Bioquímica

Tipos de Macromoléculas Biológicas

As macromoléculas biológicas, as grandes moléculas necessárias para a vida, incluem carboidratos, lipídios, ácidos nucleicos e proteínas.

OBJETIVOS DE APRENDIZADO

Identificar as quatro principais classes de macromoléculas biológicas

Pontos chave

  • As macromoléculas biológicas são componentes celulares importantes e realizam uma ampla gama de funções necessárias para a sobrevivência e crescimento de organismos vivos.
  • As quatro principais classes de macromoléculas biológicas são carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucleicos.

Termos chave

  • Polímero : Uma molécula relativamente grande que consiste em uma cadeia ou rede de muitos monómeros idênticos ou similares ligados quimicamente um ao outro.
  • monómero : uma molécula relativamente pequena que pode formar ligações covalentes com outras moléculas deste tipo para formar um polímero.

Os nutrientes são as moléculas que os organismos vivos necessitam para a sobrevivência e o crescimento, mas que os animais e as plantas não podem sintetizar-se. Os animais obtêm nutrientes consumindo alimentos, enquanto as plantas extraem nutrientes do solo.

Muitos nutrientes críticos são macromoléculas biológicas. O termo “macromolécula” foi inventado pela primeira vez na década de 1920 pelo prêmio Nobel Hermann Staudinger. Staudinger foi o primeiro a propor que muitas grandes moléculas biológicas sejam construídas ligando covalentemente moléculas biológicas menores em conjunto.

Monômeros e Polímeros

As macromoléculas biológicas desempenham um papel crítico na estrutura e função celular. A maioria das macromoléculas biológicas (mas não todas) são polímeros, que são todas as moléculas construídas ligando muitas moléculas menores, chamadas monômeros. Tipicamente, todos os monômeros em um polímero tendem a ser os mesmos, ou pelo menos muito similares entre si, ligados uma e outra vez para construir a macromolécula maior. Estes monômeros simples podem ser ligados em muitas combinações diferentes para produzir polímeros biológicos complexos, assim como alguns tipos de blocos de Lego podem construir qualquer coisa de uma casa para um carro.

Monômeros e Polímeros

Exemplos desses monómeros e polímeros podem ser encontrados no açúcar que você pode colocar no seu café ou chá. O açúcar de mesa regular é o sacarose disacárido (um polímero), que é composto pelos monossacarídeos frutose e glicose (que são monómeros). Se formássemos muitos monómeros de carboidratos juntos, poderíamos fazer um polissacarídeo como o amido. Os prefixos “mono-” (um), “di-” (dois) e “poly-” (muitos) dirão quantos dos monómeros foram unidos em uma molécula.

As macromoléculas biológicas contêm carbono em forma de anel ou corrente, o que significa que são classificados como moléculas orgânicas. Eles geralmente também contêm hidrogênio e oxigênio, bem como nitrogênio e elementos menores adicionais.

Quatro classes de macromoléculas biológicas

Existem quatro grandes classes de macromoléculas biológicas:

  1. carboidratos
  2. lipídios
  3. proteínas
  4. ácidos nucleicos

Cada um desses tipos de macromoléculas executa uma grande variedade de funções importantes dentro da célula; uma célula não pode desempenhar seu papel dentro do corpo sem muitos tipos diferentes dessas moléculas cruciais. Em combinação, estas macromoléculas biológicas constituem a maioria da massa seca de uma célula. (As moléculas de água compõem a maioria da massa total de uma célula.) Todas as moléculas dentro e fora das células estão situadas em um ambiente à base de água (isto é, aquoso) e todas as reações de sistemas biológicos estão ocorrendo nesse mesmo ambiente .

Interativo: Monômeros e Polímeros : Os carboidratos, proteínas e ácidos nucleicos são construídos a partir de pequenas unidades moleculares que estão conectadas entre si por fortes ligações covalentes. As pequenas unidades moleculares são chamadas de monômeros (mono significa um ou único), e estão ligadas entre si em cadeias longas chamadas polímeros (poli significa muitos ou múltiplos). Cada tipo diferente de macromolécula, exceto lipídios, é construída a partir de um conjunto diferente de monômeros que se assemelham em composição e tamanho. Os lipídios não são polímeros, porque não são construídos a partir de monômeros (unidades com composição similar).

