Um laboratório de Biologia em casa: simulando a ação da enzima catalase na batata

Tiago Maretti Gonçalves

Professor de Biologia, doutor em Ciências (Programa de Pós-Graduação em Genética Evolutiva e Biologia Molecular/UFSCar)

A Bioquímica é uma das áreas mais fantásticas e de grande relevância na Biologia. Segundo Voet, Voet e Pratt (2008, p. 3), “a palavra Bioquímica significa, literalmente, o estudo da Química da vida, apesar de sobrepor-se a outras disciplinas, como a Biologia Celular, a Genética, a Imunologia, a Microbiologia, a Farmacologia e a Fisiologia”.

A Citologia, também denominada Biologia Celular, se preocupa em estudar a estrutura e a função da célula, também conhecida como unidade básica da vida.

No Ensino Médio, na disciplina de Biologia, muitos alunos encaram as áreas de Bioquímica e Citologia como bastante desafiadoras, uma vez que possuem grande quantidade de conteúdo, sendo muitas vezes dotadas de processos abstratos que devem ser muito bem contextualizados, podendo desmotivar a aprendizagem dos alunos. Gonçalves (2021a) ressalta que é imprescindível a busca de metodologias de ensino alternativas, aliadas às aulas teóricas, no intuito de facilitar o processo de ensino-aprendizagem. Assim, uma dessas metodologias é o uso de aulas práticas (experimentação).

Segundo a Base Nacional Curricular Comum – BNCC (Brasil, 2021, p. 550),

os processos e práticas de investigação merecem também destaque especial nessa área. Portanto, a dimensão investigativa das Ciências da Natureza deve ser enfatizada no Ensino Médio, aproximando os estudantes dos procedimentos e instrumentos de investigação, tais como: identificar problemas, formular questões, identificar informações ou variáveis relevantes, propor e testar hipóteses, elaborar argumentos e explicações, escolher e utilizar instrumentos de medida, planejar e realizar atividades experimentais e pesquisas de campo, relatar, avaliar e comunicar conclusões e desenvolver ações de intervenção, a partir da análise de dados e informações sobre as temáticas da área.

Assim, ainda segundo esse documento de caráter normativo, a BNCC (Brasil, 2021, p. 50), “a abordagem investigativa deve promover o protagonismo dos estudantes na aprendizagem e na aplicação de processos, práticas e procedimentos, a partir dos quais o conhecimento científico e tecnológico é produzido”. Para Nicola e Paniz (2016, p. 364),

através das aulas práticas o professor consegue fazer com que os alunos despertem seus interesses. Com esse tipo de atividade é possível desenvolver diversos pontos importantes, sendo por meio da visualização, da construção de objetos, manipulação de experimentos com o auxílio do professor, enfim todas as explorações possíveis aos alunos e professores.

Segundo Souza e Santos (2019, p. 426), “as atividades práticas desenvolvidas durante as aulas de Biologia visam a complementação do estudo teórico da disciplina, permitindo que o aluno analise na prática a teoria aprendida nas aulas convencionais”. No entanto, o uso de aulas experimentais dentro da Biologia no Ensino Médio ainda é bastante incomum. Um dos motivos para a baixa frequência dessa abordagem no ensino de Biologia é a escassez de recursos financeiros para a construção de laboratórios físicos ou a incapacidade de manutenção, por eles possuírem materiais de alto custo, inviabilizando assim sua prática (Gonçalves, 2021b).

Para a realização da presente proposta experimental utilizam-se materiais simples e de baixo custo, não necessitando de espaço físico como um laboratório de Biologia com vidrarias e equipamentos onerosos, permitindo ao docente sua reprodutibilidade em sala de aula e até mesmo pelos alunos em suas próprias casas.

Vale a pena ressaltar que essa atividade será realizada por jovens adolescentes que estão cursando o 1º ano do Ensino Médio (quase sempre na faixa etária de 14 a 15 anos). Assim, na etapa do calor (copo 2) e do efeito do NaOH (copo 4), será recomendado que um adulto esteja supervisionando e manipulando o experimento, uma vez que o uso do fogão e do hidróxido de sódio pode causar acidentes. O mesmo pode ser sugerido para quando for cortar a batata.

No Quadro 1 estão dispostos de maneira sucinta o objetivo, o conteúdo e as habilidades que o professor pode abordar com os alunos na realização desta atividade prática.

