BIOLOGIA – módulo 01 INTRODUÇÃO AO

BIOLOGIA – módulo 01
INTRODUÇÃO AO ESTUDO DA BIOLOGIA
A Biologia é a ciência que estuda todas as formas vivas existentes
no planeta Terra. O significado etimológico da palavra representa:
“bio”= vida, “logia”= estudo, tratado de. Este conceito é o
bastante para imaginar a dimensão desta ciência e a participação
da espécie humana, como objeto do estudo e a única dentre todos
que desenvolveu capacidade de interpretá-la e estudá-la como
você iniciará agora. Veja que responsabilidade!
BASES DA BIOLOGIA MOLECULAR
Como toda matéria existente no Universo, a matéria viva é
composta de átomos dentre os quais se destacam o carbono
(C), o hidrogênio (H), o oxigênio (O), o nitrogênio (N), o
fósforo (P) e o enxofre (S). Observe que juntos, eles formam o
acrônimo “CHONPS”. Esses átomos se reúnem através de
ligações químicas de diversas naturezas formando moléculas e
substâncias que serão responsáveis pela constituição da
célula, unidade em forma e função de todos os seres vivos.
Iniciaremos nosso estudo a partir do entendimento das
substâncias que compõe a matéria viva. Estas são classificadas
em substâncias inorgânicas e substâncias orgânicas.
AS SUBSTÂNCIAS INORGÂNICAS
Fazem parte deste grupo, a água e os sais minerais. São
caracterizadas por não possuírem o átomo de carbono (C) como
elemento principal e por formarem arranjos moleculares bastante
simples.
Água
A água é a substância mais abundante na matéria viva
fazendo parte, em média, de 75 a 85% da massa total de um
ser vivo. Quando tentamos identificar formas de vida em
planetas longínquos, inicialmente devemos localizar essa
substância no ambiente. É essencial questionar-se qual o
motivo da importância da água para a natureza viva. Para isto,
iniciaremos identificando a formulação e algumas propriedades
apresentadas pela água.
Uma molécula de água é formada por dois átomos de
hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio (H2O). O arranjo
apresentado entre as duas ligações covalentes nestes átomos
dispõe-se em formato angular (≈104°) e não linear como pode
ser observado na figura abaixo.
•
Adesão/coesão: a adesão é a capacidade de atração entre as
moléculas de água e de outras substâncias. A coesão refere-se
à atração das moléculas de água entre si.
•
Dissolução/reação: a água pode dissolver substâncias polares
ou hidrofílicas pela capacidade de interpolar-se entre as cargas
negativas ou positivas de outras substâncias, desagregandoas. Também é o meio ideal para promover reações químicas
entre outras substâncias como veremos mais tarde na origem
da vida.
•
Calor específico: é a capacidade de armazenar energia em
forma de calorias (cal: quantidade de energia necessária para
aquecer 1 grama de água a 1°C), entre as pontes de
hidrogênio. Na temperatura média do nosso planeta é a
substância que melhor apresenta esta qualidade. Esta
propriedade é útil na manutenção da temperatura nos seres
homeotermos.
Sais minerais:
Os sais minerais participam em pequeníssimas quantidades
entre os corpos vivos (≈ 1%), porém são essenciais. No
quadro abaixo estão alguns dos principais sais da composição
biológica.
Íons
Ca2+
Mg2+
Na+, K+, Cl-
Fe2+, Fe3+
PO43-
HCO3-
AS SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS
As substâncias orgânicas são formadas por moléculas complexas e
têm carbono (C) como elemento principal.
Serão destacadas neste texto, as principais substâncias orgânicas
que compõe a matéria viva. São:
•
•
•
•
•
Este arranjo demonstrado faz com que a molécula de água
apresente-se polarizada, ou seja, com pólos positivos (+) do
lado hidrogênio e pólos negativos (-) do lado oxigênio. Uma
força de atração ocorre toda vez em que se reúnem moléculas
juntas. Este tipo de interação é chamada “ponte de
hidrogênio”, uma ligação fraca, mas que reúne moléculas no
estado líquido, nas gotículas e no estado sólido (gelo). Cada
molécula de água tem potencialidade para si ligar a outras
quatro moléculas, formando um arranjo do tipo tetraédrico.
Propriedades:
Além de atuar como solvente universal nos meios biológicos, a
água ajuda a controlar a regular a pressão osmótica, é um
meio de dispersão e transporte de outras substâncias que
entram e saem da célula. É importante destacar também as
seguintes propriedades:
•
Capilaridade: capacidade de aderir-se à superfície interna de
um capilar (tubo fino) e atrair outras moléculas consigo,
vencendo a força da gravidade dentro do tubo. Essa
propriedade é útil às plantas que necessitam de água até a
última folha e conseguem-na transportar sem gasto de
energia.
Principais funções
Participa da contração muscular, coagulação
sanguínea, compõe elementos esqueléticos e
dentes.
Participa da molécula de clorofila, essencial na
fotossíntese.
Participam da geração e condução do impulso
nervoso, da contração muscular (miocárdio), e da
manutenção do equilíbrio hídrico
Conduz os gases respiratórios através do tecido
sanguíneo.
Participam das ligações de alta energia como na
molécula do ATP (adenosina trifosfato) e também
fazem parte da composição de ossos e dentes.
Participa do equilíbrio do pH sanguíneo
funcionando como tampão.
Proteínas.
Lipídios.
Carboidratos.
Ácidos nucléicos.
Vitaminas.
Para facilitar a sua compreensão, é necessário o entendimento das
unidades que compõe cada grupo (monômeros), das ligações
existentes entre as unidades, e dos agrupamentos funcionais
formados e encontrados nas células (biopolímeros).
PROTEÍNAS
As proteínas são as substâncias orgânicas mais abundantes e
mais importantes dos organismos vivos (≈10 a 15%). São
formadas essencialmente pelos átomos de carbono (C),
oxigênio (O), hidrogênio (H), nitrogênio (N) e, às vezes,
enxofre (S). Esses átomos ligados formam as unidades
básicas: os aminoácidos ou monopeptídios.
As moléculas protéicas exercem funções muito variadas. São
proteínas as enzimas, os anticorpos, hormônios como a
insulina, estruturas como o colágeno, cílios e flagelos, pêlos e
unhas entre tantas outras.
Embora existam inúmeros tipos diferentes de proteínas
conhecidas, estas são formadas por apenas vinte aminoácidos.
Uma analogia perfeita seria compara-los às 23 letras do
alfabeto, montando as milhares de palavras existentes. Os
aminoácidos são distribuídos, quali e quantitativamente, nas
diversas proteínas conferindo suas diferentes propriedades nos
organismos.
1
BIOLOGIA – módulo 01
Para ser aminoácido uma molécula tem que apresentar um
grupamento ácido chamado carboxila (COOH–) e um
grupamento básico chamado amina (NH2+), ligados a um
mesmo átomo de carbono central chamado alfa (α). Encontrase também ligado a este átomo de carbono, um átomo de
hidrogênio (H) e um radical. É justamente este radical que
diferencia um aminoácido do outro.
