Biologia celular, Notas de estudo de Engenharia de Alimentos

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Nome do Aluno

Biologia Celular

Organizadores

Paulo Takeo Sano

Lyria Mori

Elaboradoras

Solange Soares de Camargo

Maria Elena Infante-Malachias

Biologia

módulo

GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO Governador: Geraldo Alckmin Secretaria de Estado da Educação de São Paulo Secretário: Gabriel Benedito Issac Chalita Coordenadoria de Estudos e Normas Pedagógicas – CENP Coordenadora: Sonia Maria Silva

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Reitor: Adolpho José Melfi Pró-Reitora de Graduação Sonia Teresinha de Sousa Penin Pró-Reitor de Cultura e Extensão Universitária Adilson Avansi Abreu

FUNDAÇÃO DE APOIO À FACULDADE DE EDUCAÇÃO – FAFE Presidente do Conselho Curador: Selma Garrido Pimenta Diretoria Administrativa: Anna Maria Pessoa de Carvalho Diretoria Financeira: Sílvia Luzia Frateschi Trivelato

PROGRAMA PRÓ-UNIVERSITÁRIO Coordenadora Geral: Eleny Mitrulis Vice-coordenadora Geral: Sonia Maria Vanzella Castellar Coordenadora Pedagógica: Helena Coharik Chamlian

Coordenadores de Área Biologia: Paulo Takeo Sano – Lyria Mori Física: Maurício Pietrocola – Nobuko Ueta Geografia: Sonia Maria Vanzella Castellar – Elvio Rodrigues Martins História: Kátia Maria Abud – Raquel Glezer Língua Inglesa: Anna Maria Carmagnani – Walkyria Monte Mór Língua Portuguesa: Maria Lúcia Victório de Oliveira Andrade – Neide Luzia de Rezende – Valdir Heitor Barzotto Matemática: Antônio Carlos Brolezzi – Elvia Mureb Sallum – Martha S. Monteiro Química: Maria Eunice Ribeiro Marcondes – Marcelo Giordan Produção Editorial Dreampix Comunicação

Revisão, diagramação, capa e projeto gráfico: André Jun Nishizawa , Eduardo Higa Sokei , José Muniz Jr. Mariana Pimenta Coan , Mario Guimarães Mucida e Wagner Shimabukuro

Caro aluno, Com muita alegria, a Universidade de São Paulo, por meio de seus estudantes e de seus professores, participa dessa parceria com a Secretaria de Estado da Educação, oferecendo a você o que temos de melhor: conhecimento. Conhecimento é a chave para o desenvolvimento das pessoas e das nações e freqüentar o ensino superior é a maneira mais efetiva de ampliar conhecimentos de forma sistemática e de se preparar para uma profissão. Ingressar numa universidade de reconhecida qualidade e gratuita é o desejo de tantos jovens como você. Por isso, a USP, assim como outras universidades públicas, possui um vestibular tão concorrido. Para enfrentar tal concorrência, muitos alunos do ensino médio, inclusive os que estudam em escolas particulares de reconhecida qualidade, fazem cursinhos preparatórios, em geral de alto custo e inacessíveis à maioria dos alunos da escola pública. O presente programa oferece a você a possibilidade de se preparar para enfrentar com melhores condições um vestibular, retomando aspectos fundamentais da programação do ensino médio. Espera-se, também, que essa revisão, orientada por objetivos educacionais, o auxilie a perceber com clareza o desenvolvimento pessoal que adquiriu ao longo da educação básica. Tomar posse da própria formação certamente lhe dará a segurança necessária para enfrentar qualquer situação de vida e de trabalho. Enfrente com garra esse programa. Os próximos meses, até os exames em novembro, exigirão de sua parte muita disciplina e estudo diário. Os monitores e os professores da USP, em parceria com os professores de sua escola, estão se dedicando muito para ajudá-lo nessa travessia. Em nome da comunidade USP, desejo-lhe, meu caro aluno, disposição e vigor para o presente desafio.

Sonia Teresinha de Sousa Penin. Pró-Reitora de Graduação.

