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APOSTILA Conteúdo e metodologia das ciências naturais VOTUPORANGA – SP 1 CITOPLASMA Por definição a célula é a menor porção de um ser vivo capaz de executar todas as funções vitais de um ser. Esta unidade possui basicamente membrana, material genético e o citoplasma, além de diversas outras estruturas e organelas. Nas células eucariontes, o citoplasma preenche todo interior da célula delimitada pelas membrana plasmática, enquanto que nas células procariontes, ele fica no espaço entre a membrana plasmática e o núcleo da célula. 1.1 De que é formado o Citoplasma? Na verdade, o citoplasma, palavra que vem do grego Kytos (vaso) e Plassos (molde) é apenas o espaço onde está contido um material de aspecto gelatinoso formado basicamente de água, cerca de 80% de sua totalidade, e outros componentes, tais como: proteínas, diversos íons, sais minerais, açúcares, aminoácidos e alguns nutrientes, e não o material em si. A este material damos o nome de citosol, mas também pode ser chamado de hialoplasma, citossol ou ainda matriz citoplasmática ou citoplasma fundamental, todos estes termos referem-se ao mesmo material. O citoplasma de cada célula varia de acordo com cada espécie, como também com o tecido do qual a célula faz parte, podendo ser dividido, de acordo com a densidade do citosol: em ectoplasma, mais denso e localizado na região mais externa da célula; ou endoplasma, menos denso, mais fluido, e que fica na região mais interna da célula. Também se sabe que o citoplasma da célula procarionte é bem mais complexo se comparado as células eucariontes, onde encontramos um sistema de membranas, citoesqueleto e diversas organelas. Fonte: www.estudopratico.com.br 1.2 Principais organelas citoplasmáticas e suas funções As organelas podem ser entendidas como minúsculos órgãos contidos no citoplasma das células que desempenham atividades distintas e específicas, as quais são vitais para manutenção da vida nas células, pois desempenham funções de respiração, nutrição, secreção, dentre outras. De forma resumida e por ordem alfabética, as principais organelas e suas funções são: • Complexo de Golgi – também pode ser chamado de Aparelho de Golgi ou apenas Golgi, processa lipídeos e proteínas, além de separar moléculas para serem secretadas; • Lisossomos – possuem tamanhos variados e estrutura esférica, sendo responsáveis pela digestão intracelular; • Mitocôndrias – com formato variando do oval ao esférico, são consideradas as usinas da célula, pois sua principal função é fornecer energia através do processamento de glicose e oxigênio; • Peroxissomos – Comumente são esféricos e tem por função oxidar ácidos graxos para sintetizar o colesterol e para uso na respiração da célula; • Retículo Endoplasmático Liso – caracterizado por ser formado por uma rede de membranas conectadas em forma de tubos, tem como principais funções sintetizar lipídeos e hormônios, armazenagem de cálcio e desintoxicação da célula; • Retículo Endoplasmático Rugoso (ou Granular) – possui forma semelhante ao do Retículo Endoplasmático Liso, mas com Polirribossomos aderidos na membrana externa. Tem como principal função a síntese proteica. Além dessas organelas, ainda podemos encontrar outras como as Inclusões Lipídicas, envolvidas no metabolismo dos lipídeos; os Glicogênios, que armazenam glicose nos animais; o Citoesqueleto, responsável por movimentos coordenados ou por dar forma às células; os Centríolos, que ajudam na divisão da célula e os Cloroplastos, presentes nos vegetais e responsáveis pela fotossíntese, dentre outras.1 2 MITOCÔNDRIAS E A FORMAÇÃO DE ENERGIA. As mitocôndrias são organelas complexas presentes nas células eucarióticas e tem como função produzir a maior parte da energia das células, através do processo chamado de respiração celular. Possuem duas membranas lipoproteicas: uma externa e uma interna com inúmeras dobras, além de moléculas de DNA, enzimas e ribossomos e têm capacidade de autoduplicação. O tamanho, a forma, a quantidade e a distribuição dessas organelas varia de uma 1 Texto extraído de https://www.estudopratico.com.br/citoplasma-das-celulas-funcao-e-composicao/ célula para outra. Em uma célula humana, por exemplo, pode existir entre 3000 e 5000 mitocôndrias aproximadamente. 