Quais são os componentes químicos da célula que determinam o comportamento celular?

A an�lise qu�mica elementar da mat�ria viva diz-nos que apenas 22 dos mais de 100 elementos qu�micos s�o essenciais aos seres vivos e destes, apenas 16 podem ser encontrados em todas as esp�cies. 

Estes 16 elementos encontram-se nos seres vivos em propor��es muito diferentes das do meio f�sico, sendo 99% da massa das c�lulas composta por carbono, hidrog�nio, oxig�nio e azoto. O s�dio, pot�ssio, magn�sio, c�lcio, enxofre, f�sforo e cloro representam entre 1 a 2% da massa total das c�lulas. Os restantes elementos surgem em quantidades inferiores a 0,01% e s�o, por isso, designados oligoelementos.

De todos os compostos, a �gua � o mais abundante na c�lula, atingindo 95% da sua massa total, servindo de meio de dispers�o para as restantes mol�culas e ajudando na sua interac��o.

Os compostos org�nicos caracterizam as c�lulas pois n�o existem no meio f�sico, sendo por isso chamados biomol�culas. Nas biomol�culas incluem-se os gl�cidos os l�pidos, os pr�tidos e os �cidos nucleicos.

Todos os elementos s�o formados por �tomos, por sua vez formados por part�culas menores: prot�es e neutr�es (concentrados no n�cleo) e electr�es, que orbitam o n�cleo.

No n�cleo est� concentrada a massa do �tomo, embora o seu di�metro seja muito menor que o do �tomo (por vezes descrito como uma mosca no centro de um campo de futebol). Os prot�es, carregados positivamente, est�o em n�mero constante em todos os n�cleos de �tomos do mesmo elemento, identificando esse elemento pelo chamado n�mero at�mico.

Os neutr�es t�m a mesma massa que os prot�es e tamb�m se localizam no n�cleo mas n�o t�m carga, s�o electricamente neutros. O n�mero de neutr�es pode variar em �tomos do mesmo elemento, dando origem a is�topos, sem que se alterem as propriedades qu�micas do �tomo. No caso do hidrog�nio, por exemplo, existem 3 is�topos: 

• um prot�o - pr�tio ou hidrog�nio-1
• um prot�o + um neutr�o - deut�rio ou hidrog�nio-2
• um prot�o + dois neutr�es - tr�tio ou hidrog�nio-3

Somando o n�mero de prot�es e neutr�es do n�cleo dos �tomos obt�m-se o n�mero de massa, que caracteriza cada is�topo, pois revela a diferen�a no n�mero de neutr�es. Os is�topos do mesmo elemento s�o quimicamente semelhantes, podendo mesmo substituir-se entre si, mas t�m comportamento f�sico diferente devido � massa diferente.

Os electr�es s�o muito menores, com carga el�ctrica igual mas de sinal contr�rio � dos prot�es, movendo-se como uma nuvem em volta do n�cleo. O �tomo � geralmente neutro porque existem tantos electr�es negativos como prot�es positivos.

O �tomo representa-se atrav�s do seu s�mbolo qu�mico (composto por uma ou duas letras) com o n�mero de massa em cima � esquerda e o n�mero at�mico em baixo � esquerda.

Os electr�es disp�em-se em volta do n�cleo em camadas electr�nicas, designadas 1,2, 3, etc. de acordo com a dist�ncia a que se encontram. Cada uma destas camadas t�m uma lota��o determinada: primeira camada 2 electr�es, �ltima camada 8 electr�es e as camadas interm�dias (N) ter�o N electr�es, ou seja, N = 2n2 em que n � o n�mero da camada.

No entanto, a maioria dos �tomos tem a �ltima camada electr�nica incompleta, tendendo por isso a ligar-se a outros para adquirir a configura��o dos gases raros. Os electr�es da �ltima camada designam-se electr�es de val�ncia e s�o os que interv�m nas liga��es qu�micas. O objectivo do estabelecimento de uma liga��o qu�mica � que, em volta de cada n�cleo, o n�mero de electr�es passe a ser igual a 2 ou a 8.

Todos os electr�es t�m a mesma massa e carga electr�nica mas o seu n�vel de energia varia com a dist�ncia ao n�cleo: quanto mais perto do n�cleo maior a atrac��o nuclear e menor � o n�vel de energia. Ao percorrer cada �rbita o electr�o n�o sofre varia��es de energia mas se ela lhe for fornecida, de modo a vencer a atrac��o nuclear, pode acontecer que:

• o electr�o passe para um n�vel de energia superior - excita��o;
• o electr�o abandone o �tomo transformando-o num cati�o (i�o positivo) - ioniza��o.

Quando o electr�o excitado retorna ao seu n�vel tradicional de energia liberta exactamente a mesma quantidade de energia que provocou a sua excita��o. Esta situa��o � comum em fen�menos associados a radia��es luminosas, como a fotoss�ntese, mas podem acontecer atrav�s de outras fontes de energia, como no caso da respira��o. Todos estes fen�menos tanto podem acontecer com �tomos, como com mol�culas.

Existem diversos tipos de liga��o qu�mica mas todas t�m como objectivo formar em volta de cada n�cleo at�mico uma configura��o de g�s raro. As liga��es qu�micas podem ser:

• liga��o covalente - trata-se de liga��es formadas por partilha de electr�es, ou seja, os n�cleos aproximam-se e os electr�es passam a girar em volta dos dois n�cleos;
• liga��o i�nica - esta liga��o resulta da atrac��o entre i�es produzidos pela transfer�ncia de electr�es de �tomos com tend�ncia para os perderem para �tomos com tend�ncia para os receberem. A atrac��o deve-se � exist�ncia de i�es de sinal contr�rio mas carga igual.

Para quebrar uma dada liga��o entre dois �tomos � necess�rio despender (ou fornecer aos �tomos) uma dada quantidade de energia. � essa energia, geralmente sob a forma de calorias, que nos indica a for�a de uma liga��o.

Da liga��o qu�mica entre �tomos resultam mol�culas, algumas formadas por um conjunto de �tomos iguais e outras com �tomos diferentes, ou seja, subst�ncias simples e compostas, respectivamente.

