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BIOLOGIA, Bioquímica
Bioquímica
é a ciência e tecnologia que estuda e aplica a química da vida e os processos químicos que ocorrem nos organismos vivos. De maneira geral, ela consiste no estudo da estrutura molecular e função metabólica de biomoléculas, biopolímeros e componentes celulares e virais, como proteínas (proteômica), enzimas (enzimologia), carboidratos, lipídios, ácidos nucléicos (biologia molecular) entre outros.[1][2][3]Suas aplicações englobam setores como alimentos, fármacos e biofármacos, análises clínicas, biocombustíveis, pesquisa básica dentre outros. É uma ciência e tecnologia essencial para todas as profissões relacionadas a ciências da vida e uma das fronteiras de desenvolvimento das ciências químicas.A bioquímica está intimamente relacionada com a biologia molecular, o estudo dos mecanismos moleculares pelos quais a informação genética codificada no DNA pode resultar nos processos de vida. Dependendo da definição exata dos termos utilizados, a biologia molecular pode ser considerada como um ramo de bioquímica, ou bioquímica como uma ferramenta para investigar e estudar a biologia molecular.
Bioquímico é o profissional que estuda e aplica as leis da bioquímica para o entendimento e aplicação tecnológica de biomoléculas e dos organismos vivos (bioquímica industrial, biotecnologia e bioprocessos, bioquímica médica e clínica, bioquímica de alimentos, bioquímica agrícola e ambiental) para benefícios comerciais e industriais, e/ou benefícios a saúde humana e animal, a agropecuária e ao meio ambiente.Os bioquímicos utilizam ferramentas e conceitos da química e da biologia, particularmente da química orgânica, físico-química, fermentações e metabolismo, biologia celular, biologia molecular e genética, para a elucidação dos sistemas vivos e para sua aplicação tecnológica e industrial.[4]
A Bioquímica não deve ser confundida, no Brasil, com as análises clínicas, apenas uma de suas inúmeras aplicações e nem tampouco as análises clínicas devem ser reduzidas a apenas a bioquímica clínica.[5] Em função disso, a graduação (licenciatura em Portugal) em Bioquímica é uma das mais tradicionais na Europa e EUA, e no Brasil, existe nas Universidades Federais de Viçosa e de São João del Rey (UFV e UFSJ) e nas Universidades Estaduais de Maringá e de São Paulo (UEM e USP, nesta última, como química ênfase bioquímica). No Brasil, não se deve confundir farmacêutico com o bioquímico, visto que um é profissional de saúde e outro é profissional da química da vida e da biotecnologia. Por bastante tempo, os cursos de graduação em farmácia no Brasil denominaram-se Farmácia-Bioquímica, em errônea alusão à habilitação em análises clínicas. Isto gerou na sociedade, e mesmo nos meios acadêmicos, a falsa noção de que bioquímica seria sinônimo de análises clínicas e farmácia, algo totalmente errado.[6]
Química Orgânica
Em sua acepção moderna, a química orgânica é a divisão da química responsável pelo estudo dos compostos de carbono.[1][2][3][4][5] Esta parte da química estuda a estrutura, propriedades, composição, reações[6] e síntese de compostos orgânicos que, por definição, contenham carbono, mas que podem também conter outros elementos, como o oxigênio e o hidrogênio. Muitos deles contêm nitrogênio, halogênios e, mais raramente, fósforo e enxofre.
Originalmente proposta em 1777 pelo químico sueco Torbern Olof Bergman, a química orgânica foi primeiramente definida como um ramo químico que estudava os compostos extraídos dos organismos vivos, contrastando com a química inorgânica, que tratava dos compostos existentes no então chamado "reino mineral". Em 1807, foi formulada a teoria da força vital por Jöns Jacob Berzelius. Ela baseava-se na ideia de que os compostos orgânicos precisavam de uma força maior — a vida — para serem sintetizados, tratando como impossível a síntese artificial desses compostos.[1]
No entanto, em 1828, Friedrich Wöhler, discípulo de Berzelius, a partir do aquecimento de cianato de amônio, produziu a ureia, composto existente na urina animal. Isto é, Wöhler demonstrou ser possível a síntese de um composto orgânico, a ureia, a partir de um composto inorgânico, o cianato de amônio.[1][5] Tal processo ficou conhecido como síntese de Wöhler e, com essa descoberta, a teoria da força vital perdeu força.[1] Em seguida, Pierre Eugene Marcellin Berthelot realizou uma série de experiências a partir de 1854 e, em 1862, sintetizou o acetileno. Em 1866, Berthelot obteve, por aquecimento, a polimerização do acetileno em benzeno e, assim, é derrubada a teoria da força vital.
