Bioquímica

O que são moléculas – De que são feitas

O que são moléculas – De que são feitas
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 Em seu nível mais fundamental, a vida é composta de matéria. A matéria ocupa espaço e tem massa. Toda matéria é composta de elementos , substâncias que não podem ser quebradas ou transformadas quimicamente em outras substâncias. Cada elemento é feito de átomos, cada um com um número constante de prótons e propriedades únicas. Um total de 118 elementos foram definidos; no entanto, apenas 92 ocorrem naturalmente e menos de 30 são encontrados em células vivas. Os restantes 26 elementos são instáveis ​​e, portanto, não existem por muito tempo ou são teóricos e ainda não foram detectados.

Cada elemento é designado por seu símbolo químico (como H, N, O, C e Na) e possui propriedades exclusivas. Essas propriedades únicas permitem que os elementos se combinem e se liguem uns aos outros de maneiras específicas.

Átomos

Um átomo é o menor componente de um elemento que retém todas as propriedades químicas desse elemento. Por exemplo, um átomo de hidrogênio tem todas as propriedades do elemento hidrogênio, tal como existe como um gás à temperatura ambiente, e se liga ao oxigênio para criar uma molécula de água. Os átomos de hidrogênio não podem ser decompostos em nada menor, mantendo as propriedades do hidrogênio. Se um átomo de hidrogênio fosse decomposto em partículas subatômicas, não teria mais as propriedades do hidrogênio.

No nível mais básico, todos os organismos são feitos de uma combinação de elementos. Eles contêm átomos que se combinam para formar moléculas. Em organismos multicelulares, como os animais, as moléculas podem interagir para formar células que se combinam para formar tecidos, que formam os órgãos. Essas combinações continuam até que organismos multicelulares inteiros sejam formados.

Todos os átomos contêm prótons, elétrons e nêutrons ( Figura ). A única exceção é o hidrogênio (H), que é feito de um próton e um elétron. Um próton é uma partícula carregada positivamente que reside no núcleo (o núcleo do átomo) de um átomo e tem uma massa de 1 e uma carga de +1. Um elétron é uma partícula carregada negativamente que viaja no espaço ao redor do núcleo. Em outras palavras, ele reside fora do núcleo. Tem uma massa desprezível e tem uma carga de –1.

Ilustração de um átomo mostrando dois nêutrons e dois prótons no centro, com um círculo rotulado como o núcleo ao redor deles. Outro círculo mostra uma órbita com dois elétrons fora do núcleo
Os átomos são compostos de prótons e nêutrons localizados dentro do núcleo e elétrons ao redor do núcleo.

Os nêutrons , como os prótons, residem no núcleo de um átomo. Eles têm uma massa de 1 e sem custo. As cargas positivas (prótons) e negativas (elétrons) se equilibram em um átomo neutro, que tem uma carga líquida nula.

Como cada um dos prótons e nêutrons tem uma massa de 1, a massa de um átomo é igual ao número de prótons e nêutrons desse átomo. O número de elétrons não leva em consideração a massa total, porque sua massa é muito pequena.

Como afirmado anteriormente, cada elemento tem suas próprias propriedades exclusivas. Cada um contém um número diferente de prótons e nêutrons, dando a ele seu próprio número atômico e número de massa. O número atômico de um elemento é igual ao número de prótons que o elemento contém. O número de massa , ou massa atômica, é o número de prótons mais o número de nêutrons desse elemento. Portanto, é possível determinar o número de nêutrons subtraindo o número atômico do número de massa.

Esses números fornecem informações sobre os elementos e como eles reagirão quando combinados. Diferentes elementos têm diferentes pontos de fusão e ebulição, e estão em diferentes estados (líquido, sólido ou gás) à temperatura ambiente. Eles também se combinam de maneiras diferentes. Alguns formam tipos específicos de títulos, enquanto outros não.

Como eles se combinam é baseado no número de elétrons presentes. Por causa dessas características, os elementos são organizados na tabela periódica de elementos , um gráfico dos elementos que inclui o número atômico e a massa atômica relativa de cada elemento.

A tabela periódica também fornece informações importantes sobre as propriedades dos elementos geralmente indicado por código de cores. O arranjo da tabela também mostra como os elétrons em cada elemento são organizados e fornece detalhes importantes sobre como os átomos reagirão uns com os outros para formar moléculas.

