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Biologia para Ciências Ambientais

Ciclo Celular, Metabolismo Energético

Material Teórico

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

Revisão Textual:Profa. Ms. Selma Aparecida Cesarin

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•Introdução

•Metabolismo Energético

Atenção

Como método de estudo, você deverá realizar as atividades de leitura; na sequência, as atividades de fixação dos conteúdos (Atividade de Sistematização) e as atividades de interação (Fórum, Reflexiva ou Aplicação).

Explore todos os recursos do blackboard. Não acumule dúvidas, participe, pergunte!

Nesta Unidade, daremos continuidade às informações que o ajudarão no entendimento de uma ciência desafiadora e básica, a Biologia.

Abordaremos os conhecimentos científicos que envolvem a organização, o funcionamento celular e o metabolismo celular para obtenção de energia e o ciclo celular.

Ciclo Celular, Metabolismo Energético

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Unidade: Ciclo Celular, Metabolismo Energético

Contextualização

Ao avançar do século XXI, a implantação de processos sustentáveis em nossa sociedade torna-se uma medida imprescindível e urgente.

Os avanços tecnológicos dessa área específica, aliados aos avanços nos conhecimentos dos processos das demais áreas biológicas, visam a minimizar os efeitos do crescimento acelerado da população, garantir a oferta de alimentos e energia limpa na substituição dos combustíveis fósseis, entender a dinâmica de grandes corpos de água represados para diminuir o grau de poluição e assegurar a manutenção da qualidade ambiental.

O avanço nessa área de conhecimento está possibilitando o uso de microorganismos para o aumento da produção e conservação de alimentos.

O desenvolvimento do etanol combustível que constitui uma fonte de energia mais limpa e renovável em substituição do uso de combustíveis fósseis que na sua combustão emitem resíduos que certamente podem influenciar nas alterações climáticas globais.

O desenvolvimento de tecnologia para aumentar a eficiência do processo de fermentação e o melhor aproveitamento da matéria prima para a produção de etanol contribuem para a redução da área destinada à agricultura e acenam com a possibilidade de uma maior área de preservação de mata nativa.

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Introdução

Em nossa conversa anterior, abordamos as principais diferenças entre os seres vivos e os não vivos, as moléculas fundamentais à manutenção da vida e a síntese de proteínas, mas ainda falta entender como há energia disponível para os componentes realizarem as tarefas para a manutenção das atividades intracelulares.

Para avançarmos no estudo das células e na investigação de seu funcionamento, vamos relembrar e denominar que todo o conjunto de transformações químicas que integram o ciclo de vida da célula (obter energia, transformar compostos, produzir e degradar biomoléculas) é chamado de metabolismo.

Dentro do conjunto de transformações que fazem parte do metabolismo, está o catabolismo ou fase de degradação de moléculas orgânicas que irão liberar energia no momento em que forem quebradas em compostos menores e o anabolismo, fase de produção de moléculas maiores, a partir de compostos menores, necessitando de energia para tal (fase de anabolismo).

Os organismos obtém energia por meio da transformação da matéria, de modo que seja possível liberar/retirar dela a energia armazenada; dessa forma, evidenciamos a íntima relação entre energia e matéria.

De acordo com a forma de obter energia, os organismos podem ser divididos em autótrofos e heterótrofos. Os primeiros (incluem-se aqui grupos vegetais e de algumas bactérias especiais) conseguem produzir compostos ricos em energia (matéria orgânica) a partir da energia do Sol pelo processo denominado de fotossíntese e os segundos (grupos animais e fungos) retiram energia da matéria produzida pelos primeiros.

A interação entre esses dois grupos de organismos se dá não só pelo fato de os organismos heterotróficos serem dependentes da matéria orgânica produzida pelos autotróficos, mas também pelo fato de o subproduto das reações de um ser necessário para as reações do outro: organismos autótrofos utilizam o CO2 atmosférico e liberam O2, enquanto que os heterótrofos utilizam o O2 e liberam CO2 em suas reações:

Figura 1. Ciclo do dióxido de carbono(CO2) e oxigênio (O2 entre os seres autotróficos fotossintetizantes e os seres heterotróficos).