Devido à inadequação da definição de Bergman para a química orgânica, o químico alemão Friedrich August Kekulépropôs, em 1858, a definição aceita atualmente:[1]
"Química orgânica é o ramo da química que estuda os compostos do carbono."
Essa afirmação está correta, contudo, nem todo o composto que contém carbono é orgânico, como é o caso do dióxido de carbono, o ácido carbônico, a grafite, etc. Ainda assim, todos os compostos orgânicos contêm carbono.[1]
Físico-Química
A físico-química é a disciplina que estuda as propriedades físicas e químicas da matéria, através da combinação de duas ciências: a física (onde se destacam áreas como a termodinâmica e a mecânica quântica[1]) e a química.
Suas funções variam desde interpretações das escalas moleculares até observações de fenômenos macroscópicos.
Normalmente mudanças de temperatura, pressão, volume, calor, e trabalho de sistemas nos estados sólidos, líquidos, gasosos e plasmáticos estão relacionados até com microscópicas interações moleculares e atômicas.
A físico-química moderna é firmemente relacionada com a física. Importantes áreas de estudo incluem termoquímica, cinética química, química quântica, mecânica estatística e eletroquímica, que trata do estudo da eletrólise, de pilhas e baterias, e dos equilíbrios químicos que tratam dos reagentes que cooperam para se transformarem em produtos iônicos.
A físico-química também trata das soluções e para identificação de alanitos suas propriedades coligativas e fundamental para a ciência dos materiais. No fim do século XIX, o estudo dos coloides passou a constituir um novo e importante campo da físico-química.[2]
Biologia Molecular
A biologia molecular diz respeito à base molecular da atividade biológica entre biomoléculas nos vários sistemas de uma célula, incluindo as interações entre DNA, RNA, proteínas e sua biossíntese, bem como a regulação dessas interações.[1] Trata-se de um campo de estudos amplo, que abrange áreas da química, em especial a bioquímica, e a genética.[2]
Na biologia molecular são frequentemente combinadas técnicas e ideias provindas da microbiologia, genética, bioquímica e biofísica (veja a secção “Técnicas em Biologia Molecular”, mais abaixo). Historicamente, a microbiologia exerceu um papel fundamental no desenvolvimento da biologia molecular, pois a maioria dos conceitos-chave e das técnicas de biologia molecular se originou a partir de estudos e experimentos realizados principalmente com bactérias, fungos e vírus (especialmente bacteriófagos, que são vírus que infectam bactérias). Não existindo distinções muito definidas entre as disciplinas mencionadas, pode-se considerar a biologia molecular na interface entre a bioquímica e a genética, como mostra o esquema abaixo.[1]
A bioquímica define-se, de uma forma geral, como o estudo das reações químicas em organismos vivos; a genética ocupa-se especificamente do estudo das consequências de diferenças no material genético nos organismos. A biologia molecular ocupa então um espaço próprio, mas relacionando conhecimentos dos dois campos, ao investigar os mecanismos de replicação, transcrição e tradução do material genético.
Muito da investigação em biologia molecular é relativamente recente, e muitos trabalhos têm sido feitos recorrendo-se à bioinformática e biologia computacional. Estes recursos tornaram o estudo da estrutura e função de genes, ou genética molecular, num dos campos mais proeminentes em biologia molecular.
Biologia celular
Biologia celular, ou Citologia, é o ramo da biologia que estuda as células, tanto eucariontes como procariontes[1], no que diz respeito às suas estruturas internas ou externas, funções, e sua importância na constituição, benéfica ou maléfica, dos seres vivos[2][3]. O estudo busca compreender o ciclo de vida destes seres, além dos seus reflexos no funcionamento de diferentes meios.
Esta área de conhecimento surgiu após o desenvolvimento de técnicas de microscopia óptica, que permitiu a observação de seres muito pequenos, os quais foram dados o nome de célula (do latim Cella, que significa pequenos alojamentos)[2]. Tal necessidade de saber mais sobre esses seres resultaram no avanço de tecnologias que impulsionaram ainda mais os estudos, como o surgimento do microscópio eletrônico e suas respectivas técnicas[2].
