MANUAL DE APOIO BIOLOGIA 10ª CLASSE

Tema A: Organização celular

O estudo da célula pressupõe estabelecer as relações de grandeza da sua estrutura com as unidades de medidas usuais. Esta relação  evidencia o poder resolvente.

O poder resolvente do olho humano é de apenas 0,1 mm, portanto, os pontos separados por menos de 0,1 mm parecem ser um ponto mais espesso.

As dimensões da célula estão aquém do poder resolvente do olho humano, daí a necessidade de um instrumento óptico de ampliação  das imagens (microscópio).

Microscópio óptico

Como já aprendeste nas classes anterior, o microscópio óptico é um instrumento de ampliação  das imagens.

Apresenta, na sua estrutura, o sistema de lentes objetiva e sistema de lentes ocular, suportados por peças mecânicas que permitem o seu manuseamento. 

Figura

Pode ser composto ou simples, sendo o primeiro constituído por duas ou mais lentes e o último por apenas uma lente. 

Microscópio electrónico

Uma nova fase de conhecimentos em biologia, a partir da década de 40, requereu a invenção do microscópio electrónico que permitiu a observação de estruturas celulares antes nunca vistas com o microscópio óptico.

Preparação do material para  microscopia óptica

Em microscopia óptica, o material pode ser preparado para uma observação de   ou de uma forma duradoura, sendo preparação extemporânea e preparação definitiva, respectivamente.

Célula eucariota ao microscópio óptico

A microscopia, a citologia a bioquímica e a biologia molecular permitiram a concepção da célula eucariota e da célula procariota. Essas tecnologias permitiram identificar alguns componentes básicos da estrutura celular.

Existe algumas diferenças estruturais entre uma célula animal e uma vegetal. Apesar disso, a membrana, o citoplasma e o núcleo, são organelos fundamentais existentes em ambas.

Ultra-estrutura celular

A estrutura dos organelos celulares constitui a ultra-estrutura celular cuja observação foi graças ao microscópio electrónico.

Célula procariota

Estruturalmente, a célula procariotica tem uma estrutura simples comparada com a da célula eucariotica.

Esta possui parede celular, algumas possuem cápsula, flagelos; o material nuclear não está delimitado por invólucro nuclear, sendo por isso designado por nucleóide, pois, não constitui o verdadeiro núcleo. 

O citoplasma rico em ribossomas, não apresenta organelos membranares. As cianobactérias apresentam membrana interna com pigmento fotossintéticos.

Célula eucariótica e célula procariótica - aspectos comparativos

 Ambas são unidades básicas estruturais e funcionais dos sistemas vivos;

 As procarióticas são de estrutura simples, material nuclear espalhado pelo citoplasma e sem sistema endomembranoso;

 As eucarioticas apresentam uma estrutura complexa, com organelos especializados.

Sistemas membranares

A célula eucariótica apresenta um sistema membranar complexo. Este, divide o hialoplasma em compartimentos permitindo a realização em simultâneo, de diferentes funções  metabolicas.

Apesar de delimitarem a célula, distintos meios intracelulares e apresentarem  especificidades, as membranas têm características comuns quanto a sua constituição.

Membranas biológicas 

As membranas biológicas são estruturas dinámicas com permeabilidade selectiva que regulam o intercâmbio de substâncias entre dois meios.

Membrana plasmática

A membrana plasmática delimita a célula e permite  o intercâmbio de substâncias entre a célula e o meio.

É constituída por 60 à 75% de proteínas e 25 à 40% de lípidos, havendo também membranas com glícidos.

Movimentos através  da membrana

Como já vimos anteriormente, a membrana plasmática é uma estrutura dinâmica que permite a troca de substâncias através de uma propriedade denominada permeabilidade selectiva.

Esta propriedade permite dois tipos de transporte: transporte não mediado e transporte mediado.

Transporte não mediado - as substâncias transpõem a membrana sem intervenção de moléculas transportadoras. É o caso de osmose, quando moléculas de água atravessam a membrana permeável à essa substância e menos permeável ou mesmo impermeável a substâncias dissolvidas (soluto).

O mecanismo de osmose explica-se por diferenças de concentração entre duas soluções separadas por uma membrana seletivamente permeável, proporcionando três estados:

1o Hipotónico - menor concentração em soluto;

2o Hipertónico - maior concentração em soluto;

3o Isotónico - igual concentração em soluto.

A mudança desses estado é sempre de hipertónico para hipotónico, varia com a diferença de concentração  e denomina-se velocidade osmótica.

Osmose, pode ser chamado também, difusão simples ou transporte passivo.

Transporte mediado - as substâncis atravessam a membrana facilitadas por proteínas transportadoras existentes na membrana.

O transporte mediado pode ser difusão facilitada e transporte activo.

Difusão facilitada - transporte de substâncias a favor do gradiente  de concentração. 

É um transporte passivo, mas se intervem proteínas transportadoras como a permease e efectua-se em três etapas:

1a  combinação da molécula a transportar com a permease na face de orígem;

2a  passagem da molécula através da membrana e sua separação da permease;

3a  regresso da permease à forma inicial.

Transporte activo

Consumindo energia, a célula pode  manter substâncias em concentracões diferentes em diferentes meios, realizando nesse caso, o transpiorte activo. 

Então, transporte activo é quando a célula transporta substância a favor ou contra o gradiente de concentração consumindo energia. 

É um processo frequente nos seres vivos, mormente em aquáticos que precisam de manter no organismo algumas substâncias em concentração superior ou inferior a do meio em água doce e mar respectivamente.

Endocitose e exocitose

Endocitose e exocitose são tipos de transporte mediante os quais, a célula transfer para o seu interior ou exterior,  através da invaginação da  membrana plasmática ou vesículas que se abrem para o exterior dessa membrana.

Endocitose - inclusão do material por invaginação da membrana plasmática, fotmando-se uma vesícula endocítica.

A endocitose realiza-se por dois processo:

Pinocitose - é o processo endocítico em que as substâncias entram em solução; 

Fagocitose - inclusão de macromoléculas por emissão  de pseudópodes que rodeiam o material, originando uma vesícula fagocítica.

Exocitose é a expulsão de substâncias para o exterior da célula por um processo inverso da endocitose.

Sistemas endomembranares

Apesar de ser uma estrutura homogénea, a célula apresenta uma compartimentarização por um sistema membranar que divide o hialoplasma em unidades funcionais denominadas organelos.

Retículo endoplasmático

Em 1947, Porter e Rollman (1952), descobriram uma rede de membrana distribuída por toda a célula a qual denominaram retículo endoplasmático (RE).

O retículo endoplasmático é um conjunto de sáculos achatados designados cisternas, vesículas esféricas  e túbulos de intercomunicação.

Tem a fundação de síntese e transporte de substâncias, constituindo a principal rede de distribuição dentro da célula. 

Existe dois tipos de retículo endoplasmático:

Retículo endoplasmático rugoso (RER) - tambén chamado de retículo endoplasmático granular, apresenta ribossomas na  face externa da sua membrana;

Retículo endoplasmático liso (REL) - conhecido também como agranular, não apresenta ribossomas.

A abundância do retículo é diretamente proporcional a disponibilidade de alimentos.

Complexo de Golgi

Descoberto pelo investigador Camilo Golgi, apresenta três niveis de organização:

Sáculos - discos achatados que ligam a rede periférica de tubulos e vesículas;

Dictissoma - constituído por quatro a dez sáculos unidos por numerosas fibras, apresenta face de formação e face de maturação;

Complexo de Golgi - conjunto de dictissoma, cujo número pode ser variável.

Relação entre o retículo endoplasmático e o complexo de Golgi.

O retículo endoplasmático estabelece dois tipos de relações, com o complexo de golgi:

Relação de contiguidade - numerosas vesículas sintetizadas no retículo endoplasmático são incorporadas nos dictissoma do Complexo de Golgi.

Relação de continuidade - estruturas do RE comunicam directamente com os sáculos da face de formação, através de canalículos, permitindo o trânsito de uma estrutura para outra.

Lisossomas

Lisossoma são vesículas com enzimas capazes de hidrolisar componentes bioquímicos da célula (polissacarídeos, lípidos e prótidos.

Formam-se na face de maturação do Complexo de Golgi e podem unir-se a vesículas endocíticas formando o vacúolo digestivo ou vacúolo autofágico, nesse último, onde os organelos celulares de duração limitada são digeridos.

Vacúolo

Vacúolo é uma estrutura endomembranar constituída pelo tonoplasma.

Tem orígem no retículo endoplasmático ou no complexo de golgi e é bastante desenvolvido nas células vegetais.

