biologia i

Biologia para Cincias Ambientais

Fundamentos de Biologia Celular

Material Terico

Responsvel pelo Contedo:Prof. Dr. Carlos Eduardo de Oliveira Garcia

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

5Introduo

Caractersticas gerais dos seres vivos

Nveis de organizao biolgica

Para alcanar os objetivos, apresentaremos a composio qumica dos seres vivos, sua organizao e os principais processos celulares.

Fique atento(a) s atividades propostas e aos prazos de realizao e de entrega das mesmas. No deixe de participar do Frum de Discusses, queremos saber sua opinio a respeito do tema levantado!

Convite leitura: leia cada aula, faa anotaes, se necessrio, pesquise outros materiais alm do que fornecido.

No acumule dvidas, participe, pergunte!

Bons estudos!

Nesta unidade, daremos informaes que o ajudaro no entendimento de uma cincia desafiadora e bsica, a Biologia. Abordaremos os conhecimentos cientficos que envolvem a organizao e o funcionamento microscpico dos seres vivos, base para a compreenso dos conceitos que envolvem a manifestao da vida, desde o organismo at a biosfera.

Fundamentos de Biologia Celular

Composio qumica dos seres vivos

6Unidade: Fundamentos de Biologia Celular

Contextualizao

No sculo XXI, a implantao de processos sustentveis em nossa sociedade torna-se uma medida imprescindvel e urgente. Os avanos tecnolgicos aliados aos avanos nos conhecimentos dos processos da rea biolgica visam minimizar os efeitos do crescimento acelerado da populao, garantir a oferta de alimentos, diminuir o grau de poluio gerado e assegurar a manuteno da qualidade ambiental.

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

Os avanos nessa rea de conhecimento tais como o uso de micro-organismos para a biorremediao de reas contaminadas, reciclagem de materiais, tratamento de gua e esgoto, entre outros, so de grande importncia. Afinal, no s podem garantir a sobrevivncia dos seres vivos, como tambm a preservao dos ambientes naturais e o uso de seus recursos de uma forma sustentvel.

7Introduo

Cada tomo do Universo nasceu da grande exploso ocorrida h cerca de 20 bilhes de anos. A grande exploso lanou partculas carregadas de energia e, medida que o Universo esfriava, essas partculas se agrupavam formando um ncleo carregado positivamente que atraa os eltrons carregados negativamente em sua periferia. Dessa forma, toda matria em nosso planeta, inclusive tomos de centenas de elementos qumicos que formam os seres vivos, foram moldados a partir de poeira das estrelas.

Antes de nos aprofundarmos nos estudos da Biologia, cincia ampla que se prope ao estudo dos seres vivos e compreenso dos mecanismos e processos que regem a vida, necessrio refletirmos sobre a metodologia pela qual os conhecimentos so adquiridos.

A cincia, de maneira mais ampla, um modo, um processo de investigao sobre a dinmica dos princpios que regem o planeta. Ela consiste em um modo organizado de buscar explicao e entendimento provisrios aos princpios que regem a organizao do Universo, inclusive os padres estruturais e funcionais do mundo natural.

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

Dessa forma, os avanos da Cincia acumulam percepes novas que interagem na formao do conhecimento geral da humanidade. A Cincia busca o estabelecimento de novos conhecimentos que por sua vez podem promover os avanos tecnolgicos dos processos utilizados pelo homem. Por exemplo, a descoberta de que micro-organismos causadores de doenas podem morrer quando submetidos a temperaturas mais altas, possibilitou o desenvolvimento da tcnica de pasteurizao, tecnologia empregada na indstria de alimentos para a eliminao de possveis agentes patognicos.

Nesse contexto, o estudo das cincias naturais e o acmulo de conhecimentos sobre a natureza dos organismos vivos e sua organizao so de fundamental importncia para o exerccio pleno da cidadania e a preservao dos recursos naturais.

