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2012 Citologia Prof.ª Bianca Lindner Prof.ª Daniela Viviani Copyright © UNIASSELVI 2012 Elaboração: Prof.ª Bianca Lindner Prof.ª Daniela Viviani Revisão, Diagramação e Produção: Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial. 574.87 L747c Lindner, Bianca Citologia / Bianca Lindner; Daniela Viviani. 2. Ed. Indaial : Uniasselvi, 2012. 189 p. : il ISBN 978-85-7830-617-5 1. Citologia. I. Centro Universitário Leonardo da Vinci. Impresso por: III apresentação Prezado(a) acadêmico(a)! A partir de agora iniciaremos nosso estudo sobre Citologia (do grego kytos, ‘célula’ e logos, ‘estudo’), que é o ramo da Biologia dedicado a desvendar os “mistérios” das unidades estruturais e funcionais dos seres vivos, a célula. Com o Caderno de Estudos em mãos, você perceberá que as unidades foram estruturadas em uma ordem histórica e de complexidade, de modo a facilitar a compreensão dos conteúdos apresentados nesta disciplina. Assim, na primeira unidade, estudaremos os fundamentos desta disciplina a partir de uma introdução sobre a célula propriamente dita, a teoria celular, bem como a descoberta e/ou invenção do microscópio. Você perceberá que, a partir dessa descoberta, foi possível estudar a morfologia e o desenvolvimento das células no que tange à sua estrutura, suas funções e sua importância na complexidade dos seres vivos. O estudo dos componentes químicos das células, assim como as principais características das células procarióticas e eucarióticas, também serão nossos objetos de estudo nesta unidade. Na segunda unidade vamos “mergulhar” na célula, para estudar suas principais organelas e as funções de cada uma delas isoladamente. Após o estudo das organelas, atravessaremos as membranas celulares, compreendendo sua composição e estrutura. Na terceira e última unidade deste Caderno de Estudos, vamos verificar como ocorrem os processos de divisão celular (mitose e meiose), diferenciação celular e, consequentemente, histogênese. Vamos iniciar nossa viagem ao mundo complexo e fascinante da Citologia. Bons estudos! Prof.ª Bianca Lindner Prof.ª Daniela Viviani IV Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novidades em nosso material. Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura. O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo. Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto em questão. Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade. Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE. Bons estudos! UNI Olá acadêmico! Para melhorar a qualidade dos materiais ofertados a você e dinamizar ainda mais os seus estudos, a Uniasselvi disponibiliza materiais que possuem o código QR Code, que é um código que permite que você acesse um conteúdo interativo relacionado ao tema que você está estudando. Para utilizar essa ferramenta, acesse as lojas de aplicativos e baixe um leitor de QR Code. Depois, é só aproveitar mais essa facilidade para aprimorar seus estudos! UNI V VI VII UNIDADE 1: CITOLOGIA – FUNDAMENTOS ............................................................................... 1 TÓPICO 1: A CÉLULA ............................................................................................................................ 3 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 3 2 TEORIA DA CÉLULA .......................................................................................................................... 5 3 MICROSCÓPIO .................................................................................................................................... 9 4 COMPONENTES QUÍMICOS DAS CÉLULAS ............................................................................. 13 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 21 RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................ 23 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 24 TÓPICO 2: CÉLULAS PROCARIÓTICAS E EUCARIÓTICAS ..................................................... 25 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 25 2 HISTÓRICO ........................................................................................................................................... 25 3 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS CÉLULAS PROCARIÓTICAS ................................ 27 4 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS CÉLULAS EUCARIÓTICAS.................................... 30 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................... 34 RESUMO DO TÓPICO 2........................................................................................................................ 37 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 38 PRÁTICA - CONHECENDO O MICROSCÓPIO ÓPTICO COMUM (M.O.C) ......................... 40 PRÁTICA - OBSERVAÇÃO DE CÉLULAS VEGETAIS ................................................................. 49 UNIDADE 2: ESTRUTURA GERAL DAS CÉLULAS ..................................................................... 55 TÓPICO 1: ORGANELAS CELULARES E SUAS FUNÇÕES ........................................................ 57 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 57 2 ORGANELAS QUE PROCESSAM A INFORMAÇÃO ................................................................ 57 3 O SISTEMA DE MEMBRANAS INTERNAS ................................................................................ 61 4 ORGANELAS QUE PROCESSAM ENERGIA .............................................................................. 66 5 OUTRAS ORGANELAS ..................................................................................................................... 72 6 CITOESQUELETO ...............................................................................................................................76 7 PAREDE CELULAR ............................................................................................................................. 78 LEITURA COMPLEMENTAR 1 ........................................................................................................... 81 LEITURA COMPLEMENTAR 2 ........................................................................................................... 82 RESUMO DO TÓPICO 1 ....................................................................................................................... 84 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................ 86 TÓPICO 2: MEMBRANAS BIOLÓGICAS ........................................................................................ 87 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 87 2 COMPOSIÇÃO E ESTRUTURA ....................................................................................................... 87 3 TRANSPORTE PASSIVO .................................................................................................................. 92 4 TRANSPORTE ATIVO ....................................................................................................................... 94 5 ENDOCITOSE E EXOCITOSE .......................................................................................................... 96 LEITURA COMPLEMENTAR .............................................................................................................. 100 sumário VIII RESUMO DO TÓPICO 2 ....................................................................................................................... 103 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................ 104 UNIDADE 3: DIVISÃO E DIFERENCIAÇÃO CELULAR ............................................................. 105 TÓPICO 1: MITOSE E MEIOSE .......................................................................................................... 107 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 107 2 CICLO CELULAR ................................................................................................................................ 108 2.1 INTÉRFASE ...................................................................................................................................... 114 2.2 MITOSE ............................................................................................................................................ 116 3 DURAÇÃO DO CICLO CELULAR .................................................................................................. 124 4 A RELAÇÃO ENTRE MEIOSE E REPRODUÇÃO SEXUADA .................................................. 127 LEITURA COMPLEMENTAR 1 ........................................................................................................... 136 LEITURA COMPLEMENTAR 2 ........................................................................................................... 137 RESUMO DO TÓPICO 1 ....................................................................................................................... 139 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................ 140 TÓPICO 2: DIFERENCIAÇÃO CELULAR ........................................................................................ 143 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 143 2 CONCEITOS: DIFERENCIAÇÃO E POTENCIALIDADE ........................................................ 