Quadro 1: Objetivo, conteúdo e habilidades trabalhados na atividade

Competências

Descrição

Objetivo da atividade prática

Facilitar a compreensão de tópicos de Bioquímica (atividade da enzima catalase na batata e aspectos ligados à sua desnaturação), além de evidenciar aos alunos a importância dessa enzima nas células animais e vegetais nas organelas dos peroxissomos, voltados à área de Citologia.

Conteúdo abordado

Bioquímica: enzimas, fatores que levam à desnaturação proteica;

Biologia Celular: Citologia (peroxissomos);

Química: reação de decomposição da H2O2.

Habilidades

Desenvolver nos discentes a prática de atividades experimentais científicas, além de formular hipóteses e explicar os resultados obtidos.

Dessa maneira, o objetivo principal deste trabalho é a proposta de uma aula prática para facilitar a aprendizagem de tópicos de Bioquímica e Biologia Celular aplicados na disciplina de Biologia no Ensino Médio. Por fim, devido à atual situação em que vivemos, da covid-19, a prática pode ser feita em casa pelos próprios alunos, que, ao final dela irão responder um questionário (disposto no final deste artigo) que deve ser posteriormente enviado ao professor para correções e discussões futuras.

Metodologia

A proposta experimental do presente artigo possui caráter didático, e a análise dos seus resultados exibe uma ótica qualitativa.

Materiais utilizados na atividade prática

- 1 batata inglesa fresca crua;

- Faca sem ponta;

- Caneta marcadora;

- Água oxigenada ou H2O2 ou peróxido de hidrogênio (facilmente adquirido em farmácias);

- 5 copos transparentes;

- 1 copo americano graduado;

- 1 seringa graduada de 5 mL (facilmente adquirida em farmácias);

- Solução de hidróxido de sódio - NaOH (facilmente adquirida em lojas de produtos de laboratório);

- vinagre caseiro (ácido acético);

- solução de sulfato de cobre – CuSO4 (facilmente adquirido em casas de produtos de limpeza ou de manutenção de piscinas);

- micro-ondas ou fogão;

- EPI (equipamento de proteção individual): jaleco, óculos de proteção e luvas.

Procedimentos de preparo da batata e dos tratamentos (copos)

Inicialmente, a batata deverá ser descascada e cortada em pequenos cubos de aproximadamente 2 cm3, com o auxílio de uma faca sem ponta para evitar acidentes. Os tratamentos da atividade experimental proposta deverão ser preparados conforme as informações do Quadro 2. Numerar os copos com o auxílio de uma caneta marcadora, conforme as legendas a seguir, para facilitar a condução do experimento.

Quadro 2: Preparo e condução da atividade experimental

Legenda

Tratamentos

 

C (controle ou padrão)

25 mL de água + H2O2*

Após montagem dos tratamentos, adicionar 5 mL de peróxido de hidrogênio (H2O2) em todos eles, com o auxílio de uma seringa graduada.

1. normal

25 mL de água + batata crua cortada em cubinho de 2 cm3 + H2O2*

2. calor

25 mL de água previamente fervida e quente + batata crua cortada em cubinho de 2 cm3 + H2O2*

3. pH ácido

25 mL de vinagre + batata crua cortada em cubinho de 2 cm3 + H2O2*

4. pH básico

25 mL de NaOH + batata crua cortada em cubinho de 2 cm3 + H2O2*

5. Sal

25 mL de CuSO4 + batata crua cortada em cubinho de 2 cm3 + H2O2*

No preparo do copo nº 2, deverão ser fervidos, em fogão ou com auxílio de um micro-ondas, 25 mL de água. Em seguida deve ser colocada a água fervida (quente) no copo junto da batata já cortada. Nessa parte do experimento o fogo ou o aquecimento pode ser perigoso, pois pode gerar queimaduras. O professor pode sugerir aos alunos que peçam ajuda a um adulto para condução em segurança dessa parte da atividade. O mesmo deve ser ressaltado para o preparo do copo nº 4, o tratamento contendo NaOH (hidróxido de sódio ou soda cáustica). Por ser um reagente perigoso, o NaOH em contato com a pele pode causar corrosões e queimaduras; assim, o professor deve alertar os alunos para que peçam o auxílio de um adulto, evitando acidentes. Recomenda-se até mesmo o uso de EPI (equipamento de proteção individual), como jaleco, luvas e óculos de proteção.

