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Citologia.pdf 1BiologiaCitologia Avenida Presidente Kennedy, 2295 – Tel.: (16) 3238·6300 CEP 14095-210 – Lagoinha – Ribeirão Preto-SP www.sistemacoc.com.br SISTEMA COC DE ENSINO Direção-Geral: Sandro Bonás Direção Pedagógica: Zelci C. de Oliveira Direção Editorial: Roger Trimer Gerência pedagógica: Juliano de Melo Costa Gerência Editorial: Osvaldo Govone Gerência de Relacionamento: Giovanna Tofano Ouvidoria: Regina Gimenes Conselho Editorial: Juliano de Melo Costa, Osvaldo Govone, Sandro Bonás e Zelci C. de Oliveira PRODUÇÃO EDITORIAL Autoria: Aldo César Poltronieri Editoria: Fernando Roma, Marcos Roberto Rodrigues e Renato Trevilato Assistente editorial: Luzia H. Fávero F. López Assistente administrativo: George R. Baldim Projeto gráfico e direção de arte: Matheus C. Sisdeli Preparação de originais: Marisa A. dos Santos e Silva e Sebastião S. Rodrigues Neto Iconografia e licenciamento de texto: Cristian N. Zaramella, Marcela Pelizaro e Paula de Oliveira Quirino. Diagramação: BFS bureau digital Ilustração: BFS bureau digital Revisão: Flávia P. Cruz, Flávio R. Santos, José S. Lara, Leda G. de Almeida e Maria Cecília R. D. B. Ribeiro. Capa: LABCOM comunicação total Fechamento: Edgar M. de Oliveira Su m ár io CAPÍTULO 01 ORGANIZAÇÃO CELULAR 7 1. Introdução 7 2. Células procarióticas 9 3. Células eucarióticas 10 4. Resumo 15 CAPÍTULO 02 BIOQUÍMICA CELULAR 19 1. Composição química da célula 19 2. Carboidratos 19 3. Lipídios 23 4. Proteínas 32 CAPÍTULO 03 AÇÃO GÊNICA 41 1. Ácidos nucleicos 43 2. Duplicação do DNA 48 3. Transcrição 51 4. Código genético e síntese de proteínas 57 5. Síntese de proteínas 61 CAPÍTULO 04 MEMBRANA CELULAR 61 1. Membrana plasmática 63 2. Modelo do mosaico fluido 63 3. Especializações da membrana plasmática 64 4. Mecanismos de transporte 65 CAPÍTULO 05 SECREÇÃO E DIGESTÃO CELULAR 70 1. Complexo golgiense 70 2. Lisossomos 73 CAPÍTULO 06 BIOENERGÉTICA 79 1. Metabolismo energético 79 2. Molécula de ATP 80 3. Fermentação 81 4. Respiração aeróbica 84 5. Respiração anaeróbica 87 6. Fotossíntese 89 7. Fatores limitantes da fotossíntese 94 8. Resumo das reações químicas da fotossíntese 97 CAPÍTULO 07 NÚCLEO E DIVISÃO CELULAR 101 1. Introdução 101 2. Componentes do núcleo interfásico 102 3. Cromossomos 103 4. Divisão celular 110 5. Mitose 112 6. Meiose 117 7. Gametogênese 122 EXERCÍCIOS PROPOSTOS 137 Capítulo 01 139 Capítulo 02 152 Capítulo 03 166 Capítulo 04 182 Capítulo 05 198 Capítulo 06 206 Capítulo 07 236 Capítulo 08 270 GABARITO 283 Teoria PV -1 4- 11 Citologia 7 Biologia 1. Introdução Biologia é a ciência da vida, isto é, a ciência que estuda os seres vivos e seus diferentes níveis de organização, desde a ordenação dos átomos que formam moléculas até os sistemas que formam o organismo completo. A biologia também trata das interações dos seres vivos entre si e destes com o ambiente, cuida dos mecanismos de hereditariedade, da evolução dos seres vivos, entre muitos outros aspectos. A área da biologia que estuda as células, sua organização, metabolismo e mecanismos de divisão celular é a citologia. © 1 Ja m es S te id l / S hu tt er st oc k A citologia é a área da Biologia que estuda as células O estudo da célula é fundamental para entendermos a organização dos seres vivos e seu funcio- namento. A célula é a unidade morfológica e fisiológica da maioria dos seres vivos, com exceção dos vírus, que são seres acelulares. No aspecto biológico, passamos a existir a partir de uma única célula, desde o momento da fecun- dação, com a formação da célula-ovo resultante da união dos gametas dos nossos progenitores. A partir da célula-ovo, passamos pelo desenvolvimento embrionário, com a formação de tecidos (muscular, nervoso, conjuntivo), órgãos (pele, estômago, intestino) e sistemas (digestório, circu- latório, genital), que constituem o organismo completo com trilhões de células. A célula é a menor estrutura capaz de executar todas as atividades que caracterizam os seres vivos, o que torna o seu estudo parte fundamental na compreensão da Biologia. As características apresentadas pelas células definem o organismo como um todo. Assim: • quanto ao número de células, os seres vivos são unicelulares ou pluricelulares; © 2 Andre M ueller / Shutterstock A B © 3 EY E O F SC IE N CE / SC IE N CE PH OT O L IB RA RY / La tin St oc k Tripanossomas, seres unicelulares em meio às hemácias (A), e o seu transmissor, o inseto barbeiro, organismo pluricelular (B). CAPÍTULO 01 ORGANIZAÇÃO CELULAR Citologia PV -1 4- 11 8 Biologia • quanto à capacidade de produzir alimento, os seres vivos são autótrofos (produ- zem o seu próprio alimento) ou heterótrofos (não produzem o seu próprio alimento); © 4 Jupiterim ages / Photos.com / Getty Im ages © 5 cl ea rv ie w st oc k / S hu tt er st oc k Bactérias fotossintetizantes, seres autótrofos (A), e pássaros, seres heterótrofos (B). • quanto à presença de carioteca, os seres vivos são procariontes (sem carioteca) ou euca- riontes (com carioteca); © 6 DR JE RE M Y BU RG ES S / S CI EN CE P HO TO LI BR AR Y/ SP L D C / L at in st oc k © 7 Alekcey / Shutterstock Bactéria do gênero Rhizobium, ser procarionte (A), e cogumelos, organismos eucariontes (B). • quanto à utilização do oxigênio, os seres vivos são aeróbios ou anaeróbios. © 8 Jo ze M au ce c / S hu tt er st oc k © 9 M arcel Jancovic / Shutterstock Uma anêmona-do-mar, organismo aeróbio que utiliza o oxigênio da água para viver (A), e lombriga, organismo anaeróbio que vive no intestino humano (B). A B A B A B PV -1 4- 11 Citologia 9 Biologia 2. Células procarióticas As células procarióticas são caracterizadas pela ausência de envoltório ao redor do material genético da célula (DNA), denominado carioteca ou envoltório nuclear, e pela ausência de organelas membra- nosas no seu interior. São exemplos de células procarióticas as bactérias e as cianobactérias. © 10 Dennis Kunkel M icroscopy, Inc. / Visuals U nlim ited / Corbis / Corbis (DC) / Latinstoc k Bactérias Salmonelle typhimurium invandindo uma cultura de células humanas. Fotomicroscopia eletrônica de varredura. Coloração digital (A). Cianobactérias, células procarióticas fotossintetizantes (B). A. Organização celular procariótica A célula procariótica apresenta uma organi- zação celular bastante simples se comparada com a célula eucariótica. Ribossomos Plasmídeo Parede celular Cápsula Membrana plasmática Material genético (DNA) Célula procariótica com as suas estruturas celulares Separando o meio extracelular do meio intra- celular, a célula procariótica apresenta a mem- brana plasmática ou plasmalema, que contro- la o trânsito de substâncias entre os meios de maneira seletiva (permeabilidade seletiva). Sua composição é lipoproteica, ou seja, é for- mada por moléculas de lipídios e proteínas. Recobrindo a membrana plasmática, existe um envoltório denominado parede celular, mais espesso e rígido, exercendo função de proteção. Sua composição química varia mui- to entre as bactérias, no entanto, pode-se citar que é composta basicamente por peptideogli- canos. Algumas bactérias apresentam, ainda, envolvendo a parede celular, uma cápsula que confere maior proteção à célula. No meio intracelular, os ribossomos que participam da síntese de proteínas, são as únicas organelas da célula procariótica, não apresentando natureza membranosa, por isso se diz que células procarióticas não apresentam organelas membranosas. O material genético (DNA) não é envolvido pela carioteca, ficando disperso pelo citoplas- ma. A região ocupada por esse material gené- tico é denominada nucleoide. As bactérias, além de apresentarem o DNA principal, po- dem apresentar uma molécula de DNA menor, denominada plasmídeo. O plasmídeo pode conter genes que conferem resistência às bac- térias contra antibióticos e pode ser transferi- do de uma bactéria para outra em mecanis- mos de recombinação gênica. A molécula de DNA principal e o plasmídeo são circulares, ou seja, não apresentam extremidades como o DNA de células eucarióticas. Algumas bacté- rias apresentam flagelos para a locomoção. © 52 L AW RE N CE B ER KE LE Y N AT IO N AL L AB O RA TO RY / RO CK Y M O U N TA IN L AB O RA TO RI ES , N IA ID , N IH / SC IE N CE P HO TO L IB RA RY / SP L DC / La tin st oc k BA Citologia PV -1 4- 11 10 Biologia No interior de todas as células, a região denominada citoplasma é preenchida por uma substância coloidal, o hialoplasma, local onde se encontra a maioria das organelas e onde ocorrem inúmeras reações químicas essenciais ao funcionamento e à sobrevivência da célula. As cianobactérias possuem dobras de membrana associadas à ocorrência da fotossíntese. São as lamelas fotossintetizantes. DNA Ribossomos Gotícula de gordura Camada gelatinosa Membrana plasmática Lamelas fotossintéticasParede celular Grânulo de proteína Célula de cianobactéria 3. Células