DEPARTAMENTO DE OLIMPIADAS DE BIOLOGIA 2010 COMENTÁRIOS: XVIII OLIMPIADA CEARENSE DE CIENCIAS BIOLOGIA NÍVEL II

Transcrição

1 O sequenciamento do DNA é uma série de processos bioquímicos tem por finalidade determinar a ordem dos nucleotídeos (adenina, guanina, citosina e timina) em uma amostra de DNA. Até meados da década de 70 era muito complicado obter uma sequência de DNA, independente de ser fita simples ou fita dupla. No começo da década de 80, foi desenvolvida uma técnica rápida de sequenciamento, por meio da quebra de uma cadeia de DNA por diversos produtos químicos, sendo os fragmentos visualizados através do processo de eletroforese. Era necessário marcar as moléculas com radiação, devido à baixa produção de material, não podendo ser detectada de outra maneira. Poucos anos após houve um novo avanço tecnológico foi conseguido por meio da introdução da técnica de interrupção da sequência através da incorporação ao acaso de um nucleotídeo modificado, sendo chamada de técnica de didesoxi ou dideoxi. Essa técnica, de imediato, tomou o lugar da anterior, possibilitando o desenvolvimento de sequenciadores automáticos de DNA. O sequenciamento manual ainda existe, mas é muito mais trabalhoso, caro e arriscado, pois utilizam-se substâncias radioativas. Um dos métodos mais usados é a técnica de desoxi, também conhecida como terminadores de cadeia ou Sanger (em homenagem a Fred Sanger, que propôs a técnica em questão). A síntese de DNA se inicia por meio de um oligonucleotídeo, sendo continuada ao longo da seqüência do molde pela enzima DNA polimerase, incorporada aos nucleotídeos e sintetizada a nova fita. Estão presentes nessa técnica dois tipos de marcadores nucleotídeos: os normais (deoxi) datp, dgtp, dctp e dttp; e os dideoxinucleotídeos (não possuem o grupo hidroxila no carbono 3 ) ddatp, ddgtp, ddctp e ddttp, sendo estes marcados com material fluorescente. A polimerização do DNA prossegue, sendo incluídos os nucleotídeos deoxi até o momento em que a DNA polimerase, por acaso, insere um dideoxinucleotídeo, interrompendo assim a polimerização. Ao final de todo esse processo são observados fragmentos de tamanhos distintos. Essa reação é transferida para um gel onde, após o processo de eletroforese, é observada a migração dos fragmentos. Quando o método utilizado é o manual, os dideoxinucleotídeos são marcados com radiação e não com substâncias fluorescentes, sendo então necessária uma radiografia para a visualização da sequencia de DNA. Já no sequenciamento automático, o seqüenciador identifica os fragmentos por meio da incidência de laser sobre os dideoxinucleotídeos fluorescentes. Por fim, o seqüenciador mostra um gráfico onde cada nucleotídeo é referenciado com cores distintas. Depois que O DNA do Neandertal é sequenciado, é feito o exame de DNA comparativo entre as espécies que consta Inicialmente na separando o DNA do resto das células, por meio de detergentes e centrifugações. Em seguida, aplicam-se pedaços de DNA sintético, marcados com corante, que se ligam aos trechos a serem examinados. Depois, em um processo chamado eletroforese, os pedaços de DNA são separados por uma corrente elétrica de acordo com seu tamanho. Finalmente, um equipamento a laser faz a leitura dos corantes e produz uma imagem computadorizada que pode ser analisada e comparada pelos especialistas. 1.2

