Situada na área fronteiriça entre as ciências biológicas e físicas, a bioquímica lança mão de muitas técnicas comuns à fisiologia, à química analítica, orgânica e à físico-química. Tamanho foi seu desenvolvimento que a bioquímica superou sua anterior condição de ciência aplicada e ganhou um lugar entre as ciências puras ou teóricas.
Bioquímica significa, literalmente, química da vida. Estuda, portanto, as substâncias e os processos químicos que ocorrem nas plantas, animais e microrganismos. Especificamente, envolve a determinação quantitativa e a análise estrutural dos compostos orgânicos que formam os componentes básicos da célula (proteínas, carboidratos e lipídios) e daqueles que desempenham papel-chave em reações químicas vitais para a vida. A bioquímica dedica-se ademais ao estudo de todas as mudanças químicas, de complexa interação, que ocorrem no interior da célula -- ou seja, as que se referem à síntese das proteínas, à conversão do alimento em energia e à transmissão de características hereditárias.
No desenvolvimento da bioquímica como disciplina autônoma intervieram como fatores principais o campo específico de que ela se ocupa e a diferenciação dos métodos que emprega. Seu objetivo consiste em determinar as estruturas moleculares encontradas nos organismos vivos, e a maneira como essas estruturas reagem e evoluem, tanto isoladamente como em suas combinações. Para isso adotaram-se determinadas abordagens pelas quais os organismos são estudados em sua integridade ou fracionados em diferentes graus.
Parte-se do nível de organização mais complexo, o organismo como um todo, e desce-se até o mais simples, a molécula. Para isso, empregam-se métodos de exatidão e sensibilidade crescentes, que podem ser puramente físicos (como os das chamadas substâncias traçadas), químicos (como os processos de separação molecular) e biológicos (como os provinientes da genética).
Todas as mudanças químicas que ocorrem nos organismos são englobadas no conceito geral de metabolismo e vão desde a degradação das substâncias, geralmente para obter energia, até a formação das moléculas complexas, necessárias aos processos vitais. As mudanças químicas dependem da ação de enzimas, que são catalisadores orgânicos, isto é, substâncias que desencadeiam os processos sem neles interferir. Esses processos, por sua vez, devem sua existência ao conteúdo genético da célula.
É cada dia maior o número de fenômenos celulares que devem sua explicação ao estudo bioquímico, o que levou alguns biólogos a sustentarem que o enfoque químico é o mais importante da ciência biológica. Outros assinalam que as moléculas dos organismos vivos são regidas não apenas pelos princípios físicos e químicos que determinam o comportamento de todas as moléculas, como também por um conjunto de princípios evolutivos independentes de sua constituição química e conhecido como lógica molecular da vida.
História. Embora seja uma ciência de desenvolvimento relativamente recente e só tenha recebido sua denominação nos primeiros anos do século XX, a bioquímica tem origens mais antigas. Observam-se em sua genealogia duas linhas principais. Uma provém da medicina e da fisiologia: deriva das pesquisas sobre a composição química do sangue, da urina e dos tecidos em sua relação com os estados patológicos. A outra procede da química orgânica e dos estudos sobre a estrutura dos compostos orgânicos naturais.
Dois fatos fundamentais intervieram na gênese da bioquímica como ciência independente. Um deles é o reconhecimento dos sistemas multienzimáticos como unidades catalíticas nos principais processos metabólicos. O outro é o de que a herança, aspecto fundamental da biologia, se assenta numa base molecular racional. Os primórdios da pesquisa bioquímica estão nas especulações sobre o papel do ar na utilização dos alimentos e na natureza da fermentação. Leonardo da Vinci foi um dos iniciadores desses estudos, por haver comparado o processo da nutrição animal à combustão de uma vela.
