2.3: Moléculas biológicas
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As grandes moléculas necessárias à vida que são construídas a partir de moléculas orgânicas menores são chamadas de macromoléculas biológicas. Existem quatro classes principais de macromoléculas biológicas (carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucléicos), e cada uma é um componente importante da célula e desempenha uma ampla gama de funções. Combinadas, essas moléculas compõem a maior parte da massa de uma célula. As macromoléculas biológicas são orgânicas, o que significa que elas contêm carbono (com algumas exceções, como dióxido de carbono). Além disso, eles podem conter hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo, enxofre e elementos menores adicionais.
Carbono
Costuma-se dizer que a vida é “baseada em 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 “fundamental” das moléculas nos seres vivos. São as propriedades de ligação dos átomos de carbono que são responsáveis por seu importante papel.
Ligação de carbono
O carbono contém quatro elétrons em sua camada externa. Portanto, ele 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\(\PageIndex{1}\)).
No entanto, estruturas mais complexas são feitas com carbono. Qualquer um dos átomos de hidrogênio pode ser substituído por outro átomo de carbono ligado covalentemente ao primeiro átomo de carbono. Dessa forma, cadeias longas e ramificadas de compostos de carbono podem ser feitas (Figura\(\PageIndex{2}\) a). Os átomos de carbono podem se ligar a átomos de outros elementos, como nitrogênio, oxigênio e fósforo (Figura\(\PageIndex{2}\) b). As moléculas também podem formar anéis, que por si só podem se ligar a outros anéis (Figura\(\PageIndex{2}\) c). Essa diversidade de formas moleculares é responsável pela diversidade de funções das macromoléculas biológicas e é baseada, em grande parte, na capacidade do carbono de formar múltiplas ligações consigo mesmo e com outros átomos.
carboidratos
Os carboidratos são macromoléculas com as quais a maioria dos consumidores está um pouco familiarizada. Para perder peso, algumas pessoas aderem a dietas “baixas em carboidratos”. Os atletas, por outro lado, costumam “carregar carboidratos” antes de competições importantes para garantir que tenham energia suficiente para competir em alto nível. Os carboidratos são, de fato, uma parte essencial de nossa dieta; grãos, frutas e vegetais são todas fontes naturais de carboidratos. Os carboidratos fornecem energia ao corpo, principalmente por meio da glicose, um açúcar simples. Os 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 entre hidrogênio e oxigênio é de 1:2:1 nas moléculas de carboidratos. Os carboidratos são classificados em três subtipos: monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos.
Os monossacarídeos (mono- = “um”; sacchar- = “doce”) são açúcares simples, sendo o mais comum a glicose. Nos 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, eles geralmente são encontrados na forma de anel.
A fórmula química da 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 produzir 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 de energia da planta. O excesso de glicose sintetizada é frequentemente armazenado como amido que é decomposto por outros organismos que se alimentam de plantas.
A galactose (parte da lactose ou açúcar do leite) e a frutose (encontrada nas frutas) são outros monossacarídeos comuns. Embora glicose, galactose e frutose tenham a mesma fórmula química (C 6 H 12 O 6), elas diferem estrutural e quimicamente (e são conhecidas como isômeros) devido aos diferentes arranjos de átomos na cadeia de carbono (Figura\(\PageIndex{3}\)).
Os dissacarídeos (di- = “dois”) se 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 nos 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 pelos 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. Os 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 por monômeros de glicose. O glicogênio é o equivalente animal do amido e é uma molécula altamente ramificada geralmente armazenada nas células hepáticas e musculares. Sempre que os níveis de glicose diminuem, o glicogênio é decomposto 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 à célula. A madeira e o papel são principalmente de natureza celulósica. A celulose é composta por monômeros de glicose que estão ligados por ligações entre átomos de carbono específicos na molécula de glicose.