3. Estrutura terciária.
É uma orientação das regiões da estrutura
secundária umas em relações às outras. Desta forma, começa
a aparecer uma estrutura globóide na molécula, passando a
assumir a forma de novelo.
4. Estrutura quaternária.
É o arranjo de subunidades terciárias formando uma
proteína complexa. A molécula da hemoglobina, por exemplo,
é composta de quatro cadeias de estrutura terciária: duas
designadas α e duas designadas β.
Enzimas
As células vegetais conseguem sintetizar os 20 tipos de
aminoácido, mas isso não ocorre entre os outros organismos.
Os aminoácidos produzidos por um organismo são chamados
de naturais, enquanto os que necessitam ser ingeridos, pois
não são sintetizados por ele, são chamados de essenciais. Um
aminoácido pode ser essencial para uma espécie e não ser
para outra. No caso da espécie humana, os aminoácidos
essenciais são lisina, triptofano, treonina, fenilalanina, valina,
metionina, leucina, isoleucina e histidina. Os naturais são
glicina, ácido glutâmico, ácido aspártico, arginina, alanina,
glutamina, asparagina, tirosina, serina, prolina e cisteína.
ATENÇAO !
Não é necessário decorar estes nomes; apenas se
acostume com eles.
As enzimas são catalisadores biológicos. Catalisador é uma
substância que acelera as reações químicas, mas não é
modificada durante o processo, podendo assim ser usada
repetidamente. São a maior e mais especializada classe de
moléculas protéicas. Praticamente, todas as reações biológicas
ocorrem em presença de enzimas, podendo-se dizer que, sem
elas, não seriam possíveis às reações necessárias à existência
dos seres vivos.
As enzimas (E) possuem uma região especial denominada de
sítio ativo, ao qual se liga o substrato (S). O substrato é
qualquer substância sobre a qual a enzima age: como
resultado desta interação, o substrato modifica-se
quimicamente, convertendo-se em um ou mais produtos (P).
Todo o processo pode ser reversível. Veja a reação:
E + S ↔ [ES] ↔ E + P
As enzimas possuem grande especificidade para os seus
substratos e freqüentemente não aceitarão moléculas com
diferentes configurações. Isto pode ser explicado supondo-se
que a enzima e o substrato possuem uma interação do tipo
“chave-fechadura”.
Os aminoácidos se combinam uns com os outros para formar
cadeias polipeptídicas. A ligação entre os aminoácidos se faz
pela carboxila de um, com o grupo amina do outro. Sai uma
molécula de água e surge uma ligação peptídica. Enquanto
a ligação é feita por desidratação, a quebra se dá por
hidrólise.
Como boas “estrelas”, as enzimas são muito exigentes no seu
trabalho. Necessitam sempre de uma temperatura e pH ideal
para executar suas atividades. Caso contrário, ficam inativas,
ou se desnaturam.
LIPÍDIOS
Estrutura das proteínas
Com relação à estrutura geral das proteínas, podemos
distinguir quatro tipos: estrutura primária, secundária, terciária
e quaternária.
Lipídios são substâncias orgânicas compostas basicamente por
C, H e O. São caracterizadas pela insolubilidade em água e
solubilidade em solventes orgânicos como o éter, álcoois e
clorofórmio. São compostas pela ligação entre moléculas de
ácidos graxos, mais outras de álcoois.
1. Estrutura primária.
É a leitura ou mapeamento da seqüência linear de
aminoácidos de determinada molécula protéica.
Os lipídios exercem diversas funções no organismo, tais como
estruturação da membrana plasmática, reserva de energia e
composição de hormônios como os hormônios sexuais.
2. Estrutura secundária.
É o arranjo espacial de aminoácidos vizinhos numa
molécula protéica. Geralmente adquirem uma configuração
helicoidal (α-hélice), estabilizada por pontes de hidrogênio
entre aminoácidos da mesma cadeia.
Os principais grupos de lipídios são:
2
•
•
•
•
glicerídeos: óleos e gorduras;
fosfolipídios: componentes das membranas celulares;
cerídeos: ceras;
esteróides: hormônios.
BIOLOGIA – módulo 01
Glicerídeos
Os glicerídeos são os lipídios armazenadores de energia
podendo, assim como os carboidratos, serem utilizados pela
célula para produção de energia. Apesar de fornecerem mais
calorias por grama do que os carboidratos, estes últimos são
preferidos pela célula por serem facilmente oxidados.
Os glicerídeos são formados pela ligação de ácidos graxos com
o álcool glicerol. Podem ser encontrados, à temperatura
ambiente, na forma líquida, representando os óleos
(geralmente de origem vegetal), ou na forma sólida,
representando as gorduras (geralmente de origem animal).
Cerídeos
São representados pelas ceras, mais comumente encontradas
nos vegetais, impermeabilizando as folhas.
São formadas pela ligação dos ácidos graxos com álcoois de
cadeias longas.
Esteróides
São formados pela ligação de ácidos graxos com álcoois de
cadeia fechada chamados de esteróis. Os principais álcoois são
o colesterol, que compõe os principais hormônios sexuais
masculinos e femininos, e o ergosterol, precursor da vitamina
D, encontrado nos vegetais.
CARBOIDRATOS
Os carboidratos também são chamados de glicídios, hidratos
de carbono, glucídios ou açúcares. São compostos formados
por átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio, podendo,
eventualmente, apresentar átomos de enxofre e nitrogênio.
Os carboidratos têm função basicamente energética, sendo,
dentre os compostos orgânicos, os que fornecem maior fonte
de energia para os seres vivos. Porém, alguns deles, como a
celulose e a quitina desempenham papel estrutural.
Os carboidratos podem ser divididos em três grupos principais:
•
Da mesma forma que há perda de uma molécula de água na
ligação éster entre um ácido graxo e o glicerol, existe a
entrada de água na separação dos componentes.
Fosfolipídios.
São lipídios como os glicerídeos, ligados a um grupo fosfato.
A membrana plasmática e todas as membranas celulares são
formadas basicamente por fosfolipídios e proteínas associados
sendo, por isso, chamadas de lipoprotéicas. Isto se deve ao
comportamento particular que os fosfolipídios têm em relação
à água: uma parte da molécula possui afinidade com a água e
outra parte não a possui. Diz-se que as moléculas são
formadas por uma “cabeça hidrofílica” e uma “cauda
hidrofóbica”.
•
•
monossacarídeos ou oses: açúcares simples,
moléculas pequenas;
dissacarídeos: açúcares formados pela reunião de dois
monossacarídeos;
polissacarídeos: açúcares complexos, moléculas
grandes.
Monossacarídeos ou oses
São açúcares simples que não sofrem hidrólise, ou seja, são as
unidades dos carboidratos. Sua fórmula geral é C(H2O)n,
sendo que o valor de n varia de 3 a 7. Os nomes dados aos
monossacarídeos são de acordo com o número de átomos de
carbono.