2 2-2.1 As quatro rotas são: Respiração, Fermentação (respiração anaeróbia), fotossíntese e quimiossintese. Respiração celular é o processo de conversão das ligações químicas de moléculas ricas em energia que poderão ser usada nos processos vitais. Ela pode ser de dois tipos, Respiração Anaeróbia (sem utilização de oxigênio também chamada de fermentação) e Respiração Aeróbia (com utilização de oxigênio). A respiração celular é o processo de obtenção de energia mais utilizado pelos seres vivos. Na respiração, ocorre a libertação de dióxido de carbono e energia e o consumo de oxigénio e glicose, ou outra substância orgânica. A organela responsável por essa respiração é a mitocondria. O processo básico da respiração celular é a quebra da glicose ou Glicólise, que se pode expressar pela seguinte equação química: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + energia Nutrientes (energia química) + O 2 CO 2 + H 2 O + Energia (alguma que se perde sob a forma de calor e outra parte armazena-se sob a forma de ATP) A respiração celular, que se processa segundo duas sequências básicas: Glicose e Oxidação do piruvato através de um de dois processos: Respiração aeróbia ou Respiração anaeróbia De acordo com o tipo de metabolismo, existem duas sequências possíveis para a oxidação do piruvato proveniente da glicólise: 1. Neste primeiro processo, a oxidação do píruvato ocorre em uma respiração aeróbia, produzindo em seguida Acetilcoenzima A, iniciando assim o Ciclo de Krebs, como é demonstrado a baixo: Piruvato --> Acetil-Coa Nesta etapa ocorre a entrada de NAD e CoA-SH. O piruvato gerado na glicólise sofre desidrogenação e descarboxilação catalizado pelo complexo piruvato-desidrogenase, durante essas reações é adicionada a coenzima A, desta forma a partir de cada piruvato produz-se um acetil-coa, iniciando logo em seguida o Ciclo de Krebs Durante a glicólise pode ocorrer a falta de O 2 gerando outras reações: 2. Nesta etapa a oxidação do piruvato ocorre em uma reação anaeróbia Oxidação Incompleta da Glicose: Glicose --> Piruvato --> Ácido láctico ução não podem ser oxidados. Assim fica faltando NAD e FAD para as reações de desidrogenação. Com isso, o ciclo de Krebs não pode ocorrer ficando totalmente bloqueado, na falta de O 2. Se houvesse uma forma de repor NAD e FAD sem o envolvimento da cadeia respiratória o ciclo poderia continuar ocorrendo. Na oxidação da glicose na ausência de O 2, o NADH produzido não irá para a cadeia respiratória; da mesma forma, o piruvato não dara origem ao acetil-coa. Assim fica acumulado NADH e piruvato. Para que a glicólise mantenha-se, o NADH acumulado transfere seus elétrons e P + para o piruvato, originando ácido láctico e renegerando o NAD. Isto representa uma via alternativa de oxidação do NADH. Na oxidação incompleta o rendimento de ATP cai para apenas dois. Respiração aeróbia A respiração aeróbia requer oxigênio. Na glicólise, é formado o piruvato (também chamado de ácido pirúvico) bem como 2 ATP. Cada piruvato que entra na mitocôndria e é oxidado a um composto com 2 carbonos (acetato) que depois é combinado com a Coenzima-A, com a produção de NADH e libertação de CO 2. De seguida, inicia-se o Ciclo de Krebs. Neste processo, o grupo acetil é combinado com compostos com 4 carbonos formando o citrato (6C). Por cada ciclo que ocorre liberta-se 2CO 2, NADH e FADH 2. No ciclo de Krebs obtém-se 2 ATPs. Numa última fase - cadeia transportadora de elétrons (ou fosforilação oxidativa) os elétrons removidos da glicose são transportados ao longo de uma cadeia transportadora, criando um gradiente protónico que permite a fosforilação do ADP. O aceptor final de elétrons é o O 2, que, depois de se combinar com os elétrons e o hidrogênio, forma água. Nesta fase da respiração aeróbia a célula ganha 32