Caractersticas gerais dos seres vivos

Intuitivamente, sabemos reconhecer e diferenciar um organismo vivo de um no vivo. Se observarmos uma rocha, uma planta e um cachorro, poderemos relacionar caractersticas tpicas dos seres vivos, por exemplo, a capacidade de reproduo, a capacidade de responder a estmulos das mais variadas formas etc. E, se utilizarmos tecnologias mais avanadas, como o uso de microscpios, poderemos identificar a estrutura celular e at mesmo reconhecer seu funcionamento.

Com exceo dos vrus, todos os organismos vivos possuem estrutura celular que pode diferir em complexidade e componentes qumicos presentes.

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Nos elementos inanimados ou no vivos, os elementos qumicos mais abundantes so o oxignio (O), alumnio (Al), silcio (Si), entre outros. J nos seres vivos, o nitrognio (N), hidrognio(H), oxignio (O) e principalmente o carbono(C) ganham destaque. De uma maneira geral, o carbono o elemento fundamental para a formao das molculas orgnicas presentes nos seres vivos.

De maneira geral, os organismos vivos diferem dos no vivos por apresentarem estrutura celular, metabolismo funcional, reao a estmulos, capacidade de reproduo e evoluo.

Nveis de organizao biolgica

Para que possamos entender e usar as cincias biolgicas como ferramenta no contexto da gesto ambiental, necessrio observar os nveis de organizao dos seres vivos e seus inter-relacionamentos, bem como a ocorrncia de transformaes nos ambientes ao longo do tempo.

Figura 1- Os nveis de organizao. Direitos autorais. Editora Saraiva-Sonia Lopes-Bio 1>

9Composio qumica dos seres vivos

Resumidamente, podemos organizar as substncias presentes nos seres vivos em inorgnicas e orgnicas.

As substncias inorgnicas so representadas pela gua e pelos sais minerais.

A gua a substncia mais abundante nos seres vivos podendo representar 70% ou mais do peso em algumas formas de vida. Alm disso, a substncia mais abundante no meio ambiente. Cerca de trs quartos da superfcie terrestre so cobertos por gua.

Aproximadamente 97% da gua disponvel na Terra salgada e est nos mares e oceanos, 2% doce e se encontra em geleiras ou aquferos subterrneos de difcil acesso, e 1% encontrada em rios, lagos e na atmosfera de fcil acesso ao consumo.

Figura 2- Ciclo da gua no planeta

A gua lquida apresenta atrao intramolecular muito forte devido estrutura de sua molcula. A molcula de gua formada por dois tomos de hidrognio e um de oxignio em uma disposio no linear. A gua , portanto, uma substncia polar. Esse arranjo estabelece uma zona positiva em uma negativa.

O arranjo quase tetradrico dos eltrons ao redor do ncleo do tomo de oxignio possibilita a formao de pontes de hidrognio entre e as molculas de gua. As ligaes ou pontes de hidrognio e a polaridade conferem um poder de solubilidade incrvel, a gua um solvente potente para muitos compostos inicos e outras substncias polares.

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Figura 3 - Estrutura e formao das pontes de hidrognio entre as molculas de gua.

Outra propriedade importante da gua est relacionada com o conceito fsico de calor especfico que determina a quantidade de calor necessria para elevar em 10C (grau Celsius) um grama de uma determinada substncia sem que ela mude seu estado fsico. O calor especfico da gua extremamente alto.

Para entendermos a importncia dessa propriedade, vamos imaginar como exemplo a seguinte situao: uma mesma quantidade de ferro e gua colocada em um forno para ser aquecida. O ferro se aquece muito mais e mais rapidamente do que a gua, no entanto, tambm se esfria muito mais rapidamente. Dessa forma, fica fcil entender por que os meios aquosos sofrem uma menor variao de temperatura.

Alm de garantir e participar da maioria das reaes qumicas no interior dos organismos vivos, a gua atua como um moderador de temperatura, no transporte de substncias, no equilbrio osmtico e equilbrio cido-base, auxiliando na manuteno da homeostase (equilbrio interno nos seres vivos). Homeostase a capacidade de o organismo apresentar uma situao fsico-qumica caracterstica e constante, dentro de determinados limites, mesmo diante de alteraes impostas pelo meio ambiente.

