Biologia para Ciências Ambientais

Fundamentos de Biologia Celular

Material Teórico

Responsável pelo Conteúdo:Prof. Dr. Carlos Eduardo de Oliveira Garcia

Revisão Textual:Profa. Ms. Luciene Oliveira da Costa Santos

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•Introdução

•Características gerais dos seres vivos

•Níveis de organização biológica

Para alcançar os objetivos, apresentaremos a composição química dos seres vivos, sua organização e os principais processos celulares.

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Bons estudos!

Nesta unidade, daremos informações que o ajudarão no entendimento de uma ciência desafiadora e básica, a Biologia. Abordaremos os conhecimentos científicos que envolvem a organização e o funcionamento microscópico dos seres vivos, base para a compreensão dos conceitos que envolvem a manifestação da vida, desde o organismo até a biosfera.

Fundamentos de Biologia Celular

•Composição química dos seres vivos

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Contextualização

No século XXI, a implantação de processos sustentáveis em nossa sociedade torna-se uma medida imprescindível e urgente. Os avanços tecnológicos aliados aos avanços nos conhecimentos dos processos da área biológica visam minimizar os efeitos do crescimento acelerado da população, garantir a oferta de alimentos, diminuir o grau de poluição gerado e assegurar a manutenção da qualidade ambiental.

O estudo molecular e estrutural, no âmbito celular; são vitais para o entendimento dos processos que envolvem o organismo assim como o estudo das relações dos organismos com seu meio ambiente.

Os avanços nessa área de conhecimento tais como o uso de micro-organismos para a biorremediação de áreas contaminadas, reciclagem de materiais, tratamento de água e esgoto, entre outros, são de grande importância. Afinal, não só podem garantir a sobrevivência dos seres vivos, como também a preservação dos ambientes naturais e o uso de seus recursos de uma forma sustentável.

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Introdução

Cada átomo do Universo nasceu da grande explosão ocorrida há cerca de 20 bilhões de anos. A grande explosão lançou partículas carregadas de energia e, à medida que o Universo esfriava, essas partículas se agrupavam formando um núcleo carregado positivamente que atraía os elétrons carregados negativamente em sua periferia. Dessa forma, toda matéria em nosso planeta, inclusive átomos de centenas de elementos químicos que formam os seres vivos, foram moldados a partir de poeira das estrelas.

Antes de nos aprofundarmos nos estudos da Biologia, ciência ampla que se propõe ao estudo dos seres vivos e à compreensão dos mecanismos e processos que regem a vida, é necessário refletirmos sobre a metodologia pela qual os conhecimentos são adquiridos.

A ciência, de maneira mais ampla, é um modo, um processo de investigação sobre a dinâmica dos princípios que regem o planeta. Ela consiste em um modo organizado de buscar explicação e entendimento provisórios aos princípios que regem a organização do Universo, inclusive os padrões estruturais e funcionais do mundo natural.

Os cientistas enfocam a base empírica, a objetividade e a observação meticulosa, na experimentação com metodologia clara de modo que possa ser repetida e verificada por qualquer outro cientista em qualquer lugar.

Dessa forma, os avanços da Ciência acumulam percepções novas que interagem na formação do conhecimento geral da humanidade. A Ciência busca o estabelecimento de novos conhecimentos que por sua vez podem promover os avanços tecnológicos dos processos utilizados pelo homem. Por exemplo, a descoberta de que micro-organismos causadores de doenças podem morrer quando submetidos a temperaturas mais altas, possibilitou o desenvolvimento da técnica de pasteurização, tecnologia empregada na indústria de alimentos para a eliminação de possíveis agentes patogênicos.

Nesse contexto, o estudo das ciências naturais e o acúmulo de conhecimentos sobre a natureza dos organismos vivos e sua organização são de fundamental importância para o exercício pleno da cidadania e a preservação dos recursos naturais.

Características gerais dos seres vivos

Intuitivamente, sabemos reconhecer e diferenciar um organismo vivo de um não vivo. Se observarmos uma rocha, uma planta e um cachorro, poderemos relacionar características típicas dos seres vivos, por exemplo, a capacidade de reprodução, a capacidade de responder a estímulos das mais variadas formas etc. E, se utilizarmos tecnologias mais avançadas, como o uso de microscópios, poderemos identificar a estrutura celular e até mesmo reconhecer seu funcionamento.

