Obtenção de Energia por parte de Leveduras

Sumário Analítico

Nesta actividade laboratorial, pretendíamos realizar a observação de leveduras, e observar um dos seus processos de obtenção de energia (fermentação alcoólica).

Utilizámos para isso duas garrafas, uma delas (A) que continha sacarose e suspensão de leveduras, e uma garrafa B que continha apenas suspensão de leveduras.

Através da execução do procedimento discriminado no protocolo da actividade laboratorial, pudemos concluir que na garrafa A, que continha sacarose (que é formada por glicose e frutose) as leveduras têm a capacidade de realizar a fermentação, porque a glicose é essencial para que se dê a fermentação, neste caso alcoólica. As leveduras utilizam essa glicose numa fase à qual se dá o nome de glicólise, sendo que transformam essa mesma glicose em ácido pirúvico, com o objectivo de dar continuidade a esse processo de fermentação.

A cada garrafa (cujos orifícios em torno da rolha estavam tapados com parafina, tentando ao máximo fazer a aproximação de um sistema isolado) estava ligado um tubo que ligava cada garrafa a um recipiente que continha água de cal. Como um dos produtos residuais da fermentação é o dióxido de carbono, e sabendo que a água de cal fica turva na presença deste, sabíamos que se a água de cal ficasse turva, era sinal de que as leveduras estavam a realizar a fermentação.

Foi isso que aconteceu, tal como já estávamos à espera.

Objectivo

Na actividade laboratorial que realizámos, pretendia-se realizar a observação de leveduras, bem como observar e compreender um dos processos por elas utilizado para a obtenção de energia.

Sabíamos à partida, que os processos utilizados pelas leveduras são a fermentação (alcoólica) e a respiração celular aeróbia, mas o que pretendíamos observar era o primeiro mencionado, por isso, para visualizar como se desenrolava esse processo e comparar o que fazem as leveduras que estão em contacto com a glicose (presente na sacarose) e o que fazem as mesmas quando estão desprovidas do contacto com a glicose, ou seja, quando estão apenas na presença de água destilada.

Na realidade a segunda situação, que verificámos na garrafa B, com as leveduras apenas em contacto com a água destilada serviu apenas como um controlo (uma comparação) com a garrafa A, já que seria nesta que à partida iríamos verificar que a água de cal que estava no interior do recipiente ligado à garrafa ficava turva. Na garrafa B, visto que as leveduras não estavam a realizar a fermentação (e por isso não libertavam para o exterior dióxido de carbono), a água de cal não ficaria turva.

Fundamentos Teóricos da Pesquisa

Sendo que o processo utilizado pelas leveduras para a obtenção de energia que queremos visualizar é a fermentação (alcoólica), então é importante que saibamos em pormenor em que consiste este tipo de processo de obtenção de energia, utilizado por alguns seres vivos, em condições de anaerobiose, ou seja, na ausência de oxigénio.

A fermentação é uma sequência de reacções químicas com a libertação de energia de moléculas orgânicas. As reacções da fermentação são as mesmas da fase anaeróbia (glicólise) da respiração, isto é, através da formação dos mesmos compostos intermediários, uma molécula de glicose origina duas de ácido pirúvico. A fermentação ocorre nos seguintes casos:

. Na ausência de enzimas respiratórias;

. Na presença de enzimas respiratórias que não estão a receber oxigénio.

Figura 1 – Diferentes tipos de fermentação

O processo fermentativo ocorre no hialoplasma, envolvendo o seu mecanismo químico duas etapas:

. Glicólise – na qual as moléculas de glicose são degradadas, formando o ácido pirúvico (ou piruvato). No final da glicólise, resultam: duas moléculas de NADH, duas moléculas de ácido pirúvico e duas moléculas de ATP (formam-se quatro, mas duas são gastas na activação da glicólise);

. Redução do piruvato – conjunto de reacções que levam à formação dos produtos da fermentação.

Alguns seres procariontes mantêm como único processo possível de obtenção de energia a fermentação, pelo que são denominados anaeróbios obrigatórios.

Os seres anaeróbios facultativos são os seres que, fazendo normalmente respiração aeróbia, utilizam como via energética alternativa a fermentação, sempre que no meio não existe oxigénio disponível. Os seres aeróbios possuem o equipamento enzimático necessário à degradação completa de glicose.

O processo fermentativo é menos rentável que o da respiração aeróbia, pois o saldo energético do primeiro é de 2 ATP – enquanto na respiração aeróbia é 38 ATP – por molécula de glicose decomposta. Isso ocorre porque na fermentação o substrato não é totalmente oxidado, restando ainda muita energia no álcool etílico (no caso da fermentação alcoólica).