Certos conjuntos de �tomos surgem nas mol�culas de v�rios compostos, conferindo a esses compostos propriedades semelhantes e designando-se por radicais ou grupos caracter�sticos. Os principais radicais que podem ser encontrados nas mol�culas org�nicas s�o:

• grupo hidroxilo - representado por -OH, este radical � caracter�stico dos �lcoois pois s�o esses os compostos obtidos pela substitui��o de um ou mais �tomos de hidrog�nio pelo radical -OH ligado covalentemente. O radical -OH pode localizar-se em qualquer local da cadeia num 'esqueleto' hidrocarbonado. � temperatura ambiente s�o sempre l�quidos ou s�lidos, como por exemplo, o �lcool et�lico ou o glicerol;

• grupo carboxilo - representado por -COOH, este radical confere caracter�sticas �cidas e apenas se pode localizar na extremidade de uma cadeia hidrocarbonada. S�o exemplos destes �cidos, o �cido ac�tico ou o l�ctico;

• grupo amino - caracter�stico das aminas, deriva do amon�aco (NH3) por substitui��o de um dos hidrog�nios por radicais org�nicos, levando a que o �tomo de azoto fique ligado directamente a um �tomo de carbono. Nos amino�cidos surge em simult�neo com o grupo carboxilo, ligados a um �tomo central de carbono que tamb�m se liga a um hidrog�nio e a um radical org�nico. S�o exemplos de aminas a metilamina e todos os amino�cidos;

• grupo alde�do - representado por -CHO e tamb�m conhecido por grupo carbonilo, � caracter�stico dos alde�dos, como por exemplo o formalde�do ou o acetalde�do;

• grupo cetona - representado por -CO e caracter�stico das cetonas, difere dos alde�dos por apresentar o grupo carbonilo C=O ligado a dois radicais org�nicos R-CO-R, como acontece, por exemplo, na dimetilcetona.

Para que ocorram reac��es qu�micas s�o necess�rias algumas condi��es, nomeadamente:

• colis�o entre as mol�culas reagentes (quanto maior a taxa de colis�es maior a velocidade de reac��o);
• energia de activa��o - a exist�ncia deste tipo de energia aumenta o movimento das mol�culas, logo vai exponenciar as colis�es entre elas e, consequentemente, a velocidade de reac��o.

Os organismos vivos realizam as suas reac��es qu�micas com grande efici�ncia pois n�o desperdi�am energia sob a forma de calor e porque acumulam poucos res�duos, por compara��o com as reac��es inorg�nicas. Isto s� � poss�vel por realizam as reac��es em sequ�ncia, onde cada etapa utiliza como reagentes os produtos da etapa anterior.

Existem v�rios tipos de reac��es qu�micas mas em bioqu�mica as mais importantes s�o:

• reac��o de s�ntese - v�rias subst�ncias ligam-se originando um �nico produto: A + B � AB
• reac��o de decomposi��o - tamb�m dita de an�lise, neste caso uma dada subst�ncia � decomposta em subst�ncias menores: AB � A + B;
• reac��o de dupla decomposi��o - neste caso, �tomos ou radicais trocam de lugar entre os reagentes: AB + CD � AC + BD. Um importante exemplo deste tipo de reac��o s�o as hidr�lises R-R' + H-OH � R-H + R'-OH e as suas reac��es inversas, as condensa��es R-H + R'-OH � R-R' + H-OH;
• reac��o de oxida��o-redu��o - tamb�m conhecidas por reac��es redox, s�o reac��es em que h� transfer�ncia de electr�es entre

  Esquema simplificado de uma reac��o redox

   mol�culas. A oxida��o pode ser definida como a perda de electr�es e a redu��o como o ganho de electr�es. Assim, percebe-se que as oxida��es e as redu��es t�m que ocorrer sempre simultaneamente, pois � imposs�vel um electr�o permanecer isolado. O �tomo ou mol�cula que sofre oxida��o � o redutor e o que sofre redu��o � o oxidante.

Dado que para existir uma reac��o qu�mica � necess�rio que certas liga��es qu�micas se quebrem e outras se formem, deste balan�o podem resultar dois tipos de reac��es:

• reac��es exerg�nicas - quando as liga��es que se formam s�o mais fortes que as que se quebraram h� liberta��o de energia. Esta energia � frequentemente libertada sob a forma de calor, pelo que � frequente as reac��es exerg�nicas serem tamb�m exot�rmicas;
• reac��es enderg�nicas - quando as liga��es que se formam s�o mais fracas que as que se quebram h� uma absor��o de energia. Se a energia absorvida tiver sido sob a forma de calor, a reac��o enderg�nica tamb�m ser� endot�rmica.

Nas c�lulas actuais, tanto procari�ticas como eucari�ticas, existem 5 tipos de componentes qu�micos principais, onde se incluem quatro categorias de biomol�culas e uma mol�cula inorg�nica:

• �gua;

• gl�cidos;

• l�pidos;

• pr�tidos;

• �cidos nucleicos.

As biomol�culas t�m algumas caracter�sticas fundamentais e que as definem:

• t�m grande dimens�o e peso molecular, sendo por isso designadas macromol�culas;

• t�m grande variedade dentro de cada grande categoria;

• a sua estrutura � muito complexa mas formada por um reduzido n�mero de unidades estruturais b�sicas, ou seja, s�o pol�meros de mon�meros;

• formam estruturas altamente organizadas e com fun��o espec�fica, como a celulose ou a hemoglobina, por exemplo. 

Tr�s quartos da superf�cie da Terra est�o cobertos de �gua, o que significa que se o planeta fosse plano, toda a sua superf�cie estaria debaixo de 2,5 Km de �gua. Nitidamente, a designa��o correcta para o nosso planeta seria �gua e n�o Terra ...

A �gua � uma mol�cula extraordin�ria, apesar de comum, se n�o fossem as suas propriedades invulgares a Vida n�o teria surgido na Terra, ou pelo menos n�o como a conhecemos pois entre 50 e 90% do peso corporal dos organismos vivos corresponde a esta mol�cula.