•
•
•
•
•
trioses: monossacarídeos com três átomos
carbono (C3H6O3);
tetroses: monossacarídeos com quatro átomos
carbono (C4H8O4);
pentoses: monossacarídeos com cinco átomos
carbono (C5H10O5);
hexoses: monossacarídeos com seis átomos
carbono (C6H12O6);
heptoses: monossacarídeos com sete átomos
carbono (C7H14O7);
de
de
de
de
de
ATENÇAO!
A pentose desoxirribose foge à regra da formulação
dos monossacarídeos. Sua fórmula é C5H10O4 .
Dentre esses monossacarídeos, os mais importantes são as
pentoses ribose e desoxirribose (que compõe parte dos ácidos
nucléicos), e as hexoses glicose, frutose e galactose.
Quando colocados em um meio aquoso, tendem a formar
naturalmente uma estrutura em bicamada, com as porções
hidrofílicas voltadas para o meio aquoso e as porções
hidrofóbicas voltadas para dentro, adjacentes entre si de
forma protegida da água.
Dissacarídeos
São formados pela união de dois monossacarídeos através de
uma ligação glicosídica. Essa ligação também libera uma
molécula de água, ou seja, ocorre síntese por desidratação.
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BIOLOGIA – módulo 01
Os dissacarídeos mais importantes são:
•
•
•
POLISSACARÍDEOS
ENERGÉTICOS
sacarose: açúcar da cana; formado por uma
molécula de glicose e uma de frutose;
lactose: açúcar do leite; formado por uma molécula
de glicose e uma de galactose;
maltose: açúcar típico dos vegetais; formado por
duas moléculas de glicose.
Amido
Tem função de reserva nos
vegetais (ex: batata).
Glicogênio
Tem função de reserva em fungos
e animais. Nos animais, é
encontrado principalmente nos
músculos e no fígado.
Polissacarídeos
São formados pela ligação de vários monossacarídeos unidos
entre si. Suas principais funções são estruturais ou
energéticas. Vejamos estes principais exemplos:
PRINCIPAIS POLISSACARÍDEOS
Celulose
Participa principalmente da
parede celular dos vegetais
Quitina
São açucares somados à
grupamentos amina (NH2). Ocorre
na parede celular de fungos e na
carapaça de artrópodes.
POLISSACARÍDEOS
ESTRUTURAIS
ÁCIDOS NUCLÉICOS
Existem basicamente dois tipos de ácidos nucléicos: o ácido
desoxirribonucléico ou DNA e o ácido ribonucléico ou
RNA. A composição, estrutura e função dessas substâncias
orgânicas serão explanadas no final do módulo quando forem
comentados sobre os assuntos síntese protéica e divisão
celular.
VITAMINAS
Quimicamente, as vitaminas não formam uma classe muito homogênea, sendo de diferentes origens químicas. As vitaminas A, D, E
e K são, por exemplo, lipossolúveis. As demais são classificadas em hidrossolúveis.
A seguir, são fornecidos dados sobre algumas das principais vitaminas.
VITAMINAS
A – Caroteno
B1 – Tiamina
B2 – Riboflavina
Gema de ovo, hortaliças verdes ou
SINTOMAS DE SUA DEFICIÊNCIA
Cegueira noturna; pele seca e escamosa.
amarelas, frutas, fígado e manteiga.
Cereal não-beneficiado, fígado e outras
Inflamação e degeneração dos nervos (beribéri,
carnes.
neurite), insuficiência cardíaca, distúrbio mental.
Cereais não-beneficiados, leite, ovos e
fígado.
Fotofobia, fissuras na pele.
B3 – Niacina ou ácido
Cereais não-beneficiados, fígado e outras
nicotínico
carnes.
B6 – Piridoxamina
Cereais não-beneficiados, fígado e peixe.
Dermatite, distúrbios nervosos.
B12 – Cianocobalamina
Fígado.
Anemia perniciosa.
C – Ácido ascórbico
Frutas cítricas, tomate e verduras.
Escorbuto, inflamação das mucosas.
D – Calciferol
Óleo de fígado, fígado, leite e gema de ovo.
Raquitismo.
Cereais, hortaliças com folhas verdes, óleos
Esterilidade, anemia, lesões musculares e
vegetais, gema do ovo e amendoim.
nervosas.
Verduras, frutas e óleo de fígado
Ausência ou dificuldade de coagulação sanguínea.
E – Tocoferol
K – Naftoquinona
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PRINCIPAIS FONTES
Pelagras, lesões da pele, distúrbios digestivos.
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CITOLOGIA
A citologia é a parte da biologia que estuda a célula. A
etimologia do termo é: “cito”= célula, “logia”= estudo.
Conceito:
É a unidade morfofisiológica dos seres vivos.
Histórico:
Examinando fragmentos de cortiça (rolha) em finos cortes
laminares, ao microscópio composto, Robert Hooke (1667)
observou pequenas cavidades ou celas. A denominação usada
em seu trabalho perdura até os dias atuais.
Teoria Celular:
Ao longo do tempo, o aperfeiçoamento dos microscópios levou
os cientistas a novas descobertas que se tornaram fatos
concretos e observados. Os postulados científicos abaixo são
chamados, hoje, de teoria celular.
Todos os seres vivos, animais (Theodor Schwann, 1839)
e plantas (Mathias Schleiden, 1838) são constituídos de
células.
Toda célula advém de uma outra preexistente (Rudolf
Virchow, 1855).
A maior parte das reações fisiológicas de um organismo,
acontece no interior das células.
•
•
•
Classificação:
A classificação celular é utilizada para promover um maior
conhecimento sobre a célula. Entre as principais classificações,
vamos destacar:
Quanto à
dimensão
Quanto à
especialização
ou
diferenciação
Quanto à
evolução
microscópicas: a grande maioria só pode ser
vista com auxílio de um microscópio óptico ou
eletrônico.
macroscópicas: pode ser vista a olho nu. Ex:
fibras do algodão, gomos da laranja, alguns
protozoários.
indiferenciadas, tronco ou totipotentes: são
células não especializadas. Ex: ovo ou zigoto,
blastômeros, da medula óssea vermelha.
diferenciadas: já apresentam especializações. Ex:
céls. do fígado, rins, pele, músculos, etc.
desdiferenciadas: são células diferenciadas que
perderam sua especialização. Ex: céls. neoplásicas
ou cancerosas.
procarióticas: são céls. desprovidas de sistema
de endomembranas, ausência de envoltório nuclear
ou carioteca e citoesqueleto. Ex. bactérias e
cianobactérias.
eucarióticas: são céls. com sistema interno de
membranas, citoesqueleto, carioteca, e maior,
1000x em média, que células procarióticas. Ex:
protistas, fungos, plantas e animais possuem
este tipo celular.
Agora que já adquirimos algum conhecimento sobre as
células, vamos entrar neste universo microscópico para
estudá-la com maiores detalhes. Resumidamente podemos
diferenciar três grandes estruturas celulares: A membrana
plasmática, o citoplasma e o núcleo (quando individualizado).
