Resumo de Bioquimica 01 - fundamentos de bioquímica

Fundamentos de Bioquímica

A lógica molecular da vida

Os organismos vivos são compostos de moléculas destituídas de vida.

A unidade química dos diferentes organismos vivos

Os organismos vivos são (1) complexos e organizados, (2) capazes de extrair, transformar e usar a energia que encontram no meio ambiente, e (3) são capazes de auto-replicação.

A bioquímica procura explicar a vida em termos químicos

Como as coleções de moléculas inanimadas, que constituem os seres vivos, interagem entre si para manter e perpetuar a vida animada, exclusivamente pelas leis químicas que governam  o universo não vivo.

Apesar da grande diversidade de seres vivos, estes são muitos semelhantes em nível celular e molecular.

Todas as macromoléculas são construídas a partir de poucos compostos simples

A maioria dos constituintes moleculares dos sistemas vivos é composta de átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, na forma de subunidades monoméricas (aminoácidos, nucleotídeos e monossacarídeos) que formam proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos.

A maioria das subunidades monoméricas exerce mais de uma função nas células vivas. Nucleotídeos – subunidades de ácidos nucléicos e moléculas transportadoras de energia; aminoácidos – subunidades de proteínas e precursores de neurotransmissores, pigmentos e outras biomoléculas.

Todos os organismos vivos constroem moléculas a partir dos mesmos tipos de subunidades monoméricas.

A estrutura de uma macromolécula determina sua função biológica específica.

Cada gênero e espécie são definidos por seu conjunto distinto de macromoléculas.

A produção de energia e seu consumo no metabolismo

A vida depende de um suprimento constante de energia para poder se opor à tendência, inexorável da natureza, de queda para níveis menores de estado energético.

A vida desenvolveu, durante a evolução, mecanismos altamente eficientes para capturar a energia do Sol, ou extrai-la de alimentos oxidáveis, e transferi-la para os processos que dela necessitam.

Os organismos nunca estão em equilíbrio com seu ambiente

As moléculas e os íons contidos no interior dos organismos vivos diferem em tipo e em concentração das existentes no meio ambiente.

A composição molecular reflete um estado estacionário dinâmico

Embora a composição química de um organismo possa ser quase constante ao longo do tempo, as moléculas são sintetizadas e depois desmontadas por reações químicas contínuas, envolvendo fluxo constante de massa e energia através do sistema, refletindo um estado estacionário dinâmico.

Os organismos vivos transformam energia e matéria do meio ambiente

Os seres vivos precisam realizar trabalho para permanecerem vivos e para se reproduzirem.

Sistema é tudo que está dentro de uma região definida do espaço – reagentes, produtos, solventes e atmosfera. O sistema e seus arredores constituem o universo. O sistema pode ser isolado (não troca nem matéria nem energia com o arredor), fechado (troca energia) ou aberto (troca energia e matéria).(AQUI HAVIA UMA INVERSÃO ENTRE ISOLADO E FECHADO, MAS FOI CORRIGIDO. CONTRIBUIÇÃO VALIOSA DE MARIA LUIZA)

Os seres vivos são sistemas abertos que captam energia do meio ou por oxidação de combustíveis ou absorvendo  energia da luz solar.

A primeira lei da termodinâmica – em qualquer mudança física ou química, a quantidade de energia total do universo permanece constante, embora a forma de energia possa mudar.

Os seres vivos são transdutores consumados de energia, capazes de interconverter energia química, eletromagnética, mecânica e osmótica com grande eficiência. Os seres vivos são motores químicos que funcionam à temperatura constante.

O fluxo de elétrons fornece energia para os organismos

Praticamente todos os seres vivos obtêm energia, direta ou indiretamente, da energia radiante da luz solar.

As células fotossintéticas absorvem a energia radiante do sol e a utilizam para retirar elétrons da molécula de água e adiciona-los à molécula de dióxido de carbono, formando produtos ricos em energia, e liberando oxigênio para a atmosfera. Os organismos não fotossintetizantes pela oxidação destes produtos ricos em energia. Todas essas reações que envolvem fluxo de elétrons são reações de oxirredução.