Todos os outros monômeros de glicose na celulose são virados e compactados firmemente como cadeias longas estendidas. Isso confere à celulose sua rigidez e alta resistência à tração, o que é muito importante para as células vegetais. A celulose que passa pelo nosso sistema digestivo é chamada de fibra dietética. Embora as ligações glicose-glicose na celulose não possam ser decompostas pelas enzimas digestivas humanas, herbívoros, como vacas, búfalos e cavalos, são capazes de digerir a erva rica em celulose e usá-la como fonte de alimento. Nesses 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 decompõem a celulose, conferindo-lhe um papel importante no sistema digestivo dos ruminantes. As celulases podem decompor a celulose em monômeros de glicose que podem ser usados como fonte de energia pelo animal.
Os carboidratos têm outras funções em diferentes animais. Artrópodes, como insetos, aranhas e caranguejos, têm um esqueleto externo, chamado exoesqueleto, que protege suas partes internas do corpo. Esse exoesqueleto é feito da macromolécula biológica quitina, que é um carboidrato nitrogenado. É feito de unidades repetidas de um açúcar modificado contendo nitrogênio.
Assim, por meio de diferenças na estrutura molecular, os carboidratos são capazes de desempenhar as funções muito diferentes de armazenamento de energia (amido e glicogênio) e suporte e proteção estrutural (celulose e quitina) (Figura\(\PageIndex{4}\)).
CARREIRAS EM AÇÃO: nutricionista registrado
A obesidade é um problema de saúde mundial, e muitas doenças, como diabetes e doenças cardíacas, estão se tornando mais prevalentes por causa da obesidade. Essa é uma das razões pelas quais nutricionistas registrados são cada vez mais procurados por conselhos. Dietistas registrados ajudam a planejar programas de alimentação e nutrição para indivíduos em vários ambientes. Eles geralmente trabalham com pacientes em unidades de saúde, elaborando planos de nutrição para prevenir e tratar doenças. Por exemplo, nutricionistas podem ensinar um paciente com diabetes a controlar os níveis de açúcar no sangue comendo os tipos e quantidades corretos de carboidratos. Os nutricionistas também podem trabalhar em lares de idosos, escolas e consultórios particulares.
Para se tornar um nutricionista registrado, é necessário obter pelo menos um diploma de bacharel em dietética, nutrição, tecnologia de alimentos ou áreas afins. Além disso, nutricionistas registrados devem concluir um programa de estágio supervisionado e passar em um exame nacional. Aqueles que seguem carreiras em dietética fazem cursos de nutrição, química, bioquímica, biologia, microbiologia e fisiologia humana. Os nutricionistas devem se tornar especialistas na química e nas funções dos alimentos (proteínas, carboidratos e gorduras).
Lipídios
Os lipídios incluem um grupo diversificado de compostos que são unidos por uma característica comum. Os lipídios são hidrofóbicos (“temem a água”) ou insolúveis em água, porque são moléculas não polares. Isso ocorre porque são hidrocarbonetos que incluem apenas ligações não polares carbono-carbono ou carbono-hidrogênio. Os lipídios desempenham 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 meio ambiente para plantas e animais (Figura\(\PageIndex{5}\)). Por exemplo, eles ajudam a manter os pássaros e mamíferos aquáticos secos devido à sua natureza que repele a água. Os lipídios também são os blocos de construção de muitos hormônios e são um importante constituinte da membrana plasmática. Os 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 têm uma longa cadeia de hidrocarbonetos à qual um grupo carboxila 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 que contêm 12—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\(\PageIndex{6}\)).
Durante essa formação de ligação covalente, três moléculas de água são liberadas. Os três ácidos graxos na gordura podem ser semelhantes ou diferentes. Essas gorduras também são chamadas de triglicérides porque têm 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 estar saturados ou insaturados. Em uma cadeia de ácidos graxos, se houver apenas ligações simples entre carbonos vizinhos na cadeia de hidrocarbonetos, o ácido graxo está saturado. Os ácidos graxos saturados são saturados com hidrogênio; 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 graxo é um ácido graxo insaturado.
