Biologia universitária — 1.º ano · Bachelor Year 1

9Lipídios

Um camelo que atravessa um deserto carrega trinta quilos de gordura na corcova e nenhuma água ali; uma truta num riacho de montanha a $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ tem membranas tão fluidas quanto as de uma carpa num lago morno; e uma gota de azeite agitada em água se quebra numa nuvem de gotículas que, deixadas em paz, tornam a se reunir numa só. As três coisas são lipídios em ação: o estoque mais denso de energia química que um organismo consegue carregar, a película que delimita cada célula e cada organela, e a classe de moléculas que a água se recusa a dissolver. Este capítulo descreve os ácidos graxos e as gorduras construídas com eles, os lipídios anfifílicos que se montam em membranas, o que torna uma membrana mais ou menos fluida, e os outros lipídios — esteróis, pigmentos, hormônios — que alguns carbonos arranjados em anéis e cadeias podem ser.

9.1 Ácidos graxos

Definição 9.1 (Lipídio, ácido graxo)

Os lipídios são as moléculas biológicas definidas não por uma estrutura comum, e sim por uma propriedade comum: elas são insolúveis em água e solúveis em solventes apolares. A maioria é construída sobre ácidos graxos: ácidos carboxílicos com uma cadeia hidrocarbônica não ramificada de $12\text{ to }24\,$ carbonos, quase sempre em número par (eles são montados de dois em dois carbonos, Capítulo 16). Um ácido graxo saturado tem apenas ligações simples e uma cadeia reta e flexível; um insaturado tem uma ou mais ligações duplas, na configuração cis, cada uma introduzindo na cadeia uma dobra rígida de cerca de $30^\circ$ . Notação: C18:1 $\Delta^9$ é um ácido de 18 carbonos com uma ligação dupla depois do carbono 9 (o ácido oleico); um ácido ômega-3 tem a última ligação dupla a três carbonos da extremidade metila.

Dois ácidos graxos de 18 carbonos. A cadeia saturada é reta e se empacota junto das vizinhas; a ligação dupla cis do ácido oleico dobra a cadeia e mantém as vizinhas afastadas, e é por isso que o ácido oleico é líquido à temperatura ambiente e o ácido esteárico é sólido. — Dois ácidos graxos de 18 carbonos. A cadeia saturada é reta e se empacota junto das vizinhas; a ligação dupla *cis* do ácido oleico dobra a cadeia e mantém as vizinhas afastadas, e é por isso que o ácido oleico é líquido à temperatura ambiente e o ácido esteárico é sólido.

Proposição 9.2 (Pontos de fusão)

O ponto de fusão de um ácido graxo, e a fluidez de qualquer arranjo lipídico a que ele pertença, é fixado por quão perto as cadeias conseguem se empacotar: ele sobe com o comprimento da cadeia ( $44\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ para C12:0, $63\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ para C16:0, $70\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ para C18:0) e cai bruscamente a cada ligação dupla cis (C18:0 $70\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , C18:1 $13\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , C18:2 $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , C18:3 $-11\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ). As gorduras animais, ricas em ácidos saturados, são sólidas à temperatura ambiente; os óleos vegetais e de peixe, ricos em insaturados, são líquidos.

Demonstração. As cadeias retas se deitam lado a lado e cada $\mathrm{CH_2}$ faz contatos de van der Waals com as vizinhas, cada um valendo alguns quilojoules por mol, somados ao longo da cadeia: mais carbonos, mais contatos, mais calor para separá-las. Uma dobra impede o contato próximo ao longo de vários carbonos de cada lado e elimina muitos contatos de uma só vez. ∎

9.2 As gorduras: o estoque de energia

Definição 9.3 (Triglicerídeo)

Um triglicerídeo (triacilglicerol, uma gordura quando sólido, um óleo quando líquido) é o glicerol — um álcool de três carbonos — esterificado nas três hidroxilas dele por três ácidos graxos. Ele não tem carga nem nenhum grupo polar restante: é inteiramente hidrofóbico, e é armazenado como gotículas anidras em adipócitos, células do tecido adiposo que são pouco mais que uma gotícula de gordura com o núcleo empurrado para um lado.