Nesta Unidade, será importante nosso conhecimento a respeito dos carboidratos, pois esses são os principais compostos fornecedores de energia aos organismos.

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Metabolismo Energético

As transferências energéticas em um ecossistema obedecem a duas leis da Termodinâmica. A primeira delas se refere às transformações energéticas que resumidamente estabelece que “a energia não se cria, nem se destrói, apenas é transformada de uma modalidade em outra”.

A segunda lei está relacionada às transferências de energia: a cada transformação da energia, uma parcela é liberada, dissipada para o ambiente na forma de calor.

As células heterotróficas obtém energia livre em forma química pela degradação (catabolismo) das moléculas maiores, principalmente carboidratos, e utilizam esta energia para sintetizar biomoléculas menores, como a síntese de adenosina trifosfato (ATP) para realizar trabalho mecânico como a contração muscular, para realizar transporte de moléculas ou íons pela membrana (transporte ativo) entre outras atividades celulares.

O ATP funciona como transportador de energia dos processos catabólicos para as atividades celulares básicas que requerem energia, é um nucleotídeo responsável pelo armazenamento de energia em suas ligações químicas.

A molécula é constituída por adenosina, um nucleosídeo, associado a três radicais fosfato conectados em cadeia (Figura 2).

A energia é armazenada nas ligações entre os fosfatos e não pode ser estocada, seu uso é imediato.Só para lembrarmos, a energia geralmente é estocada na forma de carboidratos e lipídios:

Figura 2.Fórmula estrutural do ATP – Adenosina trifosfato.

As principais formas de produção do ATP são a fosforilação oxidativa na respiração aeróbia e a fotofosforilação na fotossíntese. Um radical fosfato inorgânico (Pi) é adicionado a uma molécula de ADP (adenosina difosfato).

Na respiração aeróbia, o ATP é formado pelo processo de fosforilação oxidativa utilizando energia proveniente da decomposição da glicose e no caso da fotossíntese a energia é proveniente da luz (na fotofosforilação).

Vamos abordar três processos celulares que constituem exemplos do metabolismo energético e são muito importantes na manutenção da vida: a fotossíntese, a fermentação ou respiração anaeróbia e a respiração celular aeróbia.

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FotossínteseProcesso celular que na maioria dos seres autotróficos ocorre na organela citoplasmática

cloroplasto, na qual encontramos o pigmento clorofila, típico dos vegetais e capaz de absorver a energia luminosa.

A fotossíntese é o processo no qual ocorre a transformação de energia luminosa em energia química com a produção de substâncias orgânicas – carboidratos.

Equação da fotossíntese simplificada:

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6O2

Esse processo ocorre nos vegetais clorofilados (presença do pigmento clorofila em cloroplastos), algas e algumas bactérias especiais que na sua maioria não apresentam a organela cloroplasto, mas apresentam um tipo especial de clorofila.

Como já descrevemos anteriormente, a fotossíntese garante a nutrição dos seres autótrofos e disponibiliza energia (compostos químicos) e matéria orgânica necessária à vida dos organismos heterotróficos.

Outro fator importante para lembrarmos é o fato de a fotossíntese ser o processo responsável pela produção e renovação de quase todo o gás oxigênio da atmosfera terrestre (cerca de 21% do volume do ar atmosférico).

Alguns dados científicos apontam que os seres autotróficos seriam capazes de renovar todo o volume de gás oxigênio da atmosfera terrestre a cada dois mil anos.

Os processos que ocorrem na fotossíntese são influenciados pelos fatores ambientais (luz, temperatura, umidade do ar e do solo, vento, concentração de CO2, interações bióticas) e intrínsecos ao próprio organismo (status nutricional, idade, metabolismo, anatomia e morfologia) e o resultado final possui profundas consequências ecológicas.

