INTRODUÇÃO O Ácido Nucleico é um polímero celular em que as unidades básicas que o constituem são nucleótidos. Contêm uma base azotada, um açúcar e um ácido fosfórico sob a forma de éster. A sua descoberta remonta ao final do século XIX, altura em que F. Miescher durante uma importante investigação sobre citoquímica isolou e analisou o núcleo das células. Estas análises revelaram uma substância presente no núcleo até aí desconhecida, a que Miescher designou por "nucleína". Esta "nucleína" era provavelmente uma nucleoproteína, complexo formado por ácidos nucleicos e proteínas. A designação de ácido nucleico foi introduzida mais tarde por Altmann, designação esta que se deve ao fato de ter sido inicialmente identificado no núcleo e porque manifesta propriedades ácidas. Pesquias posteriores vieram a revelar a existência de dois tipos de ácidos nucleicos: o ácido desoxirribonucleico (DNA na terminologia inglesa ou ADN na terminologia portuguesa) e o ácido ribonucleico (RNA). TIPOS DE ÁCIDOS NUCLEICOS a) DNA ou ADN (ácido desoxirribonucleicos). b) RNA ou ARN (ácidos ribonucleico). CONSTITUIÇÃO Nucleotídeos: Os Formadores de Ácidos Nucleicos Nucleótidos ou Nucleotídeos são compostos ricos em energia e que auxiliam os processos metabólicos, principalmente as biossínteses, na maioria das células. Funcionam ainda como sinais químicos, respondendo assim a hormônios e outros estímulos extracelulares; eles são também componentes estruturais de cofactores enzimáticos, intermediários metabólicos e ácidos nucleicos. Os nucleóticos podem ser considerados os monómeros do DNA/RNA, sendo o polimero, o próprio DNA/RNA. Os nucleotídeos são compostos por uma base nitrogenada, uma pentose e um grupo fosfato. As bases nitrogenadas podem ser classificadas em: pirimidinas e púricas. A base está ligada ao carbono 3 da pentose e o fosfato está esterificado ao carbono 5 da mesma. Tanto o DNA como o RNA tem duas bases púricas: a adenina e a guanina. Eles possuem também uma pirimidina principal: a citosina. Mas existe uma diferença entre as bases de DNA e RNA: a segunda base pirimídica, que vai ser a timina no DNA e a uracila no RNA. O DNA é o principal constituinte dos cromossomos.os genes são segmentos de molécula de DNA, responsáveis pelas características dos indivíduos. O RNA participa principalmente do processo de síntese de proteínas. ESTRUTURA DO NUCLÉOTIDEO Ácido Fosfórico H3PO4 É o único componente que não varia no nucleotídeo. Açúcares: Dois tipos de pentoses podem fazer parte de um nucleotídeo: ribose e desoxirribose (assim chamada por ter um átomo de oxigênio a menos em relação á ribose). 1
Bases Nitrogenadas: As bases nitrogenadas são representadas pela adenina, timina, guanina, citosina e uracila. As bases púricas derivam de substância purina, em cuja estrutura encontram dois anéis de carbono e nitrogênio e as pirimídicas derivam da pirimidina, onde se encontra um anel simples de carbono e nitrogênio. Bases Púricas {adenina e guanina. Bases Pirimídicas {timina, citosina e uracila. Para facilitar a compreensão da estrutura do nucleotídeo, convencionou-se representar seus componentes através de símbolos. Nucleotídeos do RNA Nucleotídeos do DNA 2
ESTRUTURA DO DNA Cada molécula de DNA é constituída por dois filamentos de nucleotídeos que se ligam através das bases nitrogenadas por fracas ligações físicas: pontes de hidrogênios. Pares de bases complementares da dupla hélice de DNA. As formas e estrutura química das bases permitem que se formem pontes de hidrogênio eficientemente apenas entre A e T e entre G e C, onde os átomos que são capazes de formar pontes de hidrogênio pode-se colocar próximo sem perturbar a dupla hélice. Duas pontes de hidrogênio são formadas entre a A e T enquanto que três são formadas entre G e C. As bases podem parear dessa forma apenas se as duas cadeias polinucleotidicas que as contém forem antiparalelas uma em relação à outra. A PROCURA DO MATERIAL GENÉTICO Nos anos de 1940, a maior parte dos cientistas acreditava que as proteínas eram as responsáveis por guardar a informação genética. Por outro lado, muito pouco era conhecido a respeito dos ácidos nucleicos e o que se sabia indicava ele não podia transportar a informação genética - suas propriedades físico-químicas eram por demais uniforme para codificar a grande variedade de características genéticas. A. Evidência que o DNA pode transformar bactéria Em 1928, Frederick Griffith realizou vários experimentos que forneceram evidências que a informação genética está contida em uma molécula específica. Griffith estava tentando encontrar uma vacina contra Streptococcus pneumoniae, uma bactéria que causa pneumonia em mamíferos. Ele conhecia que: existiam duas cepas distinguíveis de pneumococcus: uma que produzia colônias lisas (S - do inglês smooth) e outra que produzia colônias rugosas (R - do inglês rough). Células da cepa lisa são encapsuladas com uma capa de polissacarídeos, enquanto que as células da cepa regusa não possuem esta cápsula. Este dois fenótipos alternativos (S e R) são geneticamente herdados. Griffith realizou quatro conjuntos de experimentos: Experimento 1: Griffith injetou células vivas da cepa S de Streptococcus pneumoniae em camundongos. Resultado: Os camundongos morreram de pneumonia. Conclusão: A cepa encapsulada é patogênica. Experimento 2: camundongos foram injetados com células vivas da cepa R de Streptococcus pneumoniae. Resultado: Os camundongos permaneceram saudáveis. Conclusão: as cepas de bactéria que não possuíam a cápsula de polissacarídeos não eram patogênicas. Experimento 3: camundongos foram injetados com células da cepa S de pneumococcus mortas por calor. Resultado: os camundongos permaneceram saudáveis. Conclusão: a cápsula de polissacarídeo não causa pneumonia por que ela ainda está presente nas bactérias mortas pelo calor - que neste estado são não patogênicas. 3
Experimento 4: células da cepa S mortas pelo calor foram misturadas com células vivas da cepa R e injetadas em camundongos. Resultado: os camundongos desenvolveram pneumonia e morreram. Amostras de sangue dos camundongos mortos continham células de pneumococcus do tipo S vivas. Conclusão: células de pneumococcus do tipo R adquiririam das células do tipo S a habilidade de sintetizar a cápsula de polissacarídeo. Griffith cultivou células do tipo S isoladas dos camundongos mortos. Por que as bactérias produziram células filhas encapsuladas, ele concluiu que o novo trato adquirido era hereditário. Este fenômeno é agora chamado de transformação (assimilação de um material genético externo por uma célula). Qual era a natureza química do agente transformante? Griffith foi incapaz de responder esta questão, mas outros cientistas continuaram a pesquisa realizada por este pesquisador. O experimento de Griffith indicou que as proteínas não poderiam ser o material genético. O calor desnatura as proteínas mesmo assim ele não destruiu a habilidade transformante do material genético das cepas do tipo S mortas pelo calor. B. Evidência que o DNA viral pode programar células de bactérias Evidências adicionais de que o DNA poderia ser o material genético veio dos estudos com bacteriófagos (vírus que infectam bactérias). Em 1952, Alfred Hershey e Martha Chase descobriram que o DNA é o material genético do fago T2. Eles conheciam que o T2: É um dos muitos fagos que infectam a enterobactéria Escherichia coli. O T2 pode rapidamente reprogramar células de E. coli de forma que ela produza mais fagos T2 e os libere por ocasião de sua lise. O que Hershey e Chase não sabiam era qual dos componentes virais o DNA ou a proteína era o responsável por reprogramar a célula hospedeira de bactéria. Eles souberam a resposta ao realizar o seguinte conjunto de experimentos: Experimento realizado por Hershey e Chase Fagos foram produzidos em bactérias crescendo em meio com 35S (para marcar as proteínas) ou em 32P (para marcar o DNA). Os fagos marcados desta forma foram purificados e usados para infectar células de Escherichia coli não marcadas. Após um período de incubação, as células incubadas com os fagos foram vigorosamente agitas em liquidificador e as cápsulas virais foram ceparadas das células da bactéria por centrifugação. Em ambos os casos, a radioatividade foi quantificada no sobrenadante e no precipitado da centrifugação. Experimento: Etapa 1: as proteínas e o DNA virais foram marcadas com deferentes tipos isótopos radioativos. Marcação das proteínas do bacteriófago T2: células de E. coli foram crescidas em meio de cultura contendo enxofre radioativo (35S) e infectadas com o fago T2. Os fagos, contendo suas proteínas marcadas com enxofre radioativo foram purificados. 4