Tecido adiposo branco: cada célula é uma gotícula de triglicerídeo, de até 100\, µ m de diâmetro, com o citoplasma e o núcleo espremidos num anel fino. Capilares correm entre as células para entregar e recolher ácidos graxos. — Tecido adiposo branco: cada célula é uma gotícula de triglicerídeo, de até $100\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diâmetro, com o citoplasma e o núcleo espremidos num anel fino. Capilares correm entre as células para entregar e recolher ácidos graxos.

Proposição 9.4 (A gordura é o estoque de energia mais denso)

Oxidar $1\,\mathrm{g}$ de gordura libera $38\,\mathrm{kJ}$ , contra $17\,\mathrm{kJ}$ para $1\,\mathrm{g}$ de carboidrato ou de proteína: os carbonos de um ácido graxo são mais reduzidos (mais ligações C–H, menos C–O) e por isso cedem mais elétrons ao oxigênio. Além disso a gordura é armazenada seca, ao passo que o glicogênio liga cerca de $3\,\mathrm{g}$ de água por grama: $1\,\mathrm{g}$ de glicogênio armazenado rende $4\,\mathrm{kJ}$ por grama de massa estocada, e a gordura, nove vezes mais. Um ser humano magro carrega $0.5\,\mathrm{kg}$ de glicogênio (a energia de um dia) e $12\,\mathrm{kg}$ de gordura (mais de um mês).

Exemplo 9.5 (Por que não armazenar tudo como gordura)

A gordura só pode ser queimada com oxigênio, devagar, e não pode ser reconvertida em glicose nos animais (Capítulo 16); o encéfalo e as hemácias precisam de glicose, e um músculo em disparada precisa dela mais rápido do que a gordura consegue fornecer. O glicogênio é o estoque de glicose rápido e sem oxigênio, para horas; a gordura, o estoque denso, para semanas. Uma ave migratória, um arganaz em hibernação e um camelo são gordura; as pernas de um velocista são glicogênio.

Definição 9.6 (Ceras)

As ceras são ésteres de um ácido graxo com um álcool de cadeia longa: sólidas, inteiramente hidrofóbicas, e usadas como revestimentos — a cutícula das folhas (Capítulo 3), a superfície dos insetos, a impermeabilização das penas e dos pelos, o favo das abelhas.

9.3 Lipídios de membrana e automontagem

Definição 9.7 (Lipídios anfifílicos)

Os lipídios das membranas são anfifílicos: uma cabeça polar que a água solvata e uma ou duas caudas apolares que ela exclui. Os glicerofosfolipídios são o glicerol com dois ácidos graxos e, no terceiro carbono, um fosfato ligado a um pequeno álcool polar (colina, etanolamina, serina, inositol): a fosfatidilcolina é o lipídio mais comum das membranas animais. Os esfingolipídios são construídos sobre o aminoálcool esfingosina, em vez do glicerol, com um ácido graxo e uma cabeça de fosfocolina (a esfingomielina) ou de açúcares (os glicolipídios), e são abundantes no folheto externo e nas bainhas nervosas. Os esteróis — o colesterol nos animais, esteróis aparentados nas plantas e nos fungos — são moléculas rígidas de quatro anéis, com uma única hidroxila como cabeça, que se deitam entre as caudas dos outros lipídios.

Proposição 9.8 (Automontagem)

Em água, as moléculas anfifílicas se montam espontaneamente de modo a esconder as caudas e expor as cabeças. A forma da molécula decide a estrutura: os lipídios de uma só cauda (ácidos graxos, detergentes), com forma de cone, formam micelas — esferas de alguns nanômetros de diâmetro com as caudas por dentro; os fosfolipídios de duas caudas, com forma de cilindro, formam bicamadas, que se fecham sobre si mesmas em lipossomos (vesículas) para não deixar nenhuma borda exposta. A montagem é movida pelo efeito hidrofóbico (Capítulo 8): ela não custa energia e não precisa de enzima, e uma bicamada rasgada se refecha sozinha. As membranas são lâminas que se autorreparam, crescem pela inserção de lipídios novos e nunca se formam do nada: toda membrana vem de uma membrana.

