Bioquímica: carboidratos, açúcares, glúcides e glicídios
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Os carboidratos, também conhecidos como açúcares ou hidratos de carbono, são biomoléculas compostas essencialmente por átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio.
São as biomoléculas mais abundantes entre os seres vivos, e a principal fonte de energia celular da maioria dos organismos eucariontes e procariontes.
Os carboidratos possuem função orgânica mista, apresentando sempre a função poliálcool-cetona ou poliálcool-aldeído em sua cadeia, ou seja, todos os carboidratos possuem pelo menos uma ou várias hidroxilas e uma carboxila.
Sua fórmula geral é: (CH2O)n.
Carboidratos possuem formas de cadeia aberta e cíclicas.
Classificação dos carboidratos
Os carboidratos são divididos em três classes conforme o seu tamanho: os monossacarídeos, os dissacarídeos e os polissacarídeos.
Monossacarídeos ou monossacáridos (Oses)
Os monossacarídeos são os carboidratos em sua forma mais simples, isto é, são a unidade básica para a formação de carboidratos mais complexos.
Alguns exemplos de monossacarídeos são a glicose, a frutose e a galactose:
Estrutura linear da glicose
Estrutura linear da frutose
Classificação dos monossacarídeos
Os monossacarídeos podem ser classificados quanto ao seu grupo funcional. A grande diferença entre a glicose e a frutose está na posição da carboxila (O=). Quando uma carboxila se encontra nas extremidades de uma cadeia aberta de carbono, temos um aldeído. Já quando a carboxila está em algum carbono do meio da cadeia, temos uma cetona.
Monossacarídeos de cadeia aberta com a função aldeído são chamados de aldoses, enquanto os monossacarídeos com a função cetona são chamados de cetoses. A glicose é uma aldose, enquanto a frutose é uma cetose.
Dissacáridos ou dissacarídeos
Os dissacarídeos são carboidratos formados a partir da ligação de dois monossacarídeos.
A ligação entre dois monossacarídeos é chamada de ligação glicosídica. A ligação glicosídica é uma ligação covalente que ocorre após o enlace das hidroxilas de dois monossacarídeos, dando origem a um dissacarídeo.
Exemplos de dissacarídeos são a lactose, a maltose e a sacarose.
A lactose é a união dos monossacarídeos glicose e galactose.
A maltose é formada a partir da união de duas glicoses.
Já a sacarose é a união de glicose e frutose.
Abaixo podemos visualizar a união de uma glicose e uma frutose, ambas na forma cíclica, dando origem à sacarose.
Polissacarídeos ou polissacáridos
Polissacarídeos são os carboidratos formados a partir união polimérica de dezenas a milhares de monossacarídeos unidos por ligações glicosídicas.
O amido, a celulose e o glicogênio são três polissacarídeos naturais muito importantes. O amido é a principal reserva energética das plantas, enquanto o glicogênio é a reserva energética dos animais. Ambos são polímeros de monossacarídeos.
Isomeria nos açúcares
Alguns carboidratos podem apresentar isomeria estrutural e isomeria óptica.
A isomeria estrutural ocorre quando duas substâncias apresentam a mesma fórmula química, mas seus átomos estão ligados de forma diferente.
A glicose e a frutose, por exemplo, são dois açúcares que apresentam isomeria estrutural. Ambos possuem a fórmula química C6H12O6, mas a disposição dos átomos nas duas moléculas é diferente. Enquanto a glicose apresenta a função aldeído, a frutose apresenta a função cetona. Esse é um tipo especial de isomeria estrutural chamada de isomeria funcional, que ocorre quando dois isômeros se diferenciam pela sua função química.
Além da isomeria estrutural, os açúcares também apresentam isomeria óptica, que ocorre quando dois compostos de mesma fórmula química e mesma estrutura molecular desviam de forma diferente um plano de luz polarizada.
Vamos analisar a projeção de Fisher de uma molécula de frutose:
Como podemos observar, a frutose possui três carbonos assimétricos, também chamados de quirais. Um carbono é assimétrico quando todos os seus ligantes são diferentes.
Podemos relacionar o número de isômeros ópticos de uma substância com o número de carbonos assimétricos que ela possui, essa relação é dada por:
i = 2n
Onde i é o número de isômeros ópticos e n é o número de carbonos assimétricos presentes na substância.
Aplicando essa relação na molécula de frutose, encontramos 23 = 8 possíveis isômeros ópticos.
A forma cíclica dos açúcares também pode apresentar isomeria óptica, como é o caso da glicose:
À direita temos a α-glicose e à esquerda a β-glicose. A única diferença entre as duas está na posição da ligação entre o carbono à direita do oxigênio heterocíclico e sua hidroxila. Na α-glicose, as hidroxilas formam uma conformação cis, enquanto na β-glicose, há uma conformação trans.
Essa sutil mudança altera propriedades físicas nos açúcares.
Fermentação
A fermentação um processo utilizado por alguns organismos para obtenção de energia celular de forma anaeróbica (sem presença de oxigênio).
Neste processo, microrganismos obtêm energia a partir da quebra da glicose através de uma longa série de reações bioquímicas.
