Bioquimica

Pesquisa encontrou fortes evidências de que neurônios presentes no cérebro 

de uma pessoa apresentam 'idades' diferentes.

Bioquímica é a ciência que estuda os processos químicos que ocorrem nos organismos vivos. De maneira geral, ela consiste do estudo da estrutura molecular e função metabólica de componentes celulares e virais, como proteínas (proteômica),enzimas (enzimologia), carboidratos, lipídios, ácidos nucleicos (biologia molecular) entre outros.

• Dentre os diversos tipos de biomoléculas, muitas são moléculas grandes (macromoléculas) e complexas, formadas pela união de unidades fundamentais (monômeros) repetidamente, que dão origem a longas cadeias denominadas biopolímeros.Cada tipo de biopolímero apresenta unidades fundamentais diferentes. Por exemplo, as proteínas são biopolímeros cujas unidades monoméricas são os aminoácidos, enquanto que os ácidos nucleicos (como o DNA) são biopolímeros compostos por cadeias de nucleotídeos.

História:

A história da bioquímica moderna é relativamente jovem, datando do século XIX quando começaram as abordagens contemplando aspectos da biologia e da química, para criar uma disciplina, integrando conhecimento destas duas ciências. No entanto, a aplicação dos conhecimentos bioquímicos se iniciou há cerca de 5.000 anos com a produção de pão utilizando leveduras. Assim como a química orgânica, é citado também como um importante marco da bioquímica moderna a descoberta da síntese de ureia por Friedrich Wöhler em 1828, provando que os compostos orgânicos poderiam ser obtidos artificialmente, em contraste com a crença largamente aceita por um longo período de tempo: compostos orgânicos seriam gerados apenas por organismos vivos. Outro marco importante ocorreu em 1833, quando Anselme Payen isolou pela primeira vez uma enzima, a diastase. Esta descoberta também é considerada como a primeira vez que foi descrito um composto orgânico que apresentava as propriedades de um catalisador. O sufixo "ase" de diastase passou a ser usado na nomenclatura das enzimas.

• Em meados do século XIX, Louis Pasteur estudou o fenômeno da fermentação e descobriu que certas leveduras estavam envolvidas neste processo, e portanto, não se tratava de um fenômeno somente químico como muitos haviam defendido até aquele momento (incluindo ele próprio e Justus von Liebig). Pasteur escreveu: "a fermentação alcoólica é um ato relacionado com a vida e organização das células de levedura, não com a morte e putrefação destas células". Pasteur desenvolveu também métodos de esterilização de vinho, leite e cerveja (pasteurização) e contribuiu muito para refutar a ideia de geração espontânea de seres vivos. Em 1896, Eduard Buchner demonstrou pela primeira vez que um processo bioquímico complexo poderia ocorrer fora de uma célula, tendo como base a fermentação alcoólica usando extrato celular de levedura.

Embora o termo "bioquímica" pareça ter sido usado pela primeira vez em 1882, é geralmente aceito que a cunhagem formal do termo ocorreu em 1903 por Carl Neuberg, um químico alemão. No entanto grandes pesquisadores como Wöhler, Liebig, Pasteur e Claude Bernard já usavam outras denominações.

• Durante o período de 1885-1901, Albrecht Kossel isolou e nomeou cinco constituintes dos ácidos nucleicos: adenina, citosina, guanina, timina e uracila. Estes compostos são conhecidos coletivamente como bases nitrogenadas e integram a estrutura molecular do DNA e do RNA. Os ácidos nucleicos foram descobertos por Friedrich Miescher, em 1869. Em 1878, o fisiologista Wilhelm Kühne cunhou o termo enzima para se referir aos componentes biológicos desconhecidos que participavam do processo de fermentação.

A elucidação da estrutura do DNA é considerada uma das descobertas mais importantes na área de bioquímica no século XX.

• A partir da década de 1920, a bioquímica experimentou considerável avanço, especialmente pelo desenvolvimento de novas técnicas, como a cromatografia, a difração de raios X, a espectroscopia de RMN, a marcação isotópica, a microscopia eletrônica e simulações de dinâmica molecular. Estas técnicas permitiram a descoberta e análise detalhada de muitas biomoléculas e de vias metabólicas em uma célula, tal como a glicólise e o ciclo de Krebs.

