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BIOLOGIA
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As moléculas que compõem os seres vivos
Entendemos por moléculas orgânicas todas aquelas que contém carbono ligado covalentemente à hidrogênio [esta é uma definição mais certa do que simplesmente dizer que são moléculas que contém carbono]. Com isso, nos prevenimos da confusão em saber se o gás cabônico é uma orgânica por simplesmente conter um átomo de carbono. As biomoléculas são presentes na composição dos seres vivos. São elas: Carboidratos [p. ex. glicose, frutose, celulose, amido, etc], Lipídios [p. ex. ácidos graxos, colesterol, fosfolipídios, carotenoides], Proteínas [p. ex. melanina, queratina, quitina, hemoglobina, etc], Vitaminas [p. ex. A, Complexo B, C, D, E, K, etc], Ácidos Nucleicos [p. ex. DNA, RNA, ATP, GTP, etc]. É claro que também encontramos diversas moléculas inorgânicas nos organismos vivos, como o CO2 e H2O.
Ao olhar uma tabela periódica, vemos diversos elementos químicos que constituem moléculas orgânicas e inorgânicas, compondo seres vivos e não vivos, na Terra e/ou no Universo afora. Entretanto, apesar de possuirmos uma variedade de seres vivos incrível na terra, é possível perceber a predominância massiva de poucos átomos em comum em suas composições, são eles: Carbono, Hidrogênio, Oxigênio, Nitrogênio, [P] Fosforo e [S] Enxofre, formando a sigla C.H.O.N.P.S. Isso pode ser percebido ao analisar as fórmulas, por exemplo, da Glicose (C6H12O6), da Lecitina (C42H84NPO9), um importante fosfolipídio, da Vitamina A (C20H30O) e da Melanina (C3H6N6). Este padrão se repete para uma infinidade de moléculas estruturantes nos seres vivos. Outros elementos importantes são encontrados na composição e bioprocessos, como indicado na tabela ao lado. Veja onde eles são encontrados!
Essa seção é destinada a falar sobre como esses átomos circulam pelos seres vivos e ambiente. É o que chamamos de ciclos biogeoquímicos globais. Como você, pessoa que está me lendo, pode estar respirando o mesmo oxigênio que foi respirado pelas primeiras células aeróbicas há 2,5 bilhões de anos, ou ainda, como você pode ter, na sua biomassa, carbono que um dia compôs a biomassa de um dinossauro 65 milhões de anos depois de sua extinção?
Os Ciclos Biogeoquímicos Globais
Como eu posso ter carbono de Dinossauro?
Se existe algo em comum entre todos os seres vivos, este algo é a morte; e tanto quanto o que se sucede dela: a decomposição. Pensando numa perspectiva ecológica, a decomposição nada mais é do que devolver ao ambiente as moléculas que estavam aprisionadas na sua biomassa mantendo suas funções vitais sãs. Entretanto, quando qualquer organismo morre, para que estas moléculas complexas sejam simplificadas e liberadas para voltar ao ambiente, todo um sistema é mobilizado: o sistema detritivo, composto por microrganismos decompositores [como fungos e bactérias] e animais saprófagos [como urubus, abutres, hienas e algumas espécies de moscas] que facilitam este trabalho. Estes organismos realizam esta tão importante degradação da matéria orgânica. Entretanto, havemos de considerar que os organismos participam dos ciclos biogeoquímicos durante toda sua vida, quando urinam, respiram ou transpiram, por exemplo.
Tomando as perspectivas que descrevi acima em consideração, é fácil entender que, por exemplo, o Carbono que está ciclando na Terra é geologicamente muito antigo, podendo ter viajado por vários corpos vivos e não-vivos, na forma sólida ou gasosa, através das eras geológicas. Assim, é provável que o carbono que hoje respiramos ou que compõem as nossas moléculas de carboidratos tenha antes feito parte da biomassa de um dinossauro ou estado em um poço de petróleo nas profundezas da Terra.
O Ciclo do Carbono
Vamos falar primeiro deste importante elemento, que se encontra de formas diversas na natureza, o CARBONO. Por ser um ciclo, não tem começo nem fim, mas podemos [para fins pedagógicos] escolher um ponto de partida para acompanhá-lo: a fotossíntese nas plantas e fitoplancton (algas marinhas fotossintetizantes).
As plantas e algas realizam o que é um dos processos mais importantes para o ciclo do carbono: a fotossíntese. Aqui, já temos um papel fundamental do sol como fornecedor de energia para esse processo e, consequentemente, mobilizando todo o ciclo.
