embebição de matriz coloidal e matriz...

Publicado em Março de 2012 em www.viaciencia.com.br Todos os diretos reservados 1/15

Embebição de matriz coloidal e matriz fibrosa

Carlos Henrique Britto de Assis Prado1, Marco Aurélio Bortoni2, Clara Di

Martino2

1Professor Associado do Departamento de Botânica da Universidade Federal

de São Carlos, 2Alunos do curso de graduação do Bacharelado em Ciências

Biológicas, Universidade Federal de São Carlos

Materiais utilizados

Vidrarias: Placas de Petri com 14 cm de diâmetro, Becker de 50 mL

Drogas: gelatina em folha colorida, água destilada

Outros materiais: papel milimetrado, cronômetro, tesoura, régua de 30 cm,

pinça, caneta de ponta porosa, lápis, papel sulfite branco (papel A4)

Introdução

A parede celular é um componente típico das células vegetais, é semi-rígida,

fibrosa, e apresenta finos capilares internos1. A parede celular é denominada

corretamente de matriz extracelular, capaz de competir por solutos e água com

o solo, proteger mecanicamente a epiderme dos órgãos e proporcionar rigidez

às células vegetais. Assim, a matriz extracelular oferece simultaneamente

capacidade de competição por recursos no ambiente, proteção e estrutura

mecânica aos vários níveis de organização do vegetal (células, tecidos e

órgãos). Por outro lado, a matriz extracelular protege a célula contra

microorganismo patógenos e contra a abrasão de materiais sólidos na parte

aérea e na porção subterrânea da planta.

No entanto, a matriz extracelular permite a entrada da água e dos

nutrientes minerais dissolvidos até que esses materiais encontrem a 1Diâmetro médio entre 3,5 e 5,2 nm.


plasmalema (membrana plasmática) antes de alcançar o interior da célula. A

matriz extracelular, mais o lúmen das células mortas e os espaços entre as

células no corpo da planta perfazem o apoplasto, um ambiente contíguo, mas

sem biomembranas.

O simplasto é o volume da célula constituído pelos plasmodesmata, o

citoplasma e todo o seu conteúdo (citosol e organelas citoplasmáticas) menos

o vacúolo. O simplasto está conectado entre células por meio dos

plasmodesmata. O volume simplasmático é bem diferente do volume do

vacúolo e da parede celular. No simplasma há quantidade significativa de

solutos (sais, óxidos e moléculas orgânicas) e de biomembranas que limitam as

organelas como as membranas da mitocôndria, dos cloroplastos, do complexo

de Golgi, a plasmalema e o retículo endoplasmático. O simplasto e o vacúolo

juntos resultam no protoplasto, ou seja, todo o conteúdo interior da célula

vegetal livre da matriz extracelular. Apesar de o vacúolo apresentar uma

biomembrana delimitando seu exterior com o simplasto o vacúolo não é

considerado parte do simplasma.

O vacúolo é a maior organela da célula vegetal, ocupando cerca de 90%

do protoplasto das células homeohídricas (as células vegetais que apresentam

um só vacúolo). O conteúdo do vacúolo é distinto da parede celular e do

simplasto e não está conectado diretamente a nenhum outro vacúolo de outra

célula. No vacúolo é possível serem encontrados pigmentos, ácidos orgânicos,

enzimas digestivas e, principalmente, água. O vacúolo é o principal local de

reserva de água da célula vegetal. Portanto, há três volumes bem distintos na

célula vegetal, o vacúolo com água e uma grande diversidade de solutos, o


simplasto composto pelo citosol e as organelas e a matriz extracelular

composta principalmente de celulose na forma de fibras (parede celular).

A concentração significativa de proteínas e açúcares livres e aderidos na

interface das biomembranas com o citosol confere ao simplasto um caráter

mais viscoso que o vacúolo. O simplasto se comporta como um gel. O gel é

caracterizado por conter substâncias coloidais2 que se dispersam em um

solvente, resultando em uma massa que pode ter consistência gelatinosa. O

solvente no simplasto é a água e os colóides são principalmente proteínas e

açúcares solúveis de diversos tamanhos. A sacarose, por exemplo, é um

colóide que apresenta o tamanho reduzido de 1,0 nm.