Os sais minerais podem ser encontrados na estrutura do corpo dos seres vivos e tambm na forma de ons (partculas com carga eltrica positiva ou negativa) dissolvidos em gua.

A utilizao de sais minerais bastante importante quando consideramos a indstria de fertilizantes. Os fertilizantes esto definidos na legislao brasileira (Decreto 86.955, de 18 de fevereiro de 1982) como substncias minerais ou orgnicas, naturais ou sintticas, fornecedoras de um ou mais nutrientes das plantas. So utilizados em larga escala na agricultura e agronegcios e constituem um dos principais insumos agrcolas. As fontes de matria-prima so produtos oriundos da petroqumica e da minerao. Destaca-se a importncia dos fertilizantes nitrogenados, fosfatados e potssicos, que constituem a mistura NPK.

Tambm podemos listar outros elementos qumicos presentes nos fertilizantes e conforme a quantidade ou a proporo podem ser divididos em duas categorias: macronutrientes (carbono, hidrognio, oxignio, nitrognio, fsforo, potssio, clcio, magnsio e enxofre) e micronutrientes (boro, cloro, cobre, ferro, mangans, molibdnio, zinco, sdio, silcio e cobalto).

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As molculas orgnicas so construdas de acordo com um plano comum, so compostos de carbono em que os tomos de carbono esto ligados entre si e com outros tomos como hidrognio, oxignio e nitrognio.

Entre as principais substncias orgnicas, encontramos os carboidratos, os lipdios, as protenas, os cidos nucleicos e as vitaminas que constituem microelementos, substncias orgnicas necessrias em pequenas quantidades para o desenvolvimento das atividades metablicas.

Carboidratos, glicdios ou acares

Os carboidratos so molculas por tomos de carbono, hidrognio e oxignio. Muitas das molculas de glicdios apresentam a frmula geral Cn(H2O)n, para cada tomo de C h dois tomos de hidrognio e um de oxignio. Exemplo: a glicose de frmula C6H12O6.

Os carboidratos ocupam posio 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 fotossntese constituem a fonte de tomos de carbono e energia para as clulas no fotossintetizantes de animais e outros organismos.

A energia necessria para a constante reciclagem dos elementos e substncias qumicas presentes na Terra proveniente do Sol e, portanto, depende dos organismos fotossintetizantes denominados de produtores na cadeia alimentar. Dessa forma, o processo de fotossntese e consequente produo de glicdios garante a manuteno da vida na Terra.

Classificao dos glicdios

Existem trs grandes classes de carboidratos: os monossacardeos, os oligossacardeos e os polissacardeos. A palavra sacardeo derivada da palavra grega sakkharon que significa acar.

Os monossacardeos so geralmente slidos cristalinos, incolores, muito solveis em gua e com sabor doce.

O esqueleto (estrutura qumica) de um monossacardeo formado por uma cadeia no ramificada de tomos de carbono (geralmente apresentam de 3 a 7 tomos de carbono) unidos entre si por ligaes simples.

O nome genrico de um monossacardeo dado pela juno de um prefixo indicando o nmero de carbonos e o sufixo ose. Dessa forma um monossacardeo com 5 carbonos uma pentose, um de 6 carbonos uma hexose. No entanto, os monossacardeos mais comuns possuem nomes especficos. Veja os exemplos abaixo.

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Figura 4- Hexoses. A- Glicose produto da fotossntese. B- Acar dos frutos. Pentoses. C- Ribose presente na molcula do cido ribonucleico (RNA). D- Ribose presente na molcula do cido desoxirribonucleico (DNA).

Os oligossacardeos mais comuns so os dissacardeos formados por dois monossacardeos unidos entre si. Os dissacardeos so muito abundantes na natureza. Os mais comuns so a sacarose, lactose e maltose. As ligaes que formam os dissacardeos so facilmente hidrolisadas (quebradas) por cidos fracos.

