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A biologia - ou informalmente, a própria vida - é caracterizada por macromoléculas elegantes que evoluíram ao longo de centenas de milhões de anos para servir a uma série de funções críticas. Estes são frequentemente classificados em quatro tipos básicos: carboidratos (ou polissacarídeos), lipídios, proteínas e ácidos nucléicos. Se você tem alguma formação em nutrição, reconhecerá os três primeiros como os três macronutrientes padrão (ou "macros", na linguagem da dieta) listados nos rótulos das informações nutricionais. O quarto refere-se a duas moléculas estreitamente relacionadas que servem como base para o armazenamento e tradução de informações genéticas em todos os seres vivos.
Cada uma dessas quatro macromoléculas da vida, ou biomoléculas, desempenha uma variedade de tarefas; como você pode esperar, seus diferentes papéis estão primorosamente relacionados aos seus vários componentes e arranjos físicos.
Macro moléculas
UMA macromolécula é uma molécula muito grande, geralmente composta por subunidades repetidas chamadas monômeros, que não pode ser reduzido a componentes mais simples sem sacrificar o elemento "componente básico". Embora não exista uma definição padrão de quão grande deve ser uma molécula para obter o prefixo "macro", elas geralmente possuem, no mínimo, milhares de átomos. Você quase certamente viu esse tipo de construção no mundo não natural; por exemplo, muitos tipos de papel de parede, embora elaborados em design e fisicamente expansivos em geral, consistem em subunidades adjacentes que geralmente têm menos de um metro quadrado de tamanho. Ainda mais obviamente, uma cadeia pode ser considerada uma macromolécula na qual os elos individuais são os "monômeros".
Um ponto importante sobre as macromoléculas biológicas é que, com exceção dos lipídios, suas unidades monoméricas são polares, o que significa que elas possuem uma carga elétrica que não é distribuída simetricamente. Esquematicamente, eles têm "cabeças" e "caudas" com diferentes propriedades físicas e químicas. Como os monômeros se unem um ao outro, as macromoléculas também são polares.
Além disso, todas as biomoléculas possuem grandes quantidades do elemento carbono. Você pode ter ouvido o tipo de vida na Terra (em outras palavras, o único tipo que sabemos com certeza existe em qualquer lugar) referido como "vida baseada em carbono" e por boas razões. Mas nitrogênio, oxigênio, hidrogênio e fósforo também são indispensáveis para os seres vivos, e vários outros elementos estão misturados em graus menores.
Carboidratos
É quase certo que, quando você vê ou ouve a palavra "carboidrato", a primeira coisa que pensa é "comida" e, talvez mais especificamente, "algo na comida que muitas pessoas pretendem se livrar". "Lo-carb" e "no-carb" tornaram-se palavras de ordem para perda de peso no início do século 21, e o termo "carga de carboidratos" está presente na comunidade de esportes de resistência desde a década de 1970. Mas, de fato, os carboidratos são muito mais do que apenas uma fonte de energia para os seres vivos.
Todas as moléculas de carboidratos têm a fórmula (CH2O)n, onde n é o número de átomos de carbono presentes. Isso significa que a proporção C: H: O é 1: 2: 1. Por exemplo, os açúcares simples glicose, frutose e galactose têm a fórmula C6H12O6 (os átomos dessas três moléculas são, é claro, organizados de maneira diferente).
Os carboidratos são classificados como monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos. Um monossacarídeo é a unidade monomérica de carboidratos, mas alguns carboidratos consistem em apenas um monômero, como glicose, frutose e galactose. Geralmente, esses monossacarídeos são mais estáveis na forma de anel, que é representado esquematicamente como um hexágono.
Os dissacarídeos são açúcares com duas unidades monoméricas ou um par de monossacarídeos. Essas subunidades podem ser as mesmas (como na maltose, que consiste em duas moléculas de glicose unidas) ou diferentes (como na sacarose, ou açúcar de mesa, que consiste em uma molécula de glicose e uma molécula de frutose. As ligações entre monossacarídeos são chamadas ligações glicosídicas.