Toda célula apresenta componentes denominados organ
elas (bem desenvolvidas ou não), que desempenham as funções que garantem a vida destes pequenos seres. As organelas celulares compreendem: A membrana citoplasmática, o núcleo, as mitocôndrias, os retículos endoplasmáticos liso e rugoso, os lisossomos, os ribossomos, o complexo de Golgi, nucléolo, peroxissomos, centríolos, citoesqueleto e cloroplastos e parede celular (sendo este último encontrado somente em bactérias e em células fúngicas e vegetais)[3]..
Genética
Genética (do grego geno; fazer nascer) é a especialidade da biologia que estuda os genes, a hereditariedade e a variação dos organismos e a forma como estes transmitem as características biológicas de geração para geração.[1][2] O termo genética foi primeiramente aplicado para descrever o estudo da variação e hereditariedade, pelo biólogo William Bateson[3] numa carta dirigida a Adam Sedgewick, na data de 18 de Abril de 1908.
Já no tempo da pré-história, os agricultores utilizavam conhecimentos de genética através da domesticação e do cruzamento seletivo de animais e plantas para melhorar suas espécies. Atualmente é a genética que proporciona as ferramentas necessárias para a investigação das funções dos genes, isto é, a análise das interações genéticas. No interior dos organismos, a informação genética está normalmente contida nos cromossomos, onde é representada na estrutura química da molécula de DNA o que diminui bastante o tempo de espera no cruzamento das espécies.
Os genes, em geral, codificam a informação necessária para a síntese de proteínas, no entanto, diversos tipos de gene não-codificantes de proteínas já foram identificados, como por exemplo genes precursores de microRNAs (miRNA) ou de RNAs estruturais, como os ribossômicos. As proteínas por sua vez, podem atuar como enzimas (catalisadores) ou apenas estruturalmente, estas funções são diretamente responsáveis pelo fenótipo final de um organismo. O conceito de "um gene, uma proteína" é simplista e equivocado, por exemplo: um único gene poderá produzir múltiplos produtos (diferentes RNAs ou proteínas), dependendo de como a transcrição é regulada e como seu mRNA nascente é processador pela maquinaria de splicing.
Em 1866, Gregor Mendel estabeleceu pela primeira vez os padrões de hereditariedade de algumas características existentes em ervilheiras, mostrando que obedeciam a regras estatísticas simples.[4] Embora nem todas as características mostrem estes padrões de hereditariedade mendeliana, o trabalho de Mendel provou que a aplicação da estatística à genética poderia ser de grande utilidade.
A partir da sua análise estatística, Mendel definiu o conceito de alelo como sendo a unidade fundamental da hereditariedade. O termo "alelo" tal como Mendel o utilizou, expressa a ideia de "gene", enquanto que nos nossos dias ele é utilizado para especificar uma variante de um gene.
Só depois da morte de Mendel é que o seu trabalho foi redescoberto, entendido (início do século XX) e lhe foi dado o devido valor por cientistas que então trabalhavam em problemas similares.
Mendel não tinha conhecimento da natureza física dos genes. O trabalho de Watson e Crick em 1953 mostrou que a base física da informação genética eram os ácidos nucleicos, especificamente o DNA,[5] embora alguns vírus possuam genomas de RNA. A descoberta da estrutura do DNA, no entanto, não trouxe imediatamente o conhecimento de como as milhares de proteínas de um organismo estariam "codificadas" nas sequências de nucleotídeos do DNA. Esta descoberta crítica para o surgimento da moderna Biologia Molecular só foi alcançada no começo da década de 1960 por Marshall Nirenberg, que viria a receber o Nobel em 1968, assim como Watson e Crick cinco anos antes. A manipulação controlada do DNA (engenharia genética) pode alterar a hereditariedade e as características dos organismos.
Mendel teve sucesso onde vários experimentadores, que também faziam cruzamentos com plantas e com animais, falharam. O fracasso desses pesquisadores explica-se pelo seguinte: eles tentavam entender a herança em bloco, isto é, considerando todas as características do indivíduo ao mesmo tempo; não estudavam uma característica de cada vez, como fez Mendel. Somente quando se compreendia o mecanismo de transmissão de certa característica é que Mendel se dedicava a outra, verificando se as regras valiam também nesse caso.
