(Parte 1 de 4)

Capítulo 1 O que estuda a Bioquímica? estudo da Bioquímica infere um conceito nato de que existe uma química da vida, ou então que há vida pela química. Antes que um conceito filosófico ou religioso, a vida, aqui, deve ser tratada como o resultado da maximização de fatores físicos e químicos presentes em um sistema aberto extremamente frágil: a célula. Neste microscópico tubo de ensaio estão os componentes necessários para que o ser vivo complete o clássico ciclo da vida, ou seja, nascer, crescer, reproduzir e morrer, tudo resultado de um processo natural de desenvolvimento de reações químicas típicas com reagentes, produtos e catalisadores que, quanto melhor as condições ótimas de reação, melhor a eficácia com que serão executadas.

Do ponto de vista químico, os seres vivos são constituídos de elementos bastante simples e comuns em todo o universo: carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio (bases dos compostos orgânicos), além de uma infinidade de outros elementos presentes em quantidades relativamente menores, mas de funções imprescindíveis ao funcionamento celular (p.ex.: ferro, enxofre, cálcio, sódio, potássio, cloro, cobalto, magnésio etc.)

O agrupamento desses elementos, em moléculas com funções distintas, foi um passo longo e decisivo para a afirmação do processo de vida em nosso planeta. O processo de obtenção de energia através da glicose na ausência de oxigênio, por exemplo, é um processo tão organizado que ele é exatamente o mesmo em todos os seres vivos, diferindo somente na forma como o produto final é processado, sendo que a maioria dos seres vivos prossegue com o metabolismo aeróbio, porém todos os seres vivos, sem exceção, realizam o metabolismo anaeróbio de degradação da glicose.

Existe uma relação direta entre a produção de oxigênio pelas cianofíceas e o surgimento dos seres multicelulares levando a incrível diversidade de espécies dos dias atu- ais. Sobre este aspecto, veja o que dizem Alberts, B. et al. (1997).

"Evidências geológicas sugerem que houve mais de um bilhão de anos de intervalo entre o aparecimento das cianobatérias (primeiros organismos a liberar oxigênio como parte do seu metabolismo) e o período em que grandes concentrações de oxigênio começaram a se acumular na atmosfera. Esse intervalo tão grande deveu-se, sobretudo, à grande quantidade de ferro solúvel existente nos oceanos, que reagia com o oxigênio do ar para formar enormes depósitos de óxido de ferro."

Certamente, este processo lento de liberação de oxigênio como um dejeto indesejável dos primeiros habitantes de nosso planeta, foi responsável pelo surgimento de um outro organismo adaptado em consumir este oxigênio como comburente de moléculas orgânicas liberando, assim, a energia térmica tão necessária para a manutenção da vida.

Mas, descrever o processo complexo que é a vida não é tarefa tão simples quanto possa parecer. Na verdade desde que o universo surgiu há cerca de 20 bilhões de anos, a vida na Terra tem apresentado mecanismos ímpares de reprodução e desenvolvimento que muitas vezes são únicos na natureza e desafiam os conceitos bioquímicos como por exemplo os seres que habitam as fossas abissais vulcânicas do Pacífico, que sobrevivem à temperaturas superiores a 120oC; ou os vírus, que não possuem estrutura celular sendo formados, basicamente, apenas por proteínas e ácidos nucléicos.

Um fato comum a todos os seres vivos, porém, é a presença de macromoléculas exclusivas dos seres vivos (carboidratos, lipídios, proteínas, vitaminas e ácidos nucléicos) denominadas de biomoléculas. Desta forma, a química da vida está atrelada a composição básica de todo ser vivo, uma vez que todos possuem pelo menos dois tipos de biomoléculas, como no caso dos vírus.

Lavosier e Priestly (final do século

XVIII), Pasteur, Liebig, Berzelius e Bernard (século XIX) foram pioneiros na pesquisa de qual seria a composição dos seres vivos, sendo

Fundamentos de Bioquímica - Capítulo 1 - O que Estuda a Bioquímica? 2 o termo bioquímica introduzido em 1903 pelo químico alemão Carl Neuberg. Inicialmente, esta nova ciência era denominada química fisiológica ou então química biológica, tendo a Alemanha, em 1877, publicado a primeira revista oficial desta nova disciplina (Zeitschrift für Physiologisce Chemile) e, em 1906, a revista norte-americana Journal of Biological Chemistry consagrou-se como importante divulgadora das novas descobertas no campo da bioquímica, sendo editada até hoje.

