Definição
Saccharomyces cerevisiae (também conhecido como “levedura de Baker” ou “fermento de cervejaria”) é um fungo unicelular responsável pela produção de álcool e formação de pão. Cultivada por milhares de anos, S. cerevisiae sofre fermentação para criar esses produtos. Como um eucarioto reproduzido rapidamente, Saccharomyces cerevisiae é um organismo modelo amplamente utilizado que permitiu aos cientistas entender melhor os processos moleculares, celulares e bioquímicos, bem como os tratamentos e possíveis tratamentos com doenças humanas comuns.
História de Saccharomyces cerevisiae
Bebida e produção de alimentos
Saccharomyces cerevisiae (Nome científico: S. cerevisiae) é um fungo de célula única (ou unicelular) conhecida como levedura. É cultivado por seres humanos há milhares de anos, pois é o organismo conhecido por produzir uma variedade de bebidas alcoólicas- como cervejas e vinhos-, além de assados- como pães. Embora cervejeiros e padeiros não tivessem conhecimento de como exatamente S. cerevisiae era capaz de produzir esses bens, os cientistas estudaram extensivamente esse organismo desde os anos 1800, em um esforço para entender melhor seus processos. Sabe -se agora que S. cerevisiae contribui para o álcool e as boas produções assadas submetidas a um processo bioquímico conhecido como fermentação. A fermentação de leveduras tornou -se um dos primeiros processos a serem investigados na disciplina da bioquímica.
S. cerevisiae cresce naturalmente em frutas- como uvas e datas- assim como grãos- como trigo e cevada. Sua forma principal de reprodução é a brotação, onde as células filhas brotam diretamente da célula mãe. Alguns dos usos mais antigos conhecidos de S. cerevisiae remontam a 4.000 aC no Egito antigo, onde os egípcios antigos usariam fermento para fazer pão. Após a descoberta do microscópio de Anton Van Leeuwenhoek em 1676, os fabricantes de cerveja conseguiram cultivar suas colônias de leveduras por morfologia (ou por sua aparência física). Ao separar as colônias por suas morfologias, os fabricantes de cerveja foram capazes de produzir gostos diferentes. Em 1859, Louis Pasteur conseguiu generalizar o processo em que a fabricação de pão ajudou a S. cerevisiae, onde o dióxido de carbono liberado permitia que o pão subisse.
Benefícios para estudos biológicos
Estudar de Saccharomyces cerevisiae não terminou com cerveja e cozimento. Como organismos unicelulares, S. cerevisiae se reproduz muito rapidamente a taxas comparáveis às células bacterianas em condições boas a ideais. Como eucariotos, eles contêm vários dos mesmos sistemas celulares que organismos multicelulares, incluindo paredes celulares, membranas celulares, núcleos, retículo endoplasmático, aparelho de Golgi, mitocôndrias, vacúolos e vesículas. Combinando esses aspectos, S. cerevisiae serve como um excelente organismo modelo que pode ser facilmente cultivado e manipulado em laboratório, a fim de estudar mecanismos e processos que melhoram nossa compreensão de conceitos maiores em biologia.
Não se sabe muito sobre a vida natural e a ecologia de S. cerevisiae fora do laboratório. No entanto, a pesquisa está em andamento para obter melhores informações sobre essa falta de informação.
Saccharomyces cerevisiae na formação de álcool e pão
Apesar de sua longa história na produção de álcool e pão, não se sabia exatamente como Saccharomyces cerevisiae fez esses bens. Ao estudar seus processos bioquímicos, agora sabemos que S. cerevisiae libera moléculas de álcool e dióxido de carbono como subprodutos enquanto passam por fermentação. S. cerevisiae não pretende criar esses subprodutos- são simplesmente produtos liberados como resíduos que não são necessários para a sobrevivência de S. cerevisiae.
A fermentação é um processo que muitas células utilizam para produzir energia a partir de moléculas de açúcar em ambientes de lack de oxigênio. É uma alternativa menos eficiente em termos de energia à respiração celular. Para entender melhor por que a fermentação ocorre, vamos primeiro olhar para o processo geral de respiração celular e seu significado biológico.
Respiração celular
A respiração celular é o processo em que o açúcar [na forma de glicose (C6H12O6)] é quebrado para criar energia na forma de trifosfato de adenosina (ou ATP). O ATP é absolutamente crítico para a vida, pois fornece a energia de que as células precisam concluir os processos bioquímicos em todo o corpo. Para que essa reação ocorra, deve haver oxigênio presente. O dióxido de carbono (CO2) e a água (H2O) também são liberados no final da reação.