144 3 FATORES QUE CONTROLAM O PROCESSO DE DIFERENCIAÇÃO CELULAR .............................................................................................................................................. 150 4 PROCESSO REVERSÍVEL ................................................................................................................. 155 5 CÉLULAS-TRONCO ........................................................................................................................... 159 6 APOPTOSE: MECANISMO DE AUTODESTRUIÇÃO ............................................................... 165 LEITURA COMPLEMENTAR 1 ........................................................................................................... 170 LEITURA COMPLEMENTAR 2 ........................................................................................................... 172 LEITURA COMPLEMENTAR 3 ........................................................................................................... 174 RESUMO DO TÓPICO 2 ....................................................................................................................... 181 AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................ 182 REFERÊNCIAS ........................................................................................................................................ 183 1 UNIDADE 1 CITOLOGIA – FUNDAMENTOS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS Esta unidade tem por objetivos: ● entender os conceitos básicos da Citologia; ● conhecer os principais fatos relacionados à descoberta das células; ● compreender as diferenças básicas entre as células procarióticas e eucari- óticas. Esta primeira unidade está dividida em dois tópicos. Você encontrará, no final de cada um deles, atividades que irão contribuir para a compreensão dos conteúdos explorados. TÓPICO 1 – A CÉLULA TÓPICO 2 – CÉLULAS PROCARIÓTICAS E EUCARIÓTICAS Assista ao vídeo desta unidade. 2 3 TÓPICO 1 UNIDADE 1 A CÉLULA 1 INTRODUÇÃO Prezado(a) acadêmico(a), esta unidade tem como objetivo principal oferecer uma introdução ao estudo das estruturas e funções da célula. Sendo assim, iniciaremos nossos estudos com a definição de célula proposta por Robertis e Hib (2006, p. 1): “a célula é a unidade estrutural e funcional fundamental dos seres vivos, assim como o átomo é a unidade fundamental das estruturas químicas. Se, por algum meio, a organização celular for destruída, a função da célula também será alterada”. Todas as células desempenham certo número de atividades que se denominam funções vitais ou básicas, ou seja, atividades que servem para manter a vida das células. Em grande parte, são usados mecanismos semelhantes por células de vários tipos para realizar tais atividades. Portanto, as células utilizam mecanismos semelhantes para sintetizar proteínas, transformar energia e movimentar substâncias essenciais para o seu interior; utilizam os mesmos tipos de moléculas para realizar contrações; multiplicam seu material genético da mesma maneira. A célula é a menor unidade capaz de manifestar as propriedades de um ser vivo. Todos os seres vivos são células ou associações de células, originando seres unicelulares (bactérias) e pluricelulares (a maioria dos seres vivos), com exceção do vírus, que, quando isolado, não manifesta nenhuma atividade vital. Entretanto, quando este organismo penetra em uma célula, seu material genético se replica e comanda a síntese de proteínas especificamente virais. UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 4 A célula é organizada, ela é delimitada por uma membrana contendo uma pequena massa de protoplasma (citoplasma e núcleo). O citoplasma e o núcleo não só apresentam funções distintas,como também trabalham juntos para manter a viabilidade da célula e contribuir para a sobrevivência do organismo. Em um ser multicelular, a célula tem formas e estruturas variadas, condicionadas principalmente pela adaptação à função específica que desempenha em diferentes tecidos e órgãos. Devido a essa especialização funcional, as células adquirem características particulares em cada caso, muito embora existam caracteres comuns entre elas. Existe sempre uma relação entre a forma e a função da célula, que é controlada pelos seus genes e influenciada por fatores externos, tais como: ● tensão superficial; ● viscosidade do protoplasma; ● ação mecânica que exercem as células vizinhas; ● rigidez da membrana e adaptação funcional. Há células que apresentam formas variáveis, como os leucócitos e as amebas. Contudo, também existem outras, em que a forma é estável, como, por exemplo, células epiteliais, nervosas, espermatozoides e a maioria das células vegetais. A maioria das células só é visível ao microscópio, sendo o seu tamanho compreendido entre 10 a 100 µm (micrômetro). Atualmente, os micoplasmas, um tipo de bactéria, são tidos como o de menor massa viva existente, geralmente com 0,2 a 2 µm. Ao se reproduzirem, esses organismos podem ser menores que alguns vírus, depois crescem e ultrapassam o tamanho dos vírus. Em geral, o volume da célula é constante para determinado tipo de célula, independente do tamanho do indivíduo. Existe uma relação entre a área da célula e o seu volume, o que limita o seu tamanho. Se ocorrer um aumento no tamanho da célula, também ocorre um aumento no seu volume, e numa proporção ainda NOTA Organismos unicelulares são aqueles formados por uma única célula. Entretanto, muitos desses seres vivos vivem em colônias. Já os organismos multicelulares ou pluricelulares são formados por mais células. TÓPICO 1 | A CÉLULA 5 maior. Consequentemente, para sustentação da estrutura, surgirá a necessidade de maior disponibilidade de alimento. No caso de a relação área/volume ser alta, o interior da célula é adequadamente abastecido pelas substâncias do seu exterior. Quando a relação área/volume diminui, começam as dificuldades para o suprimento de substâncias. Em células pequenas, o crescimento acontece mais rapidamente pela velocidade que acontecem os transportes de nutrientes para o interior da célula e também o transporte de produtos indesejáveis para o meio externo, ou seja, a rapidez no crescimento é devido a um metabolismo mais eficiente. Portanto, é o número de células e não o tamanho das mesmas que causam diferenças de tamanhos em indivíduos de uma mesma espécie. 2 TEORIA DA CÉLULA Em 1639, o médico inglês Willian Harvey formulou uma teoria afirmando que o sangue circula continuamente pelo corpo, impulsionado pelo coração. Faltava descobrir a conexão entre as artérias e as veias. Foi o italiano Marcello Malpighi, médico, anatomista, biólogo e ainda pioneiro na utilização do microscópio, que, em 1660, observou os vasos capilares presentes na cauda de peixes, confirmando a existência da conexão entre as artérias e veias. UNI Caro(a) acadêmico(a), as discussões realizadas neste item têm como base as informações postadas no seguinte site: <http://www.invivo.fiocruz.br/celula/teoria_01.htm>. Acesso em: 12 maio 2010. NOTA Malpighi é considerado o precursor da embriologia e da histologia. Estruturas fisiológicas, como o corpúsculo de Malpighi (nos rins humanos) e os túbulos de Malpighi (sistema excretor de alguns invertebrados) receberam esse nome em sua homenagem. UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 6 O termo “célula” só surgiu em 1665, quando o cientista inglês Robert Hooke publicou a obra Micrographia. Contudo, foi em 1663 que Hooke iniciou suas pesquisas, com o intuito de descobrir o que fazia da cortiça um material tão leve e flutuante. Por meio de cortes bem finos da cortiça, foi possível visualizar, nas lentes de aumento do microscópio, que ela é formada por um grande número de cavidades preenchidas por ar. Ele chamou cada cavidade oca de cell, palavra de origem inglesa, que significa cela ou cavidade, surgindo assim o termo célula, diminutivo de cela. FONTE: Raven, Evert e Eichhorn (2007, p. 39) As pesquisas avançaram, principalmente sobre a estrutura dos vegetais, e percebeu-se que essas estruturas eram tão diferentes umas das outras, que os cientistas não esperavam constituírem uma estrutura básica única, partilhada por todos os vegetais. Porém, com o isolamento das células, que foi possível somente em 1805, foi confirmada sua individualidade. Prezado(a) acadêmico(a)! Para enriquecer os seus estudos, no Ambiente Virtual de Aprendizagem (AVA), no link material de apoio, estão disponibilizadas todas as imagens deste Caderno de Estudos na versão colorida. Caso você não conseguir visualizar, peça ajuda ao(à) seu(sua) Professor(a)-Tutor(a) Externo(a), para que faça a apresentação dessas imagens em um dos Encontros Presenciais da disciplina. FIGURA 1 – (A) UM DOS MICROSCÓPIOS CONSTRUÍDOS POR HOOKE, POR VOLTA DE 1670. (B) DESENHO CONTENDO DUAS SEÇÕES DE CORTIÇA ESTAVA NO LIVRO DE HOOKE, MICROGRAPHIA, PUBLICADO EM 1665 IMPORTANT E TÓPICO 1 | A CÉLULA 7 As primeiras células animais (glóbulos vermelhos de sangue) foram observadas em 1673 por Leeuwenhoeck. Em momento algum os cientistas esperavam encontrar estruturas básicas em comum para animais e vegetais. Por esse motivo, inicialmente, os glóbulos não foram considerados células. Ele também observou o núcleo em 1700, mas somente no final do século XVIII esta estrutura passou a ser considerada parte das células. Em 1836, a