apostila metais

apostila metais

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Agradecimentos

Esta apostila foi elaborada durante o curso de pós-graduação em biofísica (IBCCF,

UFRJ). A necessidade foi sentida no momento da tutoria de biofísica para alunos de graduação em Ciências Biológicas. Desta forma tem-se que agradecer a todos que fizeram parte deste processo de formação da autora e, que sem dúvida, contribuíram bastante com seus ensinamentos, opiniões e estímulo a elaboração do documento. Agradeço a Wolfgang C. Pfeiffer por toda a orientação recebida durante a pós-graduação; a Miriam B. Castro, Olaf Malm e Jean R. D. Guimarães pela orientação no trabalho com os alunos; a João Paulo M. Torres pela divisão da carga didática e principalmente pelos bons momentos; ao Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho e ao Programa de Tutoria UFRJ pela possibilidade dessa experiência.

Capítulo 1 – Apresentação

Entre os elementos químicos, os metais são os que constituem o maior grupo. Os metais são por definição bons condutores de eletricidade e, sua condutividade elétrica decresce com a temperatura. Diferenciam-se assim dos não-metais, os quais não são bons condutores elétricos e dos metalóides (B, Si, Ge, As, Te), cuja condutividade elétrica é baixa e aumenta com a temperatura (Forstner & Wittman, 1981).

De acordo com sua atividade biológica, os metais podem ser divididos em 3 grupos. Estes são: metais essenciais, aqueles com funções biológicas conhecidas e específicas; metais tóxicos; e metais eventualmente presentes nas células, sem funções definidas, podendo indicar um mau-funcionamento das mesmas (Beveridge et al., 1997).

1.1 – O termo metal pesado

Antes de apresentarmos as bases teóricas dos três grupos de metais supra-citados, vale definir o que se convencionou chamar de metal pesado.

O termo metal pesado refere-se aos metais com densidade acima de 5. de acordo com Beveridge et al. (1997), está definiçção é arbitrária por representar um grupo diverso de metais. Entretanto a expressão metal pesado geralmente está associada a uma conotação de poluição e/ou toxicidade (Whitton, 1984).

1.2 – Metais essenciais

Os metais com funções essenciais na matéria viva são Na, K, Mg, Ca, V, Mn, Fé, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, e W. Oss quatro primeiros são requeridos como elementos construtores no meio intracelular we, por isso mesmo sua concentração costuma ser elevada, sendo conhecidos como macronutrientes. Já os metais como Co, Ni, zn, e Mo são necessários em baixíssimas concentrações, acima das quais passam a ser tóxicos. São por isso mesmo, chamados micronutrientes. A essencialidade do Cu ainda é discutível. O tungstênio tem sido recentemente apontado como essencial. Um exemplo são as bactérias termofílicas de fontes termais submarinas (130ºC): acredita-se que elas sejam dependentes de tungstênio em seu metabolismo, já que este é um metal presente nos ventos hidrotermais (Adams, 1993)

Figura 1: Tabela periódica simplificada dos elementos mostrando os elementos essenciais, os tóxicos, os indiferentes e os metais pesados ou elementos com densidade acima de 5.

1.2.1 – Funções dos metais essenciais Os metais essenciais desempenham diversos papéis no metabolismo dos seres vivos. Os elementos de transição e o zinco ligam-se firmemente a macromoléculas, particularmente proteínas, e estão envolvidos em processos como catálise enzimática de hidrólise ou reações de oxidação e/ou redução. Estes elementos são igualmente importantes no transporte e armazenamento de moléculas menores, tais como oxigênio.

Os cátions dos grupos 1 e 2 também participam de catálise enzimática, particularmente o magnésio. Outras funções conhecidas são mecanismos de controle de reações, estabilização de estruturas, neutralização de cargas e controle de pressão osmótica. Os cátions monovalentes são de particular importância nas duas últimas funções devido a seu caráter de fracos ligantes.