Síntese de desidratação

Na síntese de desidratação, os monômeros combinam entre si através de ligações covalentes para formar polímeros.

ligações covalentes para formar polímeros

OBJETIVOS DE APRENDIZADO

Explicar reações de desidratação (ou condensação)

Pontos chave

  • Durante a síntese de desidratação, o hidrogénio de um monómero combina com o grupo hidroxilo de outro monómero que libera uma molécula de água, ou dois hidrogenos de um monómero combinam com um oxigênio do outro monómero liberando uma molécula de água.
  • Os monómeros que são unidos através de reações de síntese de desidratação compartilham elétrons e formam ligações covalentes um com o outro.
  • À medida que os monómeros adicionais se juntam através de reações múltiplas de síntese de desidratação, esta cadeia de monómeros repetitivos começa a formar um polímero.
  • Os carboidratos complexos, os ácidos nucleicos e as proteínas são exemplos de polímeros que são formados por síntese de desidratação.
  • Monómeros como a glicose podem se unir de diferentes maneiras e produzir uma variedade de polímeros. Monómeros como mononucleótidos e aminoácidos juntam-se em diferentes sequências para produzir uma variedade de polímeros.

Termos chave

  • ligação covalente : um tipo de ligação química onde dois átomos estão conectados entre si pelo compartilhamento de dois ou mais elétrons.
  • monómero : uma molécula relativamente pequena que pode ser ligada covalentemente a outros monómeros para formar um polímero.

Síntese de desidratação

A maioria das macromoléculas é feita de subunidades únicas, ou blocos de construção, chamados monómeros. Os monómeros combinam entre si através de ligações covalentes para formar moléculas maiores conhecidas como polímeros. Ao fazê-lo, os monómeros liberam moléculas de água como subprodutos. Este tipo de reação é conhecida como síntese de desidratação, que significa “juntar-se enquanto se perde água”. “Também é considerada uma reação de condensação, uma vez que duas moléculas são condensadas em uma molécula maior com a perda de uma molécula menor (a água).

Na reacção de síntese de desidratação entre dois monómeros não ionizados, tais como açúcares monossacáridos, o hidrogénio de um monómero combina com o grupo hidroxilo de outro monómero, liberando uma molécula de água no processo. A remoção de um hidrogénio de um monómero e a remoção de um grupo hidroxilo do outro monómero permitem que os monómeros compartilhem elétrons e formam uma ligação covalente. Assim, os monómeros que estão unidos entre si estão sendo desidratados para permitir a síntese de uma molécula maior.
Quando os monômeros são ionizados, como é o caso com aminoácidos em um ambiente aquoso como o citoplasma, dois átomos de hidrogênio da extremidade carregada positivamente de um monômero são combinados com um oxigênio da extremidade carregada negativamente de outro monômero, formando novamente água , que é liberado como um produto secundário, e novamente juntando os dois monômeros com uma ligação covalente.

À medida que os monómeros adicionais se juntam através de múltiplas reações de síntese de desidratação, a cadeia de monómeros repetitivos começa a formar um polímero. Diferentes tipos de monômeros podem se combinar em muitas configurações, dando origem a um grupo diversificado de macromoléculas. Três das quatro principais classes de macromoléculas biológicas (carboidratos complexos, ácidos nucleicos e proteínas) são compostas por monômeros que se unem através de reações de síntese de desidratação. Os carboidratos complexos são formados a partir de monossacarídeos, os ácidos nucleicos são formados a partir de mononucleotídeos e as proteínas são formadas a partir de aminoácidos.

Veja também a aula Ciclo de Krebs.

