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Química Aplicada, 10.º Ano Curso Profissional de Técnico de Análise Laboratorial

Módulo 3 – Biomoléculas

Constituintes orgânicos das células

Os constituintes orgânicos das células possuem propriedades e funções muito diversas. No entanto, todas possuem uma estrutura onde predomina um ―esqueleto‖ de carbono. O carbono, elemento químico predominante nestas moléculas apresenta uma característica invulgar: consegue formar um elevado número de compostos, devido ao facto de estabelecer quatro ligações estáveis e conseguir formar cadeias de comprimento muito variável. É vulgar que estes compostos de carbono apresentem uma estrutura com dimensões muito superiores àquelas que se encontram nos compostos não exclusivos dos seres vivos. As macromoléculas — polímeros — que constituem as células organizam-se a partir de outras, de menores dimensões — monómeros —, que por vezes se repetem em números muito elevados. Os glúcidos, os lípidos, as proteínas e os ácidos nucleicos são polímeros que se formam a partir de monómeros, respectivamente, oses, ácidos gordos e glicerol, aminoácidos e nucleótidos. Estas macromoléculas possuem funções (estruturais, energéticas, enzimáticas, gestão de informação, reserva, etc.) bem definidas em qualquer célula e provam ainda que também a nível molecular se verifica unidade biológica.

Glúcidos ou glícidos

Os glúcidos ou glícidos (por vezes menos correctamente designados por açúcares ou hidratos de carbono) são compostos formados por carbono, oxigénio e hidrogénio correspondendo à fórmula geral Cx(H2O)n. Regra geral, o número de átomos de carbono na molécula é igual ao número de átomos de oxigénio e metade do número de átomos de hidrogénio. Por exemplo, a fórmula molecular da glucose é C2H12O6. Estes compostos apresentam nas suas moléculas vários grupos hidroxilo (−OH), um grupo carbonilo (−C=O) e, nalgumas cadeias, surge ainda a função éter (R−O−R'). Devido à presença do grupo carbonilo, os glícidos podem possuir na sua constituição as funções aldeído, sendo designados por aldoses. A glucose linear é uma aldose. As moléculas lineares da frutose apresentam em vez da função aldeído a função cetona e, assim, é designada por cetose.

São frequentes os casos de isomeria entre os açúcares devido à grande dimensão das suas moléculas, podendo a cadeia carbonada apresentar vários arranjos possíveis. A frutose e a glucose são isómeros funcionais, possuem o mesmo número de átomos e fórmula de estrutura diferente.

Figura 1: Composição molecular de uma célula (valores médios). A água é o composto mais abundante nas células.

Figura 2: Fórmulas de estrutura da glucose: a A é linear e a B é cíclica.

Figura 3: Fórmulas de estrutura da frutose: a A é linear e a B é cíclica.

A B

A B

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Propriedades químicas dos glúcidos

Todos os açúcares que possuem a função aldeído podem reagir com determinados compostos (ditos oxidantes) transformando o grupo aldeído (−CHO) no grupo carboxilo (−COOH). O grupo aldeído confere à molécula a capacidade de ceder electrões a outras substâncias (capacidade redutora) o que é aproveitado para a detecção de certos glúcidos. Usando indicadores que, ao receber electrões, mudam de cor, é possível fazer uma detecção imediata da presença/ausência destas substâncias. Devido a estas propriedades, são chamados açúcares redutores e podem ser distinguidos dos outros açúcares através dos testes de específicos como o teste de Fehling ou o teste de Tollens. No teste de Fehling usa-se uma solução aquosa de iões Cu2+ em meio básico (cor azul forte) que reage, a quente, com o grupo aldeído do açúcar redutor. Devido a essa reacção os iões Cu2+ transformam-se em iões Cu+, que precipitam na forma de óxido de cobre I (CuO) de cor vermelho tijolo. No teste de Tollens faz-se reagir com o açúcar redutor uma solução aquosa de iões prata (Ag+) em meio amoniacal ([Ag(NH3)2]+). Obtém-se «um espelho de prata» devido à deposição da prata metálica formada na reacção.

Como as aldoses e cetoses se transformam umas nas outras através de equilíbrios específicos, podemos concluir que todos os monossacarídeos são redutores.

