Apostila_Engª Bioquímica_Mustafa-2

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Universidade Salvador - UNIFACS 
EETI - Escola de Engenharia e TI 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOQUÍMICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
George de Souza Mustafa 
2014 
1. A LÓGICA MOLECULAR DOS SERES VIVOS 
 
1.1 Introdução 
 
 Os seres vivos são constituídos de moléculas desprovidas de vida; 
 
 Essas moléculas, quando isoladas e examinadas, comportam-se de acordo com 
todas as leis físicas e químicas que descrevem o comportamento da matéria 
inanimada; 
 
 Porém, os seres vivos apresentam atributos peculiares, os quais não são 
encontrados nos aglomerados de matéria inanimada. 
 
 
1.2 As características identificadoras da matéria viva 
 
Atributos peculiares aos seres vivos: 
 
1º) Os seres vivos são complexos e altamente organizados. 
 
Moléculas complexas e uma variedade surpreendente de espécies diferentes. 
 
A matéria inanimada (solo, água, ar e rochas) é constituída por mistura ao acaso 
de compostos químicos simples que apresentam uma estrutura 
comparativamente pouco organizada. 
 
2º) Cada parte ou componente do organismo vivo tem um objetivo ou função 
específica. 
 
Não só as estruturas macroscópicas (asa, olho, flor etc.), como também as 
estruturas intracelulares (núcleo, membrana etc.) e os compostos químicos 
(lipídeos, proteínas, enzimas etc.) possuem um objetivo ou função específica. 
 
3º) Possuem capacidade de extrair e transformar a energia do seu meio 
ambiente 
 
Os seres vivos utilizam essa energia para construir e manter suas intrincadas 
estruturas e realizar trabalhos mecânicos. 
 
A matéria inanimada não possui capacidade de utilizar a energia externa para 
manter a sua própria organização estrutural. Na realidade, ela passa a uma 
situação de maior desordem quando absorve energia externa (aumento de 
entropia). 
 
4º) O atributo mais proeminente dos organismos vivos é a sua capacidade de 
efetuar auto-replicação precisa. 
Se os organismos vivos são constituídos de moléculas intrinsecamente 
inanimadas, por que a matéria viva difere tão radicalmente da matéria não-
viva que também consiste intrinsecamente de matéria inanimada? 
 
O objetivo primordial da Bioquímica é determinar como os agregados de 
moléculas inanimadas que constituem os seres vivos interagem entre si para 
manter e perpetuar a condição vital. 
 
Muitos cientistas chegaram a conclusão que a biologia é química! 
 
Todos os fenômenos biológicos são, em última análise, de natureza molecular. 
Porém, não significa dizer que a biologia é simplesmente um outro campo da 
química, como a química orgânica, físico-química e química inorgânica. 
 
As moléculas constituintes dos seres vivos não somente se ajustam a todos os 
princípios da física e química, como também interagem umas com as outras, de 
acordo com outro conjunto de princípios que são chamados de Lógica 
Molecular da Condição Vital. 
 
Esses princípios não envolvem necessariamente qualquer lei ou força física 
desconhecida. Eles devem ser encarados mais exatamente como um conjunto 
peculiar de regras básicas que governam a natureza, função e interações dos 
tipos específicos de moléculas encontradas nos seres vivos, e que lhes atribui a 
capacidade de auto-organização e de auto-replicação. 
 
Nem todos os princípios incluídos na Lógica Molecular da Condição Vital já 
forma identificados, e alguns só foram compreendidos parcialmente. 
 
 
1.3 Biomoléculas 
 
A composição química dos organismos vivos é qualitativamente muito diversa da 
do meio físico em que vivem. 
 
A maioria dos componentes químicos dos organismos vivos é de natureza orgânica 
– compostos de carbono, hidrogênio e nitrogênio. Em contraste, os elementos 
carbono e nitrogênio não são abundantes na matéria inanimada, além disso ocorrem 
na atmosfera e na crosta terrestre somente em formas inorgânicas simples, como o 
dióxido de carbono, nitrogênio, carbonatos e nitratos. 
 
Os compostos orgânicos presentes na matéria viva ocorrem numa variedade 
extraordinária e muito deles são extremamente complexos. Mesmo as células mais 
simples e menores, as bactérias, contêm um número muito elevado de moléculas 
orgânicas diferentes. 
 
A bactéria Escherichia coli contêm cerca de 5.000 compostos orgânicos diferentes, 
incluindo em torno de 3.000 tipos diferentes de proteínas e 1.000 espécies de ácidos 
nucléicos variados. 
 
No organismo humano podem existir até mesmo 100.000 tipos de proteínas 
diferentes. Nenhuma da moléculas protéicas de E. coli é idêntica a qualquer uma 
proteína encontrada nos seres humanos, ainda que algumas funcionem de maneira 
muito semelhante. 
 
Desde que existem mais de 1,5 milhões de espécies de seres vivos, pode-se calcular 
que todas as espécies vivas juntas devem conter entre 1010 a 1012 tipos diferentes de 
ácidos nucléicos. Para os bioquímicos a tentativa de isolar, identificar e sintetizar 
todas as moléculas orgânicas diferentes encontradas na matéria viva parece ser um 
empreendimento sem esperança. 
 
Paradoxalmente, a imensa diversidade das moléculas orgânicas constituintes dos 
organismos vivos pode se reduzir a uma simplicidade verdadeiramente absurda. Por 
exemplo, as proteínas consistem em cadeias de aminoácidos, os quais são 
compostos pequenos de estrutura conhecida. 
 
Somente 20 categorias diferentes de aminoácidos são encontradas nas proteínas, 
mas eles se organizam em muitas seqüências diferentes para formar uma enorme 
variedade de proteínas. Assim, todas as 3.000 proteínas da E. coli são constituídas 
de somente 20 moléculas pequenas diversas. De maneira similar, todos os 1.000 
ácidos nucléicos da célula da E. coli são feitos de somente 8 monômeros 
denominados de nucleotídeos, quatro dos quais são os blocos construtivos de DNA 
(ácido desoxirribonucléico) e quatro os blocos construtivos do RNA (ácido 
ribonucléico). 
 
Além disso, os 20 aminoácidos diferentes que formam as proteínas e os 8 
nucleotídeos diversos que constituem os ácidos nucléicos são idênticos em todas as 
espécies existentes. 
 
As poucas moléculas primárias têm uma outra característica marcante. Cada uma 
delas desempenha mais de uma função nas células vivas. Na verdade, algumas são 
extremamente versáteis e exercem muitos papéis. Os aminoácidos não são apenas os 
blocos construtivos das proteínas, mas também os precursores de hormônios, 
alcalóides, pigmentos e muitas outras biomoléculas. 
 
Parece, portanto, provável que as biomoléculas primárias tenham sido selecionadas 
durante o processo da evolução biológica pela sua capacidade de exercer diversas 
funções. Tanto quanto sabemos, os organismos vivos atuais não contêm compostos 
desprovidos de função, ainda que não se conheça a função exata de muitas 
biomoléculas. 
 