2.1 Estrutura mitocondrial Fonte: www.todamateria.com.br A dupla membrana é assim organizada: a membrana externa é semelhante a de outras organelas, lisa e composta de lipídeos e proteínas chamadas de porinas, que controlam a entrada de moléculas, permitindo a passagem de algumas relativamente grandes. A membrana interna é menos permeável e apresenta numerosas dobras, chamadas de cristas mitocondriais. As cristas mitocondriais se projetam para um espaço central chamado matriz mitocondrial, que é preenchida por uma substância viscosa onde estão enzimas respiratórias que participam do processo de produção de energia. Na matriz são encontradas os ribossomos, que produzem proteínas necessárias à organela. Eles são diferentes daqueles encontrados no citoplasma celular e mais parecidos com o das bactérias. Outra característica comum a bactérias e mitocôndrias são as moléculas circulares de DNA. https://www.todamateria.com.br/ribossomos/ https://www.todamateria.com.br/ribossomos/ 2.2 Respiração celular A respiração celular é um processo de oxidação de moléculas orgânicas, tais como ácidos graxos e glicídios, em especial a glicose, que é a principal fonte de energia utilizada pelos organismos heterotróficos. A glicose é proveniente da alimentação (sendo produzida pelos organismos autotróficos através da fotossíntese) e convertida em gás carbônico e água, produzindo moléculas de ATP (adenosina trifosfato), as quais são usadas em diversas atividades celulares. Esse processo de produção de energia é muito eficiente, pois são produzidas cerca de 30 moléculas de ATP (por cada molécula de glicose), cuja capacidade de armazenar energia é maior do que qualquer motor construído pelo ser humano. A degradação da glicose envolve diversas moléculas, enzimas e íons e acontece em 3 etapas: Glicólise, Ciclo de Krebs e Fosforilação Oxidativa. As duas últimas fases são as que mais produzem energia e ocorrem na mitocôndria, enquanto a glicólise acontece no citosol. A equação química geral do processo é representada da seguinte forma: C6H12O6 + 6O2 + 30ADP + 30Pi → 6CO2 + 6H2O + 30ATP 2.3 Origem e evolução As mitocôndrias possuem características bioquímicas e moleculares semelhantes às bactérias (como a presença de DNA circular e ribossomos) e por esse motivo os cientistas acreditam que a sua origem esteja relacionada com seres procarióticos ancestrais. Segundo a Teoria Endossimbiótica ou Endossimbiogênese, organismos procariotas antigos teriam se hospedado com sucesso dentro das células eucariotas https://www.todamateria.com.br/glicose/ https://www.todamateria.com.br/glicose/ de organismos primitivos, evoluindo para as atuais mitocôndrias. O mesmo teria acontecido com os cloroplastos, que se assemelham às mitocôndrias pela presença de membrana dupla e sua capacidade de autoduplicação. 2.4 Importância das Mitocôndrias Para além da função de produção de energia, essencial às células como já foi destacado anteriormente, as mitocôndrias parecem ter outros importantes papéis que ainda não estão bem esclarecidos, mas desperta o interesse dos estudiosos. Elas parecem estar relacionadas com diversos processos celulares, como por exemplo o envelhecimento celular e a morte programada de células (apoptose). Algumas pesquisas indicam que haja associações entre defeitos mitocondriais e doenças que afetam órgãos com maiores necessidades energéticascomo o cérebro, o coração e os músculos.2 3 CÉLULAS EUCARIONTES E PROCARIONTES As células procariontes se distinguem das eucariontes por sua estrutura. Enquanto as células eucariontes têm estruturas complexas, formadas por membranas internas, citoesqueleto e um núcleo, as células procariontes não contém núcleo e outras organelas ligadas à membrana. As células procariontes foram a única forma de vida na Terra por milhões de anos, até que as células eucarióticas mais complexas surgiram, através do processo de evolução. 