A sacarose possui grande importncia econmica na indstria sucroalcooleira no Brasil uma vez que o teor de sacarose aparente, aliado s caractersticas fsico-qumicas e microbiolgicas da cana-de-acar, so fatores importantes para se determinar o rendimento econmico dessa planta. Esse parmetro pode influenciar significativamente a eficincia da produo e a qualidade do produto final, seja o acar ou o lcool.

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

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proporcionareservaenergticademonossacardeos;

estruturaaparedecelulardasclulasvegetaiserevestemicro-organismosunicelulares,bem como a superfcie de clulas animais.

O polissacardeo mais abundante a celulose, substncia fibrosa, resistente, insolvel em gua e encontrada na parede celular das clulas vegetais principalmente nas partes lenhosas; troncos, hastes, entre outras.

Explore

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

LipdiosOs lipdios so substncias orgnicas oleosas ou gordurosas, pobres em dipolos localizados

(carbono e hidrognio possuem eletronegatividade semelhante), substncia apolar. O semelhante dissolve o semelhante, da a razo para essas molculas serem fracamente solveis em gua ou etanol (solventes polares) e altamente solveis em solventes orgnicos (geralmente apolares).

H vrias classes de lipdios: glicerdios, ceras, carotenoides, fosfolipdios, esteroides. Cada uma possui funes biolgicas especficas.

Daremos enfoque a trs classes de lipdios:

osglicerdeos,

osesteroides,

osfosfolipdios.

Os glicerdeos so formados por uma molcula de glicerol ligada a uma, duas ou trs molculas de cidos graxos. Os glicerdeos com trs molculas de cidos graxos so conhecidos como triglicerdeos que atuam principalmente como lipdios de reserva.

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Figura 5- Formao da molcula de triglicerdeo. Por Jennifer Fogaa. Equipe Brasil Escola.

Os triglicerdeos que possuem um nico tipo de cido graxo ocupando as trs posies denominado de triglicerdeo simples (Figura 6).

Figura 6- Triglicerdeo simples.

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Os triglicerdeos que possuem dois ou mais cidos graxos diferentes so denominados mistos (Figura 7).

Figura 6- Triglicerdeo composto.

De modo geral, os cidos graxos apresentam importantes funes na fisiologia dos animais. Os cidos graxos saturados (somente ligaes simples entre os tomos de carbono), com o seu alto contedo calrico, so primariamente utilizados como fonte de energia e conferem uma natureza slida ao triglicerdeo. Enquanto os cidos graxos insaturados (presena de dupla ligao entre os tomos de carbono) conferem uma natureza mais lquida e participam da importante funo de regulao da fluidez de membranas biolgicas.

EsteroidesOs esteroides so molculas complexas, com quatro anis carbnicos fundidos. O colesterol

o principal esterol nos tecidos animais.

Figura 7- Estrutura qumica do colesterol

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

No plasma sanguneo encontramos uma associao de protenas com lipdios o LDL (sigla em ingls Low density lipoprotein- lipoprotena de baixa densidade) e HDL (sigla em ingls High density lipoprotein- lipoprotena de alta densidade).

O LDL transporta principalmente o colesterol produzido no fgado e quando est em concentraes elevadas na corrente circulatria pode ser relacionado ao infarto do miocrdio (msculo cardaco).

FosfolipdiosQuimicamente a molcula de um fosfolipdio formada por um glicerdeo combinada a um

grupo fosfato. So os principais componentes das membranas celulares.

ProtenasAs protenas so molculas orgnicas, polipeptdeos; exercem diferentes funes biolgicas.

Fato de notria importncia o papel que exercem ao constiturem o produto de expresso das informaes genticas contidas no material gentico.

A estrutura qumica das protenas construda com o mesmo conjunto de 20 aminocidos em sequncias caractersticas, formando um polipeptdeo, um polmero; ou seja, vrios monmeros (aminocidos). Fazendo uma analogia simples, os aminocidos que formam uma protena especfica correspondem s letras do abecedrio que formam as palavras.

Para pensarmos na dimenso e importncia do arranjo das protenas basta nos perguntarmos: quantos tipos de polipeptdeos podem ser formados com as sequncias diferentes de aminocidos?