Marcação do DNA do bacteriófago T2: células de E. coli foram crescidas em meio de cultura contendo fósforo radioativo (32P) e infectadas com o fago T2. Os fagos, contendo seu DNA marcado com fósforo radioativo foram purificados. Etapa 2: Os fagos purificados, contendo ou suas proteínas, ou o seu DNA marcados com isótopos radioativos foram usados para infectar culturas de células de E. coli não radioativas. As culturas foram agitadas de forma que os fagos aderidos a superfície da bactéria fossem deslocados. A mistura de bactéria mais fagos livres foi centrifugada, de forma a assentar as bactérias no fundo do tubo - os vírus mais leves permaneciam no sobrenadante. A radioatividade foi medida no sedimento e no sobrenadante. As duas medidas foram comparadas. Resultados: No tubo contendo E. coli infectadas com T2 com suas proteínas marcadas, a maior parte da radioatividade permaneceu no sobrenadante, junto com as partículas virais. Nos tubos contendo E. coli infectadas com T2 com o seu DNA marcado, a maior parte da radioatividade estava contida no sedimento, junto com as células bacterianas. Quando bactérias infectadas com fagos marcados com (32P) foram retornados ao meio de cultura, elas liberavam fagos contendo 32P em seu DNA. Conclusões: As proteínas virais permanecem fora da célula hospedeira. O DNA viral é injetado na célula hospedeira. As moléculas de DNA viral injetada na célula hospedeira provocam a produção de mais partículas virais contendo DNA e proteína. Estes dados fornecem evidências de que o ácido nucleico - e não as proteínas - é o material genético. C. Evidências adicionais de que o DNA é o material genético das células Os experimentos realizados por Hershey e Chase forneceram evidências de que o DNA é o material hereditário dos vírus. Evidências adicionais apontaram também para o DNA como o material genético das células eucariontes. Erwin Chargaff em 1947 analisou a composição do DNA de diferentes organismos e reportou notu que as proporções de adenina e timina eram idênticas, o mesmo acontecendo entre citosina e guanina. No DNA de eucariontes acerca de 30% de adenina e 30% de timina e aproximadamente 20% de citosina de 20% de guanina. A partir desses dados foram estabelecidas as chamadas regras de Chargaff. 5
Os resultados que Chargaff e sua equipe conseguiram, levaram a importantes conclusões sobre a composição de bases nitrogenadas do DNA. Foi verificado que: 1 Essa composição variava de uma espécie pra outra, mas que era constante dentro da mesma espécie. 2 Em qualquer DNA, de qualquer espécie, a porcentagem da base timina era sempre igual a da base adenina, e a porcentagem da base citosina era igual a da base guanina. Ou seja, enquanto a proporção entre as bases varia entre as espécies, o total de base púricas (A + G) é igual ao total de bases pirimídicas (T + C): ANÁLISES POR DIFRAÇÃO DE RAIOS X Enquanto alguns grupos se dedicavam à análise química do DNA, outros estudavam a estrutura da molécula por meio da difração de raios-x, uma metodologia que vinha sendo usada e que estava dando formidáveis conclusões sobre a estrutura das proteínas. Os resultados mais importantes de difração de raios-x sobre a molécula de DNA foram obtidos por Maurice Wilkins (n. 1916) e Rosalind Franklin (1920 1958). Os resultados obtidos indicavam que o DNA tinha uma estrutura helicoidal. Mas, de que maneira as fotografias obtidas por difração de raios-x indicavam essa estrutura helicoidal do DNA? A seguir podemos ver uma imagem obtida pela difração de raios-x. Reprodução parcial da figura original: http://home.sandiego.edu/~cloer/bio182s02/dna_xray.gif Com base nos dados bioquímicos e cristalográficos então disponíveis, diversos modelos para o DNA foram propostos. Alguns autores imaginaram que a molécula fosse constituída por duas fitas polinucleotídicas com as bases voltadas para dentro, porém sem qualquer relação específica entre elas. Outros imaginaram duas fitas com as bases voltadas para fora, ou ainda, três fitas entrelaçadas com as bases também voltadas para fora. A DESCOBERTA DE WATSON E CRICK Em 1953, James Watson (n. 1928) e Francis Crick (n. 1916) apresentaram um modelo compatível com os resultados experimentais que haviam sido obtiodos até o momento. Esse modelo serviu de base para experimentos históricos que confirmaram sua hipótese inicial. A estratégia empregada por esses dois pesquisadores foi a construção de um modelo molecular que levava em conta o tamanho e configuração espacial dos nucleotídeos e ainda respeitava os dados de Chargaff e os dados obtidos pela difração de raios-x. Segundo o modelo proposto por Watson e Crick, a molécula de DNA é constituída por duas cadeias polinucleotídicas dispostas em hélice ao redor de um eixo imaginário, girando para a direita (uma hélice dupla). 6
As duas cadeias polinucleotídicas mantêm-se unidas por pontes de hidrogênio, que se estabelecem entre pares de bases específicos: adenina com timina e citosina com guanina. Assim, as duas cadeias que constituem um segmento de DNA, são complementares entre si: onde em uma cadeia existir uma timina, na outra existirá uma adenina, e onde em uma existir uma guanina, na outra existirá uma citosina. Além disso, o modelo prediz que as duas cadeias polinucleotídicas sã antiparalelas, ou seja, elas têm polaridades opostas. As ligações fosfodiester estão orientadas no sentido 3 => 5, ou seja, do carbono 3 de um nucleotídeo ao carbono 5 do nucleotídeo adjacente, enquanto que na fita complementar a orientação é inversa, do carbono 5 ao 3 (5 => 3 ). Na figura 4, vemos um arranjo dos componentes do DNA. Um segmento da dupla hélice do DNA foi aberto para mostrar as estruturas claramente: (a) um diagrama químico detalhado mostrando o esqueleto de açúcar-fosfato em azul e o hidrogênio ligando as bases no centro da molécula. Podemos ver o emparelhamento das bases (A-T, C-G). (b) uma versão simplificada do mesmo segmento, enfatizando o arranjo antiparalelo dos nucleotídeos, que está representado como as estruturas das figuras-l com o fosfato 5 na ponta do L e o 3 no vértice do L. Os estudos de difração de raios-x haviam revelado que o diâmetro externo da dupla hélice é de cerca de 2 nm, enquanto que a distância entre os açúcares é de 1,1 nm. Assim, os pares de bases A-T e C-G têm o diâmetro exato para caber dentro da dupla hélice. Isso indicou que uma purina sempre se emparelha com uma pirimidina, porque o emparelhamento purina-purina ou pirimidina-pirimidina não tem diâmetros que se ajustem ao diâmetro interno da dupla hélice. A hélice dá uma volta completa a cada 3,4 nm, que corresponde a cerca de 10 pares de bases. Assim, a distância entre dois pares de bases vizinhas é de 0,34 nm. As bases timina e adenina são emparelhadas por duas pontes de hidrogênio, enquanto que a guanina com a citosina são emparelhadas por três pontes de hidrogênio, como podemos ver na figura 3 acima. Se pensarmos na hélice de DNA como uma estrutura cilíndrica, com cerca de 2 nm de diâmetro, notaremos que a superfície da molécula é irregular, formando 2 sulcos ou depressões, de tamanhos diferentes, que giram ao longo de todo o seu comprimento. O sulco menor, resulta da depressão entre as duas cadeias complementares, enquanto que o sulco maior resulta da depressão existente entre os giros adjacentes da hélice. Os sulcos são importantes porque deixam livres superfícies para a interação entre o DNA e as proteínas. 7
