.

O corpo é capaz de sintetizar a maioria dos aminoácidos a partir de componentes de outras moléculas; no entanto, nove não podem ser sintetizados e precisam ser consumidos na dieta. Eles são conhecidos como aminoácidos essenciais.

Diz-se que os aminoácidos livres disponíveis para a construção de proteínas residem no pool de aminoácidos dentro das células. As estruturas dentro das células usam esses aminoácidos ao montar proteínas. No entanto, se um determinado aminoácido essencial não estiver disponível em quantidades suficientes no pool de aminoácidos, a síntese de proteínas que o contêm pode diminuir ou até mesmo cessar.

Forma das proteínas

Assim como um garfo não pode ser usado para comer sopa e uma colher não pode ser usada para espetar carne, o formato de uma proteína é essencial para sua função. A forma de uma proteína é determinada, fundamentalmente, pela sequência de aminoácidos da qual ela é feita (Figura 2.26 a). A sequência é chamada de estrutura primária da proteína.

Figura 2.26 A forma das proteínas (a) A estrutura primária é a sequência de aminoácidos que compõem a cadeia polipeptídica. (b) A estrutura secundária, que pode assumir a forma de uma alfa-hélice ou de uma folha beta-plissada, é mantida por ligações de hidrogênio entre aminoácidos em diferentes regiões da fita polipeptídica original. (c) A estrutura terciária ocorre como resultado de uma maior dobragem e colagem da estrutura secundária. (d) A estrutura quaternária ocorre como resultado de interações entre duas ou mais subunidades terciárias. O exemplo mostrado aqui é a hemoglobina, uma proteína dos glóbulos vermelhos que transporta oxigênio para os tecidos do corpo.

Embora alguns polipeptídeos existam como cadeias lineares, a maioria é torcida ou dobrada em estruturas secundárias mais complexas que se formam quando a ligação ocorre entre aminoácidos com propriedades diferentes em diferentes regiões do polipeptídeo. A estrutura secundária mais comum é uma espiral chamada alfa-hélice. Se você pegasse um pedaço de barbante e simplesmente o torcesse em espiral, ele não manteria a forma. Da mesma forma, uma fita de aminoácidos não poderia manter uma forma espiral estável sem a ajuda de ligações de hidrogênio, que criam pontes entre diferentes regiões da mesma fita (veja a Figura 2.26 b). Menos comumente, uma cadeia polipeptídica pode formar uma folha pregueada beta, na qual ligações de hidrogênio formam pontes entre diferentes regiões de um único polipeptídeo que se dobrou sobre si mesmo, ou entre duas ou mais cadeias polipeptídicas adjacentes.

A estrutura secundária das proteínas se dobra ainda em uma forma tridimensional compacta, conhecida como estrutura terciária da proteína (veja a Figura 2.26 c). Nessa configuração, os aminoácidos que estavam muito distantes na cadeia primária podem ser aproximados por meio de ligações de hidrogênio ou, em proteínas contendo cisteína, por meio de ligações dissulfeto. Uma ligação dissulfeto é uma ligação covalente entre átomos de enxofre em um polipeptídeo. Freqüentemente, dois ou mais polipeptídeos separados se ligam para formar uma proteína ainda maior com uma estrutura quaternária (veja a Figura 2.26 d). As subunidades polipeptídicas que formam uma estrutura quaternária podem ser idênticas ou diferentes. Por exemplo, a hemoglobina, a proteína encontrada nos glóbulos vermelhos, é composta por quatro polipeptídeos terciários, dois dos quais são chamados de cadeias alfa e dois dos quais são chamados de cadeias beta.

Quando expostas ao calor extremo, ácidos, bases e certas outras substâncias, as proteínas se desnaturam. A desnaturação é uma mudança na estrutura de uma molécula por meios físicos ou químicos. As proteínas desnaturadas perdem sua forma funcional e não são mais capazes de realizar suas funções. Um exemplo diário de desnaturação de proteínas é a coagulação do leite quando o suco de limão ácido é adicionado.

A contribuição da forma de uma proteína para sua função dificilmente pode ser exagerada. Por exemplo, a forma longa e delgada dos fios de proteína que compõem o tecido muscular é essencial para sua capacidade de se contrair (encurtar) e relaxar (alongar). Como outro exemplo, os ossos contêm longos fios de uma proteína chamada colágeno que atua como suporte sobre o qual os minerais ósseos são depositados. Essas proteínas alongadas, chamadas proteínas fibrosas, são fortes e duráveis e tipicamente hidrofóbicas.

Em contraste, as proteínas globulares são globos ou esferas que tendem a ser altamente reativas e hidrofílicas. As proteínas da hemoglobina agrupadas nos glóbulos vermelhos são um exemplo (veja a Figura 2.26 d); no entanto, as proteínas globulares são abundantes em todo o corpo, desempenhando papéis críticos na maioria das funções corporais. As enzimas, introduzidas anteriormente como catalisadores de proteínas, são exemplos disso. A próxima seção analisa mais de perto a ação das enzimas.