Com exceção dos vírus, todos os organismos vivos possuem estrutura celular que pode diferir em complexidade e componentes químicos presentes.

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Nos elementos inanimados ou não vivos, os elementos químicos mais abundantes são o oxigênio (O), alumínio (Al), silício (Si), entre outros. Já nos seres vivos, o nitrogênio (N), hidrogênio(H), oxigênio (O) e principalmente o carbono(C) ganham destaque. De uma maneira geral, o carbono é o elemento fundamental para a formação das moléculas orgânicas presentes nos seres vivos.

De maneira geral, os organismos vivos diferem dos não vivos por apresentarem estrutura celular, metabolismo funcional, reação a estímulos, capacidade de reprodução e evolução.

Níveis de organização biológica

Para que possamos entender e usar as ciências biológicas como ferramenta no contexto da gestão ambiental, é necessário observar os níveis de organização dos seres vivos e seus inter-relacionamentos, bem como a ocorrência de transformações nos ambientes ao longo do tempo.

Figura 1- Os níveis de organização. Direitos autorais. Editora Saraiva-Sonia Lopes-Bio 1>

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Composição química dos seres vivos

Resumidamente, podemos organizar as substâncias presentes nos seres vivos em inorgânicas e orgânicas.

As substâncias inorgânicas são representadas pela água e pelos sais minerais.

A água é a substância mais abundante nos seres vivos podendo representar 70% ou mais do peso em algumas formas de vida. Além disso, é a substância mais abundante no meio ambiente. Cerca de três quartos da superfície terrestre são cobertos por água.

Aproximadamente 97% da água disponível na Terra é salgada e está nos mares e oceanos, 2% é doce e se encontra em geleiras ou aquíferos subterrâneos de difícil acesso, e 1% é encontrada em rios, lagos e na atmosfera de fácil acesso ao consumo.

Figura 2- Ciclo da água no planeta

A água líquida apresenta atração intramolecular muito forte devido à estrutura de sua molécula. A molécula de água é formada por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio em uma disposição não linear. A água é, portanto, uma substância polar. Esse arranjo estabelece uma zona positiva em uma negativa.

O arranjo quase tetraédrico dos elétrons ao redor do núcleo do átomo de oxigênio possibilita a formação de pontes de hidrogênio entre e as moléculas de água. As ligações ou pontes de hidrogênio e a polaridade conferem um poder de solubilidade incrível, a água é um solvente potente para muitos compostos iônicos e outras substâncias polares.

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Figura 3 - Estrutura e formação das pontes de hidrogênio entre as moléculas de água.

Outra propriedade importante da água está relacionada com o conceito físico de calor específico que determina a quantidade de calor necessária para elevar em 10C (grau Celsius) um grama de uma determinada substância sem que ela mude seu estado físico. O calor específico da água é extremamente alto.

Para entendermos a importância dessa propriedade, vamos imaginar como exemplo a seguinte situação: uma mesma quantidade de ferro e água é colocada em um forno para ser aquecida. O ferro se aquece muito mais e mais rapidamente do que a água, no entanto, também se esfria muito mais rapidamente. Dessa forma, fica fácil entender por que os meios aquosos sofrem uma menor variação de temperatura.

Além de garantir e participar da maioria das reações químicas no interior dos organismos vivos, a água atua como um moderador de temperatura, no transporte de substâncias, no equilíbrio osmótico e equilíbrio ácido-base, auxiliando na manutenção da homeostase (equilíbrio interno nos seres vivos). Homeostase é a capacidade de o organismo apresentar uma situação físico-química característica e constante, dentro de determinados limites, mesmo diante de alterações impostas pelo meio ambiente.

Os sais minerais podem ser encontrados na estrutura do corpo dos seres vivos e também na forma de íons (partículas com carga elétrica positiva ou negativa) dissolvidos em água.

A utilização de sais minerais é bastante importante quando consideramos a indústria de fertilizantes. Os fertilizantes estão definidos na legislação brasileira (Decreto 86.955, de 18 de fevereiro de 1982) como “substâncias minerais ou orgânicas, naturais ou sintéticas, fornecedoras de um ou mais nutrientes das plantas”. São utilizados em larga escala na agricultura e agronegócios e constituem um dos principais insumos agrícolas. As fontes de matéria-prima são produtos oriundos da petroquímica e da mineração. Destaca-se a importância dos fertilizantes nitrogenados, fosfatados e potássicos, que constituem a mistura NPK.