A equação usada para representar a quebra química da respiração celular é a seguinte:
Glicose + 6 oxigênio -> 6 água + 6 dióxido de carbono + 29 ATP
ou
C6H12O6+ 6 O2 —> 6 H2O+ 6 CO2+ 29 ATP
O processo completo de respiração celular é composto de quatro etapas: glicólise, processamento de piruvato, o ciclo do ácido tricarboxílico (ou ciclo TCA, também conhecido como ciclo de Krebs e ciclo do ácido citric) e a cadeia de transporte de elétrons (ou etc). A respiração celular é evolutivamente importante porque o processo completo produz 29 moléculas de ATP de uma única molécula de glicose. A maioria dessas moléculas de ATP é produzida na última etapa do etc. No entanto, alguns ATP também são produzidos nas etapas que antecederam o ETC- principalmente em glicólise.
Glicolise
A glicólise (glico = açúcar, lise = quebra) é um processo de 10 etapas no qual uma molécula de glicose (que contém seis carbonos) é dividida em duas moléculas de piruvato (cada uma contendo três carbonos). São necessárias duas moléculas de ATP para impulsionar a glicólise, onde quatro moléculas são produzidas no final. Como resultado, apenas uma rede de duas moléculas ATP é criada durante a glicólise.
Outra molécula crítica na glicólise é a nicotinamida adenina dinucleotídeo (ou NADH). Como reação redox, é importante observar que o NAD+ é a forma oxidada de NADH e NADH é a forma reduzida de NAD+. A oxidação é a perda de um elétron, enquanto a redução é o ganho de um elétron (pneumônico: plataforma de óleo = oxidação é perda, redução é ganho!), Onde a adição de um hidrogênio é geralmente a fonte do novo elétron. Portanto, o NADH é oxidado para se tornar NAD+, enquanto o NAD+é reduzido para se tornar NADH. Durante o processo de glicólise especificamente, duas moléculas de NAD+ são reduzidas para criar duas moléculas de NADH.
Portanto, a equação geral da glicólise é a seguinte:
Glicose + 2 nad ++ 2 adp + 2 pi -> 2 piruvato + 2 nadh + 2 h ++ 2 ATP + 2 H2O
Como mostrado pela reação geral da respiração celular da seção anterior, o oxigênio (O2) é fundamental para o processo ocorrer. Embora o oxigênio não seja usado durante a glicólise, ele deve estar presente para que a célula continue além da glicólise e nas próximas etapas da respiração celular. Se o oxigênio não estiver presente, a célula passará por fermentação.
Fermentação
Fermentação é o processo no qual a glicose é dividida em um ambiente anaeróbico (ou falta de oxigênio). Existem muitos tipos diferentes de fermentação, com dois dos mais conhecidos sendo a fermentação do ácido lático e a fermentação do etanol. Enquanto as células musculares podem sofrer fermentação do ácido lático, as células de levedura sofrem especificamente a fermentação do etanol. Portanto, vamos nos concentrar apenas na fermentação do etanol para este artigo.
Semelhante ao processo de respiração celular, Saccharomyces cerevisiae sofre glicólise para produzir duas moléculas de piruvato, como descrito anteriormente. Assim, também produz duas moléculas de ATP e 2 moléculas de NADH. Após a glicólise, no entanto, S. cerevisiae converte as duas moléculas de piruvato (cada uma contendo 3 carbonos, para um total de seis carbonos) em duas moléculas de acetaldeído (cada uma contendo dois carbonos, para um total de quatro carbonos). Os dois carbonos ausentes são liberados das células de levedura como sub-produtos de resíduos na forma de dióxido de carbono (CO2). Este é o gás que permite que o pão suba durante a fabricação de pão.
As moléculas NADH que foram produzidas durante a glicólise interagem com as moléculas de acetaldeído. NADH passa o acetaldeído e um elétron para que NADH seja oxidado de volta ao NAD+. Agora, o NAD+ pode ser reutilizado para glicólise. Quando o acetaldeído recebe esse elétron, ele é reduzido ao etanol. O etanol é liberado das células de levedura como sub-produtos de resíduos. Como o etanol é uma molécula alcoólica, este é o produto responsável pela produção de bebidas alcoólicas.
O processo de cerveja de cerveja
O processo de fabricação de cerveja envolve várias etapas ao longo de algumas a várias semanas.
“Malting” é o primeiro passo da fabricação de cerveja, onde os carboidratos de grãos (como a cevada) germinam. Durante a germinação, as enzimas de degradação- como a α-amilase e a maltase- são ativadas. “Passando” é o segundo passo, onde os grãos são esmagados para liberar enzimas metabólicas. A água é então adicionada para criar uma mistura de “erva”. O mosto é incubado em temperaturas que otimizam a atividade catalítica das enzimas. Isso permite que os carboidratos sejam quebrados e prontos para entrar na glicólise. Qualquer coisa não digerida é removida por filtração.