A maioria das gorduras insaturadas são líquidas à temperatura ambiente e são chamadas de óleos. Se houver uma ligação dupla na molécula, ela é conhecida como gordura monoinsaturada (por exemplo, azeite de oliva) e, se houver mais de uma ligação dupla, é conhecida como gordura poliinsaturada (por exemplo, óleo de canola).
As gorduras saturadas tendem a ficar bem compactadas e são sólidas à temperatura ambiente. As gorduras animais com ácido esteárico e ácido palmítico contidas na carne e a gordura com ácido butírico contida na manteiga são exemplos de gorduras saturadas. Os mamíferos armazenam gorduras em células especializadas chamadas adipócitos, onde os glóbulos de gordura ocupam a maior parte da célula. Nas plantas, a gordura ou o óleo são armazenados nas sementes e usados como fonte de energia durante o desenvolvimento embrionário.
Gorduras ou óleos insaturados geralmente são de origem vegetal e contêm ácidos graxos insaturados. A ligação dupla causa uma curvatura ou “torção” que impede que os ácidos graxos se acumulem firmemente, mantendo-os líquidos em 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 ataque cardíaco.
Na indústria alimentícia, os óleos são hidrogenados artificialmente para torná-los semissólidos, levando a menos deterioração e maior vida útil. Simplesmente falando, o gás hidrogênio é borbulhado através dos óleos para solidificá-los. Durante esse processo de hidrogenação, ligações duplas da conformação cis na cadeia de hidrocarbonetos podem ser convertidas em ligações duplas na conformação trans. Isso forma uma gordura trans a partir de uma gordura cis. A orientação das ligações duplas afeta as propriedades químicas da gordura (Figura\(\PageIndex{7}\)).
Margarina, alguns tipos de manteiga de amendoim e gordura vegetal são exemplos de gorduras trans hidrogenadas artificialmente. Estudos recentes mostraram que um aumento nas 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 placa nas artérias, resultando em doenças cardíacas. Muitos restaurantes de fast food eliminaram recentemente o uso de gorduras trans, e os rótulos de alimentos dos EUA agora precisam listar seu conteúdo de gordura trans.
Os ácidos graxos essenciais são ácidos graxos necessários, mas não sintetizados pelo corpo humano. Consequentemente, eles devem ser complementados por meio da dieta. Os ácidos graxos ômega-3 se enquadram nessa categoria e são um dos dois únicos ácidos graxos essenciais conhecidos para humanos (o outro são os ácidos graxos ômega-6). Eles são um tipo de gordura poliinsaturada e são chamados de ácidos graxos ômega-3 porque o terceiro carbono da extremidade 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.
Assim como os carboidratos, as gorduras receberam muita publicidade negativa. É verdade que comer alimentos fritos em excesso e outros alimentos “gordurosos” leva ao ganho de peso. No entanto, as gorduras têm funções importantes. As 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 por cadeias de ácidos graxos ligadas a um glicerol ou coluna vertebral similar. Em vez de três ácidos graxos ligados, no entanto, existem dois ácidos graxos e o terceiro carbono da espinha dorsal do glicerol está ligado a um grupo fosfato. O grupo fosfato é modificado pela adição de um álcool.
Um fosfolipídio 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 bicamada de fosfolipídios. Os ácidos graxos dos fosfolipídios estão voltados para dentro, longe da água, enquanto o grupo fosfato pode enfrentar o ambiente externo ou o interior da célula, que são ambos aquosos.
Esteróides e ceras
Ao contrário dos fosfolipídios e gorduras discutidos anteriormente, os esteróides têm uma estrutura em anel. Embora não se pareçam com outros lipídios, eles são agrupados a eles porque também são hidrofóbicos. Todos os esteróides têm quatro anéis de carbono ligados e vários deles, como o colesterol, têm uma cauda curta.