Acoplamento de energia liga as reações químicas em biologia

Reações químicas podem ser acopladas assim que uma reação liberativa de energia promove uma reação que requer energia.

Reações químicas em sistemas fechados ocorrem espontaneamente até que o equilíbrio seja alcançado – estado estacionário. A variação de energia, que ocorre enquanto o sistema se move de seu estado inicial para o equilíbrio, a pressão e a temperatura constantes, é dada pela variação de energia livre (DG). A grandeza de DG depende da reação química particular e de quanto o sistema inicialmente está longe do equilíbrio. Nas reações que ocorrem espontaneamente, os produtos têm menos energia livre que os reagentes, assim a reação libera energia livre, que está disponível para realizar trabalho. Tais reações são exergônicas, e DG é expressa em valores negativos. As reações endergônicas, por outro lado, requerem energia e são expressas com DG positivos. Parte da energia liberada em reações bioquímicas exergônicas pode ser usada em reações endergônicas, mas parte da energia é dissipada como calor ou perdida para aumentar a entropia.

O acoplamento de reações endergônicas a reações exergônicas ocorre em seres vivos, via um intermediário compartilhado das reações. A quebra de adenosina trifosfato (ATP) é a reação exergônica, que dirige muitos processos endergônicos, nas células. O ATP é o maior transportador de energia química em todos os seres vivos, e seu grupo fosfato terminal é transferido para uma variedade de moléculas receptoras, que são ativadas para favorecer transformações químicas. Adenosina difosfato (ADP) é reciclado (fosforilado) para ATP, à custa de energia química ou da luz solar.

As enzimas promovem reações químicas em cadeia

O fato de uma reação ser exergônica não significa que ela necessariamente se processará de forma rápida. Inicialmente há a necessidade de vencer a barreira de ativação e atingir um estado de transição de alto nível de energia livre. Isto garante estabilidade para as biomoléculas.

Nos seres vivos, as reações químicas ocorrem devido à presença de enzimas que agem como catalisadores diminuindo a barreira de ativação entre o reagente e o produto, a energia de ativação necessária e acelerando enormemente a velocidade da reação. Uma pequena redução na energia de ativação necessária resulta em um grande aumento na velocidade da reação.

As enzimas são específicas para cada reação e isso permite a diminuição seletiva das barreiras de ativação das reações celulares. Esta seletividade é crucial na eficaz regulação dos processos celulares.

As reações químicas enzimaticamente catalizadas são funcionalmente organizadas em muitas seqüências diferentes de reações consecutivas chamadas vias, nas quais o produto de uma reação se torna o reagente para a próxima reação. Os processos degradadores liberativos de energia livre são designados catabolismo, enquanto as vias sintéticas que requerem invariavelmente a adição de energia são chamadas de anabolismo. O conjunto de vias imbricadas e enzimaticamente catalisadas constituem o metabolismo. O ATP é o mais importante elo de conexão entre os componentes catabólicos e anabólicos destas vias.

O metabolismo é regulado para ser econômico e equilibrado

Os seres vivos sintetizam simultaneamente vários tipos de macromoléculas e nas proporções requeridas para sua homeostase. As enzimas-chave em cada via metabólica são reguladas de tal forma que cada tipo de molécula precursora é produzido em quantidade apropriada às necessidades correntes da célula. Altas concentrações de um produto podem inibir a atividade catalítica de uma enzima-chave na via, diminuindo, imediatamente, a produção deste produto. Essa retro-alimentação negativa mantém em equilíbrio a produção e a utilização de cada intermediário metabólico.

Os seres vivos também regulam a síntese das enzimas. Os seres vivos podem desativar a síntese de uma enzima necessária para a produção de um determinado produto. O seres vivos mantém  um estado de equilíbrio dinâmico, a despeito das flutuações do ambiente externo.