Bioquimicamente, o que ocorre na fotossíntese é a transformação de carbono inorgânico [CO2] em carbono orgânico [carboidratos]. São os únicos seres vivos capazes de realizar esta assimilação de carbono atmosférico e, por este motivo, são conhecidos em termos ecológicos como produtores. Este carbono assimilado para a biomassa vegetal agora faz parte dos órgãos e tecidos da planta, que vão ser consumidos por algum outro organismo heterotrófico [consumidor].
Este carbono percorre toda a cadeia alimentar (ou cadeia trófica), pois uma vez que um herbívoro ingeriu parte da biomassa de uma planta, ele está ingerindo o carbono que a compunha e agora virá a fazer parte da biomassa do predador. Só que nem tudo virá a constituir seu corpo,pois parte é consumido nas suas atividades metabólicas, parte eliminado na respiração [CO2] e parte será eliminado pelas fezes.
Então até o momento já vimos que o carbono gasoso, na forma de CO2 pode ser assimilado pelas plantas na fotossíntese e constituir a sua biomassa. Ao mesmo tempo, este carbono vai sendo passado para os herbívoros, carnívoros e daí em diante, percorrendo a cadeia trófica. As carcaças, folhas caídas, fezes e partes mortas de organismos vivos serão decompostas por microrganismos do sistema detritivo, que vivem naturalmente no solo. Em outra mão, os organismos aeróbicos ainda vivos podem retornar CO2 para a atmosfera pelo processo constante de respiração.
Abaixo, coloco um resumo bem bacana e dois vídeos interessantes: o da esquerda foi produzido pela FUNAI e traz uma ótica mais culturalizada sobre o ciclo do carbono; à direita, um vídeo do TED-Ed, que explica mais visualmente a dinâmica do ciclo. Não se esqueça de ativar a legenda em português para assisti-lo.
Ative a legenda em PT-BR
Efeito Estufa e Desequilíbrios do Ciclo do Carbono
São duas as principais fontes de desequilíbrio do Ciclo do Carbono. A primeira é a queimada de florestas. Lembra que falamos que o carbono se encontra aprisionado na biomassa dos seres vivos? Pois bem, você agora só precisa ligar isso com algo que você já sabe: um dos produtos da combustão é sempre CO2. Se você parar pra pensar, aquela fumaça que sai quando algo está queimando é essencialmente gás carbônico, e observando os átomos que compõem esta molécula, é fácil entender: o oxigênio é consumido numa combustão [sem oxigênio, não tem fogo], então esse O2 + o carbono [C] daquilo que está sendo queimado [p. ex. madeira, folhas, que são justamente parte de biomassa de plantas] é justamente o que vai formar o .CO2 liberado na combustão. Então aqui, o carbono orgânico, sólido, aprisionado em biomassa viva está sendo deslocado para o ar.
A segunda fonte de desequilíbrio é a queimada de combustíveis fósseis. Segundo a mesma lógica de combustão exposta acima, mas agora é em relação aos depósitos de carbono armazenados em camadas profundas do solo. Caso você não saiba como se dá o processo de formação de um reservatório petrolífero, eu deixo um vídeo ao lado que vai expor justamente o fato que é chamado de combustível fóssil justamente por derivar de um processo químico que envolve biomassa [fóssil dos ossos de organismos vivos]. Então aqui, o carbono orgânico, líquido, aprisionado em camadas profundas do solo, imobilizado, está sendo deslocado para o ar.
Abaixo, um vídeo de resumo
O Ciclo do Nitrogênio
Essa é uma parte de uma proteína muito comum no nosso corpo: o colágeno. Todas as bolinhas verdes da estrutura são moléculas de nitrogênio. Veja quantas!
O nitrogênio é o gás mais abundante na nossa atmosfera: cerca de 78% dela é composta por dinitrogênio (N2, também conhecido como nitrogênio molecular). Em todos os seres vivos, ele está ricamente presente em todas as moléculas de proteínas e de ácidos nucleicos (como o DNA e RNA). O nitrogênio que compõe suas moléculas orgânicas veio do ar, em última instância, claro – afinal, é um ciclo. Entretanto, você não tem a capacidade de assimilá-lo diretamente do ar, pois o dinitrogênio é muito estável e pouquíssimo reativo. Ele faz uma ligação tripla entre as duas moléculas de nitrogênio. É mais ou menos o mesmo que dizer que ele gosta muito da conformação que possui e não está muito interessado em reagir com nada pra formar nada diferente. É o que a gente chama de uma molécula praticamente inerte. Bem, se você não consegue captar o nitrogênio pelo ar, de onde veio os nitrogênios que compõem teu DNA e proteínas? Ah sim, fácil pensar: da sua alimentação, certo? Certo. Quando você come uma carne ou lentilhas, está comendo proteínas, que contém nitrogênio. Está comendo material genético também, que contém nitrogênio. Seu corpo consegue aproveitar esse nitrogênio pra compor a tua biomassa. Ótimo. Mas como aquela planta conseguiu o nitrogênio que tava compondo a biomassa dela? Se estivéssemos falando de ciclo do carbono você me diria: fotossíntese! Mas as plantas, assim como nós, não têm capacidade de assimilar nitrogênio molecular, aquele na atmosfera. Então, como o nitrogênio entra, de fato, na cadeia alimentar? Posso adiantar uma informação interessante desde já: todos os organismos fixadores de nitrogênio são bactérias.