O colesterol é um esteróide. O colesterol é sintetizado principalmente no fígado e é o precursor de muitos hormônios esteróides, como testosterona e estradiol. É também o precursor das vitaminas E e K. O colesterol é o precursor dos sais biliares, que ajudam na degradação das gorduras e sua posterior absorção pelas células. Embora o colesterol seja frequentemente mencionado em termos negativos, ele é necessário para o bom funcionamento do corpo. É um componente chave das membranas plasmáticas das células animais.
As ceras são constituídas por uma cadeia de hidrocarbonetos com um grupo álcool (—OH) e um ácido graxo. Exemplos de ceras animais incluem cera de abelha e lanolina. As plantas também têm ceras, como a cobertura das folhas, que ajuda a evitar que sequem.
CONCEITO EM AÇÃO
Para uma perspectiva adicional sobre lipídios, explore “Biomoléculas: os lipídios” por meio desta animação interativa.
Proteínas
As proteínas são uma das moléculas orgânicas mais abundantes nos sistemas vivos e têm a mais diversa gama de funções de todas as macromoléculas. As proteínas podem ser estruturais, regulatórias, contráteis ou protetoras; elas podem servir no transporte, armazenamento ou membranas; ou podem ser toxinas ou enzimas. Cada célula em um sistema vivo pode conter milhares de proteínas diferentes, cada uma com uma função única. Suas estruturas, assim como suas funções, variam muito. Eles são todos, no entanto, polímeros de aminoácidos, dispostos em uma sequência linear.
As funções das proteínas são muito diversas porque existem 20 aminoácidos quimicamente distintos diferentes que formam cadeias longas, e os aminoácidos podem estar em qualquer ordem. Por exemplo, as proteínas podem funcionar como enzimas ou hormônios. As enzimas, que são produzidas pelas células vivas, são catalisadoras em 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 atua. As enzimas podem funcionar para quebrar ligações moleculares, reorganizar ligações ou formar novas ligações. Um exemplo de enzima é a amilase salivar, que decompõe a amilose, um componente do amido.
Hormônios são moléculas de sinalização química, geralmente proteínas ou esteróides, secretadas por uma glândula endócrina ou grupo de células endócrinas que agem para controlar ou regular 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 têm formas e pesos moleculares diferentes; algumas proteínas têm formato 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. O formato da proteína é fundamental para sua função. Mudanças na temperatura, no pH e na exposição a produtos químicos podem levar a mudanças permanentes na forma da proteína, levando a uma perda de função ou desnaturação (a ser discutida em mais detalhes posteriormente). Todas as proteínas são compostas 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 em um átomo de carbono central ligado a um grupo amino (—NH 2), um grupo carboxila (—COOH) e um átomo de hidrogênio. Cada aminoácido também tem outro átomo variável ou grupo de átomos ligado ao átomo central de carbono conhecido como grupo R. O grupo R é a única diferença na estrutura entre os 20 aminoácidos; caso contrário, os aminoácidos são idênticos (Figura\(\PageIndex{8}\)).
A natureza química do grupo R determina a natureza química do aminoácido dentro de sua proteína (ou seja, se é ácido, básico, polar ou não polar).
A sequência 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 ligação peptídica, que é formada por uma reação de desidratação. O grupo carboxila de um aminoácido e o grupo amino de um segundo aminoácido se combinam, liberando uma molécula de água. A ligação resultante é a ligação peptídica.
Os produtos formados por essa ligação são chamados de polipeptídeos. Embora os termos polipeptídeo e proteína às vezes sejam usados de forma intercambiável, um polipeptídeo é tecnicamente um polímero de aminoácidos, enquanto o termo proteína é usado para um polipeptídeo ou polipeptídeos que se combinaram, têm uma forma distinta e têm uma função única.
EVOLUÇÃO EM AÇÃO: O significado evolutivo do citocromo c
O citocromo c é um componente importante da maquinaria molecular que coleta energia da glicose. Como o papel dessa proteína na produção de energia celular é crucial, ela mudou muito pouco ao longo de milhões de anos. O sequenciamento de proteínas mostrou que há uma quantidade considerável de similaridade de sequência entre as moléculas do citocromo c de diferentes espécies; as relações evolutivas podem ser avaliadas medindo as semelhanças ou diferenças entre as sequências de proteínas de várias espécies.