Carta da

Pró-Reitoria de Graduação

Carta da

Secretaria de Estado da Educação

Caro aluno, Com a efetiva expansão e a crescente melhoria do ensino médio estadual, os desafios vivenciados por todos os jovens matriculados nas escolas da rede estadual de ensino, no momento de ingressar nas universidades públicas, vêm se inserindo, ao longo dos anos, num contexto aparentemente contraditório. Se de um lado nota-se um gradual aumento no percentual dos jovens aprovados nos exames vestibulares da Fuvest — o que, indubitavelmente, comprova a qualidade dos estudos públicos oferecidos —, de outro mostra quão desiguais têm sido as condições apresentadas pelos alunos ao concluírem a última etapa da educação básica. Diante dessa realidade, e com o objetivo de assegurar a esses alunos o patamar de formação básica necessário ao restabelecimento da igualdade de direitos demandados pela continuidade de estudos em nível superior, a Secretaria de Estado da Educação assumiu, em 2004, o compromisso de abrir, no programa denominado Pró-Universitário, 5.000 vagas para alunos matriculados na terceira série do curso regular do ensino médio. É uma proposta de trabalho que busca ampliar e diversificar as oportunidades de aprendizagem de novos conhecimentos e conteúdos de modo a instrumentalizar o aluno para uma efetiva inserção no mundo acadêmico. Tal proposta pedagógica buscará contemplar as diferentes disciplinas do currículo do ensino médio mediante material didático especialmente construído para esse fim. O Programa não só quer encorajar você, aluno da escola pública, a participar do exame seletivo de ingresso no ensino público superior, como espera se constituir em um efetivo canal interativo entre a escola de ensino médio e a universidade. Num processo de contribuições mútuas, rico e diversificado em subsídios, essa parceria poderá, no caso da estadual paulista, contribuir para o aperfeiçoamento de seu currículo, organização e formação de docentes.

Prof. Sonia Maria Silva Coordenadora da Coordenadoria de Estudos e Normas Pedagógicas

A partir de agora, você vai começar a estudar a Biologia a partir daquilo que você já sabe, mas numa abordagem de perguntas e respostas. Este fascí- culo sobre Biologia Celular vai tratar resumidamente dos conceitos e proces- sos fundamentais que ocorrem na biologia da célula. O fascículo está subdivi- dido em duas unidades: I) Estrutura e Função Celular e II) Metabolismo Celu- lar. São colocadas também questões de vestibulares anteriores relacionadas com os assuntos tratados, questões de execução (Q.E.) e questões para condu- zir o seu raciocínio. Tente responder todas elas e fazer os exercícios. Pergunte ao seu monitor caso não compreenda algum assunto. Bom estudo!

Apresentação

do módulo

Unidade 1

Estrutura e

função celular

Morena Tropicana (Alceu Valença / Vicente Barreto)

Da manga rosa quero o gosto e o sumo, Melão maduro sapoti joá, Jabuticaba teu olhar noturno, Beijo travoso de umbu-cajá. Pele macia ai carne de caju, Saliva doce doce mel mel de uruçu, Linda morena fruta de vez temporana, Caldo de cana-caiana, vem me desfrutar!

Esta música, do poeta pernambucano Alceu Valença, fala da maciez da pele de uma morena, comparando-a com a polpa ou a carne de caju. O que dá esta maciez? De que são feitas a pele humana e a polpa do caju para que possam ser comparadas? O caju é de fato, macio, mas outras frutas são áspe- ras, como o coco seco. O que as distingue em termos estruturais? Isto é o que veremos nesta unidade do fascículo sobre células, o seu funcionamento e as estruturas que as compõem.

Comecemos o nosso estudo usando uma questão de vestibular da Fuvest do ano de 2001:

Qual das alternativas classifica corretamente o vírus HIV, o tronco de uma árvore, a semente de feijão e o plasmódio da malária, quanto à constituição celular?