presença do núcleo só não foi reconhecida nas hemácias. E, finalmente, em 1839, o zoólogo alemão, Theodor Schwann, publicou a obra Investigações Microscópicas sobre a Estrutura e o Crescimento dos Animais e das Plantas, que passou a ser conhecida como a Teoria Celular. A partir desse momento, a célula é vista como base das funções vitais dos organismos. FONTE: Disponível em: <http://www.cbu.edu/~seisen/ SelectedEventsBiologicalSciences_files/image006.jpg>. Acesso em: 12 maio 2010. FIGURA 2 – THEODOR SCHWANN TEORIA CELULAR VERSUS TEORIA ORGANISMAL P. H. Raven R. F. Evert S. E. Eichhorn Em sua forma clássica, a teoria celular propunha que os corpos dos animais e das plantas são agregados de células individualizadas e diferenciadas. Os proponentes dessa teoria acreditavam que as atividades de plantas ou animais como um todo devem ser encaradas como a soma das atividades das células individuais constituintes, sendo essas últimas de primordial importância. Esse conceito tem sido comparado à teoria da democracia de Jefferson, que UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 8 considerava a nação como dependente e secundária, em direitos e privilégios, em relação aos estados individuais que a constituem. Na última metade do século 19 foi formulada uma teoria alternativa à teoria celular. Conhecida como teoria organismal, ela substitui algumas das ideias defendidas pela teoria celular. Os proponentes da teoria organismal consideram o organismo inteiro como de primordial importância, invés de células individuais. A planta ou animal pluricelular é visto não meramente como um grupo de unidades independentes, mas como uma massa relativamente contínua de protoplasma, a qual, no curso da evolução, subdividiu-se em células. A teoria organismal originou-se em parte dos resultados de pesquisa fisiológica, que demonstrou a necessidade da coordenação das atividades dos vários órgãos, tecidos e células para o crescimento e desenvolvimento normal do organismo. A teoria organismal pode ser comparada à teoria do governo que admite que é de primordial importância a nação unificada e não os estados dos quais ela é formada.No século 19, o botânico alemão Julius von Sachs concisamente estabeleceu a teoria organismal quando escreveu “Die Pflanze bildet Zelle, nicht die Zelle Pflanzen”, que significa “ A planta forma células, as células não formam plantas”. Na verdade, a teoria organismal é especialmente aplicada às plantas cujos protoplastos não são separados por constrição durante a divisão celular, como na divisão da célula animal, mas são separados inicialmente pela formação da placa celular. Além disso, a separação das células vegetais raramente se completa, os protoplastos das células contíguas permanecem conectados por cordões citoplasmáticos conhecidos como plasmodesmos. Os plasmodesmos atravessam as paredes e unem o corpo inteiro da planta em um todo orgânico conhecido como simplasto, o qual consiste nos protoplastos interligados e seus plasmodesmos. Como apropriadamente estabelecido por Donald Kaplan e Wolfgang Hagemann, “Ao invés das plantas superiores serem agregados confederados de células independentes, elas são organismos unificados, cujos protoplastos estão incompletamente subdivididos por paredes celulares”. Em sua forma moderna, a teoria celular estabelece de um modo simples que: (1) todos os organismos vivos são compostos de uma ou mais células; (2) as reações químicas de um organismo vivo, incluindo as de biossíntese e as de seus processos de liberação de energia, ocorrem nas células; (3) as células originam-se de outras células; e (4) as células contêm a informação hereditária do organismo do qual elas são uma parte, e essa informação é passada da célula parental para a célula filha. As teorias celular e organismal não são mutuamente exclusivas. Juntas, elas fornecem uma significativa visão da estrutura e função em níveis celular e de organismo. FONTE: RAVEN, P.H.; EVERT, R.F.; EICHHORN, S.E. Biologia Vegetal. 5. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2007. p. 40. TÓPICO 1 | A CÉLULA 9 3 MICROSCÓPIO A Citologia teve início com a invenção do microscópio, aparelho capaz de fazer objetos pequenos parecerem muito maiores. Por esse motivo, tornaram- se imprescindíveis para a visualização das células. A maioria das células possui diâmetro que varia entre 1 a 100 µm e o ser humano tem a capacidade de visualizar a olho nu somente objetos de aproximadamente 200 µm de tamanho. Existem dois tipos básicos de microscópios: ópticos e eletrônicos. Prezado(a) acadêmico(a), vamos estudar o funcionamento e as diferenças entre os dois tipos de microscópios para entender o motivo pelo qual o microscópio eletrônico pode distinguir estruturas cerca de 1000 vezes menores do que é possível no microscópio óptico. A qualidade de um microscópio depende da ampliação e também do poder de resolução, que é a capacidade de distinguir pontos situados muito próximos no objeto observado. Quanto maior essa capacidade, melhor a definição da imagem. Um microscópio óptico apresenta um poder de resolução de aproximadamente 0,2 µm, tornando possível visualizar tamanho e formas celulares e também algumas estruturas celulares internas. O microscópio óptico é formado basicamente por duas regiões, uma mecânica e uma região óptica. A mecânica exerce a função de suporte e controle do componente óptico, enquanto que essa é constituída por um sistema de lentes. Na próxima figura, vamos visualizar todas as partes que formam o microscópio. A descrição dessas partes você encontrará no Manual de Práticas de Laboratório da disciplina de Citologia. A primeira atividade prática desta disciplina é “Teoria de Prática de Microscopia: utilização do microscópio de luz”. UNI ATENCAO UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 10 FONTE: Disponível em: <http://4.bp.blogspot.com/_SRxLSGVsNxA/SiA8CTsUR2I/AAAAAAAAAaU/ kV7mS4QgFKQ/s400/microscopio.jpg>. Acesso em: 27 jun. 2010. O microscópio eletrônico de transmissão possui maior poder de resolução que o microscópio óptico. Dessa forma, é possível visualizar a ultraestrutura celular e a matriz extracelular. Aparentemente, o microscópio eletrônico é parecido com o óptico, mas uma grande diferença entre os dois é o mecanismo de formação de imagem. No microscópio eletrônico esse mecanismo se baseia na dispersão dos elétrons que, ao chocar-se com os núcleos dos átomos do material, se dispersam de tal forma que caem por fora da abertura da lente da objetiva. Nesta dispersão, chamada elástica, a imagem observada na tela fluorescente reflete a ausência desses elétrons, já que caem fora da abertura da objetiva [...]. Além disso, a dispersão é devida a múltiplas colisões entre os elétrons, que diminuem a energia dos que conseguem passar (ROBERTIS; HIB, 2006, p. 362). FIGURA 3 – O MICROSCÓPIO TÓPICO 1 | A CÉLULA 11 FONTE: Robertis e Hib (2006, p. 358) O poder de resolução de um sistema óptico é a sua capacidade de separar detalhes. Junqueira e Carneiro (2005) afirmam que, na prática, o poder de resolução é expresso pelo limite de resolução, que é o que determina a riqueza de detalhes da imagem, ou seja, é a menor distância existente entre dois pontos para que eles apareçam individualizados. O microscópio eletrônico de varredura (MEV) permite a obtenção de imagens topográficas tridimensionais do objeto de estudo. Nesse tipo de microscópio, é utilizado um metal pesado para um possível aumento do poder dispersante das estruturas presentes na superfície da amostra. O funcionamento desse tipo de microscópio é descrito por Robertis e Hib (2006, p. 365) da seguinte forma: “os elétrons excitam as moléculas da superfície do material, estes emitem um feixe de elétrons secundários que possuem certo movimento. Através desses elétrons são geradas imagens em televisão, e isso só é possível pela presença de um tubo fotomultiplicador”. FIGURA 4 – TRAJETÓRIAS DOS RAIOS DE LUZ E DOS FEIXES DE ELÉTRONS NO MICROSCÓPIO ÓPTICO E NO MICROSCÓPIO ELETRÔNICO, RESPECTIVAMENTE NOTA UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 12 Prezado(a) acadêmico(a), as duas imagens a seguir são para comparar a visualização de esporos de uma espécie de Pteridófita em microscópio óptico e em microscópio eletrônico de varredura. FONTE: As autoras FONTE: As autoras FIGURA 5 – VISTA GERAL DOS ESPOROS DE Pleopeltis lepidopteris (POLYPODIACEAE) NO MICROSCÓPIO ÓPTICO FIGURA 6 – VISTA GERAL DOS ESPOROS DE Pleopeltis lepidopteris (POLYPODIACEAE) NO MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA UNI TÓPICO 1 | A CÉLULA 13 4 COMPONENTES QUÍMICOS DAS CÉLULAS Prezado(a) acadêmico(a), as discussões aqui realizadas são apenas uma introdução ao estudo dos componentes químicos das células. Você estudará detalhadamente esse conteúdo na disciplina de Bioquímica. Essa introdução é necessária, principalmente, pela importância das biomoléculas na estrutura das membranas biológicas, assunto que veremos no Tópico 2 da Unidade 2. Os componentes químicos das células são classificados em: ● Inorgânicos – água e minerais. ● Orgânicos – ácidos nucleicos, carboidratos, lipídios e proteínas. As substâncias inorgânicas podem ser facilmente encontradas fora dos seres vivos, porque são substâncias simples e formadas por moléculas pequenas. Já as substâncias orgânicas encontram-se normalmente associadas aos seres vivos e