eucarióticas As células eucarióticas apresentam o envoltório nuclear ou carioteca ao redor do material genéti- co, havendo uma nítida separação entre citoplasma e núcleo. Apresentam, como as procarióti- cas, membrana plasmática com a mesma função e composição. No entanto, diferem em muitos outros aspectos, como a presença de organe- las membranosas, moléculas de DNA com ex- tremidades, presença de nucléolo etc. Células animais e vegetais são eucarióticas. A. Célula animal As células animais não apresentam a parede celular, mas possuem uma série de outras es- truturas citoplasmáticas. © 11 Sebastian Kaulitzki / Shutterstock Células animais vistas ao microscópio óptico PV -1 4- 11 Citologia 11 Biologia A.1. Organização celular animal Complexo golgiense Lisossomos Ribossomos Centríolos Carioteca Retículo endoplasmático granuloso Vesícula de secreção Mitocôndria Membrana plasmática Retículo endoplasmático não granuloso Nucléolo Célula animal A.2. Ribossomos São corpúsculos formados por proteínas e RNA ribossômico e são responsáveis pela síntese de proteínas. Apresentam duas subunidades isoladas, dispersas pelo hialoplasma, que se juntam no momento da síntese de proteínas. O RNA ribossômico que compõe essas estruturas provém do nucléolo. Ribossomo Ribossomos vistos em microscopia eletrônica A.3. Retículo endoplasmático granuloso ou ergastoplasma Os retículos endoplasmáticos são formados por sistemas de membranas dobradas formando canais ou tubos, por onde substâncias podem ser transportadas para outras partes da célula. O retículo endoplasmático granuloso apresenta ribossomos aderidos à sua superfície, participan- do da síntese e exportação de proteínas para o meio extracelular. Citologia PV -1 4- 11 12 Biologia © 12 Lester V. Bergm an / CO RBIS / Corbis (DC) / Latinstock Retículo endoplasmático granuloso visto em microscopia eletrônicaA.4. Retículo endoplasmático não granuloso Não possui ribossomos aderidos à sua superfície. Participa da síntese de lipídios, como os es- teroides, essenciais para a produção dos hormônios esteroides, como os sexuais (estrógeno, progesterona e testosterona). Esse retículo contém enzimas que participam de processos de detoxicação ou destoxicação, ou seja, metabolização de substâncias tóxicas, como álcool, agro- tóxicos, medicamentos etc. © 13 Visuals U nlim ited / Corbis / Corbis (DC) / Latinstock Retículo endoplasmático não granuloso visto em microscopia eletrônica A.5. Complexo golgiense O complexo golgiense é formado por um conjunto de sacos membranosos achatados e empilha- dos de onde brotam vesículas. Essa estrutura celular está envolvida com várias funções, como a secreção celular, e a concentração de substâncias na célula. Posteriormente, outras funções serão estudadas. Vesícula de secreção PV -1 4- 11 Citologia 13 Biologia A.6. Mitocôndria As mitocôndrias são estruturas membranosas com a forma de bastões ou esféricas que estão envolvidas com a liberação de energia na célula. Utilizam o oxigênio em reações químicas para a produção de ATP, participando, assim, da respiração celular (aeróbica). Apresentam o seu pró- prio DNA, RNA e ribossomos, sendo capazes de se autoduplicarem. Matriz mitocondrial Crista mitocondrial © 14 Visuals Unlim ited / Corbis / Corbis (DC) / Latinstock Mitocôndrias vistas em microscopia eletrônica A.7. Lisossomo O lisossomo é uma vesícula membranosa derivada do complexo golgiense que contém enzimas envolvidas com a digestão intracelular, tanto de substâncias capturadas do meio, quan- to de estruturas celulares velhas e sem funcionamento. As etapas desse processo digestivo serão estudadas em outro capítulo. © 15 Photoresearchers / Photoresearchers / Latinstock Lisossomos vistos em microscopia eletrônicaA.8. Peroxissomo É uma vesícula muito parecida com o lisossomo, mas suas enzimas estão envolvidas com o pro- cesso de detoxicação ou destoxicação, ou seja, metabolização de substâncias tóxicas. Por exem- plo, 75% do álcool é metabolizado pelas enzimas do retículo não granuloso e 25% pelas enzimas do peroxissomo, principalmente em células do fígado (hepatócitos) e renais. Outra substância metabolizada pelas enzimas dos peroxissomos é a água oxigenada (peróxido de hidrogênio), produzida como resíduo de reações químicas celulares. O peróxido de hidrogênio, tóxico para a célula, é decomposto em água e oxigênio, produtos atóxicos para a célula, devido à ação de uma enzima encontrada no interior do peroxissomo chamada de catalase. A.9. Centríolo Os centríolos são estruturas proteicas constituídas por um conjunto de nove trincas de microtú- bulos dispostos cilindricamente. Estão envolvidos com a formação de cílios, como os presentes na traqueia, e flagelos, como nos espermatozoides. Os centríolos participam das divisões celula- res em células animais. A maioria dos vegetais não apresenta centríolos. Assim, como os ribosso- mos, os centríolos são estruturas celulares não membranosas. Citologia PV -1 4- 11 14 Biologia Microtúbulo Corte transversal do centríolo (9 conjuntos de túbulos triplos). 0,1 µm © 16 Photoresearchers / Photoresearchers / Latinstock B. Célula vegetal As células vegetais apresentam a maioria das estruturas celulares encontradas nas células ani- mais. Nas células da maioria dos vegetais, não são encontrados os centríolos. Os peroxissomos e os lisossomos estão ausentes ou são raros. As células das sementes possuem lisossomos que, durante a germinação, digerem as substâncias nutritivas armazenadas. Apresentam, reco- brindo a membrana plasmática, a parede celu- lar composta de celulose, que oferece proteção mecânica à célula vegetal. Outras estruturas celulares são típicas de células vegetais. ©17 JOHN DURHAM / SCIENCE PHOTO LIBRARY / SPL DC / Latinstock Células vegetais vistas em microscopia óptica B.1. Organização celular vegetal Carioteca Retículo endoplasmático granuloso Retículo endoplasmático não granuloso Membrana plasmática Mitocôndria Cloroplasto Complexo golgiense Grande vacúolo Ribossomos Nucléolo Parede celular Célula vegetal Corte transversal do centríolo (9 conjuntos de túbulos triplos). Centríolos vistos em microscopia eletrônica PV -1 4- 11 Citologia 15 Biologia B.2. Cloroplasto Estas estruturas contêm o pigmento clorofila, que captura a energia luminosa permitindo que os vegetais realizem o processo de fotossíntese. Reações químicas que ocorrem nessa estrutura celular utilizam gás carbônico e água e produzem carboidratos (glicose) e oxigênio. Os cloroplas- tos são organelas que apresentam o seu próprio DNA, RNA e ribossomos, sendo capazes de se autoduplicarem, assim como as mitocôndrias. © 18 Photoresearchers / Latinstock Esquema de um cloroplasto Cloroplasto visto em microscopia eletrônica B.3. Vacúolos desenvolvidos As células vegetais apresentam grandes vacúolos no seu interior. Essas estruturas funcionam como um grande reservatório armazenando substâncias. Além disso, regulam a entrada e a saída de água das células vegetais, participando do controle osmótico da célula. Os vacúolos dos vegetais podem conter enzimas envolvidas com a digestão intracelular. Sua membrana é denominada tonoplasto. 4. Resumo Estruturas celulares Funções Membrana plasmática Permeabilidade seletiva Parede celular Proteção Nucléolo Formação dos ribossomos Ribossomo Síntese de proteínas Retículo endoplasmático granuloso Síntese de proteínas e transporte de substâncias Retículo endoplasmático não granuloso Síntese de lipídios, detoxicação e transportes de substâncias Complexo golgiense Secreção celular Mitocôndria Respiração celular Lisossomo Digestão intracelular Peroxissomo Detoxicação Centríolo Formação de cílios e flagelos Cloroplasto Fotossíntese Vacúolo desenvolvido Armazenamento e controle osmótico Citologia PV -1 4- 11 16 Biologia 01. UFSM-RS I II SOARES, J. L. Biologia. São Paulo: Scipione, vol. único, 1999. pp. 38 e 44. As figuras I e II representam, respectivamente: a. célula vegetal e célula animal. b. célula animal e célula vegetal. c. célula procariótica e célula eucariótica. d. célula eucariótica e célula vegetal. e. célula eucariótica e célula procariótica. Resolução A célula I é uma célula eucariótica animal: apresenta núcleo e várias organelas membra- nosas, como mitocôndrias e retículo endoplas- mático. A célula II é uma célula bacteriana: sem núcleo e com parede celular. Resposta E EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 02. UniCOC-SP A figura a seguir apresenta um tipo celular e suas estruturas. Parede celular Membrana plasmática Retículo endoplasmáticonão granuloso Grande vacúolo Mitocôndria CloroplastoRibossomos Complexo golgiense Retículo endoplasmático granuloso Núcleo 1 2 3 4 5 6 É incorreto afirmar que: a. trata-se de uma célula vegetal. b. as estruturas celulares 1 e 2 não estão presentes na organização celular de uma bactéria. c. as organelas 3 e 4 apresentam o seu próprio DNA. d. 5 e 6 