Para o tratamento nº 5 (sulfato de cobre - CuSO4), não existe risco iminente, podendo ser preparado pelos próprios alunos.

Após preparados os tratamentos conforme o Quadro 2 e adicionada a água oxigenada em todos eles, os alunos irão analisar o que aconteceu em cada um, registrando no caderno os resultados.

Resultados esperados e discussões do experimento no escopo da Biologia

Na Figura 1 encontram-se dispostos os resultados da aula prática proposta.

Figura 1: Resultados da atividade experimental da ação da enzima catalase na batata (Solanum tuberosum L.) em diferentes tratamentos

O que aconteceu com o copo identificado com a letra C? Ele é o nosso controle, pois continha água e o peróxido de hidrogênio (H2O2); nenhuma reação visível foi observada (Figura 1). No entanto, em contato com a luz solar (Mattos et al., 2003) e até mesmo o calor, pode haver, de maneira muito lenta e imperceptível, a decomposição do peróxido de hidrogênio em oxigênio e água, liberando calor (Novaes et al., 2013). Nessa parte inicial do experimento, o professor pode discutir com os alunos a importância da existência do tratamento controle. Segundo Pithon (2013, p. 13), “o grupo controle é constituído de elementos que apresentam exatamente todas as características do grupo experimental, menos a variável a ele aplicada”; segundo Amatuzzi et al. (2006, p. 56), são “sujeitos do estudo que não recebem tratamento ou intervenção”. Assim, o uso de um grupo controle nos experimentos científicos é de grande importância, pois permite ao pesquisador comparar e avaliar os resultados em relação aos demais tratamentos que receberão algum tipo de intervenção; no caso do experimento feito aqui, são os outros copos.

No copo nº 1, que continha água, batata crua e H2O2 (Figura 1), foi visível a presença de bolhas e de grande efervescência. O aparecimento de tais fenômenos se deu pela presença da enzima catalase no interior das células vegetais da batata. Essa enzima catalisou a conversão do substrato (H2O2 fornecido), transformando-o em moléculas de água e oxigênio. As bolhas que se desprenderam da batata após a adição do peróxido de hidrogênio (H2O2) nada mais são do que moléculas de oxigênio. Então, qual o intuito de essa enzima existir nas células? Qual o seu papel? A enzima catalase é de grande importância não só nos vegetais como também nos animais. Nessa parte do experimento, o professor deve alertar os alunos de que a água oxigenada é tóxica para os seres vivos e deve ser transformada em produtos não nocivos para eles. Nesse caso, essa reação de decomposição se dá por um grupo específico de enzimas de nome peroxidase e a enzima é chamada catalase. A catalase irá decompor a água oxigenada em moléculas de água e oxigênio, liberando um pouco de energia nesse processo.

O professor poderá fazer uma abordagem no conteúdo de Bioquímica, falando da importância dos papéis desempenhados pelas enzimas nos seres vivos. Deve ser alertado aos alunos que as enzimas são moléculas proteicas compostas de aminoácidos que aceleram (catalisam) as reações dos organismos. Na ausência delas, muitas reações não ocorreriam ou levariam uma eternidade para acontecer, o que seria incompatível com a vida. Assim, sem essas moléculas “mágicas”, muitas tarefas internas nos organismos seriam prejudicadas, como a replicação do DNA, o processamento e empacotamento de substâncias no meio intracelular, o processo de reparo de mutações no DNA e a digestão dos alimentos no estômago e no intestino, por exemplo.

Em uma abordagem voltada à Biologia Celular, o professor pode explicar aos alunos que, nos animais e vegetais, a catalase está presente dentro das células, nas organelas denominadas peroxissomos. Essas estruturas são compostas por uma única membrana que constitui grande reserva de enzimas oxidativas, como é caso da catalase e da urato-oxidase (Alberts et al., 2010). No organismo humano, as catalases se encontram em grande número no fígado, sendo assim um órgão propício para reciclagem de materiais e eliminação de toxinas. Assim, segundo Siqueira (2013), esse órgão possui grande rede de vasos sanguíneos, devido à sua função de produzir milhares de produtos químicos essenciais ao organismo. Para isso, utiliza enzimas como a catalase, que decompõe a água oxigenada.

