Biologia: metodologia científica, evolução, água, carboidratos, proteínas, ácidos nucleicos e lipídeos

As atividades centrais da Biologia são formular perguntas a respeito da natureza e buscar respostas a partir de pesquisas. Logo, a Biologia é o estudo científico da vida.

O trabalho dos biólogos é realizado de acordo com a metodologia científica, processo que inclui fazer observações sobre um fenômeno, formular hipóteses (palpites) sobre esse fenômeno, testar essas hipóteses através de experimentos controlados e elaborar teorias.

Para que os resultados dos experimentos sejam confiáveis, é necessário que estes incluam um grupo controle (no qual não é feita nenhuma modificação) e um grupo teste (no qual apenas um fator é manipulado), de forma que tornem-se evidentes os efeitos da mudança.

Testar uma teoria de diversas maneiras pode aumentar a confiança nela, mas nunca irá comprová-la. Na verdade, durante essas repetições, é possível encontrar resultados que não se encaixam com a teoria existente. Neste caso, os cientistas devem modificar ou descartar a teoria. Nesse sentido, a ciência se autopolicia.

Durante o seu trabalho, os biólogos se deparam com dois tipos de dados distintos. Enquanto os dados qualitativos consistem em descrições de fenômenos, os dados quantitativos compreendem medidas numéricas, geralmente organizadas em tabelas e gráficos.

A evolução consiste no conjunto de adaptações de um ser vivo que garantem sua sobrevivência. O fato de os principais elementos que compõem os seres vivos (carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre) existirem nas mesmas proporções em todos os organismos reforça a ideia de que são descendentes modificados de ancestrais comuns.

A ampliação da vida a uma resolução cada vez maior constitui o reducionismo, abordagem que reduz sistemas complexos a componentes mais simples e mais acessíveis ao estudo e que evidencia a existência de princípios emergentes, ou seja, propriedades que só existem graças às interações entre seus componentes. Por exemplo, à temperatura ambiente, o cloro é um gás venenoso e o sódio é um sólido macio. Contudo, quando esses elementos interagem entre si, uma nova substância é formada (o cloreto de sódio, principal componente do sal de cozinha, cujas propriedades são completamente diferentes das dos seus componentes).

A estrutura e a função de componentes biológicos estão correlacionadas. A análise da estrutura de um componente fornece evidências sobre o que ele faz e como ele funciona. Conhecer a função de uma coisa garante uma melhor compreensão sobre sua estrutura e sua organização. Por exemplo, a anatomia de um beija-flor possibilita que suas asas girem na altura dos ombros, de forma que aves dessa espécie têm a habilidade de voar para trás ou pairar no ar. Ao pairarem no ar, essas aves podem estender seus longos e esguios bicos para dentro das flores e se alimentar do néctar.

Muitos processos biológicos se autorregulam a partir de retroalimentação. A retroalimentação negativa é um ciclo no qual a resposta reduz o estímulo inicial, como a sinalização por insulina, que é um hormônio que promove a absorção de glicose pelas células quando há excesso de glicose no sangue. A retroalimentação positiva é um ciclo no qual o produto final acelera sua própria produção, como a coagulação do sangue em resposta a uma lesão.

Organismos interagem entre si e com fatores físicos em seus ambientes ajudando a regular o funcionamento do ecossistema, como na fotossíntese.

Uma característica fundamental dos seres vivos é o seu uso de energia para desempenhar as atividades da vida. Durante a fotossíntese, por exemplo, a luz solar e os compostos químicos do solo e do ar são transformados em glicose pelas plantas, cuja energia química é absorvida por organismos que dela se alimentam. Quando morrem, as plantas e esses organismos são decompostos por bactérias e fungos, retornando os compostos químicos para o solo e completando o ciclo.

Matéria é tudo aquilo que tem massa e volume, ou seja, que apresenta inércia e ocupa espaço. A matéria é composta por átomos, que são as menores unidades que conservam as propriedades dos 114 elementos conhecidos, sendo que átomos de determinado elemento são diferentes dos átomos de outro elemento e, portanto, suas propriedades são diferentes. Cada elemento tem um símbolo, geralmente composto pelas primeiras letras do seu nome ou derivado do latim ou do alemão.