são mais complexas, pela presença de cadeias de átomos de carbono. Água Vários autores, entre esses, Campbell (2000), afirmam que a vida evolui em torno das propriedades gerais da água. Ela é o principal componente da maioria das células, por isso está envolvida em várias reações químicas. Um exemplo disso é a sua capacidade de controlar a acidez dentro da célula, por meio de tampões. A água dissolve uma enorme quantidade de tipos de substâncias, sendo conhecida como um dos melhores solventes. Sua principal função é o transporte de substâncias e é pelo constante movimento das moléculas em soluçãoque a água auxilia na ocorrência de reações químicas, ou seja, no metabolismo da célula. Além disso, através da transpiração, mantém-se a temperatura de animais e plantas terrestres, pois a evaporação de água na superfície do corpo retira o excesso de calor. ATENCAO ESTUDOS FU TUROS UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 14 Caro(a) acadêmico(a), dentre tantas características da água, essas são apenas algumas funções que essa importante molécula é capaz de realizar. Sais minerais Os sais minerais ocorrem como constituintes da estrutura esquelética dos seres vivos ou, ainda, dissolvidos em água. Não podem ser produzidos pelos seres vivos, por isso a importância de se manter uma dieta balanceada, pois, apesar de presentes em quantidades mínimas, são importantes como reguladores da atividade celular (reações enzimáticas). No quadro a seguir estão os minerais mais importantes para os seres vivos e suas funções. Minerais Funções Cálcio Formação estrutural de ossos e dentes; auxilia na condução de impulsos nervosos e contração muscular; auxilia na coagulação do sangue, juntamente com a vitamina K. Ferro Assimilação e transporte de oxigênio no sangue, por meio da hemoglobina. Flúor Formação dos dentes e ossos. Fósforo Formação dos dentes e ossos; manutenção da integridade do esqueleto. Iodo Composição de substâncias hormonais da glândula tireoide. Magnésio Captação de luminosidade (presente na clorofila). Potássio Participa da osmorregulação (manter pressão osmótica). Sódio Também atua na osmorregulação, na difusão dos impulsos nervosos e no processo de contração muscular. FONTE: As autoras Quando os sais minerais estão dissolvidos em água, eles formam os íons. Conforme Robertis e Hib (2006, p. 18), “a concentração de íons é diferente no interior da célula e no meio que a circunda. Assim, a célula tem alta concentração de cátions - potássio (K+) e magnésio (Mg2+), enquanto o sódio (Na+) e o cloreto (Cl-) estão localizados principalmente no líquido extracelular”. O cálcio é um exemplo de mineral encontrado na forma não ionizada. Nos ossos e dentes, ele se encontra sob a forma de cristais, unido ao fosfato e ao carbonato. QUADRO 1 – PRINCIPAIS MINERAIS E SUAS FUNÇÕES ATENCAO TÓPICO 1 | A CÉLULA 15 Ácidos Nucleicos Os ácidos nucleicos são definidos como polímeros (moléculas grandes com unidades que se repetem) de nucleotídeos. São os ácidos nucleicos que codificam e traduzem informações, que determinam as estruturas da enorme variedade de proteínas dos organismos. Cada nucleotídeo contém resíduos de uma molécula de ácido fosfórico, uma de pentose e uma de base púrica ou pirimídica, sendo que as mesmas diferenciam-se pelo número de pontes de hidrogênio que cada uma apresenta (três pontes de hidrogênio, no caso da púrica e uma, na base pirimídica). As bases púricas mais encontradas nos ácidos nucleicos são a adenina e a guanina, em geral designadas pelas iniciais A e G, respectivamente. As principais bases pirimídicas são a timina, a citosina e a uracila, designadas pelas letras T, C e U. (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2005). Dois tipos de ácidos nucleicos são encontrados nos organismos, ácido ribonucleico – RNA, que está relacionado com a síntese de proteínas. E o segundo é o ácido desoxirribonucleico – DNA, molécula portadora da mensagem genética. FONTE: Disponível em: <http://static.hsw.com.br/gif/dna-nucleotide.gif>. Acesso em: 13 out. 2010. A pentose é um açúcar composto por cinco carbonos. FIGURA 7 – NUCLEOTÍDEOS NOTA UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 16 DNA tRNA mRNA rRNA COMPONENTES Ácido fosfórico, desoxirribose, adenina, guanina, citosina e timina. Ácido fosfórico, ribose, adenina, guanina, citosina, uracila, timina, ácido pseudouridílico, metilcitosina, dimetil-guanina. Ácido fosfórico, ribose, adenina, guanina, citosina e uracila. Ácido fosfórico, ribose, adenina, guanina, citosina e uracila. FUNÇÕES Comanda todo o funcionamento da célula; transmite a informação genética para as outras células. Transporta os aminoácidos, unindo o seu anticódon do mRNA; determina a posição dos aminoácidos nas proteínas. Através da sequência de suas bases, determina a posição dos aminoácidos nas proteínas. Combina-se com o mensageiro, para formar os polirribossomos. LOCALIZAÇÃO Núcleo das células eucariontes; nucleoide das procariontes; mitocôndrias e cloroplastos; alguns vírus. Principalmente no citoplasma; menor quantidade no núcleo. Principalmente no citoplasma; menor quantidade no núcleo. Principalmente no citoplasma; menor quantidade no núcleo. TAMANHO DA MOLÉCULA Muito grande: difícil de determinar. 25 a 30 kD (quilodáltons). Depende do tamanho da proteína que codifica; variável entre 5 X 104 a 5 X 1016 dáltons. 5 S a 28 S (S = Svedberg). FORMA Hélice filamento dupla simples, em certos vírus. “Folha de trevo”. Filamento simples. Ribossomo; tamanho: células eucariontes 2,3 nm (80 S) células procariontes 1,8 nm (70 S). FONTE: Junqueira e Carneiro (2005, p. 53) QUADRO 2 – CARACTERÍSTICAS DOS PRINCIPAIS TIPOS DE ÁCIDOS NUCLEICOS Carboidratos Além de ser um dos constituintes estruturais importantes das membranas celulares, o carboidrato é uma das principais fontes de energia para a célula. Há três classes de carboidratos, que são divididos de acordo com os tamanhos. São os monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos. TÓPICO 1 | A CÉLULA 17 Os monossacarídeos apresentam estrutura simples, são facilmente transportados para todas as partes do corpo e são utilizados como fonte de energia. A partir dos monossacarídeos são formadas as demais classes. Os quatro tipos de monossacarídeos diferem no número de átomos de carbono que cada molécula possui. Podem ser trioses (três átomos), tetroses (quatro átomos), pentoses (cinco átomos) e hexoses (seis átomos). Pentoses e hexoses são considerados os principais monossacarídeos para o organismo. Os dissacarídeos são constituídos por dois monossacarídeos. Os principais exemplos de dissacarídeos são: maltose, lactose e sacarose. A maltose é formada por duas moléculas de glicose. Ela é uma substância de reserva dos vegetais, tem função energética e é a matéria-prima da cerveja. A lactose é formada pela glicose e pela galactose e está presente no leite e seus derivados. A sacarose é formada por uma molécula de glicose e uma de frutose e se encontra na cana-de-açúcar e nas frutas. Os polissacarídeos são importantes armazenadores de combustível. Além disso, pela insolubilidade em água, também atuam como elementos estruturais. A polimerização da glicose forma os polissacarídeos mais importantes, são eles: amido, glicogênio e celulose. O amido é uma substância de reserva energética dos vegetais e é formado por dois polissacarídeos. O glicogênio é a reserva energética das células animais. A celulose é o principal constituinte da parede celular vegetal. Caro(a) acadêmico(a), é importante lembrar que polimerização é simplesmente uma reação química que origina os polímeros, também denominados macromoléculas. Lipídios São bastante frequentes e podem ser encontrados em diversos locais, mas ocorrem com maior frequência nas membranas de plantas e animais. A mais importante característica dos lipídios é a sua baixa solubilidade em água. Outra característica é a presença de uma região hidrofílica e também a presença das caudas hidrofóbicas na sua estrutura, fazendo com que a molécula de lipídio forme uma bicamada estável na membrana, ou seja, as membranas celulares são elásticas e resistentes, devido às fortes interaçõeshidrofóbicas entre os grupos apolares dos fosfolipídios. Os lipídios são divididos em: simples, compostos e esteroides. Entre os simples estão ceras, óleos e gorduras (glicerídeos). As ceras ajudam a evitar a perda de água pela superfície da planta. IMPORTANT E UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 18 Os fosfolipídios são um dos três tipos de lipídios mais abundantes presentes nas células e estão inclusos no grupo de lipídios compostos, que são abundantes no tecido nervoso e nas membranas plasmáticas. O colesterol é um dos esteroides mais importantes. Além de constituírem as membranas, podem ser encontrados em outras partes da célula e fora dela também. É muito comum nas células animais. Já, nas plantas, estão presentes em quantidades mínimas. Proteínas As proteínas são combinações de 20 tipos de aminoácidos. Essa é a grande importância desse componente, pois esse número de aminoácidos permite várias combinações, ou seja, possibilita a formação de uma grande variedade de proteínas. A sequência de aminoácidos especifica a estrutura tridimensional, que define a atividade biológica das moléculas proteicas. Campbell (2000) afirma que somente quando a proteína está na