A química da vida

A matéria consiste em elementos químicos na forma simples e em combinações denominadas compostos. Os organismos são compostos de matéria, que é algo que ocupa espaço e tem massa. A matéria existe em muitas formas. Rochas, metais, óleos, gases e organismos vivos são alguns exemplos do que parece ser uma diversidade infinita de matéria.

Atualmente, os químicos reconhecem 94 elementos que ocorrem na natureza: ouro, cobre, carbono e oxigênio são exemplos. Cada elemento tem um símbolo, geralmente a primeira letra ou as duas primeiras letras do seu nome. Alguns símbolos são derivados do latim ou do alemão; por exemplo, o símbolo do sódio é Na, da palavra latina natrium.

Um composto é uma substância que consiste em dois ou mais elementos diferentes combinados em uma proporção definida. O sal de cozinha, por exemplo, é cloreto de sódio (NaCl), um composto constituído pelos elementos sódio (Na) e cloro (Cl) na proporção 1:1. O sódio puro é um metal e o cloro puro é um gás venenoso. Quando combinados quimicamente, no entanto, eles formam um composto comestível.
A água (H₂O), outro composto, consiste nos elementos hidrogênio (H) e oxigênio (O) na proporção 2:1. Esses são exemplos simples da matéria organizada com propriedades emergentes: um composto tem características diferentes das características dos seus elementos.

As propriedades de um elemento dependem da estrutura dos seus átomos

Cada elemento consiste em certo tipo de átomo que é diferente dos átomos de quaisquer outros elementos. Um átomo é a menor unidade da matéria que ainda retém as propriedades de um elemento. Os átomos são tão pequenos que seriam necessários aproximadamente um milhão deles para cobrir o ponto impresso no final desta frase. Simbolizamos os átomos com a mesma abreviatura para o elemento feito desses átomos. Por exemplo, o símbolo C representa tanto o elemento carbono quanto um único átomo de carbono.

Partículas subatômicas

Embora o átomo seja a menor unidade com as propriedades de um elemento, esses diminutos pedaços de matéria são compostos de partes ainda menores, denominadas partículas subatômicas. Utilizando colisões altamente energéticas, os físicos produziram mais de cem tipos de partículas a partir do átomo, mas apenas três tipos são relevantes aqui: nêutrons, prótons e elétrons. Os prótons e os elétrons são eletricamente carregados. Cada próton tem uma unidade de carga positiva e cada elétron tem uma unidade de carga negativa. Um nêutron, como seu nome sugere, é eletricamente neutro.

Os prótons e os nêutrons são empacotados firmemente em um núcleo denso, ou núcleo atômico, localizado no centro de um átomo; os prótons conferem carga positiva ao núcleo. Os elétrons movendo-se rapidamente formam uma “nuvem” de carga negativa ao redor do núcleo, e é essa atração entre cargas opostas que mantém os elétrons nas proximidades do núcleo. A Figura abaixo mostra dois modelos da estrutura do átomo de hélio comumente usados como exemplo.

Os elementos da vida

Dos 94 elementos naturais, cerca de 20 a 25% são elementos essenciais de que os organismos necessitam para ter uma vida saudável e se reproduzir. Os elementos essenciais são semelhantes entre os organismos, mas existem algumas variações – por exemplo, os seres humanos necessitam de 25 elementos, ao passo que as plantas de apenas 17.

Não mais que quatro elementos – oxigênio (O), carbono (C), hidrogênio (H) e nitrogênio(N) – constituem 96% da matéria viva. Cálcio (Ca), fósforo (P), potássio (K), enxofre (S) e alguns outros elementos são responsáveis pela maior parte dos restantes 4% da massa de um organismo.

Os elementos-traço são necessários a um organismo em quantidades apenas diminutas. Alguns elementos-traço, como o ferro (Fe), são necessários para todas as formas de vida; outros são necessários apenas para certas espécies. Por exemplo, em vertebrados (animais com coluna vertebral), o elemento iodo (I) é um ingrediente essencial de um hormônio produzido pela glândula tireoide.

A ingestão diária de apenas 0,15 miligramas (mg) de iodo é adequada para a atividade normal da tireoide humana. Uma deficiência de iodo na dieta causa o aumento anormal da glândula tireoide, uma condição chamada de bócio. Nos lugares onde o iodo está disponível, o consumo de sal iodado reduz a incidência de bócio. Todos os elementos necessários ao corpo humano estão listados na tabela abaixo.