realizam a síntese de proteínas e a respiração celular, respectivamente. e. a estrutura 4 é responsável pela libera- ção de oxigênio. Resolução O complexo golgiense, representado em 6, está relacionado com a secreção celular e o ar- mazenamento (acúmulo) de substâncias. Resposta D PV -1 4- 11 Citologia 17 Biologia LEITURA COMPLEMENTAR Citoesqueleto O citoesqueleto é uma rede de filamentos de proteínas presentes no hialoplasma de células eucarióticas. Atua na manutenção da forma da célula, em movimentos celulares, no transpor- te de substâncias e na adesão entre células adjacentes. É formado por microtúbulos, microfilamentos e filamentos intermediários. © 19 D r. Vo lk er B rin km an n / V isu al s U nl im ite d / C or bi s / C or bi s ( DC ) / L at in st oc k Citoesqueleto de uma célula animal Microtúbulos: compostos por moléculas da proteína tubulina que podem aumentar ou diminuir o seu tamanho através da incorporação ou retirada de tubulinas. Estão envolvidos com: • a formação das fibras do fuso: durante as divisões celulares, a formação e o encurtamento dessas fibras tem relação com a polimerização ou despolime- rização da tubulina. • a formação dos centríolos: os centríolos são formados por 9 trincas de mi- crotúbulos dispostos cilindricamente. • a formação de cílios e flagelo: essas estruturas originam-se pela expansão de dois microtúbulos de cada trinca de um centríolo presente na base dessas estruturas, com a formação posterior de um par de microtúbulos centrais (estrutura 9 + 2), promovendo a distensão da membrana plasmática. Microtúbulo Citologia PV -1 4- 11 18 Biologia Microtúbulos Centríolo Microtúbulos centrais Membrana plasmática Estrutura 9 + 2 de um flagelo Dupla de microtúbulos periféricos Microfilamentos: compostos pela proteína actina (proteína intracelular mais abundante), e também chamados de filamentos de actina. Estão envolvidos com: • citocinese em células animais – a contração dos microfilamentos propor- cionam o estrangulamento da célula animal no final das divisões celula- res, promovendo a divisão do citoplasma. • movimentos ameboides e ciclose – a concentração dos microfilamentos no hialoplasma é responsável pela formação dos pseudópodes e a sua contração, pela formação de correntes citoplasmáticas (ciclose) que dis- tribuem nutrientes e movimentam organelas. • contração muscular – os filamentos de actina podem associar-se a outros filamentos proteicos, denominados filamentos de miosina, compondo as miofibrilas das células musculares, atuando na contração muscular. Filamentos intermediários: compostos por vários tipos de proteínas e estão presentes em diversos tipos celulares. Apresentam esse nome porque têm diâ- metro intermediário aos microtúbulos e microfilamentos. Estão envolvidos com: • sustentação mecânica – oferece rigidez às células. • adesão celular – presente nos desmossomos de células vizinhas. Microfilamento Filamento intermediário PV -1 4- 11 Citologia 19 Biologia 1. Composição química da célula Uma das evidências da evolução biológica e da ancestralidade comum dos seres vivos é que todas as formas de vida possuem composição química semelhante. Na composição química das células dos seres vivos, estudamos dois grandes grupos de subs- tâncias: as substâncias inorgânicas e as subs- tâncias orgânicas. São classificadas como substâncias inorgâni- cas a água e os sais minerais. São substâncias orgânicas os carboidratos, os lipídios, as pro- teínas e os ácidos nucleicos. As substâncias or- gânicas são formadas por cadeias carbônicas com diferentes funções orgânicas. Dos elementos químicos encontrados na na- tureza, quatro são encontrados com maior frequência na composição química dos seres vivos. Esses elementos são o carbono (C), o oxigênio (O), o nitrogênio (N) e o hidrogênio (H). Além desses quatro elementos, outros são biologicamente importantes, como o sódio (Na), o potássio (K), o cálcio (Ca), o fósforo (P), o enxofre (S), entre outros. Apesar de existirem inúmeras maneiras des- ses elementos combinarem-se para a forma- ção das substâncias inorgânicas e orgânicas, alguns tipos de substâncias existem em maior quantidade nos seres vivos. CAPÍTULO 02 BIOQUÍMICA CELULAR Água 75-85% Outras substâncias 1% Ácidos nucleicos 1% Carboidratos 1% Lipídios 2-3% Proteínas 10-15% Gráfico mostrando a porcentagem média das principais substâncias químicas dos seres vivos Para que ocorra a produção dessas molécu- las, muitas reações químicas devem ocorrer. O metabolismo é o conjunto de reações quími- cas que ocorre em uma célula, órgão ou um organismo. Ele inclui o anabolismo, que cor- responde à síntese de moléculas, e o catabolismo, que corresponde à degradação de moléculas maiores em moléculas menores. 2. Carboidratos Os carboidratos são moléculas formadas por átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio. Essas moléculas também são chamadas de hi- dratos de carbono, glicídios ou sacarídeos. Os vegetais, as algas e algumas bactérias pro- duzem glicose na fotossíntese a partir de gás carbônico (CO2), água (H2O) e energia lumino- sa. A glicose produzida na fotossíntese pode ser utilizada como fonte de energia na respiração celular, ser armazenada na forma de amido nos caules e nas raízes dos vegetais ou, ainda, ser uti- lizada na formação de celulose presente na pare- de celular dos vegetais e das algas. Respiração celular Célula vegetal Mitocôndria Fonte de energia no processo de respiração celular Caule Raiz Armazenamento na forma de amido em caules e raízes Parede celular Participar da formação da celulose presente nas paredes das células vegetais. Os carboidratos apresentam funções energéticas e estruturais. Os carboidratos são classificados de acordo com o tamanho, em monossacarídeos, oligossacarí- deos e polissacarídeos. Citologia PV -1 4- 11 20 Biologia A. Monossacarídeos Os monossacarídeos são carboidratos simples que não precisam sofrer digestão quando são in- geridos, possuem fórmula geral CnH2nOn, em que o valor de n varia entre 3 e 7. O nome dos mo- nossacarídeos é dado pelo valor de n. n Nome do monossacarídeo 3 Trioses 4 Tetroses 5 Pentoses 6 Hexoses 7 Heptoses Os mais abundantes são as hexoses, com fórmula geral C6H12O6, como a glicose, a frutose e a ga- lactose. Esses carboidratos são utilizados como fonte de energia na respiração celular. © 20 L ju pc o Sm ok ov sk i / S hu tt er st oc k © 21 V ik to r1 / Sh ut te rs to ck © 22 Tarasyuk Igor / Shutterstock A glicose está presente no mel. A frutose está presente nas frutas. A galactose está presente no leite. As pentoses, como desoxirribose e ribose, possuem papel estrutural, pois são componentes das moléculas dos ácidos nucleicos, DNA e RNA, respectivamente. Desoxirribose Ribose O monossacarídeo desoxirribose faz parte da composição do DNA e o monossacarídeo ribose faz parte da composição do RNA. PV -1 4- 11 Citologia 21 Biologia B. Oligossacarídeos São carboidratos formados pela união de 2 até 10 unidades de monossacarídeos. Os mais conhe- cidos são os dissacarídeos, formados pela união de dois monossacarídeos. Dissacarídeo Unidades formadoras Fonte Papel biológico Sacarose Gicose + frutose Cana e beterraba Energético Maltose Glicose + glicose Cereais Energético Lactose Glicose + galactose Leite Energético Os dissacarídeos presentes nos alimentos não são aproveitados diretamente pelo organismo. Essas moléculas precisam ser digeridas (hidrolisadas) pela ação de enzimas específicas em suas unidades formadoras (monossacarídeos) para serem absorvidas nas microvilosidades intestinais e, então, chegarem até as células, via corrente sanguí nea. C H O H O C H O C H O s hidrólise síntese12 22 11 2 6 12 6 6 12 6 + +� ⇀����↽ ����� ( aacarose água frutose) ( ) ( ) ( )glicose © 23 Parazit / Dream stim e.com © 24 Antonia / Dream stim e.com A sacarose é extraída da cana para produção de açúcar, presente em vários alimentos. A lactose está presente no leite. A maltose está presente nos cereais. © 25 L iz Va n St ee nb ur gh / Sh ut te rs to ck / A da m Gi lc hr ist / Sh ut te rs to ck / K ai W on g / S hu tt er st oc k/ Th om as M P er ki ns / Sh ut te rs to ck / d ef pi ct ur e / Sh ut te rs to ck C. Polissacarídeos São moléculas orgânicas formadas pela união de mais de 10 moléculas de monossacarídeos. Ao contrário dos monossacarídeos e dos dissacarídeos, os polissacarídeos são, geralmente, inso- lúveis em água. Citologia PV -1 4- 11 22 Biologia Polissacarídeos Unidades formadoras Fonte Papel biológico Amido Glicose Raízes (mandioca) e caule (batatinha) Reserva energética vegetal Glicogênio Glicose Músculo e fígado Reserva energética animal Celulose Glicose Células vegetais Estrutural Quitina Glicose Exoesqueleto de artrópodes Parede celular de fungos Estrutural O amido é o polissacarídeo de reserva energética dos vegetais, sendo armazenado nas células do parênquima amilífero de caules (batatinha) e