Introdução à Biologia/Introdução/Principais compostos químicos da vida

Água
Carboidratos
1. Estrutura
2. Monossacarídeos
3. Oligossacarídeos
4. Polissacarídeos
5. Funções
Lipídeos
1. Estrutura
2. Lipídios simples
3. Lipídios compostos
4. Esteróides
5. Funções
Proteínas
1. Funções
2. Estrutura
3. Aminoácidos
4. Enzimas
Sais minerais
1. Sódio
2. Potássio
3. Cálcio
4. Magnésio
5. Ferro
6. Fosfato
Ácidos nucleicos
1. DNA
  1. Estrutura
  2. Função
2. RNA
  1. Estrutura
  2. Função

Água

Uma solução aquosa de NaCl (o vulgar sal de cozinha).

A vida, tal como a conhecemos, depende da presença de água. O organismo humano possui cerca de 70% de água, um constituinte fundamental do meio intracelular e de fluidos extracelulares como o sangue. Uma solução em que a água é o único ou principal solvente é denominada solução aquosa.

Nas zonas do planeta em que a água escasseia, os seres vivos possuem adaptações para minimizar a sua perda. Crê-se também que a vida surgiu em meio aquoso, onde os reagentes poderiam circular, encontrar-se e formar ligações, formando moléculas cada vez mais complexas que se agregariam em organismos simples.

A água possui características químicas e físicas muito particulares. Entre elas, o facto de possuir uma densidade menor no estado sólido que no estado líquido, permitindo a flutuação do gelo e a existência de vida subaquática a baixas temperaturas. Também o tipo de ligação química existente entre as moléculas de água, a chamada ligação de hidrogênio, desempenha um papel fundamental em muitos processos biológicos, especialmente em reações catalisadas por diversas enzimas. A compreensão do funcionamento e da função da água em sistemas biológicos é fulcral para o entendimento de processos bioquímicos.

Estrutura da molécula de água

A molécula de água. Os átomos dispõem-se formando um ângulo de 104,5º. A diferença de eletronegatividade entre os dois tipos de átomos provoca a existência de um dipolo elétrico, com uma concentração de carga negativa na vizinhança do átomo de oxigênio.

Moléculas de água formando uma estrutura em rede, através de ligações de hidrogênio (marcadas a preto). Círculos maiores a vermelho: átomos de oxigênio. Círculos menores, a azul: átomos de hidrogênio.

A molécula de água é constituída por dois átomos de hidrogênio ligados a um de oxigênio, com uma estrutura angular. O átomo de oxigênio partilha dois dos seus seis elétrons de valência com os átomos de hidrogênio para formar as ligações covalentes entre oxigênio e hidrogênio. Como resultado, o hidrogênio tem a sua camada de valência completa e dedicada à ligação. O átomo de oxigênio possui dois pares de elétrons de valência que não participam então em ligações, mas que produzem uma zona de carga negativa que tende a repelir ligeiramente os átomos de hidrogênio. Por esta razão, a molécula de água não é linear, formando antes um ângulo com aproximadamente 104,5º.

O oxigênio é uma molécula com elevada eletronegatividade, maior que a do hidrogênio, ou seja, tende a atrair mais facilmente elétrons. Embora a ligação covalente seja um tipo de ligação química que exija a partilha eletrônica, é mais provável encontrar esses elétrons mais perto do núcleo do oxigênio que dos núcleos do hidrogênio. Por esta razão, a nuvem eletrônica da molécula de água é mais densa nas imediações do oxigênio, tendo uma carga elétrica local mais negativa e conferindo uma polaridade elétrica à molécula.

Por causa desta polaridade, um átomo de oxigênio pertencendo a uma determinada molécula de água tende a atrair um átomo de hidrogênio de uma molécula vizinha, estabelecendo uma ligação intermolecular denominada ligação de hidrogênio (também é usado o termo ponte de hidrogênio). Este tipo de ligação ocorre entre átomos de hidrogênio e átomos de elevada eletronegatividade, como o já referido oxigênio ou ainda o nitrogênio ou o fósforo, sempre que o hidrogênio tenha uma deficiência eletrônica devida à polarização da molécula em que se encontra (ou seja, sempre que se encontre ligado covalentemente a outro átomo eletronegativo).

Este tipo de ligação tem uma energia relativamente baixa (23 kJ/mol), a suficiente para estabelecer a ligação mas também ser facilmente quebrada. Este é um aspecto importante para a mobilidade das moléculas de água, que estão a associar-se e a dissociar-se constantemente quando no estado líquido, mas que se encontram sempre envolvidas neste tipo de ligação. A água pode ser então pensada como uma rede de moléculas coesas, mas não estáticas como num sólido; esta coesão confere-lhe uma densidade elevada em comparação com outros líquidos à mesma temperatura e causa a existência de uma elevada tensão superficial.

Outras propriedades significativamente afetadas pela existência de ligações de hidrogênio são a temperatura de ebulição e a temperatura de fusão. Este tipo de ligação aumenta estas temperaturas em relação a compostos similares que não a possuam. Por exemplo, o metano, CH₄, é um gás a 25º, o que não acontece com o álcool derivado deste, o metanol (CH₃OH), um líquido a esta mesma temperatura. A ligação C-H não é muito polar, não havendo grande polarização em moléculas orgânicas que não possuam átomos fortemente eletronegativos.

Solubilidade em água

Como a água é um dos constituintes fundamentais da célula, é importante reconhecer que moléculas são solúveis ou não em meio aquoso. As moléculas podem dividir-se em hidrofílicas, ou solúveis em água, e hidrofóbicas, ou insolúveis em água. Em geral, moléculas polares são hidrofílicas e moléculas apolares são hidrofóbicas.

Exemplos de moléculas hidrofóbicas são os ácidos gordos, que constituem uma das extremidades dos fosfolípidos. Estes são constituintes das membranas celulares que possuem uma extremidade ("cabeça") polar e outra ("cauda") apolar. Como consequência, os fosfolípidos são moléculas anfipáticas, ou seja, parcialmente polares e parcialmente apolares. Esta característica possibilita a formação de bicamadas lipídicas que limitam o transporte de moléculas para dentro e fora da célula, separando o meio aquoso interno do externo.

Gases como o O₂ e o CO₂ são apolares, tendo uma baixa solubilidade em água. Podem, no entanto, permear membranas.

A grande maioria das moléculas orgânicas encontradas em sistemas vivos são hidrofílicas, podendo difundir na célula ou ser transportadas por fluidos dentro de um organismo, associadas ou não a outras moléculas. A maioria dos metabolitos caem nesta categoria.

As proteínas podem ser hidrofílicas ou hidrofóbicas. Quando possuem zonas hidrofóbicas expostas ao solvente, estão normalmente associadas a membranas, podendo ter zonas expostas ao meio aquoso intracelular, extracelular ou a ambos.

A água dissolve sais como o NaCl, dissociando-os nos seus íons; estes não se reassociam porque a água solvata-os de forma eficaz, criando uma barreira física à sua reassociação. Também grupos ionizáveis como o carboxilo, -COOH, presentes em diversas moléculas biológicas, têm a sua forma ionizada (neste caso, -COO^-) estabilizada em solução.