A importância que estes açúcares, nomeadamente a glucose, têm para nós, deve-se ao facto de, através da respiração, esta hexose ser decomposta em dióxido de carbono e vapor de água, com libertação da energia necessária ao funcionamento adequado das nossas células. C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Energia

Classificação de glúcidos

De acordo com a sua complexidade, consideram-se três grupos de glúcidos: 1. Monossacarídeos ou Oses (são os glícidos mais simples); 2. Oligossacarídeos (constituídos por 2 a 10 monossacarídeos unidos entre si); 3. Polissacarídeos (constituídos por mais de 10 monossacarídeos).

Monossacarídeos ou Oses

Açúcares como a glucose e a frutose fazem parte do grupo dos monossacarídeos ou, mais simplesmente, oses, que são os açúcares mais simples e cuja cadeia carbonada contém um número de átomos de carbono que varia entre três e seis. São muito solúveis em água devido à presença dos grupos hidroxilo, que estabelecem ligações de hidrogénio com as moléculas deste solvente. Os monossacarídeos naturais mais correntes são as pentoses, com cinco átomos de carbono por molécula (a ribose é um deles), e as hexoses, com seis átomos de carbono por molécula, das quais a glucose, a frutose e a galactose são as mais comuns. As pentoses e as hexoses são mais frequentes nos seres vivos e importantes no mundo biológico. Tanto as pentoses como as hexoses podem representar-se por uma fórmula estrutural em cadeia aberta, mas geralmente em solução as moléculas têm fórmula estrutural cíclica, constituindo anéis fechados de cinco ou seis átomos de carbono.

Figura 4: Fórmulas estruturais lineares dos monossacarídeos mais comuns

Glucose (hexose)

Frutose (hexose)

Galactose (hexose)

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Figura 5: Fórmulas estruturais cíclicas dos monossacarídeos mais abundantes nos seres vivos: A – Glucose; B – Frutose; C – Ribose; D - Desoxirribose.

Entre as pentoses destacam-se a ribose e a desoxirribose (possui menos um átomo de O que a ribose), as quais entram na constituição dos ácidos nucleicos.

Oligossacarídeos

Os oligossacarídeos resultam da ligação covalente de 2 a 10 oses. Esta ligação covalente – ligação glicosídica – efectua-se entre dois grupos hidroxilo (−OH) de dois anéis próximos, com libertação de uma molécula de água. Assim, esta é uma reacção de condensação os dois anéis intervenientes ficam ligados por um átomo de oxigénio. Os grupos hidroxilo que originam a ligação glicosídica são sempre vizinhos da função éter nos anéis reagentes. Os mais comuns são os dissacarídeos (formados por duas oses), como, por exemplo, a sacarose, a maltose e a lactose (açúcar do leite). Os dissacarídeos são também açúcares redutores, à excepção da sacarose, que é o açúcar que consumimos correntemente.

Ex: formação da maltose (dissacarídeo)

Ex: formação da sacarose (dissacarídeo)

Ex: formação da lactose (dissacarídeo)

A B C D

Glucose Frutose Sacarose

Galactose Glucose Lactose

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Polissacarídeos

Se a reacção de condensação entre monossacarídeos resultam se repetir pode constituir-se uma cadeia mais ou menos longa. Assim, os monossacarídeos podem originar compostos de cadeias longas, constituídos por mais de 10 oses. Estas cadeias longas são designadas por polissacarídeos ou ósidos e chegam a ser formados por centenas ou milhares de anéis. Os polissacarídeos mais comuns são:

Glicogénio (polímero de glicose que constitui uma reserva energética nos animais e em muitos fungos. Nos vertebrados acumula-se principalmente nas células hepáticas e nas células musculares);

Amido (polissacarídeo de reserva energética nas plantas);

Celulose (componente estrutural da parede celular dos vegetais). O glicogénio existente nos animais assim como o amido das plantas, nas suas duas variedades - a amilose (cadeia não ramificada) e a amilopectina (apresenta ramificações) - são formados a partir de moléculas de glucose. A diferença entre eles está no modo como os monómeros se ligam entre si.