Entretanto, os verdadeiros avanços nessa direção só se registraram com o desenvolvimento da química, na passagem do século XVII para o XVIII. O inglês Robert Boyle questionou as bases da química de seu tempo e sustentou que o objetivo dessa ciência era determinar a composição das substâncias; Joseph Priestley descobriu o oxigênio; e Lavoisier demonstrou que os animais requerem esse elemento em sua respiração. Também foi Lavoisier o primeiro a medir o consumo de oxigênio de um ser humano e a reconhecer que a fermentação é um processo químico.
Apesar dessas descobertas decisivas, o progresso da bioquímica encontrou um obstáculo na teoria do vitalismo, doutrina de origem alemã segundo a qual as transformações da matéria nos organismos vivos não se sujeitavam às leis químicas e físicas que se aplicam às substâncias inanimadas. Os vitalistas afirmavam que todos os objetos naturais eram seres autônomos e que seu movimento e seu desenvolvimento provinham de uma força vital interna.
Duas grandes figuras da ciência do século XIX, o alemão Justus von Liebig e o francês Louis Pasteur, deram um salto qualitativo na história da pesquisa científica, ao deixarem claro o êxito da aplicação da química ao estudo da biologia. A grande contribuição de Liebig consistiu na descrição dos grandes ciclos químicos na natureza e ao desenvolvimento de técnicas de análise quantitativa aplicadas a sistemas biológicos. Pasteur, por sua vez, entrou para a história da ciência por sua demonstração de que a fermentação é provocada por microrganismos, com o que destruiu a hipótese da geração espontânea. A natureza dos fermentos de Pasteur, oportunamente denominados enzimas, não foi conhecida até 1926, ano em que o bioquímico americano James Batcheller Sumner pela primeira vez conseguiu cristalizar uma enzima, a uréase.
A partir dessa data, as descobertas se multiplicaram: apresentam especial relevância os trabalhos de Oswald Avery, Colin M. Macleod e Maclyn McCarthy, que em 1944 analisaram as transformações bacterianas ocasionadas pelo ácido desoxirribonucléico (ADN), e a postulação de James Dewey Watson e Francis Harry Campton Crick, em 1953, do modelo de estrutura de dupla hélice para o ADN. Mais tarde houve avanços na síntese química de proteínas, na elaboração de mapas detalhados da disposição dos átomos em algumas enzimas e na análise dos mecanismos da regulação metabólica, inclusive a ação molecular dos hormônios.
Alcance da bioquímica. As propriedades e faculdades dos organismos multicelulares podem ser estudadas em função das características das células individuais que os compõem e, por sua vez, o comportamento de cada célula individual pode ser compreendido de acordo com a estrutura e com as mudanças que nela se produzem. Quando tiverem sido descritas e compreendidas todas as alterações químicas que se podem produzir nas células, o homem terá alcançado um conhecimento completo dos mecanismos que regem a vida.
Composição química da matéria viva. Quimicamente, as substâncias orgânicas (isto é, a matéria viva) são compostos de carbono ou, em outras palavras, compostos cujas principais ligações químicas unem vários átomos de carbono com outros átomos de carbono e de hidrogênio. As células contêm uma grande variedade de compostos orgânicos, em geral muito mais complexos do que o resto das substâncias químicas. Além do carbono, do hidrogênio e do oxigênio, fazem parte da matéria orgânica o nitrogênio, o fósforo, o enxofre e alguns outros elementos.
Os compostos orgânicos que se encontram em todo tipo de célula são: os carboidratos, também chamados hidratos de carbono, as gorduras e seus derivados, as proteínas, e os nucleotídeos. Os carboidratos são moléculas com átomos de carbono (C), hidrogênio (H) e oxigênio (O), e sua fórmula geral é Cx (H2O)}y, onde x e y são números inteiros. Como grupo, os carboidratos desempenham na célula duas funções de fundamental importância: constituem a armação estrutural da substância celular e atuam como combustível no processo da respiração. Alguns dos mais abundantes são o amido, os açúcares (glicose, lactose, frutose) e a celulose. A importância dos carboidratos na respiração e na contração muscular foi detidamente estudada durante a década de 1950.