Existem diferentes tipos de fermentação. Os mais comuns são a fermentação alcoólica e a fermentação láctica.

A fermentação alcoólica é realizada por diversas células, sendo aplicada na indústria de produção do álcool, sendo que o mais importante é o álcool etílico resultante da fermentação.

Já no caso da indústria de panificação, é o dióxido de carbono que interessa, pois as bolhas deste gás contribuem para levedar a massa, tornando o pão leve e macio.

Na fermentação láctica, o ácido pirúvico resultante da glicólise é reduzido pelo NADH, originando o ácido láctico. A fermentação láctica é efectuada por diversos organismos, alguns dos quais são utilizados na indústria.

Procedimento

Material Biológico:

. Suspensão de leveduras a 10% (200 cm3).

Material Laboratorial:

. 2 garrafas térmicas;

. 2 rolhas perfuradas (2 orifícios);

. 2 tubos de borracha;

. 2 termómetros;

. 2 frascos de vidro com tampa perfurada;

. 1 copo graduado;

. Varetas de vidro;

. 1 vela de parafina;

. Fósforos;

. 1 Microscópio Óptico Composto (M.O.C.);

. 1 Lâmina;

. 1 Lamela;

. Conta-gotas;

. Papel de limpeza;

. Solução de sacarose a 30% (700 cm3);

. Água de cal;

. Água destilada.

Procedimento:

Identificámos duas garrafas térmicas com as letras A e B, respectivamente.

Vertemos para a garrafa A a solução de sacarose, até perfazer 350 cm3;

Adicionámos à garrafa A 100 cm3 da suspensão de leveduras. Tivémos o cuidado de agitar a suspensão de leveduras antes de cada utilização.

Vertemos depois para a garrafa B água destilada até perfazer 350 cm3 e adicionámos-lhe 100 cm3 da suspensão de leveduras.

Colocámos uma rolha (com 2 orifícios) nas garrafas, sendo que num dos orifícios colocámos o termómetro, e no outro um tubo de borracha, mas sem que o mesmo tocasse no conteúdo da garrafa.

Colocámos água de cal no frasco de vidro e tapámo-lo. Através do orifício que este possuía, fizemos passar o tubo de borracha entre o mesmo, de modo a que o tubo ficasse mergulhado na água de cal.

Com um fósforo, acendemos uma vela de parafina, e deixámos que a cera resultante da sua queima tapasse os orifícios em torno da rolha, junto ao tubo de borracha e ao termómetro, de modo a tentar elaborar um sistema isolado. Colocámos igualmente a cera no orifício do frasco de vidro que continha a água de cal, que tinha mergulhada nela o tubo de borracha.

Repetimos este processo na garrafa B, exceptuando o facto de nesta última, ter-mos colocado água destilada em contacto com a suspensão de leveduras, ao contrário da garrafa A, que continha sacarose, e por isso na garrafa B, as leveduras não estiveram em contacto com a glicose (presente na sacarose).

Quando terminámos a montagem experimental, registámos a temperatura das garrafas, e nas 48 horas que se seguiram, fizemos leituras e anotámos os valores das temperaturas de cada garrafa, em intervalos de tempo regulares, observando igualmente o aspecto da água de cal, e se existia a formação de bolhas na mesma.

Depois da execução laboratorial, realizámos uma montagem, colocando uma gota da suspensão de leveduras na lâmina e tapando com a lamela.

Utilizámos o microscópio óptico composto para fazer a observação das leveduras em suspensão.

Resultados

Em intervalos de tempo regulares, realizámos leituras da temperatura, do aspecto da água de cal e do número de bolhas visualizado durante um minuto em cada frasco (durante as 48 horas que se seguiram).

Essas leituras encontram-se discriminadas na tabela abaixo:

Tabela 1 – Observação microscópica de leveduras

Apresenta-se agora dois gráficos que relacionam a evolução do tempo com a evolução da temperatura, no dia 18/05/2010. Um deles diz respeito à garrafa A, o outro diz respeito à garrafa B.

Gráfico 1 – Relação entre o tempo e a temperatura da água na garrafa A (dia 18/05/ 2010)

Gráfico 2 – Relação entre o tempo e a temperatura da água na garrafa B (dia 18/05/2010)

Depois desta execução laboratorial, realizámos uma montagem, colocando uma gota de leveduras na lâmina e a lamela em cima da mesma, a fim de observar as leveduras em suspensão.

Utilizando uma objectiva de 40x e uma ocular de 100x (logo 400x de ampliação total), observámos e desenhámos as leveduras, que constituíam o nosso objecto de estudo.