2 Texto extraído de https://www.todamateria.com.br/mitocondrias-estrutura-funcao-e-importancia/ Procariontes Eucariontes O que é As células procarióticas são as células mais primitivas. Possuem uma estrutura menos complexa, sem núcleo, e o material genético fica disperso dentro do citoplasma. Acredita-se que tenham evoluído a partir das procariotas. As células eucarióticas são maiores do que as procarióticas, e demostram uma melhor organização estrutural e eficiência funcional. Núcleo Eles não possuem um núcleo definido. Contém núcleo. Tipo Geralmente unicelular. Pluricelular. Parede celular A parede celular, se presente, contém peptidoglicano. A parede celular, quando existente, contém celulose. Significado Do grego, "antes do núcleo" (pro = antes, primitivo e karyon = núcleo). Do grego, "núcleo verdadeiro" (eu = verdadeiro e karyon = núcleo). DNA O DNA é geralmente circular, e não tem associação com proteínas das histonas. O DNA é comumente linear, está dentro do núcleo, e é associado às histonas. Transcrição A transcrição ocorre no citoplasma. A transcrição ocorre dentro do núcleo. Exemplos Seres unicelulares, como algumas bactérias, algas cianofíceas, algas azuis e micoplasmas. Animais, plantas, fungos e protistas. Tamanho 1 a 5 μm de diâmetro. 10 a 100 μm de diâmetro. 3.1 Definição de eucariotas e procariotas As células procariontes, ou procarióticas, são organismos sem um núcleo de célula ou qualquer outra organela ligada à membrana. Seu material genético fica disperso no citoplasma, e a maioria dos seres procariontes é unicelular, apesar de alguns procariotas serem multicelulares. As células eucariontes, ou eucariotas, são organizadas em estruturas complexas por membranas internas e um citoesqueleto. A estrutura mais característica da membrana é o núcleo. Fonte: www.diferenca.com As células procarióticas não são tão complexas quanto as células eucarióticas. Elas não têm núcleo verdadeiro, pois o DNA não está contido dentro de uma membrana ou separado do resto da célula, e sim disperso em uma região http://www.diferenca.com/ http://www.diferenca.com/ do citoplasma chamada nucleoide. As seguintes estruturas e organelas podem ser encontradas em células procarióticas: • Cápsula - Cobertura externa adicional que protege a célula, que impede a desidratação, favorece a adesão às superfícies e protege a célula; • Parede celular - Cobertura externa que protege a célula bacteriana e dá a sua forma; • Citoplasma - O citoplasma é uma substância semelhante a um gel. Seu papel é dar estrutura e manter a forma da célula; • Plasmídeo - Moléculas duplas de DNA que armazenam material genético; • Membrana Celular - A membrana celular envolve o citoplasma da célula e regula o fluxo de substâncias dentro e fora dela; • Flagelo e cílio - Ajudam na locomoção da célula; • Ribossomo - Os ribossomos são estruturas celulares responsáveis pela produção de proteínas; • Nucleoide - Área do citoplasma que contém a molécula de DNA. 3.2 Estrutura e funções de células eucarióticas Fonte: www.diferenca.com https://www.diferenca.com/dna-e-rna/ https://www.diferenca.com/dna-e-rna/ http://www.diferenca.com/ http://www.diferenca.com/ • Núcleo: O núcleo é o maior e mais visível organelo em uma célula eucariótica. Ele contém o DNA da célula; • Retículo Endoplasmático: Sua função é produzir e enviar proteínas e lipídios; • Complexo de Golgi: O complexo de Golgi modifica as moléculas celulares e é responsável pelo envio de materiais para fora da célula. É também a única organela que pode gerar lisossomos; • Lisossomos: Funcionam na digestão celular; • Peroxissomas: Os peroxissomas possuem enzimas que transformam átomos de hidrogênio em oxigênio; • Nucléolos: Localizam-se no interior do núcleo, onde acontece a síntese de ribossomos; • Mitocôndrias: Responsáveis por liberar energia das moléculas de glicose e dos ácidos graxos; • Vacúolos: Estruturas que armazenam substâncias relacionadas à digestão ou à nutrição celular; • Plastos: Presentes apenas em células eucarióticas vegetais. Responsáveis pela fotossíntese e armazenamento de substâncias. São de três tipos: cloroplastos, cromoplastos e leucoplastos.3 4 DIVISÃO CELULAR, MITOSE E MEIOSE A divisão celular é o processo pelo qual uma célula-mãe origina células-filhas. 