Nas plantas, existem dois tipos de organelas peroxissomais, uma delas presente nas folhas, onde participam do processo de fotorrespiração, e em sementes no estado de germinação, convertendo ácidos graxos em açúcares para o crescimento da planta jovem (Alberts et al. 2010).

No copo nº 2, que continha batata, água quente e peróxido de hidrogênio, não ocorreu nenhuma reação (Figura 1). Qual a explicação para isso? A fervura da água em contato com a batata, desnaturou a enzima catalase, inativando-se assim sua função enzimática, e o resultado desse processo é que o peróxido de hidrogênio não pode ser decomposto. Nessa parte da aula o professor pode chamar a atenção dos alunos para o fato de que o calor pode provocar a desnaturação das proteínas, modificando sua forma e levando à perda de função enzimática.

No copo nº 3 (vinagre) e no copo nº 4 (NaOH), também não foi observada qualquer reação (Figura 1). O mesmo podemos discutir em relação ao copo nº 2 (calor); no entanto, nos tratamentos dos copos nº 3 e nº 4, o ácido e a base também levaram à desnaturação da enzima catalase presente na batata, levando essa enzima a perder sua função catalítica. Assim, segundo Nelson e Cox (2006, p. 146),

proteínas podem ser desnaturadas não apenas pelo calor, mas por extremos de pH, por certos solventes orgânicos miscíveis, como o álcool ou a acetona, por solutos como a ureia e o cloreto de guanidina ou por detergentes. Cada um desses agentes desnaturantes representa um tratamento relativamente moderado para que nenhuma ligação covalente seja quebrada.

Por fim, na Figura 1, no copo nº 5 (tratamento contendo CuSO4) ocorreu grande efervescência. O que explica esse resultado? Quando adicionamos o peróxido de hidrogênio (H2O2) e a batata no copo contendo água e sulfato de cobre (CuSO4), como não há mudança de pH, as cargas desse sal irão interagir com as cargas da proteína (enzima catalase), promovendo um aumento de sua solubilidade. O substrato (H2O2) será degradado com grande expressividade pela ação da catalase presente nas células da batata, formando assim O2 (bolhas) e H2O. Dessa maneira, verificamos uma espuma esbranquiçada (Figura 2a) na superfície do copo; é o produto dessa reação, sendo o mesmo fenômeno observado no tratamento 1 (Figura 1) em condições normais do experimento (Figura 2b).

Essa atividade prática possui semelhança com o trabalho publicado por Siqueira (2013), que propôs uma experiência sobre a atividade da enzima catalase em diversos substratos. No entanto, a aula prática aqui proposta possui diversas modificações e inclusões com o intuito de tornar o protocolo mais simplificado e mais facilmente executado pelos alunos em casa, uma vez que as aulas têm seguido o modelo virtual ou semipresencial de ensino, o que possibilita incrementar as discussões e problematizações entre professor e aluno.

Assim, a aula prática proposta é recomendada para ser ministrada aos alunos após as aulas teóricas sobre enzimas (proteínas) e Citologia (peroxissomos), dentro da disciplina de Biologia no Ensino Médio. Para enriquecer a atividade e permitir a efetiva apreensão do conhecimento pelos alunos, está disposto a seguir um questionário que deverá ser respondido e entregue ao professor ao final da realização da aula prática. Por fim, a atividade prática proposta permite ao docente também realizar interdisciplinaridade com Química. Nesse sentido, pode ser abordado com os alunos o conceito de reação de decomposição ou análise que ocorre com a água oxigenada pela ação da enzima catalase.

Figura 2: Reação de decomposição (formação de oxigênio e água) evidenciada pela ação da enzima catalase sob o substrato (H2O2 na batata): a) Copo nº 5 (meio contendo Sulfato de Cobre) e b) Copo nº 1 (condições normais do experimento)

Questionário proposto

1. Descreva detalhadamente o que ocorreu em cada um dos copos. Elabore uma hipótese para explicar os resultados em cada um deles.

2. Qual o papel da enzima catalase nos seres vivos? Explique sua resposta.

3. Explique em linhas gerais o que ocorreu no copo nº 1 (batata crua + água + água oxigenada) e escreva a reação global para a decomposição do peróxido de hidrogênio.

4. Quanto ao copo nº 2 (efeito do calor), elabore um gráfico para explicar a influência da temperatura em relação ao papel enzimático da enzima catalase. Explique em linhas gerais o que aconteceu com a enzima catalase nesse tratamento.