DADOS HISTÓRICOS No dia 25 de Abril de 1953, dois cientistas mudaram a história da ciência ao publicar um trabalho de uma página em uma importante revista científica. Os dois cientistas eram James Watson e Francis Crick, que tinham feito uma incrível descoberta sobre a molécula de DNA. Nesta época, já se sabia que a molécula de DNA transporta as informações genéticas e se conhecia sua composição, porém ninguém nunca tinha sido capaz de desvendar a sua estrutura. E esse desafio foi vencido por Watson e Crick. Na verdade, Watson e Crick tinham coletado informações de estudos realizados por outros cientistas, como Maurice Wilkins e Rosalind Franklin, para propor a estrutura do DNA. Para muitos, Watson e Crick não tinham o direito de reivindicar para si aquela descoberta, já que usaram informações de estudos de outros cientistas. A comissão do prêmio - Nobel levou isto em consideração e, em 1962, conferiu o Prêmio Nobel de Medicina a Watson, Crick e Wilkins, pela descoberta da estrutura do DNA. Rosalind Franklin já havia morrido. O fato é que a partir desta descoberta, a biologia nunca mais foi a mesma. 8. ESTRUTURA DO RNA: No RNA e pentose é sempre a ribose e as bases são: adenina, guanina, citosina e uracil. ATENÇÃO: a uracil é exclusiva do RNA. A molécula do RNA possui apenas um filamento, veja a apresentação: A cadeia de RNA a ligação dos nucleotídeos se dá entre o fosfato de uma ligação química covalente. 9. QUADRO COMPARATIVO DNA X RNA: CARACTERÍSTICAS DNA RNA Estrutura: Cadeia dupla Cadeia simples Tipo de pentose: Desoxirribose Ribose Bases nitrogenadas: A.G.C.T A.G.C.U Localização: Principalmente no núcleo Principalmente no citoplasma Peso molecular: Mais alto Mais baixo Ocorrência: Em todos os seres vivos e na maioria Em todos os seres vivos e em alguns dos dos vírus Papel biológico Transmissão dos caracteres hereditários. vírus Síntese protéica 8
QUEM VEIO PRIMEIRO O DNA OU RNA? A proposição do "Mundo do RNA" (RNA world) feita por Walter Gilbert em 1986, é considerada pela maioria dos cientistas a etapa mais bem conhecida no campo da origem da vida, e talvez a única em que se tenha claramente ultrapassado o domínio da especulação. Ela supõe que antes das células modernas, o RNA era o material genético e era ele que catalisava as reações químicas nas células primitivas. Apenas posteriormente é que o DNA tornou-se o material genético e as proteínas os maiores componentes estruturais e catalisadores das células. Essa hipótese é reforçada pelo pareamento complementar dos nucleotídeos; o que promove a cópia exata de uma sequência, pois, por conta da complementaridade das bases, uma sequência serve de modelo para outra; pela descoberta das ribozimas, moléculas de RNA que possuem atividade catalítica e participam de importantes reações nas células modernas e pelos viróides e virusóides, agentes infecciosos de plantas que consistem em um RNA pequeno (200 nucleotídeos), circular, fita simples, não codificante que, através da maquinaria de transcrição da célula hospedeira, é capaz de se autorreplicar. Por isso, as ribozimas, os viróides e os virusóides são considerados fósseis moleculares do mundo do RNA (RNA world). É BOM SABER A molécula de DNA tem duas propriedades principais: Replicação e Transcrição. 10. REPLICAÇÃO DO DNA: CONCEITO: É a capacidade de produção de cópias autênticas das moléculas de DNA. LOCALIZAÇÃO DO PROCESSO Em procariontes ocorre na hialoplasma enquanto nos eucariontes, realiza-se no núcleo. OBS.: O DNA das organelas, como mitocôndrias e cloroplastos duplica-se em sua matriz, independentemente do DNA nuclear. OBJETIVOS: É durante o período S da interfase que o DNA se replica. A consequência do aumento do número das moléculas de DNA na célula é a DIVISÃO CELULAR, portanto a autoduplicação é o processo que garante a hereditariedade da informação genética e consequente manutenção do padrão genético das espécies. 9
Replicação do DNA Processo semi-conservativo Helicase DNA-Polimerases Ligase Girase Fragmentos de OKASAKI Resultado do antiparalelismo Enzima: ligase 10
EVIDÊNCIA DA REPLICAÇÃO SEMICONSERVATIVA Já se tinha as evidências de que o DNA era a molécula que continha as informações hereditárias e, já tínha-se um modelo para sua estrutura. Faltava uma proposta para como essa molécula se replicava, isto é, se reproduzia. Uma hipótese para a replicação da molécula de DNA foi proposta por Watson e Crick em 1953, em seguida à proposta do modelo de sua estrutura. Watson e Crick imaginaram que durante a replicação do DNA, cada uma das duas cadeias da molécula serviria como um molde para a confecção de uma nova cadeia complementar. Dessa forma, uma molécula de DNA, ao se replicar, produziria duas moléculas filhas, idênticas à molécula mãe original, cada uma delas contendo uma das cadeias da molécula mãe antiga, e uma nova cadeia, recém-sintetizada. De acordo com essa hipótese, metade da molécula de DNA é conservada a cada replicação, portanto, esse mecanismo de reprodução do DNA foi chamado de replicação semiconservativa. Cores sólidas DNA original que consiste de duas hélices complementares, antiparalelas que se abrem através da quebra das pontes de hidrogênio. Cores sem preenchimento Nova hélice complementar antiparalela que é sintetizada a partir da molécula original que atua como molde. O teste da hipótese da replicação semiconservativa Tendo a hipótese da replicação semiconservativa, o próximo passo era testar essa hipótese. Esse teste foi possível graças ao desenvolvimento das técnicas de análise bioquímica que ocorreu ao longo da década de 1950. Esse teste foi feito pela primeira vez em 1958 pelos pesquisadores Matthew Meselson (n. 1930) e Franklin Stahl (n. 1929). Eles trabalharam com a marcação do DNA por incorporaçao de nitrogênio pesado 15 N. Meselson e Stahl imaginaram que, se as duas cadeias polinucleotídicas de uma molécula de DNA fossem marcadas, seria possível fazer uma previsão sobre o destino dessas cadeias no decorrer das gerações celulares subsequentes. Segundo a previsão: Meselson e Stahl a) após uma replicação, ambas as moléculas filhas estariam marcadas e cada uma delas conteria metade da marcação da molécula mãe original. b) após duas replicações, metade das moléculas estaria marcada e, a outra metade não. A metade marcada, conteria a mesma marcação que as moléculas originais (que foram geradas na primeira replicação). O teste da hipótese semiconservativa foi possível porque na época os autores dispunham de métodos eficientes para marcar as moléculas de DNA assim como para separar as moléculas marcadas das nãomarcadas, e entre as marcadas, distinguir as moléculas com diferentes quantidades de marcação. Meselson e Stahl marcaram as moléculas parentais de DNA com um isótopo pesado, mas não radioativo, do nitrogênio, o 15 N. Eles fizeram isso cultivando Escherichia coli em um meio de cultura no qual a única fonte de nitrogênio disponível era um sal contendo o isótopo 15 N. Após 14 gerações nesse meio de cultura, pôde-se prever que todo o DNA das bactérias continha 15 N ao invés de 14 N. As bactérias foram, então, transferidas para um meio de cultura contendo apenas a forma leve do nitrogênio, o 14 N. 11