estrutura tridimensional correta é capaz de funcionar de modo eficiente. Para Robertis e Hib (2006, p. 30) “o termo proteína (do grego, proteîon, proeminente) sugere que todas as funções básicas das células dependem de proteínas específicas. Podemos dizer que, sem as proteínas, não existiria vida; elas estão presentes em cada célula e em cada organela”. Purves et al. (2005) citam como sendo as principais funções das proteínas: ● suporte estrutural; ● proteção; ● catálise; ● transporte; ● defesa; ● regulação; ● movimento. As proteínas podem ser classificadas em duas categorias: simples e conjugadas. As proteínas simples são formadas apenas por aminoácidos, enquanto que as proteínas conjugadas apresentam, na sua estrutura, um grupo prostético (componente não proteico). As enzimas são as principais proteínas, constituem o grupo mais especializado e o maior grupo de proteínas do organismo. São capazes de acelerar uma reação química, por isso também são denominadas de catalisadores biológicos. A sua eficiência e a velocidade das reações que catalisam dependem de alguns fatores externos, como o pH, a temperatura e a concentração do substrato. O substrato é chamado, também, de reagente, pois para que a enzima facilite uma determinada reação é necessário que ela se ligue ao substrato. TÓPICO 1 | A CÉLULA 19 O nome das enzimas termina, geralmente, em “ase” e, normalmente, o seu nome indica a função que realiza, por exemplo, a protease é uma enzima que age na digestão de proteínas. Prezado(a) acadêmico(a), concluindo o breve estudo dos componentes químicos da célula, visualize com atenção o seguinte quadro sobre os componentes orgânicos. CLASSE DE MOLÉCULAS TIPOS SUBUNIDADES FUNÇÕES PRINCIPAIS OUTRAS CARACTERÍSTICAS Carboidratos Monossacarídeos (por exemplo, glicose). Monossacarídeos (açúcares simples). Fonte de energia prontamente disponível. Os carboidratos são açúcares e polímeros de açúcares. Dissacarídeos (por exemplos, sacarose). Polissacarídeos. Dois monossacarídeos. Muitos monossacarídeos. Amido. Glicogênio. Celulose. Quitina. Forma de transporte nas plantas. Energia armazenada ou componente estrutural. Para identificar os carboidratos, procure compostos que consistam em monômeros com muitos grupos hidroxila (–OH) e normalmente um grupo carbonila (–C=O) ligados ao esqueleto carbônico. Entretanto, se os açúcares estiverem na forma de anel, o grupo carbonila não é evidente. Principal forma de energia armazenada nas plantas. Importante forma de energia armazenada em procariotos, fungos e animais. Componente da parede das células de plantas. Componentes da parede das células de fungos. QUADRO 3 – MOLÉCULAS ORGÂNICAS BIOLOGICAMENTE IMPORTANTES ATENCAO UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 20 FONTE: Raven, Evert e Eichhorn (2007, p. 37) Lipídios Triglicerídeos. 3 ácidos graxos + 1 glicerol. Óleos. Gorduras. Energia armazenada. Os lipídios são moléculas apolares que não se dissolvem em solventes polares, como a água. Dessa forma, os lipídios são as moléculas ideais para o armazenamento de energia em longo prazo. Eles podem ser “guardados” ou compartimentalizados numa célula sem se dissolverem no ambiente aquoso e sem “escaparem” para o restante da célula. Importante forma de energia armazenada nas sementes e frutos. Importante forma de energia armazenada em animais. Fosfolipídios 2 ácidos graxos + 1 glicerol + 1 grupo fosfato. Principal componente de todas as membranas celulares. Os fosfolipídios e os glicolipídios são triglicerídios modificados com um grupo polar em uma das extremidades. A “cabeça” polar da molécula é hidrofílica e dessa maneira dissolve- se em água; a “cauda” apolar é hidrofóbica e insolúvel em água. Essa é a base para seu papel nas membranas celulares, nas quais elas são arranjadas cauda a cauda em uma camada dupla de fosfolipídios. Cutina, suberina e ceras. Varia; estruturas lipídicas complexas. Proteção. Agem como impermeabilizantes de caule, folhas e frutos. Esteroides. Quatro anéis hidrocarbônicos interligados. Componente das membranas celulares; hormônios. Um esterol é um esteroide com um grupo hidroxila ligado ao átomo de carbono da posição 3. Proteínas (polipeptídios) Muitos tipos diferentes. Aminoácidos. Numerosas; incluindo estrututural, catalítica (enzimas). Estrutura primária, secundária, terciária e quaternária. Ácidos nucleicos DNA Nucleotídeos. Portador da informação genética. Cada nucleotídeo é composto de um açúcar, uma base nitrogenada e um grupo de fosfato. O ATP é um nucleotídeo que funciona como o principal transportador de energia nas células. RNA E n v o l v i d o n a s í n t e s e d e proteína. CLASSE DE MOLÉCULAS TIPOS SUBUNIDADES FUNÇÕES PRINCIPAIS OUTRAS CARACTERÍSTICAS TÓPICO 1 | A CÉLULA 21 De forma geral, podemos concluir que cada uma das moléculas orgânicas citadas no quadro é de fundamental importância para o bom funcionamento do organismo e da célula, cada uma realizando suas respectivas funções. Na Leitura Complementar que segue, vocês conhecerão um pouco mais sobre as enzimas que são um dos tipos de proteínas. LEITURA COMPLEMENTAR ENZIMAS – PODEROSA FERRAMENTA NA INDÚSTRIA Artigo discute a importância das enzimas em diferentes processos industriais essenciais para o homem Solange Inês Mussatto Marcela Fernandes Adriane Maria Ferreira Milagres As enzimas, importantes componentes do metabolismo de todos os seres vivos, têm a capacidade de promover e acelerar reações químicas. Microrganismos ou substâncias com essa propriedade já eram usados por populações humanas muito antigas para modificar alimentos – fermentar uvas e fabricar o vinho, ou alterar o leite e produzir queijo, por exemplo. Depois que os cientistas desvendaram a atuação das enzimas, estas passaram a ser cada vez mais empregadas, com variadas finalidades. Hoje, essas proteínas especiais são úteis inclusive na indústria, não apenas na área de alimentos, mas em muitos outros setores. Produtos naturais encontrados em abundância no corpo humano e na natureza, as enzimas são proteínas capazes de promover e acelerar reações químicas, que regulam grande número de processos biológicos. Presentes em microrganismos, animais e vegetais, elassão usadas direta ou indiretamente pela humanidade há milhares de anos, mas sua importância só foi reconhecida em meados do século 19, quando cientistas descobriram como atuam. A partir de então, e, sobretudo no século 20, aumentou rapidamente o conhecimento sobre tais substâncias, e foram determinados os mecanismos de ação e as estruturas de milhares delas. Essa maior compreensão possibilitou o emprego dessas proteínas especiais em processos industriais de diferentes áreas: médica, alimentícia, têxtil, química, de papel e celulose e muitas outras. É vantajoso usar enzimas na indústria, porque elas são naturais, não tóxicas e específicas para determinadas ações. Além disso, são capazes de alterar as características de variados tipos de resíduos, contribuindo para reduzir a poluição ambiental. O mercado brasileiro de enzimas, embora pequeno diante do mundial, apresenta grande potencial, em função da enorme disponibilidade de resíduos agroindustriais e do dinamismo dos setores industriais citados acima. UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 22 Nas células, as enzimas estão envolvidas em todos os processos bioquímicos. Para atuar corretamente, porém, precisam de condições específicas, pois são ativas apenas em uma faixa estreita de acidez-alcalinidade (pH) e são sensíveis a mudanças nesse fator e na temperatura do meio. Os microrganismos são a principal fonte de enzimas de aplicação industrial, mas diversas podem ser obtidas de animais (pancreatina, tripsina, quimotripsina, pepsina, renina e outras) ou vegetais (papaína, bromelina, ficina e outras). Hoje, porém, como é possível modificar geneticamente os microrganismos para que forneçam qualquer enzima, a tendência é substituir as produzidas por vegetais e animais pelas de origem microbiana. O uso de enzimas em processos industriais é de grande interesse, em especial devido à facilidade de obtenção (por biotecnologia) e às vantagens em relação aos catalisadores (aceleradores de reações) químicos, como maior especificidade, menor consumo energético e maior velocidade de reação. Além disso, a catálise enzimática tem outros benefícios, como o aumento da qualidade dos produtos, em relação à catálise química; a redução dos custos de laboratório e de maquinário, graças à melhoria do processo; ou a fabricação controlada de pequenas quantidades. FONTE: Disponível em: <http://cienciahoje.uol.com.br/revista-ch/revista-ch-2007/242/enzimas- poderosa-ferramenta-na-industria>. Acesso em: 14 maio 2010. 