3 Texto extraído de https://www.diferenca.com/celulas-procariotas-e-eucariotas/ Através deste processo as células unicelulares se reproduzem e as multicelulares se multiplicam. A frequência de divisões celulares varia com o tipo e estado fisiológico de cada célula. No organismo humano, por exemplo, algumas células estão em constante multiplicação. Um exemplo são as células da epiderme e da medula óssea, que se multiplicam para repor as células que morrem. Entretanto, alguns tipos de células mais especializadas como os neurônios, hemácias e células musculares, nunca se dividem. 4.1 Ciclo celular É o período que se inicia com a origem da célula, a partir de uma divisão celular e termina quando esta se divide em duas células-filhas. O ciclo celular é dividido em duas etapas: a interfase e a divisão celular. Nos eucariontes existem dois tipos de divisão celular: a mitose e a meiose. Ciclo Celular: interfase e mitose. Fonte: www.todamateria.com.br 4.2 Interfase É a fase em que a célula não está se dividindo. É o período mais longo do ciclo celular, aproximadamente 95% do tempo. Neste momento ocorrem diversos fatos que possibilitam a divisão celular, como: a replicação do DNA, a divisão dos centríolos e a produção de proteínas. A interfase é subdividida em três fases: G1, S e G2. Na fase G1, que antecede a duplicação do DNA, as células aumentam de tamanho, produzem RNA e sintetizam proteínas. Na fase S ocorre a síntese de DNA. A quantidade de DNA no núcleo da célula é replicado. Lembre-se que replicação significa o processo de duplicação da molécula de DNA. Antes de qualquer divisão celular há duplicação do DNA durante a interfase. A fase G2, corresponde ao intervalo entre a síntese de DNA e a mitose. A célula continua crescendo e produzindo proteínas. 4.3 Tipos de Divisão Celular Mitose É o tipo de divisão celular que a célula-mãe, haploide (n) ou diploide (2n), origina 2 células-filhas com o mesmo número de cromossomos da célula-mãe. É uma divisão equacional. A mitose é realizada quando há reprodução assexuada. Funções da mitose • Crescimento e regeneração de tecidos; • Cicatrização; • Formação de gametas em vegetais; • Divisões do zigoto durante o desenvolvimento embrionário. https://www.todamateria.com.br/cromossomos/ https://www.todamateria.com.br/cromossomos/ Meiose É o tipo de divisão celular em que a célula mãe, sempre diploide (2n), com cromossomos duplos, origina através de duas divisões sucessivas, quatro células filhas com metade do número de cromossomos da célula mãe. É uma divisão do tipo reducional. Funções da Meiose • Formação dos gametas em animais; • Formação dos esporos nos vegetais. 5 MITOSE Mitoseé um processo de divisão celular, contínuo, onde uma célula dá origem a duas outras células. A mitose acontece na maioria das células de nosso corpo. A partir de uma célula inicial, formam-se duas células idênticas e com o mesmo número de cromossomos. Isso ocorre porque, antes da divisão celular, o material genético da célula (nos cromossomos) é duplicado. A mitose é um processo importante no crescimento dos organismos multicelulares e nos processos de regeneração dos tecidos do corpo, pois ocorrem nas células somáticas. Apesar de ser um processo contínuo, a mitose apresenta cinco fases. 5.1 Fases da mitose. Prófase Fonte: www.todamateria.com.br A prófase é a fase mais longa da mitose. Nela se verificam alterações no núcleo e no citoplasma celular: Modificação no núcleo – de início se observa um aumento do volume nuclear. Isso ocorre porque o citoplasma cede água ao núcleo. Esse fato faz com que o citoplasma se torne mais denso. No começo da prófase cada cromossomo se apresenta constituído por dois filamentos denominados cromátides, unidos pelo centrômero. À medida que a prófase progride, os cromossomos tornam-se curtos e aumentam sua espessura. É a espiralização cromossômica. Enquanto os cromossomos estão se condensando, o nucléolo começa a se tornar menos evidente, desaparecendo ao final da prófase. O desaparecimento do nucléolo está relacionado ao fato de cessar a síntese de RNA nos cromossomos. Sendo o nucléolo um local de intensa síntese de RNA-r, com a condensação dos cromossomos essa síntese cessa e o nucléolo desaparece. Modificação do citoplasma – no citoplasma verifica-se a duplicação