O oxigénio no mundo vivo: dos melhoramentos extraordinários aos efeitos deletérios : adequação de protocolos para a aplicação aos ensinos básico e secundário

Abstract

A acumulação de Oxigénio na atmosfera terrestre marcou um ponto de viragem na evolução, à cerca de 2,5GA. Por um lado, permitiu a formação da camada de ozono na estrastofera o que favoreceu a evolução dos seres vivos para o meio terrestre; por outro lado, a utilização deste gás no metabolismo como aceitador final dos electrões da cadeia respiratória mitocondrial, melhorou substancialmente o rendimento energético, tornando-se imprescindível para a maioria das espécies actuais. No entanto, apesar dos extraordinários melhoramentos em termos de evolução do metabolismo, o oxigénio é um gás tóxico, mutagénico e por isso altamente deletério para os seres vivos que o utilizam. A toxicidade do oxigénio é, actualmente, associada à produção de espécies reactivas de oxigénio (ROS), cuja formação ocorre maioritariamente na mitocôndria. O stresse oxidativo é assim considerado como sendo um dos principais factores responsáveis por inúmeras doenças, neuronais e não neuronais, incluindo aterosclerose, isquémia cerebral, esclerose lateral amiotrófica, doença de Parkinson e doença de Alzheimer. No âmbito deste tema, abrangente e actual, foram optimizados três protocolos experimentais passíveis de serem realizados em escolas do Ensino Básico/Secundário (Componente Científica). O protocolo I aborda o estudo do estado de oxidação/redução dos complexos respiratórios da cadeia de transporte de electrões, na presença de diferentes substratos oxidáveis e inibidores específicos, e dirige-se preferencialmente aos alunos do 12º ano, inserido na disciplina de Área Projecto. A interpretação dos resultados a obter permite uma exploração aprofundada do mecanismo de transporte de electrões através da cadeia respiratória mitocondrial e daí inferir as vantagens do metabolismo oxidativo, do ponto de vista do rendimento energético e dos factores que, reversível ou irreversivelmente, o afectam. O protocolo II consiste numa metodologia simples de estudo da influência de factores físico-químicos na actividade enzimática da catalase (9º ano) e permite, adicionalmente, uma abordagem a respostas celulares em situações de stresse oxidativo e mecanismos naturais de defesa anti-oxidante (10º e 12º anos). O protocolo III desenvolve este tema a um nível mais avançado, aplicável apenas ao 12º ano, propondo a determinação quantitativa da actividade da catalase e uma introdução à interpretação da cinética enzimática. Permite explorar a importância do conhecimento dos parâmetros cinéticos e da utilização de modelos teóricos, para validação de resultados experimentais e sua aplicação na biotecnologia enzimática. Na segunda parte desta dissertação (Componente Pedagógica) disponibilizam-se os referidos protocolos para utilização directa, por parte de professores e alunos, neles se indicando a respectiva inserção curricular.

The accumulation of Oxigen in earth atmosphere was a mark during evolution, 2.5GA ago. On one hand, it allowed the formation of ozone layer, within the strastosphere, which had improved the biologic evolution to a landscape environment; on the other hand, the metabolic utilization of this gas, as final electron acceptor, by the mitochondrial respiratoty chain, substantially improved the energetic yield, making it absolutely necessary for the majority of the actual biological species. Nevertheless, although the extraordinary improvement, in evolution terms, oxigen is a toxic gas, mutagenic and therefore highly deleterious for the organisms. Nowadays the oxigen toxicity has been associated to the production of reactive oxigen species (ROS), which formation essentially occurs at mitochondrial level. The oxidative stress has been considered as one of the main responsible factors for many neuronal and non-neuronal disorders, including ateriosclerosis, brain ischemia, lateral amiotrophic sclerosis, and Parkinson and Alzheimer diseases. On the scope of this subject, so actual and broader, three experimental protocols, to be implemented in Basic and Secondary schools, were optimized (Cientific Component). The protocol I introduces the study of the oxidation/reduction state of the mitochondrial respiratory complexes, in the presence of different oxidizing substrates and specific inhibitors. It is addressed specially to students on the 12th level, and can be inserted in the Project Area theme. The interpretation of results to be obtained will allow to go deeply into a discussion of how the mitochondrial respiratory chain works and conclude about the advantages of the oxidative metabolism, from the energetic yield point of view, as well as of the specific factors that can inhibit it. The protocol II includes a very simple methodology to study the influence of physico/chemical factors in catalase enzymatic activity (9th level). Additionally it allows the discussion of how cellular responses are involved in oxidative stress and how natural mechanisms of antioxidant defense work (10th and 12th levels). The protocol III develops the same subject for a more advanced level (12th level), and proposes the quantitative determination of catalase activity as well as an introduction to enzymatic kinetics interpretation. The importance of kinetic parameters and the utilization of theoretical models, to validate experimental results, with application on enzymatic biotechnology, will be explored. In the second part of this thesis (Pedagogic Component) the referred experimental protocols are available, for direct use for professors and students, together with a discription of how they can be included in the respective discipline programmes.