Biologia I: Células e Genética › A química da vida · aula de amostra
Aperte qualquer ser vivo — uma folha, uma água-viva, seu próprio polegar — e você estará, na maior parte, apertando água. Um corpo humano é cerca de 60% água em massa, e uma célula é essencialmente uma gotícula agitada na qual acontece cada reação da vida. A biologia, em seu nível mais fundamental, é química que acontece na água. Para entender células e genes, precisamos começar pelos átomos que as constituem e pela notável molécula que os abriga a todos.
Toda a matéria é constituída por átomos, e os seres vivos utilizam uma lista surpreendentemente curta de elementos. Apenas quatro — carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio — compõem cerca de 96% da massa de qualquer organismo, com fósforo e enxofre completando o essencial, um conjunto que os biólogos memorizam pela sigla CHNOPS. O que um átomo faz quimicamente depende de seus elétrons, sobretudo os da camada mais externa. Os átomos são mais estáveis com uma camada externa completa, e alcançam essa estabilidade formando ligações.
Dois tipos de ligação importam desde já. Em uma ligação covalente, dois átomos compartilham um par de elétrons; esse é o vínculo forte e estável que mantém unidas as moléculas biológicas. Em uma ligação iônica, um átomo transfere um elétron para outro, e os íons resultantes, com cargas opostas, se atraem. Quando o compartilhamento covalente é desigual — um átomo puxando com mais força os elétrons compartilhados —, a ligação é polar, deixando uma extremidade levemente negativa e a outra levemente positiva. Esse pequeno desequilíbrio acaba importando enormemente.
Uma molécula de água é um único átomo de oxigênio ligado covalentemente a dois hidrogênios, dobrada em um amplo V. O oxigênio monopoliza os elétrons compartilhados, de modo que sua extremidade carrega uma carga parcialmente negativa e as extremidades de hidrogênio carregam cargas parcialmente positivas. A água é, portanto, polar, e a região positiva de uma molécula de água é atraída pela região negativa da molécula vizinha. Essa atração fraca é a ligação de hidrogênio. Qualquer ligação de hidrogênio isolada se rompe facilmente, mas, na água líquida, cada molécula está ligada por hidrogênio a várias vizinhas ao mesmo tempo, e essa rede que se refaz o tempo todo é que dá à água seu comportamento extraordinário.
Coesão e tensão superficial. As moléculas de água se atraem umas às outras, permitindo que a água suba das raízes de uma árvore até suas folhas mais altas, além de formar uma película superficial firme o bastante para um inseto aquático caminhar sobre ela.
Estabilidade térmica. Romper ligações de hidrogênio absorve calor, de modo que a água resiste a variações bruscas de temperatura, amortecendo tanto células quanto oceanos contra mudanças repentinas.
O gelo flutua. No gelo sólido, as ligações de hidrogênio prendem as moléculas em uma rede aberta menos densa do que a água líquida, de modo que o gelo flutua e isola a água abaixo dele — e é por isso que a vida sobrevive sob um lago congelado.
O solvente universal. A água polar envolve e dissolve outras substâncias polares e carregadas, chamadas hidrofílicas (que adoram água), enquanto substâncias apolares, como os óleos, são excluídas — as chamadas hidrofóbicas (que temem água). Essa divisão simples organiza, mais adiante, toda membrana celular.
Ocasionalmente, uma molécula de água se divide em um íon hidrogênio e um íon hidroxila. A concentração de íons hidrogênio determina o pH de uma solução, uma escala de 0 a 14: pH baixo é ácido (muitos íons hidrogênio), pH alto é básico (poucos), e a água pura fica neutra em 7. A escala é logarítmica, de modo que cada unidade representa uma mudança de dez vezes. Os sistemas vivos são extremamente sensíveis ao pH — a maioria das células humanas funciona perto de 7.4 — e dependem de tampões que absorvem ou liberam íons hidrogênio para manter o pH estável. Uma variação de apenas algumas décimas no pH do sangue pode ser fatal.
Todo tópico posterior deste curso se apoia nessa química. As proteínas se dobram porque algumas regiões são hidrofílicas e outras hidrofóbicas; as membranas existem porque os lipídios fogem da água; as duas fitas do DNA são mantidas unidas por ligações de hidrogênio suaves o bastante para se desfazerem na hora da cópia. Domine a molécula polar da água e suas ligações de hidrogênio inconstantes, e as moléculas da vida deixam de ser uma lista para decorar e passam a ser uma história que faz sentido.
Currículo alinhado a Biology 2e da OpenStax; todo o texto das lições é original do Syllabus.
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