Biology · AP Biology
Química da vida
as moléculas que fazem a vida funcionar
Um ser vivo é construído com poucos tipos de átomos, organizados em poucos tipos de moléculas grandes, tudo isso mergulhado em água.
A figura mostra água líquida. Cada molécula tem um oxigênio (vermelho) e dois hidrogênios (brancos). As ligações azuis são ligações de hidrogênio: atrações fracas entre o hidrogênio de uma molécula e o oxigênio da seguinte. Elas se formam e se rompem o tempo todo enquanto as moléculas se agitam.
Essas ligações explicam por que a água adere a si mesma e a superfícies, e por que ela resiste a mudanças de temperatura.
Este capítulo começa pela água, depois passa pelos elementos da vida e pelas reações que unem moléculas pequenas em moléculas grandes. Termina com as quatro classes de macromoléculas biológicas: carboidratos, lipídios, ácidos nucleicos e proteínas. Em cada uma, a ordem e a forma das partes decidem o que a molécula faz.
e as ligações de hidrogênio a mantêm unida
O oxigênio atrai os elétrons compartilhados com mais força que o hidrogênio. Esse compartilhamento desigual torna a água polar, e a polaridade gera as ligações de hidrogênio.
Cada ligação O–H na água é uma ligação covalente: os átomos compartilham um par de elétrons. O oxigênio é mais eletronegativo (3.44 na escala de Pauling, contra 2.2 do hidrogênio), então os elétrons compartilhados passam mais tempo perto do oxigênio. A ligação é uma ligação covalente polar.
O resultado é uma carga parcial negativa (δ−) no oxigênio e uma carga parcial positiva (δ+) em cada hidrogênio. A molécula é angular, com 104.5°, então as cargas não se anulam: a água é uma molécula polar.
Uma ligação de hidrogênio é a atração entre um hidrogênio δ+ e um átomo δ− (oxigênio ou nitrogênio) de outra molécula, ou de outra parte da mesma molécula grande. Ela é muito mais fraca que uma ligação covalente. Cada molécula de água pode fazer ligações de hidrogênio com até quatro vizinhas; no líquido, as ligações duram apenas frações de nanossegundo e depois se refazem.
| H2O | NH3 | H2S | CH4 |
|---|
| massa molar (g/mol) | 18.02 | 17.03 | 34.08 | 16.04 |
|---|
| ponto de ebulição (°C) | 100.0 | −33.3 | −60.3 | −161.5 |
|---|
Moléculas de tamanho parecido, pontos de ebulição muito diferentes. A água ferve 261.5 °C acima do metano porque a ebulição precisa romper suas ligações de hidrogênio. As ligações de hidrogênio também mantêm unidas as duas fitas do DNA e ajudam a dobrar as proteínas.
a água puxa a água e também as superfícies
As ligações de hidrogênio entre moléculas de água vizinhas dão à água coesão, adesão e tensão superficial.
Coesão é a água aderindo à água: as ligações de hidrogênio mantêm as moléculas unidas. Adesão é a água aderindo a outra superfície polar ou carregada, como o vidro ou a parede celular de uma planta. Tensão superficial é a coesão na superfície: a camada superior de moléculas é puxada para dentro e para os lados, então a superfície age como uma película esticada. Ela sustenta um inseto patinador.
Na figura, três tubos de vidro estão mergulhados na água. A adesão puxa a água para cima pelo vidro, curvando a superfície (o menisco); a coesão arrasta o resto da coluna atrás dela. Quanto mais estreito o tubo, mais parede há para cada grama de água, e mais alto a água sobe:
| raio do tubo (mm) | 1 | 0.5 | 0.25 |
|---|
| altura da subida (mm) | 14.9 | 29.7 | 59.5 |
|---|
Se o raio cai pela metade, a altura dobra. Essa subida é a capilaridade.
Em uma planta. A água evapora das folhas, e a coluna de água no xilema é puxada para cima atrás dela. A coluna se mantém unida pela coesão e se prende às paredes do xilema pela adesão, de modo que uma árvore pode elevar água dezenas de metros sem bomba.
alto calor específico, alto calor de vaporização
O calor precisa romper as ligações de hidrogênio antes de acelerar as moléculas de água. Por isso a água esquenta devagar e só evapora levando embora muito calor.
O calor específico é a energia necessária para aquecer 1 g de uma substância em 1 °C. O da água é 4.18 J/(g·°C), alto para um líquido. Na figura, aquecedores iguais de 50 W funcionam por 120 s sob 100 g de água e 100 g de etanol, cada um começando a 20 °C:
| calor específico (J/(g·°C)) | após 120 s (°C) |
|---|
| água | 4.18 | 34.4 |
| etanol | 2.44 | 44.6 |
Exemplo resolvido. Cada líquido recebe 50 W × 120 s = 6000 J. Para a água, ΔT = q/(mc) = 6000/(100 × 4.18) = 14.4 °C. O mesmo calor aquece o etanol em 24.6 °C.