Resumidamente, a fotossíntese pode ser dividida em três processos químicos principais:

• Fotólisedaágua – absorção da energia da luz e consequente excitação dos elétrons da clorofila, ou seja, a transferência de energia para os elétrons da clorofila. Paralelamente a esse processo, ocorre a quebra da molécula de água, reação denominada de fotólise da água e liberação de O2;

• Fotofosforilaçâo – transporte de elétrons carregados de energia pela cadeia transportadora de elétrons formada pelos aceptores de elétrons que liberam a energia gradativamente.

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Asubstânciafosfatodinucleotidiodenicotinamidaadenina–NADPcapturam os H da reação formando o NADPH. A energia liberada é utilizada no processo de fotofosforilação, produção de energia química na molécula de ATP;

• Ciclodaspentosesoufixaçãodocarbono– basicamente é um conjunto de reações químicas que envolvem a utilização do carbono do gás carbônico (CO2) e dos hidrogênios da molécula do NADPH para a produção de carboidratos.

Uma forma mais simples de abordar as reações químicas que ocorrem na fotossíntese é lembrar

que as reações que precedem a fixação do carbono, ou seja, a fotólise da água, o transporte de elétrons com a produção de NADPH e síntese de ATP dependem diretamente da presença da luz.

Esse conjunto de reações em conjunto pode ser denominado de etapa fotoquímica da fotossíntese ou reações do claro.

A etapa do ciclo das pentoses ou da fixação do carbono só depende da disponibilidade de NADPH e ATP para a formação dos carboidratos, não dependendo diretamente da presença da luz. Essa etapa final da fotossíntese pode ser denominada de etapa puramente química ou reações de escuro.

Nos dias atuais, fala-se muito da importância da cobertura vegetal das florestas que pelo processo de fotossíntese trabalham na fixação de carbono que prende o carbono da molécula de dióxido de carbono (CO2) na síntese de carboidratos, para atenuar os efeitos do aquecimento global.

Em contrapartida, as queimadas têm efeito nocivo nesse processo, vez que diminui a área de cobertura vegetal e libera mais CO2 na atmosfera.

FermentaçãoourespiraçãoanaeróbiaConsiste em um processo de degradação incompleta de substâncias orgânicas (geralmente a

glicose) com liberação de energia e calor. A reação é exotérmica, o que significa que se células de uma suspensão estão fermentando, o fluxo de calor liberado pode ser detectado por um microcalorímetro.

Quanto maior for o catabolismo celular, isto é, quanto maior for o número de moléculas consumidas por unidade de tempo, maior será a energia liberada e, consequentemente, maior será o efeito térmico registrado.

Como a degradação da glicose é incompleta, o rendimento energético do processo de fermentação é menor que o apresentado na respiração aeróbia; apenas uma pequena fração da energia total disponível na molécula da glicose é liberada.

O rendimento em ATP sob condições anaeróbicas é muito menor: cerca 2 ATP por molécula de glicose. Na oxidação completa da glicose até CO2 e H2O sob condições aeróbicas, o rendimento é de 30 ou 32 ATP por molécula de glicose.

O gás oxigênio pode ser letal para as bactérias anaeróbias como o agente causador do tétano (Clostridium tetani) restringindo a ocorrência desses organismos a solos profundos e regiões em que o teor de oxigênio é praticamente zero. A esses organismos damos o nome de anaeróbios estritos.

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Outros organismos são considerados anaeróbios facultativos, vez que realizam a fermentação na ausência de oxigênio e a respiração aeróbia na presença desse gás, como é o caso de certos fungos (Saccharomyces cerevisiae – levedura) e de muitas bactérias.

A fermentação também ocorre na natureza em corpos d’água eutrofizados.

A descrição desse processo pode ser encontrada na publicação do Ministério da Saúde “Vigilância e controle da qualidade da água para consumo humano”, que observa as condições e as etapas que podem ser observadas em um corpo d´água em processo de eutrofização.