Também podemos listar outros elementos químicos presentes nos fertilizantes e conforme a quantidade ou a proporção podem ser divididos em duas categorias: macronutrientes (carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio, magnésio e enxofre) e micronutrientes (boro, cloro, cobre, ferro, manganês, molibdênio, zinco, sódio, silício e cobalto).

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As moléculas orgânicas são construídas de acordo com um plano comum, são compostos de carbono em que os átomos de carbono estão ligados entre si e com outros átomos como hidrogênio, oxigênio e nitrogênio.

Entre as principais substâncias orgânicas, encontramos os carboidratos, os lipídios, as proteínas, os ácidos nucleicos e as vitaminas que constituem microelementos, substâncias orgânicas necessárias em pequenas quantidades para o desenvolvimento das atividades metabólicas.

Carboidratos, glicídios ou açúcares

Os carboidratos são moléculas por átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio. Muitas das moléculas de glicídios apresentam a fórmula geral Cn(H2O)n, para cada átomo de C há dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. Exemplo: a glicose de fórmula C6H12O6.

Os carboidratos ocupam posição central no metabolismo dos organismos fotossintetizantes que utilizam a energia da luz solar para sintetizar carboidratos a partir de CO2 e H2O. Os carboidratos produzidos pela fotossíntese constituem a fonte de átomos de carbono e energia para as células não fotossintetizantes de animais e outros organismos.

A energia necessária para a constante reciclagem dos elementos e substâncias químicas presentes na Terra é proveniente do Sol e, portanto, depende dos organismos fotossintetizantes denominados de produtores na cadeia alimentar. Dessa forma, o processo de fotossíntese e consequente produção de glicídios garante a manutenção da vida na Terra.

Classificação dos glicídios

Existem três grandes classes de carboidratos: os monossacarídeos, os oligossacarídeos e os polissacarídeos. A palavra sacarídeo é derivada da palavra grega “sakkharon” que significa açúcar.

Os monossacarídeos são geralmente sólidos cristalinos, incolores, muito solúveis em água e com sabor doce.

O esqueleto (estrutura química) de um monossacarídeo é formado por uma cadeia não ramificada de átomos de carbono (geralmente apresentam de 3 a 7 átomos de carbono) unidos entre si por ligações simples.

O nome genérico de um monossacarídeo é dado pela junção de um prefixo indicando o número de carbonos e o sufixo ose. Dessa forma um monossacarídeo com 5 carbonos é uma pentose, um de 6 carbonos é uma hexose. No entanto, os monossacarídeos mais comuns possuem nomes específicos. Veja os exemplos abaixo.

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Figura 4- Hexoses. A- Glicose produto da fotossíntese. B- Açúcar dos frutos. Pentoses. C- Ribose presente na molécula do ácido ribonucleico (RNA). D- Ribose presente na molécula do ácido desoxirribonucleico (DNA).

Os oligossacarídeos mais comuns são os dissacarídeos formados por dois monossacarídeos unidos entre si. Os dissacarídeos são muito abundantes na natureza. Os mais comuns são a sacarose, lactose e maltose. As ligações que formam os dissacarídeos são facilmente hidrolisadas (quebradas) por ácidos fracos.

A sacarose possui grande importância econômica na indústria sucroalcooleira no Brasil uma vez que o teor de sacarose aparente, aliado às características físico-químicas e microbiológicas da cana-de-açúcar, são fatores importantes para se determinar o rendimento econômico dessa planta. Esse parâmetro pode influenciar significativamente a eficiência da produção e a qualidade do produto final, seja o açúcar ou o álcool.

Os polissacarídeos constituem a maior parte do total de carboidratos encontrados na natureza, desempenham duas funções principais nos organismos vivos:

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• proporcionareservaenergéticademonossacarídeos;

• estruturaaparedecelulardascélulasvegetaiserevestemicro-organismosunicelulares,bem como a superfície de células animais.

O polissacarídeo mais abundante é a celulose, substância fibrosa, resistente, insolúvel em água e encontrada na parede celular das células vegetais principalmente nas partes lenhosas; troncos, hastes, entre outras.