Como exemplos práticos podem ser citados: a) Mg central na molécula de clorofila; b) Cu do citocromo c-oxidase, enzima presente na mitocôndria, responsável pela transferência de elétrons (Cu+2 a Cu+) numa das etapas da cadeia respiratória; c) Zn nos “zinc-fingers”, proteínas ligantes de DNA, importantes na ativação de reações de transcrição de proteínas.

1.2.2 – Transporte de metais essenciais

O transporte desses elementos para o interior das células tem merecido bastante atenção a nível fisiológico, bioquímico e genético (Beveridge et al., 1997). Moléculas pequenas e sem carga provavelmente entram por difusão passiva de acordo com um gradiente de concentração. Já os íons carregados requerem energia para serem transportados. Esta pode ser fornecida na forma de ATP ou o íon pode ser co-transportado com outro íon, geralmente Na+ e H+, o qual é dirigido por um potencial transmembrana (como as ATPases).

O transporte mais bem conhecido é o do íon Fé em bactérias (Neilands, 1989). Este é realizado através de sideróforos, pequenas esferas de compostos quelantes de ferro. Os sideróforos são excretados para fora da célula, ligam-se ao Fe(I), são transportados para o interior da célula, onde Fe(I) é liberado. O estudo dos sideróforos é bastante estimulado por sua significância em patogenecidade, microbiologia ambiental e biotecnologia.

Transportes específicos de íons devem ser abordados conforme o caso em estudo.

1.3 – Metais tóxicos (não-essenciais)

Os metais classificados como tóxicos não têm funçção metabólica conhecida. São eles Ag, Cd, Sn, Au, Hg, Tl, Pb, Bi e Al.

Germânio, arsênico, antimônio e selênio são incluídos entre os metais tóxicos para fins de estudo, embora sejam na verdade, metalóides. Sua química é aniônica e não catiônica e, portanto, os metalóides exercem efeitos diferentes dos metais tóxicos.

O alumínio vem sendo considerado como um metal tóxico. Isto em decorrência da solubilização de aluminosilicatos nos solos em conseqüência das chuvas ácidas. As espécies de Al(I) são tóxicas às bactérias do solo e acabam gerando problemas em horticultura (Flis et al., 1993).

1.4 – Metais indiferentes (sem função específica)

Metais como Rb, Cs, Sr e vários metais de transição, são por vezes acumulados nas células por interações físico-químicas não específicas ou por mecanismos específicos de transporte (Gadd, 1988; Beveridge, 1989 a, b). Os íons acumulados podem exercer efeitos biológicos indiretos como a substituição do íon K+2 na neutralização de cargas de Rb+ ou Cs+ (avery et al., 1991). A presença desses metais em microrganismos, por exemplo, reflete as características geológicas ou ambientais de um local. Um exemplo é o encontro de 137Cs+ em bactérias dos solos do norte europeu como conseqüência da deposição atmosférica do material radioativo de Chernobyl.

1.5- Deficiência e excesso de metais nos seres vivos

Os metais foram apresentados como essenciais, tóxicos e indiferentes, de acordo com sua função nos sistemas vivos. É importante conhecer o comportamento dos metais de acordo com essa característica de essencialidade à matéria viva. Na figura a seguir, são representados os modelos gráficos que representam a deficiência e o excesso dos metais. Esses modelos são clássicos e estão de acordo com Baccini & Roberts, 1976 (apud Förstner & Wittman, 1979).

Figura 2: Modelos de comportamentos dos metais nos sistemas vivos: deficiência e excesso.

Referências bibliográficas:

ADAMS MWW. 1993. Enzymes and proteins from organisms that grow near and above 100ºC. Ann. Rev. Microbiol., 47: 627-658.

AVERY SV, CODD GA, GADD GM. 1991. Cesium accumulation and interactions with other monovalent cations in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6893. J. Gen. Microbiol., 137: 405-413.

BEVERIDGE TJ. 1989a. Role of cellular design in bacterial metal accumulation. Ann. Rev. Microbiol., 43: 293-316.

BEVERIDGE TJ. 1989b. Interactions of metal ions with components of bacterial cells walls and their biomineralisation. In: Metal-Microbe Interactions (RK Poole & GM Gadd, eds.), p: 65-83. IRL Press, Oxford.