Evidências. Fosfolipídio seco disperso em água forma vesículas fechadas com paredes em bicamada, visíveis ao microscópio eletrônico (Bangham, 1965); a permeabilidade delas a íons e à água corresponde à das membranas celulares, e elas podem ser carregadas com fármacos e fundidas com células. Acrescentar um detergente (de uma só cauda, em forma de cone) dissolve a bicamada em micelas mistas; retirá-lo por diálise deixa a bicamada se formar de novo. ∎

Três arranjos de lipídios anfifílicos em água. As moléculas de uma cauda, em forma de cone, se empacotam em micelas; os fosfolipídios cilíndricos de duas caudas formam uma bicamada, que se fecha numa vesícula para esconder as bordas dela.

Óleo agitado em água: uma nuvem de gotículas que vão coalescer em poucos minutos, a não ser que um anfifílico — um detergente, um sal biliar, um fosfolipídio — as recubra. A emulsificação é o que o intestino faz com a gordura da dieta antes que as enzimas dele possam alcançá-la.

Exemplo 9.9 (Sais biliares)

A gordura da dieta chega ao intestino como óleo; a lipase que a digere só age na interface óleo–água. Os sais biliares, derivados anfifílicos do colesterol, recobrem a gordura em gotículas de um micrômetro, multiplicando a interface por mil, e depois levam, em micelas, os ácidos graxos liberados até as células absortivas (Capítulo 22). O sabão usa o mesmo truque.

9.4 Fluidez da membrana

Definição 9.10 (Fluidez, transição de fase)

Uma bicamada lipídica tem uma temperatura de transição de fase $T_m$ : abaixo dela as cadeias ficam empacotadas num estado ordenado, semelhante a um gel, em que os lipídios quase não se movem; acima dela elas ficam desordenadas e a bicamada é um fluido bidimensional em que um lipídio troca de lugar com a vizinha um milhão de vezes por segundo e percorre o plano da membrana a $1\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{s}$ . As células mantêm as membranas delas acima de $T_m$ : a fluidez deixa as proteínas se difundirem e girarem, as vesículas brotarem e se fundirem, e a bicamada se refechar.

Proposição 9.11 (O que determina a fluidez)

$T_m$ sobe com o comprimento das cadeias e cai com a insaturação delas, como para os ácidos graxos livres; uma bicamada de cadeias C18:0 funde a $55\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , e uma de cadeias C18:1 a $-20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . O colesterol, inserido entre as caudas, tem efeito duplo: acima de $T_m$ os anéis rígidos dele restringem o movimento das cadeias e enrijecem a membrana; abaixo de $T_m$ eles impedem que as cadeias se empacotem e a impedem de congelar. Ele alarga a transição, tornando-a uma mudança gradual, e mantém a fluidez quase constante numa ampla faixa de temperatura — um tampão de fluidez. As membranas plasmáticas animais chegam a um colesterol para cada fosfolipídio.

Fluidez em função da temperatura para três bicamadas. As cadeias saturadas congelam bruscamente perto de 40\, C; uma ligação dupla por lipídio baixa a transição abaixo de zero; o colesterol suaviza a transição, tornando-a uma rampa branda, e mantém a membrana nem sólida nem fluida demais em toda a faixa fisiológica. — Fluidez em função da temperatura para três bicamadas. As cadeias saturadas congelam bruscamente perto de $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; uma ligação dupla por lipídio baixa a transição abaixo de zero; o colesterol suaviza a transição, tornando-a uma rampa branda, e mantém a membrana nem sólida nem fluida demais em toda a faixa fisiológica.

Proposição 9.12 (Adaptação homeoviscosa)

Os organismos que não conseguem regular a própria temperatura ajustam a composição das membranas para manter a fluidez constante: quando a temperatura cai, eles substituem ácidos graxos saturados por insaturados e cadeias longas por mais curtas, e o inverso quando ela sobe.