Um sólido ou um semi-sólido capaz de reter quantidade significativa de

água no seu interior devido aos colóides (como a gelatina ou o simplasto) ou

capilares internos (como o solo ou a matriz extracelular) pode ser considerado

uma matriz. A matriz, portanto, se caracteriza por uma grande capacidade de

reter água na superfície de seus componentes coloidais que interagem

prontamente com a água (no caso do amido e gelatina) ou nas superfícies

internas molháveis de seus capilares (no caso da madeira, papel, solo, e tijolo).

Portanto, em uma célula vegetal viva há duas matrizes adjacentes e

competitivas por água e solutos, o simplasto coloidal (citoplasmas e organelas

interligados por plasmodesmata) e a matriz extracelular (a parede celular).

Essas matrizes são separadas por uma biomembrana, a plasmalema,

denominada também de membrana plasmática. A matriz extracelular é de

natureza muito distinta da matriz coloidal (o simplasto). A celulose da parede

celular é um polissacarídeo cujas moléculas são formadas por cadeias lineares

2 Sólidos com tamanho reduzido, entre 1,0 nm e 1,0 µm. Os colóides dificilmente decantam em solução aquosa e podem dar consistência gel à solução.


de glicose. Cada molécula de celulose é formada por cerca de 10.000 resíduos

de glicose. Os resíduos são ligados mediante uniões β-1,4 glucano, ou seja, o

carbono 1 da molécula de glicose é ligado ao carbono 4 da próxima molécula

de glicose. A ligação β-1,4 posiciona os resíduos de glicose em um mesmo

plano e sem ramificações. As moléculas de celulose formam uma fibra

molecular com cerca de 0,8 nm de largura. Na parede celular essas longas

moléculas de celulose estão arranjadas em paralelo formando um feixe, a

microfibrila. Cada microfibrila é formada por dezenas de longas cadeias de

celulose fortemente estruturadas por pontes de hidrogênio entre grupos

hidroxila. Essas pontes atribuem coesão ao feixe de celulose. A microfibrila é a

unidade básica da construção da parede celular primária e secundária.

Portanto, a matriz extracelular é, essencialmente, formada por fibras (matriz

fibrosa) em contraste com a matriz simplasmática adjacente no interior da

célula, o simplasto (matriz coloidal).

A gelatina comercial em folha é constituída por um conjunto de proteínas

(cerca de 85% da massa seca) e açucares que se comportam como colóides

em solução aquosa, semelhante ao volume simplasmático. Por ser um meio

com composição predominantemente protéica, a gelatina se embebe

rapidamente, pois as proteínas apresentam cargas e pólos que interagem

prontamente com os pólos da água (interação colóide-água). Se estiver na

forma comercial de folha seca a gelatina incha e perde a sua forma inicial à

medida que a embebição avança. Sem ter como limitar a entrada de solutos e

de água na matriz protéica, a gelatina em folha perde paulatinamente a forma

inicial devido ao aumento de volume e conseqüente aumento de sua área após

a embebição. Assim como no simplasto da célula vegetal, a água entra e


aumenta o volume da lâmina de gelatina. A folha de gelatina cresce conforme a

embebição até certo limite, quando a folha pode quebrar e se dissolver na

própria solução de embebição. A água entra na gelatina molhando primeiro as

bordas de contato. Posteriormente, a água atinge o interior da gelatina com o

avanço da franja de embebição.

Por outro lado, a estrutura do papel sulfite de impressão é constituída de

fibras de celulose obtida do lenho de árvores e se assemelha à estrutura física

da matriz extracelular. Durante a fabricação do papel as fibras são depositadas

em um arranjo semelhante ao da parede celular secundária. O arranjo de

microfibrilas da celulose confere maior rigidez à matriz fibrosa em relação à

matriz gelatinosa. As microfibrilas estão interconectadas por vários materiais na

parede da célula vegetal: pectina, hemicelulose, íons cálcio e lignina. Apesar

da pectina e da lignina serem parcialmente retiradas durante o beneficiamento

da polpa para a fabricação do papel, essas substâncias ainda estão presentes

no papel de impressão. O papel assume um tom amarelado e se quebra mais

facilmente conforme envelhece devido à degradação da pectina e da lignina

residual. Celulose, pectina e lignina são substâncias com muitos pólos

negativos, capazes de interagir eletronicamente com os pólos positivos da

água. Portanto, a água também embebe a matriz fibrosa como a matriz

coloidal, formando uma franja de molhamento em direção ao interior da matriz.