Tabela 2 – Registo das observações efectuadas

Discussão

Aquando da análise dos resultados obtidos, no caso da garrafa A, verificámos que a sua temperatura interior experimentou uma variação de 4,3 º (este valor corresponde às diferenças de temperatura observadas entre a primeira e a última observação), sendo que essa mudança ocorreu de uma forma gradual. Mas na realidade, quais são os factores que influenciaram essa subida de temperatura?

Nesta actividade laboratorial, foram usadas garrafas térmicas, e colocámos igualmente cera de vela de parafina para isolar os orifícios, de modo a que se tentasse aproximar o sistema de um sistema isolado. Um sistema isolado é aquele que não permite a transferência de energia nem de matéria com o exterior. Mas esses sistemas não existem na Natureza, sem do que a única forma que temos de tentar construi-los é recorrendo a técnicas laboratoriais.

Seja como for, o sistema por nós montado não é totalmente um sistema isolado, por isso, apesar de ser em menor quantidade do que aquela que seria de esperar se o sistema fosse aberto (ou mesmo fechado, já que este permite a transferência de energia com o exterior), irá ser possível a entrada de energia do exterior, para dentro do sistema. Essa energia irá provocar assim um aumento da temperatura.

Outro factor que poderá estar relacionado com o aumento da temperatura no interior da garrafa térmica poderá ser o desenrolar do processo de obtenção de energia desenvolvido pelas leveduras – a fermentação. No desenrolar deste processo, a agitação térmica das suas partículas irá aumentar, o que conduzirá igualmente ao aumento da energia cinética das partículas. Assim, a energia interna do sistema irá aumentar. Como a energia interna do sistema aumenta e a temperatura desse sistema depende da sua energia interna, então podemos concluir que a temperatura do sistema aumentou.

Para além do aumento da temperatura, verificámos na garrafa A, que a partir de uma dada altura, começaram a surgir bolhas no recipiente que continha a água de cal, na qual estava em contacto o tubo de borracha. A que se deve a presença dessas bolhas?

O aparecimento de bolhas ocorre, devido ao facto de o dióxido de carbono, que é um produto residual da fermentação, e que é libertado pelas leveduras. Assim, o dióxido de carbono passa pelo tubo de borracha que liga a garrafa-termo ao recipiente onde está a água de cal, e quando o dióxido de carbono entra em contacto com a água de cal, para além de a turvar, faz com que surjam algumas bolhas.

Ainda no caso da garrafa A, a partir de uma certa altura, a água de cal que estava dentro do recipiente, que já tinha ficado turva, tomou uma cor acastanhada. A que se deve esta mudança de cor na água de cal?

Na realidade, esta mudança deve-se ao facto de as leveduras, que estavam na garrafa térmica, passarem pelo tubo de borracha, e entrarem em contacto com a água de cal. Mais pormenorizadamente, quando se criam as bolhas (motivadas pela libertação do dióxido de carbono), gera-se uma tensão ao longo do tubo de borracha, o que faz com que as leveduras passem pelo tubo de borracha, e entrem no frasco de vidro que contém a água de cal.

No primeiro caso, no qual a água de cal incolor se tornou turva, e sabendo antemão que a água de cal se torna turva na presença de dióxido de carbono, então conclui-se que esse dióxido de carbono é proveniente da garrafa térmica, na qual estavam as leveduras. Por isso, as leveduras realizaram com toda a certeza um processo, que lhes permitiu libertarem para o exterior resíduos provenientes do processo, e que neste caso, usam para obter energia. Esse processo é a fermentação alcoólica.

A garrafa B, uma vez que foi montada com o objectivo de fazer um controlo da actividade, ou seja, com o objectivo de comparar todos os aspectos ligados às mesmas.

Conclusões

Nesta actividade prática laboratorial, evidenciámos vários aspectos que nos permitem afirmar que as leveduras realizaram a fermentação alcoólica.

O primeiro factor foi o facto de libertarem dióxido de carbono como produto residual, facto que foi comprovado devido à turvação da água de cal.

No entanto, a libertação de dióxido de carbono é comum na fermentação e na respiração celular aeróbia. Sendo assim, as evidências que nos permitiram comprovar que o processo utilizado pelas leveduras foi a fermentação alcoólica foram o facto de, no final das observações laboratoriais, ter-se verificado a mudança de cor na água de cal, mudança que foi acompanhada igualmente pelo cheiro da mesma, já que no momento no qual foi feita a última observação dos valores da temperatura de cada garrafa e do número de bolhas visualizado durante um minuto na água de cal, a água de cal que outrora tinha estado turva, tinha agora um cheiro a álcool, resultado do álcool etílico libertado pelas leveduras quando as mesmas realizaram a fermentação. Na fermentação alcoólica, o ácido pirúvico resultante da glicólise é descarboxilado (é-lhe removido uma molécula de CO2), originando aldeído acético (acetaldeído). Este composto é, então, reduzido pelo NADH, formando-se etanol.