raízes (mandioca). O glicogênio é o polissacarídeo de reserva energética animal, sendo armazenado no fígado e nos músculos. Os polissacarídeos necessitam sofrer digestão para liberarem as glicoses para serem utilizadas como fonte de energia celular. A celulose é o carboidrato mais abundante do planeta, rica em glicose, no entanto os animais não possuem a enzima celulase e, portanto, não conseguem digeri-lo. Mesmo assim, a ingestão de alimentos ricos em celulose é importante para o bom funcionamento do intestino. Animais, como os ruminantes, possuem em seu sistema digestório micro-organismos como bactérias, que digerem a celulose. Os cupins podem aproveitar a celulose da madeira por terem protozoários produtores de celulase em seu intestino. A quitina é um polissacarídeo rígido e resistente que contém átomos de nitrogênio na molécula. Constitui o esqueleto externo dos artrópodes, como os insetos, crustáceos e aracnídeos, e entra na composição da parede celular de fungos. © 26 a ) G le bu s / D re am st im e. co m ; b ) Reika © 27 C O RE L ST O CK P HO TO S O amido é um polissacarídeo de reserva energética dos vegetais. A celulose forma a parede celular vegetal. PV -1 4- 11 Citologia 23 Biologia © 28 S er gi y Ku zm in / Sh ut te rs to ck © 29 Johnbell / Dream stim e.com O glicogênio é o polissacarídeo de reserva energética dos animais (A). O exoesqueleto dos artrópodes, como o do escorpião, é constituído de quitina (B). Muitos outros carboidratos estão presentes nos seres vivos exercendo funções importantes, como a integridade e o bom funcionamento celular. Por exemplo, nos tecidos animais, a compac- tação entre as células é facilitada pela presença do polissacarídeo ácido hialurônico ("cimento" intercelular). A heparina também é um importante polissacarídeo que atua na circulação como anticoagulante, principalmente em regiões de grande irrigação, como pulmões e fígado. 3. Lipídios Os lipídios são moléculas orgânicas que apresentam em sua composição ácidos graxos e um tipo de álcool. De um modo geral, são substâncias pouco solúveis em água e solúveis em compostos orgânicos apolares, como éter, benzeno, clorofórmio e álcool. Os lipídios podem ser classificados em glicerídios, fosfolipídios, esteroides e cerídios. A. Glicerídios São formados pela união de ácidos graxos e um álcool, o glicerol. Em gorduras e óleos, encontra- mos três moléculas de ácidos graxos ligadas a uma molécula de glicerol, formando o triglicéride ou triglicerídio. A molécula de triglicerídio é o principal componente das gorduras animais. É a forma que as cé- lulas utilizam para armazenar energia, quando recebem mais nutrientes energéticos do que estão consumindo. Carboidratos e proteínas podem ser transformados em gordura quando ingeridos em excesso e, desse modo, ocorre o aumento da massa corporal do organismo. De uma maneira geral, os lipídios fornecem mais calorias para o organismo do que os carboidratos e as proteínas. As gorduras são os lipídios de reserva energética dos animais e ficam armazenadas no tecido adiposo localizado abaixo da pele. ©30 Ei sin g / P ho to di sc / Ge tt y Im ag es © 31 M ar ga ry ta / Dr ea m st im e. co m © 32 Tarasyuk Igor / Shutterstock É comum encontrarmos gordura em alimentos como carnes, bacon e leite. A B Citologia PV -1 4- 11 24 Biologia ©33 N ag el P ho to gr ap hy / Sh ut te rs to ck ©34 G en to om ul tim ed ia / Dr ea m st im e. co m © 35 Dew ayne Flow ers / Shutterstock As gorduras também funcionam como isolantes térmicos. A espessa camada de gordura que mamíferos e aves têm sob a pele dificulta a perda de calor e é uma importante adaptação para a vida em regiões de clima frio. Os óleos são lipídios de reserva energética dos vegetais e estão concentrados principalmente nas sementes dos vegetais, como soja, girassol, amendoim, milho, oliveira, entre outros. Esses óleos são comumente utilizados em nossa alimentação. © 36 R iv er lim / Dr ea m st im e. co m © 37 G ra vi ca pa / Dr ea m st im e. co m © 38 Photosfrom africa / Dream stim e.com © 39 Alexm ax / Dream stim e.com Os óleos são encontrados nas sementes de soja, girassol, amendoim e milho. A partir dos óleos vegetais, são produzidas as gorduras vegetais, conhecidas como margarinas, conseguidas por meio de reações de hidrogenação com aquecimento. PV -1 4- 11 Citologia 25 Biologia © 40 M ul tia rt / Sh ut te rs to ck A margarina é produzida por reações de hidrogenação a partir do óleo vegetal, ocorrendo mudança do seu estado físico de líquido para sólido. B. Fosfolipídios Os fosfolipídios são formados por glicerol, áci- dos graxos e um grupo fosfato. Os fosfolipídios são os principais componentes das membra- nas plasmáticas das células dos seres vivos. Fosfolipídios Membrana plasmática C. Esteroides São lipídios formados por ácidos graxos e por alcoóis de cadeia cíclica, como o colesterol nos animais e o ergosterol nos vegetais, sendo este último precursor da vitamina D, sob ação dos raios solares. Apesar da sua fama de vilão, estando envolvi- do com doenças cardiovasculares, o colesterol é muito importante para o funcionamento do organismo: • participa da formação dos hormônios esteroides, como os hormônios sexuais (estrógeno, progesterona e testostero- na), importantíssimos para o desenvol- vimento das características sexuais e fertilidade. CH3 HC CH3 CH2 CH2 CH2 HC CH3 CH3 HO Colesterol O CH3 CH3 CH3 Testosterona HO OH CH3 CH3 Estrógeno O C CH3 CH3 Progesterona CH3 O Esteroides Os hormônios sexuais são formados a partir do colesterol • entra na composição dos sais biliares, im- portantes na emulsificação de gorduras. • faz parte da membrana plasmática dos animais, sendo responsável por regular a fluidez da membrana. O nosso organismo produz a maior parte do co- lesterol e uma pequena parte é proveniente da alimentação. O colesterol é transportado pelo or- ganismo associado a lipoproteínas: a HDL (high density lipoprotein ou lipoproteína de alta densidade), que é chamada de colesterol bom, e LDL (low density lipoprotein ou lipoproteína de baixa densidade), chamada de colesterol ruim. As LDL transportam o colesterol do fíga- do, onde é produzido, ou do intestino, onde é absorvido, para os tecidos do corpo, podendo, em excesso, depositar-se nos vasos sanguíne- os, dificultando a passagem do sangue e cau- sando a aterosclerose. As HDL transportam o excesso do colesterol dos tecidos até o fígado, onde é metabolizado e eliminado na forma de sais biliares. Praticar atividades físicas, evitar situações de estresse, evitar o uso de cigarros e o consumo exagerado de bebidas alcoólicas são fatores que contribuem para aumentar o nível de HDL e diminuir o LDL. Citologia PV -1 4- 11 26 Biologia © 41 E du ar d Hä rk ön en / Sh ut te rs to ck O depósito do colesterol em vasos do organismo, como as artérias coronárias, que irrigam o músculo cardíaco, ou em vasos do cérebro dificulta a passagem do sangue, podendo provocar infartos e isquemias cerebrais. D. Cerídeos As ceras são lipídios formados por ácidos graxos e um álcool de cadeia longa. As ceras são mate- riais de revestimento e proteção nos animais, como a cera do ouvido e dos cabelos e pelos. Nos vegetais, recobrem a superfície das folhas e a casca de frutos, evitando o ressecamento excessivo. As abelhas as utilizam na construção da colmeia. © 42 Y ur y Sh iro ko v / D re am st im e. c om © 43 A nd re y Da vi de nk o / Dr ea m st im e. co m ©4 4 O bl ac hk o / D re am st im e. co m ©45 Sm it / S hu tt er st oc k As ceras são materiais de revestimento e proteção nos animais, como a cera do ouvido e a cera de abelha, usada na construção de colmeias. Nos vegetais, as ceras têm papel biológico de revestimento e produção de superfícies de frutos e folhas, evitando a perda excessiva de água. 01. UFSC Considere os compostos, apresentados na co- luna superior, e as características, apresenta- das na coluna inferior e, em seguida, assinale com V (verdadeiro) ou F (falso) as proposições adiante. I. água II. sal mineral III. monossacarídeo IV. lipídio A. molécula mais abundante na matéria viva B. composto orgânico C. composto inorgânico D. tipo de carboidrato EXERCÍCIOS RESOLVIDOS a. ( ) III – D b. ( ) II – A c. ( ) III – B d. ( ) I – B e. ( ) IV – B Resolução a) V. Os monossacarídeos fazem parte dos carboidratos. b) F. A água é a molécula mais abundante na matéria viva. c) V. Os monossacarídios são moléculas or- gânicas. d) F. A água é um composto inorgânico. e) V. Os lipídios são compostos orgânicos. PV -1 4- 11 Citologia 27 Biologia 02. Mackenzie-SP As substâncias usadas pelos organismos vivos como fonte de energia e como reserva energé- tica, são, respectivamente: a. água e glicídios. b. água e sais minerais. c. lipídios e sais minerais. d. glicídios e sais minerais. e. glicídios e lipídios. Resolução Os glicídios (açúcares) e os lipídios estão rela- cionados com o metabolismo