TRANSFERÊNCIA DA INFORMAÇÃO BIOLÓGICA

A informação básica de cada ser vivo deve ser mantida a cada geração, guardando a essência, e, ao mesmo tempo, permitindo variações responsáveis pela evolução constante dos seres vivos. Os ácidos nucléicos como macromoléculas responsáveis por guardar o código essencial de cada ser vivo.

A continuidade genética é atribuição das moléculas de DNA

A informação genética é preservada no DNA, um polímero orgânico longo e fino tão frágil que sua molécula é fragmentada sob a ação de forças que aparecem em uma solução quando agitada ou pipetada.

A estrutura do DNA permite seu reparo e sua replicação com fidelidade quase perfeita

A complementaridade estrutural entre as duas metades da molécula do DNA garante a preservação do material genético dos seres vivos. O DNA é constituído por desoxirribonucleotídeos, arranjados em uma seqüência linear precisa. Duas fitas poliméricas são enroladas uma ao redor da outra formando uma dupla hélice, através do pareamento dos nucleotídeos complementares. Cada uma destas fitas pode servir de molde para a formação de uma nova fita.

Mudanças nas instruções hereditárias permitem a evolução

Durante a replicação do DNA podem ocorrer erros de complementaridade, originando seqüências de nucleotídeos diferentes do original, são as mutações genéticas. Apesar de geralmente serem deletérias ou mesmo fatais para os organismos que sofrem tais mutações, ocasionalmente podem ser vantajosas para o organismo.

A anatomia molecular revela relações evolucionárias

Em nível molecular, a evolução é a emergência, no tempo, de diferentes seqüências de nucleotídeos no interior dos genes.

A seqüência linear do DNA codifica proteínas com estruturas tridimensionais

A seqüência linear de aminoácidos em uma proteína leva à aquisição de uma estrutura tridimensional única e exclusiva por meio de um processo de automontagem.

As macromoléculas individuais com afinidade específica por outras macromoléculas automontam-se em complexos supramoleculares.

Interações não-covalentes estabilizam as estruturas tridimensionais

As forças que dão estabilidade e especificidade às estruturas tridimensionais das macromoléculas e aos complexos supramoleculares são, em sua maioria, interações não-covalentes: pontes de hidrogênio, interações iônicas, interações de van der Waals e interações hidrofóbicas.

A natureza transiente das interações não-covalentes confere flexibilidade às macromoléculas, flexibilidade crítica para suas funções. Além disso, é improvável que todas as inúmeras interações sejam rompidas ao mesmo tempo, conferindo estabilidade à macromolécula.

As estruturas biológicas tridimensionais combinam as propriedades de flexibilidade e de estabilidade.

Interações não-covalentes são também centrais na especificidade e na eficiência catalítica das enzimas. As enzimas ligam os intermediários no estado de transição por meio de numerosas ligações fracas, as quais são precisamente orientadas. Como as interações são flexíveis, o complexo sobrevive às distorções que ocorrem durante a transformação do reagente em produto.

As raízes físicas do mundo bioquímico

Uma célula viva é um sistema isotérmico de macromoléculas que se autocontém, automonta, auto-ajuda e auto-perpetua, e que extrai energia livre do seu meio ambiente.

A célula usa essa energia para manter-se em um estado estacionário dinâmico, distante do equilíbrio com o seu meio ambiente.

As várias transformações químicas dentro das células são organizadas em uma rede de vias de reações, promovidas a cada etapa por enzimas, as quais a própria célula produz. Uma grande economia das partes  e dos processos é atingida pela regulação da atividade enzimas-chave.

A auto-replicação através de muitas gerações é conseguida pelo sistema linear de codificar a informação, que é auto-reparável. A informação genética, codificada como seqüências de subunidades de nucleotídeos no DNA e no RNA, especifica a seqüência de aminoácidos em cada proteína, o que, em última análise, determina a estrutura tridimensional e a função de cada proteína.

Muitas interações fracas, não-covalentes, agindo cooperativamente, estabilizam as estruturas tridimensionais das biomoléculas e dos complexos supramoleculares, permitindo flexibilidade suficiente para ações biológicas.