Fermentação alcoólica a partir do melaço
Na fermentação alcoólica realizada por algumas espécies de bactérias e fungos, como a levedura, o produto da quebra da glicose é etanol e gás carbônico.
A fermentação é a base para a produção de bebidas alcoólicas, pães e vários laticínios.
Bioquímica: aminoácidos e proteínas
As proteínas estão entre os constituintes mais importantes para os seres vivos. São elas os principais componentes que formam os tecidos, os órgãos, cabelos, cartilagens, etc., além de serem fundamentais em todas as funções celulares e metabólicas.
Enzimas e hormônios são em sua maioria substâncias proteicas, e até mesmo a replicação do DNA é controlada por proteínas. Mas afinal, o que são as proteínas e do que são formadas?
Proteínas
As proteínas são macromoléculas de natureza polimérica formadas pela junção de uma ou várias cadeias de moléculas chamadas aminoácidos.
Aminoácidos
Os aminoácidos são os blocos (monômeros) que constituem as proteínas (polímeros).
Como o nome sugere, um aminoácido é uma molécula que possui um grupo amina (-NH2) e um ácido carboxílico (-COOH) em sua estrutura.
Todos os aminoácidos possuem a estrutura abaixo:
A diferença entre os vários aminoácidos está unicamente na cadeia ligada à estrutura amino-ácida. Aminoácidos possuem caráter anfótero, ou seja, se comportam tanto como ácidos devido ao ácido carboxílico, quanto bases devido ao grupo amina.
Para formar proteínas, os aminoácidos se unem através da chamada ligação peptídica, que possui o mecanismo de formação descrito abaixo:
A ligação peptídica ocorre após a desidratação de dois aminoácidos. A carboxila de um aminoácido perde uma hidroxila (-OH) e a amina de outro aminoácido perde um H+, formando água. Em seguida, o carbono que perdeu a hidroxila se une ao nitrogênio que perdeu H+, formando a ligação peptídica.
Dois aminoácidos unidos são chamados de dipeptídeos. Quando a união ocorre em três aminoácidos, denominamos tripeptídeo. Acima de três aminoácidos, a espécie é chamada de polipeptídio. Vários aminoácidos unidos por ligações peptídicas dão origem às proteínas. Todas as proteínas são polipeptídios.
O processo reverso da desidratação descreve a hidrólise dos aminoácidos, quando uma molécula de água quebra a ligação peptídica, liberando dois aminoácidos.
Os aminoácidos que compões as proteínas são chamados de aminoácidos naturais. No corpo humano, existem exatamente 20 aminoácidos naturais, e eles são divididos em aminoácidos essenciais e não-essenciais.
Os aminoácidos não-essenciais são naturalmente produzidos pelo nosso corpo, enquanto que os essenciais devem ser adquiridos através da alimentação.
Abaixo, temos a lista de aminoácidos essenciais:
Histidina (His)
Isoleucina (Iso)
Arginina (Arg)
Lisina (Lis)
Treonina (Tre)
Valina (Val)
Tirosina (Tir)
Serina (Ser)
Agora, a lista de aminoácidos não-essenciais:
Alanina (Ala)
Leucina (Leu)
Asparagina (Asn)
Ácido aspártico (Asp)
Metionina (Met)
Cisteína (Cis)
Fenilalanina (Fen)
Ácido glutâmico (Glu)
Glicina (Gli)
Triptofano (Tri)
Glutamina (Gln)
Prolina (Pro)
Síntese proteica
O caminho para a síntese de proteínas começa no código genético (gene). O gene funciona como um dicionário na fabricação das proteínas. As cadeias de aminoácidos que formam as proteínas dependem das sequências de bases nitrogenadas contidas no DNA. Cada sequência de bases codifica um tipo específico de proteína.
A primeira fase desse processo nos organismos eucariontes é chamada de transcrição gênica. Nessa fase, um gene (DNA) é convertido em RNA mensageiro pela ação de uma proteína-enzima chamada RNA polimerase. Essa enzima abre a fita dupla de DNA e une suas bases ribonucleicas com as bases presentes no DNA respeitando a sequência das bases. O resultado é uma fita de RNA mensageiro que posteriormente sairá do núcleo para sintetizar as proteínas em um ribossomo. No RNA mensageiro, cada sequência de três bases (nucleotídeos) está associada a um aminoácido. A fita de RNAm também é chamada de códon.
A segunda fase é chamada de tradução gênica. O RNA mensageiro é enviado para um ribossomo, onde o RNAm se unirá à uma molécula chamada RNA transportador ligado à um aminoácido. O RNA transportador é a estrutura que traz aminoácidos para o ribossomo. Cada sequência de três bases presentes no códon se une ao RNA transportador contendo o aminoácido associado àquela sequência. Ao final do processo, o RNAt e o RNAm são separados da proteína. O processo é repetido várias vezes até formar toda a cadeia polipeptídica.
Bioquímica: lipídeos.