Evidências. A E. coli cultivada a $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ tem o dobro da proporção de ácidos graxos insaturados da mesma linhagem cultivada a $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , e as membranas das duas culturas, medidas pela mobilidade de uma sonda, são igualmente fluidas nas respectivas temperaturas de cultivo. Trutas aclimatadas a $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ carregam mais ácidos poli-insaturados nos lipídios de membrana que trutas a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; a gordura das pernas das renas, junto da neve, é mais insaturada que a gordura do tronco. As plantas que sobrevivem à geada enriquecem as membranas em lipídios insaturados no outono, e os mutantes incapazes de fazê-lo morrem quando esfria. ∎

Exemplo 9.13 (Manteiga, azeite, óleo de peixe)

A manteiga ( $65\,\%$ de saturados) é sólida na geladeira e mole à temperatura ambiente; o azeite ( $75\,\%$ de ácido oleico) é líquido à temperatura ambiente e turva na geladeira; o óleo de peixe, rico em ácidos ômega-3 com cinco e seis ligações duplas, permanece líquido a $-20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , que é o que as membranas de um bacalhau precisam no Atlântico Norte.

9.5 Esteróis, pigmentos e sinais

Definição 9.14 (Esteroides, isoprenoides)

Os esteroides compartilham os quatro anéis fundidos do colesterol: o próprio colesterol (membranas, e precursor dos demais), os sais biliares, a vitamina D e os hormônios esteroides — cortisol, aldosterona, hormônios sexuais — moléculas pequenas e hidrofóbicas que atravessam membranas livremente e agem sobre receptores dentro da célula. Os isoprenoides (terpenos) são cadeias e anéis de unidades de isopreno de cinco carbonos: os carotenoides que dão cor às cenouras e protegem os cloroplastos (Capítulo 14), a cadeia lateral da clorofila, as quinonas das cadeias de transporte de elétrons, a borracha e as vitaminas lipossolúveis A, E e K.

Proposição 9.15 (O que os lipídios fazem)

Armazenamento de energia (triglicerídeos); membranas (fosfolipídios, esfingolipídios, esteróis); isolamento e impermeabilização (gordura, ceras); absorção de luz e proteção (carotenoides); transporte de elétrons (quinonas); sinalização entre células (hormônios esteroides, prostaglandinas) e dentro delas (fosfolipídios de inositol, diacilglicerol); vitaminas. Uma única propriedade — a insolubilidade em água — está por trás de todas elas: um lipídio fica onde é posto, numa gotícula, numa película ou numa membrana, ou atravessa uma membrana sem carreador.

Exemplo 9.16 (Um hormônio que não precisa de receptor na superfície)

O cortisol, secretado pela glândula adrenal, viaja no sangue ligado a uma proteína carreadora, a deixa numa célula-alvo, se dissolve através da membrana plasmática em segundos, e se liga a um receptor do citosol que então entra no núcleo e liga genes (Capítulo 20). Um hormônio proteico como a insulina, solúvel em água e grande demais para atravessar, precisa se ligar a um receptor do lado de fora e ter a mensagem dele retransmitida para dentro. A química do mensageiro decide a rota da mensagem.

9.6 Exercícios

Exercício 9.1 ★

Defina um lipídio e explique por que a definição é por propriedade, e não por estrutura.

Solução

Solução de Exercício 9.1.

Um lipídio é uma molécula biológica insolúvel em água e solúvel em solventes apolares. Gorduras, fosfolipídios, esteróis e carotenoides não compartilham nenhum esqueleto comum, apenas esse comportamento diante da água, que é o que lhes dá os papéis comuns (estoques, películas, membranas).

Exercício 9.2 ★

Escreva a notação do ácido linoleico (18 carbonos, ligações duplas depois dos carbonos 9 e 12) e diga se ele é um ácido ômega-3 ou ômega-6.

Solução

Solução de Exercício 9.2.

C18:2 $\Delta^{9,12}$ . A última ligação dupla começa no carbono 12 a partir da carboxila, ou seja, no carbono 6 a partir da extremidade metila: ômega-6.

Exercício 9.3 ★

Por que um triglicerídeo forma gotículas enquanto um fosfolipídio forma bicamadas? Que diferença estrutural é responsável por isso?