MEMBRANA PLASMÁTICA, MEBRANA CELULAR
OU PLASMALEMA.
A membrana da célula é uma película finíssima que assegura a
individualidade celular. É composta basicamente por
fosfolipídios e proteínas; pode às vezes apresentar colesterol,
ou açúcares aderidos à sua superfície externa como nas
células animais. Sua composição garante algumas de suas
propriedades dentre as quais podemos citar:
•
•
•
•
Resistência elétrica: lipídios apolares.
Capacidade de regeneração: fosfolipídios em meio
aquoso.
Permeabilidade seletiva: transitam apenas elementos
selecionados por tamanho ou afinidade.
Elasticidade e plasticidade: garantidos pela quantidade
de ácidos graxos insaturados presentes nas cadeias
hidrofóbicas e proteínas em estrutura ∝-hélice.
Modelo:
Como a membrana não pode ser visualizada numa célula viva,
os cientistas criaram modelos para sua forma. O modelo mais
aceito atualmente é o do “mosaico fluido” (Singer & Nicholson,
1972).
Ao longo da história da célula, uma das transformações
cruciais para o surgimento da vida pluricelular foi, sem dúvida,
o surgimento da célula eucariótica a partir de um procarionte
ancestral. Os registros fósseis mostram que nosso planeta já
possuía células procarióticas a 3,5 bilhões de anos atrás. A
célula eucariótica surge a 1,5 bilhão de anos, provavelmente
pela evolução da célula procariótica. Duas grandes hipóteses
tentam esclarecer este fato.
•
•
Evaginações da membrana (Robertson): segundo
esta hipótese, um procarionte que aumentasse seu
volume celular por evaginações e invaginações de sua
membrana poderia fusioná-las mais tarde, adquirindo
um volume significativamente maior.
Endossimbiose (Lynn Margulis): Uma célula de
tamanho avantajado poderia englobar células menores
durante sua alimentação. Em vez de digerí-las, passaria
a sobreviver juntas, trocando favores. Órgãos como
mitocôndrias e cloroplastos teriam esta origem (figura a
seguir).
Segundo este modelo, a membrana celular apresenta uma
bicamada lipídica. Os fosfolipídios (1) encontram-se com sua
extremidade hidrofílica voltada para os meios intra e
extracelular, enquanto suas duas caudas hidrofóbicas ficam
retraídas para dentro, protegidas da água. As proteínas
globulares (2) encontram-se mergulhadas na matriz lipídica
sem posição fixa, pois se trata de uma mistura fluida.
Externamente à membrana podem ser encontrados filamentos
de açúcar (3) ligados às proteínas e fosfolipídios.
5
BIOLOGIA – módulo 01
As membranas de células isoladas ou em tecidos podem
apresentar especializações que facilitem a sobrevivência da
célula como um todo.
Estruturas de absorção e juncionais:
Microvilosidades: Protuberâncias encontradas na região
terminal da célula cuja função é aumentar a superfície de contato
da célula com o meio exterior. Ex: células intestinais, céls. dos
túbulos renais, etc.
Barra ou trama terminal: Adesão entre membrana encontradas
nas regiões terminais das células justapostas.
Desmossomos: Ao nível dos desmossomos, fibras protéicas ou
tonofibrilas reforçam as regiões internas intracelulares e, entre as
membranas é encontrada uma substância cimentante.
interdigitações: Trajeto sinuoso realizado pelas duas
membranas juntas auxiliando no fator de união entre as células
vizinhas.
Reforços e comunicações:
As células de fungos, bactérias, alguns protistas e vegetais,
apresentam estruturas de reforço externo à membrana
plasmática denominada de PAREDE CELULAR. Em bactérias a
parede celular é composta de peptoglicano, substância de
natureza glicídica e protéica. Nos fungos a parede celular é de
quitina. Nos protistas e nas plantas, a substância presente,
mais freqüentemente, na parede celular é a celulose. Nestes
grupos, a parede celular recebe uma denominação especial de
membrana celulósica.
Nas células animais, pode ocorrer um reforço externo de
glicolipídios e glicoproteínas denominado de glicocálix. Sua
função, além de reforço, pode ser de adesão, nutrição na
captura de alimentos para a célula, e no reconhecimento
celular.
Entre células vegetais também é comum uma estrutura de
comunicação denominada plasmodesmos. Trata-se de
aberturas ou poros delimitados pela membrana, que comunica
citoplasmas de células adjacentes, permitindo inclusive, trocas
de substâncias dissolvidas.
Transporte através das membranas:
Os processos de troca de substâncias entre a célula e meio
externo podem ser agrupados em duas categorias:
•
Transporte passivo - feito a favor de um gradiente
de concentração e sem gasto de energia para a
célula.
•
Transporte ativo – realizado contra um gradiente de
concentração e com gasto de energia para a célula.
A concentração de um determinado meio refere-se à relação
entre duas fases, soluto e solvente. Para evitar concentrações
quantitativas ou numéricas, vamos estabelecer denominações
qualitativas.
Meio hipotônico
Meio isotônico Meio hipertônico
Soluto
Soluto
Soluto
<
=
>
Solvente
Solvente
Solvente
O transporte passivo pode ocorrer na célula sobre diferentes
modalidades. Na difusão simples, um soluto pode atravessar a
membrana do meio onde ele está mais concentrado
(hipertônico) para o meio onde ele está menos concentrado
(hipotônico). Uma difusão de solutos pode ser considerada do
tipo “facilitada” quando uma partícula atravessa uma
membrana auxiliada pelo componente protéico, uma
“permease”.
Quando a membrana bloqueia de forma seletiva um
determinado soluto, o solvente pode tentar equilibrar a
concentração dos dois meios, realizando osmose. A osmose é
o trânsito de solvente do meio onde ele está mais concentrado
(hipotônico), para o meio onde ele está menos concentrado
(hipertônico).
ATENÇÃO! Memorize a osmose como sendo a migração
da água (solvente) do meio hipo para o hiper. Isto
facilita a fixação do assunto!
A entrada de líquido numa célula por osmose é mais comum
do que se imagina. As plantas, por exemplo, sobrevivem na
necessidade de chuva para umedecer suas raízes e admitir
água passivamente, pois, seu conteúdo intracelular é sempre
hipertônico em relação ao meio externo; o meio hipertônico é
mantido por uma organela denominada vacúolo de suco
celular. Contudo, nas células animais, a ausência de parede
celular pode promover a ruptura celular devido à pressão
osmótica.
Osmose em células animais e vegetais:
As células da coluna I estão túrgidas por estarem
mergulhadas em meio hipotônico. Só a célula vegetal
consegue resistir a este estado; as células animais podem
romper-se com a pressão osmótica, fenômeno denominado de
plasmoptise. Em II, as células estão em isotonia com seus
meios externos, e em III, ambas estão plasmolisadas por
estarem mergulhadas em meio hipertônico. Este último estado
pode ser normalizado colocando estas células novamente em
meio hipotônico, ação denominada de deplasmólise.