dos centríolos. Após duplicarem-se, estes migram em direção aos polos da célula. Após chegarem aos polos são envolvidos por fibras que constituem o áster. Entre os centríolos que se afastam, aparecem as fibras do fuso mitótico. Ocorrem dois tipos de fibras: as fibras contínuas, que vão de centríolos a centríolos e as cromossômicas ou cinetocóricas, que só surgirão na prometáfase. https://www.todamateria.com.br/nucleolo-celular/ https://www.todamateria.com.br/nucleolo-celular/ https://www.todamateria.com.br/rna/ https://www.todamateria.com.br/rna/ https://www.todamateria.com.br/centriolos/ https://www.todamateria.com.br/centriolos/ Prometáfase A prometáfase começa com a desintegração da carioteca. Quando isso acontece, os cromossomos caem no citoplasma e dirigem-se à região equatorial da célula, aonde vão se prender as fibras do fuso por meio de centrômero. Metáfase Fonte: www.todamateria.com.br Na metáfase os cromossomos presos ao fuso pelo centrômero, encontram- se no plano equatorial da célula formando a chamada placa metafásica ou equatorial. Nessa fase da divisão celular, os cromossomos permanecem parados por um longo tempo. Enquanto isso, no citoplasma, verifica-se intensa movimentação de partículas e organelas, que se dirigem equitativamente para polos opostos da célula. https://www.todamateria.com.br/divisao-celular/ https://www.todamateria.com.br/divisao-celular/ Anáfase Fonte: www.todamateria.com.br A anáfase inicia-se no momento em que o centrômero de cada cromossomo duplicado divide-se longitudinalmente, separando as cromátides-irmãs. Assim que separam, as cromátides passam a ser chamadas de cromossomos-irmãos, e são puxados para os polos opostos da célula, orientados pelas fibras do fuso. Quando os cromossomos-irmãos atingem os polos da célula, termina a anáfase. Assim, cada polo recebe o mesmo material cromossômico, uma vez que cada cromossomo-irmão possui a mesma informação genética. Telófase Telófase é a última fase da mitose. Nela ocorre praticamente o inverso do que ocorreu na prófase e início da prometáfase. A carioteca se reorganiza, os cromossomos se descondensam, o cinetócoro e as fibras cimetocóricas desaparecem e o nucléolo se reorganiza (com a descondensação dos cromossomos inicia-se a síntese de RNA e consequentemente o núcleo reaparece). Os dois núcleos adquirem ao final da telófase o mesmo aspecto de um núcleo interfásico. 6 MEIOSE A meiose é a divisão celular que ocorre na formação dos gametas, reduzindo o número de cromossomos de uma espécie pela metade. Assim, uma célula-mãe diploide origina 4 células-filhas haploides. O processo ocorre por meio de duas etapas de divisões celulares sucessivas, dando origem a quatro células: Meiose I: Etapa reducional, pois o número de cromossomos é reduzido pela metade. Meiose II: Etapa equacional, o número de cromossomos das células que se dividem mantém-se o mesmo nas células que se formam. A meiose ocorre quando a célula entra em fase de reprodução, sendo o processo essencial para a formação de gametas, esporos e nas divisões do zigoto. 6.1 Fases da meiose Meiose I Na interfase os cromossomos são finos e cumpridos. Ocorre a duplicação do DNA e dos cromossomos, formando assim as cromátides. Após a duplicação inicia-se a divisão celular. https://www.todamateria.com.br/dna/ https://www.todamateria.com.br/dna/ https://www.todamateria.com.br/cromossomos/ https://www.todamateria.com.br/cromossomos/ https://www.todamateria.com.br/divisao-celular/ https://www.todamateria.com.br/divisao-celular/ Prófase I A prófase I é uma fase bastante complexa, sendo dividida em cinco sub-fases consecutivas: • Leptóteno: cada cromossomo é formado por duas cromátides. Pode-se notar a presença de pequenas condensações, os cromômeros. • Zigóteno: inicia-se o emparelhamento dos cromossomos homólogos, denominado de sinapse, que se completa no paquíteno. • Paquíteno: cada par de cromossomos homólogos possui quatro cromátides, constituindo uma bivalente ou tétrade, formada por cromátides-irmãs: as que se originam de um mesmo cromossomo e as cromátides homólogas: as que se originam de cromossomos homólogos. Essas podem sofrer uma ruptura na mesma altura, e os dois