Diferente da matriz coloidal, a matriz de celulose apresenta capilares

formados pelos espaços entre fibras. Quando a água entra na matriz fibrosa

como na parede celular ou no papel essa matriz pode se distender somente até

certo limite, pois as microfibrilas de celulose estão entrelaçadas, sobrepostas e

interconectadas. O grau de adesão entre as microfibrilas pode variar


dependendo da matriz fibrosa. Por exemplo, na parede celular primária as

microfibrilas estão interconectadas por pectina, extensina (uma das poucas

proteínas da parede celular) e dois tipos de glicanos: o xiloglucano e o

glucuronoarabinoxilano. No papel tipo sulfite a adesão das fibras de celulose é

limitada pelo grau de entrelaçamento das fibras, pelo conteúdo de pectina e

lignina e pelas pontes de hidrogênio eventuais entra microfibrilas. Dessa forma,

é possível ocorrer apenas um limitado deslizamento entre as fibras durante a

embebição da matriz fibrosa do papel.

Assim, a manutenção da integridade física do volume do simplasto

durante a entrada de água na célula é realizada por meio da matriz extracelular

e não da matriz coloidal do simplasma e nem da membrana plasmática que

envolve o volume simplasmático. A água entra no simplasto atravessando a

membrana plasmática (plasmalema) por meio do canal protéico denominado de

aquaporina. A água que entra no simplasto necessariamente aumenta esse

volume de forma correspondente, pois não é possível comprimir água líquida.

O simplasto com maior volume pressiona a parede celular (a matriz

extracelular) de dentro para fora. A matriz extracelular é deformada até certo

ponto, deslizando as microfibrilas em um processo limitado.

Se as matrizes coloidal e fibrosa estiverem totalmente separadas (o que

não é o caso de uma célula vegetal viva) a água poderá entrar continuamente

na matriz coloidal dissolvendo essa matriz, podendo o gel até perder a

integridade física após um estágio avançado de embebição. A matriz fibrosa

separada da coloidal irá embeber e se deformar até seus capilares internos

estarem totalmente preenchidos com água e as microfibrilas deslizarem até

certo limite. A embebição logo irá cessar na matriz fibrosa preenchendo todos


os capilares e deslizando um pouco as microfibrilas de celulose. Portanto,

dificilmente a matriz fibrosa irá perder os seus contornos e sua integridade

física após plena embebição, mesmo estando isolada.

A vantagem para a planta é ter uma matriz coloidal interna que se

embebe continuamente limitada em volume por uma matriz fibrosa externa que

não perde seu contorno após embebição. Na célula vegetal essas matrizes

estão em contato íntimo, separadas apenas por uma fina camada de gordura e

proteína (a plasmalema). A plasmalema é capaz de manter ambas as matrizes

(coloidal e fibrosa) unidas por meio de íons cálcio (Ca2+) que interagem com as

proteínas que faceiam as matrizes e por meio dos plasmodesmata que

atravessam as matrizes fibrosas e unem os citoplasmas das células vegetais.

Nessa aula prática iremos trabalhar com matrizes coloidal e fibrosa

separadas fisicamente e submersas independentemente em água. A

capacidade e a velocidade de embebição de ambas matrizes serão

quantificadas e o significado biológico para a célula dessas matrizes

trabalhando em conjunto, lado a lado, mas separadas pela plasmalema, poderá

ser visualizado.

Objetivos

Comparar a velocidade de embebição de uma matriz fibrosa (papel) e de uma

matriz protéica coloidal (gelatina) por meio do incremento da área relativa sob

água.


Discutir o significado biológico do comportamento da matriz coloidal e da matriz

fibrosa por meio da velocidade de embebição e do aumento da área relativa de

cada matriz durante o processo de embebição.

Evidenciar as propriedades da matriz fibrosa e de uma matriz protéica a partir

dos resultados de embebição.