Outro importante evento histórico em bioquímica foi a descoberta do gene e do seu papel na transferência de informação na célula. Esta parte da bioquímica é muitas vezes chamada de biologia molecular. Na década de 1950, James D. Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin e Maurice Wilkins resolverem a estrutura do DNA e sugeriram a sua relação com a transferência da informação genética. Em 1958, George Beadle e Edward Tatum receberam o Prêmio Nobel pelo trabalho com fungos, onde demostram que um gene gerava como produto uma enzima. Este conceito, hoje ampliado, ficou conhecido como o Dogma central da biologia molecular. Em 1975 foi a vez de destacar as pesquisas sobre o sequenciamento de DNA, sendo Allan Maxam,Walter Gilbert e Frederick Sanger os principais cientista envolvidos nestas pesquisas. Logo em seguida surge a primeira empresa de biotecnologia industrial, a Genentech. Logo tornou-se possível a fabricação de princípio ativo, hormônios e vacinas por meios biotecnológicos.

• Em 1988, Colin Pitchfork foi a primeira pessoa condenada por assassinato usando como provas exames de DNA, ocasionando uma revolução nas ciências forenses. Mais recentemente, Andrew Fire e Craig Mello receberam o Prêmio Nobel em 2006 pela descoberta da interferência do RNA (RNAi) no silenciamento da expressão gênica.

Aplicação:

O conhecimento bioquímico é muito importante para as indústrias: farmacêutica (síntese de fármacos, excipientes), médica (novos tratamentos e curas para doenças, como na nutrição alimentar), agrícola (melhora da fixação de nitrogênio em plantas como a soja), alimentícia (fermentação de bebidas alcoólicas, leite e derivados, produção de chocolates), cosmética (novos produtos de beleza e higiene) e até tecnológica (produção de compósitos sustentáveis de origem renovável).

• Outra aplicabilidade é na teoria evolucionista, teoria que afirma que todas as formas de vida existentes no planeta Terra descendem de um ancestral em comum. Essa teoria é baseada na semelhança de diversas características compartilhadas entre os organismos, inclusive as de nível bioquímico. Por exemplo, de maneira geral, todos os organismos, desde um simples vírus até um chimpanzé, possuem o material genético (DNA) formado por combinações das mesmas quatro bases nitrogenadas(Adenina, Guanina, Citosina e Timina)

Bioquímica estrutural:

• Este ramo da bioquímica preocupa-se em estudar os aspectos estruturais das biomoléculas. As quatro principais classes de biomoléculas são os carboidratos, os lípidos, as proteínas e os ácidos nucleicos. Muitas moléculas biológicas são polímeros: neste terminologia, os monômeros são micromoléculas relativamente pequenas que estão ligadas em conjunto para gerar estas grandes macromoléculas. Diferentes macromoléculas podem reunir-se em complexos maiores, muitas vezes necessários para a atividade biológica. Os carboidratos, por exemplo, são constituídos de diversos monômeros chamados monossacarídeos. Alguns destes monossacáridos incluem a glicose (C6H12O6), a frutose (C6H12O6) e a desoxirribose (C5H10O4). Os lipídeos são biossintetizados a partir de uma molécula de glicerol combinado com outras moléculas. Os triglicerídeos, a principal classe de lipídeos, são constituídos por uma molécula de glicerol e três moléculas de ácidos graxos. 

Os ácidos graxos, também considerados monômeros, podem ser saturados ou insaturados. As proteínas são biomoléculas muito grandes - macro-biopolímeros - sintetizadas a partir de monômeros chamados aminoácidos. Existem 20 aminoácidos essenciais, cada um contendo um grupo carboxilo, um grupo amino e uma cadeia lateral, chamada de grupo "R". O grupo "R" varia entre os aminoácidos, o que faz com que cada um destes aminoácido seja diferente um do outro. Estas diferenças e as propriedades destas cadeias laterais influenciam imensamente a conformação tridimensional de uma proteína. 