Solução

Solução de Exercício 9.3.

Um triglicerídeo não tem cabeça polar: inteiramente hidrofóbico, ele é excluído da água como uma fase à parte, uma gotícula. Um fosfolipídio é anfifílico: a cabeça polar dele precisa ficar na água enquanto as caudas precisam sair dela, o que só uma lâmina de duas moléculas de espessura consegue satisfazer.

Exercício 9.4 ★

A partir da figura da fluidez, em que temperatura cada uma das três bicamadas está na metade da transição dela? Qual você esperaria numa bactéria que vive a $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Solução

Solução de Exercício 9.4.

Cerca de $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (a curva do colesterol não tem transição brusca; metade da subida dela fica perto de $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ). Uma bactéria a $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ precisa da composição insaturada, fluida bem abaixo da temperatura de cultivo.

Exercício 9.5 ★★

Uma pessoa armazena $15\,\mathrm{kg}$ de gordura. Calcule a energia que ela contém, o número de dias em que ela sustentaria um gasto de repouso de $8\,\mathrm{MJ}/\mathrm{d}$ , e a massa de glicogênio hidratado que conteria a mesma energia.

Solução

Solução de Exercício 9.5.

$15\,000\times 38 = 570\,\mathrm{MJ}$ ; $570/8 = 71$ dias. Glicogênio: seco $570\,000/17 = 33.5\,\mathrm{kg}$ , hidratado $134\,\mathrm{kg}$ .

Exercício 9.6 ★★

Ordene por ponto de fusão: C14:0, C18:0, C18:1, C18:3, C22:0, e justifique cada passo da ordenação.

Solução

Solução de Exercício 9.6.

C22:0 $>$ C18:0 $>$ C14:0 $>$ C18:1 $>$ C18:3. Entre os ácidos saturados, as cadeias mais longas fazem mais contatos de van der Waals; uma ligação dupla cis elimina mais empacotamento do que quatro carbonos a mais acrescentam (o C18:1 funde abaixo do C14:0); cada ligação adicional o baixa outra vez.

Exercício 9.7 ★★

Uma hemácia tem superfície de $140\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ; uma cabeça de fosfolipídio ocupa $0.6\,\mathrm{nm}^{2}$ . Calcule o número de moléculas de fosfolipídio da membrana (os dois folhetos) e, a $750\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , a massa total delas em picogramas.

Solução

Solução de Exercício 9.7.

$2\times140\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}/0.6\,\mathrm{nm}^{2} = 2\times 1.4\times 10^{-10}/6\times 10^{-19} = 4.7 \times 10^{8}$ moléculas; massa $4.7 \times 10^{8}\times 750/6 \times 10^{23} = 5.8 \times 10^{-13}\,\mathrm{g} = 0.58\,\mathrm{pg}$ .

Exercício 9.8 ★★

$1\,\mathrm{g}$ de azeite (densidade $0.9\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ ) é emulsificado em gotículas de $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diâmetro. Calcule a área total da interface. Repita para uma gota única. Por que a lipase pancreática precisa da emulsão?

Solução

Solução de Exercício 9.8.

Volume $1.11\,\mathrm{mL}$ $= 1.11 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{3}$ ; superfície das esferas $= 6V/d = 6\times 1.11\times 10^{-6}/10^{-6} = 6.7\,\mathrm{m}^{2}$ . Uma única gota desse volume: $d = 1.28\,\mathrm{cm}$ , superfície $5.2\,\mathrm{cm}^{2}$ : a emulsão tem treze mil vezes mais interface. A lipase é solúvel em água e só age na interface; a velocidade é proporcional a ela.

Exercício 9.9 ★★

Explique os dois efeitos opostos do colesterol sobre a fluidez da membrana e por que uma membrana com colesterol não tem transição brusca.

Solução

Solução de Exercício 9.9.

Acima de $T_m$ os anéis rígidos dele atrapalham o movimento das cadeias vizinhas e reduzem a fluidez; abaixo de $T_m$ o volume dele impede que as cadeias se empacotem no gel ordenado e impede o congelamento. Sem empacotamento cooperativo possível, não há temperatura em que toda a bicamada mude de estado de uma vez: a transição se espalha.