Átomos são compostos por partes ainda menores, denominadas partículas subatômicas. São elas os prótons (cada um confere uma carga positiva aos átomos), os nêutrons (eletricamente neutros) e os elétrons (cada um confere uma carga negativa aos átomos). Os prótons e os nêutrons se encontram empacotados firmemente em um núcleo denso, localizado no centro dos átomos. Os elétrons se movem rapidamente ao redor do núcleo. A atração entre cargas opostas mantém o átomo unido.

Átomos cujas camadas mais externas de elétrons estejam incompletas podem interagir com outros átomos a fim de completar essas camadas. Essas interações, conhecidas como ligações químicas, transformam os átomos envolvidos em moléculas ou compostos iônicos.

A ligação química mais forte é a ligação covalente, na qual os átomos compartilham elétrons. A atração de um átomo pelos elétrons compartilhados em uma ligação covalente é chamada de eletronegatividade. Ligações covalentes apolares são ligações covalentes entre dois átomos do mesmo elemento, nas quais os elétrons são compartilhados igualmente, pois os átomos têm a mesma eletronegatividade. Ligações covalentes polares são ligações covalentes entre átomos de elementos diferentes, nas quais os elétrons não são compartilhados igualmente, pois os átomos não têm a mesma eletronegatividade.

Quando um átomo de hidrogênio realiza uma ligação covalente com um átomo mais eletronegativo, o átomo de hidrogênio fica com carga positiva, o que permite que ele realize ligações de hidrogênio, ou seja, interaja com outros átomos mais eletronegativos.

Em alguns casos, as eletronegatividades de dois átomos são tão distintas que o átomo mais eletronegativo retira completamente os elétrons do seu par, o que é chamado de ligação iônica. O átomo cujos elétrons foram removidos passa a ter carga positiva e recebe o nome íon cátion. O átomo que ganhou elétrons passa a ter carga negativa e recebe o nome de íon ânion. O cloreto de sódio, principal componente do sal de cozinha, é formado por ligação iônica. O ambiente afeta a força das ligações iônicas. Se um cristal de sal for dissolvido na água, por exemplo, as ligações iônicas ficam muito mais fracas. É por isso que os medicamentos geralmente são produzidos na forma de sais, já que são estáveis quando secos, mas podem dissociar-se facilmente em água.

Nem sempre os elétrons estão igualmente distribuídos ao redor do núcleo atômico. Eles podem acumular-se aleatoriamente em determinadas partes do átomo, dando origem a regiões de carga positiva e negativa, que realizam interações de van der Waals, ou seja, aderem a outros átomos ou moléculas momentaneamente. As forças de van der Waals são fracas e ocorrem apenas quando átomos e moléculas estão muito próximos. Contudo, quando muitas interações ocorrem simultaneamente, elas se tornam poderosas. As forças de van der Waals entre as moléculas das patas das lagartixas e as moléculas da superfície da paredes permitem que as lagartixas escalem essas superfícies.

A água é essencial para a existência de vida. Nos seres humanos, por exemplo, a água está distribuída de forma heterogênea, de acordo com a atividade metabólica de cada tecido, já que essas reações químicas só ocorrem na presença dessa substância.

As moléculas de água são formadas por ligações covalentes polares, porque o oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio.

Como os átomos de hidrogênio ficam com cargas positivas, eles conseguem realizar ligações de hidrogênio com os oxigênios de outras moléculas de água próximas. Essas ligações de hidrogênio tornam a água uma substância coesa e que, por isso, apresenta alta tensão superficial, que faz ela se comportar como se estivesse revestida por uma película invisível.

A coesão da água é fundamental no transporte de água em plantas porque ajuda a manter a coluna de água dentro das células condutoras e permite que a água, ao evaporar, tracione a água líquida. Além disso, a água realiza ligações de hidrogênio com as paredes das células condutoras, o que ajuda a resistir à força da gravidade.

A água apresenta alto calor específico, ou seja, ela apresenta muita resistência a mudanças em sua temperatura. Isso ocorre porque precisa ser absorvido ou liberado muito calor para quebrar as ligações de hidrogênio existentes entre as moléculas de água. O clima no litoral é moderado, pois, durante o dia e durante o verão, a água armazena muito calor, liberando ele à noite e durante o inverno. Além disso, como os organismos são constituídos principalmente por água, são mais aptos a resistir a mudanças em sua própria temperatura.

