Polímeros são substâncias cujas moléculas formam várias unidades estruturais simples. Quando ocorrem em organismos vivos eles são denominados de Biopolímeros. Os seus principais tipos, caracterizando Nanosistemas formados por moléculas biológicas, são as proteínas, os ácidos nucleicos e os polissacarídeos.
a) Descreva sucintamente cada tipo de nanosistema biológico citado acima.
b) Quais são os amino-ácidos encontrados na natureza e como eles explicam o código genético.
c) Como se determina a energia de ligação destes compostos quando isolados (configuração de equilíbrio) ou associados a outros sistemas (nanocristais, nanotubos de carbono etc.)?

Passo 1

O enunciado pede três coisas sobre biopolímeros (proteínas, ácidos nucleicos e polissacarídeos):
  • (a) Descrever sucintamente cada um desses nanosistemas biológicos.
  • (b) Listar os aminoácidos encontrados na natureza e explicar como eles se relacionam ao código genético.
  • (c) Explicar como se determina a energia de ligação desses compostos, isolados ou associados a outros sistemas (por ex., nanocristais ou nanotubos de carbono).
Para resolver vamos aplicar conhecimentos de bioquímica (estrutura e função de macromoléculas, genética molecular) e de química teórica/experimental (métodos de cálculo de energia e técnicas calorimétricas e espectroscópicas).

Passo 2

(a) Descrição dos nanosistemas biológicos:
Proteínas
• São polímeros de aminoácidos ligados por ligações peptídicas (–CONH–).
• Estrutura primária: sequência de aminoácidos; secundária: α-hélice e folhas-β estabilizadas por pontes de hidrogênio;
terciária e quaternária: dobra espacial e associação de subunidades.
• Funções: catalisadores (enzimas), transporte (hemoglobina), sinalização (hormônios), suporte estrutural (colágeno).
Ácidos nucleicos
• Polímeros de nucleotídeos unidos por ligações fosfodiéster no esqueleto açúcar-fosfato.
• Tipos: DNA (desoxirribose, bases A–T e C–G, dupla hélice) e RNA (ribose, bases A–U e C–G, geralmente fita simples).
• Função principal: armazenamento e transmissão de informação genética; alguns RNAs têm atividade catalítica (ribozimas).
Polissacarídeos
• Polímeros de monossacarídeos unidos por ligações glicosídicas.
• Polímeros de reserva: amido (plantas), glicogênio (animais).
• Polímeros estruturais: celulose (parede celular vegetal), quitina (exoesqueleto de artrópodes).
• As propriedades mecânicas e solubilidade variam conforme o tipo de monossacarídeo e o tipo de ligação (α ou β).

Passo 3

(b) Aminoácidos na natureza e o código genético
• Existem 20 aminoácidos proteinogênicos padrão: glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, triptofano, metionina, prolina, serina, treonina, cisteína, tirosina, asparagina, glutamina, lisina, arginina, histidina, ácido aspártico e ácido glutâmico.
• Cada aminoácido tem um grupo amino (–N H_{2}), um carboxila (–COOH) e uma cadeia lateral R que define suas propriedades.
• O código genético é formado por trincas de nucleotídeos (códons) em mRNA, cada códon especifica um desses 20 aminoácidos (mais sinais de início e terminação).
• A especificidade decorre do pareamento codon–anticodon entre mRNA e tRNA durante a síntese proteica no ribossomo, garantindo tradução fiel de genoma em sequência de aminoácidos.

Passo 4

(c) Determinação da energia de ligação
Isolados (configuração de equilíbrio)
• Experimentalmente: calorimetria de titulação isotérmica (ITC) ou calorimetria diferencial de varredura (DSC) medem ΔH de ligação/auto-associação; espectroscopias (UV-Vis, IR, RMN) fornecem constantes de equilíbrio que levam a ΔG via \Delta G = -RT\ln K.
• Computacionalmente: métodos quânticos (ab initio, DFT) otimizam geometria e calculam energia total E_\text{mol}; energia de ligação intramolecular avalia-se pela diferença entre energia do conjunto e soma das partes isoladas.
Associados a outros sistemas
• Experimentalmente: ITC ou calorimetria de estado sólido, medidas de força (AFM, pinças ópticas) quantificam energia de adesão.
• Computacionalmente:
\displaystyle \Delta E_\text{bind} = E_\text{complexo} - (E_\text{bio} + E_\text{sistema}),
onde E_\text{complexo} é a energia total do biopolímero ligado ao nanossistema, e E_\text{bio}, E_\text{sistema} são as energias isoladas.
• Modelos de força (MM) ou híbridos QM/MM capturam interações não-ligantes (van der Waals, iônicas, pontes de H), seguidos de dinâmica molecular para explorar superfícies de energia livre.

Resposta

a) Proteínas são polímeros de aminoácidos com estruturas hierárquicas e funções catalíticas, estruturais e de sinalização. Ácidos nucleicos (DNA/RNA) são polímeros de nucleotídeos que armazenam e transmitem informação genética. Polissacarídeos são polímeros de açúcares que servem de reserva energética ou suporte estrutural.
b) Os 20 aminoácidos proteinogênicos (glicina, alanina, valina, …, ácido glutâmico) têm cadeias laterais distintas e são codificados por trincas de bases (códons) no mRNA. O pareamento codon–anticodon no ribossomo traduz a informação genética em sequência de aminoácidos.
c) Em isolado, mede-se a energia de ligação por calorimetria (ITC/DSC) ou calcula-se por métodos quânticos (DFT/ab initio) otimizando geometria e comparando energias. Em associação com nanossistemas, usa-se ITC, AFM ou cálculo computacional de \Delta E_\text{bind}=E_\text{complexo}-(E_\text{bio}+E_\text{sistema}) via MM ou QM/MM.

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