Armazena compostos orgânicos  e reserva também iões inorgânicos. Pode armazenar pigmentos que dão côr a célula, bem como  substâncias protetoras da planta.

Núcleo

Estrutura característica da célula eucariota, é o centro do controlo genético da célula.

Descoberto em 1831 por Robert Brown, possui dupla membrana o invólucro nuclear com numerosos poros.

Contém no seu interior o nucleoplasma onde se encontra a cromatina, constituinte fundamental do material genético que chega a constituir o nucléolo.

Mitocôndrias e cloroplastos

As mitocôndrias e os cloroplastos não se incluem nos constituintes do sistema endomembranar devido a sua peculiaridade, modo de formação, possibilidade de crescimento e divisão.

Possuem também ribossomas e DNA que processam a síntese das suas proteínas por isso são organelos semiautónomos.

Mitocôndrias

As mitocôndrias encontram-se dispersas no hialoplasma de todas as células eucarioticas e têm diferentes formas.

Possuem dupla membrana:

Membrana mitocondrial externa - que separa o organelo do hialoplasma;

Membrana mitocondrial interna - que forma uma série e pregas orientadas para o interior da mitocôndria.

Essas pregas aumentam a superfície da membrana interna e chamam-se cristas mitocondriais, cujos espaços intermembranares estão ocupados pela matriz mitocondrial.

As mitocôndrias são a sede de fenómenos respiratórios, constituindo locais de produção de ATP.

Cloroplastos

Organelos típicos da célula vegetal, com espessura de 3 a 10 um.

Apresenta a membrana interna que delimita estromas, dentro dos quais se encontram os tilacóides.

Têm grande importância, pois, é neles que se realiza a fotossíntese, processo mediante o qual os organismos autotróficos fotossinteticos transformam os compostos inorgânicos em orgânicos.

Componentes não membranares

Existem componentes celulares, nos quais não foi identificada uma estrutura membranar.

Ribossoma - constituída por duas subunidades globulares designadas subunidade maior e subunidade menor.

Ligam-se ao RNA formando polissomas ou polirribossomas, abundantes em células com elevada síntese de proteínas. 

Citoesqueleto - constituído por microtubulos e diversos microfilamentos que se intercrusam no citoplasma, tem funções análogas às do esqueleto de certos animais, pois, mantém a forma da célula, conferindo o suporte mecânico a algumas estruturas celulares e dirige o movimento de outras.

Centríolos e derivados centriolares - constituído por nove grupos de três microtubulos dispostos numa superfície cilíndrica, encontram-se em células da generalidade de organismos, excepto nas das plantas superiores, participam na divisão celular.

Superfície celular e junções intercelular

Sendo a unidade básica, estrutural  e funcional dos organismos, a célula apresenta características que lhe permite interligar-se com outras e consequentemente formar tecido.

Segundo estruturas que permitem esta interligação,  as junções intercelulares classificam-se em:

• Interdigitações - quando a junção é feita graças a saliências e reentrâncias da membrana celular que se articulam com estruturas da célula vizinha, aumentando a superfície de intercâmbio de substâncias com o meio extracelular.

• Desmossomas - quando a junção é feita por meio de placas arrendodadas onde se inserem filamentos do citoesqueleto. Portanto, desmossomas são zonas onde as células aderem umas às outras,  resistência a separação mecânica. 

• Parede celular - junção característica das células vegetais, nas bactérias e fungos, onde a membrana plasmática é envolvida por uma parede celular que confere rigidez oferecendo resistência a pressões mecânicas.

Enzimas e metabolismo celular

As células são sistemas complexos onde se realiza numerosas reações químicas denominadas metabolismo.

As reacções do  metabolismo processam-se mediante duas vias metabólicas:

Anabolismo - conjunto de reações de síntese de moléculas complexas a partir de moléculas mais simples onde as reações  são endoenergéticas;

Catabolismo - conjunto de reações de degradação de moléculas complexas em moléculas simples, cujas mesmas são exoenergéticas.

Em muitos casos, todas as reações para ocorrerem, necessitam de energia de activação e de proteínas catalisadoras de reações, denominadas enzimas.

Actuação enzimática - significado biológico

As enzimas são proteínas que actuam como biocatalizadores, cuja presença diminui a quantidade de energia necessária para activar a reação, possibilitando a realização das reacções químicas metabólicas, nas condições de temperatura intracelular.

Cada enzima actua sobre o substrato específico catalizando determinada reação. Portanto, as enzimas apresentam especificidade de acção.

Estrutura de uma enzima - Interacção enzimática

Constituição das enzimas

As enzimas têm composição  protéica, sendo formadas por uma ou mais cadeias de aminoácidos.

Geralmente as enzimas apresentam dois componentes:

apoenzima - molécula protéica;

cofactor - substância não protéica.

Essas enzimas, só são funcionais quando a apoenzima estiver ligada ao cofactor.

Ligação enzima-substrato

As enzimas apresentam uma região chamada centro activo, complementar à região do todo ou de parte do substrato. É nessa região que se estabelece a ligação, formando o complexo enzima-substrato. Assim a molécula de substrato é activada, transformando-a químicamente.

Atendendo ao modo como se estabelece a ligação para a formação do complexo enzima-substrato, os bioquímicos propõem dois modelos:

• Modelo chave-fechadura - proposto por Emil Fischer, postula que o centro activo de uma enzima tem uma estrutura onde encaixa um tipo de substrato.

• Modelo de encaixe induzido - proposto por Koshland em 1959, repudia o modelo anterior  considerando-o estático e rígido, pois para ele, existe uma interacção mais dinâmica entre a enzima e o substrato.

Factores que influenciam a actividades enzimática

A actividade enzimática sofre influência de muitos factores, entre ao quais destacam-se:

• Temperatura - directamente proporcional, pois, quando elevada for a temperatura, activada será actividade enzimática.

• Ligação intramolecular ou concentração do substrato - também indirectamente proporcional, quando mais fraca forem as ligações,  mais activada será a actividade enzimática.

• O pH - outro factor que influencia a actividade enzimática, pois, a variação do pH interfere na estrutura do centro activo por alterar a distribuição das cargas eléctricas.

• Concentração da enzima - havendo muito substrato, a velocidade de reacção é directamente proporcional a concentração da enzima.

Tema B: Bioenergética

Directa ou indirectamente, todos os sistemas vivos dependem da luz solar que flui numa única direcção ao longo de todos os organismos.

Essa energia luminosa do Sol é captada pelos produtores, na sua maioria fotossintaticos, transformada em energia química e incorporada nas ligações dos compostos orgânicos que elaboram.

Através das cadeias alimentares, passa pelos diferentes consumidores, garantindo a troca de substâncias com o meio, o movimento e a manutenção da vida.

Produção e mobilização de ATP

A energia luminosa ou química dos compostos orgânicos não pode ser utilizada directamente pela célula. Parte dessa, é incorporada e armazenada em ATP (adenosina trifosfato), fonte de energia química directamente utilizável.

A molécula de ATP é a fonte principal de energia química e apresenta a seguinte estrutura:

• Adenosina, constituída por adenina - base azotada, ribose - açúcar com 5 carbonos;

• 3 grupos fosfatos - composto inorgânico.

A molécula de ATP é formada mediante os seguintes mecanismos:

• Captação da energia luminosa solar na fotossíntese;

• Oxidação de compostos orgânicos na respiração ou na fermentação.

Fotossíntese

Considerando que a vida na Terra depende da energia luminosa do  Sol, os organismos fotossintéticos  (plantas, algas e determinadas bactérias), são os que a captam e convertem-na em energia química que armazenam em compostos orgânicos  sintetizados a partir de compostos inorgânicos. 

Este processo denomina-se fotossíntese e processa-se mediante a seguinte equação:

12H2O + 6CO2 ===> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O 

Fotossíntese, é um processo mediante o qual, os organismos autotróficos captam os compostos inorgânicos e transformam-no em compostos orgânicos. 

A reação da fotossíntese ocorre na presença da luz solar e da clorofila.

O oxigénio libertado e as substâncias orgânicas sintetizadas, são fundamentais para a manutenção da vida dos produtores, dos consumidores, bem como dos decompositores, que fazem as cadeias alimentares.

Pigmentos fotossintéticos

Pigmentos fotossintéticos são substâncias que captam a luz solar, e transformam-na em energia química, através do processo fotossintetico.

Nas plantas superiores, encontram-se nas folhas, constituindo o seu mesófilo e fazem a densidade de cloroplastos.