Assim, todo o DNA sintetizado a partir desse momento, seria sintetizado com o 14 N, e não mais com 15 N. De acordo com a hipótese da replicação semiconservativa era previsto que, após um ciclo de replicação no novo meio de cultura (contendo apenas 14 N), cada nova molécula de DNA conteria 50% de 15 N e 50% de 14 N; e, após dois ciclos de replicação, metade das moléculas de DNA conteria apenas 14 N enquanto que a outra metade seria 50% 15 N e 50% 14 N, conforme podemos ver no esquema mostrado na figura a seguir. Agora, de que maneira foi possível identificar os diferentes tipos de molécula (contendo diferentes quantidades de 14 N e 15 N) para verificar se a previsão se confirmava? A distinção entre os diferentes tipos de DNA foi possível graças a técnica analítica desenvolvida por Jerome Vinograd, que ficou conhecida como centrifugação de equilíbrio em gradiente de densidade. O gradiente de densidade se forma quando uma solução de cloreto de césio é submetida a uma ultracentrifugação. O sal de césio fica distribuído em concentrações gradativamente maiores, do topo para o fundo do tubo de ensaio, de modo que a solução é mais densa no fundo e menos densa no topo. Quando moléculas são misturadas a uma solução de cloreto de césio, e essa mistura é submetida a uma ultracentrifugação, as moléculas se posicionarão no gradiente de densidade do césio, em uma faixa correspondente à sua própria densidade. Jerome Vinograd Moléculas de DNA com diferentes proporções de 14 N e 15 N têm densidades diferentes e, portanto, se posicionarão em regiões diferentes no tubo de ensaio de acordo com a proporção que possuírem desse elemento. O 15 N é mais denso que o 14 N, portanto teremos as moléculas de DNA distribuídas da seguinte maneira no tubo: 100% 15 N: mais abaixo (vermelho). 100% 14 N: mais acima (azul). 50% 15 N, 50% de 14 N: posição intermediária (azul/vermelho). Em seu experimento, Meselson e Stahl verificaram, que: 1 moléculas de DNA extraídas de bactérias cultivadas em meio normal com 14 N formavam uma faixa na parte superior do gradiente de cloreto de césio, ou seja, tinham uma densidade relativamente baixa. 2 O DNA extraído de bactérias cultivadas por 14 gerações em 15 N, formava uma faixa na parte inferior do gradiente, isto é, tinha uma densidade relativamente alta. 3 O DNA extraído da primeira geração produzida a partir de bactérias marcadas com 15 N e cultivadas em 14 N, ficavam numa posição intermediária do gradiente, entre as duas anteriores. 12
4 O DNA extraído da segunda geração produzida a partir de bactérias marcadas com 15 N e cultivadas em 14 N, formavam duas faixas no gradiente de césio, uma correspondente as moléculas não-marcadas ( 14 N) e outra correspondente às moléculas contendo 50% 14 N e 50% 15 N. (1) DNA da E. coli todo marcado com 15 N após 14 gerações. DNA com alta densidade no fundo do tubo de ensaio. (2) Primeiro ciclo de replicação. Temos todas as moléculas filhas marcadas (50% 15 N, 50% 14 N). DNA com densidade média em posição intermediária no tubo de ensaio. (3) Temos metade das moléculas não-marcadas (apenas 14 N) e metade marcada (50% 15 N, 50% 14 N). As moléculas de DNA ocupam duas faixas no tubo de ensaio, uma de densidade mais leve (posição mais alta) e outra de densidade média (posição intermediária) (4) Temos 75% das moléculas não-marcadas e 25% das moléculas marcadas (50% 15 N, 50% 14 N). As moléculas de DNA ocupam duas faixas no tubo de ensaio, uma, em maior quantidade, de densidade mais leve (posição mais alta) e outra de densidade média (posição intermediária). Os resultados experimentais concordaram, portanto, com a previsão da hipótese da replicação semiconservativa do DNA, a qual foi, então, aceita como verdadeira. Podemos ver na figura a seguir o modelo da replicação conservativa e o da semiconservativa e as fotografias da absorção da luz UV obtidas, mostrando as bandas de DNA no gradiente de cloreto de césio, comprovando a teoria da replicação semiconservativa. 13
Tem-se na primeira coluna a proposta de um modelo conservativo, na segunda coluna a proposta do modelo semiconservativo e, na terceira coluna, as fotografias de absorção de luz UV, obtidas por Meselson e Stahl, mostrando as bandas de DNA no gradiente de césio, confirmando a proposta da replicação semiconservativa. 14
11. TRANSCRIÇÃO: CONCEITO É a síntese de RNA a partir de um molde de DNA. LOCALIZAÇÃO DO PROCESSO Em procariontes ocorre no hialoplasma enquanto nos eucariontes realiza-se no núcleo. O PROCESSO DE TRANSCRIÇÃO PASSO 1: Enzimas abrem forquilhas no DNA. PASSO 2: O filamento complementar da forquilha é inativado. PASSO 3: A enzimas RNA polimeriza ribonucleotídeos no filamento líder da molécula de DNA que serve de molde para a síntese do RNA. PASSO 4: O RNA polimerizado é removido da forquilha. PASSO 5: Os dois filamentos do DNA paream suas bases fechando a forquilha. PASSO 6: O RNA produzido passa ao citoplasma. OBS.: Se o RNA produzido for mensageiro em células eucariotas, haverá em sua molécula ÉXONS e ÍNTRONS. Os primeiros são sequências nucleotidicas que originam polipeptídeos ou proteínas funcionais. Antes de passar ao citoplasma, os introns do RNAm são removidos por enzimas de restrição e os éxons ligam-se entre si. Este processo denomina-se SPLICING e o RNA que só possui éxons é denominado RNA homogêneo. É BOM SABER O vírus da AIDS (HIV) e outros retrovírus possuem uma enzima especial chamada Transcriptase reversa, que tem a capacidade de produzir DNA a partir de uma fita simples de RNA. 12. TIPOS DE RNA: Há, na célula, três tipos de RNA, classificados de acordo com as suas funções e estruturas RNA ribossômico (RNAr), RNA mensageiro (RNAm) e RNA transportador (RNAt). 12.1. RNA ribossômico (RNAr) O RNAr é o que ocorre em maior quantidade nas células. Essa RNA é encontrada no nucléolo, onde é produzido, e no citoplasma, associada a proteínas, formando os ribossomos. Quando alguns ribossomos associam-se a outro tipo de RNA, denominado mensageiro (RNAm), formam os polissomos ou polirribossomos que participam de síntese de proteínas. 12.2. RNA mensageiro (RNAm) O RNAm ocorre tanto no núcleo, onde é sintetizado, quanto no citoplasma, onde participa da síntese de proteínas associado aos ribissomos. O RNAm é formado por um filamento simples que contém várias sequência de três bases é chamada de códon e codifica apenas um determinado aminoácido específico. Entretanto, pode ocorrer a existência de mais de um códon para um mesmo aminoácido. 15
Códon: Sequência de três bases nitrogenadas do RNAm, que codifica um aminoácido específico. 1 códon aminoácido. 1 aminoácido 1 ou mais códons. Suponha um gene no cromossomo que codifique uma proteína hipotética: através da seguinte sequência de bases nitrogenadas do DNA; TTTTCTAAAGAC. Cada três bases no RNAm (Códon) determinará um aminoácido, de acordo com a ordem estabelecida pelos códons do RNAm. Neste exemplo, a proteína será constituída pelos seguintes aminoácidos: lisina, arginina, fenilalanina e leucina. 12.3. RNA transportador (RNAt): O RNAt é o menor RNA da célula, sendo formado por pequenas cadeias de 75 a 100 nucleotídeos Uma característica importante do RNAt é a sua capacidade de se combinar, de modo reversível, com certos aminoácidos que serão transportados por eles para formar as proteínas. Esse RNA tem formato de folha de trevo e contém outros tipos de bases, além das comumente encontradas nos outros RNAs. Cada RNAt é capaz de reconhecer um determinado aminoácido e um determinado códon, no RNAm. Todo RNAt tem um filamento livre de sua molécula composta pela seguinte sequência de bases nitrogenadas: ACC. É nesse local que ocorre a associação com o aminoácido. Em outra parte da molécula existe uma sequência de três bases denominadas anticódon que reconhece a posição do aminoácido do RNAm, unindo o seu anticódon ao códon do RNAm. Esse RNA tem formato de folha de trevo e contém outros tipos de bases, além das comumente encontradas nos outros RNAs. Cada RNAt é capaz de reconhecer um determinado aminoácido e um determinado códon, no RNAm. Todo RNAt tem um filamento livre de sua molécula composta pela seguinte sequência de bases nitrogenadas: ACC. É nesse local que ocorre a associação com o aminoácido. Em outra parte da molécula existe uma seqüência de três bases denominadas anticódon que reconhece a posição do aminoácido do RNAm, unindo o seu anticódon ao códon do RNAm. Representação esquemática de RNAs associados aos aminoácidos específicos. 