BEVERIDGE TJ, HUGHES MN, LEE H, LEUNG KT, POOLE RK, SAVVAIDIS I, SILVER S, TREVORS JT. 1997. Metal-microbe interactions: contemporary approaches. In: RK Poole (ed.), Advances in Microbial Physiology, Academic Press, 38:178-243.

FLIS SE, GLENN AR, DILWORTH MJ. 1993. The interaction between aluminium and root nodule bacteria: a review. Soil Biol. Biochem., 25:403-417.

FÖRSTNER U, WITTMANN GTW. 1981. Metal pollution in the aquatic environment. Springer- Verlag, 486 p.

GADD GM. 1988. Accumulation of metals by microrganisms and algae. In: Biotechnology – A Comprehensive Treatise. Special Microbial Processes. (H. J. Rehm, ed.), p: 401-433. VCH Verlagsgesellschaft, Weiheim.

NEILANDS JB. 1989. Siderophore systems of bacteria and fungi. In: T.J. Beveridge & R.J. Doyle (eds.), Metal Ions and Bacteria. John Wiley & Sons, New York, p: 141-163.

WHITTON BA. 1984. algae as monitor of heavy metals in freshwaters. In: Algae as Ecological indicators L.E. Schubert (ed.), p: 257-280. Academic press Inc.

Capítulo 2 – Metais no ambiente

2.1 – Características e comportamento dos metais

Falar sobre o comportamento dos metais no ambiente, é na realidade falar como os mesmos estão ou não disponíveis. E disponibilidade significa inferir o quanto de metal para pode ser efetivamente levado do compartimento abiótico para o biótico. Antigamente, a maior parte das pesquisas em metais baseava-se na concentração total de metal encontrada. Entretanto, tornou-se cada vez mais evidente que o impacto no ambiente de uma espécie particular de metal é mais importante que sua concentração total (Förstner & Wittman, 1979). Assim sendo, a compreensão do comportamento e mobilidade dos metais nos diversos compartimentos do ambiente depende muito mais de sua especiação (Salomons et al., 1995).

Para um dado elemento, o termo especiação indica a forma ou espécie química que o mesmo pode assumir. As diferentes formas químicas obedecem a uma determinada distribuição nos compartimentos da natureza. Por exemplo, compostos de metal sólidos têm menor mobilidade que compostos coloidais ou solúveis. A distribuição de um metal entre suas várias espécies é o resultado de uma série de reações químicas (Salomons et al., 1995).

Figura 3: Especiação geoquímica dos metais (Solomons et al., 1995)

2.2 – Fatores que interferem na especiação

O tipo de espécie química do metal no ambiente e sua conseqüente solubilidade ou precipitação dependem de fatores físicos e químicos, como pH e potencial redox (Eh). A figura 4 apresenta um diagrama da solubilidade de metais em função desses fatores.

Figura 4: Solubilidade de acordo com pH e Eh (Salomons et al., 1995)

A presença de quelantes no ambiente também interfere na solubilidade dos matais. Os quelantes são moléculas às quais os metais se ligam formando complexos. Um exemplo clássico de molécula quelante é o sal de EDTA, muito usado em meios de cultura e diferentes organismos. Quelantes naturais presentes nos solos são os ácidos húmicos e fúlvicos que também funcionam como bons complexadores orgânicos de metal neste ambiente.

Íons orgânicos também podem afetar a especiação e disponibilidade dos metais formando precipitados. Fosfato, cloreto, arsenato e sulfato causam a precipitação de metais-traço essenciais (Hughes & Poole, 1991) diminuindo sua disponibilidade para os organismos. No ambiente um dos principais formadores de complexos inorgânicos é o íon Cl-. Em concentrações de até mesmo 0,01 M deste íon, os metais tendem a ficar na forma de cloretos (Salomons et al., 1995).

Todos os fatores citados anteriormente são de funamental importância na compreensão do comportamento dos metais nos diferentes ambientes, conforme será visto a seguir. A caracterização física e química do ambiente faz-se, portanto, necessária nos estudos de interação metais-ambiente.

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