energético dos seres vivos. – Açúcares → fonte imediata de energia – Lipídios → reserva energética Resposta E LEITURA COMPLEMENTAR Componentes inorgânicos das células: água e sais minerais Água • Os seres vivos apresentam de 65% a 85% de água na sua composição (dependendo da espécie, da idade e da atividade metabólica). Tecidos mais jovens ou com maior atividade metabólica apresentam maior teor de água. © 46 Im ag en s: N id er la nd er / Dr ea m st im e. co m ; D on di ng / Dr ea m st im e. co m ; T am ar a Ba ue r / D re am st im e. co m ; C ar l Du ro ch er / Dr ea m st im e. co m ; K ur ha n / D re am st im e. co m ; Yu ri Ar cu rs / Sh ut te rs to ck ; E le na R ay / Sh ut te rs to ck ; Y ur i Ar cu rs / Sh ut te rs to ck Idade Nos seres vivos, a taxa de água decresce com a idade, ou seja, o teor de água nos tecidos diminui com o envelhecimento. Idade do ser humano 0 - 2 anos 2 - 5 anos 5 - 10 anos 10 - 15 anos 15 - 20 anos 20 - 40 anos 40 - 60 anos > 60 anos 75 a 80 70 a 75 65 a 70 63 a 65 60 a 63 58 a 60 50 a 58 < 50 Percentual de água no organismo • Principal componente dos seres vivos • Atua como solvente das reações químicas dos seres vivos e participa das reações de hidrólise. • Transporta substâncias, como no sangue, seivas e urina. • Possui ação lubrificante, como, por exemplo, o líquido sinovial da articulação do joelho. • Exerce proteção térmica, como no mecanismo de transpiração, dissipando parte do calor. Citologia PV -1 4- 11 28 Biologia Sais minerais – Forma de íons Cálcio Ativador enzimático, contração muscular, coagulação sanguínea e componente estrutural dos ossos. Corte de osso VeiaVeia HO — P — O Ca2+ OH O Fosfato de cálcio 2 CélulaCélula ósseaóssea Ferro É o componente estrutural da molécula de hemoglobina, responsável pelo transporte de oxigênio pelo sangue. Glóbulo vermelhovermelho Heme Molécula de hemoglobinaMolécula de hemoglobina H3C H3C CH CH3 CH3 CH2 C C C Ferro HO OH NH—Fe—NH N N O O H2C PV -1 4- 11 Citologia 29 Biologia Magnésio É componente estrutural da molécula de clorofila, sendo a principal molécula do processo de fotossíntese. Planta Folha Célula vegetal Cloroplasto MagnésioMagnésio H CH2 COOCH3 CH3 CH3 H3C H3C C2H5 H H H H H O N NN N NN HMg I II IV V III C CH2 CH2 CO O CH2 CH C CH2 CH2 CH2 CH3 HC CH2 CH2 CH2 CH3 HC CH2 CH2 CH2 CH3CH3 CH3 Clorofila Na+ Na+ Na+ Na+ Sódio e potássio São os principais responsáveis pelas alterações elétricas que uma célula nervosa sofre quando está conduzindo o impulso nervoso. Área de repolarização Cloro • Auxilia na digestão estomacal na forma de HCl e constitui o principal íon negativo do meio extracelular. Sódio • Atua juntamente com o potássio na condução do impulso nervoso, sen- do o mais abundante íon positivo do meio extracelular. Potássio • Atua juntamente com o sódio na condução do impulso nervoso, sen- do o mais abundante íon positivo do meio intracelular. Citologia PV -1 4- 11 30 Biologia Iodo É componente da tiroxina, o principal hormônio produzido pela glândula tireoide. A tiroxina é responsável pelo estímulo do metabolismo das células de várias regiões do corpo. Fósforo O fósforo, na forma de íon fosfato, é o componente estrutural dos ácidos nucleicos – DNA, RNA e da molécula de ATP. Flúor É componente dos ossos e dos dentes e auxilia no endurecimento destes. Nos dentes, os íons fluoretos acumulam-se na forma de fluorapatita, resistentes às cáries. PV -1 4- 11 Citologia 31 Biologia 4. Proteínas As proteínas são macromoléculas orgânicas que apresentam múltiplas funções nos seres vivos. Em certas situações, podem até ser utilizadas como fonte de energia. Classe Exemplo Enzimas Tripsina, amilase Transporte Hemoglobina, mioglobina Contráteis Actina, miosina Protetoras Anticorpos, fibrinogênio Hormônios Insulina, prolactina Estruturais Colágeno, elastina São formadas por unidades básicas denominadas aminoácidos. A. Aminoácidos Diferentemente dos carboidratos e das gorduras, formados basicamente por átomos de carbono, de hidrogênio e de oxigênio, os aminoácidos possuem também átomos de nitrogênio nas suas moléculas. H N2 C R C O OHH Fórmula geral de um aminoácido Pode-se observar, nessa molécula de aminoácido, a coexistência de dois radicais importantes: um grupamento amina (NH2) e um grupamento carboxila (COOH). Como o grupamento carboxila caracteriza um conjunto de substâncias chamadas ácidos carboxílicos, a molécula recebe a desig- nação de aminoácido. Note, ainda, um radical representado pela letra R. Trata-se de um radical que varia de um amino- ácido para outro. Existem 20 tipos de aminoácidos que entram na composição das proteínas dos seres vivos e eles se distinguem entre si pelo radical que apresentam. Pode ser um simples átomo de hidrogênio, como no aminoácido glicina, ou um grupamento CH3, como na alanina. H O OH NH2 H C C A H3C H CNH2 O OH C B Os aminoácidos glicina (A) e alanina (B) A.1. Tipos de aminoácidos Os vegetais conseguem produzir os 20 tipos diferentes de aminoácidos. No entanto, os seres heterótrofos não conseguem produzir todos. São chamados de aminoácidos naturais aque- les que são produzidos pelo próprio organismo. Os aminoácidos podem ser sintetizados a partir de carboidratos graças à transferência do grupo NH2 das proteínas da dieta ou, ainda, da transformação de um aminoácido em outro. Os aminoácidos que não podem ser produ- zidos e precisam ser obtidos pela alimentação são chamados de aminoácidos essenciais. Alimentos como carnes, ovo, leite, soja e feijão são riquíssimos em proteínas e, consequen- temente, em aminoácidos. Citologia PV -1 4- 11 32 Biologia A.2. União entre os aminoácidos A ligação entre dois aminoácidos sempre acontece da mesma forma: o grupamento amina de um aminoácido liga-se ao grupamento carboxila de outro, com a saída de uma molécula de água, sendo considerada uma reação de desidratação. A ligação química que une os aminoácidos é chamada ligação peptídica. R C C O OH H N H H R C C O OH H N H H Aminoácido Aminoácido O OH R C C R O C H N H H Ligação peptídica N C H H + H2O Dipeptídeo + 1 2 2 1 Ligação peptídica entre dois aminoácidos O composto formado na união de dois aminoácidos é um dipeptídeo. Cadeias com 10 ou menos aminoácidos são oligopeptídeos. Cadeias maiores são chamadas de polipeptídeos. Observe que, no dipeptídeo formado, uma das extremidades possui um grupo amina, que pode se ligar à carboxila de um outro aminoácido. A outra extremidade tem um grupo carbo- xila, que pode se ligar ao grupo amina de um outro aminoácido. Dessa forma, os aminoácidos podem se encadear, formando longas sequências contendo centenas ou milhares deles. O número de ligações peptídicas de uma proteína depende da quantidade de aminoácidos que ela possui. nº de ligações peptídicas = nº de aminoácidos – 1 Se uma proteína possui 300 aminoácidos, ela tem 299 ligações peptídicas entre eles, tendo sido formadas 299 moléculas de água na síntese dessa proteína. Uma proteína pode se diferenciar de outra pelo número de aminoácidos, pelos tipos de aminoá- cidos e pela sequência dos aminoácidos. Assim, duas proteínas que tenham o mesmo número e os mesmos tipos de aminoácidos podem ainda não serem iguais. B. Estruturas das proteínas A sequência linear de aminoácidos que compõe uma proteína define a estrutura primária dessa proteína. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2019 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Phe Val Asn Gln His Leu Cys Gly Ser His Leu Val Glu Ala Leu Try Leu Val Cys Gly Glu Arg Gly Phe Phe Tyr Thr Pro Lys Ala Estrutura primária de uma proteína (cada sigla representa o nome de um aminoácido) Logo ao ser formado, o filamento de aminoácidos da proteína vai se enrolando sobre si mes- mo, formando uma helicoidal chamada alfa-hélice. É uma estrutura relativamente estável, cujas voltas são mantidas por ligações de hidrogênio que se estabelecem entre aminoácidos diferentes na cadeia, sendo esta forma denominada estrutura secundária. Estrutura secundária de uma proteína PV -1 4- 11 Citologia 33 Biologia Os aminoácidos continuam estabelecendo en- tre si outros tipos de atrações, além das pon- tes de hidrogênio, como as ligações dissulfe- to. Isso faz com que a proteína dobre sobre si mesma, adquirindo uma forma espacial deno- minada estrutura terciária. CH2 CH2 O H O HO — C Ponte de hidrogênio Ponte de dissulfeto CH2 S S CH2 Estrutura terciária A maioria das proteínas dos seres vivos só terá atividade biológica após adquirir a estrutura terciária. Algumas proteínas podem apresentar a estru- tura quaternária, que corresponde a um agru- pamento de duas ou mais cadeias terciárias unidas entre si, como ocorre na hemoglobina. A molécula de hemoglobina é formada por quatro cadeias proteicas terciárias e é responsável pelo transporte de oxigênio para os tecidos. C. Desnaturação das proteínas A posição na qual se estabelecem as ligações de hidrogênio, assim