Os polissacarídeos contêm três ou mais monossacarídeos. Quanto mais longas essas cadeias, maior a probabilidade de terem ramificações, ou seja, de não serem simplesmente uma linha de monossacarídeos de ponta a ponta. Exemplos de polissacarídeos incluem amido, glicogênio, celulose e quitina.
O amido tende a se formar em hélice ou espiral; isso é comum em biomoléculas de alto peso molecular em geral. A celulose, por outro lado, é linear, consistindo em uma longa cadeia de monômeros de glicose com ligações de hidrogênio intercaladas entre átomos de carbono em intervalos regulares. A celulose é um componente das células vegetais e confere-lhes rigidez. Os seres humanos não podem digerir celulose e, na dieta, geralmente é chamada de "fibra". A quitina é outro carboidrato estrutural, encontrado nos corpos externos dos artrópodes, como insetos, aranhas e caranguejos. A quitina é um carboidrato modificado, pois é "adulterado" com amplos átomos de nitrogênio. O glicogênio é a forma de armazenamento do corpo de carboidratos; depósitos de glicogênio são encontrados no fígado e no tecido muscular. Graças às adaptações enzimáticas nesses tecidos, os atletas treinados são capazes de armazenar mais glicogênio do que as pessoas sedentárias, como resultado de suas necessidades energéticas e práticas nutricionais.
Proteínas
Como os carboidratos, as proteínas fazem parte do vocabulário cotidiano da maioria das pessoas, por servirem como macronutriente. Mas as proteínas são incrivelmente versáteis, muito mais que os carboidratos. De fato, sem proteínas, não haveria carboidratos ou lipídios porque as enzimas necessárias para sintetizar (assim como digerir) essas moléculas são elas próprias proteínas.
Os monômeros das proteínas são aminoácidos. Estes incluem um grupo ácido carboxílico (-COOH) e um amino (-NH2) grupo. Quando os aminoácidos se juntam, é através de uma ligação de hidrogênio entre o grupo ácido carboxílico em um dos aminoácidos e o grupo amino do outro, com uma molécula de água (H2O) liberado no processo. Uma cadeia crescente de aminoácidos é um polipeptídeo e, quando é suficientemente longo e assume sua forma tridimensional, é uma proteína de pleno direito. Ao contrário dos carboidratos, as proteínas nunca mostram ramos; eles são apenas uma cadeia de grupos carboxila unidos a grupos amino. Como essa cadeia deve ter um começo e um fim, uma extremidade tem um grupo amino livre e é chamada terminal-N, enquanto a outra possui um grupo amino livre e é chamada terminal-C. Como existem 20 aminoácidos, e estes podem ser organizados em qualquer ordem, a composição das proteínas é extremamente variada, embora não ocorra ramificação.
As proteínas têm o que é chamado de estrutura primária, secundária, terciária e quaternária. A estrutura primária refere-se à sequência de aminoácidos na proteína e é determinada geneticamente. Estrutura secundária refere-se a flexão ou torção na cadeia, geralmente de forma repetitiva. Algumas conformações incluem uma alfa-hélice e uma folha com pregas beta, e resultam de ligações fracas de hidrogênio entre as cadeias laterais de diferentes aminoácidos. A estrutura terciária é a torção e enrolamento da proteína no espaço tridimensional e pode envolver ligações dissulfeto (enxofre para enxofre) e ligações hidrogênio, entre outras. Finalmente, a estrutura quaternária refere-se a mais de uma cadeia polipeptídica na mesma macromolécula. Isso ocorre no colágeno, que consiste em três cadeias torcidas e enroladas como uma corda.
As proteínas podem servir como enzimas, que catalisam reações bioquímicas no corpo; como hormonas, tais como insulina e hormona do crescimento; como elementos estruturais; e como componentes da membrana celular.