 
 
1.4 Lógica molecular da condição vital 
 
Das observações anteriores sobre as biomoléculas, emergem alguns dos axiomas da 
Lógica Molecular da Condição Vital: 
 
1º) Existe uma simplicidade básica na organização molecular da célula. 
 
Uma vez que milhares de macromoléculas diferentes presentes na célula são 
construídas de um número pequeno de moléculas primárias simples. 
 
2º) O conjunto de organismos vivos possui um só ancestral comum. 
 
Uma vez que as biomoléculas que são blocos construtivos são idênticas em 
todas as espécies conhecidas. 
 
3º) A identidade de cada espécie de organismo é mantida graças à posse de um 
conjunto distinto de ácidos nucléicos e proteínas. 
 
Tendo em vista que cada organismo possui seus conjuntos próprios de ácidos 
nucléicos e proteínas. 
 
4º) Existe um princípio básico de economia molecular nos seres vivos. 
 
A economia molecular está relacionada com a versatilidade funcional das 
biomoléculas. Talvez as células vivas contenham as moléculas mais simples 
possíveis com o menor número possível de tipos diferentes, justo suficiente para 
permitir a aquisição dos atributos da vida e da identidadeespecífica nas 
condições ambientais vigentes para ela. 
 
 
1.5 Transformações de energia nas células vivas 
 
A complexidade molecular e a ordem estrutural dos organismos vivos, em contraste 
com a estrutura ao acaso da matéria inanimada, têm implicações profundas para o 
físico. A Segunda lei da termodinâmica estabelece que os processos físicos e 
químicos tendem para um aumento de desordem no mundo, isto é, a sua entropia. Os 
processos naturais nunca ocorrem de modo a reduzir a sua entropia. Como é então que 
os organismos vivos podem criar e manter sua estrutura extremamente ordenada e 
complexa em um meio ambiente que é relativamente desordenado, e que se torna 
mais ainda com o tempo? 
 
Os organismos vivos não constituem exceções às leis da termodinâmica. Seu alto grau 
de ordem molecular é mantido por um certo preço, já que ela não pode surgir 
espontaneamente da desordem. A primeira lei da termodinâmica estabelece que a 
energia não pode ser destruída nem criada. Os organismos vivos não podem, assim, 
destruir ou criar energia; eles somente podem transformar uma modalidade de energia 
em outra. Eles incorporam, de seu ambiente, uma forma de energia que é utilizável 
por eles nas condições especiais de temperatura e pressão nas quais vivem e, em 
seguida, repõem ao meio ambiente uma quantidade equivalente de energia em outra 
forma, menos utilizável. A modalidade utilizável de energia que as células 
incorporam é denominada de energia livre, que pode, simplesmente, ser definida 
como o tipo de energia capaz de produzir trabalho em condições de temperatura e 
pressão constantes. A forma menos utilizável de energia que a célula retorna ao 
ambiente está, principalmente, sob a forma de calor, que distribuí-se ao acaso no 
meio ambiente, aumentando sua entropia. Podemos agora estabelecer outro axioma , 
extremamente importante, da lógica molecular da condição vital: os organismos 
vivos criam e mantêm sua ordenação essencial às custas de seu meio ambiente, o 
qual se torna, por isso, mais desordenado. 
 
O meio ambiente dos seres vivos é absolutamente essencial para eles, não somente 
como uma fonte de energia, mas também como uma fonte de matérias-primas. 
Termodinamicamente, os organismos vivos são sistemas abertos, pois trocam tanto 
energia como matéria com seu meio ambiente e, ao fazerem isso, transformam ambos. 
É uma característica dos sistemas abertos o fato de eles não estarem em equilíbrio 
com as vizinhanças. Ainda que os organismos vivos pareçam estar em equilíbrio, uma 
vez que eles podem não apresentar modificação visível à observação durante um certo 
período de tempo, eles se encontram, na realidade, na condição designada como 
estado estacionário, que é a condição de um sistema aberto em que a velocidade de 
transferência de matéria e energia do ambiente para o sistema é compensada 
exatamente pela velocidade de transferência de matéria e energia para fora do sistema. 
É, portanto, parte da lógica molecular da condição vital que a célula seja um sistema 
aberto em estado de não-equilíbrio, uma máquina para extrair energia livre do 
ambiente, causando, em conseqüência, aumento de sua entropia. Ainda mais – e esta é 
outra reflexão do princípio de máxima economia -, as células vivas são altamente 
eficientes na manipulação de energia e matéria. Elas excedem em muito a eficiência 
de muitas máquinas feitas pelos seres humanos quanto a seu rendimento em converter 
energia absorvida em trabalho produzido. 
A maquinaria de transformação de energia dos seres vivos é construída inteiramente 
de moléculas orgânicas frágeis e instáveis, que são incapazes de resistir a 
temperaturas elevadas, correntes elétricas intensas ou condições extremamente ácidas 
ou básicas. A célula viva é também essencialmente isotérmica; a qualquer tempo, 
todas as partes da célula têm praticamente a mesma temperatura. Além disso, não 
existem diferenças significantes de pressão entre uma parte e a outra da célula. Por 
essas razões, as células são incapazes de utilizar o calor como fonte de energia, já que 
ele não pode realizar trabalho em pressão constante, se não há passagem de uma zona 
de temperatura elevada para outra de temperatura inferior. As células vivas, portanto, 
não se assemelham às máquinas caloríficas ou elétricas, ao contrário, elas obedecem a 
um outro importante axioma da lógica molecular da condição vital: as células vivas 
funcionam como máquinas isotérmicas. A energia que as células absorvem de seu 
meio ambiente é recuperada na forma de energia química, a qual é então transformada 
para realizar o trabalho químico envolvido na biossíntese de componentes celulares, o 
trabalho osmótico necessário para o transporte de materiais na célula ou o trabalho 
mecânico da contração e locomoção; todas essas transformações ocorrem 
essencialmente à temperatura constante. 
 
Entre as máquinas mais conhecidas feitas pelos seres humanos, somente um número 
reduzido é capaz de utilizar a energia química para realizar trabalho a temperatura 
constante. Na realidade, a engenharia tecnológica ainda está por produzir uma 
máquina utilizável capaz de converter a energia química em energia mecânica 
isotermicamente, e, todavia, esse tipo de conversão de energia é familiar a todos nós 
durante a contração dos músculos. 
 
 
1.6 Reações químicas nas células vivas 
 
As células podem operar como máquinas químicas porque elas possuem enzimas, 
catalisadores capazes de aumentar bastante a velocidade das reações químicas 
específicas, acima de 1 milhão de vezes. As enzimas são moléculas protéicas 
altamente especializadas, feitas pelas células a partir de aminoácidos. Cada tipo de 
enzima catalisa somente um tipo específico de reação química: são conhecidas mais 
de mil enzimas diferentes. As enzimas excedem em muito os catalisadores feitos 
pelos seres humanos na sua especificidade de reação, sua eficiência catalítica, e sua 
capacidade de opera em condições suaves de temperatura e pH. Elas podem catalisar, 
em segundos, seqüências complexas de reações que levariam dias, semanas ou meses 
de trabalho em um laboratório químico. 
 