13. O CÓDIGO GENÉTICO As moléculas de DNA são consideradas as mestras da vida. São elas que têm as instruções de como produzir todas as partes de um novo ser vivo Essa capacidade do DNA é exercida através do controle da síntese de proteínas, o componente básico de todos os seres vivos. Cada célula de nosso corpo está produzindo, a cada instante, centenas de tipos diferentes de moléculas proteínas, as quais irão determinar o funcionamento, o tamanho, a forma e a estrutura das células. Pode-se dizer, sem risco de engano que as características de um indivíduo resultam das proteínas que formam o seu corpo. Uma vez que o DNA controla a fabricação dessas proteínas ela acaba por determinar e controlar praticamente todas as nossas características: sejam elas físicas, fisiológicas e até comportamentais. As receitas bioquímicas para a fabricação das moléculas de proteínas estão escritas em códigos código genético - na molécula de DNA. A reação para cada molécula de proteína constitui um gene. Tanto DNA, RNA, como proteínas são moléculas grandes, constituídas por várias pequenas unidades Nos três casos, a sequência destas unidades tem uma importância fundamental. É fácil então aceitar que haja uma relação entre estas sequências. De fato, a sequência de bases do DNA condiciona a seqüência de aminoácidos de proteína. Como já foi dito antes, na codificação genética, cada trinca de nucleotídeos do DNA corresponde a um aminoácido na proteína codifica no gene. Um simples cálculo matemático nos permite concluir que podem existir 64 trincas diferentes de nucleotídeos. A combinação de quatro elementos (A. G. T, C) três a três, fornece 64 trincas diferentes. Das 64 trincas possíveis, 61 correspondem a aminoácidos, e as três restantes são utilizadas para indicar onde termina uma mensagem genética (pontuação). Como existem apenas vinte tipos diferentes de aminoácidos nas proteínas dos seres vivos, concluímos que alguns são codificados por mais de uma trinca de nucleotídeos. Os cientistas por isso, dizem que o código genético é degenerado quase todos os aminoácidos têm mais de uma trinca codificada. 16
O código genético Cadeia ativa Transcrição Síntese de RNA Apenas uma cadeia de DNA serve de molde para a transcrição 17
Características do código genético - Degenerado Mais de um códon - Não-ambíguo Um só aminoácido Um aminoácido Um só códon Tradução Síntese protéica Ribossomos Livres Ligados ao RE Proteína RNAm Polirribossomos RER 18
Tradução Síntese protéica RNAr Ribossomos Proteína sintetizada RNAm Leitura do RNAm Tradução Síntese protéica RNAt - Transporte de aminoácidos 19
Tradução Síntese protéica Local - Citoplasma Tradução Síntese protéica Peptidil-transferase Iniciação e elongação 20
O processamento do RNAm em eucariotos: introns e exons Nas bactérias, a síntese de proteínas ocorre simultaneamente a produção de RNAm. Enquanto a transcrição vai ocorrendo, ao mesmo tempo os ribossomos aderem ao RNAm e promovem a tradução da mensagem, o que conduz à síntese de proteínas em série. Nos eucariotos, antes de o RNAm ser enviado ao citoplasma para participar da síntese protéica, ele precisa passar por um processamento. Isso ocorre porque, ao longo da fita de DNA que gerou o RNAm, nem toda sequência de bases representa a mensagem para a síntese da proteína. Ou seja, nem toda sequência de bases corresponde a um gene que codificará a síntese de proteína. É que existem algumas sequência de bases, conhecida como introns, que representam sequência não codificantes, e outras, os exons, que são as sequências realmente codificantes. Assim, depois que o RNAm é produzido, ele passa por um complexo processo em que os introns são retirados, cortados, por ação de enzimas, promovendo-se a união dos fragmentos contendo os exons, com a participação de outras enzimas. Somente depois de efetuado esse processamento é que o RNAm deixa o núcleo, atravessam os poros da carioteca, e alcança o citoplasma, onde participará da síntese protéica. Veja a figura 13-26. 21
Projeto Genona Humano: agora, o alvo são as proteínas. Depois de dez anos de pesquisas, os cientistas finalmente conseguiram desvendar o genoma humano. Com a divulgação dos resultados parciais desse projeto, soubemos que nossos genes não são, afinal, tão abundantes. Inicialmente, pensava se que tivéssemos 100 mil genes. Depois, as estimativas caíram para 30 a 40 mil. Agora, nova contagem aponta para 20 a 25 mil, ou seja, 25% da estimativa inicial! A verdade é que temos apenas cerca de duas vezes mais genes que a mosca drosófila (a mosca das frutas ) e possuímos pelo menos 223 genes que, ao que tudo indica, se originaram de bactérias. A sequência de genes codificantes corresponde a cerca de 1,5%, enquanto a sequência repetitiva deve representar cerca de 50% do genoma. Essa sequência repetitiva foi chamada de DNA lixo por muitos autores mas, na verdade, constitui extraordinária fonte de informação a respeito de eventos evolutivos, acreditando-se também que constitua valiosa ferramenta para estudos de genética médica. É curioso observar que em diferentes grupos de organismo a porcentagem de regiões aparentemente inativas é variável. O pequeno número de genes revelado pelo projeto genoma humano (PGH) deixa claro que a complexidade do ser humano estaria na capacidade do nosso organismo de combinar estes genes de forma correta e transformarse em uma indústria produtora de proteínas. O PGH foi apenas o pontapé inicial para começar a desvendar o grande enigma escondido dentro de cada uma de nossas células. No saldo final do projeto, as novas perguntas estão em maior número do que as respostas encontradas. Tanto é verdade que se começa a discutir um novo grande projeto para estudar todas as proteínas responsáveis pelo funcionamento do corpo humano. É um projeto ambicioso, mas que pode trazer algumas das respostas que tanto procuramos. BIBLIOGRAFIA UTILIZADAS Armenio Uzunian e Ernesto Birner, Biologia Vol. 1 3 a ed. Harbra, São Paulo 2005. Sônia Lopes, BIO vol.1, 2 a ed. 3 a Tiragem Saraiva, São Paulo 2005. Sites utilizados: www.iq.ufrj.br/~joab/iqb201/.../historico-dna.html www.biomol.org/historia/replisemicon.shtml www.biomol.org/historia/propduplahelice.shtml Imagens utilizadas: Google imagens. Biologia- César e Sezar editora Saraiva. 22