Há três tipos de pigmentos classificados segundo a côr que proporcionam:

Clorofila que subdivide-se em:

• Clorofila a - verde intensa;

• Clorofila b - verde amarela;

• Clorofila c - verde;

• Clorofila d - verde.

Carotenóides que subdividem-se em:

• Carotenos - laranja;

• Xantofila - amarela.

Ficobilina que subdivide-se em:

• Ficoeritrina - vermelha;

• Ficocianina - azul.

Captação da energia luminosa

À vista desarmada, apenas captamos a luz branca em 380 à 750 nm de comprimento de onda. Com ajuda de um prisma ocular, notamos que o sol apresenta as cores, vermelha, alaranjada, amarela, verde, azul e violeta. Engelman (1881), descobriu que a energia luminosa é captada nas radiações vermelha-alaranjada e azul-violeta, pela clorofila e carotenoides.

Organização dos pigmentos fotossintéticos

Nos cloroplastos, os pigmentos estão organizados em fotossistemas, inceridos na membrana dos tilacóides e constituídos por:

Pigmento antena - com 250 à 350 moléculas de clorofilas a e b e carotenos;

Centro de reacção – clorofila a;

Aceptor primário de electrões.

Mecanismos da fotossíntese

A fotossíntese processa-se mediante três mecanismos:

• Absorção - a planta absorve água e sais minerais através  das raizes e o dióxido de carbono através nas folhas;

• Transformação - os compostos inorgânicos absorvidos são transformados em orgânicos (glicose).

• Transferência e armazenamento - os compostos orgânicos sintetizados são transferido para zonas da planta onde serão utilizados para diversos processos vitais ou armazenados como reserva.

O oxigénio libertado durante a fotossíntese, provém da fotólise da água.

Fases da fotossíntese

A fotossíntese processa-se em duas fases:

Fase dependente da luz – é a fase determinante de todo o processo e nesta fase ocorre:

Captação de energia luminosa, excitando o fotossistema “centro de reacção”;

A fotólise da água;

O hidrogénio que resulta da fotólise da água reduz a NADP;

A fotofosforilação de ADP transformando-se em ATP.

Fase não dependente da luz – decorre na presença da luz, sem contudo, utilizá-la e nela ocorre os seguintes processos:

Incorporação do CO2;

Síntese de compostos orgânicos

Utilização de energia química ATP e NADPH, resultantes da 1ª fase.

Reacções que envolvem a membrana dos tilacóides

Para a efectuação das duas fases, na memrbrana dos tilacóides estão inceridos dois fotossistemas: fotossistema I, P700 e fotossistema II, P680.  

O funcionamento desses fotossistemas, permite a fotofosforilação, que classifica-se em acíclica e cíclica.

Na fotofosforilação acíclica intervêm os dois fotossistemas, enquanto, na fotofosforilação cíclica intervém apenas o fotossistema I.

A redução do fotossistema II é feita pelos electrões provenientes da fotólise de água.

A medida que os electrões percorrem as cadeias transportadoras, reduzem o NADP.

Os protões resultantes da fotólise da água, participam também na redução do NADP  

NADP+ + é + H+ ===> NADPH + H+

Já na fotofosforilação cíclica, os electrões perdidos pela clorofila a, são devolvidos através das cadeias transportadoras.

Reacções ao nível do estroma

Depois da fase fotossintética dependente da luz, ocorre uma série de reacções ao nível do estroma, e estas, são designadas Ciclo de Calvin, em homenagem ao cientista Calvin (1946 a 1953), também conhecidas como ciclo de Carbono. 

O ciclo de carbono é o conjunto de reacções que ocorrem nos estromas, e  processa-se mediante três etapas fundamentais:

- Fixação de dióxido de carbono;

- Produção de açúcares;

- Regeneração de Ribulose difosfato (RuDP).

O Ciclo de Calvin inicia quando a Ribulose difosfato combina com o dióxido de carbono, originando o ácido fosfoglicérico (PGA). Este composto segue duas vias: reação com a Ribulose monofosfato para regenerar a Ribulose difosfato  e  diversas sínteses no estroma. 

Cada 6 moléculas de CO2 formam-se 12 moléculas de PGAL, das quais, 10 vão regenerar a Ribulosa e duas vão  para a síntese de C6H12O6. Nessas reações, são utilizadas 12 moléculas de ATP,  3 por cada ciclo e 12 moléculas de NADPH, 2 por cada ciclo. 

Essas reacções resumem-se na seguinte equação:

6CO2 + 6RuDP + 18ATP + 12NADPH + 12H+ ===> C6H12O6 + 18ADP + Pi + 12NADP+ + 6RuDP 

Actividade fotossintética e outras biossínteses

Apesar de, a glucose ser o principal produto orgânico da fotossíntese, no ciclo de Calvim produz-se outros compostos orgânicos, tais como: amoníaco, ácidos gordos, glicerol e lípidos, que são utilizados pelos organismos para a realização de diversas funções vitais. 

Factores que interferem na actividade fotossintética

A actividade fotossintética conta com muitos factores interferentes. A variação de qualquer um desses, influencia negativa ou positivamente a sua intensidade. De entre vários, consideramos os seguintes:

Concentração de Dióxido de Carbono (CO2) - até 0,3% é directamente proporcional, mas a partir desse valor para diante, a actividade fotossintética se mantém constante;

A intensidade luminosa e/ou temperatura – este factor também é directamente proporcional até no intervalo de 30 a 40 ºC, pois, quanto mais alta for a temperatura, a intensidade fotossintética baixa gradualmente, actuando, por isso, como factor limitante;

A água disponível – apenas 0,1% de água absorvida pela planta, é utilizada na fotossíntese.

Como esta turge as células estomáticas e estes abrem suficientemente, desta forma, absorve-se maior quantidade de CO2, então afecta indirectamente a actividade fotossintética.

A Quimissíntese

Quimiossíntese, é o processo mediante o qual alguns organismos sintetizam compostos orgânicos sem utilizar a energia luminosa.

Esses, utilizam a energia libertada nas reacções de oxidação de sais minerais como o amoníaco. É o caso de bactérias nitrificantes, as bentônicas ou termoacidófilas.

Por utilizarem a energia que provém das reacções químicas, chamam-se quimiossintéticas, e, por produzirem os compostos orgânicos através da quimiossintese, são chamadas de quimioautotróficas.

Essas bactérias, são importantes, pois, fertilizam os solos através da reciclagem de compostos azotados e são os principais decompositores de matérias orgânicas. 

Respiração e Fermentação 

Respiração  e fermentação são vias catabólicas responsáveis pela transferência da energia de compostos orgânicos para a molécula de ATP.

A respiração pode ser:

Aeróbia - quando o último aceptor de electrões é o Oxigénio.

Anaeróbia - quanto a transferência de energia é feita sem envolvimento de oxigénio, e por isso, chama-se fermentação.

A respiração e a fermentação, têm a primeira etapa em comum denominada glicínia (glicólise), que se realiza no hialoplasma (citosol), onde a glicose é transformada em ácido pirúvico ou piruvato, havendo síntese de ATP.

Já, na fermentação, por causa da ausência de oxigênio o ácido pirúvico é convertido em etanol e CO2.

Na respiração aeróbia o ácido pirúvico penetra nas mitocôndrias, onde ocorrem reacções complexas, das quais, se liberta o CO2, forma-se água e sintetiza-se moléculas de ATP, enquanto que, na fermentação não se produz ATP.

A Glicólise, uma etapa comum à fermentação e à respiração

A Glicólise é uma via catabólica que processa-se em duas fases:

Primeira fase composta pelo conjunto de reacções que transformam a glicose em duas moléculas de aldeído fosfoglicérico (PGAL). Nesta fase ocorrem duas fosforilações, reacções que resultam a frutose-difosfato

Glicose + 2 ATP ====> 2 PGAL + 2 ADP

Segunda fase constituída por reacções que transformam as moléculas de aldeído fosfoglicérico em moléculas de ácido pirúvico.

De salientar que as duas moléculas de aldeído fosfoglicérico serão oxidadas pela desidrogenação, cujos Hidrogénios vão reduzir a molécula de ADP. Ocorre também a síntese de quatro moléculas de ATP. 

2 PGAL + 4 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ ===> 2 Ácido Pirúvico + 4 ATP + 2 NADH + 2 H+

Uma vez que foram utilizadas duas moléculas de ATP para a fosforilação e activação da glicose, o rendimento energético da glicólise é apenas de 2 ATP por molécula de glicose. 

A reacção da glicólise ocorre no hialoplasma, pois é nele que se localizam as enzimas que catalisam as diversas reacções.