No seu todo a mol�cula de �gua � electricamente neutra pois tem igual n�mero de prot�es e electr�es. No entanto, os electr�es partilhados nas liga��es covalentes ficam bem mais pr�ximos do oxig�nio que do hidrog�nio, causando um excesso de carga negativa em volta do O e uma car�ncia de carga negativa em volta dos H, tornando a mol�cula polar.

Estrutura da mol�cula de �gua e liga��es por pontes hidrog�nio (pontes H)

A polaridade da �gua permite a forma��o de liga��es, seja entre mol�culas de �gua seja com outro tipo de mol�cula, atrav�s de pontes hidrog�nio. Este tipo de liga��o � devida a for�as electrost�ticas entre os H+, ligado covalentemente a um �tomo de oxig�nio ou azoto, e outro �tomo de oxig�nio ou azoto.

Deste modo, as mol�culas de �gua podem ligar-se a 4 outras mol�culas por pontes hidrog�nio, situa��o respons�vel pelo facto de a �gua ser l�quida � temperatura ambiente, enquanto mol�culas como o amon�aco se evaporam rapidamente. Outro exemplo de uma mol�cula de estrutura semelhante � �gua em condi��es normais � um g�s � o sulfureto de hidrog�nio, libertado pelos vulc�es e altamente t�xico.

Esta polaridade justifica tamb�m a maior parte das propriedades da �gua:

• capacidade de dissolu��o;

• elevado ponto de ebuli��o e fus�o;

• elevado calor de vaporiza��o - quantidade de calor necess�ria para passar uma grama de l�quido a vapor, que neste caso � elevado precisamente devido � grande estabilidade causada pelas liga��es por ponte hidrog�nio;

• elevado calor espec�fico - quantidade de calor necess�ria para que a temperatura de um l�quido suba 1�C, no caso da �gua � elevado o que faz com que as varia��es de temperatura da �gua sejam lentas;

• elevada for�a de coes�o e ades�o com viscosidade baixa - a coes�o (for�a de liga��o entre mol�culas iguais) e a ades�o (for�as de liga��o entre mol�culas diferentes) s�o fundamentais para a eleva��o da �gua no tronco de uma �rvore ou para a capilaridade mas como a viscosidade ainda assim � baixa, a difus�o de solutos em solu��es aquosas � muito f�cil;

• elevada tens�o superficial - a coes�o entre mol�culas de �gua devido � polaridade e �s pontes H permite que um insecto como o alfaiate literalmente ande sobre �gua;

• aumento de volume durante a congela��o - devido ao rearranjo espacial das mol�culas de �gua, o gelo flutua, permitindo que apenas uma fina camada de �gua congele nos mares, rios e lagos, mantendo-se as �guas abaixo no estado l�quido e a temperaturas aceit�veis para a Vida;

• absor��o de radia��es - a �gua � praticamente transparente �s radia��es vis�veis, embora haja uma ligeira absor��o na zona do vermelho (da� as grandes massas de �gua serem azuis ou esverdeadas) mas absorve fortemente na zona do infravermelho (calor).

A �gua l�quida, dadas as numerosas liga��es por pontes H, forma uma gigantesca macromol�cula em cada lago, rio ou oceano.

No gelo, a �gua est� numa estrutura altamente regular de malha hexagonal, deixando um espa�o livre no centro de cada hex�gono (por isso o gelo flutua sobre a �gua l�quida). Com a fus�o, a �gua passa a uma malha quadrangular com um espa�o central menor, o que explica o motivo porque a �gua l�quido ocupa menos espa�o que o gelo. Esta situa��o � invulgar pois na fus�o h� um aumento da energia das mol�culas e a maior parte dos l�quidos t�m as suas mol�culas mais afastadas que os s�lidos.

A �gua � considerada o solvente universal, pois � capaz de dissolver mais subst�ncias que qualquer outro l�quido, sejam elas polares (hidrof�licas), que formam pontes H ou i�es que fiquem aprisionados em 'gaiolas' de �gua. As mol�culas apolares (hidrof�bicas) geralmente n�o se dissolvem em �gua, embora algumas possam permanecer nos espa�os entre elas.

Eis alguns exemplos cl�ssicos das capacidades de dissolu��o da �gua:

Para al�m disso, a �gua tamb�m � considerada um catalisador universal, pois devido ao seu car�cter polar favorece a ioniza��o de muitas mol�culas. � este o motivo porque a maioria das reac��es in vivo serem reac��es redox e o oxig�nio e o hidrog�nio serem participantes activos nelas.

Na �gua l�quida h� tend�ncia para um dos hidrog�nios de uma mol�cula se ligar ao oxig�nio de outra, originando dois i�es: OH- e H3O+. A �gua pura continua a ser neutra electricamente pois existe sempre o mesmo n�mero de cada um dos i�es (eles formam-se � custa um do outro) mas em solu��es aquosas com outros componentes isso nem sempre se verifica:

• solu��o �cida - cont�m maior quantidade de cati�es H3O+;

• solu��o b�sica - cont�m maior quantidade de ani�es OH-;

Para definir o grau de acidez de uma solu��o utiliza-se a escala de pH, ou seja a 'pot�ncia a que se eleva a concentra��o do cati�o H. Na �gua pura tem-se 1/10000000 mol de cati�o H, ou seja, [H+] = 10-7 ou seja pH = 7. Desta forma, se o pH de uma solu��o for inferior a 7 ent�o a concentra��o do cati�o H ser� maior que a da �gua pura e a solu��o ser� considerada �cida, o inverso para um pH superior a 7, onde a solu��o ser� considerada b�sica.

Os gl�cidos formam um dos maiores grupos de subst�ncias naturais. S�o centro de processos metab�licos atrav�s dos quais os seres vivos acumulam energia luminosa (fotoss�ntese) ou da que � libertada durante a oxida��o dos alimentos (respira��o). S�o a mais importante fonte de energia para animais e plantas, podendo tamb�m ter fun��o de reserva e estrutural. At� a vitamina C � um gl�cido.

Os gl�cidos foram inicialmente classificados como hidratos de carbono devido ao facto de serem biomol�culas compostas por carbono, hidrog�nio e oxig�nio e por se considerar que tinham origem na hidrata��o do carbono: Cn(H2O)m. No entanto, os glic�deos n�o se formam por hidrata��o do carbono e a f�rmula gen�rica anterior n�o inclui todas possibilidades para esta biomol�cula: a desoxirribose C5H10O4 � um gl�cido n�o pode ser a ela reduzida e o �cido ac�tico C2(H2O)2 pode ainda que n�o o seja.