Após 1920, os Estados Unidos tiveram uma participação decisiva para o crescimento desta nova ciência com a descoberta, isolamento, síntese e descrição do mecanismo de regulação biológica de incontáveis compostos bioquímicos com a utilização de isótopos radiativos como marcadores. Desde 1950, a bioquímica têm-se tornado, cada vez mais, uma das ciências que mais crescem no campo do conhecimento humano tendo papel decisivo na elucidação do mecanismo fisiológico e patológico de regulação de vários compostos bioquímicos de fundamental importância para a saúde do ser humano. Atualmente, os métodos de diagnóstico e tratamento da maioria das doenças, são estudados a partir de uma base bioquímica, revelando as causas, as conseqüências e maneiras de se evitar o início ou a propagação das mais diversas patologias.

Neste capítulo, serão apresentadas as principais moléculas envolvidas no processo da vida, introduzindo o estudo dos fundamentos de bioquímicas que será efetuado nos capítulos posteriores.

A Natureza das Biomoléculas

As biomoléculas possuem características químicas comuns às demais moléculas da natureza. Porém, quando associadas em um sistema biológico, possuem uma dinâmica própria de regulação e síntese, que proporcionam as características de cada ser vivo. O ambiente ideal para que ocorram estas reações é a célula, com uma série de organelas especializadas nas mais variadas funções bioquímicas.

A princípio, os seres vivos dos cinco reinos da natureza (Animalia, Plantae, Fungi,

Monera e Protista) possuem mecanismos próprios de organização celular, de acordo com sua relação com o meio ambiente (as plantas são autótrofas, por exemplo) ou entre si (os Moneras e Protistas são unicelulares), ainda havendo distinção quanto à organização das organelas celulares (os moneras são procariotas, e portanto, ao contrário dos demais, não possuem nenhuma estrutura intracelular de membrana). Apesar das diferenças, contudo, todos os seres vivos apresentam uma dinâmica bioquímica celular muitíssimo parecida, evidenciando o sucesso evolutivo dos processos experimentados nos bilhões de anos de aperfeiçoamento. As vias metabólicas celulares constituem um emaranhado de reações químicas que se superpõem, mas, maravilhosamente, não se atropelam e sim se completam formando um complexo e preciso ciclo químico de consumo de reagentes (em bioquímica denominado de substratos) e formação de produtos, como em uma reação química qualquer. A forma de regulação destas reações levam a uma intricada mecânica metabólica tendo ao centro a degradação (catabolismo) e síntese (anabolismo) de biomoléculas,

Os vírus traduzem um capítulo à parte no estudo da bioquímica por apresentarem mecanismos únicos de reprodução e desenvolvimento. Possuem apenas dois tipos de biomoléculas, proteínas e ácido nucléico (DNA ou RNA), necessitando do ambiente celular para seu desenvolvimento, podendo permanecer cristalizados por milhares de anos em estado de inércia quando fora do meio biológico. Alguns vírus mais complexos, possuem carboidratos e lipídios em sua composição oriundos da membrana do hospedeiro durante o processo lítico.

Água

É o composto químico mais abundante (de 60 a 85% do peso total da maioria dos tecidos) sendo o solvente adequado para os compostos minerais e bioquímicos (Figura 1-1). Apesar de não ser uma biomolécula verdadeira (existe em grande quantidade livre na natureza, independente, até, da existência organismos vivos - existe água na lua e livre no vácuo do espaço), graças à sua polaridade, a água consegue dissolver a maioria das biomoléculas (exceção às gorduras) criando uma capa de solva-

Ricardo Vieira

Fundamentos de Bioquímica - Capítulo 1 - O que Estuda a Bioquímica? 3 tação ao redor delas, induzida por pontes de hidrogênio. Entretanto, a água também participa ativamente em reações bioquímicas (p. ex.: hidrólise, condensação) o que a torna um dos componentes químicos mais importantes para a vida. De fato, o simples achado de água na forma líquida permite a inferência de existência de formas de vida (pelo menos como nós a concebemos) seja no mais árido e quente deserto, nos gélidos e secos pólos da Terra ou nas mais profundas, escuras e ferventes fossas abissais do Pacífico (e, quem sabe, em outros planetas do nosso sistema solar).