Está agora explicada a capacidade de as uvas, depois de colhidas e moídas, conseguirem transformar-se em vinho com um determinado teor de álcool. É que, como as leveduras existem nas cascas das uvas e degradam a glicose (que se encontra no interior das uvas), dão início ao processo fermentativo. A velocidade desse processo é influenciada pela alteração das condições do meio que se vão verificando ao longo do tempo, como por exemplo, a diminuição da quantidade de glicose e/ou a acumulação de produtos resultantes desse processo.

Referências

. Matias, Osório; Martins, Pedro. Biologia 10 – 10º ano, 1ª edição, Porto, Areal Editores, 2009, ISBN: 978-972-627-947-1. Data de consulta: 25/05/2010.

. Santos, António; Santos, Magda Sofia; Santos, Maria Dulce. Biologia e Geologia 10º - O Essencial, 3ª edição, Lisboa, Edições Asa, 2009, ISBN: 978-972-41-4058-2. Data de consulta: 25/05/2010.

Anexos

Em anexo, encontra-se uma proposta de realização experimental, que permite comparar o processo de produção de energia utilizado pelas leveduras e que foi estudado nesta actividade (fermentação alcoólica), com o outro processo que as mesmas utilizam para a obtenção de energia (respiração celular aeróbia).

ANEXO

Comparação do processo fermentativo com o processo respiratório das leveduras

Procedimento

Material Biológico:

. Suspensão de leveduras a 10% (100 cm3).

Material Laboratorial:

. 1 garrafa térmica;

. 1 tubo de borracha;

. 1 termómetro;

. 1 frasco de vidro

. 1 copo graduado;

. 1 vareta de vidro;

. Água de cal;

. Solução de sacarose a 30% (350 cm2).

Para começar, colocávamos numa garrafa térmica a suspensão de leveduras a 10%, sem esquecer de antes agitar com a vareta de vidro.

Posteriormente, verteríamos a solução de sacarose que estava no copo graduado, para dentro da garrafa térmica, de modo a que as leveduras entrassem em contacto com a glicose (que se encontrava na sacarose, já que a sacarose é formada por glicose e frutose). As leveduras que se encontravam em contacto com a glicose irão assim começar a realizar a glicólise, a primeira fase da respiração celular aeróbia.

No entanto, desta vez, não tivemos o cuidado de tentar aproximar o nosso sistema a um sistema isolado (no qual não existe transferência de matéria nem energia), dado que a respiração celular ocorre apenas em condições de aerobiose (nas quais existe oxigénio). Por conseguinte, será útil o contacto das leveduras com o oxigénio presente no ar.

Colocaríamos um tubo de borracha que não estivesse em contacto com a suspensão de leveduras, mas que ao mesmo tempo estivesse mergulhado na água de cal, que deveria estar num recipiente apropriado para o efeito. Mais uma vez, não seria necessário que este recipiente fosse isolado com parafina, dado que era importante o contacto do oxigénio com as leveduras.

Previsão dos resultados

Visto que o sistema criado não é isolado, ou seja, existem condições de aerobiose, o oxigénio do ar irá entrar em contacto com as leveduras, e por isso as mesmas poderão realizar a respiração celular aeróbia (processo alternativo à fermentação, que foi estudada na actividade prática laboratorial).

Em condições de aerobiose, a degradação da glicose é completa, formando compostos simples, água e dióxido de carbono (mais pobres em energia do que o álcool etílico ou o ácido láctico).

Assim, seria de esperar que no tubo de borracha se verificasse o aparecimento de pequenas gotas de água, visto que a água é um dos produtos residuais da respiração aeróbia.

Assim, a fermentação e a respiração celular aeróbia são duas vias possíveis de degradação dos compostos orgânicos – vias catabólicas – que permitem às células retirar diferentes quantidades de energia química desses compostos.

Deste modo, a partir de uma molécula de glicose, na presença de oxigénio, é possível obter 38 moléculas de ATP (o que corresponde a 40% da energia total de uma molécula de glicose). Na ausência deste gás, realiza-se a fermentação, e o rendimento energético é apenas de duas moléculas de ATP (o que equivale a cerca de 2% da energia total contida numa molécula de glicose).

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