Exercício 9.10 ★★★

Uma planta mutante não consegue fabricar ácidos graxos insaturados. Preveja as membranas dela a $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e a $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , o que acontece com as células dela numa noite fria, e por que o tipo selvagem sobrevive.

Solução

Solução de Exercício 9.10.

Cadeias todas saturadas: a $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ as membranas já estão perto da transição delas e rígidas; a $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ elas gelificam. Membranas gelificadas deixam as proteínas de parar de funcionar e, ao reaquecer ou sob esforço mecânico, rachar e vazar: as células perdem o conteúdo e o tecido morre (lesão pelo frio). O tipo selvagem dessatura os lipídios dele no outono e continua fluido a $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Exercício 9.11 ★★★

A gordura dá $1.07\,\mathrm{g}$ de água por grama oxidado (o glicogênio $0.56\,\mathrm{g}$ , a proteína $0.4\,\mathrm{g}$ ). Calcule a água produzida por um camelo que oxida $1\,\mathrm{kg}$ de gordura. O oxigênio necessário é de $2\,\mathrm{L}$ por grama de gordura; respirá-lo no ar seco do deserto custa cerca de $0.03\,\mathrm{g}$ de água por litro de ar ventilado, com $5\,\%$ de extração de oxigênio. Calcule a água perdida na respiração e diga se a corcova é um estoque de água.

Solução

Solução de Exercício 9.11.

$1.07\,\mathrm{kg}$ de água por quilograma de gordura. Oxigênio: $2000\,\mathrm{L}$ ; com $5\,\%$ de extração de um ar com $21\,\%$ de oxigênio, o ar necessário é $2000/(0.21\times 0.05) = 190\,\mathrm{m}^{3}$ ; água perdida a $30\,\mathrm{g}/\mathrm{m}^{3}$ : $5.7\,\mathrm{kg}$ . O camelo perde cinco vezes mais água respirando do que a gordura rende: a corcova é um estoque de energia, não de água.

Exercício 9.12 ★★★

“Uma membrana se monta sozinha, mas uma célula não consegue fabricar uma membrana do nada.” Concilie as duas metades da frase em um parágrafo, usando o efeito hidrofóbico, o crescimento das membranas por inserção, e a continuidade das membranas através da divisão celular.

Solução

Solução de Exercício 9.12.

Dada uma bicamada, o efeito hidrofóbico faz com que ela se refeche, se feche em vesículas e aceite lipídios novos sem nenhum aporte de energia: a montagem é espontânea. Mas a célula fabrica os lipídios dela com enzimas alojadas numa membrana já existente (o RE), que os inserem no lugar; uma membrana nova cresce pela expansão de uma antiga e é repartida na divisão, de modo que toda membrana de toda célula descende das membranas da célula anterior. A automontagem explica a física da lâmina, não a origem dela na célula.

9.7 Problema: Água fria e gordura de deserto

Problema 9.1

Problema de fim de semana — as membranas de uma truta num riacho de montanha e a corcova de um camelo no deserto: insaturação, temperaturas de transição, densidade de energia e água metabólica, terminando na massa que armazenar gordura em vez de glicogênio poupa

A Parte I trata de uma truta cujos fosfolipídios de membrana carregam cadeias de C16:0, C18:1 e C22:6 (um ácido ômega-3 com seis ligações duplas). A Parte II trata de um dromedário de $500\,\mathrm{kg}$ com uma corcova de $30\,\mathrm{kg}$ de triglicerídeo, atravessando um deserto a uma taxa metabólica de $60\,\mathrm{MJ}/\mathrm{d}$ . Energia: gordura $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ , glicogênio $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ a seco, armazenado com $3\,\mathrm{g}$ de água por grama. Água metabólica: $1.07\,\mathrm{g}/\mathrm{g}$ de gordura. Oxigênio: $2.0\,\mathrm{L}$ por grama de gordura; o ar tem $21\,\%$ de oxigênio; o camelo extrai $5\,\%$ do oxigênio que respira; o ar exalado carrega $30\,\mathrm{g}/\mathrm{m}^{3}$ de água a mais que o ar do deserto inalado.

