Organização dos seres vivos e noções de bioenergética

VestMed Biologia 1 16 de abril de 2016 Organização dos seres vivos e noções de bioenergética Algumas áreas da Biologia: A Biologia se ocupa do estudo da vida. O entendimento da complexidade que envolve os organismos vivos e o meio em que vivem é útil para a demarcação de áreas especí>icas dentro da Biologia (Fig. 1). Bioquímica: volta- se para a compreensão da vida ao nível molecular. Citologia: é o estudo das células e seus componentes. Histologia: ocupa- se dos tecidos. Anatomia: trabalha com a arquitetura dos sistemas e seus órgãos. Fisiologia: estuda o funcionamento do organismo; sua varredura é ampla, abrangendo desde as moléculas até os sistemas. Ecologia: corresponde à biologia do ambiente; seu campo de estudo abrange desde as populações até a biosfera. Fig. 1 Ecologia: do organismo ao ambiente Alguns conceitos de Ecologia são fundamentais para se compreender a forma como os organismos e o ambiente interagem. No pantanal mato- grossense, uma onça- pintada faz parte de uma espécie - encontrada em várias regiões do Brasil. Todas as onças- pintadas do Pantanal constituem uma população. Assim, população é o conjunto de indivíduos de uma mesma espécie que vivem em um mesmo ambiente. O Pantanal apresenta uma in>inidade de outras populações de seres vivos, como capivaras, tucanos, piranhas, jacarés, bactérias, capim, muitos tipos de árvores, entre outros. O conjunto de todas as populações de um ORGANIZAÇÃO DOS SERES VIVOS E NOÇÕES DE BIOGENÉTICA!1

ambiente constitui uma comunidade. A comunidade também pode ser denominada fatores biónicos, biocenose ou cenobiose. O Pantanal possui componentes não vivos, denominados fatores abióticos (biótopo), como luz, água, temperatura, gases, entre outros. O ambiente completo do Pantanal, com seus componentes bióticos e abióticos em interação, constitui um ecossistema. Florestas, campos, desertos e lagos são exemplos de ecossistemas. Ecossistema é um ambiente que apresenta fatores abióticos em interação com seus componentes vivos. Todos os ecossistemas do planeta constituem a biosfera terrestre. Pode- se também considerar a biosfera como a parte do planeta em que há seres vivos. Assim, a biosfera não é sinônimo de planeta Terra, é uma parte dele. A organização dos seres vivos: do organismo ao átomo Nosso organismo é constituído por sistemas: digestório, respiratório, circulatório, urinário, nervoso, endócrino, muscular, esquelético. Cada sistema é formado por órgãos, como o sistema digestório, que apresenta órgãos como o esôfago, estômago, intestinos, >ígados e pâncreas. Um órgão é formado por camadas de células, denominadas tecidos. O estômago, por exemplo, é um órgão oco, responsável por receber alimento e realizar parte da digestão. O estômago tem uma camada externa protetora, uma camada intermediária (constituída por músculos) e uma camada interna, responsável pela secreção do suco gástrico e pela proteção da parede estomacal, evitando que o estômago seja digerido pelo próprio suco que produz. Essas camadas são tecidos componentes do estômago. Um órgão, portanto, é constituído por tecidos. Um tecido é formado por um conjunto de células. Considerando o tecido muscular do estômago, examinando ao microscópio óptico, podemos notar que ele é constituído por células musculares lisas, que podem sofrer contração (encurtamento) e distensão (alongamento). Dessa maneira, a musculatura estomacal contribui para a movimentação do alimento que se encontra no estômago; no momento adequado, esse material é impulsionado para o intestino delgado com a ação da musculatura. Cada célula muscular do estômago apresenta uma membrana, um núcleo e, entre eles, o citoplasma. No citoplasma, há estruturas com funções especializadas, os organoides, como as mitocôndrias e os ribossomo. Um organoide é constituído por moléculas; a mitocôndria, por exemplo, apresenta moléculas de proteínas e de DNA. Cada molécula possui átomos; o DNA tem, entre outros, átomos de carbono, de nitrogênio e de fósforo. (Fig. 2) Um organismo vegetal também apresenta níveis de organização, de átomos a sistemas. Os organismos estudados em Biologia apresentam uma grande diversidade. Um dos critérios empregados em sua classi>icação é o número de células. Assim, há organismos dotados de uma única célula, denominados unicelulares, como protozoários e a maioria das bactérias. Plantas e animais têm muitas células e são denominados pluricelulares. Os vírus, por sua vez, não apresentam organização celular, são acelulares. ORGANIZAÇÃO DOS SERES VIVOS E NOÇÕES DE BIOGENÉTICA!2