Existe, contudo, uma propriedade notável das reações químicas dos seres vivos que 
torna possível sua função eficiente como máquinas químicas; as reações catalisadas 
por enzimas transcorrem com um rendimento de 100%; não existem subprodutos. Em 
contraste, as reações dos compostos orgânicos em laboratório, com catalisadores 
feitos pelos seres humanos, são quase sempre acompanhadas pela formação de um ou 
mais compostos colaterais indesejados, de modo que o rendimento nunca é de 100% e 
a purificação intensa do produto torna-se necessária. O fato das enzimas acentuarem 
um só percurso da reação de uma determinada molécula, sem acentuarem outras 
reações possíveis, permite aos organismos vivos efetuarem simultaneamente muitas 
reações individuais diferentes, sem produzir derivados inúteis. Esse alto grau de 
especificidade das enzimas resulta da operação de um outro axioma fundamental da 
lógica molecular da condição vital: a especificidade das interações moleculares nas 
células resulta da complementaridade estrutural das moléculas que interagem. 
As moléculas enzimáticas devem se combinar com seus substratos durante o ciclo 
catalítico, de tal maneira que o sítio ativo da molécula enzimática se ajusta ao 
substrato com uma complementaridade tipo chave-fechadura quase perfeita. 
 
As centenas de reações químicas catalisadas por enzimas que ocorrem na célula não 
se passam independentemente umas das outras. Na realidade, elas estão ligadas em 
muitas seqüências diversas de reações consecutivas que possuem intermediários 
comuns, de modo que o produto da primeira reação se torna o substrato, ou reagente, 
da segunda, e assim por diante. Tais seqüências, ligadas ou acopladas, que podem 
apresentar de duas a vinte, ou mais, reações intermediárias, são, por sua vez,interconectadas para formarem redes de padrões convergentes ou divergentes. Esse 
arranjo tem muitas implicações biológicas importantes. Uma delas é que tais sistemas 
de reações consecutivas permitem uma canalização das reações químicas ao longo de 
percursos específicos para chegarem a determinados produtos finais. A outra é que as 
reações seqüenciais tornam possível a transferência de energia química. A 
transferência de energia não pode ocorrer entre duas reações químicas em condições 
de temperatura e pressão constantes, a não ser que as duas reações tenham um 
intermediário comum. Tomemos como exemplo duas reações independentes que 
ocorrem no mesmo recipiente a temperatura e pressão constantes: 
 
A  B 
C  D 
 
Cada uma delas prosseguirá com a mesma queda de energia livre, independente da 
presença da outra. Todavia, em duas reações consecutivas alguma energia química 
pode ser transferida de A para C por meio do intermediário comum B. 
 
A  B 
B  C 
 
As células vivas podem ser divididas em dois grandes grupos, dependendo do tipo de 
energia que elas obtêm de seu meio ambiente. As células fotossintéticas utilizam a 
energia solar como sua fonte principal de energia; a energia radiante é absorvida por 
um pigmento – a clorofila – e transformada em energia química. As células 
heterotróficas utilizam a energia de moléculas orgânicas ricas em energia, altamente 
reduzidas, como a glucose, as quais elas obtêm do meio ambiente. A maioria das 
células animais são heterotróficas. Nas células heterotróficas, a glucose é oxidada à 
dióxido de carbono e água; nesse processo uma parte da energia livre da molécula de 
glucose é conservada e empregada para promover vários tipos de trabalho celular. 
 
Ainda que essas duas classes de organismos vivos obtenham a energia do meio 
ambiente em formas diversas, ambas a transformam em energia química, largamente 
na forma de uma molécula específica – a adenosina-trifosfato (ATP). O ATP opera 
como o transportador principal de energia química das células de todas as espécies 
conhecidas. À medida que ele transfere sua energia para outras moléculas, perde seu 
grupo de fosfato terminal e torna-se adenosina-difosfato (ADP), que é a contrapartida 
descarregada, ou pobre em energia, do ATP. O ADP pode, por sua vez, receber 
energia química novamente, recuperando um grupo de fosfato para se tornar ATP, às 
custas ou de energia solar (nas células fotossintéticas) ou de energia química (nas 
células heterotróficas). O ATP serve como um intermediário comum, ou elo de 
ligação, entre duas redes amplas de reações celulares catalisadas por enzimas. Uma 
dessas redes conserva a energia química derivada do meio ambiente através da 
fosforilação do ADP, pobre em energia, que é transformado no ATP, rico em energia. 
A outra rede de reações utiliza a energia do ATP para realizar a biossíntese dos 
componentes celulares a partir de precursores simples, com o desdobramento 
simultâneo do ATP em ADP. Podemos agora estabelecer um outro axioma na lógica 
molecular das células: seqüências de reações catalisadas por enzimas, ligadas 
consecutivamente, propiciam os meios para a transferência de energia química 
dos processos produtores para os consumidores de energia. 
 
 
1.7 Auto-regulação das reações celulares 
 
Existe um outro resultado importante proveniente do fato de que todas as reações 
químicas da célula são catalisadas por enzimas e são ligadas por intermediários 
comuns. Uma simples célula bacteriana como a E. coli sintetiza simultaneamente 
todos os seus milhares de componentes moleculares complexos diferentes, a partir de 
somente três precursores simples: glucose, amônia e água. Aqui, a célula viva 
emprega uma espécie de lógica química que está além do atual estado da arte da 
química de sínteses no laboratório. Se um químico tivesse que enfrentar o problema 
de sintetizar dois produtos, digamos um aminoácido e um lipídeo, ele jamais sonharia 
sintetizá-los a partir dos mesmos percursores, simultaneamente, no mesmo recipiente 
de reação. Ele iniciaria cada síntese usando percursores diferentes e seqüências 
diversas de reações. Ele realizaria as duas sínteses independentemente, em frascos 
separados, e provavelmente em tempos diversos. Todavia, nas células vivas, a síntese 
de milhares de moléculas extremamente diferentes é realizada simultaneamente, 
literalmente no mesmo recipiente, começando de somente alguns percursores comuns. 
A interconexão das reações catalisadas por enzimas em seqüências de reações 
consecutivas torna possível a canalização ordenada das milhares de reações químicas 
que estão ocorrendo nas células, de modo que todas as biomoléculas específicas 
requeridas pela estrutura e função celulares são produzidas em quantidades e 
velocidades apropriadas. 
 
Uma célula bacteriana sintetiza simultaneamente, talvez, três mil ou mais tipos 
diferentes de moléculas protéicas em relações molares específicas umas com as 
outras. Cada uma dessas moléculas protéicas contém um mínimo de cem unidades de 
aminoácidos em uma cadeia; muitas contêm bem mais. Mesmo assim, a 37 ºC, a 
célula bacteriana requer somente poucos segundos para completar a síntese de 
qualquer molécula protéica simples. Em contraste, a síntese de uma proteína pelos 
seres humanos, em laboratório – um feito que só foi conseguido, pela primeira vez, 
em 1969 -, requer o trabalho de químicos altamente especializados, grandes 
quantidades de reagentes caros, centenas de operações separadas, equipamento 
complexo automatizado e meses de preparação e execução. Não somente pode a 
célula bacteriana fazer moléculas protéicas individuais muito rapidamente, mas ela 
pode, também, fazer três mil ou mais tipos diferentes de proteínas simultaneamente, 
na relação molar exata requerida para construir uma célula viva funcionante. 
 