A existência do amido é reconhecida através do teste do iodo; na presença do iodo, a amostra que contiver amido ficará com uma coloração azul-escura. Estes polissacarídeos são reservatórios de energia porque podem decompor-se em açúcares mais simples que, por sua vez, se desdobram mossacarídeos, por reacção com a água. Esta reacção, denomina-se hidrólise e é a reacção inversa da condensação. Para que se processe necessita de ser catalisada: por ácidos ou por enzimas (se tiver lugar em meio orgânico). De um modo abreviado, tem-se:

É o facto destes polissacarídeos se desdobrarem em glucose, a principal fonte de energia para as células vivas, que faz deles ―reservatórios de energia‖. Enquanto o nosso organismo é incapaz de obter a glucose a partir de substâncias mais simples, as plantas verdes conseguem-no através da fotossíntese.

A partir da glucose as plantas sintetizam o amido que depois ingerimos; posteriormente, esse amido transforma-se de novo em glucose que, por sua vez, ao decompor-se em CO2 e H2O pela respiração, fornece às nossas células a energia necessária aos processos bioquímicos que nelas se desenrolam.

Figura 6: Estrutura parcial da amilopectina

Figura 7: Estrutura parcial da amilose

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A celulose é o polissacarídeo mais abundante na Natureza e é ainda o principal material de suporte das plantas. É formada a partir da glucose, mas a posição em que os anéis se ligam é diferente da que se observa no amido e no glicogénio. É um polímero linear cujas cadeias interactuam por intermédio de várias ligações de hidrogénio, conferindo-lhe uma estrutura fibrosa. Contrariamente ao amido, a celulose não reage com o iodo e o nosso organismo não a consegue digerir, pois os enzimas que actuam sobre o amido, provocando a quebra das ligações glicosídicas, não conseguem actuar sobre as ligações da celulose devido ao diferente arranjo espacial desta.

Funções dos glúcidos

Estas moléculas desempenham duas funções importantes para os organismos vivos:

Função energética/reserva: muitos monossacarídeos são utilizados directamente em transferências energéticas. Alguns oligossacarídeos e polissacarídeos constituem reservas energéticas (exemplos: sacarose, amido e glicogénio);

Função estrutural: certos glícidos desempenham funções estruturais (exemplos: a celulose, que é um constituinte das paredes celulares vegetais e a quitina, que é um polissacarídeo constituinte do esqueleto externo de muitos crustáceos e insectos).

Lípidos

Os lípidos são um grupo heterogéneo de substâncias que têm em comum a sua insolubilidade na água e solubilidade em solventes orgânicos. Atendendo à sua composição química estes compostos podem ser classificados em: ácidos gordos, lípidos simples e lípidos complexos. Os ácidos gordos constituem longas cadeias hidrocarbonadas (com 14 a 22 átomos de carbono) que possuem numa das extremidades um grupo carboxilo (−COOH) e noutra um grupo metilo (−CH3). Os ácidos gordos podem ser saturados se nas suas cadeias hidrocarbonadas apresentam apenas ligações simples. Os ácidos gordos insaturados possuem, nas suas cadeias, ligações duplas (−C=C−) ou triplas (−C≡C−). Se possuírem ligações duplas e/ou triplas, tomam a designação de ácidos gordos polinsaturados.

Figura 8: Esquema representativo da estrutura da celulose mostrando as ligações de hidrogénio entre as diferentes cadeias

carbonadas.

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Os lípidos simples, também designados por glicéridos, ou mais comummente, por gorduras, são constituídos por ácidos gordos e um álcool, o glicerol. Atendendo a que uma molécula de glicerol contém 3 grupos hidroxilo, poderá formar ligações éster com um, dois ou três grupos hidroxilos de ácidos gordos, formando, respectivamente, monoglicéridos, diglicéridos e triglicéridos. Estes últimos são os mais abundantes na Natureza.

Como se depreende pelo esquema anterior, quando os ácidos gordos que intervêm na esterificação têm ligações duplas na sua cadeia carbonada, estas mantêm-se na estrutura dos glicéridos resultantes. As gorduras resultantes dizem-se insaturadas. O azeite e os óleos vegetais são gorduras insaturadas, líquidas à temperatura ambiente. São as melhores para a saúde!