Nas células vegetais, a atuação da força antagônica da
membrana celulósica versus a pressão osmótica pode ser
calculada através de uma fórmula simples:
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BIOLOGIA – módulo 01
Sc= Si – M, sendo
Sc – Força de sucção total da célula.
Si – Força de sucção interna do vacúolo.
M – Força de resistência da membrana.
Numa célula plasmolisada as incógnitas comportam-se da
seguinte maneira: M=0, então Sc=Si. Isto porque a
membrana celulósica não está exercendo força.
Numa célula túrgida: Si=M, então, Sc=0. Isto porque a célula
vegetal não se rompe. A membrana resiste a força exercida
pela entrada de água na célula, concluindo-se que houve
anulação das duas forças.
Atenção! Jamais assuma que a célula não admite mais
água. O certo é que a mesma quantidade de água que
entra numa célula túrgida é a mesma que sai.
O transporte ativo através das membranas exige sempre que a
célula disponibilize sua reserva energética sobre a forma de
ATP. As modalidades de transporte ativo incluem: as bombas
de íons, a endocitose e a exocitose.
As bombas de íons são proteínas enzimáticas da membrana
plasmática que possuem capacidade de criar gradientes de
concentração de íons diferentes entre a célula e o meio, e
entre compartimentos celulares e o próprio citoplasma celular.
O exemplo abaixo mostra uma das mais famosas bombas de
íons, a ATPase de Na e K.
Em processos de expulsão de materiais para fora da célula,
uma vesícula interna funde-se à superfície da membrana e em
seguida, seu conteúdo é liberado. Este fenômeno denomina-se
exocitose. Quando o conteúdo liberado pela exocitose é de
material residual podemos chamar de clasmocitose, excreção
ou defecação celular; quando o conteúdo ainda será útil fora
da célula, devemos chamá-lo de secreção.
Importante:
Células humanas podem fagocitar ativamente. São glóbulos
brancos do sangue denominados de macrófagos e neutrófilos.
Quando partículas virais, restos de bactérias ou bactérias
vivas, células mortas, etc., são encontradas no organismo,
estas células atuam como lixeiras, atravessando os interstícios
dos capilares sanguíneos (diapedese), englobando e
destruindo estes materiais. Esta atuação pode lhes custar a
vida, levando à formação do pus quando mortas.
Esta proteína integral da membrana trabalha contra o
gradiente de concentração mantendo valores intracelulares
mais elevados de K+ e valores extracelulares maiores de Na+.
Estes valores são mantidos em células sanguíneas como os
eritrócitos, e em células nervosas. Nas células nervosas, estes
gradientes funcionam na geração e transmissão do impulso
elétrico.
Quando partículas necessárias, mas de maior tamanho,
precisam entrar na célula, um investimento energético visa
deslocar correntes citoplasmáticas que deformam a membrana
plasmática com auxílio do citoesqueleto, com intuito de
conduzir esses materiais por fagocitose ou pinocitose. Esses
mecanismos são chamados de endocitose. A fagocitose é o
englobamento de partículas sólidas através da emissão de
pseudópodos (“pseudo”= falsos; “podos”= pés. A pinocitose
trata-se da invaginação da membrana para recolhimento de
materiais dissolvidos em gotículas de água.
CITOPLASMA
A etimologia do termo “plasma” significa matéria. O plasma da
célula inclui todos os componentes com exceção do núcleo
celular.
O citoplasma de uma célula pode ser dividido, ao nível de
estudo, em duas grandes partes: citoplasma fundamental,
citossol, hialoplasma; e citoplasma figurado.
7
BIOLOGIA – módulo 01
A parte do citoplasma fundamental é representada pelas
substâncias
dissolvidas
em
uma
matriz
coloidal;
aproximadamente 85% deste componente é água. Já o
citoplasma figurado é representado pelas organelas ou
orgânulos e pelo conjunto de substâncias não dissolvidas de
tamanhos maiores chamadas de inclusões (Ex: gotículas de
lipídios, açucares, cristais, etc.).
CÉLULA VEGETAL
A seguir veremos os três tipos morfológicos celulares
principais com seus respectivos componentes. É ideal que
você saiba reconhecer os orgânulos celulares, sua função, e
em quais tipos celulares eles estão presentes.
CELULA PROCARIÓTICA
CÉLULA ANIMAL
Ao término deste módulo você deverá saber substituir sozinho,
todos os números que estão representando as estruturas
celulares, pelos seus respectivos nomes.
Nos quadros abaixo você irá conhecer todos as principais
organelas celulares, suas formas, composições, funções, e
generalidades.
RIBOSSOMOS ou GRÂNULOS DE PALADE
Forma
Duas subunidades globulares denominadas de
60S (subunidade maior) e 40S (subunidade
menor):
Composição
Generalidades
8
RNA ribossômico e proteínas.
Organóide universal, não delimitado por
membrana, responsável pela síntese de
proteínas nas células apresentando-se na forma
de cadeias, quando ligado à fita do RNA
mensageiro (polissomos), podendo está aderido
ao Retículo Endoplasmático Rugoso.
BIOLOGIA – módulo 01
RETÍCULO ENDOPLAMÁTICO
Forma
Rede de vesículas, túbulos, cisternas, laminadas
ou tubulares, e contíguos à superfície o
envoltório nuclear.
LISOSSOMO
Forma
Orgânulos arredondados:
Composição
Composição
Dotados de membrana lipoprotéica de natureza
similar à membrana plasmática e lúmem interno
composto de água, substâncias dissolvidas e
enzimas específicas.
Generalidades
RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO
Responsável pela síntese de proteínas geralmente
fabricadas na célula, mas exportadas por secreção
ou para a membrana plasmática. Suas rugosidades
são os ribossomos aderidos que fabricam as
proteínas as quais são depositadas no lúmem.
RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO LISO
Responsável pela montagem dos lipídios e
hormônios derivados de lipídios, inativador de
substâncias tóxicas e também dos hormônios por
ele fabricados. Na célula muscular estriada, adquire
a função de armazenador de Ca2+, responsável por
desencadear a contração muscular (retículo
sarcoplasmático).
Organóides
membranosos
que
possuem
internamente cerca e 50 tipos diferentes de
enzimas hidrolíticas mergulhadas em pH ácido
(≈ 5,0)
Generalidades É formado a partir do complexo de Golgi, mas
com
enzimas
fabricadas
pelo
retículo
endoplasmático rugoso. Podem desencadear três
tipos de atividades no interior das células:
Autofagia:
Outros orgânulos debilitados e envelhecidos são
englobados por vesículas oriundas do retículo
endoplasmático liso e, em seguida, são
submetidos às enzimas pela fusão das
membranas. Nas células vegetais, lisossomos
denominados de “esferossomos” desempenham
esta função.
Heterofagia:
Acontece em células de organismos heterótrofos.