5. Nos tratamentos 4 e 5, como a influência do pH determinou o papel da reação enzimática da catalase? Explique sua resposta.

6. Quando machucamos e sangramos, ao adicionarmos água oxigenada na lesão, observamos o aparecimento de bolhas efervescentes. Como esse fenômeno pode ser relacionado ao que foi visto na aula experimental com a batata? Explique sua resposta.

Respostas esperadas do questionário proposto

1. Descrição sucinta do que ocorreu em cada copo:

Copo C: controle do experimento, não ocorreu nenhuma reação visível.

Copo nº 1: formação de bolhas efervescentes;

Copo nº 2: nenhuma reação observada;

Copo nº 3: nenhuma reação observada;

Copo nº 4: nenhuma reação observada;

Copo nº 5: formação de bolhas efervescentes.

O copo C é o controle. Nesse copo não ocorreu nenhuma reação visível, como é esperado. No copo nº 1 ocorreu formação de bolhas efervescentes, pois o peróxido de hidrogênio (H2O2) adicionado serviu como substrato para a enzima catalase presente na batata, ocorrendo assim uma reação química de decomposição desse peróxido, formando gás oxigênio (bolhas) e água, liberando também calor para o meio, já que é uma reação exotérmica. No copo nº 2, nenhuma reação foi observada, pois o calor desnaturou a enzima catalase na batata, não havendo reação de decomposição. No copo nº 3 (solução ácida de vinagre) e nº 4 (solução básica de hidróxido de sódio), a enzima catalase se desnaturou, não havendo reação química.

No copo nº 5 ocorreu grande efervescência, pois a enzima catalase interagiu com as cargas do sal de sulfato de cobre (não ocorreu variação de pH do meio por se tratar de um sal), potencializando sua ação catalítica.

2. O papel da enzima catalase nos seres vivos é promover a detoxificação das células por meio da decomposição do peróxido de hidrogênio (H2O2), formando gás oxigênio, água e calor.

3. No copo nº 1 ocorreu formação de bolhas efervescentes, pois o peróxido de hidrogênio (H2O2) adicionado serviu como substrato da enzima catalase presente na batata, ocorrendo assim uma reação química de decomposição desse peróxido em gás oxigênio (bolhas) e água, liberando também calor, já que é uma reação exotérmica. Reação geral: H2O2 à O2 + H2O + calor.

4. No copo nº 2, nenhuma reação foi observada, pois o calor desnaturou a enzima catalase na batata, não havendo reação de decomposição da H2O2, como apresentado na Figura 3.

Figura 3: Gráfico da velocidade de reação em função da variação da temperatura pela enzima catalase

Fonte: Wikimedia Commons (2021) com modificações. Disponível em: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a8/Effect_of_pH_on_enzymes.svg.

5. O pH ácido (copo nº 3 - vinagre) e o básico (copo nº 4 - NaOH) desnaturaram a enzima catalase, alterando sua forma, ocasionando a perda de sua função catalítica. Assim, nestes tratamentos, não observamos mudança nas reações do experimento.

6. Ao adicionarmos água oxigenada ao machucado, observamos o desprendimento de gás oxigênio (efervescência), pois a H2O2 entrou em contato nas células com a enzima catalase presente na organela peroxissomo. Assim, esse fenômeno se correlaciona ao experimento vivenciado nesta aula prática, pois, assim como na batata, ocorrerá decomposição da H2O2 em O2 (gás) e H2O pela enzima catalase.

Conclusões

A abordagem de aulas práticas pode ser de grande importância, pois permite facilitar o processo de ensino-aprendizagem dos discentes, transpondo na prática o que foi contextualizado na aula teórica em sala de aula. Além disso, tem o intuito de despertar o lado criativo e científico do aluno, potencializando a ótica de experimentação em Ciências.

Referências

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Publicado em 20 de julho de 2021

Como citar este artigo (ABNT)

GONÇALVES, Tiago Maretti. Um laboratório de Biologia em casa: simulando a ação da enzima catalase na batata. Revista Educação Pública, v. 21, nº 27, 20 de julho de 2021. Disponível em: https://educacaopublica.cecierj.edu.br/artigos/21/27/um-laboratorio-de-biologia-em-casa-simulando-a-acao-da-enzima-catalase-na-batata