Figura 9: Estrutura de dois ácidos gordos (A e B) e do glicerol (C)

Figura 10: Formação de um lípido. O radical R representa os restantes átomos das moléculas, sendo R o do ácido gordo e R’ o do glicerol.

Figura 11: Glicérido. Uma molécula de glicerol liga-se através de uma ligação éster (A) a três moléculas de ácidos gordos (B).

Esquema representativo da formação dos glicéridos. Se os radicais R, R’ e R’’ forem iguais, os glicéricos dizem-se simples, se forem diferentes entre si, os glicéridos dizem-se mistos.

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As margarinas e a manteiga são gorduras saturadas. Estas têm, em geral, maior temperatura de fusão que as insaturadas. Daí que se apresentem no estado sólido à temperatura ambiente. As margarinas podem ser obtidas por hidrogenação dos óleos, uma reacção de adição de H2 às ligações duplas C=C. Os lípidos complexos podem ter moléculas de ácidos gordos e glicerol na sua composição, juntamente com outras moléculas não lípidicas, como, por exemplo, ácido fosfórico; neste caso, o lípido denominar-se-á fosfolípido. Os fosfolípidos são os principais componentes das membranas celulares e apresentam uma estrutura particular. Cada uma possui duas moléculas de ácidos gordos, ligadas ao glicerol, que, por sua vez, se liga ao ácido fosfórico. Esta constituição confere ao fosfolípido características muito particulares, sobretudo na sua disposição na membrana celular. A região dos ácidos gordos (―caudas‖) é não-polar, o que a torna hidrofóbica, enquanto a zona da molécula onde se encontra o glicerol e o ácido fosfórico (―cabeça‖) é polar e, portanto, hidrofílica.

Figura 12: Fórmula estrutural de um fosfolípido, apresentando as três regiões de uma molécula fosfolípídica. O radical que se liga ao ácido fosfórico determina o tipo de fosfolípido.

Figura 13: A membrana celular é formada por uma dupla camada de fosfolípidos cujas ‘caudas’, hidrofóbicas, estão orientadas para o interior da membrana e as ‘cabeças’ estão em contacto com os meios aquosos intra e extra-celulares.

Para além dos lípidos já referidos, importa ainda mencionar os esteróides constituem que constituem lípidos simples, que não possuem ácidos gordos e glicerol, mas apresentam um núcleo policíclico. Os esteróides são abundantes nos seres vivos, participando na estrutura de membranas celulares (ex.: o colesterol) ou actuando como hormonas (ex.: testosterona e progesterona), regulando, assim, o funcionamento do organismo.

Funções dos lípidos

Os lípidos possuem várias funções biológicas, entre as quais:

Função de reserva (ex: os triglicéridos);

Função estrutural (ex: fosfolípidos e colesterol, que existem nas membranas celulares);

Função reguladora (ex: hormonas);

Função energética (ex: lípidos do tecido adiposo).

Prótidos

Os prótidos são compostos orgânicos constituídos por carbono, hidrogénio, oxigénio e azoto, podendo também conter outros elementos como enxofre, fósforo, magnésio, ferro e cobre.

Fosfolípido

Fosfolípido

Figura 14: Estrutura de alguns esteróides.

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De acordo com a sua complexidade, os prótidos podem ser classificados em: 1. Aminoácidos (unidades estruturais dos péptidos e das proteínas); 2. Péptidos (cadeias de dois ou mais aminoácidos); 3. Proteínas (macromoléculas constituídas por cadeias peptídicas associadas ou não a outros compostos

orgânicos ou inorgânicos).

Aminoácidos

Os aminoácidos são os prótidos mais simples, constituindo as unidades estruturais dos péptidos e das proteínas, uma vez que se podem ligar entre si formando cadeias de tamanho variável. Estes compostos possuem um grupo amina (−NH2), um grupo carboxilo (−COOH), um grupo radical (−R), que varia de aminoácido para aminoácido e um átomo de hidrogénio, todos ligados a um átomo de carbono.

Nos organismos vivos encontram-se cerca de 150 aminoácidos diferentes. Dentre eles, apenas 20 constituem constituem estruturas base das proteínas. Destes vinte aminoácidos existem oito que o nosso organismo não consegue sintetizar e que, portanto, devem fazer parte da nossa dieta diária.