3 moléculas de ATP. Isso faz um total ganho de 30 ATP durante a respiração celular em que intervém o oxigênio. A respiração anaeróbia envolve um receptor de elétrons diferente do oxigênio e existem vários tipos de bactérias capazes de usar uma grande variedade de compostos como receptores de elétrons na respiração: compostos nitrogenados, tais como nitratos e nitritos, compostos de enxofre, tais como sulfatos, sulfitos, dióxido de enxofre e mesmo enxofre elementar, dióxido de carbono, compostos de ferro, de manganês, de cobalto e até de urânio. No entanto, para todos estes, a respiração anaeróbia só ocorre em ambientes onde o oxigénio é escasso, como nos sedimentos marinhos e lacustres ou próximo de nascentes hidrotermais submarinas. Uma das sequências alternativas à respiração anaeróbia é a fermentação, um processo em que o piruvato é apenas parcialmente oxidado, não se segue o ciclo de Krebs e não há produção de ATP numa cadeia de transporte de elétrons. No entanto, a fermentação é útil para a célula porque regenera o dinucleótido de nicotinamida e adenina (NAD), que é consumido durante a glicólise. Os diferentes tipos da fermentação produzem vários compostos diferentes, como o etanol (o álcool das bebidas alcoólicas, produzido por vários tipos de leveduras e bactérias) ou o ácido láctico do iogurte. Outras moléculas, como NO 2, SO 2 são os aceptores finais na cadeia de transporte de elétrons. A fotossíntese é o processo através do qual as plantas, seres autotróficos (seres que produzem seu próprio alimento) e alguns outros organismos transformam energia luminosa em energia química processando o dióxido de carbono (CO 2 ), água (H 2 O) e minerais em compostos orgânicos e produzindo oxigênio gasoso (O 2 ). A equação simplificada do processo é a formação de glicose e libertação de oxigênio: 6H 2 O + 6CO 2 6O 2 +C 6 H 12 O 6. Este é um processo do anabolismo, em que a planta acumula energia a partir da luz para uso no seu metabolismo, formando adenosina tri-fosfato, o ATP, a moeda energética dos organismos vivos. A fotossíntese inicia a maior parte das cadeias alimentares na Terra. Sem ela, os animais e muitos outros seres heterotróficos seriam incapazes de sobreviver porque a base da sua alimentação estará sempre nas substâncias orgânicas proporcionadas pelas plantas verdes. Na fase fotoquímica, fase luminosa ou fase clara (fase dependente da luz solar) é a primeira fase do processo fotossintético. A energia luminosa é captada por meio de pigmentos fotossintetisantes, capazes de conduzi-la até o centro de reação. Tal centro é composto por um par de clorofilas 'a' também denominado P 700 porque absorve a onda luminosa com 700 nanometros de comprimento. Os elétrons excitados da P 700 saem da molécula e são transferidos para uma primeira substância aceptora de elétrons, a ferredoxina. Esta logo os tranfere para outra substância, e assim por diante, formando uma cadeia de transporte de elétrons. Tais substâncias aceptoras estão presente na membrana do tilacóide. Nessa transferência entre os aceptores, os elétrons vão liberando energia gradativamente e esta é aproveitada para transportar hidrogênio iônico de fora para dentro do tilacóide, reduzindo o ph do interior deste. A redução do ph ativa o complexo protêico "ATP sintetase". O fluxo de hidrogênios iônicos através do complexo gira, em seu interior, uma espécie de "turbina proteica", que promove a fosforilação de moléculas de adenosina difosfato dando origem à adenosina trifosfato. Ao chegarem ao último aceptor, os elétrons têm nível energético suficientemente baixo e retornam ao par de clorofilas 'a', fala-se em fotofosforilação cíclica. Porém, existe outra forma de fosforilação, a fotofosforilação acíclica onde os elétrons das moléculas de clorofila 'a' (P700), excitados pela luz, são captados pela ferredoxina, mas ao em vez de passarem pela cadeia transportadora são captados pelo NADP (nicotinamida adenina dinucleotídeo Fosfato) e não retornam para o P700. Este fica temporariamente deficiente de elétrons. Esses elétrons são repostos por outros provinientes de outro fotossistema onde o par de clorofilas 'a', dessa vez P680, excitado pela energia luminosa, libera elétrons que são captados por uma primeira substância aceptora: a plastoquinona. Em seguida passa aos citocromos e plastocianina até serem captados pelo P700, que se recompõe. Este processo de transporte também promove a síntese do ATP. Já o P680 fica deficiente de elétrons. Esses elétrons serão repostos pela fotólise da água. A quebra da molécula da água