Parte I — A truta. As trutas aclimatadas a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ têm cadeias de membrana com $40\,\%$ de C16:0, $45\,\%$ de C18:1 e $15\,\%$ de C22:6; as trutas a $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , $25\,\%$ , $40\,\%$ e $35\,\%$ .

Escreva a notação dos três ácidos e conte as ligações duplas por cadeia em cada um.
Calcule o número médio de ligações duplas por cadeia em cada temperatura.
Explique, a partir do empacotamento das cadeias, por que a mudança baixa a temperatura de transição da membrana.
O $T_m$ de uma bicamada cai cerca de $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ para cada $0.5\,$ ligação dupla a mais por cadeia, em média. Estime o deslocamento de $T_m$ entre as duas trutas.
A membrana da truta de água morna é fluida a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , mas gelificaria a $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . O que aconteceria com as proteínas de transporte, com as bombas e com a condução nervosa dela numa noite fria repentina?
A adaptação leva dias. Cite as enzimas de que a truta precisa fabricar mais, e onde na célula elas agem (Capítulo 6).
O colesterol está a uma molécula por dois fosfolipídios nas duas trutas. Explique o que ele contribui em cada caso.

Parte II — A energia do camelo.

Calcule a energia armazenada na corcova.
Para quantos dias de travessia ela basta?
Calcule a massa de glicogênio seco que contém a mesma energia, e a massa de glicogênio hidratado.
Calcule a massa poupada por armazenar gordura em vez de glicogênio, e expresse-a como fração da massa corporal do camelo.
A gordura é armazenada numa corcova, e não espalhada sob a pele. Proponha uma razão, a partir do balanço térmico do Capítulo 2.

Parte III — A corcova é um estoque de água?

Calcule a água metabólica produzida ao oxidar a corcova inteira.
Calcule o oxigênio necessário, em litros.
Calcule o volume de ar que o camelo precisa ventilar para obtê-lo.
Calcule a água perdida ao exalar esse ar.
Compare a água ganha com a água perdida e conclua.
Em vez de transpirar, o camelo deixa a temperatura corporal subir $6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ durante o dia e esfriar à noite. Calcule o calor que ele armazena assim (capacidade térmica $3.5\,\mathrm{kJ}\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}$ ) e a água que evaporar o mesmo calor custaria ( $2.4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ).
Um camelo pode perder $25\,\%$ da água corporal e sobreviver, e as hemácias dele incham até o dobro do volume sem estourar quando ele bebe $100\,\mathrm{L}$ em dez minutos. Relacione a segunda propriedade com as membranas do Capítulo 7.

Parte IV — A aritmética da bicamada. Uma cabeça de fosfolipídio ocupa $0.65\,\mathrm{nm}^{2}$ ; uma bicamada tem $5\,\mathrm{nm}$ de espessura; as hemácias do camelo têm superfície de $80\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ e são $8 \times 10^{12}$ por litro de sangue.

Calcule o número de fosfolipídios de uma membrana de hemácia.
Calcule o número em todas as hemácias de $40\,\mathrm{L}$ de sangue.
A $750\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , calcule a massa desse lipídio em gramas.
Um fosfolipídio passa espontaneamente de um folheto ao outro cerca de uma vez por semana, mas se difunde lateralmente $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ em um segundo. Explique os dois números a partir do efeito hidrofóbico.
Explique por que, dada a taxa de passagem entre folhetos, os dois folhetos de uma membrana podem permanecer diferentes em composição por toda a vida de uma célula.
Enuncie o resultado: a massa que o camelo poupa ao carregar $30\,\mathrm{kg}$ de gordura em vez do glicogênio de igual energia, e o veredicto sobre a corcova como estoque de água.

Solução

Solução de Problema 9.1.

