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Bioenergética: o que é, composição química células e mais

Bioenergética: o que é, composição química células e mais

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A Bioenergética descreve a transferência e a utilização da energia em sistemas biológicos, sendo o estudo quantitativo das transformações de energia que ocorrem nas células vivas. 

Nesse sentido, o objeto de análise é a habilidade das células em aproveitar a energia, direcionando-a na forma de trabalho biológico.

O processo citoplasmático relacionado é a glicólise, enquanto os mitocondriais são a cadeia transportadora de elétrons e o ciclo do ácido cítrico (Ciclo de Krebs).

Como é uma área importante da biologia celular e molecular, que se integra a bioquímica e também a fisiologia médica, a bioenergética é muito importante na compreensão de conceitos chave dessa área do conhecimento que tem ampla aplicação na medicina.

Confira abaixo o resumo completo com os principais elementos que você precisa conhecer em relação a bioenergética!

Conceitos importantes para compreender a bioenergética

Dentro da bioenergética, estudamos principalmente como ocorre o metabolismo do corpo humano. Sendo assim, alguns conceitos são fundamentais antes de avançarmos para outros aspectos da bioenergética. São eles:

Metabolismo

O metabolismo, de forma simplificada e resumida, é um processo regulado que visa suprir a necessidade das células e propiciar o gasto energético apenas quando necessário.

A compreensão do metabolismo energético nos ajuda a compreender, por exemplo, como funciona o fígado durante o jejum prolongado ou no cenário de diabetes mellitus não controlado, como vemos na imagem abaixo.

Imagem: Metabolismo energético do Fígado durante o jejum prolongado ou no diabetes mellitus não controlado. Fonte: Lehninger, 2014.

Anabolismo

Também chamado de biossíntese, esse é o processo pelo qual percursores pequenos e simples formam moléculas maiores e mais complexas, incluindo os ácidos nucleicos como o DNA e o RNA, proteínas, polissacarídeos e lipídeos.

Catabolismo

O catabolismo é uma das etapas do metabolismo onde a degradação de macronutrientes geram energia para o organismo.

Algumas moléculas importantes

  • ATP: adenosina trifosfato, indispensável para liberação de energia para as células por sua função transportadora;
  • ADP: adenosina difosfato, composto químico com ligação reversível aos grupos fosfato;
  • NAD+: dinucleotido de nicotinamida e adenina, uma coenzima importante no metabolismo devido seu papel oxidativo de substratos.

Unidades fundamentais para a célula

As moléculas orgânicas pequenas das células têm peso molecular na faixa entre 100 e 1.000, contendo cerca de 30 átomos de carbono – principal elemento em sua composição.

Algumas dessas moléculas são utilizadas como subunidades, os monômeros, para compor macromoléculas poliméricas, as quais são as proteínas, ácidos nucleicos e polissacarídeos.

Outras atuam como fonte de energia e são degradadas e transformadas em outras moléculas pequenas por vias metabólicas intracelulares

De modo geral, as células contêm quatro famílias principais de moléculas orgânicas pequenas: os açúcares, os ácidos graxos, os nucleotídeos e os aminoácidos.

Nas células, as macromoléculas são polímeros construídos simplesmente por ligações covalentes entre pequenas moléculas orgânicas (chamadas de monômeros), formando cadeias longas. 

É importante destacar que as proteínas são abundantes e desempenham muitas funções diferentes nas células.

Algumas proteínas funcionam como enzimas que catalisam reações químicas que formam ou rompem as ligações covalentes das células. 

Outras proteínas são utilizadas para construir componentes estruturais, como os microtúbulos das células. 

Além disso, outras proteínas atuam como motores moleculares que produzem força e movimento, como é o caso da miosina nos músculos.

Composição química das células 

Moléculas que possuem ligações covalentes polares e que podem formar ligações de hidrogênio com a água dissolvem-se facilmente em água. 

Assim, as moléculas que possuem cargas interagem favoravelmente com a água, sendo denominadas hidrofílicas por possuírem afinidade pela água. São exemplos de moléculas hidrofílicas:

  • Açúcares;
  • DNA; 
  • RNA; 
  • A maioria das proteínas.

Por outro lado, moléculas hidrofóbicas (moléculas que “não têm afinidade pela água”) não possuem cargas e formam poucas ligações de hidrogênio ou nenhuma. Logo, essas moléculas não têm capacidade de se dissolverem em água. 

Os hidrocarbonetos, por exemplo, não podem formar ligações polares com outras moléculas, pois todos os átomos de H estão ligados de modo covalente a átomos de C por ligações apolares. Isso faz os hidrocarbonetos serem totalmente hidrofóbicos.

Muitas ligações entre as moléculas ocorrem por três tipos de ligações não covalentes: atrações eletrostáticas (ligações iônicas), ligações de hidrogênio e atrações de van der Waals

Além disso, a força hidrofóbica é um importante fator que promove a atração das moléculas. 