Péptidos

Os péptidos resultam da união entre dois ou mais aminoácidos, através de uma ligação química covalente, denominada ligação peptídica. Esta ligação estabelece-se entre o grupo carboxilo de um aminoácido e o grupo amina de outro aminoácido, por uma reacção de condensação. Por cada ligação peptídica que se estabelece, forma-se uma molécula de água, pelo que o número de moléculas de água formadas é igual ao número de aminoácidos que intervêm menos um. Os péptidos formados por dois aminoácidos denominam-se dipéptidos, os que são formados por três, tripéptidos, e assim sucessivamente. As cadeias peptídicas podem conter mais de cem aminoácidos. Caso contenham entre 2 a 10 aminoácidos designam-se oligopéptidos, se possuem entre 11 a 99 aminoácidos são chamados de polipéptidos. Quando cadeia é formada por cem ou mais aminoácidos é designada por proteína.

Figura 16: Representação esquemática da estrutura de um aminoácido.

Figura 15: Fórmula estrutural de um aminoácido (serina).

Figura 17: Representação esquemática da formação de um dipéptido.

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Figura 18: Fórmulas estruturais planas dos 20 aminoácidos que podem ser encontrados na constituição das proteínas.

Proteínas

As proteínas são macromoléculas formadas por uma ou mais cadeias peptídicas e possuem uma estrutura tridimensional definida. Muitas delas são-nos familiares: hemoglobina (do sangue), insulina (sintetizada pelo pâncreas), albumina (constituinte da clara do ovo), queratina (existente na pele, unhas, cabelo, …) … As proteínas ―constroem-se‖ pela reacção de condensação entre aminoácidos com eliminação de água. A partir dos aminoácidos formam-se dipéptidos e polipéptidos que, por sua vez, se ligam, originando a proteína.

As proteínas podem apresentar-se com uma constituição exclusiva de aminoácidos, designando-se proteínas simples (por exemplo, albumina), ou integrar na sua composição outras moléculas diferentes sendo, então, designadas por proteínas conjugadas. Nestas últimas, incluem-se as glicoproteinas, as lipoproteinas, as nucleoproteinas e as hemeproteínas.

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Na Natureza existe um número considerável de prótidos diferentes. Sabe-se hoje que cada proteína tem o seu papel chave no desenrolar dos processos biológicos nos seres vivos. O carácter tão especial de cada proteína depende do seu comprimento, da complexidade da sua cadeia peptídica e, ainda, da estabilidade da sua forma espacial. Assim, o número e o tipo de aminoácidos que compõem as proteínas e a sequência com que estes se apresentam na molécula são determinantes para a formação do polímero final e condicionam a sua estrutura e função. A complexidade destas macromoléculas explica que a estrutura da cadeia peptídica se organize em quatro níveis: uma estrutura primária, uma estrutura secundária, uma estrutura terciária e uma estrutura quaternária. A estrutura primária é definida pelo tipo de aminoácidos presentes e respectiva sequência na cadeia peptídica. A sequência de aminoácidos que originam uma proteína pode ser determinada por decomposição de um fragmento (amostra) da cadeia peptídica através da reacção de hidrólise, processo inverso da reacção de condensação que a originou. Na reacção de hidrólise, o fragmento da cadeia peptídica reage com a água, em meio ácido, levando à ruptura das ligações peptídicas e recuperando os aminoácidos originais. Em seguida, os aminoácidos presentes na solução resultante podem ser identificados pelo processo de cromatografia ou por outros testes específicos.

A determinação da ordem pela qual os aminoácidos se ligam na cadeia peptídica é bem mais difícil de conseguir e só se pode obter pela libertação, um a um, dos aminoácidos presentes na cadeia, até que se descubra toda a sequência.