O objetivo final é digerir materiais trazidos à
célula por fagocitose ou pinocitose. Os materiais
digeridos pelas enzimas lisossômicas são
aproveitados pela célula; os materiais não
digeridos são eliminados por vesículas residuais
por clasmocitose.
COMPLEXO DE GOLGI
Forma
Vesículas membranosas achatadas, dispostas
paralelamente entre si.
Composição
Membrana lipoprotéica similar à membrana
plasmática e lúmem interno composto de água,
substâncias dissolvidas e enzimas específicas.
Generalidades Tem como função armazenamento, montagem,
transporte, secreção e excreção de substâncias. Ele
ainda é responsável pela formação da lamela média
nas células vegetais em divisão, liberação de
vesículas lisossômicas e formação do acrossomo do
espermatozóide.
Autólise:
O interior das vesículas lisossômicas é mais ácido
que o citossol graças à bombas de íons em sua
membrana que transportam prótons H+ para seu
interior. Porém, a natureza das enzimas e o pH
lisossômico podem custar a vida da célula. A perda
de estabilidade da membrana pode derramar o
conteúdo lisossômico no interior do citoplasma
matando a célula.
Os
fenômenos
autolíticos
podem
ocorrer
acidentalmente como na doença “silicose”, ou de
forma programada nos tecidos em formação
(APOPTOSE). Ex: cauda do girino, membranas
interdigitais e eritrócitos humanos, etc.
PEROXISSOMOS e GLIOXISSOMOS
Forma
Arredondada como os lisossomos.
Composição
Membrana lipoprotéica e enzimas específicas.
Generalidades
Peroxissomos:
Presentes em todas as células eucarióticas,
estas vesículas são oriundas do retículo
endoplasmático liso. Uma enzima denominada
catalase ou peroxidase é responsável pela
degradação da água oxigenada ou peróxido de
hidrogênio (H2O2), produto do metabolismo
normal da célula.
9
BIOLOGIA – módulo 01
Generalidades Glioxissomos:
Estas vesículas só são encontradas em
células eucarióticas de protozoários, fungos
e plantas, porém jamais em células animais.
Sua função é desempenhada por enzimas
denominadas de glioxidases capazes de
converter cadeias lipídicas em açucares.
VACÚOLO
Forma
Composição
Generalidades
Vesículas na maioria assimétricas.
Variável e dependente da função.
Os vacúolos, ao contrário do seu nome
(vácuo= vazio), possuem conteúdo interno.
Abaixo serão comentados alguns dos vacúolos
mais conhecidos.
Vacúolos do ciclo lisossômico:
Vacúolo autofágico (autofagossomo), vacúolo
alimentar (fagossomo e pinossomo), vacúolo
digestivo, vacúolo residual.
Vacúolo de suco celular:
Presentes nas células vegetais e possui dupla
função, admissão de água por osmose e
armazenamento de pigmentos, sais, etc.
Vacúolo pulsátil ou contrátil:
Vacúolo
encontrado
em
organismos
unicelulares do grupo dos protozoários de água
doce. Sua função é retirar o excesso de água
que entra na célula por osmose.
Composição
Cada microtúbulo é composto de tubulina,
proteína com grande poder de polimerização e
despolimerização, formadora do citoesqueleto e
das fibras do fuso mitótico. Internamente, cada
centríolo apresenta moléculas próprias de DNA,
RNA
e
ribossomos.
Isto
permite
sua
autoduplicação e a síntese de suas proteínas.
Generalidades Os centríolos não são encontrados nas células de
vegetais superiores como as gimnospermas e
angiospermas.
São responsáveis pela formação dos cílios e
flagelos, estruturas recobertas de membrana
responsáveis pela movimentação celular ou pela
movimentação do meio circundante.
CITOESQUELETO
Além dos microtúbulos citados acima, uma célula eucariótica
contém microfilamentos protéicos entrelaçados no interior do
citoplasma cuja função é manter a forma tridimensional da
célula, ordenar movimentos de vesículas e promover
movimentos da célula como um todo. Um exemplo prático
seria o da célula muscular onde os microfilamentos de actina e
miosina interagem no sentido de encurtar o volume da fibra
muscular sob estímulo nervoso.
ATENÇÃO! Nosso vestibular não trabalha com
organelas isoladas. As questões visam interagir
estruturas e funções para dinamizar o conhecimento
celular.
PRODUÇÃO DE ENERGIA NA CÉLULA
CENTRÍOLOS OU CENTROSSOMOS
Forma
Dois cilindros não membranosos formados por
pequenos microtúbulos alinhados, dispostos
perpendicularmente entre si.
10
No universo biológico existem duas categorias distintas de
organismos: os autótrofos, que produzem seu próprio
alimento utilizando fontes de energia e substâncias inorgânicas
disponíveis na natureza, e os heterótrofos, que, por não
produzirem seu alimento, têm que consumir àqueles
produzidos pelos autótrofos predando diretamente a sua
estrutura, ou a de outro organismo heterótrofo da cadeia
alimentar. Ecologicamente estes organismos são classificados
em produtores e consumidores.
As células exercem continuamente atividades que necessitam
de matéria e energia. A energia por sua vez necessária para
todos os organismos vivos é aquela mobilizada nas ligações
químicas das moléculas. Como não conseguimos utilizá-la
diretamente de uma só vez, aprisionamos esta fonte de
energia em uma molécula denominada de ATP (Adenosina
BIOLOGIA – módulo 01
Tri-fosfato), um nucleotídeo de adenina com a soma de mais
duas ligações fosfato de alta energia. O ATP funciona como
uma mini-bateria que pode ser recarregável no metabolismo
de síntese (anabolismo) e descarregada no metabolismo de
quebra (catabolismo).
Antes de dar início ao processo da fotossíntese, torna-se
necessário penetrar no universo da física para estudarmos a
luz.
A luz solar que incide sobre o nosso planeta representa uma
pequena parte da energia radiante fornecida pelo Sol. O
espectro visível aos olhos humano e também, aproveitado pela
fotossíntese, é composto das emissões radiantes que
apresentam comprimento de onde (λ) de 390 a 760nm (nm=
nanômetros= 10-9m). Juntos, todos os espectros representam
o branco, mas quando separados, vemos as seguintes cores:
violeta, anil, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho. Basta
examinar o arco-íris para entender melhor. A refração da luz
solar nas gotículas de água durante uma chuva fina nos
mostra os diferentes espectros da luz branca.
Os produtores são os organismos responsáveis pela
manutenção da vida no nosso planeta. A seguir estudaremos
os meios pelos quais estes organismos montam as moléculaschave dos processos energéticos através do anabolismo. As
principais fontes de energia disponíveis para eles são: a luz
solar (fotossintetizantes) e a química de compostos
inorgânicos (quimiossintetizantes).
Fotossíntese.
A representação química do processo fotossintético revela a
idéia geral dos materiais utilizados na construção de moléculas
orgânicas, além da energia luminosa.