Dinitrogênio
Bom, primeiro temos que perceber onde que o nitrogênio está. No ar, encontramos-no na forma de N2, inútil para plantas ou animais. No solo, vemos o nitrogênio nos materiais de origem vegetal e animal, seja nas excretas (urina), seja no próprio corpo morto. Seja como for, quando falamos do nitrogênio orgânico, proveniente de um ser vivo, estamos falando quase sempre de nitrogênio preso em cadeias grandes e complexas. Aqui, fica bem clara a importância de bactérias e fungos decompositores, que têm a função de transformar essas estruturas complexas em material mais simples, podendo ser utilizado por eles e outros seres vivos em vários processos. Como resultado da ação desses microrganismos decompositores (amonificantes) temos NH3, a amônia, que é prontamente transformada em amônio (NH4+), já que em solução aquosa o NH3 reage com a água (H2O) gerando NH4+ e OH- (reação demonstrada acima). Então aqui temos uma primeira fonte de nitrogênio do solo que pode ser aproveitada pelas plantas: a matéria orgânica morta depositada no solo que é convertida em amônia por microrganismos decompositores e depois em amônio, numa reação espontânea com a água disponível no solo.
O amônio (NH4+) também pode ser gerado de uma segunda forma: por bactérias fixadoras de nitrogênio, que têm a capacidade de converter nitrogênio atmosférico (N2) em NH3. Esse processo é chamado Fixação Biológica do Nitrogênio (FBN) e consiste na redução de N2 a NH3 através de um complexo de enzimas chamadas nitrogenase. Esse processo demanda muita energia, já que a ligação do dinitrogênio (que é muito forte e estável, lembra?) deve ser quebrada. Pra você ter uma noção, na geração industrial de amônia, a temperatura que deve ser colocada para romper essa ligação é entre 300 e 500ºC. As bactérias conseguem fazer isso à temperatura e pressão ambientes, mas claro, gastando bastante energia (cerca de 16 ATP). Essas bactérias fixadoras de nitrogênio podem ser de vida livre (isto é, viver soltinhas no solo) ou viver em associações com raízes de plantas, gerando aqueles nódulos que já mostrei em outra seção. Normalmente vemos esses nódulos em raízes de plantas leguminosas (feijão, soja, etc). Então a segunda fonte de nitrogênio para o solo é através da fixação biológica, feita por bactérias nitrificantes que reduzem nitrogênio atmosférico à amônia ao custo energético altíssimo. Depois a amônia é reduzida em amônio por uma reação com a água.
Uma terceira forma (e menos comum) de fixação do nitrogênio é através da energia de raios/relâmpagos. Com as descargas elétricas, há energia suficiente para romper a ligação entre os dois átomos de nitrogênio (N2) do ar, fazendo com que seja possível que ele reaja com o oxigênio molecular (O2) e vapor d’água (H2O) da atmosfera, formando ácido nítrico (HNO3), que precipita junto com a chuva. Esse processo recebe o nome de Fixação do Nitrogênio por Descargas Elétricas e é responsável por menos de 10% do nitrogênio do solo.
As plantas absorvem nitrogênio através da raiz de duas formas: amônio (NH4) ou nitrato (NO3-). O amônio nós já vimos como pode ser formado: pela amonificação através da decomposição de matéria orgânica ou pela ação de bactérias fixadoras de nitrogênio. Já o nitrato ele pode ser obtido através do próprio amônio por meio de duas reações seguidas, que chamamos de nitrificação, que consiste na oxidação da amônia (NH3) em nitrito (NO2–)
seguida pela oxidação de nitrito em nitrato (NO3–). Se a planta absorver nitrogênio na forma de nitrato, uma enzima dentro do seu organismo vai fazer o processo inverso, reduzindo parte dele de volta a NH4+, para que outras enzimas incorporem em aminoácidos e outros compostos orgânicos. No solo, o nitrato (NO3-) pode voltar a ser N2 pela ação de bactérias desnitrificantes.