Por exemplo, cientistas determinaram que o citocromo c humano contém 104 aminoácidos. Para cada molécula do citocromo c que foi sequenciada até o momento de diferentes organismos, 37 desses aminoácidos aparecem na mesma posição em cada citocromo c. Isso indica que todos esses organismos são descendentes de um ancestral comum. Ao comparar as sequências de proteínas humanas e de chimpanzés, nenhuma diferença de sequência foi encontrada. Quando as sequências de humanos e macacos rhesus foram comparadas, uma única diferença foi encontrada em um aminoácido. Em contraste, as comparações entre humanos e leveduras mostram uma diferença em 44 aminoácidos, sugerindo que humanos e chimpanzés têm um ancestral comum mais recente do que humanos e o macaco rhesus, ou humanos e leveduras.
Estrutura proteica
Conforme discutido anteriormente, a forma de uma proteína é fundamental para sua função. Para entender como a proteína obtém sua forma ou conformação final, precisamos entender os quatro níveis da estrutura da proteína: primário, secundário, terciário e quaternário (Figura\(\PageIndex{9}\)).
A sequência única e o número de aminoácidos em uma cadeia polipeptídica são sua estrutura primária. A sequência única de cada proteína é determinada, em última análise, pelo gene que codifica a proteína. Qualquer alteração na sequência genética pode levar à adição de um aminoácido diferente à cadeia polipeptídica, causando uma mudança na estrutura e função da proteína. Na anemia falciforme, a cadeia β da hemoglobina tem uma única substituição de aminoácidos, causando uma alteração na estrutura e na função da proteína. O que é mais notável considerar é que uma molécula de hemoglobina é composta por duas cadeias alfa e duas cadeias beta, cada uma composta por cerca de 150 aminoácidos. A molécula, portanto, tem cerca de 600 aminoácidos. A diferença estrutural entre uma molécula normal de hemoglobina e uma molécula falciforme — que diminui drasticamente a expectativa de vida dos indivíduos afetados — é um único aminoácido dos 600.
Devido a essa mudança de um aminoácido na cadeia, os glóbulos vermelhos normalmente bicôncavos ou em forma de disco assumem uma forma crescente ou “foice”, que obstrui as artérias. Isso pode levar a uma infinidade de problemas graves de saúde, como falta de ar, tontura, dores de cabeça e dor abdominal para quem tem essa doença.
Os padrões de dobramento resultantes das interações entre as porções de aminoácidos não do grupo R dão origem à estrutura secundária da proteína. As mais comuns são as estruturas de chapa plissada alfa (α) e beta (β). Ambas as estruturas são mantidas em forma por ligações de hidrogênio. Na hélice alfa, as ligações se formam entre cada quarto aminoácido e causam uma torção na cadeia de aminoácidos.
Na folha plissada β, as “pregas” são formadas pela ligação de hidrogênio entre átomos na espinha dorsal da cadeia polipeptídica. Os grupos R estão presos aos carbonos e se estendem acima e abaixo das dobras da prega. Os segmentos plissados se alinham paralelamente uns aos outros e as ligações de hidrogênio se formam entre os mesmos pares de átomos em cada um dos aminoácidos alinhados. As estruturas da hélice α e da folha β-plissada são encontradas em muitas proteínas globulares e fibrosas.
A estrutura tridimensional única de um polipeptídeo é conhecida como sua estrutura terciária. Essa estrutura é causada por interações químicas entre vários aminoácidos e regiões do polipeptídeo. Primeiramente, as interações entre os grupos R criam a complexa estrutura terciária tridimensional de uma proteína. Pode haver ligações iônicas formadas entre grupos R em diferentes aminoácidos ou ligações de hidrogênio além daquela envolvida na estrutura secundária. Quando ocorre o dobramento de proteínas, os grupos R hidrofóbicos de aminoácidos não polares ficam no interior da proteína, enquanto os grupos R hidrofílicos ficam do 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. As interações fracas entre as subunidades ajudam a estabilizar a estrutura geral. Por exemplo, a hemoglobina é uma combinação de quatro subunidades polipeptídicas.