Um calor específico alto permite que um organismo, um lago ou uma costa mantenha a temperatura estável enquanto o ar ao redor varia: parte da manutenção da homeostase.
O calor de vaporização é a energia necessária para evaporar 1 g de líquido. O da água é 2.41 kJ/g à temperatura do corpo (o do etanol, 0.84 kJ/g). As moléculas que escapam levam esse calor consigo: é o resfriamento evaporativo. Se uma pessoa de 70 kg evapora 100 g de suor, ele leva 100 × 2.41 = 241 kJ, o suficiente para resfriar o corpo em cerca de 1.0 °C.
átomos do ambiente, incorporados a novas moléculas
Um organismo constrói suas moléculas com átomos que absorve. Carbono, hidrogênio e oxigênio formam a maior parte de toda molécula biológica; nitrogênio, fósforo e enxofre entram em algumas classes e em outras não.
| carboidratos | lipídios | proteínas | ácidos nucleicos |
|---|
| C | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| H | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| O | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| N | | | ✓ | ✓ |
| P | | ✓* | | ✓ |
| S | | | ✓ | |
* O fósforo está nos fosfolipídios, os lipídios das membranas (cujas cabeças muitas vezes também têm nitrogênio); gorduras e esteroides têm só C, H e O.
- O nitrogênio está nas proteínas (todo aminoácido tem um grupo amina) e nos ácidos nucleicos (toda base).
- O fósforo está nos ácidos nucleicos (o fosfato de cada nucleotídeo) e nos fosfolipídios. Proteínas e carboidratos não têm.
- O enxofre está nas proteínas (nos grupos R de dois aminoácidos), mas não nos ácidos nucleicos.
Essa diferença é uma ferramenta. Um marcador de enxofre radioativo marca as proteínas de uma célula e não o DNA; o fósforo radioativo marca o DNA e o RNA e não as proteínas.
Os átomos vêm do ambiente: uma planta obtém carbono do CO2, hidrogênio e oxigênio da água, e nitrogênio, fósforo e enxofre de íons do solo. Um animal os obtém na comida. Em massa, um ser humano é 65% O, 18.5% C, 9.5% H, 3.3% N.
síntese por desidratação e hidrólise
As grandes moléculas biológicas são polímeros: cadeias de subunidades pequenas, os monômeros, unidas por ligações covalentes. Cada ligação se forma pela remoção de uma molécula de água e se rompe pela adição de uma.
Síntese por desidratação. Um grupo hidroxila (–OH) sai de um monômero e um hidrogênio sai do outro. Os dois monômeros se ligam por ligação covalente, e o OH e o H saem juntos como uma H2O. Unir muitos monômeros assim é a polimerização.
A hidrólise (“quebra pela água”) é o inverso. A água é adicionada na ligação entre dois monômeros: o H vai para um monômero, o OH para o outro, e a ligação covalente se rompe. A digestão é hidrólise.
A figura mostra o mesmo filme para a frente (água sai) e para trás (água entra). Uma cadeia de n monômeros tem n − 1 ligações; portanto liberou n − 1 moléculas de água ao se formar e absorve n − 1 para se desfazer.
Exemplo resolvido. A glicose tem massa molar de 180.16 g/mol; a água, 18.02. Duas glicoses unidas: 2 × 180.16 − 18.02 = 342.30 g/mol. A cadeia de 6 na figura: 6 × 180.16 − 5 × 18.02 = 990.86 g/mol.
As células usam enzimas para acelerar as duas reações. Construir polímeros exige energia; a hidrólise a libera.
açúcares e cadeias de açúcares
Os monossacarídeos, açúcares simples como a glicose e a frutose, são os monômeros dos carboidratos. Ligações covalentes os unem em polissacarídeos, carboidratos complexos que podem ser lineares ou ramificados.
Dois monossacarídeos formam um dissacarídeo (sacarose, lactose, maltose); centenas a milhares formam um polissacarídeo. Os carboidratos são feitos apenas de C, H e O.