O próximo passo é ferver o mosto e adicionar ingredientes aromatizantes, como lúpulo (que são plantas que adicionam amargura e aromas à cerveja). Uma vez que essa mistura esfria, é adicionada uma cultura de levedura viva. O oxigênio ainda é deixado na mistura para permitir que a cultura cresça por um curto período de tempo. Uma vez que uma cultura grande o suficiente é cultivada, o oxigênio é removido do sistema e a levedura fermenta os metabólitos de carboidratos. À medida que o etanol é lançado, a cerveja é produzida.
Nas cervejarias em larga escala, a cerveja é filtrada e o CO2 adicional é adicionado antes que a bebida seja engarrafada. No entanto, em cervejarias em pequena escala, leveduras e açúcar adicionais são adicionados para criar uma segunda etapa de fermentação durante o engarrafamento. O CO2 adicional resulta em carbonatação, permitindo que as bebidas se tornem “com gás”.
Embora a cerveja seja pensada principalmente ao discutir Saccharomyces cerevisiae, várias bebidas alcoólicas são criadas usando esta espécie de levedura. Usando várias cepas, culturas, carboidratos crus, sabores e metodologias, é possível criar vinho, cidra, hidromel, uísque, conhaque, rum, vodka, grappa, tsiporo e gin de S. cerevisiae também.
Saccharomyces cerevisiae como organismo modelo
Os usos para Saccharomyces cerevisiae vão muito além da cerveja e do cozimento e permitiram aos cientistas fazer milhares de descobertas que melhoram nossos entendimentos em genética, biologia molecular, biologia celular, bioquímica e muito mais. Como organismos unicelulares, S. cerevisiae é capaz de reproduzir e prosperar rapidamente em ambientes de laboratório. O ciclo celular médio para uma única célula de levedura em condições ideais é de cerca de 90 minutos, o que significa que uma quantidade suficiente de fermento pode ser cultivada em poucas horas. Além disso, o fermento pode ser cultivado em condições ácidas e com alto teor de açúcar. Essas condições impedem o crescimento bacteriano, evitando contaminação e resultados conflitantes.
Como eucariotos, S. cerevisiae contém semelhanças moleculares, celulares e bioquímicas com organismos eucarióticos mais complexos, incluindo seres humanos. Portanto, S. cerevisiae se oferece como um organismo modelo útil. Especificamente, experimentos podem ser realizados para entender melhor esses processos e suas aplicações em organismos mais complexos, especialmente quando se considera doenças e tratamentos. Sendo o primeiro organismo eucariótico a ter toda a sua sequência do genoma, foi descoberto rapidamente que S. cerevisiae continha pelo menos 31% dos genes funcionais com homólogos (ou genes equivalentes) em humanos. Além disso, pelo menos 20% dos genes que desempenham papéis importantes na doença humana também têm homólogos em células de levedura. Portanto, ao estudar leveduras, os cientistas fizeram avanços que melhoram nosso entendimento em conceitos como regulação e divisão do ciclo celular, reparo de DNA e muito mais.
Pesquisa de ciclo celular e câncer
Leland Hartwell, um biólogo, usou Saccharomyces cerevisiae como modelo para entender melhor o ciclo celular eucariótico, bem como mutações no ciclo celular que levam ao câncer. Especificamente, ele completou isso estudando genes mutados em S. cerevisiae. Ao fazer isso, ele determinou o papel que cada gene desempenhava no ciclo celular quando não era mais funcional. Ao identificar mais de 100 genes, Hartwell finalmente descobriu que os genes que deveriam suprimir o câncer não funcionaram mais quando mutados, e os genes que empurram o ciclo celular para a frente não podem ser desligados quando mutado. Como resultado, a célula perde sua capacidade de desligar e continua a se dividir, apesar dos sinais para parar. Essas células cancerígenas agora continuam se dividindo até que finalmente formem tumores. Ao identificar esses genes, cientistas adicionais foram capazes de identificar proteínas -chave que também auxiliam na progressão do ciclo celular.
Além de estudar genes mutados no ciclo celular, Hartwell também determinou vários genes de “ponto de verificação”, que são genes que supervisionam o status do ciclo celular. Em cada ponto de verificação, várias proteínas garantem que os requisitos específicos sejam atendidos. Se os requisitos forem atendidos, os genes do ponto de verificação permitem que a célula progrida através do ciclo celular. Se houver problemas, como perda na integridade do DNA ou quantidades insuficientes de proteínas específicas, os genes do ponto de verificação interromperão a progressão do ciclo celular ou induzirão apoptose (ou morte celular programada). Hartwell identificou que as mutações nesses genes do ponto de verificação desempenham um grande papel na formação do câncer. Isso ocorre porque os genes do ponto de verificação mutados não podem desempenhar adequadamente seus papéis e podem emitir sinais para que a célula continue se dividindo mesmo quando houver problemas que devem resultar em apoptose.