• Quando os aminoácidos se combinam, formam uma ligação especial chamada ligação peptídica. Estas são reações de desidratação e os produtos podem ser um peptídeo ou uma proteína. Por fim, os ácidos nucleicos são as biomoléculas envolvidas no armazenamento, transferência e tradução da informação genética: o DNA e os RNAs. Estes ácidos nucleicos possuem elevada massa molecular, e contêm em sua estrutura molecular ácido fosfórico, pentoses (monossacarídeo) e bases purínicas e pirimidínicas. São portanto macromoléculas formadas por nucleotídeos.Os nucleotídeos são a adenina, citosina, guanina, timina e uracila, sendo que timina é presente somente no DNA e a uracila somente no RNA. A adenina liga-se com a timina e a uracila; a guanina e citosina pode ligar apenas uma com a outra.

Bioquímica metabólica:

• A bioquímica metabólica estuda os processos de anabolismo e catabolismo de biomoléculas, as vias metabólicas e os processos energéticos envolvidos nestas reações químicas. Os carboidratos têm como uma de suas funções o armazenamento de energia. A glicose, dentre as biomoléculas, possui papel central como fonte de energia para a maioria das formas de vida. Os polissacarídeos de reserva são decompostos em seus monômeros: em animais, o glicogênio é degradado enzimaticamente em resíduos de glicose). A glicose é metabolizada principalmente por uma via muito importante de 10 etapas chamada glicólise ou via glicolítica.

O resultado líquido desta sequencia de reações para quebrar uma molécula de glicose em duas moléculas de piruvato, é a produção de duas moléculas de ATP (adenosina trifosfato), a fonte de energia das células, juntamente com dois equivalentes reduzidos sob a forma de NADH. Energia também pode ser obtida por meio de processos anaeróbicos, quando as células não contam com a presença de oxigênio suficiente. Estes processos são denominados fermentação. Outras vias importantes são as de biossíntese e degração de lipídeos. A síntese de ácidos graxos envolve moléculas de acetil-CoA e subsequentemente a esterificação para a produção de triglicerídeos, em um processo chamado de lipogênese.Os ácidos graxos são sintetizados pela ação da enzima ácido graxo sintase, que polimerizam e reduzem as unidades acetil-CoA. As cadeias acílicas são estendidos por um ciclo de reações que adicionam o grupo acetila, reduzem-na a um álcool e desidratam-lo a um grupo alceno e depois reduzi-la novamente a um grupo alcano. 

• Os ácidos graxos podem ser subsequentemente convertidos em triglicerideos, que serão armazenados no fígado e no tecido adiposo. Já a degradação de lipídeos é realizada pelo processo de betaoxidação e ocorre nas mitocôndrias e/ou em peroxissomos para gerar acetil-CoA. Para a maior parte, os ácidos graxos são oxidados por um mecanismo que é similar, mas não idêntico, a reação inversa de síntese de ácidos graxos. Ou seja, dois fragmentos de carbono são removidos sequencialmente da extremidade do ácido, após as etapas de desidrogenação, hidratação e oxidação, para formar um cetoácido, que será então fragmentado em uma reação de tiólise.

A acetil-CoA é então convertido em ATP, em última análise, CO2, H2O, utilizando o ciclo do ácido cítrico e a cadeia transportadora de elétrons. É interessante notar que por este fato, o Ciclo de Krebs pode começar em acetil-CoA, quando a gordura está sendo usado como fonte de energia quando há pouca ou nenhuma disponível. O rendimento energético da oxidação completa de uma molécula de ácido palmítico, por exemplo, é de 106 moléculas de ATP. Insaturados e ímpares Ácidos graxos insaturados e com número ímpar de átomos de carbono requerem passos adicionais para a degradação enzimática.

• A Bioquímica metabólica investiga as vias metabólicas nos organismos vivos e analisa o consumo energético destas reações bioquímicas. A reação apresentada mostra a última etapa reacional no processo de degradação de ácidos graxos: estas moléculas são degradas em uma molécula menor, chamada acetil CoA, que gerará energia na forma de ATP em reações subsequentes.

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