Introdução às macromoléculas

Pense no que você comeu em seu almoço. Alguns dos itens do seu almoço tinha um rótulo de "Informações nutricionais" atrás do produto? Se você deu uma olhada nas proteínas, carboidratos ou gorduras do alimento, você pode já estar familiarizado com diversos tipos de moléculas biológicas grandes que iremos discutir aqui. Se você está se perguntando o que algo que soa tão estranho como "moléculas biológicas grandes" está fazendo em sua comida, a resposta é que está lhe fornecendo os blocos de construção que você precisa para manter seu corpo - porque seu corpo também é feito de moléculas biológicas grandes!

Assim como você pode ser visto como um conjunto sortido de átomos ou uma bolsa de água ambulante e falante, você também pode ser visto como uma coleção de quatro tipos principais de biomoléculas grandes: carboidratos (como os açúcares), lipídios (como as gorduras), proteínas e ácidos nucleicos (como o DNA e o RNA). Isso não quer dizer que essas sejam as únicas moléculas em seu corpo, mas que as moléculas grandes mais importantes podem ser divididas nesses grupos. Juntos, os quatro grupos de biomoléculas grandes compõem a maioria do peso seco de uma célula. (A água, uma molécula pequena, compõe a maior parte do peso líquido).

Biomoléculas grandes executam diversas tarefas em um organismo. Alguns carboidratos armazenam combustível para futuras necessidades energéticas, e alguns lipídios são os componentes estruturais básicos das membranas celulares. Os ácidos nucleicos armazenam e transferem informações hereditárias, das quais a maioria fornece instruções para a formação de proteínas. As proteínas, por sua vez, têm talvez a maior variedade de funções: algumas oferecem suporte estrutural, mas muitas são como pequenas máquinas que desempenham papéis específicos em uma célula, como catalisar reações metabólicas ou receber e transmitir sinais.

Vamos analisar com mais detalhes os carboidratos, lipídios, ácidos nucleicos e proteínas alguns artigos adiante. Aqui, nosso foco será mais voltado para as principais reações químicas que formam e quebram essas moléculas.

A maioria das moléculas biológicas grandes são polímeros, longas cadeias feitas de subunidades moleculares repetidas, ou blocos de construção, chamados monômeros. Se você pensar no monômero como uma pérola, então você pode pensar no polímero como sendo um colar, uma série de pérolas juntas em cadeia .

Carboidratos, ácidos nucleicos e proteínas são geralmente encontrados na natureza como polímeros longos. Por causa de sua natureza polimérica e seu grande (muitas vezes enorme!) tamanho, eles são classificados como macromoléculas, grande (macro-) moléculas feitas a partir da junção de subunidades menores. Os lipídios geralmente não são polímeros e são menores que os outros três, então não são considerados macromoléculas por algumas referências${}^{1,2}$‍. Entretanto, muitas outras fontes usam o termo "macromolécula" mais livremente, como um nome geral para os quatros tipos de biomoléculas grandes${}^{3,4}$‍. Isso é apenas uma diferença na nomenclatura, então não se preocupe muito com isso. Apenas lembre-se que os lipídios são um das quatro principais biomoléculas grandes, mas que eles geralmente não formam polímeros.

Como construímos polímeros a partir de monômeros? Moléculas biológicas grandes geralmente agregam-se via reações de síntese por desidratação, em que um monômero forma uma ligação covalente com outro monômero (ou com uma cadeia crescente de monômeros), liberando uma molécula de água no processo. Você pode lembrar como ocorre apenas pelo nome da reação: desidratação - pela perda de uma molécula de água - e síntese - pela formação de uma ligação.

Na reação de síntese por desidratação acima, duas moléculas de glicose (monômeros) combinam-se para formar uma única molécula de maltose. Uma das moléculas de glicose perde um H, a outra perde um grupo OH, e uma molécula de água é liberada, enquanto uma nova ligação covalente se forma entre as duas moléculas de glicose. Como monômeros adicionais juntam-se a cadeia por esse mesmo processo, a cadeia pode ficar cada vez mais longa e formar um polímero.

Mesmo sendo feitos de unidades repetidas de monômeros, existe uma variedade de forma e composição de polímeros. Os carboidratos, ácidos nucleicos e proteínas podem conter diversos tipos de monômeros e sua composição e sequência são importantes para a sua função. Por exemplo, há quatro tipos de monômeros de nucleotídeos no DNA, bem como vinte tipos de monômeros de aminoácidos comumente encontrados nas proteínas corporais. Mesmo um único tipo de monômero pode formar diferentes polímeros com diferentes propriedades. Por exemplo, o amido, glicogênio e celulose são todos carboidratos feitos de monômeros de glicose, mas eles possuem diferentes padrões de ligação e ramificação.

Como os polímeros se transformam em monômeros (por exemplo, quando o corpo precisa reciclar uma molécula para construir uma outra diferente)? Polímeros são quebrados em monômeros através de reações de hidrólise, em que uma ligação é quebrada, ou lisada, pela adição de uma molécula de água.

Durante uma reação de hidrólise, uma molécula composta por múltiplas subunidades é dividida em duas: uma das novas moléculas ganha um átomo de hidrogênio, enquanto a outra ganha uma hidroxila (-OH), ambos são doados pela água. Esse é o contrário da reação de síntese por desidratação, e libera um monômero que pode ser usado na construção de um novo polímero. Por exemplo, na reação de hidrólise abaixo, uma molécula de água divide a maltose para liberar dois monômeros de glicose. Essa reação é o contrário da reação de síntese por desidratação mostrada acima.

As reações de síntese por desidratação constroem moléculas e, geralmente, precisam de energia, enquanto as reações de hidrólise quebram moléculas e liberam energia. Carboidratos, proteínas e ácidos nucleicos são construídos e quebrados por meio desses tipos de reações, embora os monômeros envolvidos sejam diferentes em cada caso. (Em uma célula, os ácidos nucleicos não são polimerizados via síntese por desidratação; vamos estudar como eles são formados no artigo sobre ácidos nucleicos. As reações de síntese por desidratação também estão envolvidas na formação de determinados tipos de lipídios, ainda que os lipídios não sejam polímeros${}^3$‍).

No corpo, enzimas catalizam, ou aceleram, ambas as reações de síntese por desidratação e de hidrólise. As enzimas envolvidas em quebrar ligações geralmente recebem nomes que terminam em -ase: por exemplo, a enzima maltase quebra maltose, lipases quebram lipídios e peptidases quebram proteínas (também conhecidas como polipeptídeos, como veremos no artigo sobre proteínas). À medida que a comida viaja pelo seu sistema digestório - de fato, desde o momento que encosta na saliva - ela está sendo digerida por enzimas como essas. As enzimas quebram moléculas biológicas grandes, liberando os blocos menores, que podem ser rapidamente absorvidos e usados pelo seu corpo.