4 por radiação (fotólise da água) produz iôns de hidrogênios e hidróxidos. Os elétrons dos iôns hidróxidos são utilizados para recompor o P680 e os iôns hidrogênio são aceptados pelo NADP, com isso ocorre a formação de água oxigenada (H2O2) oriunda da reação de síntese entre as hidroxilas. A água oxigenada é decomposta pela célula em água e O2 sendo este último liberado do processo como resíduo. Com a repetição do processo forma-se o aporte energético e de NADPHs necessários para a fase escura. A fase química ou "fase escura", onde se observa um ciclo descoberto pelos cientistas Melvin Calvin, Andrew Benson e James Bassham. Nessa fase chamada de ciclo de Calvin ou ciclo das pentoses, que ocorre no estroma do cloroplasto, o tilacóide fornece ATP e NADPH2 ao estroma do cloroplasto, onde se encontra a pentose (ribulose fosfato), essa pentose ativada por um fosfato, fixa o carbono que provém do dióxido de carbono do ar sob a ação catalisadora da "rubisco" (ribulose bifosfato carboxilase-oxidase) e em seguida é hidrogenada pelo NAPH2 formando o aldeído que dará origem à glicose. Para a síntese de uma molécula de glicose são fixadas seis de dióxido de carbono, permitindo que o processo recicle a ribulose fosfato. devolvendo-a ao estroma. Desta fase resulta a formação de compostos orgânicos como a glicose, necessária à atividade da planta. Esta fase é denominada fase escura, no entanto é um termo utilizado de forma inadequada pois para a "rubisco" entrar em atividade determinando a fixação do CO2 atmosférico para a formação de moléculas de glicose, ela precisa estar num estado reduzido, e para isso acontecer é necessário que a luz esteja presente. Este processo consiste na sintese de substancias organicas a partir da energia libertada em certas reações quimicas inorganicas. A quimiossintese é um processo analogo à fotossintese, diferindo fundamentalmente na fonte de energia que gera um fluxo de elétrons e prótons, permitindo a fosforilação do ADP a ATP e a redução de um transportador de hidrogénios. As bacterias quimiossintetizantes conseguem desenvolver-se em ambientes desprovidos de luz e materia organica, pois a energia necessaria ao seu desenvolvimentos é obtida atraves de oxidaçoes inorganicas. Apenas necessitam de oxigenio, para a oxidaçao, e de dioxido de carbono e água como materia prima para a sintese de glicose. As nitrossomas e as nitrobacterias sao bacterias quimiossintetizantes que participam na reciclagem do azoto no nosso planeta. As nitrossomonas obtem energia atraves da oxidaçao de amônia presente no solo, transformando-a em nitritos. as nitrobacterias, por sua vez, utilizam o nitrito, oxidando-o a nitrato. 3 A conjugaçao, ou seja, união parcial transitória de dois indivíduos, na qual se trocam mutuamente núcleos haplóides de modo que, depois de realizada a separação, os núcleos dos ex-conjugantes possuem uma nova guarnição cromossômica combinada. A conjugação encontra-se somente nos ciliados, os protozoários mais altamente diferenciados e mais ricos em diferenciação citoplasmática. O ciclo é diplobionte. Dois ciliados, na maior parte das vezes com a mesma forma, encontra-se um ao outro pela região oral; aí se forma uma ponte citoplasmática.

