Bioelementos e biomoléculas inorgânicas · Biologia 1ª série

Bioelementos: primários, secundários e oligoelementos

Se você queimar uma amostra de tecido vegetal ou animal no laboratório, quase toda a massa desaparece na forma de gases e sobra apenas uma pequena porção de cinzas. Que elementos formavam a parte que queimou e quais compõem as cinzas?

Três grupos, segundo a abundância

Os primários e os secundários são chamados de macronutrientes (ou macroelementos), e os oligoelementos, de micronutrientes.

Primários ($\text{C, H, O, N, P, S}$, o CHONPS): formam praticamente todas as biomoléculas orgânicas. Somam cerca de 98% da massa de um ser vivo, e cada um deles representa, em regra, mais de 0,1% (o C, o H, o O e o N, sozinhos, cerca de 96%: C ≈ 18%, H ≈ 10%, O ≈ 65% e N ≈ 3% no corpo humano, valores aproximados).
Secundários (por exemplo $\text{Ca, Na, K, Cl, Mg}$): aparecem em proporções menores (em regra entre 0,1% e 2%, e cada um abaixo dos primários), mas são essenciais: formam estruturas como o osso ou participam da transmissão do impulso nervoso.
Oligoelementos (micronutrientes; por exemplo $\text{Fe, Zn, Cu, I, Mn}$): presentes em quantidades mínimas (traços, menos de 0,1%). Costumam fazer parte de enzimas ou de moléculas muito específicas, e a sua falta pode ter consequências desproporcionais à pequena quantidade de que o organismo precisa (anemia por falta de ferro, bócio por falta de iodo, osteoporose por falta de cálcio; por isso o sal de cozinha no Brasil é iodado).

Por quê? O C, o H, o O e o N têm massas atômicas muito baixas e camadas eletrônicas externas incompletas. Por isso compartilham pares de elétrons e formam ligações covalentes fortes e duradouras.

Pratica★☆☆

Explique a diferença entre bioelementos primários, secundários e oligoelementos, e dê um exemplo concreto de cada um dos três grupos.

Resolver

Pratica★☆☆

Observe o gráfico de barras da abundância dos principais bioelementos na matéria viva. Indique a que grupo de bioelementos pertencem os quatro elementos mais abundantes,…

Observe o gráfico de barras da abundância dos principais bioelementos na matéria viva. Indique a que grupo de bioelementos pertencem os quatro elementos mais abundantes, que porcentagem da matéria viva representam aproximadamente em conjunto e por que razão são considerados indispensáveis para formar biomoléculas.

Você pode fazer isso no papel e enviar uma foto com a sua resposta.

Resolver

A água: uma molécula polar unida por pontes de hidrogênio

Por que o gelo flutua

Ao congelar, as moléculas de água se organizam em uma rede cristalina aberta, em que cada molécula mantém as suas quatro pontes de hidrogênio a uma distância fixa.

Essa rede ordenada ocupa mais volume do que a água líquida, onde as moléculas se movem e ficam um pouco mais juntas. Para a mesma massa, o gelo tem menor densidade do que a água líquida: por isso flutua.

A consequência ecológica é enorme: uma camada de gelo flutuante isola do frio exterior a água líquida que está por baixo, e a vida aquática sobrevive ao inverno sob a superfície congelada de lagos e mares polares (como em lagos de regiões frias, bem diferentes do clima da maior parte do Brasil).

Por que essa anomalia na densidade do gelo permite a sobrevivência dos organismos aquáticos durante o inverno?

Ver resposta

O gelo flutua e forma uma camada superficial isolante que protege a água líquida abaixo do frio exterior, permitindo que a vida continue, perto de $4\ ^\circ\mathrm{C}$, no fundo de rios e lagos.

A densidade máxima da água a 4 °C

A água líquida atinge a sua densidade máxima a $4\ ^\circ\mathrm{C}$ ($1{,}000\ \text{g/cm}^3$). Dois efeitos opõem-se:

Acima de 4 °C: a agitação térmica aumenta, as moléculas afastam-se e a água ocupa mais volume, por isso a densidade diminui, como na maioria dos líquidos.
Abaixo de 4 °C: as pontes de hidrogênio começam a organizar as moléculas em agrupamentos de estrutura aberta, e o volume volta a aumentar. Ao congelar a $0\ ^\circ\mathrm{C}$ forma-se a rede cristalina aberta e a densidade cai para $0{,}917\ \text{g/cm}^3$.

Por quê? Perto de 4 °C o efeito da agitação térmica e o da formação de pontes de hidrogênio se equilibram, e é aí que as moléculas ficam mais próximas. Por isso, no inverno, a água a 4 °C, mais densa, afunda e fica no fundo de lagos e rios, enquanto a água mais fria e o gelo ficam na superfície.

Pratica★☆☆

Indique duas funções da água nos seres vivos que sejam consequência direta de sua polaridade e explique brevemente cada uma delas.