Os isótopos são formas diferentes do mesmo elemento que possuem o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons. Alguns elementos, como carbono, potássio e urânio, possuem isótopos naturais. O carbono-12, o isótopo mais comum do carbono, contém seis prótons e seis nêutrons.

Portanto, tem um número de massa de 12 (seis prótons e seis nêutrons) e um número atômico de 6 (o que o torna carbono). Carbono 14 contém seis prótons e oito nêutrons. Portanto, tem um número de massa de 14 (seis prótons e oito nêutrons) e um número atômico de 6, o que significa que ainda é o elemento carbono. Essas duas formas alternativas de carbono são isótopos. Alguns isótopos são instáveis ​​e perdem prótons, outras partículas subatômicas ou energia para formar elementos mais estáveis. Estes são chamados isótopos radioativos ou radioisótopos.

CONEXÃO VISUAL
Tabela Periódica dos Elementos.
Organizada em colunas e linhas com base nas características dos elementos, a tabela periódica fornece informações importantes sobre os elementos e como eles podem interagir uns com os outros para formar moléculas. A maioria das tabelas periódicas fornece uma chave ou legenda às informações que elas contêm.

Quantos nêutrons o (K) potássio-39 e o potássio-40 possuem, respectivamente?

EVOLUÇÃO EM AÇÃO

Datação porCarbono O carbono-14 ( 14 C) é um radioisótopo natural que é criado na atmosfera por raios cósmicos. Este é um processo contínuo, então mais 14 C está sempre sendo criado. À medida que um organismo vivo se desenvolve, o nível relativo de 14 C em seu corpo é igual à concentração de 14 C na atmosfera. Quando um organismo morre, ele não está mais ingerindo 14 C, então a proporção diminuirá. 14 C decai para 14 N por um processo chamado decaimento beta; Ele libera energia nesse processo lento.

Após aproximadamente 5.730 anos, apenas metade da concentração inicial de 14 C terá sido convertida em 14 N. O tempo que leva para que metade da concentração original de um isótopo decaia para sua forma mais estável é chamado de meia-vida.

Como a meia-vida de 14 C é longa, é usada para envelhecer objetos anteriormente vivos, como os fósseis. Usando a razão entre a concentração de 14 C encontrada em um objeto e a quantidade de 14 C detectada na atmosfera, a quantidade do isótopo que ainda não decaiu pode ser determinada. Com base nessa quantidade, a idade do fóssil pode ser calculada em cerca de 50.000 anos ( Figura). Isótopos com meia-vida mais longa, como o potássio-40, são usados ​​para calcular as idades dos fósseis mais antigos. Através do uso de datação por carbono, os cientistas podem reconstruir a ecologia e a biogeografia de organismos que vivem nos últimos 50.000 anos.

A fotografia mostra cientistas cavando fósseis de esqueleto de mamute pigmeu do chão.
A idade dos restos que contêm carbono e têm menos de 50.000 anos de idade, como este mamute pigmeu, pode ser determinada usando datação por carbono. (crédito: Bill Faulkner / NPS)

Ligações químicas

Como os elementos interagem uns com os outros depende de como seus elétrons estão dispostos e quantas aberturas de elétrons existem na região mais externa, onde os elétrons estão presentes em um átomo. Elétrons existem em níveis de energia que formam conchas ao redor do núcleo.

A casca mais próxima pode conter até dois elétrons. A concha mais próxima do núcleo é sempre preenchida primeiro, antes que qualquer outra casca possa ser preenchida. O hidrogênio tem um elétron; portanto, ele tem apenas um ponto ocupado na casca mais baixa. O hélio tem dois elétrons; portanto, ele pode preencher completamente a camada mais baixa com seus dois elétrons. Se você olhar para a tabela periódica, verá que o hidrogênio e o hélio são os únicos dois elementos da primeira linha. Isso é porque eles só têm elétrons em sua primeira casca.

O segundo e terceiro níveis de energia podem conter até oito elétrons. Os oito elétrons estão dispostos em quatro pares e uma posição em cada par é preenchida com um elétron antes que os pares sejam completados.