A conexão das reações catalisadas por enzimas em seqüências consecutivas torna a 
regulação do metabolismo possível, atribuindo-lhe propriedades de auto-regulação. 
No caso mais simples, o acúmulo excessivo de um produto final do metabolismo, 
como um aminoácido, por exemplo, pode inibir a etapa de velocidade limitante na 
seqüência de reações pela qual ele é formado, um tipo de controle conhecido como 
retroinibição. Além disso, as células vivas possuem o poder de regular a síntese de 
seus próprios catalisadores. Assim, a célula pode “desligar” a síntese de enzimas 
requeridas para fazer um determinado produto a partir de seus precursores toda vez 
que tal produto esteja disponível, já pronto, proveniente do meio ambiente. Temos, 
em conseqüência, outro importante princípio: as células são capazes de regular suas 
reações metabólicas e a biossíntese de suas enzimas, para atingir a máxima 
eficiência e economia. 
 
 
1.8 A auto-replicação dos organismos vivos 
 
A mais notável de todas as propriedades da célula viva é sua capacidade de se 
reproduzir com uma fidelidade quase perfeita, não somente uma ou duas vezes, o que 
já seria bastante notável, mas centenas e milhares de gerações. Três aspectos 
imediatamente se salientam. Primeiro, alguns organismos vivos são tão imensamente 
complexos que a quantidade de informação genética transmitida está fora de qualquer 
proporção em relação ao tamanho diminuto das células que devem transportar essa 
informação, isto é, o espermatozóide e a célula-ovo. Sabemos hoje que praticamente 
toda a informação genética está presente nos cromossomas, codificada na forma de 
seqüências específicas de blocos construtivos de nucleotídeos em uma quantidade 
muito pequena de DNA, que, em uma célula-ovo ou espermatozóide humano, é não 
mais do que cerca de 6 x 10 –12 g. Pesquisas modernas dos aspectos bioquímicos da 
genética levaram, assim, a um outro axioma da lógica molecular da condição vital: os 
símbolos em que a informação genética é codificada no DNA são de dimensões 
submoleculares.Uma segunda característica notável da propriedade auto-replicante dos organismos 
vivos é a extraordinária estabilidade da informação genética armazenada no DNA. 
Pouquíssimos registros históricos preparados pelos seres humanos sobreviveram por 
tanto tempo. Existem, contudo, boas razões para acreditar que as bactérias atuais 
tenham aproximadamente o mesmo tamanho, forma, estrutura interna e contenham os 
mesmos tipos de blocos construtivos moleculares, e as mesmas variedades de 
enzimas, que as que viveram há centenas de milhões de anos atrás, apesar do fato de 
as bactérias, como todos os organismos, terem sofrido modificações genéticas 
constantes durante a evolução biológica. A informação genética é preservada na 
forma de ácido desoxirribonucléico (DNA ou ADN), uma molécula orgânica tão 
frágil que, quando isolada em solução, quebra-se em muitos fragmentos se a solução é 
simplesmente agitada ou pipetada. 
 
A capacidade das células vivas em preservar sua informação genética é o resultado da 
operação do princípio da complementaridade estrutural. Um filamento de DNA serve 
como a matriz para a replicação enzimática de um filamento estruturalmente 
complementar de DNA. De fato as enzimas sintetizadoras de DNA da célula não 
podem fazer DNA sem uma matriz. É, sem dúvida, notável que, mesmo na célula 
intacta, a molécula de DNA pode se quebrar freqüentemente, mas é rápida e 
automaticamente reparada por enzimas específicas. Erros ou mutações ocorrem só 
raramente, mas, mesmo estes, não são sempre deletérios, e podem apresentar 
vantagens, ao permitirem que uma determinada espécie de organismo modifique 
gradualmente sua identidade, para melhor se adaptar às alterações do meio ambiente 
no curso da evolução. 
 
Existe ainda uma terceira característica notável da transferência da informação 
genética nos organismos vivos. Uma vez que a informação genética é codificada na 
forma de uma seqüência específica de quatro blocos construtivos de nucleotídeos na 
molécula linear polimérica do DNA, ela é, portanto, linear, unidimensional. 
Chegamos aqui a um axioma crucial da lógica molecular da condição vital, aquele 
que fornece a conexão entre a química linear simples do DNA e todos os atributos 
tridimensionais da grande variedade de organismos multicelulares: a informação 
unidimensional do DNA é traduzida em componentes tridimensionais 
macromoleculares e supramoleculares dos organismos vivos através da tradução 
da estrutura do DNA em estrutura protéica. Todavia, ao contrário da molécula do 
DNA, uma cadeia polipeptídica não é estável na forma estendida linear. Ela se enrola 
espontaneamente, dobrando-se em uma estrutura tridimensional específica e estável, 
cuja geometria precisa é determinada pela própria seqüência de aminoácidos. Cada 
tipo de cadeia polipeptídica assume sua configuração tridimensional característica, o 
que atribui a ela uma atividade biológica específica. Além disso, as diversas 
variedades de moléculas protéicas que servem como componentes de tais 
bioestruturas, como membranas, ribosomas e outras organelas, agrupam-se 
automaticamente em estruturas tridimensionais exatamente reproduzíveis, pois elas se 
ajustam umas às outras somente de uma maneira específica – novamente de acordo 
com os princípios da complementaridade estrutural. 
 
 
1.9 Considerações finais 
 
Descrevemos até agora inúmeras características das interações e inter-relações das 
biomoléculas que constituem, em conjunto, a lógica molecular da condição vital. 
Podemos resumir esses princípios pela seguinte afirmação: uma célula viva é um 
sistema aberto, isotérmico, de moléculas orgânicas, que se auto-estrutura, se 
auto-ajusta e se auto-replica, operando de acordo com o princípio da economia 
máxima de partes e processos; ele promove muitas reações orgânicas 
consecutivas interligadas para a transferência de energia e para a síntese de seus 
próprios componentes, por meio de catalisadores orgânicos que ele próprio 
produz. 
 
Em nenhum ponto de nosso exame da lógica molecular das células vivas encontramos 
qualquer violação das leis físicas conhecidas, nem foi necessário definir novas leis 
físicas. O dispositivo geral das células vivas funciona com o mesmo conjunto de leis 
que governa a operação das máquinas construídas pelos seres humanos, mas as 
reações e processos químicos das células foram aperfeiçoados muito além das 
possibilidades atuais da tecnologia química. 
 