QQQQQ UESTÃOUESTÃOUESTÃOUESTÃOUESTÃO DEDEDEDEDE VESTIBULARVESTIBULARVESTIBULARVESTIBULARVESTIBULAR

Vírus HIVVírus HIVVírus HIVVírus HIVVírus HIV

acelular acelular acelular unicelular unicelular

TTTrTTrrrronconconconconco deo deo deo deo de árvoreárvoreárvoreárvoreárvore acelular multicelular multicelular acelular acelular

Semente deSemente deSemente deSemente deSemente de feijãofeijãofeijãofeijãofeijão unicelular multicelular unicelular multicelular unicelular

PlasmódioPlasmódioPlasmódioPlasmódioPlasmódio da maláriada maláriada maláriada maláriada malária unicelular unicelular unicelular acelular acelular

a) b) c) d) e)

Organizadores Paulo Takeo Sano Lyria Mori Elaboradores Solange Soares de Camargo Maria Elena Infante-Malachias

Quem respondeu a alternativa “b” mandou bem! Vírus são os únicos seres vivos que não têm células, o resto, tudo, uma ou mais células, porque enquan- to alguns seres vivos têm trilhões de células, como a árvore, outros tem uma só como o agente causador da malária, chamado de Plasmódio.

Mas, se somos todos formados por células, o que há em nossas células para sermos tão diferentes?

No geral, podemos dizer que uma célula é uma entidade individual dentro de outras entidades maiores que formarão os tecidos, os órgãos e os sistemas. Quando dizemos individual, queremos dizer que ela é capaz, sozinha, de ob- ter energia e de se reproduzir.

Porque eu sou do tamanho do que vejo e não do tamanho da minha altura.

Fernando Pessoa

As células são formadas basicamente por uma membrana plasmática, que as separam do ambiente externo, por uma substância gelatinosa chamada de citoplasma, rica em elementos denominados organelas (que apresentaremos mais tarde), e por um núcleo que contém o material genético.

Essas estruturas podem variar de um ser vivo para outro, mas estão sem- pre presentes, como podemos ver na figura a seguir:

Fig. 1.1 – Variação entre as células dos seres vivos: A - alga unicelularEuglena; B - protozoário Amoeba; C - célula vegetal jovem de trigo; D - glóbulo branco do sangue humano. Observe que, apesar das diferenças, a estrutura fundamental é um padrão que se repete nestes quatro tipos de célula. (As células não estão na mesma escala de aumento).

Q.E. 1) Observe atentamente a figura anterior. O que há nas células vegetais e que não há nas demais células?

As células vegetais possuem uma parede, cujos componentes principais são a celulose e a pectina. É comum também a presença de lignina ou suberina, dando a ela maior dureza e resistência. Células vegetais com maiores quantida- des de lignina, como as do tronco de uma árvore, são mais rígidas que aquelas que fazem parte de tecidos “moles” da planta, como a polpa das frutas.

2. Considerando o que foi dito anteriormente sobre a permeabilidade seletiva, quais substâncias teriam “carta branca” para atravessar a membrana plasmática e por que isso acontece?

Não podemos dizer que certas moléculas ou substâncias tenham “carta branca” para atravessar a membrana. O que sabemos é que, de modo geral, substâncias pequenas atravessam a membrana de forma muito fácil, enquanto substâncias grandes não o fazem. Por outro lado, substâncias solúveis em lipídeos penetram muito mais facilmente nas células devido à composição lipoprotéica da membrana. Tem se verificado que a capacidade de atravessar a membrana decresce com o aumento do peso molecular, ou seja, com o ta- manho da molécula. Substâncias orgânicas com mais de três a cinco átomos de carbono parecem ser incapazes de atravessar a membrana plasmática pas- sivamente, como acontecem com as substâncias menores ou solúveis em lipídios. Existem, no entanto, substâncias com mais de três átomos de carbo- no e insolúveis em gordura que penetram com relativa facilidade na célula. É o caso de substâncias de grande importância para a célula, como os açúcares, os nucleotídeos e os aminoácidos. Neste caso, estas substâncias são transpor- tadas por um tipo de “facilitador de transporte”, que requer gasto de energia.

Q.E. 6) Estabeleça uma ordem de substâncias quanto ao grau de facilida- de em transportar-se pela membrana. O que estaria determinando esta ordem? Q.E. 7) Sabendo da natureza química da membrana, como você faria para rompê-la, usando um reagente facilmente encontrado em cozinha?

3. Se a membrana plasmática permite, com facilidade, a entrada e saída de substâncias menores que três carbonos, por que o transporte de íons Na+ e K+ requer gasto de energia?