As gorduras e seus derivados se conhecem coletivamente pelo nome de lipídios e, assim como o grupo anterior, se compõem de carbono, hidrogênio e oxigênio. Sua fórmula geral é:
em que R é um radical de hidrocarboneto. Os lipídios são importantes por sua condição de armazenadores das substâncias de reserva e desempenham papel significativo na composição estrutural das células. Estes princípios bioquímicos são ésteres de ácidos graxos de elevado peso molecular que, como traços químicos mais significativos, apresentam insolubilidade na água e solubilidade no álcool, acetona, éter, benzeno e outros solventes orgânicos.
A acumulação de placas de gorduras pode gerar arteriosclerose, isto é, endurecimento das artérias. As proteínas com polímeros (moléculas com unidades estruturais repetidas) são compostas por frações moleculares denominadas aminoácidos. Todas elas contêm nitrogênio. A formação de uma proteína é análoga à formação de palavras e frases a partir das letras de um alfabeto e, não sendo necessária uma configuração linear, pode produzir-se uma ramificação em qualquer direção. Em vista disso, o número teórico de possíveis proteínas é quase ilimitado. Dada sua especificidade, existem nos organismos em verdadeira multidão funcional, atuando como elementos estruturais, anticorpos ou biocatalisadores.
Os nucleotídeos, finalmente, são complexos moleculares de três unidades: um grupo fosfato, um açúcar pentose (contém cinco átomos de carbono por molécula) e uma base nitrogenada. Essas substâncias revelam-se essenciais para a síntese de proteínas e para transmitir-se a informação hereditária de uma geração à geração seguinte. Blocos construtivos de grandes moléculas, os nucleotídeos desempenham três funções essenciais: são enzimas, portadores de energia e formadores de sistemas genéticos. Entre os de função genética, cabe mencionar os que formam as seqüências dos ácidos ribonucléico (ARN) e desoxirribonucléico (ADN), mediadores da herança dos genes.
Metabolismo. Em termos gerais, pode-se afirmar que o metabolismo corresponde a algo como o funcionamento de uma maquinaria viva. Suas três funções principais são a nutrição, a respiração e a síntese. Em todos os organismos a nutrição inclui a assimilação de matérias-primas ou "nutrientes" e a distribuição interna destes, de modo que o alimento chegue a cada uma das células. A matéria celular construída pelas plantas mediante a fotossíntese serve de base à nutrição de todos os animais.
Por outro lado, a respiração celular é o processo pelo qual a energia química dos nutrientes orgânicos se torna aproveitável para as células vivas. Nesse processo, as ligações químicas das moléculas nutritivas se rompem, e a energia da ligação fica à disposição do trabalho metabólico. Finalmente, a síntese consiste, de um ponto de vista muito geral, na inversão do resultado da decomposição oxidativa da respiração. Os produtos formados nas sucessivas etapas da respiração utilizam-se como materiais de partida nas reações de síntese. Além da fotossíntese nas células vegetais, os processos mais significativos relacionados com esse fenômeno são as sínteses de proteínas e as de ácidos nucléicos.
Metodologia e instrumentação. Para conhecer o que ocorre num organismo vivo, a primeira aproximação é a análise dos materiais que ele consome (alimento, oxigênio) e de suas excreções. Com essa finalidade, desenvolveram-se diversos métodos químicos. Em relação à cor das reações, empregam-se espectrofotômetros, que medem os comprimentos de onda das soluções. As técnicas gasométricas servem para quantificar o oxigênio e o dióxido de carbono que se produzem na respiração. A centrifugação é utilizada para isolar as partes individuais de uma célula (núcleo, mitocôndrias, ribossomos, membranas, lisossomos) e para separar uma proteína de outra em misturas complexas.
Por sua vez, a eletroforese aproveita a carga elétrica das moléculas biológicas para separá-las, e a cromatografia se baseia nos diferentes teores de solubilidade das substâncias em dissolventes aquosos e orgânicos. Por último, o emprego de isótopos (elementos pesados ou radiativos) permite fixar a trajetória dos compostos biológicos e seguir seu caminho no metabolismo. Trata-se dos chamados isótopos traçadores.