Assim, a defini��o correcta de gl�cido refere que s�o alde�dos ou cetonas polihidroxilados. As propriedades comuns das mol�culas devem-se precisamente � exist�ncia de um ou v�rios radicais -OH e de, pelo menos, um grupo alde�do ou cetona.

Os gl�cidos s�o classificados em fun��o da complexidade das suas mol�culas, distinguindo-se 3 grandes grupos:

S�o os gl�cidos mais simples, com uma mol�cula formada por um �nico mon�mero. S�o as unidades b�sicas da constru��o dos gl�cidos mais complexos.

O n�mero de �tomos de carbono da mol�cula serve de base � classifica��o dos monossac�ridos:

• diose - dois carbonos, apenas existe um exemplo o alde�do glic�lico;

• triose - tr�s carbonos, como por exemplo gliceralde�do, hidroxicetona;

• tetrose - quatro carbonos, como por exemplo eritrose, ribulose;

• pentose - cinco carbonos, como por exemplo ribose, desoxirribose;

• hexose - seis carbonos, s�o as formas energ�ticas dos gl�cidos, como por exemplo glicose, frutose, galactose;

• heptose - sete carbonos, como por exemplo heptulose.

Note-se que o monossac�rido mais simples ter� que conter um radical -OH e uma fun��o alde�do logo tem que ter dois carbonos (H-COOH � um �cido carbox�lico pois os radicais carbonilo e hidroxilo est�o no mesmo carbono).

Conforme a fun��o presente no monossac�rido, t�m-se aldoses (grupo alde�do) e as cetoses (grupo cetona). A fun��o alde�do e a cetona, ainda que em menor grau, pode ser oxidada, originando um �cido carbox�lico: R-C=O (H) + O -> R-C=O (OH)

Esta oxida��o � muito f�cil o que torna os monossac�ridos alde�dicos redutores. A oxida��o pode dar-se em presen�a de reagentes particulares como o Licor de Fehling, que, por ter uma reac��o colorida, � um indicador da presen�a de a��cares redutores:

               R-C=O (H) + 2 CuO  ->  R-C=O (OH) + Cu2O

Note-se que todas as mol�culas de hexose t�m o mesmo n�mero de �tomos constituintes C6H12O6, no entanto as suas propriedades s�o diferentes devido ao diferente arranjo espacial das mol�culas (isomeria).

De acordo com o n�mero de monossacar�deos que cont�m, designam-se por dissac�ridos (2 como por exemplo, lactose, maltose ou sacarose, os mais importantes e todos is�meros de f�rmula qu�mica C12H22O11. Note-se a 'falta' de dois �tomos H e de um O devido � condensa��o que resulta da forma��o da liga��o glicos�dica), trissac�ridos (3 como por exemplo, rafinose), tetrassac�ridos (4 como por exemplo a estaquinose), etc. Os oligossac�ridos s�o as formas de transporte dos gl�cidos.

Forma��o de lactose, um dissac�rido, atrav�s da uni�o da galactose e da glose por uma liga��o glicos�dica

Os monossac�ridos que formam um oligossac�rido unem-se entre si atrav�s de liga��es glicos�dicas, donde resulta a forma��o de uma mol�cula de �gua.

Os dissac�ridos mais importantes, como j� foi referido, s�o:

• Sacarose - extra�da da cana-de-a��car ou da beterraba, resulta da uni�o atrav�s de uma liga��o glicos�dica de glicose e frutose. A sacarose n�o � redutora pois n�o apresenta nenhum �tomo C ligado a um -OH livre, n�o sendo detectada pelo Teste de Fehling;
• Maltose - formada pela uni�o de duas glicoses atrav�s da liga��o glicos�dica, pode ser detectada pelo Teste de Fehling pois � redutora;
• Lactose - formada pela uni�o de uma glicose e uma galactose, tamb�m � redutora. Comp�e cerca de 5% do leite dos mam�feros, sendo um dos a��cares menos doce e menos sol�vel. Tem grande import�ncia para o desenvolvimento dos juvenis devido ao poder anti-raqu�tico e � necessidade de galactose para a adequada forma��o das cartilagens e do tecido nervoso.

Os polissac�ridos podem ser agrupados em dois conjuntos, ainda que ambos possam ter uma estrutura simples ou ramificada:

• Homopolissac�ridos -  formados por apenas um tipo de monossac�rido, como o amido ou a celulose, que s�o pol�meros de glicose;
• Heteropolissac�ridos - formados por mais que um tipo de monossac�rido, como as hemiceluloses ou as gomas.

Dada a grande complexidade de alguns dos polissacar�deos, a sua classifica��o faz-se com base na sua fun��o celular: polissac�ridos de 

reserva, onde se incluem o amido ou o glicog�nio, e polissac�ridos estruturais, como a celulose ou a quitina. Vejamos alguns exemplos:

Gr�nulo de amido visto ao MEV, revelando as camadas de deposi��o conc�ntricas em volta do hilo

• Amido - � a forma de reserva de gl�cidos presente nas plantas, encontrando-se geralmente sob a forma de gr�nulos (sintetizados no interior de amiloplastos) cuja morfologia varia com a esp�cie. A deposi��o do amido nos gr�nulos � feita em camadas conc�ntricas, a partir de um ponto central chamado hilo. Trata-se de um p� branco insol�vel em �gua fria mas que a quente forma uma solu��o conhecida por cozimento de amido. Geralmente � composto por dois pol�meros:
  • Amilose - pol�mero n�o ramificado e linear, formado por liga��es semelhantes �s presentes na maltose, o que leva a que tenda a enrolar-se em h�lice. Pensa-se que a caracter�stica reac��o do amido com a �gua iodada � devida ao facto de o iodo ficar retido no interior da h�lice por atrac��es entre cargas. Com o aquecimento a cor azul desaparece pois a h�lice desenrola-se mas volta a surgir ap�s o arrefecimento;
  • Amilopectina - pol�mero ramificado, cada ramifica��o formada por cerca de 20 mol�culas de glicose. As extremidades livres das cadeias est�o enroladas em h�lice como na amilose, logo a amilopectina tamb�m cora de azul em presen�a de iodo mas de forma menos intensa.