À medida que a água é resfriada, suas moléculas tendem a se aproximar e a formar novas ligações de hidrogênio, criando muito espaço vazio entre as moléculas de água. Ao solidificar, a água conserva essa estrutura, o que torna o gelo menos denso que a água líquida e, portanto, garante que ele flutue na água líquida. Em regiões de inverno rigoroso, lagos e açudes não solidificam completamente, porque o gelo atua como isolante térmico, permitindo que os organismos aquáticos continuem vivos. Além disso, essa camada de água sólida serve como habitat para focas e ursos polares.

Substâncias polares são capazes de realizar ligações de hidrogênio com a água e, portanto, se dissolvem nela, sendo consideradas hidrofílicas. Ao misturar água e uma substância hidrofílica, as moléculas de água se reúnem ao redor dos íons em um formato conhecido como cápsula de hidratação, realizando ligações de hidrogênio com eles e, portanto, dissolvendo eles.

Substâncias apolares não são capazes de realizar ligações de hidrogênio com a água e, portanto, não se dissolvem nela, sendo consideradas hidrofóbicas.

Substâncias anfifílicas são compostas por regiões polares (hidrofílicas) e apolares (hidrofóbicas).

É experimentalmente comprovado que moléculas orgânicas (moléculas que contêm carbono) podem ser geradas espontaneamente em condições equivalentes às da Terra primitiva, o que pode ter sido a etapa inicial da origem da vida, já que átomos de carbono podem formar quatro ligações com outros átomos ou grupos de átomos, possibilitando uma vasta gama de moléculas e, consequentemente, de organismos.

Monômeros são moléculas pequenas que podem se unir através de reações de desidratação (ligações covalentes nas quais há liberação de moléculas de água) a fim de formar moléculas maiores, que são chamadas de polímeros. Polímeros podem ser novamente desmembrados em monômeros através de hidrólises (ligações covalentes nas quais há retenção de moléculas de água). A diversidade de polímeros existente se deve à vasta gama de possibilidades de combinações de monômeros. O tipo e a função de um polímero são determinados por seus monômeros e pela posição das ligações que o formam, exemplificando a correlação entre estrutura e função. Tanto as reações de desidratação quanto as hidrólises podem ser catalisadas por proteínas denominadas enzimas. A maior parte da matéria orgânica presente nos alimentos está na forma de polímeros, que são muito grandes para entrar nas células. Diversas enzimas agem sobre os alimentos durante a digestão para que os monômeros liberados possam ser usados pelos organismos na construção dos seus próprios polímeros.

Os monossacarídeos, como a glicose, a galactose e a frutose, são os monômeros do grupo dos carboidratos (hidratos de carbono ou açúcares).

Os dissacarídeos, como a sacarose, que é composta por glicose e frutose, e a lactose, que é composta por glicose e galactose, são polímeros do grupo dos carboidratos. O Reagente de Benedict é uma solução que indica a presença de glicose em um líquido e que não reage com a sacarose, embora ela seja formada por glicose e frutose, sinalizando a existência de princípios emergentes.

Assim como os dissacarídeos, os polissacarídeos também constituem os polímeros do grupo dos carboidratos. Dividem-se em polissacarídeos de armazenamento e polissacarídeos estruturais.

Ao realizar a fotossíntese, as plantas produzem glicose, cujos excedentes são armazenados para uso posterior na forma de amido, um polissacarídeo de armazenamento. Analogamente, os excedentes de glicose no sangue dos animais são transformados em glicogênio, que também é um polissacarídeo de armazenamento.

O principal componente da parede celular, do papel e do algodão é a celulose, polissacarídeo estrutural que não pode ser absorvido pelos seres humanos porque estes não possuem a enzima necessária para digeri-la. Contudo, a celulose é importante na alimentação porque estimula a secreção de muco, facilitando a passagem dos alimentos pelo trato digestório. Outro polissacarídeo estrutural é a quitina, que forma o exoesqueleto de artrópodes e linhas cirúrgicas que se decompõem com o tempo no corpo.

Os aminoácidos são os monômeros do grupo das proteínas. Cada aminoácido é formado por uma parte idêntica em todos eles e uma parte, chamada de grupo R, que os diferencia. Eles podem ser hidrofílicos ou hidrofóbicos e podem se unir através de reações de desidratação denominadas ligações peptídicas, que dão origem a um polímero chamado de polipeptídeo. Nesse polímero, as partes invariáveis dos aminoácidos passam a ser chamadas de cadeia principal e as partes variáveis (grupos R) passam a ser chamadas de cadeia lateral.