Degradação  de ácido Pirúvico em condições  aeróbias

O ácido pirúvico resultante da glicólise, entra na mitocôndria, onde, em condições  aeróbias, vai participar em três fases fundamentais:

1a- Formação  de acetil-CoA;

2a - Ciclo de Krebs ou ciclo de ácido cítrico;

3a - Fosforilação oxidativa.

Formação  de acetil-Coenzima A

A formação  de acetil-Coenzima A ocorre na matriz mitocondrial onde descarboxilam-se e oxidam-se as moléculas de acido pirúvico.

Nessas reações, o CO2 é libertado e o hidrogénio vai reduzir uma molécula de NAD+, formando o NADH. O radical oxidado com dois átomos de carbono ligados a coenzima A, constitui acetil-CoA.

2 ácido pirúvico + 2 NAD+ + 2 CoA ==> 2 acetil-CoA + 2 NADH + 2 H+ + 2 CO2

Ciclo do ácido citrico ou ciclo de Krebs

O ciclo de ácido cítrico é o conjunto de reacções metabólicas que ocorrem ao nível da matriz mitocondrial, nas quais, se intervém o acetil-CoA. 

Inicia-se com a formação do ácido cítrico composto por 6 carbonos, que resulta da reacção de uma molécula de acetil-CoA (2C), com o ácido oxaloacético (um composto de 4 carbonos) seguindo depois uma série de reacções, das quais salirntam-se as seguintes:

• Duas descarboxilações e consequentemente a remoção de duas moléculas se dióxido de carbono, cujo carbonos provêm da acetil-CoA;

• Quatro oxidações do substrato, removendo 8 Hidrogenios (8 e- + 8 H+), desses, 6 vão reduzir 3 moléculas de NAD+ enquanto os outros dois vão reduzir a molécula transportadora de hidrogênio o FAD (flavina adenina dinucleótido) formando FADH2

Durante um ciclo de Krebs costitui-se apenas uma molécula de ATP, sendo regenerado no final, o ácido oxaloacético composto por 4 C.

O que se representa na seguinte equação:

2 acetil-CoA + 6 NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2 Pi ===> 4 CO2 + 6 NADH + H+ + 2 FADH2 + 2 ATP

O Ciclo de Krebs ocorre apenas em condições aeróbias, embora nessa fase o oxigénio não seja directamente utilizado.

Transporte de electrões e fosforilação oxidativa

O transporte de electrões e consequentemente, a fosforilação oxidativa é a fase mais rentável na formação de ATP entre as fases da degradação de ácido pirúvico. 

Durante esta fase, os electrões transportados pelas moléculas sintetizadas nas fases anteriores, (glicólise, formação de acetil-CoA e ciclo de ácido cítrico), formam um fluxo nos citocromos (cadeias respiratórias).

O aceptor final dos electrões é o oxigénio, que se combina com o H+ para formar  a água;

Parte de energia formada nas reacções de oxirredução, ao longo da cadeia respiratória, é utilizada na síntese de moléculas de ATP, sendo formadas 3 moléculas de ATP por cada molécula de NADH e duas por cada molécula de FADH2.

Balanço energético da respiração 

Considerando que as reacções que ocorrem nas etapas que constituem a respiração aeróbica, são endoenergéticas, salvaguarda-se que o rendimento energético desse processo é afectado pelas necessidades de energia na célula. 

Entretanto, a respiração aeróbica tem um saldo de 38 ATP, tendo em conta que, a glicólise requer a utilização de 2 ATP. 

Como o NADH hidrogenado fora da mitocôndria, os electrões são incapazes de transpor a membrana desse organelo, esse saldo pode baixar para 36, já que trata-se de 2 NADH.

Acham que, o ácido pirúvico em condições anaeróbias é utilizado como na respiração aeróbia?

Utilização de ácido pirúvico em condições anaeróbias

O ácido pirúvico é utilizado em condições  anaeróbias quando a transferência  de energia nos organismos heterótrofos é feita por fermentação.

É o caso das leveduras e algumas bactérias que, vivendo na presença de oxigénio realizam a respiração, mas na ausência desse, realizam a fermentação. 

Existem vários tipos de fermentação, o nosso objectivo cinge-se apenas na fermentação alcoólica e fermentação láctica.

Fermentação alcoólica 

Na fermentação  alcoólica, após a glicólise, o ácido pirúvico é desdobrado em etanol.

2 ácido pirúvico + 2 NADH + 2H+ ===> 2 etanol + 2 CO2 + 2 NAD+

Fermentação láctica

Nessa fermentação, o ácido pirúvico é hidrogenado pelo NADH, originando o ácido     láctico.

2 ácido pirúvico + 2 NADH + 2 H+ ====> 2 ácido láctico + 2 NAD+

Nos dois tipos de fermentação não há formação de ATP.

Fermentação e respiração  - aspectos comparativos

Fermentação e respiração são dois processos que mobilizam a energia potencial de moléculas orgânicas e transferem-na para a molécula de ATP.

Têm uma etapa em comum, onde é produzido algumas moléculas de ATP, sendo outras, produzidas na mitocôndia, em caso da respiração aeróbia, no ciclo de Krebs e fundamentalmente na fosforilação oxidativa.

Diferem-se, no entanto, no rendimento energético.

O produto final da fermentação, o etanol, é de elevada energia potencial, enquanto, o CO2 e H2O são moléculas simples com pouca energia potencial.

Como em cada molécula de ATP se transferem 7 Kcal, na fermentação as células aproveitam apenas 14 Kcal de energia potencial, ao passo que, na respiração a energia potencial aproveitada é de 266 Kcal.

TEMA C: Natureza e expressão da informação genética

O desenvolvimento desse Tema implica necessáriamente darmos a definição da genética.

"Genética é a ciência que se ocupa essencialmente em compreender as causas das variações e semelhanças entre os organismos e como estas diferentes propriedades biológicas são transmitidas de geração em geração". 

Para garantir a perpetuação  da espécie, a célula transfere para seus descendentes as  características através da sua forma de reprodução.

Essa transmissão é feita na divisão do património genético que os geneticistas chamaram de  Ácidos nucléicos

Ácidos nucléicos são moléculas formadas por nucleotídeos e têm propriedades ácidas.

Foram descobertos pela primeira vez, no século XIX, quando o médico suíço F. Miesher em 1868 isolou e analisou o núcleo da célula.

Este trabalho, permitiu descobrir que cada especie tinha uma substância típica, a qual chamou de nucleína.

Richard Altmann, em 1889, descobriu que essa nucleína tinha propriedades ácidas, localizava-se no núcleo, e valendo-se da nomenclatura, atribuíu o nome de ácido nucléico.

Existem dois tipos de ácidos: ácido desoxirribonucléico (ADN) e ácido ribonucléico (ARN).

Localização do material genético.

Material genético é uma substância protéica que caracteriza todos indivíduos e controla todas as actividades vitais. 

Este, difere-se dos organismos procariontes e dos eucariontes, quanto à sua localização dentro da célula.

Nos procariontes constitui a molécula de configuração circular chamada cromossoma bacteriana e encontra-se espalhado pelo citoplasma.

Já nos eucariontes junta-se à proteína e faz um complexo ADN-proteína que se chama cromatina.

O número de cromatina em cada célula varia de espécie para espécie.

A unidade morfológica e fisiológica da cromatina chama-se cromossoma.

Natureza Química e arquitectura dos ácidos nucléicos 

Utilizando o material celular e as técnicas apropriadas, isolou-se os ácidos nucléicos  e identificou-se três constituintes fundamentais:

1. Ácido fosfórico - cofere  aos ácidos nucléicos  as suas propriedades ácidas. Presente no ADN e ARN;

2. Pentoses - existem dois tipos: a desoxirribose (C5H10O4) e a ribose (C5H10O5);

3. Bases azotadas - podem ser chamas também bases Nitrogenadas,  são cinco e formam dois grupos: 

 bases de anel duplo - Adenina (A) e Guanina (G); 

 Bases de anel simples - Timina (T), Citosina (C) e Uracilo (U).

Em cada um dos ácidos nucléicos existem apenas quatro das bases azotadas referidas:

 A Timina só existe no ADN;

 O Uracilo só existe no ARN

 As outras três bases são comuns ao ADN e ao ARN.

Os ácidos nucléicos são polímeros constituídos por monómeros designados por nucleótidos.

Um nucleótido é constituído por três componentes diferentes:

 um grupo fosfato;

 uma pentose;

 uma base azotada.

Os nucleótidos são designados pela base que entra na sua constituição: Adenina, Guanina, Citosina, Timina e Uracilo.

A união sequencial dos nucleótidos forma uma cadeia polinucleotídica.