H milhares de sequncias possveis arranjando os 20 aminocidos, sem contar que uma protena pode variar sua estrutura primria dada por:

tiposdeaminocidospresentes,

sequnciadessesaminocidos,

nmerodeaminocidos.

Figura 8- Representao da sntese e hidrlise de um dipeptdeo.

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

Vejamos como exemplo o caso de seres humanos que possuem a capacidade para sintetizar 10 dos vinte aminocidos. Esses 10 so denominados aminocidos no essenciais. Os outros 10, que no so sintetizados, recebem o nome de aminocidos essenciais e devem ser obtidos na alimentao. Observe a tabela abaixo.

Tabela- Aminocidos essenciais e no essenciais para os seres humanos:

No essenciais Essenciais

Clutamato Isoleucina

Clutamina Leucina

Prolina Lisina

Aspartato Metionina

Asparagina Fenilalanina

Alanina Treonina

Clicina Triptofano

Serina Valina

Tirosina Arginina*

Cistena Histidina

* Essencial para os jovens e em crescimento, mas no para os adultos.

A sequncia linear dos aminocidos denominada de estrutura primria da protena. Essa estrutura tambm responsvel pela forma ou estrutura espacial da molcula, denominada estrutura secundria, um enrolamento helicoidal da molcula.

Uma protena pode apresentar dobramentos na estrutura helicoidal, denominados estrutura terciria, ou ainda mais de uma cadeia polipeptdica, apresentando estrutura quaternria. Citaremos ainda a hemoglobina, protena presente nas clulas sanguneas de mamferos que so formadas por 4 cadeias polipeptdicas.

Tambm quanto estrutura, podemos classificar as protenas em globulares, nas quais as cadeias polipeptdicas apresentam-se enoveladas e as protenas fibrosas, com fibras torcidas como uma corda.

Alguns fatores fsico-qumicos, como grau de acidez do meio, altas temperaturas, altas concentraes de sais, podem afetar a estrutura de uma protena. Esse processo denominado de desnaturao.

Vejamos o caso do ovo, rico em uma protena denominada albumina que, quando aquecida, se desnatura, ou seja, o cozimento em altas temperaturas agita as molculas, causando o rompimento de ligaes qumicas mais fracas; isso leva compactao do ovo.

As protenas desempenham diferentes funes no organismo dos seres vivos. Desempenham uma funo estrutural, atuam como enzimas, promovendo reaes qumicas, na defesa do organismo como anticorpos, imunoglobulinas e ainda possuem um papel energtico. Mais adiante, voltaremos a conversar sobre o papel desempenhado pelas protenas no organismo.

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cidos nucleicosOs cidos nucleicos so biomolculas grandes formadas por unidades monomricas

denominadas de nucleotdeos. Possuem a estrutura organizacional de polmeros.

O nucleotdeo, que a unidade estrutural do cido nucleico formado por trs componentes qumicos:

umacardogrupodaspentoses(monossacardeos),

umradicalfosfato,derivadodamolculadocidoortofosfrico(H3PO4),

umabasenitrogenada.

Figura 9 Representao de um nucleotdeo.

H dois tipos identificados de cidos nucleicos:

DNAsigladoinglsdeoxyribonucleicacidouemportugusADN,cidodesoxirribonucleico;molcula que desempenha a funo de guardi das informaes genticas.

RNAsigladoinglsRibonucleicacidouemportugusARN,cidoribonucleico,envolvidono processo de fabricao de protenas.

O comando, a coordenao e o controle do metabolismo celular requerem a sntese dos

cidos nucleicos, DNA- cido desoxirribonucleico, do RNA- cido ribonucleico e das protenas.

A estrutura do DNA, RNA e os processos que envolvem a coordenao da sntese das protenas sero abordados na prxima 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

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

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

No acumule dvidas, participe, pergunte!

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Referncias

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

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

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

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Anotaes

www.cruzeirodosulvirtual.com.brCampus LiberdadeRua Galvo Bueno, 868CEP 01506-000So Paulo SP Brasil Tel: (55 11) 3385-3000

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