ECOLOGIA 1. INTRODUÇÃO Os seres vivos não vivem isolados na natureza, mas se relacionam ativamente com outros seres e com o meio ambiente. A humanidade precisa conscientizar-se cada vez mais da necessidade de preservação dos ambientes naturais, como forma de garantir a sobrevivência das espécies, inclusive a nossa. A mortalidade de toneladas de peixes, as praias interditadas devido à poluição, a devastação das florestas, a extinção de várias espécies, a contaminação da água e alimentos, os vazamentos nucleares, a liberação de gases venenosos para a atmosfera são frequentemente noticiados pelos meios de comunicação, cujos efeitos colocam em risco o equilíbrio natural dos sistemas ecológicos. Nos últimos anos, muitas transformações ocorreram e vários acontecimentos, alguns deles de grande dimensão vieram incorporar-se à longa lista de agressões ao meio ambiente. Entre esses, valem ser mencionados as chuvas ácidas sobre o Canadá e os Estados Unidos, a poluição atmosférica na cidade do México, a contaminação nos Estados Unidos devido às atividades da indústria armamentista, a desertificação do mar de Aral e a explosão do reator da central nuclear de Chernobyl na antiga União Soviética, a poluição industrial do leste europeu, o derramamento de óleo nas águas do Golfo Pérsico durante a Guerra do Golfo e as queimadas da Amazônia. Esses fatos, somados a uma incrível quantidade de outros, como o efeito estufa e o buraco na camada de ozônio, lograram despertar e mobilizar a opinião pública no sentido de dar um basta a uma série de ocorrências, cujo final será tornar a Terra um planeta inabitável. O homem, infelizmente, vem saqueando a natureza, poluindo e exterminando seres vivos e recursos naturais. Por isso, a ECOLOGIA pode ser considerada a ciência da sobrevivência. 2. CONCEITO A palavra ecologia, criada pelo biólogo alemão Haeckel, em 1866, origina-se do grego: oikos significa casa e logos, estudo. Num conceito mais amplo: Ecologia é a ciência que estuda as condições de existência dos seres vivos e as interações, de qualquer natureza, existentes entre esses seres vivos e seu meio. 3. NÍVEIS DE ORGANIZAÇÃO DOS SISTEMAS VIVOS Pode-se delimitar o campo de estudo da Ecologia, considerando-se o conceito de níveis de organização dos sistemas vivos, que seria um tipo de espectro biológico através do qual é possível estudar os seres vivos: Molécula Célula Tecido órgão Sistema Organismo População Comunidade Ecossistema Biosfera. 4. CONCEITOS BÁSICOS: Espécie: População ativa (dinâmica) de organismos com muitas características anatômicas, fisiológicas e de comportamento em comum. População: Conjunto de indivíduos de uma mesma espécie que vive numa mesma área e num mesmo tempo, mantendo entre si uma certa dependência. Comunidade ou Biocenose: Conjunto de todas as populações que vivem em uma mesma área. Ecossistema: Conjunto formado pela comunidade e pelo meio ambiente. *Sobre uma comunidade atuam permanentemente vários fatores físicos e químicos do ambiente, como a luz, a umidade, a temperatura, os nutrientes. Esses fatores são chamados fatores abióticos e o conjunto deles é o chamado de biótopo (do grego bios, vida e topos, lugar). Portanto, Ecossistema corresponde às comunidades de mais influências do meio. Biosfera: Conjunto de todos os ecossistemas da Terra que contém vida. Habitat: Local ou região em que vive determinado organismo em um ecossistema; constitui o endereço da espécie. Nicho Ecológico: É o papel que um organismo desempenha no ecossistema em que vive. Refere-se, portanto, à maneira como ele vive, levando-se em conta a quem serve de alimento, de que se alimenta, como obtém esse alimento, como se relaciona com outros seres. 5. SÃO CONSIDERADOS ECOSSISTEMAS parcelas de biosfera de diferentes tamanhos, como uma pequena lagoa ou o oceano todo, desde que haja intercâmbio de matéria e de energia entre seus componentes. A biosfera pode ser considerada um grande ecossistema. 23
6. IMPORTÂNCIA DA ECOLOGIA A cada dia a ecologia se torna mais importante, devido a interferência do homem sobre os ecossistemas, que em geral provoca sérios desequilíbrios ecológicos. Por isso, é importante conhecer melhor os ecossistemas e como funcionam, para propor maneiras racionais de utilização dos recursos naturais sem provocar alterações ambientais nocivas, preservando o equilíbrio da natureza. 7. EQUILÍBRIO ECOLÓGICO Imagine uma floresta, um campo ou um deserto, Essas regiões abrigam plantas que, como seres fotossintetizantes, são produtoras de alimento que garante a energia biológica necessária para a subsistência dos diversos tipos de organismos nelas existentes. Essas regiões abrigam também animais que se nutrem diretamente das plantas e outros que se nutrem de outros animais. No solo, uma análise cuidadosa revela a presença de um batalhão de microrganismos que se nutrem de matéria orgânica morta, decompondo-a e transformando-a em matéria inorgânica simples, como, por exemplo, inúmeros tipos de sais minerais estes, por sua vez, juntamente com a água, constituem os nutrientes minerais fundamentais para a atividade dos organismos fotossintetizantes. Verifica-se então que todos os organismos citados estabelecem entre si relações mais ou menos íntimas: a extinção de uma única espécie de seres vivos pode causar sérios desequilíbrios ambientais, comprometendo a estabilidade dos demais componentes vivos, Além de interagirem uns com os outros, os seres vivos dependem das condições do ambiente em que vivem. A temperatura, a luminosidade, a disponibilidade de água e o tipo de solo são alguns dos fatores ambientais que podem influenciar o desenvolvimento da vida numa determinada região. As baixas temperaturas e a escassez de luz, por exemplo, são fatores que limitam o desenvolvimento de uma vegetação exuberante nas regiões árticas, com evidentes reflexos sobre a vida animal. Os seres vivos, por sua vez, interferem sobre o ambiente, muitas vezes melhorando-o. Exemplo disso é uma cobertura de gramíneas que, ao se desenvolver sobre um terreno desmaiado, protege o solo contra a ação das chuvas e do vento, pois, com suas raízes, evitam a erosão do solo e a remoção da sua camada fértil de humo. Nos mais diversos ambientes naturais da Terra, normalmente os seres vivos estabelecem entre si, e com o ambiente em que vivem um perfeito relacionamento, capaz não somente de garantir a sua sobrevivência, mas também de preservar os recursos naturais disponíveis. Essa situação de estabilidade dos seres vivos entre si e com o ambiente em que vivem é denominada equilíbrio biológico. 8. COMPONENTES DO ECOSSISTEMA a) COMPONENTES ABIÓTICOS - São aqueles que não possuem vida, estão representados por fatores físicos e químicos do ambiente que atuam sobre os seres vivos. Na natureza, os seres vivos podem apresentar grande diversificação quanto a capacidade de suportar as variações do meio em que vivem. EURIBIONTES - Seres capazes de suportar amplos limites de variações a um determinado fator abiótico. ESTENOBIONTES - Apresentam limites relativamente estreitos de tolerância a variações ambientais. IMPORTÂNCIA DE ALGUNS COMPONENTES ABIÔTICOS Temperatura A influência da temperatura sobre os seres vivos é facilmente compreendida quando lembramos a intima relação estabelecida entre ela e a atividade das enzimas, moléculas ativadoras do metabolismo celular. Em geral, observa-se que a atividade de uma determinada enzima duplica ou triplica a cada 10 C de aumento na temperatura do meio em que ela atua. Mas existe um limite para a intensidade da ação enzimática; esse limite é variável nos diversos seres vivos mas, de maneira geral, situa-se ao redor dos 40 C. Acima disso, a atuação da enzima diminui, porque se inicia a alteração de sua estrutura química. A enzima é, assim, levada a um estado de desnaturação, desorganizando-se de tal modo que perde suas propriedades biológicas e se torna Inativa. Embora a vida normalmente se desenvolva apenas em temperaturas compreendidas entre 0 e 50 C, os seres vivos muitas vezes podem ultrapassar esses limites. Certas bactérias, por exemplo, foram encontradas vivas em águas termais ao redor dos 90 C. Quanto à tolerância às variações térmicas ambientais, os seres vivos classificam-se em: euritérmicos - os que suportam amplas variações de temperatura do meio em que vivem; estenotérmicos - os que toleram variações estreitas na temperatura de seu ambiente. Água É o componente químico mineral mais abundante na matéria viva, considerada solvente universal, ela atua no organismo como dispersante de vários compostos orgânicos e inorgânicos. Essa característica é fundamental para os seres vivos, porque as reações químicas de natureza biológica são processadas em soluções. A água, 24