Realmente, a membrana plasmática deixa passar livremente estes íons devido ao pequeno tamanho que apresentam. Eles atravessam a membrana por um processo que é chamado de difusão, ou seja, partem de um meio mais concentrado para outro de menor concentração através de um processo passi- vo que não requer gasto de energia. É pela difusão que o O 2 que respiramos penetra nas células e que os nutrientes minerais presentes no solo são absorvi- dos pelas células das raízes das plantas. É também por este processo que as células que revestem internamente o intestino dos animais, absorvem nutrien- tes minerais e pequenas moléculas presentes no alimento digerido. No entan- to, como a difusão é um processo de fluxo de mais para menos, chega um momento em que ela pára, pois as concentrações dentro e fora da célula ten- dem a se igualar.

Quando isso acontece, entram em ação certas proteínas que agem como bombas, jogando coisas para fora ou para dentro, dependendo da necessida- de da célula. E o que acontece, por exemplo, com as hemácias do sangue. Essas células apresentam internamente, uma concentração de íons K+ vinte vezes maior do que a existente no plasma circundante. Por outro lado, no plasma, a concentração de íons Na- é vinte vezes maior que no interior das hemácias. Este desequilíbrio permanece por toda a vida dessas células, o que não poderia se dar pelo simples processo de difusão. O que ocorre é que a hemácia constantemente joga K+ para dentro e Na- para fora, e isto só é possí-

Fig. 1.3 – Esquema do mecanismo proposto por Shaw para explicar as diferenças de concentração de sódio (Na) e potássio (K) entre o plasma e o citoplasma das hemácias. O sódio, que tende a penetrar, é bombeado para fora por uma substância carregadora (x); o potássio, que tende a sair, é bombeado para dentro. Este processo ativo de transporte consome energia da célula, sendo suprido pelo ATP celular.

vel através de um processo que requer gasto de energia, isto é, um processo ativo de transporte.

4. Por que é importante conhecer a membrana plasmática? Que relação ela pode ter com as coisas que eu conheço ou que já ouvi falar?

Com certeza você já deve ter ouvido falar dos pigmeus, aquelas pessoas de baixa estatura que vivem lá na África. Você sabia que o fato deles serem tão pequenos tem relação com a membrana celular? Os cientistas descobriram que esses indivíduos embora produzam quantidade normal do hormônio de crescimento humano, têm baixa estatura devido a uma característica peculiar da membrana de suas células: nela, faltam moléculas de proteínas capazes de se combinar a este hormônio e colocá-lo para dentro da célula. E, sem a entra- da desse hormônio, não há crescimento.

5. Além de controlar o que entra e o que sai da célula, existe mais alguma função atribuída à membrana plasmática?

Existe sim, a membrana é o local onde ocorre o mais importante processo metabólico das bactérias, que é a respiração. Na falta das mitocôndrias nesses seres, a membrana desempenha essa função. A membrana também participa de um outro importante processo metabólico das células que é a ingestão de alimentos ou de outras substâncias. Certos seres microscópicos, como o protozoário ameba, alimentam-se através da emissão de pequenas projeções que capturam o alimento. Este processo, chamado de fagocitose (do grego phagein , comer), é observado também nas nossas células de defesa chamadas de macrófagos. Essas células englobam bactérias e outros invasores, e em seguida os digerem, tirando-os de circulação. Células que revestem a parte interna do intestino também absorvem gotículas de gordura por um processo muito semelhante, chamado de pinocitose (do grego pinein , beber).

Q.E. 8) Escreva um pequeno texto, com suas próprias palavras, no qual os conceitos membrana plasmática, pinocitose e fagocitose estejam relacionados.

a questão é a “b”, ou seja, as plantas normais morrem porque perdem água para o ambiente por osmose.

Q.E. 9) Observe atentamente a figura 1.2, veja se consegue identificar o retículo endoplasmático, com o que você o compararia?

6. Que analogia podemos fazer para entender melhor o que é e para que serve o retículo endoplasmático?

O retículo endoplasmático poderia ser comparado a uma rede de distribui- ção de substancias pelo citoplasma celular. Um exemplo é a absorção de gor- dura pelas células intestinais. As gotículas de gordura, englobadas pela mem- brana celular por pinocitose, atravessam a célula, de um lado para outro, por esses minúsculos canais. Além de transportar substâncias, o retículo também armazena. Em ovos de certos insetos, por exemplo, reservas de proteínas fi- cam armazenadas nesses canalículos, formando os grânulos de vitelo que vão nutrir o embrião durante o seu desenvolvimento.