como as outras formas de interação, dependem da sequência de aminoácidos da proteína, ou seja, de sua estrutura primária. Uma alteração na cadeia de aminoácidos faz com que essas ligações se formem em locais diferentes dos habi- tuais. Isso pode ocasionar mudanças nas estruturas das proteínas, fazendo com que elas tenham uma configuração espacial di- ferente, comprometendo a sua função. No entanto, essas alterações espaciais podem ocorrer, sem que haja a mudança na posição dos aminoácidos, induzidas por fatores do meio, como variação brusca de pH, aumento excessivo de temperatura, choques mecâni- cos ou osmóticos, substâncias químicas etc. Quando isso ocorre, a proteína perde a sua atividade biológica, sendo esse processo conhecido como desnaturação. Desnaturação Proteína desnaturada Proteína na forma original Desnaturação de uma proteína Ao romper as ligações originais, a molécula da proteína passa a estabelecer novas do- bras ao acaso. Geralmente, as proteínas tor- nam-se insolúveis quando se desnaturam. Isso acontece, por exemplo, com a albumi- na da clara do ovo. Crua, ela é transparente e fluida; ao ser cozida, torna-se branca e con- sistente. A desnaturação das proteínas do leite expli- ca a formação da coalhada. Quando o leite é submetido à ação de bactérias, a lactose, dissacarídeo presente no leite, sofre fer- mentação e origina ácido láctico, azedando o leite. Com a acentuada redução do pH, as proteínas do leite (a lactoalbumina e a caseína) desnaturam-se, tornando-se insolúveis e precipitando. O leite perde a sua consistên- cia líquida normal, tornando-se pastoso. Citologia PV -1 4- 11 34 Biologia Na desnaturação, a sequência de aminoácidos das proteínas não se altera e nenhuma li- gação peptídica é rompida. Isso demonstra que as atividades biológicas e as propriedades físico-químicas das proteínas não dependem apenas da sua estrutura primária, embora essa seja o fator determinante da sua forma espacial. Algumas proteínas desnaturadas, ao serem devolvidas para o seu meio original, podem recuperar a sua configuração espacial normal, renaturando-se. Entretanto, quando a desnaturação ocorre por elevações extremas de tem- peratura ou alterações muito intensas do pH, as modificações, geralmente, são irreversíveis. A clara do ovo, que se solidifica ao ser cozida, não se liquefaz novamente ao esfriar. © 47 G iu se pp e Pa ris i / S hu tt er st oc k © 48 m os hi m oc hi / Sh ut te rs to ck A mudança do estado físico da albumina da clara do ovo e a precipitação das proteínas do leite são exemplos de desnaturação por elevação de temperatura e variação de pH, respectivamente. D. Enzimas As enzimas são proteínas que atuam como catalisadores biológicos ou orgânicos, ou seja, acele- ram a velocidade das reações químicas nos seres vivos. As enzimas não são consumidas nas rea- ções que catalisam, sendo assim, uma mesma enzima pode executar mais de uma vez a mesma reação química. Isso traz vantagem em termos energéticos, já que uma quantidade menor de enzimas é necessária para catalisar as reações químicas de uma quantidade maior de substrato. Além disso, as enzimas diminuem a energia de ativação necessária para que a reação química aconteça. En er gi a Sentido da reação Energia de ativação sem enzima Reagentes Produtos Energia de ativação com enzima PV -1 4- 11 Citologia 35 Biologia D.1. Cofatores enzimáticos Algumas enzimas só atuam quando estão ligadas a uma outra partícula, chamada cofator. Esse cofator pode ser um íon metálico (zinco, ferro, magnésio etc.) ou uma molécula orgânica. Nesse último caso, o cofator é designado por coenzima. As vitaminas da dieta atuam, geralmente, como coenzimas, ativando enzimas importantes no metabolismo celular. Geralmente, a deficiência de sais minerais e vitaminas acarreta alterações nas reações químicas catalisadas por enzimas que necessitam dessas substâncias. D.2. Interação entre enzima e substrato Os reagentes de uma reação enzimática são chamados de substratos. O nome de uma enzima pode indicar o substrato sobre o qual ela age e, geralmente, apresenta a terminação-ase (amila- se, lactase, sacarase, entre outras) ou o tipo de reação química que ela catalisa (desidrogenase, transaminase, hidrolase, entre outras). Veja alguns exemplos da ação da enzima sobre seus subs- tratos e os produtos formados. Enzima Substrato Produtos Sacarase Sacarose Glicose + frutose Lactase Lactose Glicose + galactose Maltase Maltose Glicose + glicose As enzimas atuam oferecendo aos substratos um local para eles se aderirem e onde a reação irá ocorrer. O choque entre as moléculas dos reagentes, que dependia apenas do acaso, passa a ser facilitado pelo encaixe dos reagentes nas moléculas das enzimas. Em uma molécula de enzima, o lugar adequado para o encaixe das moléculas reagentes é o centro ativo da enzima. A ligação entre os substratos e o centro ativo é muito precisa, semelhante à relação existente en- tre uma fechadura e a sua respectiva chave. A estrutura do centro ativo depende da configuração espacial da molécula da enzima. A ligação da enzima com o seu respectivo substrato tem elevada especificidade. A seguir, mostramos esse mecanismo de encaixe da enzima [E] com o substrato [S], formando o complexo enzima-substrato [ES]. G F G F G F + + Centros ativos Enzima sacarase Substrato sacarose Complexo enzima-substrato Enzima sacarase Produtos da reação Interação entre enzima e substrato Citologia PV -1 4- 11 36 Biologia D.3. Desnaturação enzimática Uma enzima é um proteína, embora nem toda proteína seja uma enzima, portanto, é passível de sofrer desnaturação, ocorrendo perda da sua atividade biológica. Essa perda é devida à mudança espacial nos centros ativos da enzima, onde se encaixava a molécula de substrato. A mudança na estrutura enzimática faz com que a forma do centro ativo não seja mais compatível à do substra- to. Caso essa alteração seja irreversível, essa enzima estará permanentemente inutilizada. Temperatura Enzima + + Substrato Enzima desnaturada Substrato Desnaturação da enzima por elevação excessiva de temperatura. Note as mudanças ocorridas nos centros ativos. D.4. Fatores que interferem na atividade enzimática • Concentração do substrato Se a concentração da enzima for constante, aumentos sucessivos na concentração do substrato são acompanhados por aumentos cada vez menores na velocidade da reação. Velocidade da reação Concentração de substrato Saturação Efeito da concentração do substrato sobre a velocidade da reação Atinge-se um ponto no qual novos aumentos não provocarão elevação na velocidade. Ao ser alcançada a velocidade máxima, a enzima encontra-se saturada e não pode atuar mais rapida- mente. Todas as moléculas da enzima encontram-se em atividade. • Temperatura Sabe-se que a velocidade das reações químicas aumenta com a elevação da temperatura. Todavia, nas reações catalisadas por enzimas, a velocidade tende a diminuir quando a temperatura torna-se muito elevada devido ao fenômeno da desnaturação. Existe uma temperatura na qual a atividade da enzima é máxima, é a temperatura ótima de ação da enzima. Nos animais homeo- térmicos, capazes de manter constante a temperatura corporal, essa temperatura ótima está geralmente entre 35 °C e 40 °C. Velocidade da reação Temperatura (°C) Efeito da temperatura sobre a velocidade da reação PV -1 4- 11 Citologia 37 Biologia Nos seres humanos, a maioria das enzimas apresenta uma temperatura ótima próxima de 37 °C. Esta- dos febris muito elevados podem comprometer o funcionamento enzimático no organismo. No entanto, cada espécie apresenta uma temperatura ótima. Por exemplo, em bactérias de fontes termais, a temperatura ótima está próxima de 80 °C. Ve lo ci da de d e re aç ão Temperatura ótima para as enzimas humanas 0 20 40 60 80 100 Temperatura (°C) Temperatura ótima para as enzimas de bactérias resistentes ao calor Efeito da temperatura sobre as enzimas humanas e de bactérias termais Em gatos siameses, a enzima que produz o pigmento escuro nos pelos só está ativa nas extre- midades do corpo, onde a temperatura do local é ligeiramente menor. Nas outras regiões, com temperatura um pouco maior, a enzima encontra-se desnaturada. © 49 Vasiliy Koval / Shutterstock No gato siamês, a cor escura só aparece nas extremidades do corpo. • pH As enzimas têm um pH ótimo, no qual catalisam, com maior eficiência, uma determinada reação quí- mica, cuja velocidade, então, é máxima. Em valores diferentes desse pH ótimo, a atividade da enzima e a velocidade da reação por ela catalisada diminuem, porque a sua forma espacial é alterada. Ve lo ci da de d e re aç ão 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 pH ótimo para a pepsina pH ótimo para a tripsina pH Efeito do pH sobre as enzimas pepsina e trepsina Citologia PV -1 4- 11 38 Biologia 01. Considere as seguintes afirmativas: I. As proteínas são substâncias de grande importância para os seres vivos e mui- tas participam da construção da matéria viva. II. As proteínas chamadas enzimas facili- tam reações químicas celulares. III. Anticorpos, que também são proteínas, funcionam como substâncias de defesa. Assinale: a. se somente I estiver correta. b. se somente II estiver correta. c. se somente III estiver correta. d. se I e II estiverem corretas. e. se todas estiverem corretas. Resolução As proteínas são substâncias de grande impor- tância para os seres vivos e exercem diversas funções, tais como: estruturais, hormonais e enzimáticas, além de funções de defesa e de transporte. Resposta E 02. UEM-PR A figura a seguir mostra as velocidades de re- ação de duas enzimas: enzima humana (A) e enzima de bactérias de fontes termais (B): Ve lo ci da de d a re aç ão 0 20 40 60 80 100 A B Temperatura (°C) EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Considerando os dados da figura e a ação da temperatura na atividade enzimática, dê como resposta a soma dos itens corretos. 