23 RESUMO DO TÓPICO 1 Neste tópico, você estudou que: ● Todos os seres vivos são células (seres unicelulares) ou associações de células (seres pluricelulares), com exceção do vírus, que quando isolado, não manifesta nenhuma atividade vital, chamados de acelulares. ● As células utilizam mecanismos semelhantes para sintetizar proteínas, transformar energia e movimentar substâncias essenciais para o seu interior; utilizam os mesmos tipos de moléculas para realizar contrações; multiplicam seu material genético da mesma maneira. ● A célula é organizada, ela é delimitada por uma membrana contendo uma pequena massa de protoplasma (citoplasma e núcleo). O citoplasma e o núcleo não só apresentam funções distintas como também trabalham juntos, para manter a viabilidade da célula e contribuir para a sobrevivência do organismo. ● Os componentes químicos das células são classificados em: inorgânicos – água e minerais – e orgânicos – ácidos nucleicos, carboidratos, lipídios e proteínas. ● A água está envolvida em várias reações químicas da célula e dissolve uma enorme quantidade de tipos de substâncias, sendo conhecida como um dos melhores solventes. ● Sais minerais não são produzidos pelos seres vivos, por isso a importância de manter uma dieta balanceada. ● Existem dois tipos de ácidos nucleicos: ácido ribonucleico – RNA, que está relacionado com a síntese de proteínas –, e o ácido desoxirribonucleico – DNA, molécula portadora da mensagem genética. ● Existem três classes de carboidratos, que são divididos de acordo com os tamanhos: monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos. ● Os lipídios são divididos em: simples, compostos e esteroides. Entre os simples estão ceras, óleos e gorduras (glicerídeos). Sua principal função é a reserva energética, tanto em animais como nos vegetais também. ● A grande quantidade de aminoácidos permite várias combinações, ou seja, possibilita a formação de uma grande variedade de proteínas. As proteínas podem ser classificadas em duas categorias: simples e conjugadas. 24 AUTOATIVIDADE 1 Descreva como surgiu o termo “célula”. 2 Os lipídios, caracterizados pela baixa solubilidade em água, são divididos em simples, compostos e esteroides. Cite um exemplo de cada um desses tipos de lipídios. 3 As proteínas são combinações de aminoácidos e as enzimas são um exemplo de proteína. Descreva qual a função das enzimas. 25 TÓPICO 2 CÉLULAS PROCARIÓTICAS E EUCARIÓTICAS UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO 2 HISTÓRICO Caro(a) acadêmico(a), apresentaremos, neste tópico, um breve histórico de como surgiram os termos procarióticas e eucarióticas, bem como suas principais características. Baseado no trabalho de Hebert Copeland, que classificou os organismos em quatro reinos (plantas, animais, protistas e bactérias), Robert Whittaker, em 1959, postula a divisão em cinco reinos, são eles: Bacteria, Protoctista, Animalia, Fungi e Plantae. Reinos Componentes Bacteria Dois sub-reinos: Archaea e Eubacteria. Protoctista Algas, protozoários e outros organismos aquáticos. Animalia Animais com ou sem espinhas dorsais. Fungi Cogumelos, fungos e leveduras. Plantae Musgos e outras plantas com esporos ou sementes. FONTE: As autoras Entretanto, antes mesmo da divisão dos cinco reinos, em 1937, o biólogo marinho Edouard Chatton sugeriu que o termo procariotique (do grego pro, significando antes, e karyon, significando semente, núcleo) fosse utilizado para descrever as bactérias e algas azuis, e o termo eucariotique (do grego eu, que significa verdadeiro) fosse utilizado nas células animais e plantas (MARGULIS; SCHWARTZ, 2001). QUADRO 4 – REINOS E COMPONENTES UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 26 FONTE: Disponível em: <http://www.pasteur.fr/infosci/archives/ cht0.html>. Acesso em: 23 jun. 2010. Com a identificação feita por Chatton, simplifica-se a complexa divisão dos cinco reinos, pois desses, apenas o reino Monera, composto por bactérias e algas azuis (cianobactérias), é formado por células procarióticas. Todos os membros dos quatro reinos restantes são eucariotas. FONTE: Campbell (2000, p. 54) FIGURA 8 – EDOUARD CHATTON FIGURA 9 – O ESQUEMA DE CLASSIFICAÇÃO EM CINCO REINOS TÓPICO 2 | CÉLULAS PROCARIÓTICAS E EUCARIÓTICAS 27 3 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS CÉLULAS PROCARIÓTICAS As células procarióticas são menores que as células eucarióticas e até mais simples em estrutura, mas são funcionalmente complexas. Uma das características mais marcantes das células procarióticas é que elas não possuem o envoltório nuclear. Dessa forma, o cromossomo encontra-se disperso no nucleoide e fica em contato direto com o citosol. Outra característica marcante é a ausência das organelas citoplasmáticas envolvidas por membranas, sendo assim, esses organismos possuem uma única membrana, chamada membrana plasmática. As mitocôndrias são um exemplo de organela ausente, mas enzimas associadas às suas membranas realizam funções parecidas às das mitocôndrias. O citoesqueleto também não está presente nesses organismos, impossibilitando a realização da mitose. O citoesqueleto é constituído por proteínas que auxiliam no processo de mitose. Dessa forma, as células procariotas dividem- se por fissão. Fissão binária é o processo de reprodução assexuada, comum nos organismos unicelulares.É um processo simples de divisão de uma célula em duas, cada célula-filha com o mesmo genoma da célula-mãe. Resumindo, “[...] as células procariontes não possuem envoltório nuclear, nem o elaborado sistema de membranas encontrado no citoplasma das células eucariontes, nem citoesqueleto”. (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2005, p. 267). Prezado(a) acadêmico(a), até o momento vimos estruturas ausentes nos procariotos. Agora, estudaremos as principais estruturas que constituem bactérias e cianobactérias. Segue desenho da bactéria. NOTA UNI UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 28 FONTE: Junqueira e Carneiro (2005, p. 268) No interior da célula procariótica, o citoplasma é formado pelo nucleoide, polirribossomos e por grânulos diversos. As bactérias são envolvidas pela membrana plasmática, que é coberta por uma parede espessa e rígida, a parede bacteriana. Além da membrana e da parede, ainda existe uma terceira camada, conhecida por cápsula. O nucleoide é a região onde está inserido o cromossomo da bactéria. Ela pode se apresentar na forma arredondada ou alongada, e uma única bactéria pode apresentar mais de um nucleoide. É possível também encontrar cromossomos menores localizados fora do nucleoide, que são denominados plasmídios. O cromossomo da célula bacteriana difere do das células eucarióticas por essas apresentarem uma estrutura mais elaborada, constituída de DNA e maior variedade de proteínas. A membrana plasmática das bactérias apresenta estrutura semelhante à da membrana plasmática das células eucarióticas. Moléculas receptoras, proteínas relacionadas com o transporte transmembrana e as moléculas da cadeia respiratória constituem essa membrana. É através de invaginações na membrana que se formam os mesossomos. Junqueira e Carneiro (2005) afirmam que essas estruturas atuam no aumento de moléculas que participam de processos funcionais, como a respiração; participando, ainda, da formação dos septos e da parede. A parede fica responsável por determinar a forma da célula e proteger contra a ruptura, possibilitando sua sobrevivência e multiplicação em meio hipotônico; protegendo contra a penetração de bacteriófagos (vírus que atacam as bactérias). Além disso, tem grande importância na divisão celular, originando o septo que separa as duas novas células durante a divisão celular. FIGURA 10 – DESENHO TRIDIMENSIONAL MOSTRANDO AS ESTRUTURAS PRINCIPAIS DA BACTÉRIA TÓPICO 2 | CÉLULAS PROCARIÓTICAS E EUCARIÓTICAS 29 Os micoplasmas, citados no tópico anterior, que são bactérias consideradas como as menores células, diferem pela ausência de parede. A cápsula de proteção atua, por exemplo, contra o dessecamento. Muitos procariotos não produzem essa cápsula e pode acontecer de alguns perderem a mesma, o que não interfere, pois não é essencial para a vida da célula. Junqueira e Carneiro (2005) afirmam que a cápsula é mais comum em bactérias patogênicas (pathos, doença, e genos, gerar), por essas apresentarem maior risco de fagocitose. Mycobacterium tuberculosis e Víbrio cholerae são exemplos de bactérias patogênicas, que causam a tuberculose e a cólera, respectivamente. Na superfície da bactéria estão os flagelos e as fímbrias, o primeiro é responsável pelo movimento das bactérias. Não são todas as bactérias que possuem os flagelos, mas quando presentes, o comprimento geralmente é maior que o da célula. Já as fímbrias participam da transferência unidirecional de DNA entre células bacterianas. As fímbrias são mais curtas e mais numerosas que os flagelos e, apesar de estarem associadas à realização de várias funções, não têm relação nenhuma com a mobilidade das bactérias. Assim como as bactérias, as cianobactérias possuem cápsula, parede celular, nucleoide e ribossomos. Uma diferença é o sistema fotossintético, que é composto por sacos achatados e grânulos, que contêm os pigmentos fotossintéticos. Os grânulos são denominados cianossomos. Além da clorofila, seus principais pigmentos são: as ficocianinas (azul) e ficoeritrinas (vermelho). Muitas cianobactérias possuem vacúolos gasosos. Esses vacúolos são estruturas presentes somente em organismos procariotos que vivem em mares ou lagos, flutuando. São muito importantes, pois o gás presente na membrana dessa organela permite que a célula se posicione na profundidade ideal, em que a concentração de oxigênio e intensidade luminosa, por exemplo, sejam adequadas. (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2005). ATENCAO NOTA UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 30 As cianobactérias não possuem cílios e flagelos, elas se movimentam por deslizamento, pois apresentam uma camada viscosa na superfície. FONTE: Junqueira e