Lipídios
Os lipídios são um conjunto diversificado de macromoléculas, mas todos compartilham a característica de serem hidrofóbicos; isto é, eles não se dissolvem na água. Isso ocorre porque os lipídios são eletricamente neutros e, portanto, não polares, enquanto a água é uma molécula polar. Os lipídios incluem triglicerídeos (gorduras e óleos), fosfolipídios, carotenóides, esteróides e ceras. Eles estão envolvidos principalmente na formação e estabilidade das membranas celulares, formam porções de hormônios e são usados como combustível armazenado. As gorduras, um tipo de lipídeo, são o terceiro tipo de macronutriente, com carboidratos e proteínas discutidos anteriormente. Por oxidação dos chamados ácidos graxos, eles fornecem 9 calorias por grama, em oposição às 4 calorias por grama fornecidas pelos carboidratos e gorduras.
Os lipídios não são polímeros, então eles vêm em uma variedade de formas. Como carboidratos, eles consistem em carbono, hidrogênio e oxigênio. Os triglicerídeos consistem em três ácidos graxos unidos a uma molécula de glicerol, um álcool de três carbonos. Essas cadeias laterais de ácidos graxos são hidrocarbonetos longos e simples. Essas cadeias podem ter ligações duplas e, se tiverem, isso torna o ácido graxo insaturado. Se houver apenas uma ligação dupla, o ácido graxo é monoinsaturado. Se houver dois ou mais, é poliinsaturado. Esses diferentes tipos de ácidos graxos têm implicações diferentes para a saúde de diferentes pessoas, devido a seus efeitos nas paredes dos vasos sanguíneos. As gorduras saturadas, que não têm ligações duplas, são sólidas à temperatura ambiente e geralmente são gorduras animais; estes tendem a causar placas arteriais e podem contribuir para doenças cardíacas. Os ácidos graxos podem ser manipulados quimicamente, e as gorduras insaturadas, como os óleos vegetais, podem ser saturadas para que sejam sólidas e convenientes para o uso à temperatura ambiente, como a margarina.
Os fosfolipídios, que possuem um lipídio hidrofóbico em uma extremidade e um fosfato hidrofílico na outra, são um componente importante das membranas celulares. Essas membranas consistem em uma bicamada fosfolipídica. As duas porções lipídicas, sendo hidrofóbicas, estão voltadas para o exterior e o interior da célula, enquanto as caudas hidrofílicas de fosfato se encontram no centro da bicamada.
Outros lipídios incluem esteróides, que servem como hormônios e precursores de hormônios (por exemplo, colesterol) e contêm uma série de estruturas em anel distintas; e ceras, que incluem cera de abelha e lanolina.
Ácidos nucleicos
Os ácidos nucleicos incluem ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). Estes são estruturalmente muito semelhantes, pois ambos são polímeros nos quais as unidades monoméricas são nucleotídeos. Os nucleotídeos consistem em um grupo de açúcares pentoses, um grupo fosfato e um grupo base nitrogenado. Tanto no DNA quanto no RNA, essas bases podem ser de um dos quatro tipos; caso contrário, todos os nucleotídeos do DNA são idênticos, assim como os do RNA.
DNA e RNA diferem de três maneiras principais. Uma é que no DNA, o açúcar pentose é a desoxirribose, e no RNA é a ribose. Esses açúcares diferem exatamente por um átomo de oxigênio. A segunda diferença é que o DNA é geralmente de fita dupla, formando a dupla hélice descoberta na década de 1950 pela equipe de Watson e Cricks, mas o RNA é de fita única. A terceira é que o DNA contém as bases nitrogenadas adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T), mas o RNA tem uracilo (U) substituído por timina.
O DNA armazena informações hereditárias. Comprimentos de nucleotídeos compõem genes, que contêm as informações, por meio das sequências nitrogenadas de base, para fabricar proteínas específicas. Muitos genes compõem cromossomos, e a soma total dos cromossomos de um organismo (os humanos têm 23 pares) é sua genoma. O DNA é usado no processo de transcrição para criar uma forma de RNA chamado RNA mensageiro (mRNA). Isso armazena as informações codificadas de uma maneira ligeiramente diferente e as move para fora do núcleo da célula onde está o DNA e para o citoplasma da célula, ou matriz. Aqui, outros tipos de RNA iniciam o processo de tradução, no qual as proteínas são produzidas e despachadas por toda a célula.