Estrutura do ADN

Numa cadeia polinucleotídica em formação, os núcleótidos apresentam-se sequencialmente, ligando-se pelo grupo fosfato ao carbono 3 da pentose do último nucleótido da cadeia.

A quantidade de bases azotadas não é igual para todos os organismos. O mais certo é que, as quantidades de Adenina são muito próximos às quantidades da Timina e os valores da Guanina são próximos aos da Citosina.

Segundo Rosalind Franklin, a molécula de ADN tem uma estrutura helicoidal.

Através do microscópio electrónico, descobriu-se que a espessura do ADN é 2 nm, constituindo o dobro da, de uma cadeia polinucleotídica.

Segundo Watson (1962), a molécula de ADN é constituída por duas cadeias polinucleotídicas enroladas helicoidalmente à volta do mesmo eixo.

O segmento das molécula de ADN que contêm informações genéticas denomina-se gene.

O conjunto de genes que constitui a informação genética de um indivíduo,   tem o nome de genoma.

O conhecimento de genes, permitiu aos geneticistas manipulá-los, tanto nos animais, quanto nas plantas, para melhor proveito económico e o uso das técnicas laboratoriais a essa manipulação chama-se engenharia genética..

Estrutura do ARN

O ácido ribonucleico é um polímero ribonucleótido em cadeia simples de dimensão inferior, comparado com o ADM.

Replicação do ADN

A informação genética está contida no ADN.

O ADN de cada célula autoduplica-se por replicação semíconservantiva, conservando o património genético da espécie, segundo Watson e Crick.

Essa replicação ocorre mediante várias etapas:

1a As duas cadeias, por acção da ADN-polimerase, separam-se por roptura das ligações de hidrogénio;

2a Cada uma dessas cadeias serve de molde à formação da cadeia complementar;

3a Formam-se duas cadeias de desoxirribonucleótidos;

4a Condensam-se ordenadamente os nucleótidos no sentido 5' ==> 3' e crescem as duas cadeia em sentido oposto;

5a Consequentemente, ficam formadas duas moléculas do ADN idênticas entre si e a original. 

Síntese proteica

O ADN e as proteínas, são macromoléculas de monómeros sequenciados.

O ADN é o resultado da sequência de monómeros constituídos por nucleótidos que diferem nas bases azotadas, cuja sequência confere a especificidade à molécula e forma a verdadeira linguagem codificada.

Já nas proteínas, os monómeros são formados por aminoácidos, também ordenados numa sequência particular, conferindo-lhe características e funções biológicas específicas.

A alteração de um aminoácido numa sequência, conduz a uma modificação no comportamento e função biológica dessa molécula, o que tem causado, em alguns casos, doenças hereditárias, como acontece a anemia falciforme.

A informação  para ordenar os aminoácidos está contida no ADN sob forma de um código, pela sequência das bases azotadas da molécula.

A linguagem codificada do ADN está na sequência de nucleótidos e a linguagem de proteínas está na sequência se aminoácidos.

Código genético

Em biologia molecular, estabeleceu-se um código genético com quatro letras iniciais, dos nomes dos ácidos nucléicos (os nucleótidos A, T, G, C) e a linguagem dos vinte aminoácidos das proteínas.

Este, funciona como um dicionário, utilizado pela célula, para deconotar a expressão da informação genética na síntese de proteínas.

Se cada letra codificasse um aminoácido, com as quatro seria impossível codificar os vinte.

Pensou-se então na combinação de duas letra, o que também codificaria apenas 16. Foi assim que optaram pela combinação de três, o que possibilita codificar 64, o mais que suficiente para codificar os vinte aminoácidos conhecidos.

Apoiando-se nessa última hipótese, os investigadores denominaram triplete, também chamados codões, ao grupo de três nucleótidos do ADN que codifica um aminoácido, a mais pequena unidade da mensagem genética.

Apesar de, o ADN conter a informação necessária para a síntese de proteínas que determinam as características dos seres vivos,  estas são sintetizadas nos ribossomas existentes no hialoplasma.

Do ADN nuclear para os ribossomas citoplasmáticos onde são sintetizadas as proteínas, a mensagem codificada é transportada pelo ARN mensageiro (mARN).

Isso processa-se mediante o Dogma Central da Biologia Molecular, que consiste nas duas fases: 

1a - Transcrição - segmentos do ADN codificam a produção de ARN;

2a - Tradução - ARN codifica a produção de proteínas.

Características do código genético

 Universalidade do código - há uma linguagem comum a quase todas as celulas. Conhecem-se, no entanto, algumas excepções;

 Redundância ou degenerescência do codigo - vários codões são sinónimos, codificam o mesmo aminoácido;

 O código não é ambíguo - o mesmo codão não codifica aminoácidos diferentes;

 O terceiro nucleótido de cada condão não é tão específico como os dois primeiro - por exemplo, arginina pode ser codificado pelos codões CGU, CGC, CGA, CGG;

 O tripleto AUG tem dupla função - codifica o aminoácido metionina e é um codão de iniciação da síntese protéica;

 Os tripletos UAA, UAG UGA são codões de finalização - esses codões, aparentemente sem sentido, representam sinais de fim de síntese e não codificam aminoácidos. 

Mecanismos da síntese proteica

As moléculas importantes na vida celular (proteinas), são sintetizadas ao nível dos ribossomas e a sua biossíntese processa-se em duas fazes:

 Transcrição da mensagem genérica  - segmentos do ADN codificam a produção de ARN;

 Tradução da mensagem genérica - ARN codifica a produção de proteínas.

Transcrição da mensagem genética

Transcrição é a primeira etapa da transferência da informação genética nos sistemas vivos;

Obedece uma regra de complentariedade das bases que estabelece o seguinte:

No ADN a Adenina só se liga com a Timina e a Guanina sempre se liga com a Citosina;

No ARN a Adenina só se liga com Uracilo e a Guanina sempre se liga com Citosina.

Corresponde à síntese de ARN a partir da cadeia de ADN que lhe serve de molde;

Esta síntese é catalizada pela enzima ADN-polimerase;

Realiza-se no núcleo em sentido 5' ====> 3' com transformações que variam com o tipo de ARN.

No ADN das células eucarióticas humanas, calcula-se em 4×109   pares de nucleótidos. Nesse número, figuram intrões - sequências que não codificam e exões - sequências que codificam.

Na transcrição do ADN em ARN mensageiro (mARN) funcional ou activo, retira-se os intrões e unem-se os exões

Este mARN migra depois do núcleo para o citoplasma.

Tradução da mensagem genética

A tradução é a transformação da mensagem contida no mARN em sequência de aminoácidos que constituem a cadeia polinucleotídica, envolvendo vário intervenientes como: mARN, aminoácidos, tARM  (ARN de transferência), Ribossomas, Enzimas e ATP.

Cada molécula de tARN contém apenas 80 ribonucleótidos e tem dupla função: 

1o Seleccionar e transportar o aminoácido apropriado;

2o Reconhecer o codão correspondente do mARN.

As moléculas do tARN funcionam como intérpretes entre a linguagem do mARN e a linguagem das proteínas.

A tradução comporta de três etapas: iniciação,  alongamento e finalização. 

Todos acontecimentos que ocorrem na tradução implicam a transferência de energia.

A biossíntese de proteínas apresenta as seguintes caracteristicas:

• Complexidade - intervém vários agentes;

• Rapidez - uma célula eucariótica por exemplo, (o globulo vermelho) junta 140 aminoácidos de uma cadeia de hemoglobina em dois a três minutos;

• Amplificação - a mesma zona de ADN pode ser transcrita em várias vezes, formando-se várias moléculas de mARN idênticas.

As biomoléculas resultantes dessa biossínte, condicionam todo metabolismo celular, podendo ser:

- funcionais na célula, como as enzimas e a hemoglobina;

- integradas em estruturas celulares;

- exportadas para o meio extra celular como as enzimas digestivas e as hormonas proteicas.

Tema D:  Divisão celular

A divisão celular é um processo biológico essencial, mediante o qual, as unidades básicas da vida (células) se multiplicam, garantindo a continuidade da vida e das espécies na Terra.

Nos seres unicelulares, a divisão  celular corresponde a reprodução.

Nos pluricelulares permite o crescimento e viabiliza a reprodução, tanto assexuada, quanto  sexuada, sendo na primeira, o único processo de transmissão da informação genética de uma geração à seguinte.

É também fundamental na manutenção da integridade física dos indivíduos.

Na divisão celular há a considerar o ciclo celular.

O ciclo celular é o conjunto de transformações que decorrem desde a formação de uma célula até a sua divisão, originando duas células-filhas.