01. A temperatura é um fator importante para a atividade enzimática. 02. Dentro de certos limites, a velocidade de uma reação enzimática aumenta com o aumento da temperatura. 04. A partir de determinado ponto, o au- mento de temperatura faz com que a velocidade de reação diminua brusca- mente e cesse. 08. A temperatura ótima para a atividade da enzima humana está em torno de 37 °C. 16. A temperatura ótima para a atividade de enzimas de bactérias de fontes ter- mais está em torno de 78 °C. 32. Somente na enzima humana o aque- cimento acima da temperatura ótima provoca desnaturação. 64. Para ambas as enzimas, se for ultrapas- sada a temperatura ótima, a estrutura espacial da enzima se rompe. Resolução 32. Errada. Para qualquer enzima, o aqueci- mento acima da temperatura ótima provoca queda da atividade biológica. A desnaturação é caracterizada pela perda to- tal da atividade biológica, que fica em torno de 50 °C para a enzima humana e 90 °C para a enzima bacteriana. Resposta 95 (01 + 02 + 04 + 08 + 16 + 64) PV -1 4- 11 Citologia 39 Biologia LEITURA COMPLEMENTAR Príon ou prião É uma proteína alterada da membrana plasmática de células nervosas com capacidade de inte-É uma proteína alterada da membrana plasmática de células nervosas com capacidade de inte- ragir com outras proteínas normais, modificando-as, tornando-as novos príons.ragir com outras proteínas normais, modificando-as, tornando-as novos príons. O nome príon origina-se da junção das iniciais de duas palavras da língua inglesa, O nome príon origina-se da junção das iniciais de duas palavras da língua inglesa, Proteinaceous e Infection, que basicamente significa "proteína infecciosa"., que basicamente significa "proteína infecciosa". Essa proteína é associada, atualmente, a algumas doenças, tais como a encefalopatia espongi-Essa proteína é associada, atualmente, a algumas doenças, tais como a encefalopatia espongi- forme bovina, pelo fato de o cérebro adquirir uma consistência esponjosa devido à morte das forme bovina, pelo fato de o cérebro adquirir uma consistência esponjosa devido à morte das células nervosas, ou "doença da vaca louca". Trata-se de uma doença neurodegenerativa do células nervosas, ou "doença da vaca louca". Trata-se de uma doença neurodegenerativa do gado, que leva a distúrbios motores e comportamentais. Por não responderem a tratamento gado, que leva a distúrbios motores e comportamentais. Por não responderem a tratamento algum, os animais acometidos pelo mal são sacrificados.algum, os animais acometidos pelo mal são sacrificados. O contágio dos rebanhos bovinos pelo príon foi relacionado à adição à dieta destes animais O contágio dos rebanhos bovinos pelo príon foi relacionado à adição à dieta destes animais de farinha de carne e ossos, oriundos de animais que possivelmente estavam contaminados.de farinha de carne e ossos, oriundos de animais que possivelmente estavam contaminados. Em seres humanos, algo semelhante pode ser observado na doença de Creutzfeldt-Jakob.Em seres humanos, algo semelhante pode ser observado na doença de Creutzfeldt-Jakob. Imagem simbólica de um príon, uma proteína alterada que está ligada Imagem simbólica de um príon, uma proteína alterada que está ligada a doenças neurodegenerativas, como o mal da vaca louca.a doenças neurodegenerativas, como o mal da vaca louca. Distúrbios alimentares Em uma sociedade de consumo, em que a aparência muitas vezes se sobressai à essência, o Em uma sociedade de consumo, em que a aparência muitas vezes se sobressai à essência, o drama fast food x corpo perfeito deixa nítida a necessidade de mudança dos hábitos de vida, x corpo perfeito deixa nítida a necessidade de mudança dos hábitos de vida, fast food x corpo perfeito deixa nítida a necessidade de mudança dos hábitos de vida, fast food padrões de beleza e consumo. Há tempos a obesidade deixou de ser um problema apenas de ordem estética, tornando-Há tempos a obesidade deixou de ser um problema apenas de ordem estética, tornando- se uma preocupação mundial. Sabe-se que a "epidemia" de obesidade, verificada hoje em se uma preocupação mundial. Sabe-se que a "epidemia" de obesidade, verificada hoje em escala global, em especial no ocidente, potencializa a incidência de doenças circulatórias e escala global, em especial no ocidente, potencializa a incidência de doenças circulatórias e diabetes mellitus, aumenta a possibilidade de apneia do sono e diminui consideravelmente , aumenta a possibilidade de apneia do sono e diminui consideravelmente a qualidade e a expectativa de vida. O aumento exagerado de peso está atrelado a fatores a qualidade e a expectativa de vida. O aumento exagerado de peso está atrelado a fatores Citologia PV -1 4- 11 40 Biologia genéticos, fisiológicos, como distúrbios da tireoide, e comportamentais, relacionados, prin-genéticos, fisiológicos, como distúrbios da tireoide, e comportamentais, relacionados, prin- cipalmente, à quantidade e à qualidade dos alimentos ingeridos, que muitas vezes são muito cipalmente, à quantidade e à qualidade dos alimentos ingeridos, que muitas vezes são muito calóricos. Porém, ter o "corpo perfeito", esguio, definido ou "sarado" é imposição social, e, portanto, Porém, ter o "corpo perfeito", esguio, definido ou "sarado" é imposição social, e, portanto, objeto de consumo, o que leva as pessoas, muitas vezes, a extremos, que por vezes custam a objeto de consumo, o que leva as pessoas, muitas vezes, a extremos, que por vezes custam a própria vida, como no caso da anorexia nervosa, distúrbio psicossomático de autoimagem, no própria vida, como no caso da anorexia nervosa, distúrbio psicossomático de autoimagem, no qual a pessoa tem uma visão distorcida de sua aparência, que a seus olhos é de um obeso, mes-qual a pessoa tem uma visão distorcida de sua aparência, que a seus olhos é de um obeso, mes- mo que na realidade já se encontre imensamente desnutrida. Afeta principalmente mulheres mo que na realidade já se encontre imensamente desnutrida. Afeta principalmente mulheres jovens ocidentais, e quase sempre está atrelada à bulimia, a qual, após uma grande ingestão de jovens ocidentais, e quase sempre está atrelada à bulimia, a qual, após uma grande ingestão de alimentos, o indivíduo promove o vômito ou faz uso abusivo de laxantes.alimentos, o indivíduo promove o vômito ou faz uso abusivo de laxantes. © 50 S_ L /S hu tt er st oc k Na anorexia, a pessoa sente-se obesa e diminui a ingestão de alimentos a Na anorexia, a pessoa sente-se obesa e diminui a ingestão de alimentos a ponto de tornar-se desnutrida, acarretando sérios danos à saúde.ponto de tornar-se desnutrida, acarretando sérios danos à saúde. Kwashiorkor É um tipo de desnutrição que ocorre na primeira infância (0 a 3 anos de idade) devido à defi-É um tipo de desnutrição que ocorre na primeira infância (0 a 3 anos de idade) devido à defi- ciência de proteínas na alimentação, ocasionado pelo desmame precoce da criança, devido ao ciência de proteínas na alimentação, ocasionado pelo desmame precoce da criança, devido ao fato de a mãe ter que dar de mamar a um outro filho recém-nascido. Essa desnutrição é co-fato de a mãe ter que dar de mamar a um outro filho recém-nascido. Essa desnutrição é co- mum de ser observada em regiões assoladas pela fome, como a região subsaariana da Àfrica. mum de ser observada em regiões assoladas pela fome, como a região subsaariana da Àfrica. Essa doença afeta consideravelmente o desenvolvimento muscular e psíquico, além de gerar Essa doença afeta consideravelmente o desenvolvimento muscular e psíquico, além de gerar edemas, como os abdominais, devido à falta de albumina plasmática, que leva à redução da edemas, como os abdominais, devido à falta de albumina plasmática, que leva à redução da pressão osmótica sanguínea e ao aumento da retenção de líquidos intersticiais ou