  A raz�o amilose/amilopectina varia geralmente entre 1:6 e 1:3, embora haja situa��es de uma total aus�ncia de amilopectina. A hidr�lise laboratorial do amido, em �gua acidulada, permite seguir a sua degrada��o em dextrinas, maltose e, eventualmente, glicose.

  Compara��o entre a estrutura de alguns pol�meros de glicose

• Glicog�nio - � caracteristicamente o polissac�rido de reserva nos animais, ainda que tamb�m surja em fungos. � armazenado nas c�lulas musculares e do f�gado e tem uma estrutura muito semelhante � da amilopectina, ainda que com cadeias mais curtas e mais fortemente ramificadas. � mais sol�vel em �gua quente que o amido e cora de vermelho com �gua iodada.

• Celulose - logo a seguir � �gua � o composto mais abundante nas plantas. Trata-se de uma mol�cula com fun��o estrutural, n�o ramificada de grandes dimens�es, r�gida e distendida o que leva a uma estrutura em forma de fibrilha. As fibrilhas s�o formadas por conjuntos paralelos de mais de 2000 pol�meros e unem-se, por sua vez, em fibras. Estas formam a parede celular das c�lulas vegetais.

• Quitina - � um polissac�rido estrutural presente em Artr�podes, onde forma o exosqueleto, e em fungos, onde faz parte da parede celular. In vivo est� sempre associada a prote�nas, o que a torna especialmente resistente.

A reduzida solubilidade dos l�pidos em �gua resulta de as suas mol�culas serem essencialmente hidrocarbonadas, ou seja, altamente hidrof�bicas. Tal como os gl�cidos, tamb�m os l�pidos s�o formados apenas por carbono, oxig�nio e hidrog�nio.

Existem v�rias categorias de l�pidos, de acordo com a fun��o que desempenham:

Reac��o de esterifica��o com forma��o de um triglic�rido, que � armazenado nos animais no tecido adiposo

• Glicer�deos - tamb�m conhecidos por glic�ridos, estes l�pidos s�o �steres do �lcool glicerol e de �cidos gordos. Esta reac��o de s�ntese de glic�ridos designa-se esterifica��o, devido � forma��o de liga��es �ster entre os radicais -OH e -COOH. Os �cidos gordos que comp�em um glic�rido podem ser todos iguais mas geralmente s�o diferentes e � precisamente a sua natureza que determina as propriedades do l�pido, sendo o factor mais importante o grau de satura��o das mol�culas. 

  Os �cidos gordos s�o lineares, apesar da disposi��o em zig-zag da parte hidrocarbonada, mas quando surgem liga��es duplas a mol�cula fica imediatamente encaracolada. Assim, cadeias de �cidos gordos saturados ficam mais ordenadas e r�gidas, originando gorduras, glic�ridos s�lidos � temperatura ambiente. Os �cidos gordos insaturados t�m uma estrutura mais espa�ada, originando �leos, glic�ridos l�quidos � temperatura ambiente. 

  Os glic�ridos s�o l�pidos de reserva em plantas e animais, nestes �ltimos acumulando-se em c�lulas especiais (adip�citos) ou em dep�sitos subcut�neos que funcionam como protec��o contra o frio e os golpes mec�nicos.

• Ceras - tamb�m se trata de �steres de �lcool e �cidos gordos mas neste caso com �lcoois de cadeia longa, como por exemplo, o �lcool cet�lico. As ceras s�o compostos reactivos e imperme�veis, pelo que n�o funcionam como reserva mas antes como protec��es, especialmente em plantas, contra a desidrata��o das estruturas. A cera das abelhas tamb�m pertence a esta categoria de l�pidos.

Alguns ester�ides de import�ncia biol�gica, nomeadamente o colesterol e a forma como torna as membranas mais flex�veis, e algumas hormonas sexuais ester�ides

• Ester�ides - completamente diferentes, do ponto de vista de estrutura qu�mica, dos anteriores, este l�pidos t�m uma estrutura c�clica complexa e fun��es reguladoras. Fazem parte das membranas (colesterol), circulam no sangue dos animais (hormonas ester�ides, como a testosterona ou a progesterona), s�o vitaminas ou pigmentos fotossint�ticos (caroten�ides) entre muitas outras situa��es.

• Fosfol�pidos - como o seu nome indica, trata-se de l�pidos que apresentam f�sforo na sua composi��o. Ao contr�rio dos l�pidos anteriores, estes desempenham exclusivamente um papel estrutural, sendo o componente base das membranas celulares. 

  S�o �steres de glicerol, mas neste caso apenas duas das liga��es do �lcool est�o esterificadas com �cidos gordos, a terceira liga��o est� sempre esterificada com �cido fosf�rico. 

  Estrutura qu�mica e representa��o de um fosfol�pido

  Este, por sua vez, est� ligado a uma amina ou a um outro �lcool. Os fosfol�pidos t�m uma estrutura fortemente assim�trica: um extremo hidrocarbonado formado pelos �cidos gordos apolar e hidrof�bico, e um extremo com o grupo fosfato polar e hidrof�lico. Esta assimetria designa-se anfipatia e � uma propriedade que permite aos fosfol�pidos formar espontaneamente micelas (esfera formada por fosfol�pidos organizados lado a lado com as caudas para dentro e as cabe�as para fora, em contacto com a �gua). 

  Assim, os fosfol�pidos dissolvem-se em �gua mas n�o formam solu��es homog�neas pois as micelas t�m cargas negativas � superf�cie e repelem-se mutuamente. Por este motivo os fosfol�pidos s�o detergentes naturais, a cauda apolar liga-se �s gorduras e seguidamente forma-se uma micela com a gordura ao centro. Agita��o mec�nica arrasta a gordura e o detergente. 

  Certamente, no entanto, a sua mais importante fun��o a n�vel biol�gico � a capacidade de formar mono e bicamadas membranares, a base da constru��o das membranas biol�gicas.