O nitrato é a forma predominante em solos bem aerados e com a quantidade ideal de água. O amônio, por outro lado, acumula-se em solos alagados, pouco aerados, em solos com alto conteúdo de alumínio e ácidos, por que essas condições inibem o processo microbiano de nitrificação. Ou seja, quando as taxas de nitrificação são lentas, o NH4+ tende a ser a fonte de N mais abundante.
Resumo e ideias-chave
1 - O nitrogênio é escasso no solo e na água, mas é muito abundante na atmosfera. O nitrogênio atmosférico não consegue ser fixado por nenhum animal ou planta, somente por bactérias.
2 – Bactérias nitrificadoras do solo são capazes de transformar N2 em amônia (NH3), processo conhecido como Fixação Biológica do Nitrogênio (FNB).
3 – Material orgânico morto de origem vegetal e animal que se deposita no solo sofre ação de microrganismos decompositores (amonificação) e geram amônia como subproduto (NH3)
4 – Toda amônia (NH3) do solo costuma reagir com a água gerando amônio (NH4) através da reação:
NH3 + H2O > NH4+ + OH-
5 - As plantas podem absorver nitrogênio do solo na forma de amônio (NH4) ou de nitrato (NO3-). O Nitrato é gerado através do processo de nitrificação, que transforma NH4 em NO3-.
Desequilíbrios no ciclo do nitrogênio
Tem alguns fatores que podem desequilibrar as concentrações de nitrogênio no solo e corpos d'água. O principal, sem dúvidas, é no uso de fertilizantes NPK (Nitrogênio, Fósforo e Potássio), aplicado a culturas para produção de gêneros alimentícios. Quando são aplicados, parte desses fertilizantes é lixiviado pela chuva tanto para os lençóis freáticos quanto horizontalmente, por cima da terra, para leitos de rio. Isso causa um processo conhecido como eutrofização, potencialmente perigoso para o equilíbrio ecológico dos ecossistemas aquáticos.
Ciclo do Enxofre
Não estranhe em ver o enxofre aqui. Os ciclos biogeoquímicos globais são aqueles onde os elementos conseguem circular em grande escala. Por exemplo, elementos como o potássio, também muito falado, são muito pesados e não circulam pela atmosfera na forma gasosa (no máximo são transportados como poeira pelos ventos). Portanto, quando estamos falando de ecossistemas terrestres, potássio, cálcio e outros elementos pesados ciclam mais localmente, em curtos espaços. Nos ecossistemas aquáticos a história é outra. Lá, eles têm ciclagem mais ampla por que correm dissolvidos na água através de correntes marítimas. Então, para todos os efeitos, vamos admitir apenas o Enxofre, Nitrogênio e Carbono como Ciclos Biogeoquímicos Globais. Os outros, são locais.
Aí você pode estar se perguntando: no ar que eu respiro há enxofre? Isso não é tóxico, não? Na verdade, o enxofre pode ser liberado para a atmosfera através de processos naturais ou antrópicos. Dentre os processos naturais mais importantes, podemos destacar as erupções vulcânicas e ação de microrganismos. Os vulcões, quando entram em erupção jogam na atmosfera um misto de gases, como metano (CH4) e o dióxido de enxofre (SO2). Na atmosfera o H2S costuma ser oxidado a SO4--. Os processos antrópicos (assinados pelo homem) são, basicamente a queima de combustíveis fósseis e madeira, que libera Dióxidos de Enxofre.
Esses óxidos reagem com o vapor d’água na atmosfera (umidade), formando ácido sulfúrico. Vou detalhar essa questão mais pra frente, quando falarmos de chuva ácida. O importante de você entender é que existe um reservatório de enxofre na atmosfera, através dessas fontes que eu citei, mas que o principal reservatório é o solo. O enxofre do solo é proveniente da erosão de rochas (que gera sedimentos). A mineralização é o processo de maior importância em relação à disponibilidade para as plantas, já que as formas orgânicas constituem a maior parte do enxofre do solo. Muitas espécies de fungos, bactérias e actinomicetos atuam no processo de mineralização do enxofre, utilizando a matéria orgânica como substrato para seu crescimento. Isto ocorre tanto em condições de aerobiose como de anaerobiose, tendo-se como produtos finais SO4-- e H2S, respectivamente.