Nesse levantamento, esboçamos que o objetivo central e mais fundamental da 
bioquímica é determinar em detalhe a lógica molecular da célula viva. Esse não é, 
porém, o único objetivo da bioquímica e nem mesmo seu propósito final. A 
bioquímica da célula é apenas o ponto de partida para o estudo molecular de muitos 
outros problemas de biologia. Mais fundamental talvez seja deduzir como, na obscura 
história primordial da Terra, certos compostos orgânicos inanimados “encontram-se” 
pela primeira vez, “aprenderam” a interagir uns com os outros, e finalmente se 
organizaram nas primeiras estruturas “vivas”. Outro aspecto é aprender como as 
primeiras células sofreram seu desenvolvimento evolutivo para formar a grande 
variedade de espécies de plantas e animais que vemos ao nosso redor na atualidade. 
Um outro objetivo é a descrição molecular das interações entre as células nos tecidos 
e das funções especializadas como a contração muscular. Ainda outro objetivo é a 
análise bioquímica da função neural, do nível de simples comunicação celular até o de 
integração, de memória, de comportamento e, finalmente, de pensamento – na 
realidade, toadas as questões de profundidade que se apresentam aos seres humanos 
em sua tentativa de compreender sua própria natureza. E, ainda, juntamente com essas 
questões fundamentais, a bioquímica está também desenvolvendo uma visão 
progressiva sobre as doenças humanas e seu tratamento, sobre a vida vegetal e a 
agricultura, e sobre o balanço ecológico da biosfera. 
 
 
2. BIOMOLÉCULAS E CELULAS 
 
2.1 A adequação biológica dos compostos orgânicos 
 
Somente 27 elementos químicos naturais da crosta terrestre foram encontrados nos 
organismos vivos: 
 
O, C, N, H, P, S, Na, K, Mg, Ca, Cl, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Al, V, Mo, I, Si, Sn, Ni, Cr, 
F e Se. 
 
Abundância relativa (% do nº total de átomos): 
 
Element
os 
Corpo Humano Crosta Terrestre 
H 63 0,22 
O 25,5 47 
C 9,5 0,19 
N 1,4 - 
Ca 0,31 3,5 
P 0,22 - 
Cl 0,08 - 
K 0,06 2,5 
S 0,05 - 
Na 0,03 2,5 
Mg 0,01 2,2 
Si - 28 
Al - 7,9 
Fe - 4,5 
Ti - 0,46 
 
Corpo humano: H + O + C + N = 99,4 % 
 
Propriedades comuns a H, O, C e N: 
 
1) Formam ligações covalentes (H: 1 elétron; O: 2 elétrons; N: 3 elétrons e C: 4 
elétrons); 
2) Reagem entre si para formar um grande número de compostos covalentes diversos; 
3) Oxigênio, carbono e nitrogênio podem originar ligações duplas (versatilidade); 
4) São os elementos mais leves capazes de formar ligações covalentes; 
5) Como a força da ligação covalente é inversamente proporcional ao peso atômico, 
são capazes de formar ligações muito fortes; 
6) Átomo de carbono pode se ligar ao outro átomo de carbono, aumentando o tamanho 
da molécula; 
7) Nenhum outro elemento químico pode formar moléculas de tamanhos e formas tão 
diversificados como o carbono. 
 
2.2 A hierarquia de organização molecular das células 
 
As biomoléculas dos organismos vivos são ordenadas em uma hierarquia de 
complexidade molecular crescente. Todas as biomoléculas orgânicas derivam de 
precursores muito simples, de baixo peso molecular, obtidos do meio ambiente (CO2, 
H2O e N2). 
 
 A B 
C 
Precursores → Intermediários metabólicos → Biomoléculas monoméricas 
primárias → 
PM = 18 – 44 PM = 50 – 250 PM =100 – 350 
 
C D E 
→ Macromoléculas → Estruturas supramoleculares → Célula 
 PM = 103 a 109 PM = 106 - 109 
 
Nas etapas A, B e C ocorrem reações químicas, produzindo ligações covalentes. Na 
etapa D, não ocorre reação química, mas ligações produzidas por forças não-
covalentes, como ponte de hidrogênio e forças de Van der Waals. 
 
 
 
 
Célula 
Núcleo 
Mitocôndrias 
Cloroplastos 
Corpúsculos de Golgi 
 
Estruturas supramoleculares 
Ribosomas 
Complexos enzimáticos 
Sistemas contráteis 
Microtúbulos 
 
Macromoléculas 
Ácidos nucléicos 
Proteínas 
Polissacarídeos 
Lipídeos 
 
 
Biomoléculas monoméricas 
primárias 
Nucleotídeos 
Aminoácidos 
Monossacarídeos 
Ácidos graxos 
Glicerol 
 
Intermediários metabólicos 
Piruvato 
Citrato 
Malato 
Gliceraldeído 3-fosfato 
etc. 
 
Percursores provenientes do meio 
ambiente 
CO2 
H2O 
N2 
 
 
Principais componentes de uma célula da bactéria Escherichia coli: 
 
Componentes % do peso 
total 
Nº de cada tipo 
molecular 
Água 70 1 
Proteínas 15 3.000 
Ácido nucléico 
(DNA) 
1 1 
Ácido nucléico 
(RNA) 
6 1.000 
Carboidratos 3 50 
Lípideos 2 40 
Moléculas 
monoméricas 
primárias e 
intermediárias 
2 500 
Íons inorgânicos 1 12 
 
 
1) As proteínas são as macromoléculas mais importante da célula, constituindo mais 
de 50% de peso seco da célula; 
2) Todas as células vivas contém aproximadamente as mesmas proporções destas 
biomoléculas da E. coli, exceto partes relativamente inertes (ossos, cabelo etc.). 
 
Funções idênticas para todos os seres vivos: 
 
1) Ácido nucléicos: armazena e transmite informações genéticas; 
2) Proteínas: efetua a ação genética, algumas funcionam como enzimas e outras 
operam como elementos estruturais (é a classe mais versátil das 
macromoléculas); 
3) Polissacarídeos: armazena combustível produtor de energia para a atividade 
celular (amido) e serve como elementos estruturais extra celulares (celulose); 
4) Lipídeos: componentes estruturais das membranas e armazena combustível 
rico em energia. 
 
 
2.3 Biomoléculas primordiais 
 
 Na célula de E. coli existem talvez 3.000 tipos diferentes de proteínas e 1.000 
tipos diferentes de ácidos nucléicos; 
 
 Todas as proteínas são feitas de somente 20 aminoácidos diversos e os ácidos 
nucléicos são constituídos principalmente de só 8 nucleotídeos diferentes; 
 
 Em 1953, Stanley Miller, submeteu misturas gasosas de CH4, NH3, H2O e H2 
(provável atmosfera a mais de 4 bilhões de anos atrás) a faíscas elétricas; 
 
 A fase gasosa continha: CO, CO2 e N2; 
 
 O condensado, de cor escura: glicina, alanina, sarcosina, β-alanina, ácido α-
aminobutírico, N-metilalanina, ácido aspártico, ácido glutâmico, ácido 
iminodiacético, ácido iminoacetopropiônico, ácido fórmico, ácido acético, ácido 
glicólico, ácido láctico, ácido α-hidroxibutírico, ácido succínico, uréia, 
metiluréia etc.. 
 