A forma segue a função:
| polissacarídeo | forma | função |
|---|
| celulose | linear | paredes celulares das plantas: as cadeias ficam lado a lado, unidas por ligações de hidrogênio em fibras resistentes |
| amido | linear e ramificado | reserva de energia nas plantas |
| glicogênio | muito ramificado | reserva de energia nos animais (fígado, músculo) |
| quitina | linear | paredes celulares de fungos, exoesqueletos de insetos |
Na figura, as duas cadeias adicionam um açúcar por extremidade em crescimento a cada passo. A cadeia linear tem uma extremidade. A cadeia ramificada tem uma extremidade em cada ramo; assim, no mesmo tempo, ganha muito mais açúcares, e uma enzima pode retirá-los com a mesma rapidez. Por isso o glicogênio, muito ramificado, é a reserva a que o animal recorre com urgência.
Até uma pequena mudança na forma como os monômeros se ligam muda a molécula: os humanos digerem amido, mas nenhuma enzima humana hidrolisa a celulose.
como uma dobra na cauda faz a gordura derreter
Os lipídios são moléculas em sua maioria apolares e hidrofóbicas: não se misturam com a água. O que um lipídio faz depende de como suas partes estão organizadas.
Muitos lipídios são construídos a partir de ácidos graxos: longas cadeias de hidrocarboneto com um grupo carboxila em uma extremidade. Uma gordura (um triglicerídeo) é formada por três ácidos graxos unidos ao glicerol por síntese por desidratação.
Um ácido graxo saturado tem só ligações simples entre seus carbonos: contém o máximo de hidrogênios possível e sua cadeia é reta. Um ácido graxo insaturado tem pelo menos uma ligação dupla carbono–carbono, que cria uma dobra na cadeia. Quanto mais ligações duplas, mais insaturado ele é.
Cadeias retas se empacotam bem e se atraem ao longo de todo o comprimento; por isso as gorduras saturadas são sólidas à temperatura ambiente (manteiga, banha). Cadeias dobradas não se empacotam, então as gorduras insaturadas são líquidas (azeite). Quatro ácidos graxos de 18 carbonos:
| ácido graxo | ligações C=C | ponto de fusão (°C) |
|---|
| ácido esteárico | 0 | 69.3 |
| ácido oleico | 1 | 13.4 |
| ácido linoleico | 2 | −5.0 |
| ácido α-linolênico | 3 | −11.0 |
Quanto mais insaturado é um lipídio, mais líquido ele fica em dada temperatura. Membranas ricas em caudas insaturadas permanecem fluidas no frio.
armazenam energia, sinalizam e constroem membranas
Gorduras, esteroides e fosfolipídios são todos lipídios, e cada um tem uma função diferente.
As gorduras armazenam energia e apoiam o funcionamento da célula; sob a pele dos mamíferos, também isolam termicamente. Um grama de gordura fornece cerca de 37 kJ, mais que o dobro dos 17 kJ de um grama de carboidrato. Para armazenar 1000 kJ são necessários 27 g de gordura, mas 59 g de carboidrato.
Os esteroides são lipídios formados por quatro anéis de carbono fundidos. Muitos são hormônios (testosterona, estrogênio, cortisol) que regulam o crescimento e o desenvolvimento, o metabolismo energético e a homeostase.
O colesterol é um esteroide que fica entre as caudas das membranas das células animais (azul na figura) e lhes dá estabilidade estrutural.
Um fosfolipídio tem duas caudas de ácido graxo e uma cabeça que carrega um grupo fosfato. A cabeça é polar, hidrofílica; as caudas são apolares, hidrofóbicas. Uma molécula com os dois tipos de extremidade é anfipática.
Na água, os fosfolipídios se reúnem em uma bicamada lipídica: duas camadas, com as cabeças voltadas para a água de cada lado e as caudas escondidas no meio. A membrana plasmática de toda célula, e as membranas de suas organelas, é uma bicamada assim. Pequenas moléculas apolares podem atravessar seu interior; íons e grandes moléculas polares não.
uma fita de nucleotídeos, com duas extremidades diferentes
O DNA e o RNA armazenam informação biológica como uma sequência de monômeros chamados nucleotídeos.
Todo nucleotídeo tem três partes:
- um açúcar de cinco carbonos: a desoxirribose no DNA e a ribose no RNA;
- um grupo fosfato;
- uma base nitrogenada: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T) no DNA, ou uracila (U) no RNA.
Ligações covalentes unem o fosfato de um nucleotídeo ao açúcar do seguinte, formando um esqueleto açúcar–fosfato com as bases voltadas para fora. A ordem das bases ao longo dele é a informação.
A fita tem direção. Os carbonos dos açúcares são numerados, e as duas extremidades são diferentes: a extremidade 5′ (“cinco linha”) tem um fosfato livre no carbono 5′ do açúcar; a extremidade 3′ tem uma hidroxila livre no carbono 3′ do açúcar.