Fig. 1.4 – À esquerda, célula do revestimento intestinal de mamífero, cujo retículo está efetuando o transporte de gorduras captadas por pinocitose até a base da célula, onde serão eliminadas na linfa. À direita, detalhe do citoplasma de um ovócito (futuro óvulo) de grilo. As proteínas captadas por pinocitose são transportadas para as cavidades do retículo endoplasmático, onde formarão os grãos de vitelo. (Desenho à direita baseado em Berkaloffet al. Biologia e fisiologia celular. São Paulo, Edgard Blücher Ed./Edusp, 1972.)

7. De onde vem o nome retículo endoplasmático e por que a Biologia tem nomes tão difíceis? E só pra dificultar a vida da gente, não teria um nome mais fácil?

O nome retículo vem de retis ou rede e endoplasmático é porque encontra se dentro do plasma celular ou do citoplasma. Tratam-se de canais em formas de tubos achatados que percorrem todo o citoplasma. Esses canais são delimi- tados por membranas lipoprotéicas semelhantes à membrana plasmática. A Biologia tem alguns nomes que são pouco comuns para você porque muitos devem conter a explicação sobre o que são no próprio nome, e isto não pode ser privilégio de uma língua ou de outra, porque a linguagem da Biologia, assim como de toda a Ciência deve ser entendida por todos. Para que isto aconteça, recorre-se a línguas-mães, como o latim ou o grego. Se você quiser

outro nome para o retículo, pode se usar ergastoplasma, mas nesse caso, esse nome só deve ser usado para o r.e. rugoso, isto é, aquele que apresenta ribossomos aderidos a sua superfície. Este nome foi dado porque se descobriu que substancias podem ser elaboradas nesta estrutura (do grego ergazomai = elaborar).

Em artigo publicado no suplemento Mais!, do jornal Folha de S. Paulo, de 6 de agosto de 2000, José Reis relata que pesquisadores canadenses demonstraram que a alga unicelularCryptomones resulta da fusão de dois organismos, um dos quais englobou o outro ao longo da evolução. Isso não é novidade no mundo vivo. Como relata José Reis:“[...] É hoje corrente em Biologia, após haver sido muito contestada inicialmente, a noção de que certas organelas [...] são remanescentes de células que em tempos idos foram ingeridas por célula mais desenvolvida. Dá-se a esta o nome de hospedeira e o de endossimbiontes às organelas que outrora teriam sido livres.” São exemplos de endossimbiontes em células animais e em células de plantas, respectivamente,

a) aparelho de Golgi e centríolos. b) centríolos e vacúolos. c) lisossomos e cloroplastos. d) mitocôndrias e vacúolos e) mitocôndrias e cloroplastos.

QQQQQ UESTÃOUESTÃOUESTÃOUESTÃOUESTÃO DEDEDEDEDE VESTIBULARVESTIBULARVESTIBULARVESTIBULARVESTIBULAR

Se você respondeu a letra “e”, é porque já deve ter ouvido falar a respeito. Na sua opinião, por que as organelas citadas são consideradas endossimbiontes que num passado remoto teriam sido livres?

Q.E. 10) Pesquise a respeito da hipótese de endossimbiose. Quais argu- mentos são empregados para confirmar e para negar esta hipótese?

QQQQQ UESTÃOUESTÃOUESTÃOUESTÃOUESTÃO DEDEDEDEDE VESTIBULARVESTIBULARVESTIBULARVESTIBULARVESTIBULAR

39. Células animais, quando privadas de alimento, passam a degradar partes de si mesmas como fonte de matéria-prima para sobreviver. A organela citoplasmática diretamente responsável por essa degradação é a) o aparelho de Golgi. b) o centríolo. c) o lisossomo. d) a mitocôndria. e) o ribossomo.

O lisossomo (do grego lise , quebra, destruição) é uma pequena bolsa cheia de enzimas. Uma vez tendo feito a fagocitose (ou a pinocitose), os lisossomos de uma célula fundem-se ao fagossomo (ou ao pinossomo) com a intenção de digeri-lo.