Reação:
6CO2 + 12H2O + energia → C6H12O6 + 6H2O+ 6O2 ↗
Esta reação ocorre no
denominado de plasto.
interior
de um órgão celular
Tipos de plastos:
Plastos brancos ou leucoplastos – apresentam materiais de
reserva dentro da sua estrutura interna. Proteoplastos
armazenam proteínas, amiloplastos armazenam amido e
oleoplastos armazenam lipídios.
Plastos coloridos ou cromoplastos – os pigmentos internos dão
origem a cor. Xantoplastos são amarelos, eritroplastos são
vermelhos e cloroplastos são verdes.
Nos vegetais terrestres os pigmentos mais abundantes são
denominados de clorofilas. Dentre as clorofilas, os tipos A e B
estão representados no gráfico acima. Ao observar a cor verde
de um vegetal, isto significa que os pigmentos abundantes na
folha estão refletindo esta cor. As zonas do espectro que
representam violeta/azul e laranja/vermelho, apresentam os
maiores picos de absorção dos dois tipos de pigmentos.
O processo fotossintético é dividido em duas etapas distintas:
FASE CLARA, LUMINOSA, FOTOQUÍMICA:
Ocorre na presença de luz.
•
Fotofosforilações cíclica e acíclica.
→ fotólise da água.
FASE ESCURA, QUÍMICA ou ENZIMÁTICA:
Ocorre tanto na ausência como na presença de luz.
•
Ciclo das pentoses ou ciclo de Calvin & Benson.
→ Fixação/redução do dióxido de carbono.
FASE CLARA, LUMINOSA, FOTOQUÍMICA:
Esta fase ocorre nas membranas dos tilacóides e nas lamelas,
pois é lá que se encontram os pigmentos. Nestes locais, os
pigmentos apresentam-se agregados entre si formando os
fotossistemas I e II, mergulhados na camada bilipídica da
membrana.
Os plastos coloridos são capazes de realizar a fotossíntese
justamente pela presença de pigmentos que promovem a
captação da luz. Os pigmentos ficam localizados na membrana
interna dos tilacóides e lamelas. Internamente, no estroma,
são encontrados enzimas metabólicas específicas, DNA, RNA e
ribossomos (podem fazer autoduplicação como os centríolos).
Na fotofosforilações cíclica e acíclica, uma planta se prepara
para reunir energia sob a forma de ATP para realização de
uma segunda etapa não dependente diretamente da luz.
11
BIOLOGIA – módulo 01
FASE ESCURA, QUÍMICA ou ENZIMÁTICA:
Esta etapa ocorre no estroma do cloroplasto e, por isso, não
necessita da luz. Para realização, no entanto, é exigida a
produção da fase clara: ATP como fonte de energia disponível,
NADPH2, como fonte de hidrogênios para redução do CO2 e
montagem da glicose C6H12O6. Esse fenômeno denominado
ciclo das pentoses foi descoberto pelo Dr. Melvin Calvin.
Na fotofosforilação cíclica, a luz incide sobre o fotossistema I.
As moléculas de clorofila que formam este fotossistema
absorvem a luz com maior intensidade na região do espectro
de 700nm de comprimento de onda.
A incidência da luz excita as clorofilas, que emitem seus
elétrons para orbitais mais elevados. Um aceptor chamado
ferredoxina captura esses elétrons e, em seguida, promove a
liberação para outras proteínas da membrana com capacidade
para recebê-los. Entre estas proteínas estão os citocromos
cuja composição apresenta íons de Cobre (o cobre é um ótimo
condutor de eletricidade). Ao transitar pelos citocromos, os
elétrons perdem energia; esta energia então, é utilizada para
montar moléculas carregadas de ATP. Os elétrons que
perderam energia, retornam aos orbitais iniciais formando um
ciclo, podendo ser novamente excitados.
Na fotofosforilação acíclica outro conjunto de pigmentos com
absorção na área de 680nm (fotossistema II), participa
conjuntamente com o fotossistema I.
Na etapa escura, três pentoses chamadas ribulose difosfato
(RuBP) foram ativadas com energia cedida pelo ATP e
recebem três moléculas gasosas de CO2 capturadas pela
planta. A soma dos 5 carbonos de cada pentose com 1
carbono do CO2 forma um composto instável de 6 átomos de
carbono que se rompe ao meio formando dois de 3 carbonos;
como são três pentoses, formam-se 6 trioses. A ativação
complementar com energia e a redução das trioses com
hidrogênios cedidos pelo NADPH2 forma seis moléculas de
gliceraldeído fosfato (G3P). Uma delas sai do ciclo e, as cinco
que permanecem podem formar novamente três pentoses
ativadas para mais um ciclo. Cada duas moléculas de
gliceraldeído formadas geram uma de glicose montada.
Quimiossíntese.
Este fenômeno apenas é realizado por bactérias chamadas de
quimiossintetizantes. Estes seres conseguem extrair energia
da oxidação de moléculas inorgânicas para fabricar seu próprio
alimento. São:
A luz promove a dupla excitação dos dois fotossistemas ao
mesmo tempo. Os elétrons do fotossistema II, ao percorrerem
a cadeia de citocromos, cedem energia para a formação de
mais moléculas de ATP, porém não retornam ciclicamente
para o fotossistema II. Seus elétrons vão equilibrar aqueles
perdidos pelo fotossistema I. Os elétrons do fotossistema I, ao
serem aceptados pela ferredoxina, são transferidos para um
transportador de hidrogênios conhecido como NADP
(Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo Fosfato). Esta substância
fica parcialmente reduzida com o ganho dos elétrons cedidos.
No processo acíclico, não há um fechamento em equilíbrio
eletrônico das moléculas que participaram do processo. Em
1937, um cientista chamado Hill, descobriu a correção para
este desequilíbrio. A fotólise da água, poderia liberar prótons e
elétrons de hidrogênio para preencher, ao mesmo tempo, com
cargas positivas o NADP (de parcialmente reduzido NADP--,
passaria a NADPH2), e com cargas negativas, o fotossistema II
que havia cedido seus elétrons mas não os tinha recebido de
volta. O uso dos hidrogênios da molécula de água explicaria a
liberação de oxigênio molecular (O2) pelas plantas durante a
fase clara da fotossíntese.
12
Sulfobactérias – usam o H2S ou gás sulfídrico para oxidação.
Ferrobactérias – usam o FeO ou óxido ferroso para oxidação.
Nitrobactérias – usam NH3 (amônia), NO2- (nitrito) para
oxidação.
Hidrogenobactérias – usam o H2 ou gás hidrogênio para
oxidação.
LEMBRE-SE! Uma molécula ou composto quando oxida,
perde cargas, quando reduz, ganha.
Os organismos consumidores num ecossistema dependem
direta ou indiretamente dos produtores. A heterotrofia implica
em obter energia de alimentos produzidos pelos autótrofos.
Contudo, as plantas e todos organismos os outros organismos
autótrofos, também têm que consumir aquilo que produziram
através de reações de catabolismo.