Relacionar esses resultados ao sucesso do emprego simultâneo e adjacente

da matriz fibrosa como estrutura da parede celular e da matriz coloidal como

meio molecular apropriado para reações bioquímicas das rotas metabólicas,

separadas em compartimentos delimitados por uma biomembrana, a

plasmalema.

Experimento

a) Desenhar dois retângulos de 3,0 x 6,0 cm em uma folha de papel

milimetrado, posicionados lado a lado e distantes em 3,0 cm (Figura 1).

Colocar a placa de Petri de 14,0 cm de diâmetro em cima do desenho a ser

utilizado como gabarito para determinar o incremento de área das folhas

das matrizes coloidal e fibrosa. O aumento da área será registrado minuto a

minuto por meio da alteração dos lados dos retângulos durante a

embebição.


Figura 1 - Esquerda: desenhos dos retângulos 3,0 x 6,0 cm sobre papel

milimetrado, separados por 3 cm de distância. Esses desenhos servirão

como gabarito para verificar a alteração do comprimento e da largura dos

retângulos das folhas da matriz coloidal e da matriz fibrosa durante a

embebição em água na placa de Petri. Direita: Placa de Petri de 14 cm de

diâmetro sobre o papel quadriculado com os 2 retângulos desenhados

abaixo. A placa de Petri será preenchida com 50 mL de água e a

embebição das matrizes poderá ser acompanhada a cada minuto por meio

da área delimitada sob a placa.

b) Recortar as folhas de gelatina e de papel em retângulos de 3,0 x 6,0 cm

(Figura 2). Em cada placa de Petri, haverá um retângulo da matriz

coloidal e um retângulo para a matriz fibrosa (Figura 3). A folha de

gelatina deve ser completamente submersa desde o início do

experimento. Se a matriz de gelatina boiar durante a embebição

ocorrerá o aumento de área e de volume somente na parte inferior em

contato com a água. Dessa forma, a folha de gelatina se enrola

dobrando para cima e inviabilizando o acompanhamento do aumento

dos lados do retângulo (Figura 4). Esse tipo de problema dificilmente

ocorre com a matriz fibrosa (papel) pois essa matriz é de fácil

submersão em água.


Figura 4 – Retângulo de gelatina com lados

de 3,0 x 6,0 cm submerso incompletamente

(errado) causando o aumento somente da

superfície inferior em contato com a água. O

resultado é o enrolamento da folha de

gelatina (ponta do instrumento) e

incapacidade de quantificação dos lados e

da área correspondente.

Figura 3 - Retângulos com lados de 3,0 x

6,0 cm de gelatina (acima) e papel (abaixo)

prontos para serem submersos em água.

Note a escala entre as diferentes matrizes

e o posicionamento exato das matrizes

sobre os retângulos desenhados

previamente em papel milimetrado. A

medição dos lados maior e menor é

realizada a cada minuto após o contato das

matrizes com a água. Utilize

constantemente duas pinças para manter

as matrizes submersas e posicionadas

durante a embebição.

Figura 2 - Retângulos com lados de

3,0 x 6,0 cm, de folhas de gelatina

(acima) e de papel (abaixo) cortados

previamente para serem submersos

em água.


c) Coloque as matrizes na placa de Petri seca e verifique se o tamanho de

cada uma corresponde exatamente ao gabarito previamente desenhado

sobre o papel milimetrado (Figura 3). Após despejar cuidadosamente a

água mantenha as matrizes posicionadas sobre o gabarito desenhado

com o auxílio de uma pinça. Com base no molde do gabarito de medidas

abaixo de cada matriz é possível verificar minuto a minuto o aumento

dos lados das matrizes (aumento da área) por meio do papel

milimetrado. Marque em uma tabela o comprimento dos lados maior e

menor de cada matriz a cada minuto. Esses valores serão utilizados

para o cálculo do aumento da área em função do tempo. As medidas de

aumento de lado das matrizes a cada minuto exige atenção. Um aluno

poderá cuidar de apenas uma placa de Petri durante o experimento,

anotando o aumento dos lados de ambas as matrizes de uma mesma

placa. É necessário acompanhar o aumento da matriz durante 20

minutos.

d) O aumento da área de cada matriz em função do tempo deve ser

calculado multiplicando o valor obtido dos lados do retângulo (lado maior

vezes lado menor) a cada minuto. Construir um gráfico do aumento de

área de cada matriz em função do tempo (min) para cada placa de Petri.