(Fig.2) A célula animal Uma célula animal apresenta membrana, núcleo e citoplasma, (com citosol e orgânulos). O termo protoplasma refere- se à matéria viva componente dos organismos e de suas células. Nas células ocorrem importantes atividades metabólicas, sendo o metabolismo o conjunto de reações químicas responsáveis pela manutenção da vida. A membrana é uma película delgada que envolve a célula. É constituída principalmente por lipídeos e proteínas. Uma de suas principais funções é controlar as trocas que a célula realiza com o meio em que se encontra, permitindo a entrada e a saída de diversos materiais. O núcleo corresponde ao centro de comando da célula. É delimitado pela carioteca, o envoltório nuclear de natureza lipoproteica. A carioteca é uma camada dupla e apresenta poros, por meio dos quais ocorre a troca de materiais com o citoplasma. A carioteca está ligada ao retículo endoplasmático e pode apresentar ribossomo aderidos em sua super>ície. Seres vivos que apresentam carioca são denominados eucariontes, como animais e plantas. No interior do núcleo, há um tipo de coloide (semelhante a uma gelatina), denominado nucleoplasma ou cariolinfa, constituído por água e proteínas, entre outros componentes. Na cariolinfa >icam dispersos >ilamentos de cromatina, cada qual contendo uma enorme molécula de DNA. Além de DNA, o >ilamento de cromatina possui proteínas associadas, as histonas. Alguns trechos de certos >ilamentos de cromatina produzem grande quantidade de RNA ribossômico; dessa forma, contribuem para a formação do nucléolo. O nucléolo é constituído por um aglomerado de RNA ribossômico, DNA e proteínas. O RNA ribossômico do nucléolo é um dos principais componentes dos ribossomos. O citoplasma é a região localizada entre a membrana e o núcleo; é constituído por cotizol e organoides. O cotizo é um coloide, tendo entre outros componentes, água e proteínas. No cotizo estão imersos os orgânulos (ou organelas), estruturas bem de>inidas e que desempenham papéis ORGANIZAÇÃO DOS SERES VIVOS E NOÇÕES DE BIOGENÉTICA!3

especí>icos na atividade celular. Os principais orgânulos citoplasmáticos são ribossomos, complexo goleies, lisossomos, mitocôndrias, retículo endoplasmático, centríolos e peroxissomos (Fig. 3). (Fig. 3) Os organoides citoplasmáticos desempenham papéis fundamentais no funcionamento da célula. Suas características e principais funções são apresentadas na tabela a seguir: Célula vegetal Uma célula vegetal típica apresenta estruturas também presentes em células animais; contudo, também tem componentes que não são encontrados em células animais: cloroplastos e parede celular. Cloroplastos são orgânulos membranosos que contêm DNA e pigmentos (como a cloro>ila). São responsáveis pela fotossíntese. A parede celular também denominada membrana esquelética, envolve a célula e apresenta certa rigidez. Suas principais funções são a proteção da célula e a sustentação mecânica. Seu principal componente é a celulose, podendo também apresentar outros materiais, como a lignina ou a suberina. O retículo endoplasmático pode formar vesículas cheias de líquido; essas vesículas acabam se fundindo, formando um grande vacúolo central. Essa estrutura armazena água, sais, açúcares e outros materiais. Dependendo de sua concentração, o vacúolo participa de processos osmóticos (osmose) da célula. Vacúolos também são encontrados em células animais, porém são muito menos desenvolvidos. ORGANIZAÇÃO DOS SERES VIVOS E NOÇÕES DE BIOGENÉTICA!4