 
 
3. ELEMENTOS DE MICROBIOLOGIA 
 
 
3.1 Introdução à Microbiologia 
 
A partir da descoberta e início dos estudos dos microrganismos, ficou claro que a divisão 
dos seres vivos em dois reinos, animais e plantas, era insuficiente. O zoólogo E.H. Haeckel, 
em 1866, sugeriu a criação de um terceiro reino, denominado de Protista, englobando as 
bactérias, algas, fungos e protozoários. 
 
Essa classificação mostrou-se satisfatória até que estudos mais avançados sobre ultra-
estrutura celular demonstraram duas categorias de células: as procarióticas e as 
eucarióticas. Nas primeiras o núcleo é limitado pela membrana nuclear e apresenta no seu 
interior vários cromossomas. Assim, em 1969, R.H. Wittaker propôs a expansão da 
classificação proposta por Haeckel, baseado não só na organização celular mas também na 
forma de obter energia e alimento: Reino Plantae, Reino Animalia, Reino Fungi, Reino 
Protista (microalgas e protozoários) e Reino Monera (bactérias e cianobactérias). 
 
 
3.2 Nutrição Microbiana 
 
3.2.1 Considerações gerais 
 
Basicamente as necessidades nutritivas dos microrganismos são as mesmas que as de 
todos os seres vivos, que, para renovarem seu protoplasma e exercerem suas 
atividades, exigem fontes de energia e fontes de material plástico. Nos seres vivos 
superiores, todavia, apenas dois tipos nutritivos: 
 
a) os vegetais são fotossintéticos, isto é, obtêm energia da luz solar, e autotróficos, 
nutrindo-se exclusivamente de substâncias inorgânicas; 
 
b) os animais são quimiotróficos, obtendo energia às custas de reações químicas e 
heterotróficos, por exigirem fontes orgânicas de carbono. 
 
Entre os microrganismos, principalmente as bactérias, há uma variedade de tipos 
intermediários entre os dois tipos mencionados. 
 
 
3.2.2 Fontes de energia 
 
As algas e algumas bactérias são fotossintéticas. Nas primeiras o pigmento 
principal é a clorofila, como nas plantas; durante o processo a água é utilizada 
como doadora de elétrons, com desprendimento de oxigênio. Esse processo é 
importantíssimo e cerca de 50% do oxigênio atmosférico provém dele. Nas 
bactérias, o pigmento fotossintético não é a clorofila vegetal; não há produção 
de oxigênio, pois a água não é utilizada como fonte de elétrons. Bactérias que 
utilizam compostos inorgânicos (H2S, por exemplo) para esse fim são chamadas 
de litotróficas; as organotróficas são as que exigem doadores orgânicos de 
elétrons. 
 
Os fungos e a grande maioria das bactérias são quimiotróficos, obtendo energia 
às custas de reações químicas, onde substratos adequados são oxidados. Os 
microrganismos lititróficos oxidam compostos inorgânicos, enquanto que os 
organotróficos oxidam compostos orgânicos. No primeiro grupo encontramos 
somente bactérias, algumas de considerável importância. Como por exemplo, as 
bactérias do gênero Thiobacillus são capazes de oxidar enxofre produzindo 
ácido sulfúrico. São, por isso, utilizadas na lixiviação de metais ou minérios 
pobres, como de cobre ou de urânio, onde o processo químico usual seria pouco 
econômico. No segundo grupo encontramos os fungos, além de um grande 
número de bactérias. 
 
 
3.2.3 Fontes de material plástico 
 
Para a renovação da matéria viva, os elementos quantitativamente mais 
importantes são o carbono, o hidrogênio, o nitrogênio, o enxofre e o fósforo. 
 
Fontes de carbono. Para os microrganismos autotróficos a única fonte de carbono é 
o CO2 ou o íon bicarbonato, a partir dos quais conseguem sintetizar todos os 
compostos orgânicos de que necessitam. Fungos e a maioria das bactérias são 
heretróficos, exigindo fontes orgânicas de carbono; destas, as mais comuns são os 
carboidratos, particularmente D-glicose; aminoácidos, ácidos monocarboxílicos, 
lipídeos, álcoois e mesmo polímeros como amido e celulose podem também ser 
utilizados. Na realidade, qualquer composto orgânico natural e muitos sintéticos 
podem ser utilizados por algum microrganismo. Essa versatilidade é de uma 
extraordinária importância, permitindo o emprego de microrganismos numa extensa 
série de transformações úteis aos seres humanos. Na maior parte das vezes, o mesmo 
composto é usado para obter energia e esqueletos de carbono. Além disso, os 
microrganismos heterotróficos são também capazes de fixar CO2 (muitos o exigem 
em quantidades maiores), embora não como fonte única de carbono. Os elementos 
químicos oxigênio e hidrogênio geralmente fazem parte dos compostos orgânicos. 
 
Fontes de nitrogênio. Quanto à necessidade de nitrogênio há, em linhas gerais, três 
categorias de microrganismos. Algumas bactérias retiram o nitrogênio diretamente da 
atmosfera e o convertem a nitrogênio orgânico. Essa “fixação” de nitrogênio é 
exercida por bactérias dos gêneros Azotobacter, Clostridium e Rhizobium. Elas 
executam o processo em simbiose com plantas leguminosas. Estudos recentes têm 
demonstrado que, além desses, outros microrganismossão capazes de fixar 
diretamente o nitrogênio atmosférico: algumas algas azul esverdeadas e bactérias dos 
gêneros Achromobacter, Nocardia, Pseudomonas e Aerobacter. Novamente temos 
aqui um processo de considerável importância econômica. Tais microrganismos 
podem contribuir de maneira significativa na fertilidade e produtividade do solo. 
Numerosos fungos, algas e a quase totalidade das bactérias utilizam compostos 
inorgânicos de nitrogênio, em especial sais de amônio e ocasionalmente nitratos 
(raramente nitritos). Fungos e algumas bactérias exigem fontes orgânicas de 
nitrogênio, representadas por um número variável de aminoácidos. De um modo 
geral, a adição de aminoácidos ou hidrolisados de proteínas favorece o crescimento 
da maioria dos microrganismos heterotróficos. 
 
Íons inorgânicos essenciais. Além de carbono e nitrogênio, os microrganismos 
exigem uma série de outros elementos, sob a forma de compostos inorgânicos. 
Alguns são necessários em quantidades apreciáveis – macronutrientes – enquanto 
que, de outros, bastam traços – micronutrientes. Dentre os primeiros temos o fósforo, 
sob a forma de fosfatos, importante no metabolismo energéticos e na síntese de 
ácidos nucléicos; o enxofre, necessário por fazer parte de aminoácidos como cistina e 
cisteína e para a síntese de vitaminas como biotina e tiamina; o potássio, ativador de 
enzimas e regulador da pressão ormótica; o magnésio, ativador de enzimas 
extracelulares e fator importante na esporulação; o ferro, necessário para a síntese dos 
citocromos e de certos pigmentos. O papel dos micronutrientes não é tão bem 
conhecido, dadas as dificuldades de seu estudo. Tem-se, todavia, demonstrado, em 
casos específicos, a necessidade de elementos como cobre, cobalto, zinco, manganês, 
sódio, boro e muitos outros. 
 