Ácidos nucléicos; Metabolismo
©Encyclopaedia Britannica do Brasil Publicações Ltda.
Bioquímica significa, literalmente, química da vida. Estuda, portanto, as substâncias e os processos químicos que ocorrem nas plantas, animais e microrganismos. Especificamente, envolve a determinação quantitativa e a análise estrutural dos compostos orgânicos que formam os componentes básicos da célula (proteínas, carboidratos e lipídios) e daqueles que desempenham papel-chave em reações químicas vitais para a vida. A bioquímica dedica-se ademais ao estudo de todas as mudanças químicas, de complexa interação, que ocorrem no interior da célula -- ou seja, as que se referem à síntese das proteínas, à conversão do alimento em energia e à transmissão de características hereditárias.
No desenvolvimento da bioquímica como disciplina autônoma intervieram como fatores principais o campo específico de que ela se ocupa e a diferenciação dos métodos que emprega. Seu objetivo consiste em determinar as estruturas moleculares encontradas nos organismos vivos, e a maneira como essas estruturas reagem e evoluem, tanto isoladamente como em suas combinações. Para isso adotaram-se determinadas abordagens pelas quais os organismos são estudados em sua integridade ou fracionados em diferentes graus.
Parte-se do nível de organização mais complexo, o organismo como um todo, e desce-se até o mais simples, a molécula. Para isso, empregam-se métodos de exatidão e sensibilidade crescentes, que podem ser puramente físicos (como os das chamadas substâncias traçadas), químicos (como os processos de separação molecular) e biológicos (como os provinientes da genética).
Todas as mudanças químicas que ocorrem nos organismos são englobadas no conceito geral de metabolismo e vão desde a degradação das substâncias, geralmente para obter energia, até a formação das moléculas complexas, necessárias aos processos vitais. As mudanças químicas dependem da ação de enzimas, que são catalisadores orgânicos, isto é, substâncias que desencadeiam os processos sem neles interferir. Esses processos, por sua vez, devem sua existência ao conteúdo genético da célula.
É cada dia maior o número de fenômenos celulares que devem sua explicação ao estudo bioquímico, o que levou alguns biólogos a sustentarem que o enfoque químico é o mais importante da ciência biológica. Outros assinalam que as moléculas dos organismos vivos são regidas não apenas pelos princípios físicos e químicos que determinam o comportamento de todas as moléculas, como também por um conjunto de princípios evolutivos independentes de sua constituição química e conhecido como lógica molecular da vida.
História. Embora seja uma ciência de desenvolvimento relativamente recente e só tenha recebido sua denominação nos primeiros anos do século XX, a bioquímica tem origens mais antigas. Observam-se em sua genealogia duas linhas principais. Uma provém da medicina e da fisiologia: deriva das pesquisas sobre a composição química do sangue, da urina e dos tecidos em sua relação com os estados patológicos. A outra procede da química orgânica e dos estudos sobre a estrutura dos compostos orgânicos naturais.
Dois fatos fundamentais intervieram na gênese da bioquímica como ciência independente. Um deles é o reconhecimento dos sistemas multienzimáticos como unidades catalíticas nos principais processos metabólicos. O outro é o de que a herança, aspecto fundamental da biologia, se assenta numa base molecular racional. Os primórdios da pesquisa bioquímica estão nas especulações sobre o papel do ar na utilização dos alimentos e na natureza da fermentação. Leonardo da Vinci foi um dos iniciadores desses estudos, por haver comparado o processo da nutrição animal à combustão de uma vela.
Entretanto, os verdadeiros avanços nessa direção só se registraram com o desenvolvimento da química, na passagem do século XVII para o XVIII. O inglês Robert Boyle questionou as bases da química de seu tempo e sustentou que o objetivo dessa ciência era determinar a composição das substâncias; Joseph Priestley descobriu o oxigênio; e Lavoisier demonstrou que os animais requerem esse elemento em sua respiração. Também foi Lavoisier o primeiro a medir o consumo de oxigênio de um ser humano e a reconhecer que a fermentação é um processo químico.