Nos pr�tidos a ordem pela qual os mon�meros (que s�o bem mais numerosos que nos gl�cidos ou �cidos nucleicos) se encontram � fundamental, o que as torna capazes de desempenhar fun��es espec�ficas.

Os mon�meros dos pr�tidos, os amino�cidos, cont�m carbono, oxig�nio, hidrog�nio e azoto, este �ltimo geralmente presente sob a forma de g�s na atmosfera. Apenas alguns microrganismos s�o capazes de captar o azoto gasoso e incorpor�-lo em compostos org�nicos (nitritos e nitratos) que as plantas retiram do solo. De seguida, os vegetais incorporam o azoto nos seus amino�cidos. Os animais s�o capazes de sintetizar alguns amino�cidos aproveitando o azoto retirado de prote�nas que ingerem, mas existem alguns que n�o conseguem produzir e que se dizem amino�cidos essenciais: lisina, triptofano, treonina, meteonina, fenilalanina, leucina, valina e isoleucina, no caso humano. Um amino�cido tamb�m cont�m enxofre, a ciste�na. 

Tal como no caso dos gl�cidos, existem tr�s categorias de pr�tidos, de acordo com a sua complexidade estrutural:

Estrutura base de um amino�cido (o radical -R � que varia para originar os cerca de 20 amino�cidos conhecidos) e a forma��o da liga��o pept�dica com liberta��o de �gua

• Amino�cidos - estes mon�meros s�o derivados de �cidos carbox�licos em que um dos hidrog�nios foi substitu�do por um grupo amina. O radical -R varia entre os cerca de 20 amino�cidos que s�o conhecidos e que podem ser agrupados nas seguintes categorias:
  • arom�ticos - apresentam na sua constitui��o um anel arom�tico com 6 carbonos (benzeno);
  • heteroc�clicos - apresentam na sua estrutura outro tipo de an�is arom�ticos, diferentes do benzeno;
  • alif�ticos - o radical � composto por cadeias hidrocarbonadas.

  Os amino�cidos nunca se apresentam com estrutura neutra em solu��o, est�o sempre ionizados da forma que se observa na figura ao lado, com um excesso de cargas positivas na extremidade amina e um excesso de cargas negativas na extremidade carboxilo. Pensando numa defini��o de �cido (dador de H+) e de base (receptor de H+), � f�cil perceber que o pH de uma solu��o afecta o grau de ioniza��o dos amino�cidos e a estrutura que eles originam.

• P�ptidos - uma importante propriedade dos amino�cidos � a capacidade de polimerizarem atrav�s da liga��o pept�dica que une um grupo amina a um grupo carboxilo, libertando �gua. Assim, como se pode observar na figura acima, os pol�meros resultantes (p�ptidos) apresentam sempre duas extremidades distintas, uma amino e uma carboxilo. Os p�ptidos n�o t�m uma forma plana mas antes em zig-zag, ainda que o efeito total seja linear. Os p�ptidos t�m, de modo geral, algumas dezenas de amino�cidos unidos por liga��es pept�dicas.

• Polipeptidos ou prote�nas - de modo geral considera-se uma prote�na quando existem mais de 50 amino�cidos. Estas mol�culas s�o geralmente de grandes dimens�es, sendo as maiores conhecidas as hemocianinas com peso molecular de 9x106 e as do v�rus da gripe com 320x106 . As prote�nas podem ser agrupadas em dois grandes conjuntos:
  • prote�nas simples - formadas apenas por cadeias polipept�dicas, uma ou v�rias;
  • prote�nas conjugadas - formadas por uma ou mais cadeias polipept�dicas associadas a outras subst�ncias conhecidas por grupos prost�ticos, podendo assim originar-se fosfoprote�nas, lipoprote�nas, glicoprote�nas, metaloprote�nas, etc.

  N�veis de organiza��o de uma prote�na

  As prote�nas s�o muito diversificadas pois os 20 amino�cidos podem estar presentes em percentagens muito vari�veis e em sequ�ncias muito distintas.

  As liga��es pept�dicas entre amino�cidos n�o s�o as �nicas presentes nas prote�nas, existem liga��es secund�rias entre radicais ionizados de alguns amino�cidos, que determinam formas espec�ficas para cada prote�na. Assim, distinguem-se v�rios n�veis de organiza��o nas prote�nas:

  • estrutura prim�ria - corresponde � sequ�ncia de amino�cidos na cadeia polipept�dica;

  • estrutura secund�ria - as prote�nas n�o formam cadeias lineares de amino�cidos mas antes enrolam-se e dobram-se sobre si pr�prias. Do esqueleto formado pelos sucessivos grupos amino e carboxilo ligados por liga��es pept�dicas surgem liga��es secund�rias por pontes hidrog�nio que originam duas estruturas distintas: a h�lice alfa (caracter�stica de prote�nas ditas globulares como a hemoglobina) e a folha pregueada beta (caracter�sticas de prote�nas ditas fibrosas, como a queratina ou a miosina);

  • estrutura terci�ria - nas prote�nas globulares, ao contr�rio das fibrosas de estrutura alongada, as cadeias enrolam-se ainda mais sobre si pr�prias, originando uma estrutura esf�rica ou elipsoidal. Estas dobras s�o mantidas em posi��o por liga��es entre os diversos radicais -R dos amino�cidos. Dado que estas for�as s�o fracas, podem ser facilmente quebradas originando a desnatura��o da prote�na e a perda de actividade biol�gica;

  • estrutura quatern�ria - neste caso, a prote�na � formada por mais do que uma cadeia polipept�dica ou subunidade, cada uma incapaz de realizar a fun��o do todo.

  As prote�nas t�m v�rias fun��es biol�gicas e uma das mais importantes � a cat�lise. Nem todas as prote�nas s�o capazes de catalisar reac��es mas todos os catalisadores biol�gicos (enzimas) s�o prote�nas. Muitas prote�nas regulam as fun��es celulares, atrav�s do controlo da actividade enzim�tica ou por serem hormonas. Prote�nas espec�ficas chamadas anticorpos ou imunoglobulinas, t�m uma fun��o de defesa, impedindo que invasores destruam o tecido vivo. 