Cada polipeptídeo específico tem uma sequência linear única de aminoácidos, que constitui a estrutura primária das proteínas. Enquanto a estrutura secundária das proteínas resulta da estabilidade fornecida por ligações de hidrogênio entre certos átomos da cadeia principal do polipeptídeo, a estrutura terciária resulta da estabilidade garantida por forças de van der Waals e ligações iônicas entre as cadeias laterais, bem como ligações covalentes denominadas pontes dissulfeto entre os aminoácidos cisteínas, quando eles existem no polipeptídeo. Quando uma proteína é formada por mais de um polipeptídeo, há associações entre as subunidades desses polímeros, que compõem a estrutura quaternária. A transformação de polipeptídeos em proteínas exige que eles se organizem em uma estrutura tridimensional específica, processo que ocorre graças às interações entre os monômeros e que é auxiliado por chaperoninas, estruturas que proporcionam um ambiente adequado para os polipeptídeos recém-formados se dobrarem. Em quase todos os casos, a função das proteínas depende da sua habilidade de reconhecer e ligar-se a outra molécula. 

Alterações sutis na estrutura primária das proteínas podem causar drásticas mudanças em suas estruturas tridimensionais e funções.

A anemia falciforme é uma doença hereditária caracterizada pela substituição dos aminoácidos ácidos glutâmicos pelos aminoácidos valinas nas hemoglobinas, proteínas presentes nas hemácias do sangue do doente. Isso dá às hemácias um aspecto falciforme (formato de foice) e dificulta o transporte de oxigênio no sangue.

Alterações nas condições físicas e químicas do ambiente das proteínas (como pH, concentração de sal, temperatura, etc.) podem causar o rompimento das ligações que as estabilizam, gerando a perda de suas estruturas e, consequentemente, extinção de suas funções, processo que é conhecido como desnaturação. Quando as condições do ambiente são normalizadas, proteínas desnaturadas podem se dobrar novamente, processo que é conhecido como renaturação e que é extremamente raro. Febres excessivamente altas são fatais porque fazem com que as proteínas presentes no sangue se desnaturem.

Para realizar uma reação química entre moléculas, é necessário romper suas ligações originais, instabilidade que é obtida através do oferecimento de energia para o sistema. Esse processo geralmente ocorre naturalmente, embora seja extremamente lento. É possível induzir essa instabilidade fornecendo uma grande quantidade de calor para as moléculas. Nos sistemas biológicos, porém, altas temperaturas podem desnaturar proteínas, matar células e acelerar todas as reações, e não apenas as necessárias. Por isso, os organismos usam enzimas, que catalisam (aceleram) reações específicas, sem serem consumidas pela reação, diminuindo o investimento inicial de energia necessário para desestabilizar as moléculas.

A substância sobre a qual determinada enzima age é chamada de substrato. A especificidade das enzimas, que em sua maioria são proteínas, se deve ao fato de seus sítios ativos, que são as regiões nas quais as enzimas se ligam aos substratos, serem especificamente projetados para conectar-se determinados substratos. Durante a catálise de uma reação química, o substrato é retido no sítio ativo por ligações de hidrogênio e ligações iônicas. Enzimas se tornam mais eficientes com o aumento da temperatura porque os substratos se movem mais rapidamente e colidem com mais frequência nos sítios ativos. Contudo, proteínas enzimáticas podem sofrer desnaturação caso a mudança na temperatura seja extrema. Existem condições ambientais específicas em que a eficiência de cada enzima é máxima.

Cofatores são moléculas não proteicas que auxiliam a atividade catalítica das enzimas. Cofatores que são moléculas orgânicas são chamados de coenzimas. As vitaminas agem como coenzimas ou são usadas como matéria-prima na síntese de coenzimas. Inibidores enzimáticos são compostos químicos que inibem a ação de enzimas específicas. Inibidores competitivos imitam o formato do substrato e competem com ele pela ligação com o sítio ativo. Esse tipo de inibição pode ser superado mediante aumento da concentração de substrato. Inibidores não competitivos se ligam à enzima fora do sítio ativo, provocando mudanças no formato dela e, portanto, diminuindo a eficiência do sítio ativo. Esse tipo de inibição pode ser superado mediante aumento do número de enzimas.