As proteínas funcionam como enzimas

Se você estivesse tentando digitar um papel e toda vez que pressionasse uma tecla em seu laptop, houvesse um atraso de seis ou sete minutos antes de receber uma resposta, provavelmente receberia um novo laptop. Da mesma forma, sem enzimas para catalisar reações químicas, o corpo humano não funcionaria. Funciona apenas porque as enzimas funcionam.

As reações enzimáticas — reações químicas catalisadas por enzimas — começam quando os substratos se ligam à enzima. Um substrato é um reagente em uma reação enzimática. Isso ocorre em regiões da enzima conhecidas como sítios ativos (Figura 2.27). Qualquer enzima catalisa apenas um tipo de reação química. Essa característica, chamada de especificidade, se deve ao fato de que um substrato com uma forma e carga elétrica específicas só pode se ligar a um sítio ativo correspondente a esse substrato.

Devido a essa combinação semelhante a um quebra-cabeça entre uma enzima e seus substratos, as enzimas são conhecidas por sua especificidade. Na verdade, à medida que uma enzima se liga ao (s) seu (s) substrato (s), a estrutura da enzima muda ligeiramente para encontrar o melhor ajuste entre o estado de transição (um intermediário estrutural entre o substrato e o produto) e o local ativo, assim como uma luva de borracha se molda a uma mão inserida nela. Essa modificação do local ativo na presença de substrato, juntamente com a formação simultânea do estado de transição, é chamada de ajuste induzido. No geral, existe uma enzima específica para cada substrato e, portanto, para cada reação química; no entanto, também há alguma flexibilidade. Algumas enzimas têm a capacidade de atuar em diversos substratos estruturalmente relacionados.

Figura 2.27 Etapas de uma reação enzimática De acordo com o modelo de ajuste induzido, o sítio ativo da enzima sofre mudanças conformacionais ao se ligar ao substrato. (a) Os substratos se aproximam de sítios ativos na enzima. (b) Os substratos se ligam a sítios ativos, produzindo um complexo enzima-substrato. (c) Mudanças internas ao complexo enzima-substrato facilitam a interação dos substratos. (d) Os produtos são liberados e a enzima retorna à sua forma original, pronta para facilitar outra reação enzimática.

A ligação de um substrato produz um complexo enzima-substrato. É provável que as enzimas acelerem as reações químicas, em parte porque o complexo enzima-substrato sofre um conjunto de mudanças temporárias e reversíveis que fazem com que os substratos sejam orientados um para o outro em uma posição ideal para facilitar sua interação. Isso promove maior velocidade de reação. A enzima então libera o (s) produto (s) e retoma sua forma original. A enzima fica então livre para se envolver novamente no processo e o fará enquanto o substrato permanecer.

Outras funções das proteínas

Anúncios de barras de proteína, pós e shakes dizem que a proteína é importante para construir, reparar e manter o tecido muscular, mas a verdade é que as proteínas contribuem para todos os tecidos do corpo, da pele às células cerebrais. Além disso, certas proteínas atuam como hormônios, mensageiros químicos que ajudam a regular as funções corporais. Por exemplo, o hormônio do crescimento é importante para o crescimento esquelético, entre outras funções.

Conforme observado anteriormente, os componentes básicos e ácidos permitem que as proteínas funcionem como amortecedores na manutenção do equilíbrio ácido-base, mas também ajudam a regular o equilíbrio fluido-eletrólito. As proteínas atraem fluidos e uma concentração saudável de proteínas no sangue, nas células e nos espaços entre as células ajuda a garantir um equilíbrio de fluidos nesses vários “compartimentos”. Além disso, as proteínas da membrana celular ajudam a transportar eletrólitos para dentro e para fora da célula, mantendo esses íons em um equilíbrio saudável. Como os lipídios, as proteínas podem se ligar aos carboidratos. Assim, eles podem produzir glicoproteínas ou proteoglicanos, ambos com muitas funções no corpo.

O corpo pode usar proteínas como energia quando a ingestão de carboidratos e gorduras é inadequada e os estoques de glicogênio e tecido adiposo se esgotam. No entanto, como não há local de armazenamento de proteínas, exceto tecidos funcionais, o uso de proteína como energia causa a degradação do tecido e resulta em desgaste corporal.

Nucleotídeos

O quarto tipo de composto orgânico importante para a estrutura e função humana são os nucleotídeos (Figura 2.28). Um nucleotídeo faz parte de uma classe de compostos orgânicos composta por três subunidades:

• um ou mais grupos de fosfato
• um açúcar de pentose: desoxirribose ou ribose
• Os nucleotídeos podem ser reunidos em ácidos nucléicos (DNA ou RNA) ou no composto energético trifosfato de adenosina.