No gráfico a área deve ser expressa em área relativa, ou seja, a

porcentagem da área aumentada durante a embebição em relação à

área inicial dos retângulos em cada minuto de determinação (Figuras 5 e

6).


Figura 5 - Incremento da área relativa (%) em função do tempo (min) da

superfície de uma matriz coloidal (proteína e açucares solúveis) na forma de

folha e submersa em água.

Figura 6 – Incremento da área relativa (%) em função do tempo (min.) da

superfície de uma matriz fibrosa na forma de folha (papel) submersa em água.


e) A matriz coloidal (Figura 5) cresce mais rapidamente e atinge uma área

relativa 20 vezes maior que a matriz fibrosa (Figura 6). A maior

velocidade de crescimento da matriz protéica ocorre pelo motivo de não

haver canais a serem preenchidos por água antes de a matriz ganhar

volume. Toda a água que entra na matriz coloidal imediatamente

aumenta o volume e a área do corpo da matriz. No entanto, essa matriz

não é capaz de manter seu contorno e a folha de gelatina facilmente se

despedaça após 20 minutos de embebição. No interior da matriz coloidal

do experimento não há superfícies fixas onde interações elétricas

(reações químicas ou adsorção) podem ocorrer em um plano

bidimensional determinado. Essa matriz é um volume coloidal que expõe

totalmente as moléculas imersas nas 3 dimensões (profundidade,

largura e altura) possibilitando a exposição dos solutos nas rotas

metabólicas do simplasto. Por outro lado, a água que expande a matriz

coloidal não pode ser comprimida, pois não é possível comprimir água

líquida. Dessa forma, essa matriz quando expande pode pressionar os

volumes adjacentes durante a embebição. O simplasto com sua matriz

coloidal funciona mecanicamente dessa forma, quando recebe água

expande seu volume e pressiona a plasmalema e a matriz extracelular

(parede celular). Essa força dá origem à pressão de parede.

f) A matriz fibrosa não se distende tanto como a matriz protéica e a

velocidade de aumento de área é mais lenta (Figuras 5 e 6). As fibras do

papel se embebem até um limite de incremento de área de cerca de

10% (Figura 6). A partir desse ganho de área não mais ocorre


afrouxamento (deslizamento) entre fibras. As interações químicas na

matriz fibrosa ocorrem freqüentemente entre uma superfície fixa semi-

sólida e polarizada negativamente (superfície das microfibrilas de

celulose) os solutos e o solvente da solução que embebe a matriz.

Nessa solução os íons e moléculas polarizadas eventualmente são

adsorvidos de forma reversível na superfície dos capilares formados

pelos espaços entre as fibras. Esse meio com superfícies fixas capazes

de adsorver solutos móveis é denominado de meio de Donnan. Essa

forma de organização celular com uma matriz extracelular fibrosa, uma

matriz intracelular coloidal e ainda uma reserva de água mais interna

(vacúolo) é bem sucedida na natureza. Cerca de 90% da biomassa

existente sobre os continentes apresenta essa organização estrutural. É

interessante notar que a matriz coloidal é construída a partir da

polimerização de glicose exatamente na plasmalema, no limite entre as

matrizes, a partir de proteínas transmembranares que catalizam a

polimerização. Todos os outros componentes da parede celular também

são fabricados pelo simplasto. Portanto, há forte interdependência

funcional entre as matrizes fibrosa e coloidal na célula vegetal.


Síntese

A parede celular fibrosa, também denominada matriz extracelular, oferece às

plantas proteção mecânica e biológica. Essa matriz é capaz de aderir água e

solutos em sua grande superfície interna. A entrada de água e de nutrientes na

matriz extracelular ocorre até a membrana plasmática. Na outra face da

membrana plasmática está a matriz intracelular coloidal que também é capaz

de aderir água e solutos. Essas duas matrizes adjacentes apresentam

comportamentos distintos em relação à velocidade e à capacidade de

embebição. Nessa aula é possível comparar essas capacidades das diferentes

matrizes (protéica interna e fibrosa externa) discutindo o significado biológico

de cada uma e do conjunto matricial separado pela plasmalema.

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