1. C16:0 (0), C18:1 $\Delta^9$ (1), C22:6 $\Delta^{4,7,10,13,16,19}$ (6). 2. Água morna: $0.40\times 0 + 0.45\times 1 + 0.15\times 6 = 1.35$ ; água fria: $0 + 0.40 + 2.10 = 2.50$ ligações duplas por cadeia. 3. Cada ligação cis dobra a cadeia e impede o empacotamento próximo com as vizinhas; menos contatos de van der Waals, menos calor necessário para desordenar as cadeias, $T_m$ menor. 4. $1.15$ ligação a mais por cadeia: cerca de $45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ a menos. 5. Num gel os lipídios não conseguem se mover: os carreadores não conseguem mudar de conformação, as bombas param, os canais travam; os gradientes iônicos se esgotam, a condução nervosa falha, e o peixe fica paralisado e morre do frio que um peixe aclimatado tolera. 6. As dessaturases, que introduzem ligações duplas nas cadeias de acila graxa; elas são proteínas integrais do retículo endoplasmático, onde os lipídios são fabricados. 7. Nos dois casos ele tampona a fluidez: enrijece a membrana fria, muito insaturada, acima do baixo $T_m$ dela, e impede que a membrana morna gelifique num dia fresco. 8. $30\,000\times 38 = 1140\,\mathrm{MJ}$ . 9. $1140/60 = 19$ dias. 10. Seco: $1.14 \times 10^{6}/17 = 67\,\mathrm{kg}$ ; hidratado: $268\,\mathrm{kg}$ . 11. $268 - 30 = 238\,\mathrm{kg}$ , quase metade da massa do camelo. 12. Uma camada de gordura sob toda a pele isolaria o corpo e o impediria de dissipar calor no deserto; concentrar a gordura em uma única corcova deixa o resto da pele livre para perder calor. 13. $1.07\times 30 = 32\,\mathrm{kg}$ de água. 14. $2.0\times 30\,000 = 60\,000\,\mathrm{L} = 60\,\mathrm{m}^{3}$ de oxigênio. 15. $60/(0.21\times 0.05) = 5700\,\mathrm{m}^{3}$ de ar. 16. $5700\times 30 = 171\,\mathrm{kg}$ de água. 17. Perde cinco vezes o que ganha: oxidar a corcova custa água. A corcova é um estoque de energia que deixa o camelo passar sem comida; a economia de água dele vem dos rins, da tolerância à desidratação e da capacidade de deixar a temperatura subir. 18. $500\times 3.5\times 6 = 10.5\,\mathrm{MJ}$ armazenados como calor e liberados à noite; evaporá-los teria custado $10\,500/2.4 = 4.4\,\mathrm{kg}$ de água por dia. 19. Uma membrana só consegue esticar alguns por cento, de modo que dobrar o volume de uma hemácia exige um grande excesso de membrana dobrado na forma bicôncava em repouso, e um citoesqueleto que a deixe desdobrar sem rasgar: as hemácias do camelo são ovais, com mais membrana por volume que as humanas. 20. $2\times 80\times 10^{-12}/0.65\times 10^{-18} = 2.5 \times 10^{8}$ . 21. $2.5 \times 10^{8}\times8 \times 10^{12}\times 40 = 7.9 \times 10^{22}$ . 22. $7.9 \times 10^{22}\times 750/6 \times 10^{23} = 99\,\mathrm{g}$ . 23. A difusão lateral mantém a cabeça na água e as caudas no óleo a cada passo, sem custo nenhum; passar de um folheto ao outro exige que a cabeça polar atravesse o núcleo hidrofóbico, uma barreira energética grande que a agitação térmica vence uma vez por semana. 24. Uma diferença entre folhetos só se desfaz na velocidade com que os lipídios passam de um ao outro; a uma vez por semana e por molécula, uma assimetria estabelecida por enzimas que transferem lipídios específicos (as flipases) persiste indefinidamente contra a passagem espontânea. 25. Cerca de $240\,\mathrm{kg}$ poupados — quase metade da massa corporal dele — por carregar $30\,\mathrm{kg}$ de gordura em vez de $270\,\mathrm{kg}$ de glicogênio hidratado; e a corcova não é um estoque de água: oxidá-la perde na respiração cinco vezes mais água do que produz.

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