Os processos de catabolismo mais conhecidos são a
fermentação, processo que ocorre na ausência de oxigênio
(anaeróbico), e a respiração aeróbica, dependente do
oxigênio.
BIOLOGIA – módulo 01
Fermentação.
Para realizar fermentação um organismo não necessita de
organelas citoplasmáticas. As enzimas necessárias para
desencadear todo o processo são encontradas no citossol.
As fermentações podem ser de três tipos: lática, alcoólica e
acética. Embora os produtos finais sejam diferentes, todas
iniciam pela mesma etapa; a glicólise.
Fermentação Acética:
A fermentação lática ocorre comumente em bactérias como as
que causam coagulação do leite. Porém, células humanas em
“fadiga muscular ou câimbra” por escassez de oxigênio,
podem optar pela fermentação lática de maneira anaeróbia
levando ao acúmulo de ácido lático nos músculos.
A fermentação alcoólica pode acontecer em tecidos vegetais,
mas é mais comum entre as leveduras ou fungos. O
Saccharomyces cerevisiae é utilizado na indústria das bebidas
alcoólicas e nas padarias para insuflar os pães e bolos.
A fermentação acética é realizada pela espécie de bactéria
Acetobacter aceti que converte vinho em vinagre.
Respiração aeróbica.
Na respiração aeróbica, o gás molecular de oxigênio
substituirá o ácido pirúvico na recepção final dos prótons e
elétrons de hidrogênio. O NAD é um aceptor temporário de
hidrogênios; estes prótons não poderão ser soltos na solução,
pois abaixariam o pH celular tornando as enzimas inativas.
Nas células eucarióticas a utilização de oxigênio na quebra da
molécula de glicose dá-se no interior de uma organela
chamada Mitocôndria. As células procarióticas também podem
respirar aerobicamente utilizando proteínas inseridas na sua
membrana plasmática.
A glicólise (“glico”= açúcar glicose; “lise”=quebra) pode ser
resumida em 5 sub-etapas.
1ª
2ª
3ª
4ª e
5ª
Ativação da glicose com energia do ATP (-2ATPs)
Lise ou quebra da glicose ao meio.
Redução do composto NAD (2NADH2) e fosforilações
com Pi (fosfato inorgânico) nos compostos de 3
carbonos resultantes da quebra.
Fosforilações dos ADPs pelas doações das ligações
fosfato pelo composto resultante da quebra (4ATPs).
Como balanço final desta etapa, foram produzidos 4ATPs, mas
após o pagamento do débito com a ativação, só há
rendimento de 2 ATPs; duas moléculas de NAD, transportador
de elétrons, foram reduzidas (2NADH2); e finalmente
sobraram 2 moléculas de ácido pirúvico ou piruvato (C3H4O3).
O caminho do ácido pirúvico será diferente de acordo com o
processo de fermentação descrito:
Fermentação Lática:
Sua fórmula é:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia (38ATPs)
A respiração aeróbica ocorre em três etapas: a glicólise (etapa
citoplasmática que você já conhece), o ciclo de Krebs (ocorre
na matriz mitocondrial) e a cadeia respiratória (ocorre nas
membranas internas cristas mitocondriais).
Fermentação Alcoólica:
CICLO DE KREBS
O cientista alemão Hans Adolf Krebs foi quem primeiramente
identificou as reações que ocorrem no interior da matriz
mitocondrial. Ao término de uma glicólise, radicais acetis (2
átomos de C) gerados pela transformação do ácido pirúvico
penetram na mitocôndria com auxílio da CoA, complexo
protéico da membrana mitocondrial.
13
BIOLOGIA – módulo 01
No interior da mitocôndria, o acetil (2C) libera a CoA e se liga a
um composto denominado ácido oxalacético (4C) formando ácido
cítrico (6C). O ácido cítrico sofre atuações enzimáticas que levam
à quebra da molécula no ciclo até novamente restaurá o ácido
oxalacético. As quebras geram moléculas de CO2 e hidrogênios
livres; os prótons de hidrogênio são capturados pelos aceptores
NAD e FAD (Flavina Adenina Dinucleotídeo). O único rendimento
energético diretamente gerado no ciclo foi a fosforilação de um
ADP para ATP. Para cada molécula de glicose que iniciou o ciclo,
duas de ácido pirúvico foram formadas; por isso, os produtos das
reações descritas na figura acima serão multiplicados por dois.
CADEIA RESPIRATÓRIA, CADEIA TRANSPORTADORA DE
ELÉTRONS OU FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
Esta última etapa ocorre no interior da membrana interna
mitocondrial, nas cristas. Uma cadeia protéica de proteínas
integrais incluindo os citocromos, fará a recepção dos
hidrogênios aceptados pelo NAD e pelo FAD, acumulando
prótons H+ no espaço intermembranas através de bombas de
prótons acopladas aos citocromos; os elétrons ficarão retidos e
serão transitados pela cadeia protéica dos citocromos que
contêm cobre. O trânsito dos elétrons libera a energia que
tinha sido armazenada após cada quebra de ligação química
ocorrida durante a glicólise e o ciclo de Krebs. Os elétrons
cedidos pelo NAD entram no início da cadeia e liberam mais
energia quando comparados ao cedidos pelo FAD posicionado
mais abaixo. A energia para a síntese de ATPs só será
alcançada com a passagem final dos prótons aprisionados no
espaço intermembranas pela partícula F1Fo ou oxissomo. Cada
elétron transitado proveniente do NAD renderá 3 ATPs, e cada
elétrons cedido pelo FAD, renderá 2 ATPs.
O oxigênio entra na cadeia neste momento para recepcionar
finalmente os prótons e elétrons do hidrogênio. Isto garante a
liberação dos NADs e FADs, e o aprisionamento dos prótons
que poderiam acidificar o meio tornando inviável a realização
do ciclo de Krebs.
O rendimento energético final da respiração aeróbica é de 38
ATPs por molécula de glicose oxidada. Para atingir este valor,
você deve acompanhar novamente a glicólise e o ciclo de
Krebs contando os ATPs produzidos pela quebra direta de
substratos, e os NADs e FADs. Os NADs serão multiplicados
por 3, e os FADs, por 2. Cuidado para não esquecer os dois
ciclos de Krebs; um para cada acetil.
14
Importante:
O oxigênio molecular que aparece no final da cadeia
respiratória formará água ao receber os hidrogênios. Porém, é
necessário cindir a molécula de O2 para realização do
processo. Aproximadamente 95% do oxigênio utilizado segue
este rumo, mas 5% pode formar radical livre. Os radicais livres
são elétrons soltos que podem se ligar facilmente à moléculas
de fosfolipídios ou até mesmo ao DNA, podendo desencadear,
mais tarde, a morte celular. Vitaminas antioxidantes como a C
e E, combatem estes radicais livres. O envelhecimento
mitocondrial acumula cada vez mais radical livre e cada vez
menos ATPs.
*****