Resolver

Pratica★★★

Ao contrário de quase todos os líquidos, cuja densidade aumenta de forma contínua à medida que esfriam até solidificar, a água atinge a sua densidade máxima a 4 °C…

Ao contrário de quase todos os líquidos, cuja densidade aumenta de forma contínua à medida que esfriam até solidificar, a água atinge a sua densidade máxima a 4 °C (1,000 g/cm³) e diminui para 0,917 g/cm³ ao congelar a 0 °C.

a) Explique a causa molecular dessa anomalia térmica da água, descrevendo como se reorganizam as ligações por pontes de hidrogênio na transição de água líquida para gelo.
b) Imagine um cenário hipotético em que a água não apresentasse essa anomalia e o gelo fosse mais denso do que a água líquida. Preveja de forma fundamentada a evolução térmica e física que um lago de montanha de 20 m de profundidade experimentaria durante um inverno com temperaturas de -10 °C, e justifique como isso afetaria a sobrevivência dos organismos aquáticos bentônicos e nectônicos.

Resolver

Propriedades da água e funções biológicas

Da estrutura à função

As pontes de hidrogênio explicam quase todas as propriedades da água com interesse biológico:

Elevado calor específico (capacidade térmica): é preciso muita energia para aumentar a sua temperatura, porque primeiro é necessário romper pontes de hidrogênio. Isso estabiliza a temperatura interna dos organismos e dos grandes ecossistemas aquáticos diante de mudanças bruscas.
Elevado calor de vaporização: evaporar água (por exemplo, o suor) absorve muita energia do meio, um mecanismo eficaz de termorregulação.
Coesão, adesão e tensão superficial: as moléculas se atraem com força, o que permite a subida da água por capilaridade nos vasos condutores das plantas.
Poder solvente: a sua polaridade permite que ela envolva e separe íons e moléculas polares, e por isso é o meio onde ocorrem as reações do metabolismo.

Pratica★★☆

Relacione a elevada capacidade térmica da água com a termorregulação dos organismos e dê um exemplo que ilustre essa função em um ser vivo concreto.

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Os sais minerais: dissolvidos e precipitados

Pratica★★☆

Uma célula acumula íons $\text{K}^+$ no seu interior e mantém íons $\text{Na}^+$ no exterior. Explique sob que forma se encontram estes sais minerais no meio celular…

Uma célula acumula íons $\text{K}^+$ no seu interior e mantém íons $\text{Na}^+$ no exterior. Explique sob que forma se encontram estes sais minerais no meio celular (dissolvidos ou precipitados) e indique duas funções que podem desempenhar.

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Pratica★★☆

O esqueleto humano contém sais de cálcio na forma precipitada. Dê o nome de um sal mineral específico que o constitua e explique que vantagem traz o fato de estar…

O esqueleto humano contém sais de cálcio na forma precipitada. Dê o nome de um sal mineral específico que o constitua e explique que vantagem traz o fato de estar precipitado em vez de dissolvido.

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Sistemas tampão e estabilidade do pH

Se você colocar um mililitro de ácido clorídrico em um litro de água pura, o pH cai de 7 para 3. Se juntar essa mesma quantidade ao plasma sanguíneo, o pH quase não varia. Como os fluidos biológicos evitam mudanças bruscas de acidez?

Um tampão combina uma espécie capaz de captar $\text{H}^+$ com a sua forma protonada, que pode cedê-los. Ele amortece variações de pH, mas tem capacidade limitada. Destacam-se o sistema bicarbonato no meio extracelular e o fosfato no meio intracelular.

$$\mathrm{H_2PO_4^-\rightleftharpoons H^++HPO_4^{2-}}$$

Consequência para a célula

Se a acidez aumentar, o fosfato $\mathrm{HPO_4^{2-}}$ capta $\text{H}^+$ e se transforma em $\mathrm{H_2PO_4^-}$. Assim a variação do pH diminui, embora sem garantir um valor exatamente constante.

Grandes variações de pH alteram a ionização de grupos das proteínas, as suas interações e a atividade de muitas enzimas. A regulação do pH liga, portanto, os sais, a estrutura das biomoléculas e o funcionamento da célula.

Que consequência sofreria uma enzima do citosol se a capacidade desse tampão se esgotasse por um aumento excessivo de prótons?

Ver resposta

O excesso de prótons alteraria o estado de ionização dos seus aminoácidos, rompendo as ligações que mantêm a conformação tridimensional nativa e provocando a desnaturação e a inativação da enzima.

Voltando ao início: o C, o H, o O e o N foram favorecidos porque têm massas atômicas baixas e átomos pequenos, o que lhes permite compartilhar elétrons e formar ligações covalentes estáveis e variadas, ideais para construir biomoléculas complexas.

Vamos praticar! 3 exercícios de nível médio neste tema

★★☆ Uma célula acumula íons $\text{K}^+$ no seu interior e mantém íons $\text{Na}^+$ no…★★☆ Relacione a elevada capacidade térmica da água com a termorregulação dos organismos e dê…

Em resumo

Vamos praticar! 3 exercícios de nível médio neste tema

★★☆ Uma célula acumula íons $\text{K}^+$ no seu interior e mantém íons $\text{Na}^+$ no…★★☆ Relacione a elevada capacidade térmica da água com a termorregulação dos organismos e dê…★★☆ O esqueleto humano contém sais de cálcio na forma precipitada. Dê o nome de um sal…

Vamos praticar! 1 exercícios de nível difícil neste tema

★★★ Ao contrário de quase todos os líquidos, cuja densidade aumenta de forma contínua à…