Cada proteína tem sua própria sequência e forma únicas mantidas unidas por interações químicas. Se a proteína estiver sujeita a mudanças de temperatura, pH ou exposição a produtos químicos, a estrutura da proteína pode mudar, perdendo sua forma no que é conhecido como desnaturação, conforme discutido anteriormente. A desnaturação geralmente é reversível porque a estrutura primária é preservada se o agente desnaturante for removido, permitindo que a proteína retome sua função. Às vezes, a desnaturação é irreversível, levando à perda da função. Um exemplo de desnaturação de proteína pode ser visto quando um ovo é frito ou fervido. A proteína albumina na clara de ovo líquida é desnaturada quando colocada em uma panela quente, passando de uma substância transparente para uma substância branca opaca. Nem todas as proteínas são desnaturadas em altas temperaturas; por exemplo, bactérias que sobrevivem em fontes termais têm proteínas adaptadas para funcionar nessas temperaturas.
CONCEITO EM AÇÃO
Para uma perspectiva adicional sobre proteínas, explore “Biomoléculas: As proteínas” por meio desta animação interativa.
Ácidos nucleicos
Os ácidos nucléicos são macromoléculas essenciais 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 nucléicos são o ácido desoxirribonucléico (DNA) e o ácido ribonucléico (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 nucléico, o RNA, está envolvido principalmente na síntese de proteínas. As moléculas de DNA nunca saem do 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 nucleotídeos se combinam para formar um polinucleotídeo, DNA ou RNA. Cada nucleotídeo é composto por três componentes: uma base nitrogenada, uma pentose (cinco carbonos) de açúcar e um grupo fosfato (Figura\(\PageIndex{10}\)). Cada base nitrogenada em um nucleotídeo é ligada a uma molécula de açúcar, que está ligada a um grupo fosfato.
Estrutura de dupla hélice de DNA
O DNA tem uma estrutura de dupla hélice (Figura\(\PageIndex{11}\)). É composto por duas cadeias, ou polímeros, de nucleotídeos. Os fios são formados por ligações entre grupos fosfato e açúcar de nucleotídeos adjacentes. Os fios 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 estão na parte externa de cada fita, formando a espinha dorsal do DNA. As bases nitrogenadas são empilhadas no interior, como os degraus de uma escada, e essas bases se emparelham; os pares são unidos uns aos outros por ligações de hidrogênio. As bases se emparelham de tal forma que a distância entre as espinhas dorsais dos dois fios é a mesma ao longo da molécula.
Resumo
Os seres vivos são baseados em carbono porque o carbono desempenha um papel muito importante na química dos seres vivos. As quatro posições de ligação covalente do átomo de carbono podem dar origem a uma grande diversidade de compostos com muitas funções, explicando a importância do carbono nos seres vivos. Os carboidratos são um grupo de macromoléculas que são uma fonte vital de energia para a célula, fornecem suporte estrutural a muitos organismos e podem ser encontrados na superfície da célula como receptores ou para reconhecimento celular. Os carboidratos são classificados como monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos, dependendo do número de monômeros na molécula.
Os lipídios são uma classe de macromoléculas de natureza não polar e hidrofóbica. Os principais tipos incluem gorduras e óleos, ceras, fosfolipídios e esteróides. Gorduras e óleos são uma forma armazenada de energia e podem incluir triglicérides. Gorduras e óleos geralmente são compostos de ácidos graxos e glicerol.
As proteínas são uma classe de macromoléculas que podem realizar uma gama diversificada de funções para a célula. Eles ajudam no metabolismo, fornecendo suporte estrutural e atuando como enzimas, transportadores ou como hormônios. Os blocos de construção das proteínas são os aminoácidos. As proteínas são organizadas em quatro níveis: primário, secundário, terciário e quaternário. A forma e a função da proteína estão intrinsecamente ligadas; qualquer alteração na forma causada por mudanças na temperatura, no pH ou na exposição química pode levar à desnaturação da proteína e à perda da função.