intercelulares.pressão osmótica sanguínea e ao aumento da retenção de líquidos intersticiais ou intercelulares. © 51 Ch ris tia n Si m on pi et ri /S yg m a /C or bi s/ Co rb is (D C) /L at in st oc k pressão osmótica sanguínea e ao aumento da retenção de líquidos intersticiais ou intercelulares. k pressão osmótica sanguínea e ao aumento da retenção de líquidos intersticiais ou intercelulares. Criança com kwashiorkorCriança com kwashiorkor PV -1 4- 11 Citologia 41 Biologia CAPÍTULO 03 AÇÃO GÊNICA 1. Ácidos nucleicos Em 1869, Miescher isolou substâncias que ti- nham caráter ácido e eram formadas por car- bono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e fós- foro, no núcleo de células presentes no pus. Tais substâncias foram chamadas de ácidos nucleicos. Os ácidos nucleicos são macromoléculas orgâni- cas que apresentam papel fundamental no con- trole do metabolismo celular. Essas moléculas correspondem ao material genético dos seres vivos e são conhecidas pelas siglas DNA (ácido desoxirribonucleico) e RNA (ácido ribonucleico). Os ácidos nucleicos são encontrados no nú- cleo das células eucarióticas, disperso pelo citoplasma em células procarióticas e em or- ganelas, como mitocôndrias e cloroplastos. Sabe-se, atualmente, que os ácidos nucleicos são os responsáveis pelo controle das ativida- des celulares, pela manutenção das estruturas celulares e pelos mecanismos de hereditarie- dade, isto é, pela capacidade que as células e os seres vivos têm de transmitir as suas carac- terísticas para os descendentes. O DNA exerce esse controle comandando a síntese de proteínas. Lembre-se de que as proteínas atuam como enzimas, hormônios, anticorpos, composição de estruturas etc. Por isso, são fundamentais no metabolismo da cé- lula e do organismo. O RNA é formado a partir de um molde de um segmento de molécula de DNA, num processo denominado transcrição, e desta forma recebe as informações contidas nas moléculas de DNA. O RNA, associado aos ribossomos, participa do mecanismo de sínte- se de enzimas e outras proteínas. A. Nucleotídeos Os ácidos nucleicos são formados por unida- des básicas denominadas nucleotídeos. Cada nucleotídeo apresenta na sua composição um grupo fosfato, um monossacarídeo com cinco carbonos (uma pentose) e uma base nitro- genada. Não existem diferenças entre DNA e RNA quanto ao fosfato. A quebra parcial dos nucleotídeos, com a retirada do grupo fosfato, resulta em um grupamento molecular forma- do pela união de uma base nitrogenada e uma pentose. Trata-se de um nucleosídeo. Fosfato Nucleosídeo Nucleotídeo Pentose Base nitrogenada A.1. Pentoses O carboidrato que entra na constituição dos nucleotídeos dos ácidos nucleicos é uma pen- tose, ou seja, um monossacarídeo com cinco átomos de carbono na molécula. Há duas pentoses que são encontradas nos ácidos nucleicos: a ribose (C5H10O5) e a deso- xirribose (C5H10O4). Observe que a diferença entre as duas é de apenas um átomo de oxigênio. O OH OH OH HOH2C H H HH Desoxirribose O OH H OH HOH2C H H HH Ribose Pentoses A ribose é encontrada nos nucleotídeos de RNA, enquanto a desoxirribose é encontrada nos nucleotídeos de DNA. A.2. Bases nitrogenadas São moléculas que possuem estrutura em anel, no qual se alternam átomos de carbono e de nitrogênio. Classificam-se em dois grupos: as bases púricas, cujo componente central da molécula possui dois anéis, e as bases pirimí- dicas, que contêm apenas um anel central. As bases púricas são adenina e guanina. Cito- sina, timina e uracila (ou uracil) são as bases pirimídicas. Nas moléculas do ácido desoxirribonucleico, são encontradas apenas a adenina, a guanina, a citosina e a timina. Não há uracila nas molé- culas do DNA. Nas moléculas do ácido ribonu- cleico estão presentes a adenina, a guanina, a citosina e a uracila. Citologia PV -1 4- 11 42 Biologia N N N N CH H HH N H C C C C Adenina C N O H O H H H H C C N C C Timina H N N N O CH H HN H C C C C H Guanina N C N N H O HC C N C H HH Citosina C N O H O HC C NH C H Uracila Bases nitrogenadas: adenina e guanina (bases púricas) e timina, citosina e uracila (bases pirimídicas) B. Ácido desoxirribonucleico (DNA) O ácido desoxirribonucleico tem as suas moléculas formadas pela união de nucleotídeos. Os nu- cleotídeos de DNA possuem um grupo fosfato, uma molécula de desoxirribose e uma destas quatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina ou timina. Há, portanto, quatro tipos de desoxirribonucleotídeos: adenina-desoxirribonucleotídeo, guanina-desoxirribonucleotídeo, cito- sina-desoxirribonucleotídeo e timina-desoxirribonucleotídeo. A G C T = fosfato = desoxirribose = base nitrogenada Os nucleotídeos de DNA Citologia PV -1 4- 11 44 Biologia com o outro filamento de DNA complementar. No entanto, as fitas são antiparalelas, ou seja, a extremidade 5´ de um dos filamentos está pareada à extremidade 3´ do outro filamento complementar e vice-versa. Por exemplo, imaginemos um filamento de DNA com a seguinte sequência de nucleotídeos: 3´ ATA CGG ATG ATT CGA 5´ No filamento complementar, a sequência de nucleotídeos será, obrigatoriamente, esta: 5´ TAT GCC TAC TAA GCT 3´ Os dois filamentos que formam essa molécula de DNA poderiam ser representados da se- guinte forma: 3´ ATA CGG ATG ATT CGA 5´ 5 3´ ´TAT GCC TAC TAA GCT A maior parte do DNA de células eucarióticas é encontrada no núcleo, associada aos filamen- tos de cromatina ou aos cromossomos, caso a célula esteja em divisão celular. As mitocôn- drias e os cloroplastos apresentam o seu pró- prio DNA. Em células procarióticas, o DNA está disperso pelo citoplasma devido à ausência de carioteca nessas células, não apresentando ex- tremidades como nos eucariontes. Nos proca- riontes, a dupla hélice é circular. C. Ácido ribonucleico (RNA) A ação do DNA como controlador da atividade e da arquitetura celular conta com a participa- ção do RNA, molécula capaz de transcrever as informações contidas nas moléculas do DNA e transferi-las para o citoplasma. Nos ribosso- mos, as informações trazidas pelo RNA serão traduzidas e irão controlar a produção de pro- teínas específicas. O RNA é uma cadeia polinucleotídica simples, ou seja, é formado pela união de nucleotídeos. Esses nucleotídeos de RNA possuem um grupo fosfato, uma ribose e uma destas quatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina e uracila. Existem, portanto, quatro tipos de nucleotíde- os de RNA: adenina-ribonucleotídeo, guanina- -ribonucleotídeo, citosina-ribonucleotídeo e uracila-ribonucleotídeo. Note o seguinte aspecto: embora as bases nitro- genadas adenina, guanina e citosina possam ser encontradas tanto nas moléculas de DNA como nas de RNA, não existe nenhum nucleotídeo que seja comum aos dois tipos de ácidos nucleicos, pois os nucleotídeos de DNA possuem a pento- se desoxirribose e os nucleotídeos de RNA pos- suem a pentose ribose. No total, existem oito tipos de nucleotídeos: os quatro tipos do DNA (todos com desoxirribose) e os quatro do RNA (todos com ribose). As moléculas de RNA são formadas por um único filamento de nucleotídeos, que pode se dobrar sobre si mesmo, mas que não se em- parelha com outro filamento de RNA. Para o RNA, não são válidas as relações de Chargaff. A C A A G G U A U C U G C C C A G C U = fosfato = ribose = base nitrogenada A B Nucleotídeos do RNA (A) e molécula de RNA – hélice simples (B) No núcleo, grande quantidade de RNA concen- tra-se nos nucléolos, e menor quantidade junto dos filamentos de cromatina. No citoplasma, há moléculas de RNA dispersas pelo hialoplasma e muito RNA como componente estrutural dos ribossomos, e estes podem estar aderidos às membranas do retículo endoplasmático granu- loso. As mitocôndrias e os cloroplastos também possuem RNA. Existe uma técnica de coloração que permite distinguir o DNA e o RNA. Trata-se do corante (ou reagente) de Feulgen (pronuncia-se “fói- guen”). Esse corante, empregado na prepara- ção de lâminas para estudo de materiais bioló- gicos no microscópio óptico, tem afinidade pelo DNA, mas não se liga ao RNA. Quando uma cé- lula é corada pelo reagente de Feulgen, o seu núcleo ganha destaque, pois concentra a maior parte do DNA celular. Fala-se que o DNA é Feul- gen positivo e o RNA é Feulgen negativo. A B PV -1 4- 11 Citologia 45 Biologia Diferenças entre o DNA e o RNA DNA RNA Bases nitrogenadas Adenina Guanina Citosina Timina Adenina Guanina Citosina Uracila Bases nitrogenadas O OH H HO — C — C C H H C Desoxirribose DNA RNA Ribose H C H OH H H O OH OH HO — C — C C H H C H C H OH H H RNADNA Núcleo Mitocôndria Cloroplasto Núcleo Mitocôndria Cloroplasto Hialoplasma Ribossomo Célula vegetal Célula animal Célula vegetal Célula animal Diferenças entre DNA e RNA quanto ao número de filamentos, tipos de bases nitrogenadas, tipos de pentoses e localização em células eucarióticas 2. Duplicação do DNA O processo
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