Figura 1-1: A molécula da água possui polaridade devido à diferença de carga entre os átomos de hidrogênio e o de oxigênio que, por ser mais eletronegativo, favorece a criação de uma nuvem eletrônica em torno de seu núcleo, induzindo a uma carga formal positiva para os átomos de hidrogênio. Esta polaridade permite o surgimento de pontes de hidrogênio o que torna a água um soluto perfeito para a maioria das biomoléculas. (Adaptado de Lehninger, A.L et al., 1995).

Em organismos multicelulares, a água distribui-se em dois ambientes: líquido intracelular (LIC) e líquido extracelular (LEC) que, por sua vez, compõe-se do líquido intravascular (plasma sangüíneo) e líquido intersticial nos seres mais complexos, como é o caso do ser humano, objeto central de nosso estudo. O sangue é o mais importante compartimento líquido do organismo e serve de base para o estudo do metabolismo de vários compostos bioquímicos. Freqüentemente, os valores médios da concentração das biomoléculas em um indivíduo, para efeito de estudos metabólicos, baseiam-se na composição plasmática (a parte líquida do sangue).

O sangue exerce um importante papel no estudo da bioquímica, uma vez que possui funções chaves na manutenção dos processos fisiológicos. É indispensável pelo transporte de nutrientes, metabólitos, produtos de excreção, gases respiratórios, hormônios e de células e moléculas de defesa. Em animais de grande porte, é indispensável como dissipador do calor produzido pela alta taxa metabólica celular, impedindo que as células entrem em colapso químico em virtude do aumento da temperatura ambiente. A capacidade de coagulação é uma importante propriedade sangüínea que garante o fluxo constante do sangue nos vasos, evitando perdas por hemorragia.

A maioria dos seres multicelulares possui sangue ou algum tipo de líquido com função correlata (p.ex.: a hemolinfa de insetos), sendo que mamíferos e aves possuem um sistema de manutenção da temperatura corpórea extremamente eficaz ("sangue quente"), o que não permite modificações bruscas na temperatura de reação bioquímica. Os demais animais de "sangue frio" não conseguem evitar as trocas de temperatura com o meio ambiente e a temperatura interna varia consideralvelmente, levando a um metabolismo energético diversificado dos de "sangue quente". Entretanto, vários peixes velozes (p.ex.: tubarão, salmão) possuem mecanismos particulares de aquecimento constante do sangue para manter uma temperatura constante para suas as altas atividades metabólicas de predadores, o que os torna verdadeiros peixes de "sangue quente".

A água, ainda, é importante na manutenção do equilíbrio químico celular mantendo as concentrações de H+ e demais eletrólitos dentro de faixas estreitas evitando variações letais de pH e osmolaridade. É claro que esta manutenção só é possível graças a um complexo processo bioquímico e fisiológico envolvendo hormônios (p.ex.: aldosterona, cortisol), órgãos especializados (p.ex.: rins, pulmões, adrenais) e um sistema fisiológico de tampões bioquímicos (p.ex.: Hb/HbO2; H2CO3/HCO3-). Em organismos marinhos, a água é a responsável pelo fornecimento do oxigênio e dispersão de excrementos, como o CO2 e compostos nitrogenados, que favorecem a matéria

Ricardo Vieira

Fundamentos de Bioquímica - Capítulo 1 - O que Estuda a Bioquímica? 4 prima para o fitoplâncton produz carboidra- tos, aminoácidos (e outros nutrientes) e o O2, essenciais para a manutenção do equilíbrio ecológico da Terra.

Proteínas

São as biomoléculas mais abundantes, possuindo inúmeras funções, dentre elas a indispensável função catalisadora exercida pelas enzimas, sem a qual não seria possível a maioria das reações celulares (apesar de algumas moléculas de RNA possuírem ação catalítica idêntica a enzimas).

São formadas por aminoácidos ligados por ligações químicas extremamente fortes entre seus grupamentos funcionais amino

(NH2) e ácido carboxílico (COOH), as ligações peptídicas (Figura 1-2).

H - C - COOH NH 2

H - C - CO NH 2

Figura 1-2: A ligação peptídica entre dois aminoácidos é extremamente rígida e não gira, porém pode doar ou receber prótons quando em meio básico ou ácido.

Outras ligações ocorrem entre o res- tante da cadeia carbonada dos aminoácidos, como ligações covalentes entre os grupamentos -SH de dois aminoácidos cisteína, formando uma ponte dissulfeto, pontes de hidrogênio entre grupamentos polares da cadeia carbonada, ou até ligações fracas do tipo de van der Waals, mas que garantem uma incrível estabilidade e conformação tridimensional única às proteínas, relacionada diretamente com sua função (Figura 1-3).