  Outras prote�nas transportadoras permitem que subst�ncias pouco sol�veis (metais, l�pidos, oxig�nio, di�xido de carbono, etc.) que t�m que circular atrav�s do sangue possam atingir as c�lulas. Prote�nas de suporte mant�m a estrutura das c�lulas e tecidos, como o colag�nio nos tend�es e ossos, a reticulina e a elastina nos vasos sangu�neos, actina e miosina nas c�lulas musculares, etc. As alfa e beta-queratinas s�o prote�nas de revestimento, formando os p�los, l�, cabelos, penas, bicos, escamas, cascos, arma��es, etc. A fun��o de reserva surge em sementes (cereais ou leguminosas, por exemplo) ou em ovos de animais (albumina na clara e vitelina na gema) ou no leite (case�na e lactalbumina). Tamb�m existem prote�nas nos l�quidos lubrificantes das articula��es animais e nas toxinas produzidas por animais e bact�rias.

Ac��o das enzimas na redu��o da energia de activa��o de uma reac��o

Para que elas ocorram � necess�rio formar um complexo activado, obtido fornecendo energia de activa��o, ou seja, fazendo colidir com um m�nimo de energia as mol�culas envolvidas. A 20�C poucas s�o as mol�culas que colidem com energia suficiente mas se a temperatura for de 100�C muitas mais realizaram a reac��o de forma mais r�pida. � este o princ�pio por tr�s da utiliza��o de aquecimento e �cidos ou bases fortes por parte dos qu�micos para realizar as suas reac��es.

No entanto, na c�lula esta situa��o n�o � vi�vel e ainda assim as reac��es r�pidas a temperaturas baixas (entre os 10 e os 40�C), com pH neutro ou perto disso, � press�o atmosf�rica, etc. O motivo porque tal � poss�vel reside no facto de existirem na c�lula catalisadores biol�gicos chamados enzimas, espec�ficas para cada reac��o e capazes de controlar a sua velocidade.

Apesar de as enzimas terem uma tremenda capacidade catal�tica n�o s�o m�gicas, elas apenas aumentam a velocidade da reac��o, n�o alteram o seu ponto de equil�brio e sem desencadear reac��es que n�o fossem j� poss�veis. 

As enzimas s�o prote�nas globulares, apresentando uma estrutura terci�ria e quatern�ria. Por esse motivo, podem ser desnaturadas, revers�vel ou irreversivelmente.

� sabido que nem todos os amino�cidos constituintes de uma prote�na est�o directamente envolvidos na sua actividade biol�gica. No caso das enzimas chama-se centro activo ao conjunto de amino�cidos envolvidos na cat�lise. Por este motivo, existem as chamadas isozimas, ou seja, enzimas com estrutura tridimensional diferente mas com o mesmo centro activo.

Muitas enzimas necessitam de componentes n�o proteicos para actuarem, componentes esses que se designam coenzimas e grupos prost�ticos. As coenzimas s�o substratos absolutamente necess�rios � reac��o catalisada, logo, como todos os substratos alteram-se durante a reac��o. Para reverter a coenzima ao seu estado inicial � necess�ria outra reac��o, como no caso das transforma��es verificadas em mol�culas transportadoras de electr�es: NAD+ > NADH. J� os grupos prost�ticos permanecem inalterados durante a reac��o, fazendo antes parte do centro activo. Geralmente os grupos prost�ticos s�o formados por metais.

O primeiro passo da actua��o enzim�tica � a combina��o revers�vel de enzima com o substrato sobre o qual actua, originando o complexo enzima-substrato. Ap�s as transforma��es qu�micas terem sido realizadas (s�nteses ou degrada��es), os produtos separam-se da enzima, deixando-a inalterada. Esta reac��o pode ser representada pela equa��o:

E + S =>ES =>E + P

Dado que o substrato se liga � enzima atrav�s do centro activo, que, em �ltimo caso, � modelado pela estrutura prim�ria da prote�na, pode compreender-se a especificidade revelada pelas enzimas:

• especificidade absoluta - enzima apenas actua sobre uma mol�cula de substrato;

• especificidade relativa ou de grupo - enzima actua sobre todas as mol�culas que apresentem o mesmo grupo funcional.

A especificidade est� pode ser relacionada com os modelos de ac��o enzim�tica, ainda que n�o se esgote neles:

• modelo de Koshland ou do encaixe induzido - neste modelo de ac��o enzim�tica a enzima � vista como uma estrutura male�vel, a n�vel do centro activo, alterando-se quando em presen�a do substrato, de modo a que este se ajuste ao centro de reac��o. Este modelo tem associada a possibilidade de regula��o alost�rica, ou seja, as enzimas nesta situa��o t�m n�o um mas dois centros activos. O segundo centro de reac��o, o chamado centro alost�rico, tem uma localiza��o diferente da do centro de reac��o principal e a ele vai ligar-se uma mol�cula reguladora. Essa liga��o provoca uma altera��o de forma do centro activo, permitindo ou impedindo a liga��o do substrato;

• modelo de Fischer ou da chave-fechadura - este modelo de ac��o enzim�tica considera que a enzima � uma estrutura r�gida e inalter�vel, � qual o substrato se ajusta por complementaridade.

Existem v�rios factores que afectam a velocidade de reac��o de uma enzima:

• concentra��o da enzima - mantendo constante a concentra��o de substrato, quanto maior a concentra��o de enzima maior ser� a velocidade de reac��o;

• concentra��o do substrato - para concentra��es baixas de substrato, e mantendo constante a concentra��o enzim�tica, h� uma proporcionalidade directa entre a concentra��o de substrato e a velocidade de reac��o. No entanto, para concentra��es elevadas de substrato a velocidade estabiliza pois h� satura��o dos centros activos;

• pH - as enzimas apenas s�o activas num intervalo restrito de pH, havendo um valor de actividade m�xima designado pH �ptimo. O valor de pH �ptimo geralmente � pr�ximo do neutro mas depende da enzima. O efeito do pH deve-se � altera��o do estado de ioniza��o dos componentes da enzima, nomeadamente a altera��o de cargas pode levar � perda de estruturas superiores (desnatura��o), a altera��o da orienta��o de cargas no centro activo pode impedir a liga��o ao substrato (que � feita essencialmente por atrac��o de cargas) ou a ioniza��o do substrato pode impedir o seu encaixe no centro activo;