Quando um ácido nucleico é sintetizado, cada novo nucleotídeo se liga à extremidade 3′ da fita em crescimento, como na figura. Assim, as fitas sempre crescem no sentido 5′ → 3′, e a sequência é escrita nesse sentido: 5′-ATGCCGTA-3′.
fitas antiparalelas, bases pareadas
O DNA são duas fitas enroladas em uma dupla hélice, que correm em sentidos opostos e são mantidas juntas por ligações de hidrogênio entre suas bases.
As fitas são antiparalelas: uma segue 5′ → 3′ subindo pela hélice, a outra segue 5′ → 3′ descendo. Os esqueletos açúcar–fosfato ficam por fora; as bases se pareiam no meio.
O pareamento é específico. A adenina pareia com a timina (A–T), por duas ligações de hidrogênio; a guanina pareia com a citosina (G–C), por três. Assim, cada fita determina a sequência da outra: elas são complementares. No RNA, a adenina pareia com a uracila (A–U).
Como A sempre pareia com T e G com C, o DNA de fita dupla tem tanto A quanto T e tanto G quanto C. Chargaff mediu o DNA humano:
| base | A | T | G | C |
|---|
| % molar | 30.9 | 29.4 | 19.9 | 19.8 |
|---|
Exemplo resolvido. Se uma amostra de DNA tem 30% de A, ela também tem 30% de T; os outros 40% são G e C em partes iguais, 20% cada.
Os 12 pares da figura, ATGCGCATTAGC, são 50.0% G–C, unidos por 30 ligações de hidrogênio. Mais pares G–C significam mais ligações de hidrogênio e uma temperatura mais alta para separar as fitas.
| DNA | RNA |
|---|
| açúcar | desoxirribose | ribose |
| bases | A, T, G, C | A, U, G, C |
| fitas | geralmente duas | geralmente uma |
ligações peptídicas e grupos R
Uma proteína é uma ou mais cadeias lineares de aminoácidos, unidos por ligações peptídicas covalentes. Uma cadeia é um polipeptídio.
Todo aminoácido tem um carbono central ligado a quatro grupos: um hidrogênio, um grupo amina (–NH2), um grupo carboxila (–COOH) e um grupo R (cadeia lateral) variável. Os vinte aminoácidos diferem apenas nos grupos R.
Uma ligação peptídica se forma por síntese por desidratação entre a carboxila de um aminoácido e a amina do seguinte, liberando uma H2O. A cadeia tem uma extremidade N-terminal (uma amina livre) e uma extremidade C-terminal (uma carboxila livre), e cresce pela extremidade C-terminal, como na figura.
Os grupos R se dividem em três tipos segundo a propriedade química:
| grupo R | comportamento na água |
|---|
| apolar (cinza) | hidrofóbico: agrupa-se longe da água |
| polar (azul) | hidrofílico: faz ligações de hidrogênio com a água |
| carregado, iônico (vermelho) | hidrofílico: atrai cargas opostas |
A forma como os grupos R interagem determina a forma, e portanto a função, de cada região da proteína.
Exemplo resolvido. Um polipeptídio de 300 aminoácidos tem 299 ligações peptídicas; com resíduos de cerca de 110 dáltons em média, ele tem massa de cerca de 300 × 110 = 33 kDa.
primária, secundária, terciária, quaternária
A sequência de aminoácidos determina como a cadeia se dobra, e a forma dobrada determina o que a proteína faz.
A estrutura primária é a sequência de aminoácidos, mantida por ligações peptídicas. Ela determina todos os níveis acima.
A estrutura secundária é o dobramento local, mantido por ligações de hidrogênio entre átomos do esqueleto (não dos grupos R): espirais chamadas α-hélices e folhas β pregueadas.
A estrutura terciária é a forma tridimensional de toda a cadeia, mantida por interações entre grupos R: ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas (grupos R apolares agrupados no interior, longe da água), ligações iônicas entre grupos R carregados e pontes dissulfeto covalentes entre duas cisteínas (em vermelho na figura).
A estrutura quaternária é o arranjo de dois ou mais polipeptídios em uma só proteína. A hemoglobina tem quatro: duas cadeias α de 141 aminoácidos e duas cadeias β de 146.
Os quatro níveis juntos dão à proteína sua função. Calor, pH extremo ou certas substâncias químicas rompem as ligações fracas dos níveis superiores, e a proteína se desdobra e deixa de funcionar: ela está desnaturada. As ligações peptídicas da estrutura primária permanecem.
Mude um aminoácido e o dobramento pode mudar. Na hemoglobina da anemia falciforme, um único grupo R carregado é trocado por um apolar, e a proteína adere às vizinhas.
Estrutura e função da célula →