Olhando para a tabela periódica novamente ( Figura), você notará que existem sete linhas. Essas linhas correspondem ao número de shells que os elementos dentro dessa linha possuem. Os elementos dentro de uma linha particular têm um número crescente de elétrons conforme as colunas procedem da esquerda para a direita.

Embora cada elemento tenha o mesmo número de conchas, nem todas as conchas estão completamente preenchidas com elétrons. Se você observar a segunda linha da tabela periódica, encontrará lítio (Li), berílio (Be), boro (B), carbono (C), nitrogênio (N), oxigênio (O), flúor (F), e neon (Ne). Todos eles têm elétrons que ocupam apenas a primeira e a segunda concha. O lítio tem apenas um elétron em sua camada mais externa, o berílio tem dois elétrons, o boro tem três, e assim por diante, até que todo o invólucro esteja cheio de oito elétrons, como é o caso do neon.

Nem todos os elementos têm elétrons suficientes para preencher suas camadas mais externas, mas um átomo é mais estável quando todas as posições de elétrons na camada mais externa são preenchidas. Devido a essas vagas nas camadas mais externas, vemos a formação de ligações químicas , ou interações entre dois ou mais elementos iguais ou diferentes que resultam na formação de moléculas.

Para alcançar maior estabilidade, os átomos tenderão a preencher completamente suas camadas externas e se unirão a outros elementos para atingir esse objetivo compartilhando elétrons, aceitando elétrons de outro átomo ou doando elétrons para outro átomo. Como as camadas mais externas dos elementos com números atômicos baixos (até cálcio, com número atômico 20) podem conter oito elétrons, isso é chamado de regra do octeto. Um elemento pode doar, aceitar ou compartilhar elétrons com outros elementos para preencher sua camada externa e satisfazer a regra do octeto.

Quando um átomo não contém números iguais de prótons e elétrons, ele é chamado de íon . Como o número de elétrons não é igual ao número de prótons, cada íon tem uma carga líquida. Íons positivos são formados pela perda de elétrons e são chamados de cátions . Íons negativos são formados pelo ganho de elétrons e são chamados de ânions .

Por exemplo, o sódio tem apenas um elétron em sua camada mais externa. É preciso menos energia para o sódio doar esse elétron do que aceitar mais sete elétrons para preencher a camada externa. Se o sódio perde um elétron, ele agora tem 11 prótons e apenas 10 elétrons, deixando-o com uma carga geral de +1. Agora é chamado de íon sódio.

O átomo de cloro tem sete elétrons em sua camada externa. Novamente, é mais eficiente em termos energéticos para o cloro ganhar um elétron do que perder sete. Portanto, ele tende a ganhar um elétron para criar um íon com 17 prótons e 18 elétrons, resultando em uma carga líquida negativa (–1). Agora é chamado de íon cloreto. Esse movimento de elétrons de um elemento para outro é chamado de transferência de elétrons .

Como figurailustra, um átomo de sódio (Na) só tem um elétron em sua camada mais externa, enquanto um átomo de cloro (Cl) tem sete elétrons em sua camada mais externa. Um átomo de sódio doará seu único elétron para esvaziar sua casca, e um átomo de cloro aceitará esse elétron para encher sua casca, tornando-se cloreto. Ambos os íons agora satisfazem a regra do octeto e possuem shells mais externos. Como o número de elétrons não é mais igual ao número de prótons, cada um é agora um íon e tem uma carga de +1 (sódio) ou -1 (cloreto).

 O diagrama mostra a transferência de elétrons entre os elementos.
Elementos tendem a preencher suas camadas mais externas com elétrons. Para fazer isso, eles podem doar ou aceitar elétrons de outros elementos.

Ligações ionicas

Existem quatro tipos de ligações ou interações: interações iônicas, covalentes, ligações de hidrogênio e van der Waals. As ligações iônicas e covalentes são interações fortes que exigem uma maior entrada de energia para se desfazer. Quando um elemento doa um elétron de sua casca externa, como no exemplo do átomo de sódio acima, um íon positivo é formado.