constitui o veículo de transporte de substâncias, permitindo o intercâmbio de moléculas e ions entre os meios extra e intracelular. A evaporação da água através da sup. corpórea colabora com a manutenção da temperatura. Luz É um componente abiótico de extrema importância para os seres vivos. Ela é a fonte de energia para a fotossíntese, fenômeno que permite os organismos autótrofos sintetizar a matéria orgânica que nutre, direta ou indiretamente, praticamente todos os seres vivos presentes em um ecossistema. A luz é também importante veículo de informação para os organismos dotados de visão, permitindo a orientação e uma integração adequada com o meio. b) COMPONENTES BIÓTICOS - São aqueles que possuem vida, representados pelos seres vivos que compõem a comunidade biótica ou biocenose. PRODUTORES CONSUMIDORES DECOMPOSITORES PRODUTORES São organismos que possuem a capacidade de sintetizar a substância orgânica a partir da substância inorgânica, obtendo, desta forma, a energia que necessitam. Existem dois tipos de produtores. a) Fotossintetizantes - São aqueles que sintetizam a substância orgânica a partir da inorgânica, na presença de luz: vegetais são os principais produtores. São denominados AUTÓTROFOS. Na terra, são representados pelas plantas; na água, representados pelas algas flutuantes (fitoplancton). b) Quimiossintetizantes - são aqueles que obtém a energia de que necessitam a partir de substâncias inorgânicas, através de reações químicas, oxidações. Estão representados pelas bactérias. CONSUMIDORES São organismos que não possuem a capacidade de produzir o próprio alimento. São chamados de HETERÓTROFOS; alimentam-se diretamente ou indiretamente dos vegetais. São classificados em: a) Primários (ou Herbívoros) alimentam-se diretamente de produtor (vegetais). Ex: gafanhotos, coelhos, preás, caramujos e peixes herbívoros. b) Secundários quando alimentam-se de consumidores primários. São os carnívoros. Ex: cobra, coruja e lagarto. c) Terciários quando alimentam-se de consumidores secundários. Ex: onças, corujas. d) Onívoros possuem alimentação mista, alimentam-se de animal e vegetal. Ex.; homem. Os consumidores podem ter várias denominações de acordo com o tipo de alimento obtido. Eis alguns delas: Denominação herbívoro, ou fitófagos carnívoros onívoros ictófagos, ou piscívoros hematófagos coprófagos omitófagos insetívoros planctófagos detritívoros Tipo de alimento planta carne plantas e animais peixes sangue fezes aves insetos plâncton detritos orgânicos de natureza vegetal ou animal. DECOMPOSITORES Constituem um tipo especial de consumidor. alimenta-se de cadáveres em decomposição, pela reciclagem de matéria para a natureza. Estão representados pelas bactérias e fungos. São também denominados de sapróvoros, saprófitas ou sapróbios. 25
9. CADEIA ALIMENTAR Ao obter alimento, qualquer organismo está adquirindo ENERGIA para o desempenho das diversas atividades vitais que nele se processam; e matéria um conjunto de elementos químicos que constituem a matéria-prima utilizada na construção da matéria viva. Numa cadeia alimentar, existe um fluxo contínuo de alimento, isto é, de energia e matéria, dos produtores até os decompositores, passando ou não pelos consumidores. Produtor Consumidor Consumidor Consumidor Decompositor primário secundário terciário Capim Gafanhoto Ave Cobra Fungos e Bactérias Fitoplâncton Zooplâncton Insetos Peixes Bactérias e fungos 10. TEIA ALIMENTAR A teia alimentar é o conjunto de cadeias alimentares de uma comunidade. A cadeia alimentar diz respeito a um dos caminhos pelos quais fluem a matéria e a energia no ecossistema. Já a teia alimentar representa o máximo de relações entre os componentes de uma comunidade, ou seja, o conjunto de caminhos de transferência de matéria e energia no ecossistema. 26
11. NÍVEIS TRÓFICOS Em cada ecossistema existem, em geral, várias espécies de organismos produtores, consumidores e decompositores. O conjunto de todos os organismos de um ecossistema com o mesmo tipo de nutrição constitui um nível trófico ou alimentar. Os organismos autótrofos (produtores) - formam o primeiro trófico. Os animais herbívoros (consumidores primários) - formam o segundo nível trófico. s animais carnívoros (consumidores secundários) - formam o terceiro nível tráfico. Os animais carnívoros (consumidores terciários) - forma o quarto nível trófico, e assim por diante. Os decompositores ocupam o último nível de transferência de energia entre os organismos de um ecossistema. Formam um grupo especial, nutrindo-se de elementos mortos provenientes de diferentes níveis tráficos, degradando tanto produtores como consumidores. 27
Hipótese Gaia A hipótese Gaia é uma tese criada em 1969 pelo investigador britânico James E. Lovelock, para explicar o fato de todos os seres vivos estarem ligados entre si e com o ambiente físico, levantando a hipótese de que a Terra seria um organismo vivo. Para ter chegado a essas conclusões, Lovelock, juntamente com a bióloga Lynn Margulis, realizou pesquisas comparativas entre a atmosfera da Terra e a de outros planetas. Para ele, é a vida na Terra que cria as condições para a sua sobrevivência, e não o contrário, como as outras teorias sugerem. Segunda a hipótese, a Terra teria uma capacidade própria de controlar e manter as condições físicas e químicas propícias para ela através de mecanismos de retroalimentação. Assim, os fatores bióticos teriam o controle sobre os abióticos, proporcionando as condições ideais de sobrevivência para os seres vivos. Para Lovalock, a Terra precisa ser entendida e estudada como um sistema fisiológico fechado, da mesma forma que o médico estuda a interdependência das funções orgânicas do corpo humano. O nome "Gaia" é uma homenagem à deusa grega que representava a Terra na mitologia grega. Embora toda a comunidade científica concorde que os organismos influenciam o ambiente físico e por ele são influenciados, a maioria acha que não existe nenhuma forma de comprovar o fato do equilíbrio do planeta ser ajustado de forma tão perfeita pela ação dos organismos. Embora seja vista com descrédito pela comunidade científica internacional, pois em muitos casos, os processos físicos e químicos passam a ser mais importantes do que os próprios seres vivos, a teoria possui alguns simpatizantes. 28
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS: CICLO DA ÁGUA: Pequeno ciclo a água dos oceanos, lagoas, rios, geleiras e mesmo a embebida no solo sofre evaporação pela ação do calor e dos ventos, passando à forma gasosa, dando origem às nuvens. Nas camadas mais altas da atmosfera, o vapor d água sofre condensação e a água líquida volta à crosta terrestre na forma de chuva. O ciclo curto é o das chuvas e o longo é aquele de que participam os seres vivos. As plantas absorvem a água infiltrada no solo e a eliminam na forma de vapor, pela transpiração, mantendo a umidade do ar e criando, um clima favorável à manutenção da vida. Grande ciclo A água é absorvida pelos seres vivos e participa de seu metabolismo, sendo posteriormente devolvida para o ambiente. APROVEITAMENTO DA ÁGUA VEGETAIS A água entra nas plantas principalmente pelas raízes e sai principalmente pelas folhas, através dos processos de transpiração (estômatos), gustação (hidatódio) e respiração, principalmente durante o dia quando os estômatos estão abertos. E por isso que o ar é úmido nas florestas e nos desertos e áreas desmatadas. transpiração (vapor) RAIZ H 2 O VEGETAL respiração (vapor) ADAPTAÇÕES gutação (líquida) AMBIENTE SECO Os vegetais adaptam-se a um ambiente rico ou pobre em água de vários modos: um vegetal de ambiente seco possui raízes bem desenvolvidas, para buscar a água, e folhas pequenas, evitando assim a perda da água. Nestes vegetais a biomassa subterrânea é bem maior que a biomassa aérea. Além destas características morfológicas podemos encontrar as características fisiológicas, como um rápido movimento de abertura e fechamento dos estômatos, evitando assim a perda de água. 29