Figura 1-3: A estrutura tridimensional da mioglobina, proteína especializada em liberar o O2 que transporta, somente em baixa pO2 o que traduz sua importância no metabolismo muscular. (Adaptado de Campbel, M.K., 1995)

Extremidade amino-terminal

Extremidade carboxila-terminal

Ligações peptídicas α-aminoácidos De fato, essa propriedade de assumir formas variadas proporciona um papel importante na estereoquímica celular, onde as reações são quase todas enzimáticas e ocorrem com uma especificidade da enzima ao substrato garantida pela forma tridimensional final das proteínas. Quaisquer modificações nesta estrutura modificará a afinidade da enzima pelo substrato e isso será utilizado pela célula para regular a ação enzimática.

As proteínas normalmente abastecem e suprem as necessidades corpóreas de aminoácidos e do nitrogênio neles contido. Toda proteína presente na dieta de seres humanos é digerida e entra na circulação como aminoácidos individualizados ou mesmo como dipeptídeos (compostos por dois aminoácidos), indo ao fígado que inicia seu processo metabólico.

Os animais são capazes de sintetizar somente 10 dos 20 aminoácidos necessários para a síntese protéica (os aminoácidos denominados não-essenciais: glicina, alanina, serina, prolina, cisteína, ácido aspártico, ácido glutâmico, asparagina, glutamina e tirosina), e os outros 10 são incapazes de serem sintetizados e devem estar presente na alimentação (os aminoácidos essenciais: treonina. lisina, metionina, arginina, valina, fenilalanina, leucina, triptofano, isoleucina e histidina).

Ricardo Vieira

Fundamentos de Bioquímica - Capítulo 1 - O que Estuda a Bioquímica? 5

Alguns aminoácidos podem ser sintetizados no organismo mas a uma taxa que o torna essencial na alimentação, como é o caso da arginina que é utilizada quase que integralmente na síntese da uréia e da histidina que é produzida em quantidade insuficiente para a síntese protéica, porém tornam-se quase que desnecessários na dieta de adultos, quando o crescimento (e, portanto, a fase de maior síntese de proteínas estruturais) chega ao fim. Em contrapartida, os aminoácidos ditos não-essenciais cisteína e tirosina são sintetizados a partir dos aminoácidos essenciais metionina e fenilalanina, o que os torna, de cera maneira, dependentes da presença desses aminoácidos essenciais.

No fígado, os aminoácidos absorvidos no processo digestivo são convertidos nas proteínas plamáticas: 1) albumina (função de transporte); 2) α1-globulina (glicoproteínas e lipoproteínas de alta densidade); 3) α2- globulinas (haptoglobinas, transportadoras de hemoglobina que saem das hemácias); 4) βglobulinas (transferrina, lipoproteínas de baixa densidade) e 5) fatores da coagulação sangüínea (fibrinogênio e protrombina). No plasma sangüíneo encontra-se, ainda, uma infinidade de proteínas produzidas em outros locais do organismo, como é o caso das γglobulinas (os anticorpos) que são sintetizadas por linfócitos e outras proteínas teciduais.

Alguns aminoácidos são convertidos, no fígado, em bases nitrogenadas (para a síntese de ácidos nucléicos) e outros produtos nitrogenados. Em vários tecidos, possuem funções das mais diversas, como base de síntese de hormônios e neurotransmissores.

A parte nitrogenada dos aminoácidos metabolizada no fígado de mamíferos, anfíbios adultos, e tartarugas é convertida em uréia e excretada pelos rins. Aves, répteis, insetos e invertebrados terrestres excretam o nitrogênio protéico como ácido úrico, enquanto que peixes, invertebrados aquáticos, anfíbios na forma larvária excretam na forma de amônia (crocodilos sintetizam, também, amônia e tartarugas uréia a partir do nitrogênio protéico).

A cadeia carbonada dos aminoácidos é convertida em intermediários do metabolismo energético celular, porém esta função corres- ponde a uma pequena fração do poderio biológico das proteínas que são, sem dúvida nenhuma, as biomoléculas de maior número de funções em um organismo vivo. A função energética é prioridade de duas outras moléculas: os carboidratos e os lipídios.

(Parte 1 de 4)

Comentários