Apesar dessas descobertas decisivas, o progresso da bioquímica encontrou um obstáculo na teoria do vitalismo, doutrina de origem alemã segundo a qual as transformações da matéria nos organismos vivos não se sujeitavam às leis químicas e físicas que se aplicam às substâncias inanimadas. Os vitalistas afirmavam que todos os objetos naturais eram seres autônomos e que seu movimento e seu desenvolvimento provinham de uma força vital interna.
Duas grandes figuras da ciência do século XIX, o alemão Justus von Liebig e o francês Louis Pasteur, deram um salto qualitativo na história da pesquisa científica, ao deixarem claro o êxito da aplicação da química ao estudo da biologia. A grande contribuição de Liebig consistiu na descrição dos grandes ciclos químicos na natureza e ao desenvolvimento de técnicas de análise quantitativa aplicadas a sistemas biológicos. Pasteur, por sua vez, entrou para a história da ciência por sua demonstração de que a fermentação é provocada por microrganismos, com o que destruiu a hipótese da geração espontânea. A natureza dos fermentos de Pasteur, oportunamente denominados enzimas, não foi conhecida até 1926, ano em que o bioquímico americano James Batcheller Sumner pela primeira vez conseguiu cristalizar uma enzima, a uréase.
A partir dessa data, as descobertas se multiplicaram: apresentam especial relevância os trabalhos de Oswald Avery, Colin M. Macleod e Maclyn McCarthy, que em 1944 analisaram as transformações bacterianas ocasionadas pelo ácido desoxirribonucléico (ADN), e a postulação de James Dewey Watson e Francis Harry Campton Crick, em 1953, do modelo de estrutura de dupla hélice para o ADN. Mais tarde houve avanços na síntese química de proteínas, na elaboração de mapas detalhados da disposição dos átomos em algumas enzimas e na análise dos mecanismos da regulação metabólica, inclusive a ação molecular dos hormônios.
Alcance da bioquímica. As propriedades e faculdades dos organismos multicelulares podem ser estudadas em função das características das células individuais que os compõem e, por sua vez, o comportamento de cada célula individual pode ser compreendido de acordo com a estrutura e com as mudanças que nela se produzem. Quando tiverem sido descritas e compreendidas todas as alterações químicas que se podem produzir nas células, o homem terá alcançado um conhecimento completo dos mecanismos que regem a vida.
Composição química da matéria viva. Quimicamente, as substâncias orgânicas (isto é, a matéria viva) são compostos de carbono ou, em outras palavras, compostos cujas principais ligações químicas unem vários átomos de carbono com outros átomos de carbono e de hidrogênio. As células contêm uma grande variedade de compostos orgânicos, em geral muito mais complexos do que o resto das substâncias químicas. Além do carbono, do hidrogênio e do oxigênio, fazem parte da matéria orgânica o nitrogênio, o fósforo, o enxofre e alguns outros elementos.
Os compostos orgânicos que se encontram em todo tipo de célula são: os carboidratos, também chamados hidratos de carbono, as gorduras e seus derivados, as proteínas, e os nucleotídeos. Os carboidratos são moléculas com átomos de carbono (C), hidrogênio (H) e oxigênio (O), e sua fórmula geral é Cx (H2O)}y, onde x e y são números inteiros. Como grupo, os carboidratos desempenham na célula duas funções de fundamental importância: constituem a armação estrutural da substância celular e atuam como combustível no processo da respiração. Alguns dos mais abundantes são o amido, os açúcares (glicose, lactose, frutose) e a celulose. A importância dos carboidratos na respiração e na contração muscular foi detidamente estudada durante a década de 1950.