Carneiro (2005, p. 280) 4 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS CÉLULAS EUCARIÓTICAS A palavra eucarioto significa núcleo verdadeiro. As células eucarióticas possuem um núcleo verdadeiro, com um envoltório nuclear, permitindo que o material genético permaneça aglomerado no interior do núcleo. Essas células possuem uma variedade de estruturas especializadas, que são as organelas, rodeadas pelo citosol. Campbell (2000, p. 45) define organela como sendo “[...] uma parte da célula que exerce uma função distinta; ela é envolvida por sua própria membrana no interior celular”. FIGURA 11 – DESENHO ESQUEMÁTICO DA ESTRUTURA DE UMA CIANOBACTÉRIA As células eucarióticas são usualmente maiores e estruturalmente mais complexas do que as células procarióticas. Embora algumas possam ser vistas a olho nu, geralmente seu tamanho varia entre 5 – 100 µm. A compartimentalização é a principal característica das células eucarióticas NOTA TÓPICO 2 | CÉLULAS PROCARIÓTICAS E EUCARIÓTICAS 31 e ocorre por meio de membranas. Junqueira e Carneiro (2005, p. 3) fazem a seguinte comparação: “a célula eucarionte é como uma fábrica organizada em seções de montagem, pintura, embalagens etc. Além de aumentar a eficiência, a separação das atividades permite que as células eucariontes atinjam maior tamanho, sem prejuízo das suas funções”. A partir do que Purves et al. (2005) descrevem e do quadro 5, ficará mais evidente a importância dessa característica das células eucarióticas, pois é da compartimentalização celular que as organelas derivam. No quadro a seguir você fará um breve estudo sobre as funções de algumas organelas. ORGANELAS FUNÇÕES Núcleo Contém a maioria do material genético da célula (DNA). Determina a expressão desse material em razão do funcionamento celular e de sua duplicação quando a célula é reproduzida. Mitocôndria É a usina energética e o parque industrial, onde a energia armazenada na ligação de carboidratos é convertida em uma forma mais útil para a célula e onde ocorrem certas conversões bioquímicas essenciais de aminoácidos e ácidos graxos. Retículo endoplasmático e complexo de Golgi São compartimentos onde proteínas são empacotadas e enviadas aos locais apropriados na célula. Lisossomo e vacúolo São sistemas digestivos celulares, onde grandes moléculas são hidrolisadas em monômeros utilizáveis. Cloroplasto Realiza a fotossíntese. FONTE: Adaptado de: Purves et al. (2005, p. 63) A seguir, Junqueira e Carneiro (2005, p. 10) listam as cinco principais diferenças entre as células eucarióticas vegetais e as células eucarióticas animais. Acompanhe! QUADRO 5 – ORGANELAS E SUAS FUNÇÕES UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 32 Características que distinguem as células eucariontes vegetais das animais Presença de paredes Além da membrana plasmática, as células das plantas contêm uma ou mais paredes rígidas que lhes conferem forma constante e protegem o citoplasma principalmente contra agressões mecânicas e a ação de parasitas. Presença de plastídeos Uma das principais características das células das plantas é a presença de plastídeos, também chamados plastos,que são organelas maiores que as mitocôndrias e, como elas, delimitadas por duas unidades de membrana. Vacúolos citoplasmáticos As células das plantas contêm, com frequência, vacúolos citoplasmáticos muito maiores dos que os que existem no citoplasma das células animais. Os vacúolos das células vegetais podem ocupar a maior parte do volume celular, reduzindo-se o citoplasma funcional a uma delgada faixa na periferia da célula. Presença de amido Ao contrário das células eucariontes animais, que utilizam o polissacarídeo glicogênio como reserva energética, nas células das plantas o polissacarídeo de reserva é o amido. Presença de plasmodesmos As células vegetais possuem tubos com 20-40 nm de diâmetro ligando células vizinhas. Essas conexões são chamadas plasmodesmos e estabelecem canais para o trânsito de moléculas. As células animais não apresentam plasmodesmos; porém, muitas se comunicam por meio das junções comunicantes, que são morfologicamente muito diferentes, mas apresentam semelhanças funcionais com os plasmodesmos. FONTE: Adaptado de: Junqueira e Carneiro (2005, p. 10) Prezado(a) acadêmico(a), na próxima Unidade você estudará as organelas celulares e ficará mais claro cada uma dessas diferenças entre as células animais e vegetais. QUADRO 6 – CARACTERÍSTICAS QUE DISTINGUEM AS CÉLULAS EUCARIONTES VEGETAIS DAS ANIMAIS ESTUDOS FU TUROS TÓPICO 2 | CÉLULAS PROCARIÓTICAS E EUCARIÓTICAS 33 Para finalizar este tópico e relembrar o conteúdo estudado, visualize com atenção a figura que segue: FONTE: Campbell (2000, p. 47) O núcleo presente tanto nas células animais (a) como nas vegetais (b) pode ser considerado a organela mais importante das células eucarióticas, dada as funções que ela realiza. A célula procariótica (c), apesar de não possuir o envoltório nuclear, apresenta o material genético, que se encontra disperso no interior da célula. Caro(a) acadêmico(a), você observou alguma semelhança entre esses três tipos celulares? É possível observar duas semelhanças, a primeira é a presença da membrana celular que separa a célula da região exterior. Inclusive, vale ressaltar que é a única membrana presente nas células procarióticas (c). A segunda semelhança é a presença dos ribossomos. Campbell (2000, p. 46) afirma que “a localização dessa organela difere de uma célula para outra, pois nos organismos procariotos os ribossomos encontram-se livres no citosol. Já nos organismos eucariotos, estão frequentemente ligados ao retículo endoplasmático”. FIGURA 12 – COMPARAÇÃO ENTRE (A) UMA CÉLULA ANIMAL TÍPICA, (B) UMA CÉLULA VEGETAL TÍPICA E (C) UMA CÉLULA PROCARIÓTICA UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 34 Conforme Campbell (2000, p. 46) afirma, “o citoplasma refere-se à porção da célula fora do núcleo e o citosol é a porção solúvel da célula que fica do lado externo das organelas envoltas por membrana”. O citosol também é conhecido por matriz citoplasmática e é nessa matriz que várias estruturas e os sistemas de membranas estão imersos. BACTÉRIAS DESPONTAM NA PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS Duas pesquisas independentes, que acabam de ser divulgadas nos Estados Unidos, mostram que as bactérias geneticamente modificadas logo poderão ser mais importantes do que as plantas usadas para a produção de biocombustíveis. Pesquisadores da Universidade da Califórnia modificaram geneticamente uma cianobactéria para fazê-la consumir dióxido de carbono e produzir o combustível líquido isobutanol, que tem grande potencial como alternativa à gasolina. Para completar esse quadro, que até parece bom demais para ser verdade, a reação química para produção do combustível é alimentada diretamente por energia solar, através da fotossíntese. O processo tem duas vantagens para a meta global de longo prazo de se alcançar uma economia sustentável, que utilize energia mais limpa e menos danosa ao meio ambiente. Em primeiro lugar, ele recicla o dióxido de carbono, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa resultantes da queima dos combustíveis fósseis. Em segundo lugar, ele usa energia solar para converter o dióxido de carbono em um combustível líquido que pode ser usado na infraestrutura de energia já existente, inclusive na maioria dos automóveis. Desconstrução da biomassa – As atuais alternativas à gasolina, o que inclui os biocombustíveis derivados de plantas ou de algas, exigem várias etapas intermediárias antes de gerar os combustíveis utilizáveis. “Esta nova abordagem evita a necessidade de desconstrução da biomassa, quer no caso da biomassa celulósica, quer na biomassa de algas, algo que representa uma grande barreira econômica para a produção de biocombustíveis hoje”, disse o líder da equipa James C. Liao. “Portanto, [nossa biotecnologia] é potencialmente muito mais eficiente e menos dispendiosa do que as abordagens atuais.” LEITURA COMPLEMENTAR NOTA TÓPICO 2 | CÉLULAS PROCARIÓTICAS E EUCARIÓTICAS 35 Transformando CO2 em combustível – Usando a cianobactéria Synechoccus elongatus, os pesquisadores primeiro aumentaram geneticamente a quantidade da enzima RuBisCo, uma fixadora de dióxido de carbono. A seguir, eles juntaram genes de outros microrganismos para gerar uma cepa de bactérias que usa dióxido de carbono e luz solar para produzir o gás isobutiraldeído. O baixo ponto de ebulição e a alta pressão de vapor do gás permitem que ele seja facilmente recolhido do sistema. As bactérias geneticamente modificadas podem produzir isobutanol diretamente, mas os pesquisadores afirmam que atualmente é mais fácil usar um processo de catálise já existente e relativamente barato para converter o gás isobutiraldeído para isobutanol, assim como para vários outros produtos úteis à base de petróleo. Segundo os pesquisadores, uma futura usina produtora de biocombustível baseada em suas bactérias geneticamente modificadas poderia ser instalada próxima a usinas que emitem dióxido de carbono – as termelétricas, por exemplo. Isto permitiria que o gás de efeito estufa fosse capturado e reciclado diretamente em combustível líquido. Para que isso se torne uma realidade prática, os pesquisadores precisam aumentar a produtividade das bactérias e diminuir o custo do biorreator. Bactérias autodestrutivas A