O elemento que aceita o elétron agora está carregado negativamente. Como as cargas positivas e negativas se atraem, esses íons permanecem juntos e formam uma ligação iônica ou uma ligação entre os íons. Os elementos se unem com o elétron de um elemento, permanecendo predominantemente com o outro elemento. Quando Na + e Cl  os íons se combinam para produzir NaCl, um elétron de um átomo de sódio fica com os outros sete do átomo de cloro, e os íons sódio e cloreto se atraem em uma rede de íons com uma carga nula.

Obrigações Covalentes

Outro tipo de ligação química forte entre dois ou mais átomos é uma ligação covalente . Essas ligações se formam quando um elétron é compartilhado entre dois elementos e são a forma mais forte e mais comum de ligação química nos organismos vivos. As ligações covalentes formam-se entre os elementos que compõem as moléculas biológicas nas nossas células. Ao contrário das ligações iônicas, as ligações covalentes não se dissociam na água.

Os átomos de hidrogênio e oxigênio que se combinam para formar moléculas de água são ligados por ligações covalentes. O elétron do átomo de hidrogênio divide seu tempo entre a camada externa do átomo de hidrogênio e a camada externa incompleta do átomo de oxigênio.

Para preencher completamente a camada externa de um átomo de oxigênio, dois elétrons de dois átomos de hidrogênio são necessários, daí o subscrito “2” em H 2 O. Os elétrons são compartilhados entre os átomos, dividindo seu tempo entre eles para “preencher” o concha de cada um. Esse compartilhamento é um estado de energia mais baixo para todos os átomos envolvidos do que se eles existissem sem suas camadas externas preenchidas.

Existem dois tipos de ligações covalentes: polares e não polares. As ligações covalentes não polares formam-se entre dois átomos do mesmo elemento ou entre diferentes elementos que compartilham os elétrons igualmente. Por exemplo, um átomo de oxigênio pode se ligar a outro átomo de oxigênio para preencher suas camadas externas.

Essa associação é apolar porque os elétrons serão igualmente distribuídos entre cada átomo de oxigênio. Duas ligações covalentes se formam entre os dois átomos de oxigênio porque o oxigênio requer dois elétrons compartilhados para preencher sua camada mais externa. Os átomos de nitrogênio formarão três ligações covalentes (também chamadas de tripla covalente) entre dois átomos de nitrogênio, porque cada átomo de nitrogênio precisa de três elétrons para preencher sua camada externa.

Outro exemplo de uma ligação covalente não polar é encontrado no metano (CH 4) molécula. O átomo de carbono tem quatro elétrons em sua camada mais externa e precisa de mais quatro para preenchê-lo. Obtém esses quatro de quatro átomos de hidrogênio, cada átomo fornecendo um. Todos esses elementos compartilham os elétrons igualmente, criando quatro ligações covalentes não polares ( Figura ).

Em uma ligação polar covalente , os elétrons compartilhados pelos átomos passam mais tempo perto de um núcleo do que do outro núcleo. Devido à distribuição desigual de elétrons entre os diferentes núcleos, uma carga ligeiramente positiva (δ +) ou ligeiramente negativa (δ–) se desenvolve. As ligações covalentes entre os átomos de hidrogênio e oxigênio na água são ligações covalentes polares. Os elétrons compartilhados passam mais tempo perto do núcleo de oxigênio, dando-lhe uma pequena carga negativa, do que eles gastam perto dos núcleos de hidrogênio, dando a essas moléculas uma pequena carga positiva.

Diagrama representando ligações covalentes polares e não polares
A molécula de água (esquerda) mostra uma ligação polar com uma carga ligeiramente positiva nos átomos de hidrogênio e uma carga ligeiramente negativa no oxigênio. Exemplos de ligações não polares incluem metano (meio) e oxigênio (direita).

Ligações de hidrogênio

As ligações iônicas e covalentes são fortes ligações que requerem energia considerável para quebrar. No entanto, nem todas as ligações entre os elementos são ligações iônicas ou covalentes. Ligações mais fracas também podem se formar. Essas são atrações que ocorrem entre cargas positivas e negativas que não exigem muita energia para quebrar. Duas ligações fracas que ocorrem com frequência são ligações de hidrogênio e interações de van der Waals. Essas ligações dão origem às propriedades únicas da água e às estruturas únicas do DNA e das proteínas.