A molécula que sustenta toda a vida

A água é a substância que torna a vida, assim como a conhecemos aqui na Terra. Todos os organismos familiares a nós são compostos principalmente de água e vivem em um ambiente dominado por ela. As propriedades da água surgem das atrações entre os átomos com cargas opostas de diferentes moléculas de água: o hidrogênio levemente positivo de uma molécula é atraído pelo oxigênio levemente negativo da molécula próxima. As duas moléculas são, portanto, mantidas por uma ligação de hidrogênio

Nas plantas, a coesão devido às ligações de hidrogênio contribui para o transporte de água e nutrientes diluídos contra a força da gravidade. A água das raízes alcança as folhas por meio de uma rede de células condutoras de água. À medida que a água evapora das folhas, as ligações de hidrogênio das moléculas de água que deixam as nervuras puxam com força as moléculas abaixo, e essa força de tração para cima é transmitida pelas células condutoras de água por todo o caminho.

Carbono: o esqueleto da vida

Organismos vivos, como as plantas e animais, são formados por substâncias químicas compostas principalmente do elemento carbono. O carbono entra na biosfera por meio da ação das plantas e outros organismos fotossintetizantes. As plantas utilizam a energia solar para transformar o CO₂ atmosférico nas moléculas da vida, que são transferidas para os animais que se alimentam das plantas.

De todos os elementos químicos, o carbono é ímpar pela sua habilidade de formar moléculas grandes, complexas e diversas, tornando possível a diversidade de organismos que evoluíram na Terra. Proteínas, DNA, carboidratos e outras moléculas que distinguem a matéria viva da matéria inanimada são todos compostos por átomos de carbono ligados uns aos outros e a átomos de outros elementos.

Hidrogênio (H), oxigênio (O), nitrogênio (N), enxofre (S) e fósforo (P) são outros ingredientes comuns destes compostos; mas o elemento carbono (C) é o responsável pela grande diversidade das moléculas biológicas.

As grandes moléculas da vida

Levando em conta a grande complexidade da vida na Terra, é surpreendente que as grandes moléculas de importância crucial para todas as coisas vivas – desde bactérias até elefantes – podem ser agrupadas em apenas quatro classes principais: carboidratos, lipídeos, proteínas e ácidos nucleicos. Na escala molecular, membros de três dessas classes – carboidratos, proteínas e ácidos nucleicos – são enormes e, por isso, denominados macromoléculas. Por exemplo, uma proteína consiste em milhares de átomos que formam uma molécula colossal, de massa superior a 100.000 dáltons. Considerando o tamanho e a complexidade das macromoléculas, é notável que os bioquímicos tenham determinado a estrutura detalhada de tantas delas.

O que são polímeros?

As macromoléculas de três das quatro classes dos compostos orgânicos da vida – carboidratos, proteínas e ácidos nucleicos, com exceção dos lipídeos – são moléculas em cadeia, chamadas de polímeros (do grego, polys, muitas, e meros, partes). Um polímero é uma longa molécula formada por subunidades semelhantes ou idênticas, unidas por ligações covalentes, assim como um trem é composto por diversos vagões. As unidades repetitivas que compõem as subunidades de um polímero são moléculas menores chamadas de monômeros (do grego, monos, único). Algumas moléculas que atuam como monômeros possuem outras funções próprias.

Os carboidratos servem como combustível e material de construção

Carboidratos incluem açúcares e polímeros de açúcar. Os carboidratos mais simples são monossacarídeos, ou açúcares simples; os monômeros a partir dos quais carboidratos mais complexos são formados. Dissacarídeos são açúcares duplos, compostos por dois monossacarídeos unidos por uma ligação covalente. As macromoléculas de carboidratos são polímeros chamados de polissacarídeos, compostos por várias unidades de açúcar.

Monossacarídeos (do grego, monos, único, e sacchar, açúcar) geralmente têm fórmulas moleculares equivalentes a múltiplos da unidade CH₂O. A glicose (C₆H₁₂O₆), o monossacarídeo mais comum, tem importância central na química da vida.

Os polissacarídeos são macromoléculas, polímeros com centenas a milhares de monossacarídeos unidos por meio de ligações glicosídicas. Alguns polissacarídeos servem como material de armazenamento, hidrolisados conforme a necessidade de fornecer açúcar às células. Outros polissacarídeos servem de suporte para estruturas que protegem a célula ou até mesmo todo o organismo.

Tanto as plantas quanto os animais armazenam açúcares para o uso posterior na forma de polissacarídeos. As plantas armazenam amido, um polímero de monômeros de glicose. Os animais armazenam um polissacarídeo chamado de glicogênio, um polímero de glicose com maior número de ramificações. Os vertebrados armazenam glicogênio principalmente nas células do fígado e dos músculos.