Saccharomyces cerevisiae na pesquisa neurodegenerativa
Apesar de serem unicelulares, Saccharomyces cerevisiae contém múltiplos genes e proteínas homólogas a vários distúrbios neurodegenerativos em humanos. Isso inclui doenças associadas ao desdobramento de proteínas, como Alzheimer, Parkinson e doença de Huntington. É importante observar, no entanto, que muitas dessas doenças mencionadas ainda são incompletas. A pesquisa está em andamento para entender melhor por que exatamente o acúmulo de proteínas neurais resulta nessas doenças neurodegenerativas.
Doença de Alzheimer
A doença neurodegenerativa mais comum é a doença de Alzheimer. Os sintomas físicos incluem um pensamento maior prejudicado, comportamentos alterados, desorientação e perda de memória. É causado quando o peptídeo amilóide beta (Aβ) se acumula. O Aβ é criado quando a proteína precursora de amilóide (APP) é clivada pela enzima de conversão β-amilóide (BACE) e γ-secretase. Ao estudar essas proteínas em S. cerevisiae, foram determinadas as secretases usadas no processamento de aplicativos. Isso permitiu que os cientistas entendessem melhor o processo proposto no qual a Alzheimer é formada. Além de identificar secretases específicas, o uso de S. cerevisiae permitiu que os compostos que inibem o BACE fossem testados, bem como a toxicidade do fragmento de aplicativos para ser monitorada in vitro.
Mal de Parkinson
A segunda doença neurodegenerativa mais comum é a doença de Parkinson. Os sintomas físicos incluem instabilidades motoras- como tremores e rigidez- que são causados por danos neurônios dopaminérgicos no cérebro. Especificamente, há uma alta presença de inclusões de α-sínculeína, sendo importante a α-sínculeína para o transporte de vesículas nas sinapses. O estudo da α-sínculeína em S. cerevisiae permitiu que os cientistas identificassem a toxicidade da α-sínculeína em várias concentrações. Além disso, permitiu que os cientistas identificassem fatores que levam ao aumento dos níveis de α-sínculeína (incluindo espécies reativas de oxigênio, estresse do retículo endoplasmático, choque térmico, metabolismo lipídico e vários genes envolvidos com esses processos, entre outros).
Doença de Huntington
A doença de poliglutamina mais comum é a doença de Huntington. Os sintomas físicos incluem movimentos involuntários “bruscos” em todo o corpo. Esta doença é causada por repetições CAG (citosina-adenina-guanina) localizadas no gene 4p16.3, que codifica a proteína Huntington. Normalmente, a proteína Huntington é uma importante proteína de sobrevivência celular que tem papéis na transcrição, tráfico vesicular, metabolismo e sinapses. Em indivíduos saudáveis, deve haver apenas ~ 11-34 cópias das repetições. No entanto, aqueles com doença de Huntington têm centenas de repetições de CAG, resultando em uma cadeia de proteínas de glutamina expandida. Eventualmente, essa doença resulta na degeneração do estriado do cérebro (localizado no cérebro anterior). Foi determinado em S. cerevisiae que o acúmulo de proteínas de Huntington aumentou à medida que o trato CAG Codon se expandiu. No entanto, também foi determinado que a toxicidade da proteína Huntington aumentou apenas com a adição de príons específicos (ou proteínas mal dobradas).
Conclusão
Saccharomyces cerevisiae são células de levedura unicelular que foram usadas para álcool e assam uma boa formação por milhares de anos. Originalmente estudados para entender melhor o processo em que isso ocorre, os estudos desse organismo se desenvolveram nos complexos estudos bioquímicos que permitiram aos pesquisadores entender melhor os processos eucarióticos. S. cerevisiae se oferece como um excelente organismo modelo, onde os estudos continuam hoje para entender melhor os conceitos biológicos e as doenças humanas.
Questionário
1. Saccharomyces cerevisiae auxilia na fabricação de cerveja e na fabricação de pão submetidos a qual dos seguintes processos?
2. Durante a fermentação, o etanol e o dióxido de carbono produzidos são liberados das células de levedura como resíduos. O NAD+ também é produzido durante a fermentação quando o NADH é oxidado pelo acetaldeído. O NAD+ é considerado um resíduo? Por que ou por que não?
3. Em que estágio da cerveja Brewing é Saccharomyces cerevisiae inicialmente adicionado?
4. Saccharomyces cerevisiae são organismos unicelulares, enquanto os seres humanos são organismos multicelulares. Como o estudo de S. cerevisiae permite que os cientistas entendam melhor os processos dos seres humanos?
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Bibliografia
Aparecer esconder
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Última atualização em 19 de agosto de 2022