Nos unicelulares  o ciclo celular corresponde também ao ciclo de vida.

Estruturas dos cromossomas eucarióticos

Cromossomas são estruturas filamentosa de grande complexidade que se encontram no núcleo das células eucarioticas.

São constituídos por cerca de 35% do ADN, 60% de proteínas e 5% do ARN.

O ADN contém a informação  genética e as proteínas regulam a actividade do ADN, conferindo, também, a forma física do cromossoma.

No núcleo das eucarioticas os cromossomas podem apresentarem-se de duas forma:

1o  - Cromatina dispersa - quando a célula não se encontra em divisão;

2o- Cromatina condensado - quando a célula está em divisão.

O conjunto dos cromossomas de uma células caracteriza uma dada espécie e chama-se cariótipo.

Nos eucariontes, os cromossomas que compõem o cariótipo, apresentam-se em pares. Os cromossomas de cada par contêm o mesmo tipo de genes e, designam-se por cromossomas homólogos.

A célula humana por exemplo tem 46 cromossomas.

Ciclo celular

Ciclo celular é o período que decorre desde uma  divisão célular até a seguinte.

Num ciclo celular consideram-se duas fases: 

 1a - Interfase - é o período que vai desde o fim de uma divisão celular até ao início da divisão  seguinte.

Divide-se em três etapa:

Período S - período de síntese; 

Etapa G1 - intervalo pós-mitótico; 

Etapa G2 - intervalo pré-mitótica.

No Período S - ocorre a auto-replicação do ADN e nas células animais duplicam-se, também, os centríolos;

A Etapa G1 - é a etapa de avaliação interna, para determinar se a célula está em condições para continuar com a divisão. Caso contrário, esta permanece num estádio denominado G0.

Já a Etapa G2 - decorre entre o final da síntese de ADN e o início da mitose;

Na maioria das células a interfase  ocupa 90% do seu ciclo, sendo esta, o período de intensas actividades biossinteticas, e consequentemente, o crescimento e duplicação do conteúdo celular.

2a - Fase mitótica - diz respeito ao período durante o qual ocorre a divisão celular.

Divide-se em duas etapas:

1a Mitose - divisão do núcleo;

Ocorrem transformações que resultam a divisão do núcleo nas células aucarióticas

Na mitose destinguem-se convencionalmente quatro estádios:

1a profase;

2a metafase;

3a anafase;

4a telofase

2a Citocinese - divisão do citoplasma e a consequente individualização das duas células-filhas.

Divisão da célula animal e da célula vegetal - principais diferenças.

Apesar de, a fase mitótica da célula vegetal seguir o modelo geral da célula animal, existe contudo, diferenças importantes, quer na mitose quer na citocinese.

Essas diferenças estão intimamente relacionadas com as estruturas dos dois tipos de células, pois, nas plantas superiores não existe centríolos e portanto, a citocinese não ocorre por estrangulamento, mas sim, por deposição de fibrilas de celulose na lamela mediana originada da membrana formada pelos derivados do  complexo de Golgi. 

Importância da mitose

-Propaga com fidelidade o programa genético de uma geração à outra;

- Permite a replicação semiconservantiva das moleculas de ADN que fazem parte dos cromossomas;

- Nos seres de reprodução assexuada garante a estabilidade genética;

- Nos seres pluricelulares permite o crescimento, a regeneração e a variabilidade genética, e consequentemente, a adaptação que permite a seleção natural;

Meiose - Redução cromossómica

Meiose é um processo de divisão celular em que ocorre a redução, para metade, do número de cromossomas.

Esse processo, compreende duas divisões nucleares sucessivas: divisão I e divisão II.

A célula cujos pares de cromossomas estão completos designa-se célula diploide e  representa-se por 2n.

Na meiose, o núcleo da célula diploide sofre duas divisões sucessivas e forma-se quatro núcleos, cada um com metade do número de cromossomas da célula inicial.

Tendo apenas um dos cromossomas homólogos da célula mãe, as quatros células filhas são designadas haplóides e representam-se por n. 

A meiose, portanto, é a divisão celular que implica a passagem de diploidia para haploidia e é sempre precedida por uma interfase idêntica à que antecede a mitose, durante a qual, no período S, se verifica também a replicação do ADN.

Divisão I - separam-se os dois cromossomas homólogos formando-se dois núcleos haplóides, por isso chama-se divisão reducional;

Divisão II - separam-se os dois cromatidios de cada cromossoma, de modo a que cada um dos quatro núcleos fica com o mesmo número de cromossomas que possuía cada núcleo no final da divisão I, porém, constituído por apenas um único cromatídio.

Como nas divisões I e II, a sequência e caracteristicas de estádios são identicas às que ocorrem em mitose, por isso, são designados do mesmo modo: profase, metafase, anafase e telofase.

Variação da quantidade de ADN durante a meiose. 

Sendo um processo de divisão celular em que ocorre a redução, para metade, do número de cromossomas, a meiose, provoca a variação do ADN. 

Assim, na anáfase I ocorre a primeira redução, como consequência da separação dos cromossomas homólogos, e por conta disso, a quantidade do ADN passa de 4Q para 2Q.

A segunda redução ocorre na anafase II, com a separação dos dois cromatídios, e em consequência, a quantidade de ADN passa de 2Q para Q.

Importância biológica da meiose

O número de combinações possíveis dos cromossomas nas células haploides depende do número cromossómico das células diploide. 

O número possível é 2n, sendo n, o número de pares de cromossomas homólogos;

A espécie humana tem 23 pares, então, 2n vai corresponder à 223, o que vai ser igual a 8 388 608 pares para cada tipo de gâmetas.

O número de combinações génicas aumenta extraordinariamente devido ao fenómeno de crossing-over.

Assim:

1o É extremamente impossível que um gâmeta  tenha apenas cromossomas de orígem materna;

2o Permite a variabilidade génica, o que em correspondência com o meio ambiente, proporciona a variabilidade do fenotípo;

3o É raro, diferentes indivíduos da mesma espécie apresentarem exactamente as mesmas características.

Portanto, a meiose assegura a estabilidade do número de cromossomas da espécie de geração em geração e possibilita as recombinações génicas novas, contribuindo para a variabilidade de características da descendência. 

Mitose e meiose - aspectos comparativos

Semelhanças:

Ambas são divisões celulares;

São sempre precedidas por uma interfase, durante a qual a quantidade do ADN duplica-se por replicação;

Diferenças:

1a Na mitose ocorre uma divisão e na meiose duas;

2a Na mitose forma-se dois núcleos e na meiose quatro;

3a Na mitose não ocorre o emparelhamento de cromossomas e na meiose ocorre;

4a Na mitose as células filhas têm o número igual ao das células mãe e na meiose tem metade;

5a Na mitose não ocorre o crossing-over e na meiose ocorre.

Ensuma, a mitose é um mecanismo de constância genética e a meiose um mecanismo de diversidade genética.

TEMA E: Genética - Transmissão  dos caracteres hereditários

Desde há séculos, que os homens se interrogam e procuram explicar o modo como se transmitem as caracteristicas hereditárias.

A explicação sobre a hereditariedade que temos hoje, está bem longe da de há dois mil anos atrás.

Actualmente, a genética, sendo uma área de conhecimento que tem como objecto de estudo os genes, tornou-se um assunto central da Biologia.

Perspectivas históricas da genética 

O grande impulso no desenvolvimento da genética e da ideologia em geral, foi dado pelo Charles Darwin, através dos seus trabalhos, demostrou que na fase da evolução e seleção,  está a acção da hereditariedade e a variabilidade.

Estas posições serviram de base para todo o desenvolvimento da genética. 

Por sua vez, a genética estabelecendo a descrição da hereditariedade, leis da variabilidade de mutações, bem como os processos da genética nas copulações, contribui na confirmação do desenvolvimento posterior da teoria de evolução de Darwin.

A genética como ciências, surgiu no século XX, mas há cerca de 150 anos, o monge Gregor Mendel (1822-1884) iniciou o estudo da transmissão dos caracteres hereditários, no jardim de um mosteiro em Brünn na República Checa.

Mendel, que muito cedo mostrou grande talento em matemática, não prosseguiu com os estudos, pois, era filho de um agricultor desprovido de recursos económicos.

Aos vinte e um anos, ingressou num mosteiro Agostinho, onde seu talento foi reconhecido, e  consequentemente, enviado para Viena durante dois anos para estudar ciências e matemática. Regressado ao mosteiro, ensinava ciências numa escola e ao mesmo tempo, suprevisionava o jardim. 