5 Após a união pelo citóstoma, o macronúcleo de cada um se desorganiza e desaparece, enquanto o micronúcleo sofre duas divisões sucessivas, ou seja, meiose. - Dos 4 núcleos resultantes, 3 degeneram e o último se divide mais uma vez; os 2 núcleos finais são chamados de PRONÚCLEOS: femininos e masculinos. - Os pronúcleos masculinos de um do outro migram para a célula de seu parceiro e se unem com os pronúcleos femininos que haviam permanecido no lugar. O núcleo resultante da fusão em cada célula é um zigoto (syncarion) onde o número diplóide de cromossomos é restabelecido. - As células se separam e cada uma delas se divide 3 vezes seguidas, produzindo 8 núcleos filhos. - As duas primeiras divisões são meióticas - Dos 8 núcleos, 4 aumentam de tamanho até se transformar em outros tantos macronúcleos - Um fica sendo o micronúcleo e os demais desaparecem. - Seguem-se duas divisões normais do micronúcleo e de toda a célula (porém sem multiplicação dos macronúcleos), dando como resultado final a produção de 4 ciliados a partir de um dos 2 ex-conjugantes, com um macronúcleo e um micronúcleo cada. Os parceiros da conjugação são hermafroditas, pois fornecem núcleos gaméticos de dois tipos, que se comportam diferentemente. Os paramécios, porém, só conjugam quando pertencem a diferentes, mas compatíveis, tipos de emparelhamento (Matingtypes). Antes da conjugação há emissão de sinais químicos por alguns ciliados, mas em outros, como Paramecium, a substância química permanece na superfície celular a qual expressa a resposta quando os ciliados fazem contacto físico o domínio Eukarya inclui todos os organismos eucariontes; o domínio Eubacteria ou simplesmente Bacteria inclui todas as bactérias (procariontes); o domínio Archaea (anteriormente designado "Archaebacteria") inclui procariontes com características filogenéticas (relações evolucionárias obtidas por análise genómica) diferentes da bactérias. 4.2 Eukarya 4.3 Carioteca, organelas membranosas

6 4.4 - Flora intestinal é um nome popular dado a microbiótica intestinal que consiste em um conjunto de bactérias (Eubacteria) que naturalmente habitam o intestino, ajudando na digestão de alimentos e controlando (por competição) o crescimento de microrganismos patogênicos (outras bactérias, fungos, protozoários, etc). 4.5 Todos sao dotados de celulas O ciclo foi primeiro elucidado por Calvin e colaboradores em 1946 e por esta razão, também é conhecido como ciclo de Calvin. Ele pode ser dividido em quatro fases distintas: fase de carboxilação, fase de redução, fase de regeneração e fase de síntese dos produtos. A fase de carboxilação consiste na reação de CO2 com a ribulose bisfosfato, catalisada pela ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase (RuBisCO), seguida por uma clivagem molecular, formando o ácido fosfoglicérico. A fase de redução consiste na redução do ácido glicérico, formado na etapa anterior, em triose fosfato. A fase de regeneração consiste na regeneração da ribulose bisfosfato através de reações de interconversão de açúcares. A fase de síntese de produtos consiste na produção de outros compostos, tais como, polissacarídeos, aminoácidos e ácidos graxos. A síntese desses compostos é influenciada pelas condições fisiológicas. O ciclo de Calvin também é conhecido como a rota C3 de fixação do carbono, uma vez que o produto formado é um composto de 3 carbonos (ácido fosfoglicérico). Entretanto, esta não é a única rota de fixação do CO2. Na maioria das plantas e gramíneas tropicais, tais como, a cana-de-açúcar e a cevada, a fixação do CO2 resulta em compostos de 4 carbonos como o oxaloacetato, o malato e o aspartato. A fixação ocorre pela carboxilação do fosfoenolpiruvato a oxaloacetato catalisada pela fosfoenolpiruvato carboxilase. Por essa razão, essa rota é chamada de C4. Existe ainda o metabolismo ácido das crassuláceas (CAM), cujo nome se deve ao fato de ser primeiro encontrado