O conjunto de atrações não covalentes permitem que as superfícies complementares de duas moléculas mantenham essas duas macromoléculas associadas entre si, já que a soma de suas energias, apesar de individualmente serem fracas, pode criar uma força intensa.

Ligações covalentes e não covalentes 

Os organismos vivos são compostos por 92 elementos, sendo que apenas quatro deles – carbono (C), hidrogênio (H), nitrogênio (N) e oxigênio (O) – perfazem 96,5% do peso de um organismo.

A ligação dos átomos desses elementos é feita através de ligações covalentes, formando moléculas.

Como os átomos não são separados por excitação térmica, as ligações são rompidas apenas em reações específicas com outros átomos ou moléculas. 

Existem também as ligações mais fracas entre duas moléculas, conhecidas como ligações não covalentes.

Tabela 1: Tipo de ligações químicas

Reações e ligações: como ocorrem?

As reações ocorrem no interior das células em um meio aquoso. Em cada molécula de água (H2O), os dois átomos de hidrogênio (H) ligam-se ao átomo de oxigênio (O) por ligações covalentes. 

As duas ligações são altamente polares porque o átomo de oxigênio atrai fortemente elétrons, enquanto o átomo de hidrogênio os atrai fracamente.

Nesse aspecto, há uma distribuição desigual de elétrons na molécula de água, com predominância de carga positiva nos dois átomos de H e de carga negativa no O. 

O efeito de um grande número de ligações fracas concomitantemente pode se tornar muito grande. 

Cada molécula de água pode formar ligações de hidrogênio, através de seus dois átomos de H, com duas outras moléculas de água, formando uma rede na qual ligações de hidrogênio são rompidas e formadas de modo contínuo. 

A água é um líquido em temperatura ambiente, com alto ponto de ebulição e alta tensão superficial, e não um gás, exatamente porque as moléculas são mantidas unidas devido a ligações de hidrogênio.

Os compostos de carbono formados pelas células são denominados moléculas orgânicas. Por outro lado, todas as demais moléculas, inclusive a água, são denominadas moléculas inorgânicas.

Ligação de Hidrogênio

ligação de hidrogênio corresponde a uma forma especial de interação polar na qual um átomo de hidrogênio, que é eletropositivo, é compartilhado por dois átomos com cargas negativas. 

Ao contrário de uma interação eletrostática típica, essa ligação é altamente direcional. É mais intensa quando uma linha reta pode ser desenhada ligando todos os seus três átomos.

Ligações de Hidrogênio.
Imagem: Ligações de Hidrogênio. Fonte: Biologia molecular da célula 6ª Ed. – Alberts, Bruce. Adaptado.

Devido ao seu pequeno tamanho e ao fato de possuir quatro elétrons e quatro vacâncias na última camada, o átomo de carbono pode formar quatro ligações covalentes com outros átomos. 

Formação de cadeias e anéis

Mais importante ainda, um átomo de carbono pode ligar-se com outros átomos de carbono por meio da ligação C–C, que é altamente estável.

Com isso, ocorre a formação de cadeias e anéis e, assim, formar moléculas grandes e complexas. Não há um limite imaginável para o tamanho das moléculas que podem ser formadas. 

Formação de um ligação de hidrogênio

Uma ligação de hidrogênio acontece através de uma atração elétrica quando uma região da molécula de água carregada positivamente se aproxima de uma região carregada negativamente de uma segunda molécula de água.

Tais ligações são muito mais fracas do que as ligações covalentes. Elas são facilmente rompidas pelo movimento cinético que reflete a energia térmica das moléculas.

Importância de estudar a bioenergética

Compreender a bioenergética é fundamental na medicina. Ela auxilia a entender as doenças e transtornos associados ao metabolismo energético como a diabetes mellitus.

Também ajuda no entendimento de como medicamentos e terapias podem atuar no organismo.

A produção da energia celular é um processo embricado em várias condições como a contração muscular, síntese proteica, transporte de substâncias e inúmeros outros. Sendo assim, qualquer desordem desse metabolismo tem grande repercussão.

Dica para estudar bioenergética

Para estudar esse conteúdo que pode surgir em inúmeras disciplinas, não se esqueça dos métodos ativos de estudo como:

  • flashcards,
  • mapas mentais e o
  • treino por meio de questões.

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Referências

  1. BAYNES, John W. Bioquímica médica. 3 ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2010.
  2. NELSON, David L.; COX, Michael M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. 1 v.
  3. CHAMPE, Pamela C.; HARVEY, Richard A.; FERRIER, Denise R. Bioquímica Ilustrada. 3. ed. Porto Alegre: Artmed, 2006.
  4. GUYTON, A.C. e Hall J.E.– Tratado de Fisiologia Médica. Editora Elsevier. 13ª ed., 2017. 
  5. AIRES, Margarida de Mello. Fisiologia. 5 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2019, 1376 p.

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