• temperatura - este par�metro exerce dois efeitos perfeitamente antag�nicos nas reac��es enzim�ticas: aumenta a velocidade de reac��o pois fornece energia de activa��o �s mol�culas, favorecendo a forma��o do complexo enzima-substrato, que, como j� se viu, � a fase cr�tica da reac��o. No entanto, a partir dos 50�C (para a maioria das enzimas) as mol�culas enzim�ticas come�am a ser desnaturadas. A conjuga��o destes dois efeitos define a temperatura �ptima para a enzima, o ponto de equil�brio entre os dois fen�menos;

• inibidores - trata-se de subst�ncias que interferem com a actividade enzim�tica, bloqueando o processo catal�tico. Existem dois tipos de inibidores:

  • inibidores irrevers�veis - ligam-se � enzima bloqueando-a permanentemente de forma irrevers�vel. S�o disso exemplo os gases dos nervos usados na segunda guerra mundial, que inibem uma enzima do sistema nervoso central;

  • inibidores revers�veis - t�m actua��o tempor�ria, a enzima recupera a sua ac��o quando o inibidor � removido, como por exemplo o �cido cian�drico ou cianeto HCN, que inibe a respira��o celular. Tamb�m os inibidores revers�veis podem ser de dois tipos:

    • inibidores competitivos - a mol�cula de inibidor e do substrato competem entre si pela liga��o ao centro activo da enzima. Estes inibidores s�o subst�ncias semelhantes ao verdadeiro substrato da enzima;

    • inibidores n�o competitivos ou alost�ricos - neste caso, a enzima liga-se simultaneamente ao substrato e ao inibidor logo este �ltimo tem que se ligar num local diferente do centro activo, o centro alost�rico. No entanto, esta liga��o altera a configura��o tridimensional da enzima, impedindo a liga��o do substrato ao centro activo e reduzindo a velocidade de reac��o. Salienta-se que neste caso, a subst�ncia alost�rica pode ser tanto um inibidor como um activador.

O nome das enzimas obt�m-se acrescentando -ase ao nome do substrato sobre que actua. Seguidamente, ser�o agrupadas de acordo com o tipo de reac��o que catalisam, tendo-se:

• hidrolases - desdobram subst�ncias por reac��o com a �gua: A + H2O => B + C . S�o exemplo as osidases, l�pases, prot�ases, etc.;

• oxirredutases - catalisam reac��es redox: Ared + Box => Aox + Bred . S�o exemplo as enzimas:

  • desidrogenases - removem hidrog�nio do substrato;

  • oxidases - removem hidrog�nio e entregam-no ao oxig�nio, originando �gua;

  • hidrogenases - incorporam hidrog�nio no substrato, ou seja, reduzem-no;

  • oxigenases - incorporam oxig�nio no substrato, ou seja, oxidam-no;

• descarboxilases - retiram CO2 de �cidos carbox�licos;

• isomerases - catalisam a forma��o de is�meros, ou seja, altera��es � forma da mol�cula sem entrada ou sa�da de �tomos;

• ligases - unem dois substratos;

• liases -

  
  degradam subst�ncias, sem que haja hidr�lise.

Estrutura comparativa do DNA e RNA

Os �cidos nucleicos existem em todos os seres vivos, sendo os respons�veis e os coordenadores da informa��o gen�tica e heredit�ria dos organismos. Os �cidos nucleicos englobam dois tipos de mol�cula, diferen�a que deriva dos diferentes mon�meros usados na sua forma��o (desoxirribonucle�tidos ou ribonucle�tidos):

• �cido desoxirribonucleico (DNA) - encontra-se no n�cleo das c�lulas, onde forma os cromossomas, e nos cloroplastos e mitoc�ndrias;
• �cido ribonucleico (RNA) - encontra-se essencialmente no citoplasma e dele existem tr�s tipos: riboss�mico, de transfer�ncia e mensageiro.

Os �cidos nucleicos s�o as maiores mol�culas presentes nas c�lulas mas s�o formadas por um n�mero espantosamente reduzido de mon�meros, ditos genericamente nucle�tidos.

• grupo fosfato - �cido fosf�rico geralmente ionizado;
• pentose - gl�cido monossac�rido com cinco carbonos;
• base azotada.

Ainda assim, este facto n�o invalida a sua classifica��o como mon�meros pois estes tr�s compostos j� n�o podem ser considerados �cidos nucleicos, ainda que sejam mais do que �tomos.

As principais bases azotadas constituintes dos �cidos nucleicos s�o a adenina, citosina, guanina, timina e uracilo. Estas bases s�o agrupadas em purinas (adenina e guanina) e pirim�dicas (citosina, timina e uracilo), conforme derivem da purina ou da pirimidina. Alguns animais tamb�m usam a guanina como pigmento reflector, como nas escamas dos peixes ou nas carapa�as dos insectos.

Al�m destas cinco bases azotadas existem bases mais raras, delas derivadas e que geralmente t�m efeitos no SNC como venenos poderosos quando em quantidade elevada. Est�o presentes no ch�, no caf� ou no cacau mas n�o fazem parte dos �cidos nucleicos.

A pentose tamb�m pode ser de dois tipos: desoxirribose ou ribose, que diferem apenas na presen�a de um grupo -OH extra no segundo caso. Ambos os monossac�ridos s�o aldoses.

Quando se une um gl�cido a uma base azotada obt�m-se um nucle�sido. O nucle�tido funcional resulta da uni�o do �cido fosf�rico, atrav�s de uma liga��o �ster (�cido com carboxilo). Todos os nucle�tidos podem estar ligados n�o apenas a uma mol�cula de �cido fosf�rico mas a duas ou mesmo tr�s. Assim, teremos:

Os nucle�tidos-trifosfato desempenham importantes fun��es celulares:

• o ATP � o principal transportador de energia na c�lula pois a separa��o dos diversos grupos fosfato liberta grande quantidade de energia;
• o ATP � uma coenzima essencial a muitas reac��es celulares;
• nucle�tidos-trifosfato s�o a forma usada na s�ntese enzim�tica dos �cidos nucleicos.

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