O sucesso de Mendel deveu-se também a algumas particularidades do método que usava: a escolha do material, a escolha de características constantes e o tratamento dos resultados. Além de ele ter escolhido ervilhas para efetuar seus experimentos, espécie que possui ciclo de vida curto, flores hermafroditas o que permite a autofecundação, características variadas e o método empregado na organização das experimentações eram associados à aplicação da estatística, estimando matematicamente os resultados obtidos.
Áreas da Genética
Genética clássica
A Genética clássica consiste nas técnicas e métodos da genética, anteriores ao advento da biologia molecular.[6] Depois da descoberta do código genético e de ferramentas de clonagem utilizando enzimas de restrição, os temas abertos à investigação científica em genética sofreram um aumento considerável. Algumas ideias da genética clássica foram abandonadas ou modificadas devido ao aumento do conhecimento trazido por descobertas de índole molecular, embora algumas ideias ainda permaneçam intactas, como a hereditariedade mendeliana. O estudo dos padrões de hereditariedade continuam ainda a ser um método muito útil no estudo de doenças genéticas,como a Neurofibromatose.
Genética molecular
Ver artigo principal: Genética molecular
A genética molecular tem as suas fundações na genética clássica, mas dá um enfoque maior à estrutura e função dos genes ao nível molecular. A genética molecular emprega os métodos quer da genética clássica (como por exemplo a hibridação) quer da biologia molecular.[7] É assim chamada para se poder distinguir de outros ramos da genética como a ecologia genética e a genética populacional. Uma de suas aplicações consiste no estudo da mutação e variação de cepas de bactérias.[8] Uma área importante dentro da genética molecular é aquela que usa a informação molecular para determinar os padrões de descendência e daí avaliar a correta classificação científica dos organismos: chamada sistemática molecular.
O estudo das características herdadas e que não estão estritamente associadas a mudanças na sequência do DNA dá-se o nome de epigenética.
Alguns autores defendem que a vida pode ser definida, em termos moleculares, como o conjunto de estratégias que os polinucleótidos de RNA usaram e continuam a usar para perpectuar a eles próprios. Esta definição baseia-se em trabalho dirigido para conhecer a origem da vida, estando associada à hipótese do RNA.
Genética populacional, genética quantitativa e ecologia genética
Ver artigo principal: Genética Populacional, Genética quantitativa, Ecologia Genética
A genética populacional, a genética quantitativa e a ecologia genética são ramos próximos da genética que também se baseiam nas premissas da genética clássica, suplementadas pela moderna genética molecular.[9]
Estudam as populações de organismos retirados da natureza mas diferem de alguma maneira na escolha do aspecto do organismo que irão focar. A disciplina essencial é a genética populacional, que estuda a distribuição e as alterações das frequências dos alelos que estão sob influência das forças evolutivas: selecção natural, deriva genética, mutação e migração.[10] É a teoria que tenta explicar fenómenos como a adaptação e a especiação.
O ramo da genética quantitativa, construído a partir da genética populacional, tenciona fazer predições das respostas da selecção natural, tendo como ponto de partida dados fenotípicos e dados das relações entre indivíduos.
A ecologia genética é por sua vez baseada nos princípios básicos da genética populacional, mas tem o seu enfoque principal nos processos ecológicos. Enquanto que a genética molecular estuda a estrutura e função dos genes ao nível molecular, a ecologia genética estuda as populações selvagens de organismos e tenta deles recolher dados sobre aspectos ecológicos e marcadores moleculares que estes possuam.
Genómica
Ver artigo principal: Genômica
A genómica é um desenvolvimento recente da genética. Estuda os padrões genéticos de larga escala que possam existir no genoma (e em todo o DNA) de uma espécie em particular.[11] Este ramo da genética depende da existência de genomas completamente sequenciados e de ferramentas computacionais desenvolvidas pela bioinformática que permitam a análise de grandes quantidades de dados.
Disciplinas relacionadas[editar | editar código-fonte]
O termo "genética" é vulgarmente utilizado para denominar o processo de engenharia genética, em que o DNA de um organismo é modificado para se obter uma utilidade prática.[12] No entanto, a maior parte da investigação em genética é direccionada para a explicação do efeito dos genes no fenótipo e para o papel dos genes nas populações.