Fatores de crescimento. Denominam-se fatores de crescimento os compostos 
orgânicos indispensáveis a um determinado microrganismo, mas que ele não 
consegue sintetizar. Tais fatores, portanto, devem estar presentes no meio para 
que o microrganismo possa crescer. Muitos desses fatores são vitaminas, em 
especial do complexo B; outras vezes são aminoácidos, nucleotídeos e ácidos 
graxos. As necessidades dos microrganismos, nesse particular, são 
variadíssimas. 
 
Um dos aspectos importantes dessa indispensabilidade resulta do fato de que, quando 
um microrganismo exige um determinado fator, seu crescimento será limitado pela 
quantidade do fator presente no meio. Dentro de certos limites, o crescimento será 
proporcional ao teor do composto limitante. Isso permite a elaboração de um método 
de dosagem de certos compostos, baseado na medida do crescimento microbiano. 
Essa é a base da dosagem microbiológica de uma série de substâncias, principalmente 
aminoácidos e vitaminas. 
 
 
3.2.4 Água 
 
A água não constitui um nutriente, mas é absolutamente indispensável para o 
crescimento dos microrganismos. Seu papel é múltiplo. Com exceção dos 
protozoários, capazes de englobar partículas sólidas, os microrganismos se nutrem 
pela passagem de substâncias em solução através da membrana citoplasmática. A 
água é o solvente universal. Além disso, a água exerce função primordial na 
regulação da pressão osmótica e, pelo seu elevado calor específico, na regulação 
térmica. A maior parte dos microrganismos, quando não esporulados, morre 
rapidamente pela dessecação. 
 
 
3.2.5 Oxigênio atmosférico 
 
Como a água, o oxigênio atmosférico não é um nutriente e funciona apenas como 
receptor final de hidrogênio nos processos de respiração aeróbica. Os microrganismos 
têm comportamentos diferentes na presença de O2 livre: microrganismos aeróbios 
exigem a presença de oxigênio livre; alguns, todavia, o exigem em pequena 
quantidade, não tolerando as pressões normais de O2 atmosférico; são os 
microaerófilos; microrganismos anaeróbios não toleram a presença de oxigênio livre, 
morrendo rapidamente nessas condições; microrganismos facultativos tanto podem 
crescer na presença como na ausência de oxigênio livre. 
 
Entre as bactérias, encontramos três tipos de comportamentos. Os fungos são 
aeróbios ou facultativos, raramente anaeróbios. 
 
 
3.3 Meios de cultura 
 
 
3.3.1 Composição dos meios de cultura 
 
 
 Dois grandes grupos de meios de cultura: sintéticos e complexos. 
 
 Meios sintéticos: composição química qualitativa e 
quantitativamente conhecida. 
 
Exemplo: NH4Cl, 1,0 g; K2HPO4, 1,0 g; MgSO4.7H2O, 0,2 g; 
FeSO4.7H2O, 0,01g; CaCl2, 0,02g; MnCl2.4H2O, 0,002g; 
NaMoO4.2H2O, 0,001g; água, 1 L. 
 
 Meios complexos: composição química não é perfeitamente 
definida. 
 
Exemplo: extrato de leveduras, extratos de órgãos animais (fígado, coração 
etc.), extratos de vegetais (soja, arroz etc.), sangue, soro etc.. 
 
 Meio de cultura para microrganismos fotolitotróficos: só contém 
material inorgânico; a fonte de carbono é o CO2 da atmosfera e a 
fonte de energia á a luz solar. 
 
 Meio de cultura para microrganismos quimiorganotróficos: se ao 
meio de cultura acima for adicionado 0,5 g de glicose, continuará 
enquadrado na definição de sintético, porém contendo agora uma 
fonte orgânica de energia e carbono. 
 
 
3.3.2 Estado físico dos meios de cultura 
 
 Soluções de nutrientes: normalmente os microrganismos têm maior 
facilidade de iniciar o seu crescimento nesse tipo de meio. 
 
 Se existe mais de um tipo de microrganismos no material semeado, 
o crescimento final será constituído de uma mistura destes, o que 
impede que se tirem conclusões a respeito da natureza e da 
atividades de cada um. 
 
 A forma de desenvolver culturas puras é através de meios sólidos, 
onde formará uma colônia de organismos iguais, visível 
macroscopicamente e facilmente transferido para um novo meio. 
 
 Os meios sólidos são preparados adicionando-se um agente 
solidificador às soluções de nutrientes. 
 
 Adiciona-se 1,5 a 2% de ágar (polissacarídeo extraído de algas) ao 
meio de cultura líquido é suficiente para a solidificação dele. Como 
ele possui natureza orgânica, o ágar poderá inibir o crescimento de 
certos microrganismos autotróficos. Nesses casos, usa-se como 
solidificador a sílica-gel. 
 
 
3.3.3 Meios seletivos e diferenciais 
 
 Meios seletivos: são aqueles que impedem o crescimento de certos 
microrganismos, permitindo apenas o crescimento de outros. 
 
Exemplo: corantes básicos inibem o crescimento de bactérias gram-positivas, 
enquanto que a azida sódica inibe as gram-negativas. 
 
 Meios diferenciais: são aqueles que conferem características 
especiais às colônias que, em condições normais, seriam idênticas. 
 
Exemplo: microranismos fermentadores de lactose, semeados em um meio 
contendo lactose e um indicador, dão cor diferente das dos não 
fermentadores. 
 
 
3.3.4 Conservação dos microrganismos 
 
 Conservar à temperatura de geladeira: alguns microrganismos 
permanecem durante meses; 
 
 Recobrir a cultura com óleo mineral estéril, reduzindo o suprimento 
de oxigênio; 
 
 Para evitar contaminações e mutações com o passar do tempo, 
recorre-se ao: 
 
 processo de liofilização: congelamento rápido à < - 30 ºC 
 
 conservação em nitrogênio líquido ( - 179 ºC) 
 
 Com estas técnicas, os microrganismos podem se conservar por 
muito tempo, até mesmo anos. 
 
 
3.4 Crescimento microbiano 
 
3.4.1 Medida de crescimento 
 
 
a) Determinação do peso seco ou úmido (a medida do peso úmido é 
imprecisa; para obter o peso seco, centrifuga e secado em estufa); 
 
b) Determinação química dos componentes celulares (mais preciso, porém 
muito sensível, pois a composição das células varia com as condições do 
crescimento: composição do meio de cultura, idade da cultura e velocidade do 
crescimento); 
 
c) Turbidimetria: a turbidez é proporcional à massa de microrganismos 
presente; 
 
d) Contagem do número total de indivíduos em microscópio (não leva 
em consideração se vivos ou mortos);e) Contagem de unidade formadora de colônias (é o método mais 
utilizado): são feitas diluições adequadas da suspensão, semeando-se 
alíquotas na superfície de meios sólidos. Após um período de 
incubação, conta-se as colônias que cresceram. 
 