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No Brasil, quantidades enormes de celulose são produzidas anualmente pelo reino vegetal em florestas plantadas, principalmente o cultivo de pinus e eucalipto. Clique no link abaixo, assista ao vídeo de aproximadamente 11 minutos e observe a importância da produção de madeira e celulose e o processo industrial que envolve a produção de papel a partir da celulose:• www.youtube.com/watch?v=WtMetQWpCAg

LipídiosOs lipídios são substâncias orgânicas oleosas ou gordurosas, pobres em dipolos localizados

(carbono e hidrogênio possuem eletronegatividade semelhante), substância apolar. O semelhante dissolve o semelhante, daí a razão para essas moléculas serem fracamente solúveis em água ou etanol (solventes polares) e altamente solúveis em solventes orgânicos (geralmente apolares).

Há várias classes de lipídios: glicerídios, ceras, carotenoides, fosfolipídios, esteroides. Cada uma possui funções biológicas específicas.

Daremos enfoque a três classes de lipídios:

• osglicerídeos,

• osesteroides,

• osfosfolipídios.

Os glicerídeos são formados por uma molécula de glicerol ligada a uma, duas ou três moléculas de ácidos graxos. Os glicerídeos com três moléculas de ácidos graxos são conhecidos como triglicerídeos que atuam principalmente como lipídios de reserva.

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Figura 5- Formação da molécula de triglicerídeo. Por Jennifer Fogaça. Equipe Brasil Escola.

Os triglicerídeos que possuem um único tipo de ácido graxo ocupando as três posições é denominado de triglicerídeo simples (Figura 6).

Figura 6- Triglicerídeo simples.

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Os triglicerídeos que possuem dois ou mais ácidos graxos diferentes são denominados mistos (Figura 7).

Figura 6- Triglicerídeo composto.

De modo geral, os ácidos graxos apresentam importantes funções na fisiologia dos animais. Os ácidos graxos saturados (somente ligações simples entre os átomos de carbono), com o seu alto conteúdo calórico, são primariamente utilizados como fonte de energia e conferem uma natureza sólida ao triglicerídeo. Enquanto os ácidos graxos insaturados (presença de dupla ligação entre os átomos de carbono) conferem uma natureza mais líquida e participam da importante função de regulação da fluidez de membranas biológicas.

EsteroidesOs esteroides são moléculas complexas, com quatro anéis carbônicos fundidos. O colesterol

é o principal esterol nos tecidos animais.

Figura 7- Estrutura química do colesterol

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O colesterol pode ser produzido no nosso próprio organismo, principalmente no fígado ou ingerido em alimentos de origem animal.

No plasma sanguíneo encontramos uma associação de proteínas com lipídios o LDL (sigla em inglês Low density lipoprotein- lipoproteína de baixa densidade) e HDL (sigla em inglês High density lipoprotein- lipoproteína de alta densidade).

O LDL transporta principalmente o colesterol produzido no fígado e quando está em concentrações elevadas na corrente circulatória pode ser relacionado ao infarto do miocárdio (músculo cardíaco).

FosfolipídiosQuimicamente a molécula de um fosfolipídio é formada por um glicerídeo combinada a um

grupo fosfato. São os principais componentes das membranas celulares.

ProteínasAs proteínas são moléculas orgânicas, polipeptídeos; exercem diferentes funções biológicas.

Fato de notória importância é o papel que exercem ao constituírem o produto de expressão das informações genéticas contidas no material genético.

A estrutura química das proteínas é construída com o mesmo conjunto de 20 aminoácidos em sequências características, formando um polipeptídeo, um polímero; ou seja, vários monômeros (aminoácidos). Fazendo uma analogia simples, os aminoácidos que formam uma proteína específica correspondem às letras do abecedário que formam as palavras.

Para pensarmos na dimensão e importância do arranjo das proteínas basta nos perguntarmos: quantos tipos de polipeptídeos podem ser formados com as sequências diferentes de aminoácidos?

Há milhares de sequências possíveis arranjando os 20 aminoácidos, sem contar que uma proteína pode variar sua estrutura primária dada por:

• tiposdeaminoácidospresentes,

• sequênciadessesaminoácidos,

• númerodeaminoácidos.

Figura 8- Representação da síntese e hidrólise de um dipeptídeo.

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Os seres vivos nem sempre possuem a capacidade de sintetizar os 20 tipos diferentes de aminoácidos.