pedaços podem trocar de lugar, realizando uma permutação ou crossing over. Como os cromossomos são portadores de genes, ocorre uma recombinação gênica. • Diplóteno: os cromossomos homólogos começam a se afastar, mas permanecem ligados pelas regiões onde ocorreu a permutação. Tais regiões constituem os quiasmas. • Diacinese: continua ocorrendo condensação e separação dos cromossomos homólogos. Com isso, os quiasmas vão escorregando para as pontas das cromátides, processo denominado terminação dos quiasmas. À medida que as fases evoluem, o nucléolo e a carioteca desaparecem. https://www.todamateria.com.br/genes-alelos/ https://www.todamateria.com.br/genes-alelos/ https://www.todamateria.com.br/recombinacao-genica/ https://www.todamateria.com.br/recombinacao-genica/ https://www.todamateria.com.br/nucleolo-celular/ https://www.todamateria.com.br/nucleolo-celular/ Metáfase I Na metáfase I, a membrana celular desaparece. Os pares de cromossomos homólogos se organizam no plano equatorial da célula. Os centrômeros do cromossomo homólogos se ligam a fibras que emergem de centríolosopostos. Assim cada componente do par será puxado em direções opostas. Anáfase I Na anáfase I, não ocorre divisão dos centrômeros. Cada componente do par de homólogos migra em direção a um dos polos da célula. Telófase I Na telófase, os cromossomos desespiralizam-se, a carioteca e o nucléolo reorganizam-se e ocorre a citocinese, divisão do citoplasma. Desse modo, surgem duas novas células haploides. https://www.todamateria.com.br/centriolos/ https://www.todamateria.com.br/centriolos/ Meiose II A meiose II é extremamente semelhante à mitose. A formação de célulashaploides a partir de outras haploides só é possível porque ocorre durante a meiose II, a separação das cromátides que formam as díades. Cada cromátide de uma díade dirige-se para um polo diferente e já pode ser chamada de cromossomo- irmão. As fases da meiose II são as seguintes: Prófase II Ocorre a condensação dos cromossomos e a duplicação dos centríolos. O nucléolo e a carioteca voltam a desaparecer. Metáfase II Os centríolos estão prontos para serem duplicados e os cromossomos organizam-se na região equatorial. Anáfase II As cromátides-irmãs separam-se se migram para cada um dos polos da célula, puxadas pelas fibras do fuso. Telófase II As fibras do fuso desaparecem e os cromossomos já encontram-se nos polos da célula. A carioteca surge novamente e o nucléolo se reorganiza. Por fim, ocorre a citocinese e o surgimento de 4 células-filhas haploides. 6.2 Quais as diferenças entre a mitose e a meiose? A mitose e a meiose correspondem aos dois tipos de divisão celular. Porém, algumas características diferenciam os dois processos: A mitose origina duas células-filhas idênticas à célula-mãe. Enquanto isso, na meiose são geradas 4 células-filhas com material genético diferente ao da célula- mãe. Além disso, as células-filhas ainda apresentam metade do número de cromossomos da célula-mãe. A meiose reduz pela metade o número de cromossomos nas células-filhas. Na mitose o número de cromossomos é mantido entre a célula-mãe e as células- filhas. A mitose ocorre na maior parte da células somáticas do corpo. Já a meiose ocorre somente nas células germinativas e esporos.4 44 Texto extraído de https://www.todamateria.com.br/meiose/ https://www.todamateria.com.br/mitose/ https://www.todamateria.com.br/mitose/ Referência Conceito.de. Conceitos de ciências naturais. Disponível em https://conceito.de/ciencias-naturais - Acesso em 03/08/2018. OVIGLI. D.F.B, BERTUCCI, M.C.S. A formação para o ensino de ciências naturais nos currículos de pedagogia das instituições públicas de ensino superior paulistas. Disponível em http://pepsic.bvsalud.org/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1806- 58212009000200013 – Acesso em 03/08/2018. CAMPOS, R. S. P. CAMPOS, L.M.L. O ensino de ciências naturais para a educação infantil e anos iniciais do ensino fundamental. Disponível em https://www4.uninove.br/ojs/index.php/dialogia/article/viewFile/7041/3474 - Acesso em 03/08/2018. SILVA, C.F. GAIA, M.C.M. Educação Inclusiva e o ensino de ciências. 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