O corpo d´água recebe uma descarga de produtos ricos em nutrientes como: - água da chuva carreada de uma área que recebeu fertilizantes, os compostos contendo fósforo (fosfatos) e nitrogênio (nitratos), substâncias nutrientes que promovem o crescimento de vegetais.

Nesse ambiente, essas substâncias (nutrientes) contribuem para o crescimento e a multiplicação do fitoplâncton, algas e vegetais aquáticos, o que provoca o aumento da turbidez da água, causando aspecto esverdeado e turvo, dificultando a penetração de luz no ambiente, diminuindo ou interrompendo o processo de fotossíntese.

Após certo tempo, observa-se o desaparecimento da vegetação aquática submersa, o que proporciona a perda de alimento, habitat e oxigênio dissolvido.

Embora os lagos em processo de eutrofização possuam elevada quantidade de fitoplâncton, que produz oxigênio pela fotossíntese, sua distribuição superficial provoca nesse setor uma saturação em oxigênio, que escapa para a atmosfera e não restabelece o oxigênio dissolvido no corpo d´água.

O fitoplâncton apresenta taxas de crescimento e reprodução muito elevadas, formando «tapetes» verdes na superfície dos cursos de água. Quando estes organismos morrem, depositam-se no fundo, aumentando o volume de detritos que elevam a população de decompositores (essencialmente bactérias), cujo crescimento exponencial provoca diminuição do oxigênio dissolvido (consumido na respiração).

O esgotamento do oxigênio leva à morte por asfixia de peixes e crustáceos, mas não de bactérias, que recorrem à fermentação e respiração anaeróbia.

Existem diversos tipos de fermentação, que variam quanto ao produto final. No processo de fermentação, o aceptor final de hidrogênios é o produto final.

Vamos citar os dois tipos mais comuns de fermentação: fermentação alcoólica efermentação lática.

O catabolismo da glicose com o objetivo de produzir energia (ATP) pode se dar pela via aeróbia ou anaeróbia, ou seja, na presença ou ausência de O2 respectivamente.

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Figura 3. O piruvato é o produto final da glicólise. Dependendo do organismo e das condições metabólicas, na presença ou ausência de O2, pode seguir vias metabólicas diferentes.

Fonte: Princípios de Bioquímicas, Lehninger (modificado e adaptado).

A quebra da glicose até piruvato, denominada via glicolítica, é comum ao metabolismo aeróbio e anaeróbio e o que determina a via a ser seguida é a presença ou ausência de O2.

Mesmo na presença de oxigênio, a via anaeróbia também pode ser ativada se a concentração de glicose estiver acima de um valor chamado concentração crítica.

FermentaçãoAlcóolicaA fermentação ocorre no citoplasma da célula e podemos resumi-la em duas etapas:

• Glicólise:conjunto de reações que degradam a glicose até ácido pirúvico;

• Redução do ácido pirúvico: conjunto de reações que conduzem à formação dos produtos da fermentação, nesse caso, o álcool etílico.

Equação geral da fermentação etílica

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2 HO-CH2CH3 + 2 CO2 + 2 ATP + calor

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As leveduras, espécies de fungos e algumas bactérias, são capazes de fermentar açúcares, produzindo duas moléculas de ácido pirúvico, que são convertidas em álcool etílico (etanol), com a liberação de duas moléculas de CO2 e a formação de duas moléculas de ATP.

Figura 4.Redução do número de carbonos nas substâncias envolvidas na fermentação etílica. Glicose com 6 carbonos, ácido pirúvico 4 carbonos e álcool etílico 2 carbonos.

No Brasil, a produção de álcool etílico adquiriu importância significativa no desenvolvimento de um setor da Economia, o agronegócio que, com o plano de desenvolvimento da produção de álcool, denominado Proálcool, passou a acrescentar uma determinada porcentagem de etanol ou álcool etílico à gasolina.