Quando as ligações covalentes polares contendo um átomo de hidrogênio se formam, o átomo de hidrogênio nessa ligação tem uma carga levemente positiva. Isso ocorre porque o elétron compartilhado é puxado mais fortemente em direção ao outro elemento e longe do núcleo de hidrogênio.

Como o átomo de hidrogênio é ligeiramente positivo (δ +), ele será atraído por cargas parciais negativas vizinhas (δ–). Quando isso acontece, ocorre uma interação fraca entre a carga δ + do átomo de hidrogênio de uma molécula e a carga δ da outra molécula. Essa interação é chamada de ligação de hidrogênio . Esse tipo de vínculo é comum; por exemplo, a natureza líquida da água é causada pelas ligações de hidrogênio entre as moléculas de água ( Figura). As ligações de hidrogênio dão à água as propriedades únicas que sustentam a vida. Se não fosse pela ligação de hidrogênio, a água seria um gás em vez de um líquido à temperatura ambiente.

Diagrama mostrando ligações de hidrogênio formadas entre moléculas de água adjacentes.
As ligações de hidrogénio formam-se entre cargas ligeiramente positivas ( δ +) e ligeiramente negativas ( δ -) de moléculas polares covalentes, como a água.

As ligações de hidrogênio podem se formar entre diferentes moléculas e nem sempre precisam incluir uma molécula de água. Átomos de hidrogênio em ligações polares dentro de qualquer molécula podem formar ligações com outras moléculas adjacentes. Por exemplo, as ligações de hidrogênio mantêm juntas duas longas cadeias de DNA para dar à molécula de DNA sua característica estrutura de cadeia dupla. As ligações de hidrogênio também são responsáveis ​​por algumas das estruturas tridimensionais das proteínas.

Interações de van der Waals

Como as ligações de hidrogênio, as interações de van der Waals são atrações fracas ou interações entre moléculas. Eles ocorrem entre átomos polares, covalentemente ligados, em diferentes moléculas. Algumas dessas atrações fracas são causadas por cargas parciais temporárias formadas quando os elétrons se movem em torno de um núcleo. Essas interações fracas entre as moléculas são importantes nos sistemas biológicos.

Você ou alguém que você conhece já fez uma ressonância magnética (MRI), uma mamografia ou um raio X? Estes testes produzem imagens de seus tecidos moles e órgãos (como uma ressonância magnética ou mamografia) ou seus ossos (como acontece em um raio X) usando ondas de rádio ou isótopos especiais (rotulados radioativamente ou fluorescentemente) que são ingeridos ou injetados no corpo.
Esses testes fornecem dados para diagnósticos de doenças, criando imagens de seus órgãos ou sistema esquelético.A imagiologia por ressonância magnética funciona submetendo núcleos de hidrogénio, abundantes na água dos tecidos moles, a campos magnéticos flutuantes, que os levam a emitir o seu próprio campo magnético. Este sinal é então lido por sensores na máquina e interpretado por um computador para formar uma imagem detalhada.
Alguns técnicos e técnicos em radiografias são especializados em tomografia computadorizada, ressonância magnética e mamografia. Eles produzem filmes ou imagens do corpo que ajudam os profissionais médicos a examinar e diagnosticar. Os radiologistas trabalham diretamente com os pacientes, explicando o maquinário, preparando-os para os exames e garantindo que seu corpo ou partes do corpo estejam posicionados corretamente para produzir as imagens necessárias.
Médicos ou radiologistas analisam os resultados do teste. Técnicos de radiografia podem trabalhar em hospitais, consultórios médicos ou centros de imagem especializados. Treinamento para se tornar um técnico de radiografia acontece em hospitais, faculdades e universidades que oferecem certificados, graus de associado ou bacharelado em radiografia.

Resumo da seção

A matéria é qualquer coisa que ocupa espaço e tem massa. É composto de átomos de diferentes elementos. Todos os 92 elementos que ocorrem naturalmente têm qualidades únicas que lhes permitem combinar de várias maneiras para criar compostos ou moléculas. Átomos, que consistem em prótons, nêutrons e elétrons, são as menores unidades de um elemento que retêm todas as propriedades desse elemento. Os elétrons podem ser doados ou compartilhados entre átomos para criar ligações, incluindo ligações iônicas, covalentes e de hidrogênio, bem como interações de Van der Waals.

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