Este pequeno jardim, serviu-lhe de laboratório para provar que a transmissão dos caracteres não é ambíguo, mas sim, pode ser prevista.

Nas experiências que desenvolveu, estabeleceu as bases científicas de transmissão dos caracteres hereditários.

Mendel trabalhou com várias plantas e alguns animais, mas alcançou os melhores resultados com  ervilheiras da espécie Pissum sativum, com as quais, trabalhou durante 8 anos, cultivando mais de 10 000 plantas.

Ele optou por esta planta porque:

1o - Possuem caracteres bem diferenciados e constantes que se reconhecem facilmente;

2o- São fáceis de cultivar e têm crescimento rápido, o que permite a obtenção de várias gerações em pouco tempo;

3o- As flores possuem uma corola muito especial onde se verifica a autopolinização, ou seja, o pólen das anteras atinge o estigma do carpelo da mesma flor;

4o- A estrutura da corola não permite a entrada do pólen estranho evitando assim perturbações devidas a cruzamentos não desejado;

5o- Para efectuar cruzamentos entre plantas diferentes, pode realizar-se a polinização cruzada artificial.

O sucesso das investigações de Mendel não resulta apenas da escolha acertada do material biológico, mas também, de um excelente planeamento experimental, bem como, de um apropriado tratamento  de dados.

Hereditariedade autossómica com dominância

Mesmo antes de ter conhecimentos sobre a natureza do material genético, mecanismos da mitose e da meiose, Mendel, conseguiu estabelecer princípios fundamentais utilizados ainda hoje. Foi com simplicidade, rigor, persistência, criatividade e humildade científica que mereceu ser homenageado Pai da genética.

Mecanismos de transmissão hereditária de um par de alelos

Ao longo do desenvolvimento do Tema, encontraremos expressões como: fenótipo, genótipo, homozigótico e heterozigótico.

Para a melhor percepção dos conteúdos, passamos a defini-los:

Fenótipo - São características visíveis de um indivíduo. Compreende características antagónicas, fisiológicas e comportamentais.

Genótipo - é a característica genética própria, da qual dependem as suas caractericas.

Homozigótico - é quando os dois alelos de um par de cromossomas homólogos são idênticos.

Heterozigóticos - é quando os dois alelos de um par de cromossomas homólogos são diferentes.

Entrando no desenvolvimento do Tema, interessa salientar que o bom princípio metodológico, consiste em dividir os problemas simples dos complexos. Foi assim que, Mendel, ao estudar a hereditariedade cingiu-se em sete caracteres diferentes uns dos outros, estudando-os isoladamente em monibridismo.

Monibridismo é o cruzamento em que se estuda a transmissão de apenas um carácter.

Para tal, Mendel teve que identificar linhas puras (plantas que autopolinizadas dão descedentes iguais aos progenitores), para efectuar cruzamentos parentais (cruzamentos entre indivíduos pertencentes a duas linhas puras em que o caracter em estudo assume em cada um dos progenitores aspectos antagónicos) e é representado pela letra maiúscula.

 Desse crusamento, resulta a geração filial designada geração F1 ou híbridos da primeira geração. Para conseguir esse crusamento Mendel recorreu à polinização cruzada impedindo o crusamento natural de autopolinização.

Semeada essas semente e deixando que se autopolinizem, Mendel obteve a geração F2 em que aparecem indivíduos das duas linhas puras numa proporção aproximada de 3 para 1.

Exercício exemplar 

Cruzam-se uma planta de flores cor vermelha (VV) com outra de flores cor branca (vv). Determine a geração F1 . Considera-se VV- dominante e vv- recessivo.

Na resolução desse exercício temos de term em conta os passis a seguir:

1 passo - determinar os gámetas dos progenitores

2 passo -  determinar os gâmetas da F1 

3 passo - estabelecer o quadro mendeliano;

4 passo - determinar a proporção fenotípica e genotipica.

Nesse caso, P= progenitor; G= gâmetas; F1= primeira geração; F2= segunda geração.

Quadro mendeliano - é assim chamado porque foi Grehor Mendel quem inventou e utilizou nas experiências que fazia durante 8 anos, tendo cultivado mais de 10 000 ervilheiras.

Seguindo os passos da resolução teremos:

1o passo - P: VV e vv

2o  passo -   G: VV X vv; G F1: Vv, Vv, Vv, Vv

3o passo - quadro mendeliano

4o  passo - determinar asbproporções genotipica e genotipica. 

De Mendel à actualidade

Com o avanço do conhecimentos científicos descobriu-se que a transmissão dos caracteres hereditários era devido à segmentos de ADN dos cromossomas que designam-se por genes. 

Os genes podem apresentar formas alternativas chamadas genes alelos e a zona de um cromossoma onde se situa um gene chama-se locus cujo plural é loci. 

Os genes podem estar localizados nos autossomas, podendo chamar-se genes autossómicos, cujo modo de transmissão define a hereditariedade autossómica.

Crusamento-teste em monibridismo

Cruzamento-teste é quando se cruzam indivíduo de fenótipo dominante e genótipo desconhecido com indivíduos de linhas puras recessivos.

Valendo-se do princípio Mendeliano, concluiu-se que 2/3 dos indivíduos da geração F2 são heterozigóticos, embora fenotípicamente revelam a caracteristica dominante.

Se se analisar a descendência de um crusamento de indivíduos com fenótipo dominante com indivíduos de linhas puras, podemos averiguar o genótipo desses indivíduos.

Hereditariedade humana- casos de monibridismo

Cada ser humano tem a sua expressão do programa genético típico. Este programa é transmitido de geração em geração através dos mecanismos da hereditariedade, por conta disso, os filhos podem parecerem-se mais ou menos com seus pais ou com seus antepassados mais longínquos.

O estudo da transmissão genética na espécie humana  torna mais difícil  por seguintes razões:

1. Número elevado de cromossomas;

2. Pequeno número de descendentes por geração;

3. A impossibilidade de cruzamentos experimentais nos seres humanos.

Apesar de tudo, os geneticistas utilizam a técnica de genética molecular analisando com precisão o ADN evidenciando a presença ou ausência de determinados genes, ou mesmo, estabelecer a árvore genealógica de uma família, o que passa pela narração da histórias do indivíduo através dos seus  ascendentes, (país, avós, bisavos), bem como descendentes (filhos, netos e bisnetos), o que permite seguir a transmissão de certos caracteres através de várias gerações. 

Na análise dessa árvore genealógica pode determinar-se a orígem de certas anomalias ou prever os riscos  da sua transmissão para gerações futuras.

Por exmplo, o albinismo é uma alteração genética hereditária rara, que pode surgir em vários grupos de animais, inclusível no homem.

Deve-se pela incapacidade de sintetizar a melanina, e os afectados possuem cabelos brancos, pele branca e os olhos vermelhos (ausência de pigmentos da íris, permite ver o fundo do olho).

O albinismo é determinado por um alelo autossómico recessivo, porque os progenitores são fenotípicamente normais.

Aparece quando na terceira geração ocorre um casamento consaguíneo de progenitores heterozigóticos (primos direitos).

Portanto, os casamentos entre heterozigóticos permitem a expressão  fenotípica de alelos recessivos.  

Nem sempre as anomalias são determinadas por genes recessivos, pois, a Polidactilia caracterizada pela existência de um número excessivo de dedos nas mãos ou nos pés, é uma anomalia determinada por um alelo dominate, distribuído por todo o mundo e mais frequente na Ucrânia.

Mecanismos de transmissão hereditária de dois pares de alelos - Diibridismos

Diibridismo é um crusamento-teste em que se estuda a transmissão hereditária de dois pares de alelos. Então, Diíbridos - são descendentes de um cruzamento de indivíduos linhas puras que diferem entre si por dois caracteres.

Neste caso, Mendel seleccionou linhas puras de ervilheiras que diferiam entre si por dois caracteres: a cor e a forma da semente, tendo do cruzado, plantas de semente amarelas e lisas com plantas de sementes verdes e rugosas. 

Cada progenitor da geração parental possui no seu genótipo dois pares de alelo, (AALL × aall) respetivamente.

Genótipo dos Progenitores AALL e aall

Durante a formação dos gâmetas, cada par dos genes alelos funciona independentemente:

Gâmetas AL e al 

Os ibridos que resultam da fecundação destes gâmetas são genotípicamente heterozigóticos  AaLl e fenotípicamente apresentam sementes amarelas e lisas, que correspondem a manifestação fenotípica dos alelos dominantes.