Vesículas provenientes do retículo endoplasmático podem se unir ao vacúolo e nele despejar enzimas digestivas. Assim, o vacúolo acaba desempenhando um papel na digestão intracelular, tendo função correspondente à dos lisossomos. Vegetais que formam sementes - as gimnospermas e as angiospermas - não possuem centríolos. Vê- se, portanto, que os centríolos não são indispensáveis para a realização do processo de divisão celular (Fig. 4). (Fig.4) Célula bacteriana A maioria das bactérias apresenta parede celular, cujo principal componente é o peptidoglicano (carboidratos e peptídeos associados). A parede protege a célula, proporciona sustentação, e é permeável a vários materiais, permitindo a ocorrência de trocas entre a bactéria e o meio. Algumas bactérias têm uma cápsula aderida à super>ície externa da parede celular. É constituída por proteínas e carboidratos; contribui para uma proteção adicional à célula bacteriana. Internamente à parede celular, encontra- se a membrana plasmática ou plasmalema. Sua composição é lipoproteica e tem como principal papel o controle da troca de materiais entre a bactéria e o meio. A membrana celular bacteriana apresenta invaginações, os mesossomos, estruturas responsáveis pela respiração celular. O material genético liga- se aos mesossomos; assim, essa estrutura tem importante contribuição no processo de divisão celular bacteriana. O material genético consta de um >ilamento de cromatina formado por DNA circular, ou seja, sem extremidades livres. Além disso, o DNA bacteriano não tem proteínas associadas, como ocorre no material genético do núcleo de eucariontes. Bactérias não têm carioteca; são desprovidas de núcleo, sendo consideradas como procariontes. A região da célula onde se encontra a cromatina é denominada nucleoide. As bactérias também possuem moléculas menores de DNA, dispersas pela célula: são os plasmídeos. Essas estruturas ORGANIZAÇÃO DOS SERES VIVOS E NOÇÕES DE BIOGENÉTICA!5

contêm material genético adicional e que podem contribuir para a sobrevivência da bactéria. O citoplasma bacteriano compreende todo o espaço que >ica para o interior da membrana. Inclui o citosol, as moléculas de DNA e ribossomos (Fig. 5). (Fig.5) Energia e vida Vimos como os seres vivos estão organizados. Agora, passaremos a compreender algumas noções básicas sobre a energia nos seres vivos. Utilizamos energia na realização de nossas atividades metabólicas: impulso nervoso, contração muscular, síntese de proteínas etc. Obtemos toda essa energia a partir do alimento que ingerimos. Uma pessoa que toma um copo de leite obtém energia e outros bene>ícios desse alimento. Nosso corpo dissipa energia para o ambiente sob a forma de calor. A vaca que produziu o leite obteve energia a partir do alimento que consumiu - capim, por exemplo. O capim, por sua vez, obteve energia da luz solar através do processo denominado fotossíntese. Fotossíntese Plantas, algas e algumas bactérias são capazes de realizar fotossíntese. Esses organismos possuem clorojila, um pigmento verde que absorve energia luminosa. Essa energia é empregada para a realização de fotossíntese. Seres fotossintetizantes empregam água (H2O), gás carbônico (CO2) e luz; com isso, produzem glicose ( C6H12O6), gás oxigênio (O2) e água (Fig. 6). (Fig. 6) ORGANIZAÇÃO DOS SERES VIVOS E NOÇÕES DE BIOGENÉTICA!6