Os ácidos nucléicos são moléculas compostas por unidades repetidas de nucleotídeos que direcionam as atividades celulares, como divisão celular e síntese de proteínas. Cada nucleotídeo é composto por uma pentose de açúcar, uma base nitrogenada e um grupo fosfato. Existem dois tipos de ácidos nucléicos: DNA e RNA.
Glossário
- aminoácido
- um monômero de uma proteína
- carboidrato
- uma macromolécula biológica na qual a proporção de carbono para hidrogênio para oxigênio é 1:2:1; carboidratos servem como fontes de energia e suporte estrutural nas células
- celulose
- um polissacarídeo que compõe as paredes celulares das plantas e fornece suporte estrutural à célula
- quitina
- um tipo de carboidrato que forma o esqueleto externo dos artrópodes, como insetos e crustáceos, e as paredes celulares dos fungos
- desnaturação
- a perda da forma de uma proteína como resultado de mudanças na temperatura, pH ou exposição a produtos químicos
- ácido desoxirribonucléico (DNA)
- um polímero de nucleotídeos de fita dupla que carrega a informação hereditária da célula
- dissacarídeo
- dois monômeros de açúcar que estão ligados entre si por uma ligação peptídica
- enzima
- um catalisador em uma reação bioquímica que geralmente é uma proteína complexa ou conjugada
- gordura
- uma molécula lipídica composta por três ácidos graxos e um glicerol (triglicerídeo) que normalmente existe em uma forma sólida à temperatura ambiente
- glicogênio
- um carboidrato de armazenamento em animais
- hormônio
- uma molécula de sinalização química, geralmente uma proteína ou esteróide, secretada por uma glândula endócrina ou grupo de células endócrinas; atua para controlar ou regular processos fisiológicos específicos
- lipídios
- uma classe de macromoléculas que são não polares e insolúveis em água
- macromolécula
- uma molécula grande, geralmente formada pela polimerização de monômeros menores
- monossacarídeo
- uma única unidade ou monômero de carboidratos
- ácido nucléico
- uma macromolécula biológica que carrega a informação genética de uma célula e carrega instruções para o funcionamento da célula
- nucleotídeo
- um monômero de ácidos nucléicos; contém um açúcar pentose, um grupo fosfato e uma base nitrogenada
- óleo
- uma gordura insaturada que é um líquido à temperatura ambiente
- fosfolipídio
- um constituinte principal das membranas das células; composto por dois ácidos graxos e um grupo fosfato ligado à estrutura do glicerol
- polipeptídeo
- uma longa cadeia de aminoácidos ligados por ligações peptídicas
- polissacarideo
- uma longa cadeia de monossacarídeos; pode ser ramificada ou não ramificada
- proteína
- uma macromolécula biológica composta por uma ou mais cadeias de aminoácidos
- ácido ribonucléico (RNA)
- um polímero de cadeia simples de nucleotídeos que está envolvido na síntese de proteínas
- ácido graxo saturado
- um hidrocarboneto de cadeia longa com ligações covalentes simples na cadeia de carbono; o número de átomos de hidrogênio ligados ao esqueleto de carbono é maximizado
- amido
- um carboidrato de armazenamento nas plantas
- esteróide
- um tipo de lipídio composto por quatro anéis de hidrocarbonetos fundidos
- gordura trans
- uma forma de gordura insaturada com os átomos de hidrogênio vizinhos da ligação dupla um em frente ao outro, em vez de no mesmo lado da ligação dupla
- triglicerídeo
- uma molécula de gordura; consiste em três ácidos graxos ligados a uma molécula de glicerol
- ácido graxo insaturado
- um hidrocarboneto de cadeia longa que tem uma ou mais ligações duplas na cadeia de hidrocarbonetos