Os lipídios são um amplo grupo de moléculas que desempenham funções essenciais nos seres vivos. No grupo dos lipídios estão incluídas as gorduras, óleos e ceras, que desempenham os mais variados papéis biológicos, como reserva de energia, isolantes térmicos, solventes de vitaminas e transportadores biológicos.
Características físicas dos lipídios
Os lipídios são biomoléculas orgânicas que se caracterizam por serem hidrofóbicas ou anfifílicas. Uma molécula hidrofóbica é insolúvel em água, porém solúvel em solventes apolares. Chamamos de anfifílicas, as moléculas que apresentam uma parte solúvel em água e outra insolúvel. Lipídios são em sua maioria líquidos viscosos ou sólidos em condições normais.
Classificação dos lipídios
Os lipídios são um grupo que contém substâncias das mais variadas funções químicas e estruturas. Por isso, os classificamos em subgrupos específicos de acordo com características comuns entre as substâncias.
Glicérides (glicerídeos)
Os glicerídeos são moléculas formadas pela união de ácidos graxos com glicerol.
Um ácido graxo é uma molécula de cadeia longa (de 4 à 36 átomos de carbono) que possui uma carboxila em uma de suas extremidades. Essas moléculas são anfifílicas, pois apresentam um grupo ácido carboxílico solúvel em água, e uma cadeia de hidrocarbonetos insolúvel. Como nos dois exemplos abaixo (respectivamente, ácido butanoico e ácido oleico):
Ácidos graxos podem ser completamente saturados ou apresentar insaturações (ligações duplas) em sua cadeia.
Um glicerol é um tri-álcool com a seguinte estrutura:
Quando um ácido graxo se une à uma molécula de glicerol, é formado um glicerídeo. A reação ocorre quando o glicerol libera uma de suas hidroxilas e o ácido graxo libera H+, formando água e um éster. Quando dois ácidos graxos se unem à uma molécula de glicerol, temos um diglicerídio. Quando três ácidos graxos se unem, é formado um triglicerídeo:
Glicerídeos são popularmente conhecidos como óleos e gorduras. Quando há insaturações na cadeia de um ácido graxo, o composto é um óleo. Quando a cadeia é totalmente saturada, temos uma gordura.
Os mais comuns exemplos de glicerídeos são a banha, o sebo, a manteiga, e os óleos vegetais.
Esteroides
Esteroides são lipídios com 17 átomos de carbono derivados da estrutura do gonano, formada por três anéis de ciclohexano e um anel de ciclopentano. Abaixo, podemos ver a molécula de gonano, a estrutura básica dos esteroides:
Os esteroides são sintetizados bioquimicamente no corpo a partir do colesterol, e nesse grupo estão incluídos alguns hormônios, esteróis e vitaminas, como a testosterona, progesterona, estrógeno, vitamina D e o próprio colesterol. Abaixo temos a estrutura da testosterona e do estrógeno, dois hormônios sexuais.
Cérides ou ceras
Também chamados de ceras, os cerídios são formados a partir da união de um álcool graxo com um ácido graxo. Desempenham funções importantes nos organismos vivos, as ceras são produzidas por insetos, plantas e até mesmo pelos seres humanos em seu canal auditivo. As ceras têm função impermeabilizante e protetora nos organismos, e estão envolvidas em diversos processos industriais, como solventes e fontes de energia.
Fosfolipídeos
Os fosfolipídios são uma família de lipídios anfifílicos que possuem um grupamento éster (ácidos graxos e glicerol) ligado a um fosfato. Esses compostos estão presentes na membrana plasmática das células conferindo-lhes permeabilidade seletiva e fluidez.
Biocombustíveis
Lipídios possuem larga aplicação na produção de combustíveis renováveis de origem biológica, em especial agrícola, chamados de biocombustíveis. Entre os biocombustíveis mais produzidos e estudados está o biodiesel, produzido pela transesterificação de óleos e gorduras.
A transesterificação é um processo onde um éster reage com um álcool produzindo um novo éster:
Na reação acima, temos a reação de um triglicerídeo (óleo ou gordura) com metanol. Essa reação produz glicerol como subproduto e um éster de metila chamado de biodiesel.
O biodiesel pode ser empregado da mesma forma que o diesel de origem fóssil, como combustível para veículos terrestres, aeronaves, barcos e ferrovias.
Sabões e detergentes
Triglicerídeos também são a matéria-prima básica para a produção de sabões e detergentes.
A saponificação é a reação entre um triglicerídeo e uma base forte, que produz glicerol e um sal de ácido graxo. Esse sal resultante é o conhecido sabão. A reação é ilustrada abaixo:
NaOH é uma base forte que libera OH–. As hidroxilas realizam um ataque nucleofílico sobre os carbonos, que liberam suas carboxilas de ácidos graxos e se ligam às hidroxilas formando glicerol. As carboxilas por sua vez, formam uma ligação iônica com o cátion da base, dando origem ao sabão.
Quando o cátion é o sódio (Na), o sabão resultante será um sólido.
Se a base utilizada for KOH (hidróxido de potássio), o sabão será líquido (detergente).
Referências Jeremy Berg - Bioquímica Brady E Humiston - Química Geral Vol. 1 & 2 Brown – Química, A Ciência Central