Os organismos constroem materiais resistentes a partir de polissacarídeos estruturais. Por exemplo, o polissacarídeo chamado celulose é o principal componente da resistente parede celular que circunda as células das plantas. Em escala global, as plantas produzem quase 10¹⁴ kg (100 bilhões de toneladas) de celulose por ano; sendo este o componente orgânico mais abundante na Terra.

Os lipídeos são um grupo diversificado de moléculas hidrofóbicas

Os lipídeos são a única classe de grandes moléculas biológicas que não incluem polímeros verdadeiros e, em geral, não são suficientemente grandes para serem consideradas macromoléculas. Os compostos denominados lipídeos se agrupam por compartilharem uma importante característica: misturam-se muito pouco ou não se misturam com a água. Aqui vamos dar ênfase aos lipídeos mais importantes biologicamente: gorduras, fosfolipídios e esteroides.

Gorduras

As gorduras são grandes moléculas formadas pela associação de moléculas menores, por meio de reações de desidratação. Uma gordura é composta por dois tipos de moléculas menores: glicerol e ácidos graxos. Para formar uma gordura, três moléculas de ácido graxo se ligam a uma molécula de glicerol.

Os termos gorduras saturadas e gorduras insaturadas são comumente utilizados no contexto da nutrição. Esses termos se referem à estrutura das cadeias hidrocarbonadas dos ácidos graxos.

A principal função das gorduras é o armazenamento de energia. As cadeias hidrocarbonadas das gorduras são semelhantes às moléculas da gasolina e tão ricas em energia. Um grama de gordura armazena o dobro de energia que um grama de polissacarídeo, como o amido. Além de armazenarem
energia, o tecido adiposo também acondiciona órgãos vitais como os rins, e uma camada de gordura abaixo da pele realiza o isolamento térmico de nosso corpo. Essa camada subcutânea é especialmente espessa nas baleias, nas focas e na maioria dos mamíferos marinhos, protegendo- os das águas frias dos oceanos.

Fosfolipídeos

As células, da forma que as conhecemos, não poderiam existir sem outro tipo de lipídeo – os fosfolipídeos. Os fosfolipídeos são essenciais para as células, pois são os principais constituintes das membranas celulares. A sua estrutura fornece um exemplo clássico de como a forma determina a função em termos moleculares.

As duas extremidades dos fosfolipídeos apresentam comportamentos distintos em relação à água. As caudas hidrocarbonadas são hidrofóbicas e se afastam da água. No entanto, o grupo fosfato e seus ligantes formam a porção hidrofílica com afinidade pela água. Quando fosfolipídeos são adicionados à água, arranjam-se em estruturas de camadas duplas chamadas “bicamadas”, protegendo suas porções hidrofóbicas da água

Esteroides

Esteroides são lipídeos que se caracterizam por um esqueleto carbônico composto de quatro anéis fusionados. Os diferentes esteroides variam quanto aos grupos químicos ligados ao conjunto de anéis. O colesterol, um tipo de esteroide, é uma molécula essencial para os animais. O colesterol é um componente comum das membranas celulares dos animais, e também o precursor a partir do qual outros esteroides, como os hormônios sexuais de vertebrados, são sintetizados. Nos vertebrados, o colesterol é sintetizado no fígado, e também obtido a partir da dieta.

As proteínas apresentam grande variedade de estruturas, o que resulta em uma variedade de funções

Quase todas as funções dinâmicas de um organismo vivo dependem das proteínas. De fato, a importância das proteínas está implícita no nome, que vem do grego proteios, “primeiro” ou “primordial”. As proteínas contribuem com mais de 50% da massa seca da maioria das células e são imprescindíveis em quase tudo que os organismos fazem. Algumas proteínas aceleram reações químicas, enquanto outras desempenham papéis de defesa, armazenamento, transporte, comunicação celular, movimento e sustentação estrutural.

A vida não seria possível sem enzimas, em sua maioria proteínas. Proteínas enzimáticas regulam o metabolismo, atuando como catalisadores, agentes químicos que aceleram seletivamente as reações químicas sem serem consumidos pela reação. As enzimas são capazes de desempenhar suas funções repetidamente; por isso, essas moléculas podem ser consideradas “burros de carga” que mantêm as células funcionando e desempenhando as suas funções nos processos da vida.

Um ser humano tem dezenas de milhares de proteínas diferentes, cada qual com estrutura e função específicas; proteínas são, de fato, as moléculas mais sofisticadas estruturalmente. De forma consistente com suas diferentes funções, elas variam bastante em estrutura, e cada tipo de proteína possui forma tridimensional única. Com toda a sua diversidade, todas as proteínas são compostas pelo mesmo conjunto de 20 aminoácidos.