Nucleotídeos são os monômeros do grupo dos ácidos nucleicos, que são os polímeros DNA (ácido desoxirribonucleico) e RNA (ácido ribonucleico). A união de uma base nitrogenada (adenina, timina, uracila, guanina ou citosina) com um carboidrato (desoxirribose no DNA e ribose no RNA) é chamada de nucleosídeo. A união do carboidrato de um nucleosídeo com um grupo fosfato é chamada de nucleotídeo. Os nucleotídeos podem se unir através de reações de desidratação, que dão origem a um polinucleotídeo. As extremidades de um polinucleotídeo são diferentes uma da outra. Refere-se a elas como extremidades 5' e 3'.

A molécula de DNA é formada por dois polinucleotídeos dispostos antiparalelamente (paralelamente e com sentidos contrários), em um formato conhecido como dupla-hélice. Os dois polinucleotídeos são unidos por ligações de hidrogênio entre os pares de bases nitrogenadas, sendo que, no DNA, adenina só se pareia com timina e guanina só se pareia com citosina.

Moléculas de RNA têm formas mais variáveis e não são necessariamente compostas por dois polinucleotídeos. Suas bases nitrogenadas podem eventualmente se parear, sendo que, no RNA, adenina só se pareia com uracila e guanina só se pareia com citosina. O pareamento pode ocorrer entre regiões de duas moléculas de RNA ou entre regiões de uma mesma molécula de RNA.

As células são as menores unidades de organização que podem desempenhar todas as atividades necessárias para a vida. Embora todas elas apresentem uma membrana que as envolve e que regula a passagem de materiais entre elas e seu ambiente circundante, as células apresentam diferenças que permitem que sejam classificadas como procariontes ou eucariontes. As células procariontes constituem organismos unicelulares como bactérias e arqueobactérias. Elas são menores que as células eucariontes e suas organelas não são envoltas por membranas. As células eucariontes constituem todas as outras formas de vida. Suas organelas são envoltas por membrana.

Dentro de todas as células há cromossomos, estruturas que contêm material genético na forma de DNA. Antes da divisão celular, o material genético da célula é duplicado para que as duas células-filhas tenham a mesma quantidade de material genético presente na célula-mãe. Todas as pessoas se originam de uma única célula cujo material genético é herdado dos pais.

Uma sequência particular de bases nitrogenadas especifica o mesmo produto em qualquer organismo e é chamada de gene. Cada gene ao longo de uma molécula de DNA comanda uma expressão gênica, ou seja, a síntese de um RNAm (ácido ribonucleico mensageiro), que indica a sequência de aminoácidos que compõem uma proteína para o ribossomo, que a produz.

Lipídeos se dividem em gorduras (triglicerídeos), fosfolipídeos e esteroides.

A união de uma molécula de glicerol com três moléculas de ácidos graxos através de uma reação de desidratação dá origem a uma gordura, molécula hidrofóbica cujas principais funções são armazenar energia de forma compacta, acondicionar órgãos vitais e promover o isolamento térmico do corpo. As células adiposas, onde a gordura é armazenada, são capazes de converter glicose em glicerol, molécula usada na formação de gorduras.

A maioria das gorduras animais, como a manteiga, é saturada, ou seja, é sólida em temperatura ambiente, pois os ácidos graxos apresentam forte compactação. A maioria das gorduras provenientes das plantas e dos peixes é insaturada, ou seja, líquida em temperatura ambiente, pois os ácidos graxos curvados não conseguem compactar-se com força suficiente para solidificarem. Hidrogenar uma gordura é converter gorduras insaturadas em saturadas de forma artificial, processo que gera acidentalmente gorduras trans.

Fosfolipídeos são moléculas anfifílicas cujas cabeças são hidrofílicas e caudas são hidrofóbicas. Essas moléculas podem se arranjar em bicamadas, sendo o principal constituinte das membranas celulares. As cabeças hidrofílicas se encontram na face externa da bicamada, em contato com soluções aquosas no interior e exterior da célula. As caudas hidrofóbicas estão voltadas para o interior da bicamada, formando uma barreira entre a célula e o ambiente externo.

O colesterol é um esteroide produzido pelo corpo e obtido na alimentação a partir do qual os hormônios sexuais de vertebrados são produzidos. Para ser transportado no sangue, se organiza em micelas, que são esferas formadas por fosfolipídeos. Pode se conduzir na forma de HDL (lipoproteína de alta densidade), que é densa e tem boa movimentação, como também pode se conduzir na forma de LDL, que é pouco denso e é lento, se acumulando nos vasos sanguíneos e causando doenças cardiovasculares como aterosclerose. Gorduras trans exercem efeitos negativos na saúde pois aumentam os níveis de LDL no sangue.