Esse processo culminou com a utilização desse combustível como fonte energética mais limpa e renovável. Houve, também, a criação de empregos diretos e indiretos e uma rápida e importante evolução na construção de motores na indústria automobilística no desenvolvimento da tecnologia do motor flex .

Atualmente, a iniciativa privada é responsável por crescentes investimentos na produção do álcool como combustível e fonte energética, acirrando as discussões sobre as questões ambientais envolvidas no processo.

O álcool também aparece com relativa importância em outros setores da Economia, como na indústria farmacêutica, na produção de corantes e na fabricação de tintas, entre outros.

Fermentação LáticaA fermentação ocorre no citoplasma da célula e podemos resumi-la em duas etapas:

• Glicólise: conjunto de reações que degradam a glicose até ácido pirúvico;

• Redução do ácido pirúvico: conjunto de reações que conduzem à formação dos produtos da fermentação, nesse caso, o ácido láctico.

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Equação geral da fermentação láctica

Glicose + 2ADP + 2 Pi 2 lactato + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+

As células do tecido muscular humano também podem promover a fermentação da glicose, em uma situação de exercício intenso com alta demanda energética e carência de oxigênio, é uma maneira compensatória de se obter energia.

O ácido lático gerado como subproduto nesse processo se acumula nas fibras musculares, o que pode gerar certo desconforto popularmente conhecido como câimbras.

A fermentação láctica ganha notoriedade na indústria de processamento de alimentos com a produção de queijos maturados, conservas e bebidas fermentadas entre outros; em alguns desses alimentos, há aumento da digestibilidade e essa categoria de alimentos tem sido relacionada ao bem estar nutricional, em todo o mundo.

São alimentos que possuem aroma e sabor característicos que resultam direta ou indiretamente dos organismos fermentadores.

Figura 5. Redução do número de carbonos nas substâncias envolvidas na fermentação etílica. Glicose com 6 carbonos, ácido pirúvico 4 carbonos e ácido lático 3 carbonos.

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RespiraçãoAeróbia

Como já mencionamos anteriormente, o metabolismo aeróbico (na presença de O2) é mais eficiente do que o metabolismo anaeróbico, em termos de ganho líquido e produção de ATP.

As células da grande maioria dos seres vivos consomem oxigênio para o desempenho de suas atividades metabólicas no processo chamado de respiração celular, fonte de energia (ATP) para as células.

Podemos resumir o processo em três etapas:

-Glicólise

Comum ao processo anaeróbio e ocorre no citoplasma das células. Há um gasto inicial de energia (duas moléculas de ATP são consumidas), mas o resultado da glicólise é a formação de 2 moléculas de ácido pirúvico e 4 moléculas de ATP. Também ocorre liberação de elétrons energizados e íons H, que são capturados por moléculas de uma substância denominada NAD (nicotinamida adenina dinucleotídeo), formando duas moléculas de NADH2.

Figura 6. Esquema representativo da glicólise. Quebra da molécula de glicose originando 2

ATP, 2 moléculas de ácido pirúvico e 2 NADH2.

- Ciclo de Krebs ou ciclo do ácido cítrico

O ácido pirúvico e o NADH2 são transferidos para o interior das mitocôndrias, especificamente na matriz mitocondrial (solução aquosa no interior das mitocôndrias). Já na entrada, o ácido pirúvico reage com a coenzima A, dando origem a duas moléculas de gás carbônico e duas de acetil-coenzima A(acetil-coA). O acetil-coA vai ser totalmente degradada numa série de reações, cujos produtos são mais quatro moléculas de gás carbônico, além de elétrons energizados e íons H, que serão capturados por NAD e por outro aceptor de elétrons e de hidrogênio chamado FAD (flavina adenina dinucleotídeo), originando moléculas de NADH2 e FADH2.

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Figura 7. Esquema simplificado do Ciclo de Krebs. No ciclo são liberados CO2, ATP, NADH2 e FADH2.