Existe uma grande diversidade na maneira pela qual os monômeros podem se combinar para formar polímeros. Por exemplo, os monômeros de glicose são os constituintes do amido, glicogênio e celulose. Estes três são polissacarídeos, classificados como carboidratos, que se formaram como resultado de reações múltiplas de síntese de desidratação entre os monômeros de glicose. No entanto, a maneira pela qual os monômeros de glicose se juntam, especificamente as localizações das ligações covalentes entre monômeros conectados e a orientação (estereoquímica) das ligações covalentes, resulta nestes três polissacarídeos diferentes com propriedades e funções variáveis. Em ácidos nucleicos e proteínas, a localização e a estereoquímica das ligações covalentes que ligam os monômeros não variam de molécula a molécula, mas sim os múltiplos tipos de monômeros (cinco monômeros diferentes em ácidos nucleicos, A, G, C, T e U mononucleotídeos; 21 monômeros de aminoácidos diferentes em proteínas) são combinados em uma enorme variedade de sequências. Cada proteína ou ácido nucleico com uma sequência diferente é uma molécula diferente com diferentes propriedades.

Hidrólise

As reações de hidrólise resultam na degradação de polímeros em monômeros usando uma molécula de água e um catalisador enzimático.

OBJETIVOS DE APRENDIZADO

Explique as reações de hidrólise

Pontos chave

  • As reações de hidrólise usam água para derrubar polímeros em monômeros e é o oposto da síntese de desidratação, que forma água ao sintetizar um polímero a partir de monômeros.
  • As reações de hidrólise quebram ligações e liberam energia.
  • As macromoléculas biológicas são ingeridas e hidrolisadas no trato digestivo para formar moléculas menores que podem ser absorvidas pelas células e, em seguida, mais detalhadas para liberar energia.

Termos chave

  • enzima : uma proteína globular que catalisa uma reação química biológica
  • hidrólise : processo químico de decomposição envolvendo a separação de uma ligação pela adição de água.

Hidrólise

Os polímeros são divididos em monômeros em um processo conhecido como hidrólise, o que significa “dividir a água”, uma reação na qual uma molécula de água é usada durante a quebra. Durante estas reações, o polímero é dividido em dois componentes. Se os componentes não são ionizados, uma parte ganha um átomo de hidrogênio (H-) e o outro ganha um grupo hidroxilo (OH-) a partir de uma molécula de água dividida. Isto é o que acontece quando os monossacarídeos são liberados de carboidratos complexos por hidrólise.

Se os componentes são ionizados após a divisão, uma parte ganha dois átomos de hidrogênio e uma carga positiva, a outra parte ganha um átomo de oxigênio e uma carga negativa. Isto é o que acontece quando os aminoácidos são liberados das cadeias proteicas por hidrólise.

Essas reações estão em contraste com as reações de síntese de desidratação (também conhecidas como condensação). Nas reacções de síntese de desidratação, uma molécula de água é formada como resultado da geração de uma ligação covalente entre dois componentes monoméricos em um polímero maior. Nas reacções de hidrólise, uma molécula de água é consumida como resultado da ruptura da ligação covalente que junta dois componentes de um polímero.

As reações de desidratação e hidrólise são reações químicas que são catalisadas, ou “aceleradas”, por enzimas específicas; as reações de desidratação envolvem a formação de novos vínculos, exigindo energia, enquanto as reações de hidrólise quebram as ligações e liberam energia.

Em nossos corpos, o alimento é primeiro hidrolisado, ou descompactado, em moléculas menores por enzimas catalíticas no trato digestivo. Isso permite uma fácil absorção de nutrientes pelas células do intestino. Cada macromolécula é dividida por uma enzima específica. Por exemplo, os carboidratos são discriminados por amilase, sucrase, lactase ou maltase. As proteínas são discriminadas pelas enzimas tripsina, pepsina, peptidase e outros. Os lipídios são discriminados pelas lipases. Uma vez que os metabolitos menores que resultam dessas enzimas hidrolíticas são absorvidos pelas células do corpo, eles são posteriormente discriminados por outras enzimas. A ruptura dessas macromoléculas é um processo geral de liberação de energia e fornece energia para atividades celulares.

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