  

  Figura 2.28 Nucleotídeos (a) Os blocos de construção de todos os nucleotídeos são um ou mais grupos fosfato, um açúcar pentose e uma base contendo nitrogênio. (b) As bases dos nucleotídeos que contêm nitrogênio. (c) Os dois açúcares pentoses do DNA e do RNA.

  Ácidos nucleicos

  Os ácidos nucléicos diferem em seu tipo de açúcar pentoso. O ácido desoxirribonucléico (DNA) é um nucleotídeo que armazena informações genéticas. O DNA contém desoxirribose (assim chamada porque tem um átomo de oxigênio a menos que a ribose) mais um grupo fosfato e uma base contendo nitrogênio. As “escolhas” de base para o DNA são adenina, citosina, guanina e timina. O ácido ribonucleico (RNA) é um nucleotídeo contendo ribose que ajuda a manifestar o código genético como proteína. O RNA contém ribose, um grupo fosfato e uma base contendo nitrogênio, mas as “escolhas” de base para o RNA são adenina, citosina, guanina e uracilo.

  As bases contendo nitrogênio adenina e guanina são classificadas como purinas. Uma purina é uma molécula contendo nitrogênio com uma estrutura de anel duplo, que acomoda vários átomos de nitrogênio. As bases citosina, timina (encontrada somente no DNA) e uracil (encontrada somente no RNA) são piramidinas. Uma piramidina é uma base contendo nitrogênio com uma estrutura de anel único

  As ligações formadas pela síntese de desidratação entre o açúcar pentose de um monômero de ácido nucléico e o grupo fosfato de outro formam uma “espinha dorsal”, da qual se projetam as bases contendo nitrogênio dos componentes. No DNA, duas dessas espinhas dorsais se ligam às suas bases salientes por meio de ligações de hidrogênio. Eles se torcem para formar uma forma conhecida como dupla hélice (Figura 2.29). A sequência de bases contendo nitrogênio dentro de uma fita de DNA forma os genes que atuam como um código molecular instruindo as células na montagem de aminoácidos em proteínas. Os humanos têm quase 22.000 genes em seu DNA, presos nos 46 cromossomos dentro do núcleo de cada célula (exceto os glóbulos vermelhos que perdem seus núcleos durante o desenvolvimento). Esses genes carregam o código genético para construir o corpo e são únicos para cada indivíduo, exceto gêmeos idênticos.

  

  Figura 2.29 DNA Na dupla hélice do DNA, duas fitas se ligam por meio de ligações de hidrogênio entre as bases dos nucleotídeos componentes.

  Em contraste, o RNA consiste em uma única fita de espinha dorsal de açúcar-fosfato cravejada de bases. O RNA mensageiro (mRNA) é criado durante a síntese de proteínas para transportar as instruções genéticas do DNA para as plantas de fabricação de proteínas da célula no citoplasma, os ribossomos.

  Trifosfato de adenosina

  O nucleotídeo adenosina trifosfato (ATP) é composto por um açúcar ribose, uma base de adenina e três grupos fosfato (Figura 2.30). O ATP é classificado como um composto de alta energia porque as duas ligações covalentes que ligam seus três fosfatos armazenam uma quantidade significativa de energia potencial. No corpo, a energia liberada por essas ligações de alta energia ajuda a alimentar as atividades do corpo, desde a contração muscular até o transporte de substâncias para dentro e para fora das células até as reações químicas anabólicas.

  

  Figura 2.30 Estrutura do trifosfato de adenosina (ATP)

  Quando um grupo fosfato é clivado do ATP, os produtos são adenosina difosfato (ADP) e fosfato inorgânico (P _i). Esta reação de hidrólise pode ser escrita:

  $${\text{ATP + H}}_{\text{2}}\text{O}\to {\text{ADP + P}}_{\text{eu}}\text{+ energia}$$

  A remoção de um segundo fosfato deixa o monofosfato de adenosina (AMP) e dois grupos fosfato. Novamente, essas reações também liberam a energia que havia sido armazenada nas ligações fosfato-fosfato. Eles também são reversíveis, como quando o ADP sofre fosforilação. A fosforilação é a adição de um grupo fosfato a um composto orgânico, neste caso, resultando em ATP. Nesses casos, o mesmo nível de energia liberado durante a hidrólise deve ser reinvestido para impulsionar a síntese de desidratação.

  As células também podem transferir um grupo fosfato do ATP para outro composto orgânico. Por exemplo, quando a glicose entra pela primeira vez em uma célula, um grupo fosfato é transferido do ATP, formando fosfato de glicose (C ₆ H ₁₂ O ₆ —P) e ADP. Uma vez que a glicose é fosforilada dessa forma, ela pode ser armazenada como glicogênio ou metabolizada para energia imediata.