Água e gás carbônico são materiais inorgânicos; a glicose gerada na fotossíntese é um material orgânico. Pode- se dizer, então, que a fotossíntese transforma matéria inorgânica em matéria orgânica, rica em energia química. Autótrofos e heterótrofos Organismos capazes de produzir matéria orgânica utilizando matéria inorgânica são denominados autótrafos. Algas, plantas e algumas bactérias (como as cianobactérias) são os principais autótrafos do planeta. Seres que não são capazes de produzir matéria orgânica utilizando matéria inorgânica são denominados heterótrofos. Há vários tipos de heterótrofos, como os predadores e os parasitas; animais, fungos, protozoários e inúmeros tipos de bactérias são os principais heterótrofos do ambiente. Esses organismos devem consumir matéria orgânica presente no meio para obter energia. Quimiossíntese Além da fotossíntese, há outro processo capaz de gerar matéria orgânica. Trata- se da quimiossíntese, executada por algumas bactérias e alguns tipos de arqueas (antes denominadas arqueobactérias). A quimiossíntese converte matéria inorgânica em matéria orgânica, sem empregar energia luminosa; sua fonte energética é sempre alguma reação química de oxidação, envolvendo substâncias inorgânicas. Essas reações liberam a energia necessária para a síntese de matéria orgânica. Um exemplo importante é o de certas bactérias Nitrosomonas, participantes do ciclo do nitrogênio. Elas convertem amônia em nitrito, essa transformação libera energia, que é utilizada na fabricação da glicose. Liberação de energia Os seres vivos consomem matéria orgânica (heterótrofos) ou produzem- na (autótrofos). Parte da matéria orgânica, como a glicose, é empregada nos seres vivos como combustível celular, rico em energia. A glicose é degradada nos processos de respiração celular ou de fermentação. Esses processos geram moléculas menores e liberam energia, que é usada nas atividades metabólicas. Respiração celular: É um processo aeróbico de liberação de energia. Isso signi>ica que a respiração emprega gás oxigênio no processo de degradação da glicose. Essa degradação gera água e gás carbônico como resíduos. Além disso, a respiração libera energia. Parte dessa energia é dissipada como calor e outra parte é utilizada para a realização de processos metabólicos. A respiração ocorre entre diversos tipos de autótrafos e de heterótrofos. É um processo realizado durante o dia e também durante a noite. A fotossíntese, por sua vez, ocorre apenas durante o dia ou quando há iluminação no ambiente ORGANIZAÇÃO DOS SERES VIVOS E NOÇÕES DE BIOGENÉTICA!7

Fermentação: É um processo anaeróbico de liberação de energia, isto é, não emprega gás oxigênio na degradação de matéria orgânica. Pode ocorrer em diversos tipos de seres vivos, como bactérias, fungos, animais e mesmo plantas. A fermentação alcoólica é realizada por alguns tipos de fungos e de certas bactérias. Esse processo gera álcool etílico, gás carbônico e libera energia. A fermentação forma resíduo orgânico (como o álcool etílico), ainda rico em energia. Dessa maneira, a degradação da glicose não é tão intensa como a que ocorre na respiração. Outro tipo bastante conhecido é a fermentação láctica, que ocorre em certas bactérias (como as envolvidas na produção de iogurte) e nos animais (principalmente em células musculares). ATP A energia liberada na respiração e na fermentação não é utilizada diretamente nas atividades metabólicas da célula. Essa energia é temporariamente acumulada na molécula adenosina trifosfato (ATP). Assim, o ATP funciona como um acumulador temporário de energia. Ele seria correspondente à bateria de um telefone celular, que é abastecida pela rede elétrica. A molécula de ATP é constituída por três fosfatos (P) e uma adenosina. A adenosina é formada pela base nitrogenada adenina e por uma ribose (carboidrato constituído por cinco átomos de carbono). As ligações entre os fosfatos têm elevado conteúdo energético. Nas células estão dispersas diversas moléculas de ATP. Há também, em solução, íons de fosfato e adenosina difosfato, abreviada como ADP. No metabolismo celular, constantemente ocorre a formação de ATP a partir de ADP e fosfato; também ocorre o inverso: a degradação de ATP, gerando ADP e fosfato. A formação de ATP acumula energia; a degradação de ATP em ADP e P liberam energia que é empregada em atividade metabólicas, como o impulso nervoso, a contração muscular e a síntese de proteínas. ORGANIZAÇÃO DOS SERES VIVOS E NOÇÕES DE BIOGENÉTICA!8