A estrutura secundária corresponde à forma como a cadeia peptídica se enrola sobre si mesma e deve-se às ligações de hidrogénio que se estabelecem entre as numerosas ligações peptídicas da cadeia peptídica. A ligação de hidrogénio forma-se entre o átomo de hidrogénio da ligação N−H (da ligação peptídica) e o átomo de oxigénio do grupo carbonilo C=O da outra ligação peptídica vizinha no espaço. As formas mais correntes das cadeias peptídicas são a hélice e a folha pregueada, também determinadas pelos resíduos aminoácidos presentes que podem ou não ajudar a estabilizar a estrutura da proteína.

Frequentemente, a hélice ou a folha pregueada enrola-se sobre si própria devido a atracções entre os radicais dos aminoácidos de vários pontos da molécula. A estrutura torna-se globular e designa-se terciária. Esta estrutura deve-se a interacções entre os resíduos aminoácidos que podem ser ligações de hidrogénio, caso possuam grupos de átomos fortemente polares, como os grupos −COOH e −NH2 ou ligações covalentes (bastante mais fortes que as anteriores) como é o caso das ligações −S−S− também chamadas pontes de dissulfureto.

Em algumas proteínas, como é o caso da hemoglobina, que possuímos no sangue, ocorrem várias destas cadeias polipeptídicas associadas por ligações não covalentes e nesse caso considera-se que a molécula possui uma estrutura quaternária.

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Figura 19: Níveis de organização estrutural de uma proteína.

Desnaturação das proteínas

As estruturas das proteínas são mantidas por ligações fracas. Quando são submetidas a determinados agentes, como calor excessivo ou variações de pH, estas ligações podem ser quebradas.

A quebra destas ligações provoca a alteração da estrutura terciária ou da estrutura quaternária da proteína e, consequentemente, a alteração da sua conformação e da sua funcionalidade. Diz-se que ocorreu a desnaturação da proteína. Na maioria dos casos essas modificações são irreversíveis.

Figura 20: Desnaturação de uma proteína.

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Funções das proteínas

A importância biológica das proteínas é enorme, desempenhando funções cruciais em diversos processos biológicos:

Função estrutural: fazem parte de todos os constituintes celulares (ex: a queratina que existe nas unhas e no cabelo);

Função enzimática: actuam como enzimas em quase todas as reacções químicas que ocorrem nos seres vivos (ex. a pepsina existente no suco gástrico);

Função de transporte: muitos iões e moléculas pequenas são transportados por proteínas (ex: a hemoglobina transporta O2 até aos tecidos);

Função imunológica (defesa): protegem-nos de microrganismos prejudiciais (ex: os anticorpos são proteínas);

Função motora: o tecido muscular contém proteínas na sua constituição (ex: miosina);

Função hormonal/reguladora: algumas hormonas têm constituição proteica (ex: insulina e adrenalina);

Função secundária de reserva: fornecem aminoácidos ao organismo durante o seu desenvolvimento (ex: a caseína existente no leite ou a albumina existente na clara do ovo).

Texto adaptado de: CARRAJOLA, Cristina; CASTRO, Mª Teresa; HILÁRIO, Teresa. (2007) ―Constituintes básicos‖. Planeta com vida – Biologia (Volume 2). Porto: Santillana Constância. Pp. 37 - 44;

LOURENÇO, Mª Helena; JÁCOME, Mª Guadalupe; RAMOS, Joana Campos (2003) ―De que são feitos os seres vivos‖. Da Biologia e da Geologia – Biologia 10º ano/Ensino Secundário. Lisboa: Lisboa Editora. pp. 30 – 39;

MENDONÇA, Lucinda Santos; RAMALHO, Marta Duarte (1998). ―No mundo dos compostos orgânicos‖. Jogo de Partículas – Química 11º ano. Lisboa: Testo Editora. pp. 164, 173, 181 – 189;

NELSON, David L.; COX, Michael; LEHNINGER, M. (2000), Principles of Biochemistry, 3ª ed. Nova Iorque: Worth;

PAULINO, Luís (2008). ―Constituintes básicos de uma célula‖. Página consultada a 6 de Junho de 2009 em http://geonovas.no.sapo.pt/Biomoleculas1.pdf;

SOARES, Rosa; SERRA, Lídia; ALMEIDA, Carla (2004). ―A matéria constituinte dos seres vivos‖ Biologia Humana – Curso Tecnológico de Desporto, 10º ano. Porto: Porto Editora. p. 31 - 40.

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