equipe da Universidade do Estado do Arizona também usou a genética e as cianobactérias fotossintéticas, mas em uma abordagem diferente. O grupo do professor Roy Curtiss usou os genes de um bacteriófago – um microrganismo que ataca bactérias – para programar as cianobactérias para se autodestruírem, permitindo a recuperação das gorduras ricas em energia – e dos seus subprodutos, os biocombustíveis. Segundo Curtiss, as cianobactérias são fáceis de manipular geneticamente e têm um rendimento potencialmente maior do que qualquer planta atualmente utilizada como fonte para os biocombustíveis capazes de substituir a gasolina ou o diesel. Mas, para realizar esse potencial, é necessário colher as gorduras dos micróbios, o que atualmente exige uma série de reações químicas muito caras. Otimização – Para fazer as cianobactérias liberarem mais facilmente sua preciosa carga de gorduras, Curtiss e seu colega Xinyao Liu inseriram nelas os genes dos bacteriófagos, que são controlados pela simples adição de quantidades- traço de níquel no seu meio de cultura. Os genes dos invasores dissolvem as membranas protetoras das cianobactérias, fazendo-as explodir como um balão, liberando as gorduras. UNIDADE 1 | CITOLOGIA – FUNDAMENTOS 36 A solução também não é definitiva, mas os pesquisadores já contam com um financiamento de US$ 5,2 milhões nos próximos dois anos, para otimizar a reação e aumentar seu rendimento. (Fonte: Site Inovação Tecnológica) FONTE: Disponível em: <http://noticias.ambientebrasil.com.br/clipping/2010/01/26/51446- bacterias-despontam-na-producao-de-biocombustiveis.html>.Acesso em: 27 jun. 2010. 37 RESUMO DO TÓPICO 2 Neste tópico, você estudou que: ● Com a identificação feita pelo biólogo Chatton, simplifica-se a complexa divisão dos cinco reinos, pois desses, apenas o reino Monera, composto por bactérias e algas azuis (cianobactérias), é formado por células procarióticas. Todos os membros dos quatro reinos restantes são eucariotas. ● Uma das características mais marcantes das células procarióticas é que elas não possuem o envoltório nuclear. Dessa forma, o cromossomo encontra-se disperso no nucleoide e fica em contato direto com o citosol. ● “As células procariontes não possuem envoltório nuclear, nem o elaborado sistema de membranas encontrado no citoplasma das células eucariontes, nem citoesqueleto”. (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2005, p. 267). ● Na superfície da bactéria estão os flagelos (responsáveis pelo movimento das bactérias) e as fímbrias. Não são todas as bactérias que possuem os flagelos, mas quando presentes, o comprimento geralmente é maior que o da célula. Já as fímbrias participam da transferência unidirecional de DNA entre células bacterianas. ● As células eucarióticas possuem um núcleo verdadeiro, com um envoltório nuclear, permitindo que o material genético permaneça aglomerado no interior do núcleo. Essas células possuem uma variedade de estruturas especializadas que são as organelas, rodeadas pelo citosol. ● A compartimentalização é a principal característica das células eucarióticas. 38 AUTOATIVIDADE 1 De acordo com o estudo das células procarióticas, classifique as seguintes sentenças em V verdadeiras ou F falsas: ( ) O cromossomo da célula procariótica, normalmente, encontra-se inserido no nucleoide. ( ) As mitocôndrias são consideradas essenciais para as células pela sua importância na respiração, por isso, encontram-se em células procarióticas e eucarióticas. ( ) Na superfície da bactéria estão os flagelos e as fímbrias, estruturas responsáveis pela mobilidade. ( ) A ausência do citoesqueleto nas bactérias impossibilita a realização da mitose. Agora, assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA: a) A sequência correta é: V - F - V - V. b) A sequência correta é: V - V - F - F. c) A sequência correta é: F - V - F - V. d) A sequência correta é: V - F - F - V. 2 Com relação ao transporte ativo, leia e complete a seguinte sentença: “As células procariontes não possuem ___________________, nem o elaborado __________________ encontrado no citoplasma das células eucariontes, nem ____________________”. Agora, assinale a alternativa que apresenta as palavras que completam as lacunas corretamente: a) envoltório nuclear - sistema de membranas - citoesqueleto. b) cromossomo - sistema de membranas - parede celular. c) envoltório nuclear - conteúdo citoplasmático - parede celular. d) cromossomo - sistema de membranas - citoesqueleto. 3 Referente às principais diferenças das células eucarióticas animais e vegetais, assinale a alternativa CORRETA: a) ( ) Presença de plasmodesmos e plastídios nas células animais. b) ( ) Presença da parede celular nas células vegetais, mas ausência da membrana plasmática. c) ( ) Presença de vacúolos citoplasmáticos e plasmodesmos nas células vegetais. d) ( ) Presença de vacúolos e amido tanto nas células animais como vegetais. 4 Discorra a respeito do sistema fotossintético das cianobactérias. 39 Agora você desenvolverá duas atividades laboratoriais da disciplina de Citologia, retiradas do Manual de Atividades Laboratoriais e didático-pedagógicas de Ciências Biológicas. ATENCAO Assista ao vídeo de resolução da questão 2 Assista ao vídeo de resolução da questão 3 Assista ao vídeo de resolução da questão 1 40 PRÁTICA - CONHECENDO O MICROSCÓPIO ÓPTICO COMUM (M.O.C) 1 INTRODUÇÃO Esta prática pode ser utilizada para familiarizar o(a) acadêmico(a) com o uso do microscópio! Sabemos que o conhecimento das células evolui paralelamente ao aperfeiçoamento dos métodos de investigação, que estão aliados às descobertas cada vez mais aprofundadas sobre o assunto. Os métodos para visualização e estudo das células tem como principal constituinte o microscópio: através dele você será capaz de ampliar e regular as imagens de células e tecidos colocadas em uma lâmina para microscopia. O microscópio óptico (M.O.), também chamado de microscópio de luz, possibilitou o descobrimento das células e a elaboração da teoria de que todos os seres vivos são constituídos por células. Inicialmente era formado por uma simples lente de aumento. Posteriormente, via associação de lentes, tornaram-se possíveis ampliações dos objetos observados, possibilitando ao homem pesquisar um novo mundo até então invisível (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2011). Hoje, não só usamos os microscópios comuns com lentes e luz, mas também microscópios eletrônicos, que se utilizam de campos magnéticos, feixes de elétrons, entre outros elementos, isto se deve ao fato da descoberta de técnicas citoquímicas para a identificação e localização de diversas moléculas constituintes das células. Em se tratando de um instrumento de extrema importância para as pesqui- sas biológicas, necessitamos estar familiarizados com o seu uso e compreender o seu funcionamento, para que somente depois possamos manuseá-lo com cuidado e precisão. Como ele é um equipamento de elevado custo e altamente sensível (as lentes e as oculares principalmente), todo cuidado é pouco na hora de trabalhar com o aparelho. Antes de qualquer ação, certifique-se de que entendeu bem como manuseá-lo. Leia com atenção todos os itens tratados a seguir. O microscópio possui duas finalidades básicas: 1º- ampliação de imagem; 2º- permitir a distinção de objetos por distâncias tão pequenas que não podem ser percebidas a olho nu. IMPORTANT E 41 O M.O. compõe-se de uma parte mecânica, que serve de suporte, e uma parte óptica, constituída por três sistemas de lentes: o condensador, a objetiva e a ocular. Na Figura 1, encontra-se descrita cada uma das partes desses sistemas, além da localização das estruturas do Microscópio Óptico. FIGURA 1 – MICROSCÓPIO OPTICO FONTE: DESSEN, Eliana Beluzzo; OYAKAWA, Jorge. Microscopia. Centro de Estudos do Genoma Humano. Disponível em: <http://genoma.ib.usp.br/wordpress/wp-content/uploads/2011/04/ Microscopia_2.pdf>. Acesso em: 20 ago. 2013. 42 Agora, vamos analisar as estruturas presentes no Microscópio Óptico no laboratório de Ciências Biológicas do Polo de Apoio Presencial. Caso for necessário, acrescente flechas de identificação nas estruturas. Após esse preenchimento, compare com as funções já relatadas da Figura 1 e faça uma busca na internet ou livros didáticos a respeito das estruturas que não foram citadas anteriormente. FIGURA 1 – MICROSCÓPIO OPTICO FONTE: DESSEN, Eliana Beluzzo; OYAKAWA, Jorge. Microscopia. Centro de Estudos do Genoma Humano. Disponível em: <http://genoma.ib.usp.br/ wordpress/wp-content/uploads/2011/04/Microscopia_2.pdf>. Acesso em: 20 ago. 2013. 1.1 MANUTENÇÃO E CUIDADOS COM O USO DO MICROSCÓPIO ÓPTICO 1.1.1 Limpeza da parte óptica: oculares Para auxiliar na manutenção e no cuidado com o microscópio é necessário realizar a limpeza e lubrificação das diferentes partes do M.O. para aumentar a durabilidade das peças e a nitidez das imagens. 43 De acordo com Macedo et al. (1996), antes de realizar a limpeza da parte óptica, deve-se observar se as lentes possuem fungos e se a camada de filme fino antirreflexivo não está deteriorada. Isto pode ser observado através da diferença de coloração entre o vidro e o filme. Além desta verificação, deve-se tomar cuidado com o uso de materiais que agridem as partes do M.O. como esponjas, palhas de aço, papéis impróprios, objetos pontiagudos, entre outros (MACEDO et al., 1996). Depois