nas Crassulaceae. Esta rota de fixação do CO2 é muito comum nas famílias das angiospermas: Agavaceae, Bromeliaceae, Cactaceae, Euphorbiaceae, Liliaceae, Orchidaceae, etc. Como nas plantas de metabolismo C4, o primeiro metabólito a ser sintetizado pela fixação do CO2 é o oxaloacetato. Este CO2 é posteriormente liberado pela descarboxilação do malato e refixado no ciclo de Calvin pela RuBisCO. Entretanto os metabolismos CAM e C4 diferem entre si pelo local e tempo de ocorrência. Nos vegetais que apresentam metabolismo C4, a fixação do CO2 ocorre nas células fotossintéticas presentes no mesófilo da folha. O carbono fixado na forma de malato migra para as células envolventes da bainha onde ocorre então a liberação e refixação do CO2 através do ciclo de Calvin. Nas plantas do metabolismo CAM o período de fixação via fosfoenolpiruvato carboxilase e RuBisCO estão separados pelo tempo. Nessas plantas, a fixação ocorre durante a noite quando os estômatos estão abertos via carboxilação do fosfoenolpiruvato e acúmulo do malato, assim formado, nos vacúolos. Durante o dia, os estômatos se fecham para minimizar a perda de água, e o malato é transportado para o citossol onde é descarboxilado e o CO2 é refixado pela RuBisCO. As vantagens dos metabolismos CAM e C4 sobre o C3 são: alta taxa fotossintética (dificilmente atinge-se a saturação da fotossíntese), ausência de fotorrespiração, alta eficiência na utilização da água, alta tolerância salina e baixo ponto de compensação para o CO2. A desvantagem é o alto custo energético e o conseqüente menor rendimento quântico de fixação de CO2. Além disso, com exceção do abacaxi, as plantas de metabolismo CAM, ao contrário das de metabolismo C3, não são muito produtivas em termos de biomassa. Os vegetais de metabolismo C4 são altamente produtivos. As macroalgas além de possuírem o metabolismo C3, cujo produto principal nas Phaeophyta é o manitol, são capazes de fixar CO2 ou HCO3- independente de luz, pela carboxilação do fosfoenolpiruvato a malato. Entretanto, ao contrário das plantas de metabolismos C4 e CAM, onde o CO2 fixado é posteriormente liberado para o ciclo de Calvin, o oxaloacetato formado pela fixação do CO2, via fosfoenolpiruvato, é utilizado para as reações de biossíntese ou como intermediário do ciclo do ácido tricarboxílico, havendo portanto, fixação líquida de CO2. Esta capacidade de fixar CO2 independente de luz é ecologicamente significante, pois permite o crescimento das macroalgas (em particular a Phaeophyta, onde este tipo de fixação é expressiva) em ambientes de irradiância limitada. As outras rotas

7 metabólitas acopladas com a fase clara da fotossíntese são: a fixação do N2, a biossíntese de ácidos graxos, a reação de Mehler e a fotorrespiração. A fotorrespiração é uma ineficiência do ciclo de fixação de CO2. A Enzima RuBisCO não é específica para o CO2, ela também aceita como substrato o O2, de sorte que, ao invés de ser produzido 2 moléculas de ácido glicérico após a clivagem molecular, produz-se uma molécula de ácido glicérico e uma molécula de ácido glicólico, que na célula está na forma aniônica glicolato. O glicolato é exportado aos peroxomas onde é oxidado à glioxalato e então aminado para formar o aminoácido glicina (Gli). A glicina por sua vez, é exportada para a mitocôndria onde 2 moléculas de glicina são utilizadas para gerar uma molécula de serina (Ser) e uma molécula de CO2. Daí o nome fotorrespiração, pois há a participação da luz (foto), o consumo de O2 e a liberação de CO2 (respiração). A fotorrespiração é favorecida em ambientes de alta concentração de O2 e baixa de CO2 (condição atmosférica) e em altas temperaturas (Climas tropicais e equatoriais). 5.2 Maior fixação de carbono implica em uma maior produção de biomassa que será repassado ao longo da cadeia alimentar, juntamente com uma maior liberação de oxigênio. Prof. Regis Romero Chefe de Departamento de olimpíadas