Se autopolinizar-se esses diíbridos da geração F1 surge a geração F2 com quatro combinações de fenótipos nas seguintes proporções:

9,8 indíviduos com sementes amarelas;

3,1 indíviduos com sementes amarelas e rugosas;

3,3 indíviduos com sementes verdes e lisas;

1,0 indivíduo com semente verdes e rugosas;

Conforme se pode verificar do Quadro Mendeliano.

Hereditariedade e acaso

A distribuição dos cromossomas de orígem materna ou paterna faz-se aleatóriamente.

Na fecundação, o encontro de dois gâmetas de entre vários que os individuos produzem acontece ao acaso.

A distribuição dos genes pelos gâmetas é igualmente um acontecimento aleatório e segue as leis da probabilidade, e, a probabilidade de um acontecimento aleatório varia de zero à um.

Leis de Mendel

John Duff, baseando-se em novas experiências, reconfirmou os princípios mendeliano e organizou-os sob forma de leis que dedicadas a Mendel, ficaram conhecidas por Leis de Mendel.

1a Lei da uniformidade dos híbridos da 1a geração -   todos os híbridos da geração F1 são semelhantes entre si e apresentam o mesmo fenótipo;

2a Lei da disjunção ou separação dos caracteres na geração F2 - os indivíduos da geração F2  apresentam fenótipos diferentes. Esta diferença deve-se a disjunção dos alelos no momento da formação dos gâmetas  (pureza dos gâmetas).

3a Lei da independência dos caracters - os fenótipos observados mostram que a disjunção se faz de um modo independente para os diversos pares de alelos.

Actualmente, os princípios mendelianos foram agrupados em duas leis:

1a Lei de Mendel - Os dois elementos de um par de genes alelos separam-se nos gâmetas de tal modo que há probabilidade de metade dos gâmetas transportar um dos alelos e a outra metade transportar o outro alelo;

2a Lei de Mendel - Durante a formação dos gâmetas a segregação dos alelos de um gene é independente da segregação dos alelos do outro gene.

Num crusamento onde os progenitores são linhas puras em relação aos caracteres em estudo (AALL e aall) cada um deles origina um único tipo de gâmeta cuja constituição é AL e al, respectivamente.

Cruzamento texte

Como já vimos, crusamento texte ou retrocruzamento é quando se cruzam indivíduos de fenótipo dominante e genótipos desconhecidos con indivíduos de linhas puras.

Nessa situação, como todos os gâmetas de um dos progenitores possuem alelos recessivos, é possível observar atravéz da descendência, os tipos de gâmetas que o progenitor com fenótipo dominante pode fornecer.

Já na situação b)- , 50% dos descendêntes devem apresentar fenótipo dominante e 50% fenótipo recessivo.

Então o progenitor com o genótipo se que determinar é heterozigótico.

Na situação a)-, como todos os descendentes são apresentam o fenótipo dominante, o progenitor de fenótipo desconhecido é provavelmente homozigótico.

Transmissão hereditária de dois pares de alelos - Diibridismo

         AA BB - plantas altas flores vermelhas

P- 

         aa bb - plantas baixas flores brancas

G - AB AB   AB AB      

      ab ab        ab ab 

Quadro Mendeliano

O quadro apresenta os seguintes resultados:

Fenótipo: 100% plantas altas com flores vermelhas

Genótipo: 100% heterozigóticos Aa Bb 

Cruzamento diibrio - exercícios

1. Cruzamento de plantas produtoras de sementes amarelas lisas AA LL com plantas de sementes verde rugosas aa ll. Determine:

 a)- os progenitores;

b)- os gâmetas;

c)- a F1  e a F2

d)- estabelece o quadro mendeliano.

e)- represente a proporção fenotípica

2. Cruzaram-se indivíduos de duas variedades de trigo, ambas linhas puras que apresentam:

1o Grande quantidade e de pouca resistência nos fungos GG rr; 

2o grãos muito pobres e grande resistência nos fungos gg RR. Determite:

a)- progenitores;

b)- gâmetas;

c)- F1 e F2

d)- estabeleça o quadro mendeliano;

e)- proporção fenotípica

Na resolução desses exercícios temos de ter em conta os passos a seguir:

1o passo - Determinar os gámetas dos progenitores;

2o passo - Determinar os gâmetas da primeira geração (F1);

3o passo - Estabelecer o quadro mendeliano;

4o  passo - determinação da proporção fenotípica e genotípica;

E para isso: Os símbolos:

P - progenitores;

G - gâmetas;

F1 - primeira geração; 

F2 - segunda geração. 

Quanto aos gâmetas, os representados por letra maiúscula são dominantes e os representam pela  mesma letra minúscula são recessivos.

Dominância incompleta e Co-dominância

Dominância incompleta é quando os descedente de um crusamento parental apresentam um fenótipo intermediário entre o fenótipo dos dois homozigóticos. Cada um deles representa-se com inicial maiúscula, sendo a geração parental VV × BB, os híbridos da geração F1 por VB. Nessas circunstâncias, por simples observação do fenótipo, conhece-se o genótipo do indivíduo.                                                               

Por autopolinização dos indivíduos da geração F2 constitui-se a geração F3, assim:                   

-As plantas de flores brancas darão exclusivamente plantas com flores branca;                                                                    - As plantas de flores vermelhas darão exclusivamente plantas com flores vermelhas;   

-As plantas com flores cor-de-rosa originarão, tal como os híbridos da geração F1 três tipos de fenótipos diferentes e nas mesmas proporções, ou seja 25% de plantas de corola vermelha, 50% de plantas de corola rosa e 25% de plantas com flores brancas.

Co-dominância

Co-dominância é quando num crusamento parental os descendentes apresentam ambas caracteristicas fenotípicas dos progenitores, sem que ocorra dominância de um alelo sobre o seu antagónico. Verifica-se no sistema sanguíneo humano ABO, como veremos mais tarde.

Teoria cromossómica da hereditariedade

Walter Sutton (1902), na Universidade da Colúmbia observou que  na meiose os cromossomas se distribuem de tal modo que  cada gâmeta recebe um só cromossoma  de cada par de homologos.                                                     Assim, Suton concluíu que na reprodução sexuada a meiose é o processo básico da distribuição dos factores mendelianos.           

Walter Sutton e Theodor Boveri admitiram que o comportamento dos factores mendelianos podem ser explicados considerando-os como entidades, genes, localizados    nos           cromossomas. 

E essa ideia ficou assim conhecida como teoria cromossomica da hereditarieade de Suton e Boveri que resume-se então no seguinte:                                                                                   - Os genes estão localizados nos cromissomas;                        

- Os cromossomas formam pares de homólogos que pissuem no mesmo locus alelos para o mesmo caracter, por essa razão, os genes alelos estão presentes aos pares no genótipo dos indivíduos;                                                                               

 - Em cada par de cromossomas homólogos, um tem orígem materna e o outro tem orígem paterna. Na meiose dá-se a disjunção dos homólogos que são transmitidos separadamente nos gâmetas. Por essa razão há segregação de alelos;                                                                              

-Cada gâmeta pode conter qualquer combinação de cromossomas e, portanto, de genes, uma vez que a distribuição pelos gâmetas de um par de cromossómas himólogos é independente da distribuição dos outros pares . Por esta razão, a segrehação de alelos localizados em diferentes cromossomas é independente;                               

 - Pela fusão doa gâmetas forma-se um ovo, célula diploóide, em que cada gene está representado pir dois alelos. Estes  estão localizados em loci correspindentes de cromossomas   homólogos.                                                                                                                                                                                       

Alelos multipos                                                               

 Alelos multiplos ou polialelos é quando mais de duas formas alélicas  ocupam o mesmo licus em cromossomas homólogos.  Em cada indivíduo só pode estar presentes duas dessas formas alélicas, uma em cada um dos cromossomas do mesmo par de homologos. Como exemplo mais familiar de alelos multiplo é o sistema sanguineo ABO.  

Os diferente s grupos sanguíneos, muitas vezes chamados tipo de sangue são caracterizados pela presença, na surfície da membrana dos glóbulos vermelhos, de determinadas moléculas designadas antigénios, podendo tambem existir no plasma moléculas protéicas específicas sintetizadas pelo sistema imunológicos do individuo, denominadas anticorpos.

Os antigénios são biomoléculas especificas capazes de desencadear uma resposta imunológica e que varia consoante o tipo de sangue. 

O sistema imunológico de um individuo reconhece como estranhos os antigénios de um sangue diferente do seu. 

Aqui está o trabalho que ainda não terminou. Mas em todo caso, vamos tudo fazer para concluir.

Até lá contaremos com a colaboração de muitos colegas.    

Elaborado por:

Lic. António Ngunja Kandeia Multa.