Fonte: disponível em: www.sobiologia.com.br

- Fosforilação oxidativa

As moléculas de NADH2 e FADH2 liberam os elétrons energizados e os íons H+. Esses elétrons (somados aos provenientes da glicólise) passam por proteínas transportadoras (citocromos e quinonas) presentes nas membranas internas da mitocôndria. Essa série de proteínas recebe o nome de cadeia respiratória. Nessa etapa, os elétrons perdem energia, que é captada para a transformação do ADP + P em ATP. Ao final da cadeia respiratória, os elétrons menos energizados e os íons H+ combinam-se com átomos provenientes do oxigênio, formando seis moléculas de água.

Equação Geral da respiração

C6H12O6 + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

A glicose foi ressaltada como a principal fonte de energia para o metabolismo celular. No entanto, no metabolismo aeróbio pode haver a entrada de outras substâncias como os aminoácidos de proteínas e ou subprodutos do metabolismo de lipídios, que podem entrar nas reações da etapa do ciclo de Kebs.

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Vimos como a célula está organizada e como são os mecanismos e processos de obtenção de energia. Vamos estudar agora como uma célula dará origem a outras células.

Ao longo da vida de um organismo, mesmo depois de terminado o período de crescimento, várias de suas células continuarão se dividindo, seja para renovação de tecidos, como nos epitélios e células sanguíneas ou para reparo de lesões, como na fratura de um osso. O fato é que a maior parte das células de nosso corpo é mais nova que o próprio organismo.

Cada tipo celular passará por um ciclo celular que compreende um período de tempo denominado interfase, no qual a célula desempenha todas as suas funções, e um período de divisão celular.

Um exemplo especial é a fase inicial do desenvolvimento embrionário, quando o zigoto ou célula-ovo sofre ciclos sucessivos de divisão em que as células-filhas são cada vez menores.

Essa fase é denominada de clivagem e embora o número de células aumente, o volume do embrião não aumenta consideravelmente.

Num organismo adulto, cada tipo celular tem o ciclo com uma duração diferente, desde algumas horas, até anos.

Figura 8. Como exemplo, observe o ciclo celular de uma célula de mamífero com duração média de 24 horas. A célula leva cerca de uma hora para se dividir (M). O período de interfase inclui uma fase de crescimento (G1), a duplicação do DNA (S) e um segundo período de crescimento (G2).

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ExploreObserve o vídeo de uma célula animal se dividindo: www.youtube.com/watch?v=CU0Al6FHYiU

Caros alunos, na próxima Unidade, ampliaremos nossos conhecimentos sobre o ciclo celular, no período de interfase e nos tipos de divisão celular: - mitose, no qual a célula mantém o mesmo padrão genético; - meiose, quando são formadas as células sexuais com metade da carga gênica ou metade do número de cromossomos.

Figura 9. Ilustração do ciclo celular com o período de interfase e dos dois tipos de divisão celular: mitose, formando duas novas células com o mesmo número de cromossomos e meiose, diminuindo o número de cromossomos pela metade.

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Material Complementar

MINISTÉRIO DA SAÚDE- Vigilância e controle da qualidade da água para consumo humano. http://bvsms.saude.gov.br/bvs/publicacoes/vigilancia_controle_qualidade_agua.pdf

Assista os vídeos do processo de fermentação na cadeia produtiva do álcool.

www.youtube.com/watch?v=J9nxw7wtXME

www.youtube.com/watch?v=c3PpSB5xkk8

Observe também os vídeos que abordam o processo de fermentação e suas aplicações na indústria de alimentos.

www.youtube.com/watch?v=xAisq9WcAFM

www.youtube.com/watch?v=SQFdGVDfE2Y

www.youtube.com/watch?v=jXUmbLqgzv4

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Referências

ALBERTS, B. et al. Fundamentosdabiologiacelular. 3.ed. Porto Alegre: ArtMed, 2011.

AMABIS, J. M.; Martho G. R. Biologia. 3.ed.São Paulo: Moderna, 2009.

LEHNINGER, A. L.; NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de bioquímica.2.ed. São Paulo: Sarvier, 1995.

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

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