XEROMORFISMO Adaptação dos vegetais que vivem em ambientes secos. AMBIENTE ÚMIDO A biomassa subterrânea é pouco desenvolvida, porém e biomassa aérea é bem desenvolvida. Raízes pouco desenvolvidas, tolhas bem desenvolvidas. ANIMAIS Os animais bebem água diretamente e a ingerem através dos alimentos, Os animais estão sempre perdendo água do corpo na transpiração, na urina e nas fezes. transpiração (vapor) respiração (vapor) bebe come animal excreção (líquida) egestão (líquida) comido ADAPTAÇÕES Certos organismos que vivem em ambiente com falta de água apresentam certas adaptações que permitem sua sobrevivência, por exemplo, o rato do deserto consegue sobreviver num ambiente onde predomina a falta de água apresentando adaptações como: a) redução no número de glândulas sudoríparas. b) suporta uma urina concentrada. c) elimina fezes secas. d) utiliza a água metabólica. CICLO DO CARBONO IMPORTÂNCIA O carbono é o elemento fundamental na formação dos compostos orgânicos. Todo organismo é formado por substâncias orgânicas. Depois da água, as substâncias orgânicas são as que entram em maior quantidade na constituição dos organismos, assim, por exemplo, no corpo humano tem-se 15 a 16% de proteínas e 14% de gorduras, totalizando aproximadamente 30%. FONTE A única fonte de carbono utilizável para os seres vivos é o CO 2, atmosférico ou dissolvido na água. É graças a este carbono que através da fotossíntese ou da quimiossíntese os vegetais conseguem sintetizar as substâncias orgânicas. O carbono do dióxido de carbono é reduzido formando inicialmente carboidratos e posteriormente lípides e proteínas. APROVEITAMENTO DO CARBONO PELO VEGETAL ENTRADA - Nos vegetais o carbono entra na forma de CO 2, pelas folhas, através dos estômatos pelo fenômeno da fotossíntese, e pode sair também na forma de CO 2 pela respiração ou pela fermentação. SAÍDA - Quando o vegetal é comido, seu carbono passa para o herbívoro. Quando o vegetal morre, ele sofre uma decomposição que poderá ser normalmente total, dando como produtos finais CO 2 e H 2 0 ou uma decomposição parcial da qual vamos ter a formação dos compostos também energéticos comumente conhecidos como combustíveis, carvão, petróleo. CO 2 atmosférico folhas (estômetos) fotossíntese VEGETAL CO 2 (respiração) CO 2 (fermentação) Substância orgânica (comido) CO 2 Morre-decomposição Total parcial combustível APROVEITAMENTO DO CARBONO PELO ANIMAL ENTRADA O animal obtém o carbono de que necessita diretamente ou indiretamente do Reino Vegetal. SAÍDA O carbono sai predominantemente pela respiração no forma de CO 2. 30
Quando o animal morre, ele sofre uma decomposição total, liberando CO 2 e H 2 O, ou parcial, em que há a formação d uma substância energética que é o combustível. Na queima do combustível (petróleo, carvão) o carbono retorna para a atmosfera na forma de CO 2. Ciclo do carbono - CO 2 0,03 % da atmosfera CO 2 atmosférico Respiração Respiração Decomposição Fotossíntese Vegetais Ingestão Animais Morte Morte Restos orgânicos Combustão Combustíveis fósseis O CICLO DO CARBONO Foram apresentados apenas os níveis dos produtores e dos herbívoros, mas a passagem de carbono para os demais níveis tráficos é semelhante, até os decompositores. CICLO DO OXIGÊNIO Importância - É fundamental nos processos energéticos. É utilizado na respiração como comburente. Constitui aceptor final de hidrogênio na cadeia respiratória. Cerca de 20% da atmosfera terrestre é constituída por moléculas de oxigênio livre (O 2 ). Já a porcentagem de oxigênio dissolvido na água é bem menor e variável, em função da pressão e temperatura. As três principais fontes não vivas de átomos de oxigênio para os seres vivos são: o gás oxigênio (O 2 ), gás carbônico (CO 2 ) e a água (H 2 O). Esses três tipos de moléculas estão constantemente trocando átomos de oxigênio entre si, durante processos metabólicos da biosfera. O ciclo do oxigênio é complexo, uma vez que esse alimento é utilizado e liberado pelos seres vivos em diferentes formas de combinação química. Aproveitamento do Oxigênio pelos Vegetais Entrada Os vegetais fixam diretamente o O 2 da atmosfera, entrando nas folhas pelos estômatos, participando do processo respiratório: Saída O O 2 sai livre do Reino Vegetal, também pelos estômatos através do processo da fotossíntese (fotólise da água). 31
Aproveitamento do Oxigênio pelos Animais Entrada Do mesmo modo que os vegetais, os animais também possuem a capacidade de fixar o oxigênio livre na atmosfera, através do processo de respiração. A depender do tipo de animal poderá ser por difusão, traqueal, filotraqueal, branquial e pulmonar. Saída O oxigênio que sai do Reino Animal sai combinado e livre. O ciclo do oxigênio é bastante complicado, porque este elemento é utilizado e liberado pelos seres vivos em diferentes formas de combinação química. Nesta figura, foram representadas apenas algumas das mais importantes vias de utilização e libertação do elemento oxigênio. As setas contínuas ( ) indicam a incorporação do elemento e as setas tracejadas (- ) indicam as vias de liberação. É bom lembrarmos que o oxigênio entra na formação da camada de ozônio (O 3 ) da atmosfera terrestre. Essa camada funciona como um filtro de proteção contra as radiações ultravioletas do sol impedindo que raios 32
CICLO DO NITROGÊNIO: Ciclo do Nitrogênio N 2-79% da atmosfera Importância Composição de aminoácidos e nucleotídeos Pssiu! Processos envolvidos - Fixação - Nitrificação - Denitrificação 33
Fixação do nitrogênio N 2 NO 3- ou NH 3 Bactérias Livres no solo (Azobacter) Raízes de leguminosas (Rizobium) Cianobacterias Solo úmido Água Fungos Fixação do nitrogênio Leguminosas e Rhizobium 34
Nitrificação Bactérias quimiossintetizantes Amônia + O 2 Nitrito + energia - Nitosomonas (NITROSAÇÃO) Nitrito + O 2 Nitrato + energia - Nitrobacter (NITRATAÇÃO) Denitrificação Bactérias pseudomonas Respiração anaeróbica Amônia C 6 H 12 O 6 + 4NO 3 6CO 2 + 6H 2 O + 2N 2 ADP + Pi e ATP 35
Ciclo do nitrogênio - N 2 N 2 atmosférico Fixação Denitrificação Nitrato Animais Vegetais Morte Excreção Nitrificação Nitrito Decompositores Amônia Nitrificação Raízes de leguminosas, solo e água Ou Amônia Nitrato O início do ciclo do nitrogênio ocorre com a fixação do N 2 atmosférico por bactérias livres no solo ou associadas a raízes de plantas leguminosas. A forma mais facilmente assimilável de compostos nitrogenados pelas plantas é o nitrato (NO 3) Por isso, esse ion é usado na maioria dos adubos químicos do solo. O homem tem interferido conscientemente no ciclo do nitrogênio com o objetivo de obter maior produtividade na agricultura. Uma das maneiras de aumentar o nitrogênio disponível no solo é por meio do cultivo de leguminosas que abrigam em suas raízes bactérias fixadoras de nitrogênio (adubação verde). Outra, é pela fixação industrial, na fabricação de adubos químicos (ureia). Se a fixação de nitrogênio exceder muito a desnitrificação, podem advir algumas consequências prejudiciais aos seres vivos. O acúmulo de substâncias nitrogenadas na água pode levar a um processo de Eutrofização, provocando a proliferação de certas algas microscópicas que, além de competirem com os peixes pelo oxigênio, eventualmente liberam substâncias tóxicas, envenenando temporariamente massas de água, matando peixes e outros animais aquáticos. 36