Vejamos como exemplo o caso de seres humanos que possuem a capacidade para sintetizar 10 dos vinte aminoácidos. Esses 10 são denominados aminoácidos não essenciais. Os outros 10, que não são sintetizados, recebem o nome de aminoácidos essenciais e devem ser obtidos na alimentação. Observe a tabela abaixo.

Tabela- Aminoácidos essenciais e não essenciais para os seres humanos:

Não essenciais Essenciais

Clutamato Isoleucina

Clutamina Leucina

Prolina Lisina

Aspartato Metionina

Asparagina Fenilalanina

Alanina Treonina

Clicina Triptofano

Serina Valina

Tirosina Arginina*

Cisteína Histidina

* Essencial para os jovens e em crescimento, mas não para os adultos.

A sequência linear dos aminoácidos é denominada de estrutura primária da proteína. Essa estrutura também é responsável pela forma ou estrutura espacial da molécula, denominada estrutura secundária, um enrolamento helicoidal da molécula.

Uma proteína pode apresentar dobramentos na estrutura helicoidal, denominados estrutura terciária, ou ainda mais de uma cadeia polipeptídica, apresentando estrutura quaternária. Citaremos ainda a hemoglobina, proteína presente nas células sanguíneas de mamíferos que são formadas por 4 cadeias polipeptídicas.

Também quanto à estrutura, podemos classificar as proteínas em globulares, nas quais as cadeias polipeptídicas apresentam-se enoveladas e as proteínas fibrosas, com fibras torcidas como uma corda.

Alguns fatores físico-químicos, como grau de acidez do meio, altas temperaturas, altas concentrações de sais, podem afetar a estrutura de uma proteína. Esse processo é denominado de desnaturação.

Vejamos o caso do ovo, rico em uma proteína denominada albumina que, quando aquecida, se desnatura, ou seja, o cozimento em altas temperaturas agita as moléculas, causando o rompimento de ligações químicas mais fracas; isso leva à compactação do ovo.

As proteínas desempenham diferentes funções no organismo dos seres vivos. Desempenham uma função estrutural, atuam como enzimas, promovendo reações químicas, na defesa do organismo como anticorpos, imunoglobulinas e ainda possuem um papel energético. Mais adiante, voltaremos a conversar sobre o papel desempenhado pelas proteínas no organismo.

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Ácidos nucleicosOs ácidos nucleicos são biomoléculas grandes formadas por unidades monoméricas

denominadas de nucleotídeos. Possuem a estrutura organizacional de polímeros.

O nucleotídeo, que é a unidade estrutural do ácido nucleico é formado por três componentes químicos:

• umaçúcardogrupodaspentoses(monossacarídeos),

• umradical“fosfato”,derivadodamoléculadoácidoortofosfórico(H3PO4),

• umabasenitrogenada.

Figura 9 – Representação de um nucleotídeo.

Há dois tipos identificados de ácidos nucleicos:

• DNAsigladoinglêsdeoxyribonucleicacidouemportuguêsADN,ácidodesoxirribonucleico;molécula que desempenha a função de guardiã das informações genéticas.

• RNAsigladoinglêsRibonucleicacidouemportuguêsARN,ácidoribonucleico,envolvidono processo de fabricação de proteínas.

O comando, a coordenação e o controle do metabolismo celular requerem a síntese dos

ácidos nucleicos, DNA- Ácido desoxirribonucleico, do RNA- Ácido ribonucleico e das proteínas.

A estrutura do DNA, RNA e os processos que envolvem a coordenação da síntese das proteínas serão abordados na próxima unidade.

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Material Complementar

Leitura complementar

• Biotecnologia - http://pt.wikipedia.org/wiki/Biotecnologia

• Carboidratos - http://docentes.esalq.usp.br/luagallo/carboidratos.html

• Lipídeos - http://docentes.esalq.usp.br/luagallo/lipideos.html

• Proteínas - http://docentes.esalq.usp.br/luagallo/aminoacidos%20e%20proteinas2012.htm

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Referências

ALBERTS, B. et al. Fundamentos da biologia celular. 3.ed. Porto Alegre: Artmed, 2011.

LEHNINGER, A.L.; NELSON, D.L.; COX, M.M. Princípios de bioquímica. 5.ed. Porto Alegre: Artmed, 2011.

AMABIS, J.M.; MARTHO, G.R. Biologia. V.1.3.ed. São Paulo: Moderna, 2009.

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Anotações

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