As gorduras e seus derivados se conhecem coletivamente pelo nome de lipídios e, assim como o grupo anterior, se compõem de carbono, hidrogênio e oxigênio. Sua fórmula geral é:
em que R é um radical de hidrocarboneto. Os lipídios são importantes por sua condição de armazenadores das substâncias de reserva e desempenham papel significativo na composição estrutural das células. Estes princípios bioquímicos são ésteres de ácidos graxos de elevado peso molecular que, como traços químicos mais significativos, apresentam insolubilidade na água e solubilidade no álcool, acetona, éter, benzeno e outros solventes orgânicos.
A acumulação de placas de gorduras pode gerar arteriosclerose, isto é, endurecimento das artérias. As proteínas com polímeros (moléculas com unidades estruturais repetidas) são compostas por frações moleculares denominadas aminoácidos. Todas elas contêm nitrogênio. A formação de uma proteína é análoga à formação de palavras e frases a partir das letras de um alfabeto e, não sendo necessária uma configuração linear, pode produzir-se uma ramificação em qualquer direção. Em vista disso, o número teórico de possíveis proteínas é quase ilimitado. Dada sua especificidade, existem nos organismos em verdadeira multidão funcional, atuando como elementos estruturais, anticorpos ou biocatalisadores.
Os nucleotídeos, finalmente, são complexos moleculares de três unidades: um grupo fosfato, um açúcar pentose (contém cinco átomos de carbono por molécula) e uma base nitrogenada. Essas substâncias revelam-se essenciais para a síntese de proteínas e para transmitir-se a informação hereditária de uma geração à geração seguinte. Blocos construtivos de grandes moléculas, os nucleotídeos desempenham três funções essenciais: são enzimas, portadores de energia e formadores de sistemas genéticos. Entre os de função genética, cabe mencionar os que formam as seqüências dos ácidos ribonucléico (ARN) e desoxirribonucléico (ADN), mediadores da herança dos genes.
Metabolismo. Em termos gerais, pode-se afirmar que o metabolismo corresponde a algo como o funcionamento de uma maquinaria viva. Suas três funções principais são a nutrição, a respiração e a síntese. Em todos os organismos a nutrição inclui a assimilação de matérias-primas ou "nutrientes" e a distribuição interna destes, de modo que o alimento chegue a cada uma das células. A matéria celular construída pelas plantas mediante a fotossíntese serve de base à nutrição de todos os animais.
Por outro lado, a respiração celular é o processo pelo qual a energia química dos nutrientes orgânicos se torna aproveitável para as células vivas. Nesse processo, as ligações químicas das moléculas nutritivas se rompem, e a energia da ligação fica à disposição do trabalho metabólico. Finalmente, a síntese consiste, de um ponto de vista muito geral, na inversão do resultado da decomposição oxidativa da respiração. Os produtos formados nas sucessivas etapas da respiração utilizam-se como materiais de partida nas reações de síntese. Além da fotossíntese nas células vegetais, os processos mais significativos relacionados com esse fenômeno são as sínteses de proteínas e as de ácidos nucléicos.
Metodologia e instrumentação. Para conhecer o que ocorre num organismo vivo, a primeira aproximação é a análise dos materiais que ele consome (alimento, oxigênio) e de suas excreções. Com essa finalidade, desenvolveram-se diversos métodos químicos. Em relação à cor das reações, empregam-se espectrofotômetros, que medem os comprimentos de onda das soluções. As técnicas gasométricas servem para quantificar o oxigênio e o dióxido de carbono que se produzem na respiração. A centrifugação é utilizada para isolar as partes individuais de uma célula (núcleo, mitocôndrias, ribossomos, membranas, lisossomos) e para separar uma proteína de outra em misturas complexas.
Por sua vez, a eletroforese aproveita a carga elétrica das moléculas biológicas para separá-las, e a cromatografia se baseia nos diferentes teores de solubilidade das substâncias em dissolventes aquosos e orgânicos. Por último, o emprego de isótopos (elementos pesados ou radiativos) permite fixar a trajetória dos compostos biológicos e seguir seu caminho no metabolismo. Trata-se dos chamados isótopos traçadores.
Ácidos nucléicos; Metabolismo
©Encyclopaedia Britannica do Brasil Publicações Ltda.
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