3.4.2 Crescimento exponencial 
 
Crescimento de microrganismos em meio líquido, durante o espaço de 
tempo em que a quantidade de nutrientes é superior às necessidades 
destes e ainda não acumulou uma quantidade significativa de 
substâncias tóxicas: crescimento exponencial. 
 
Microrganismos que se multiplicam por divisão binária: N = N0 x 2
n 
 
Onde, N = nº de microrganismos e n = nº de divisões ou gerações 
 
Log N = Log N0 + n Log 2 
 
n = (Log N - Log N0)/Log 2 
 
Equação geral: 
 
Variação de massa (X) em função do tempo: dX/dt = μX 
 
Onde, μ = velocidade específica de crescimento 
 
Log X = Log X0 + μ t 
 
 
 
3.4.3 Cultivo Contínuo 
 
Fatores que influem no crescimento: 
 
a) Temperatura: para todos os microrganismos existem 3 temperaturas cardeais. 
 
T mínima: abaixo da qual não há crescimento; 
T máxima: acima da qual não há crescimento; 
T ótima: crescimento máximo. 
 
T ótima: microrganismos termófilos 60 ºC 
microrganismos criófilos 10 ºC 
microrganismos mesófilos 20 – 40 ºC 
 
microrganismos parasitas de animais de sangue quente = 37 ºC 
microrganismos habitantes do solo = 20 – 30 ºC 
 
b) pH 
 
A maioria dos microrganismos tem seu pH ótimo em torno de 7. 
 
Muitos processos fermentativos são executados por microrganismos que se 
desenvolvem melhor em pH em torno de 5. 
 
Raros são capazes de se desenvolver suas atividades em limites extremos. 
 
Exceções: thiobacillus thiooxidans; pH = 1 
vibrio comma; pH = 10 (agente causador da cólera asiática) 
 
 
c) O2: crescimento de microrganismos aeróbios O2 
 
 
d) Agitação: favorece o crescimento dos aeróbios e homogeniza os nutrientes 
 
 
3.4.4 Controle de Microrganismos pela Ação de Agentes Físicos 
 
Esterelização: processo pelo qual são mortos, inativados, irreversivelmente ou 
retirados todos os organismos de um material. 
 
e) Temperatura 
 
O calor é o mais eficiente e econômico; 
 
Calor seco (160 a 180 ºC, pelo menos por 1 hora): promove oxidação 
violenta de componentes do protoplasma, porém não tem poder de 
penetração. 
 
Calor úmido: tem alta capacidade de penetração; é suficiente para matar as 
formas vegetativas de todos os microrganismos, excetuando-se os 
termófilos. 
 
Para matar qualquer tipo de microrganismos, emprega-se vapor d´água 
aquecido a 120º e sob uma pressão de 2 atm, durante 20 minutos. 
 
Pasteurização: aquecimento a 62º por 30 minutos, seguido de um 
resfriamento brusco; não é um processo de esterelização. 
 
De uma forma geral, os microrganismos resistem mais ao frio do que ao 
calor. 
 
Temperaturas abaixo de 0º podem ser letais para microrganismos. 
 
Congelamento brusco abaixo de – 30º não leva a formação de cristais e os 
microrganismos sobrevivem durante muito tempo. 
 
f) Radiações 
 
Radiações UV: 240 a 280 nm (lâmpada de mercúrio) – leva a inativação de 
enzimas (morte da célula). 
 
Radiações Ionizantes: mais eficiente, pois atinge os átomos. São utilizadas para 
esterelizar seringas, agulhas etc.. 
 
Para matar uma célula de E. Coli: UV = 106 quantas e RI = 1 quantum 
 
g) Filtração: líquido ou gás (ar) 
 
 
h) Vibrações Sônicas: frequência ultra-sônica > 200 KHz 
Muitos microrganismos são sensíveis (cavitação: gases dissolvidos saem na forma 
de microbolhas e rompe as paredes microbianas). 
 
 
 
3.4.5 Controle de Microrganismos pela Ação de Agentes Químicos 
 
Os agentes químicos utilizados para matar ou inativar os microrganismos são 
classificados em: desinfetante e agente quimioterápico 
 
Desinfetante: agem diretamente sobre as estruturas microbianas, causando a morte do 
microrganismo. Não possui especificidade. 
 
Ex.: álcool etílico, formol, fenol, cloro, ozônio etc. 
 
Agente quimioterápico: intefere nas vias metabólicas (antibióticos, penicilina etc.) 
 
 
 
 
 
 
 
4. ENGENHARIA BIOQUÍMICA 
 
 
4.1 Engenharia Bioquímica: uma aplicação sui generis da engenharia 
química 
 
 
Os problemas que se apresentam no âmbito da engenharia bioquímica são, com alguma 
frequência, de difícil solução, dadas as peculiaridades e a complexidade dos sistemas 
em que se desenvolvem os processos biotecnológicos. 
 
A célula microbiana responsável pela transformação que nos interessa em um dado 
processo realiza, além dessa transformação, um grande número de outras reações com 
o objetivo, para ela absolutamente primordial, de manter-se viva e multiplicar-se. Isso 
pode dificultar o estabelecimento de balanços materiais, além de afetar o rendimento 
do processo considerado. O conhecimento das prováveis vias metabólicas que se 
desenvolvem nas células é, neste particular, de grande auxílio, fornecendo muitas vezes 
informações que indicam a maneira mais adequada de conduzir o processo que nos 
interessa. 
 
O fato inevitável de a célula ter a única “preocupação” de manter-se viva e multiplicar-
se, também pode acarretar sérios problemas no estudo da cinética da transformação que 
se tem em vista, uma vez que a velocidade de formação do produto que nos interessa 
pode ser profundamente afetada pelas velocidades de outras reações integrantes do 
metabolismo do microrganismo. Isso pode dificultar o estabelecimento de modelos 
matemáticos, que são muito importantes para a otimização e o controle de processos 
bioquímicos. 
 
A manutenção de um razoável grau de homogeneidade no reator, para que todos os 
agentes de transformação se encontrem, pelo menos aproximadamente, nas mesmas 
condições (temperatura, pH, concentrações de substâncias do meio), é outro problema 
a ser considerado, principalmente em reatores industriais. 
 
Consideremos, agora, a operação de esterilização de grandes volumes de meio, 
operação esta muito freqüente em indústrias de fermentação. Como proceder: eliminar 
os microrganismos por filtração do meio ou destruí-los por aquecimento? Se a 
esterilização por aquecimento tiver sido escolhida, que processo será utilizado: o 
descontínuo ou o contínuo? Que temperatura de esterilização será adotada e qual o 
correspondente tempo do tratamento térmico? Quais serão as dimensões dos 
equipamentos e os controles necessários em cada caso? 
 
O meio, uma vez esterilizado, será encaminhado ao fermentador onde será 
transformado pela ação das células microbianas. Aqui nos deparamos com muitas 
alternativas. Serão utilizados microrganismos em suspensão no meio ou células 
imobilizadas em suportes inertes? Que processo de fermentação será utilizado: 
descontínuo, semicontínuo ou contínuo? Com ou sem recirculação do microrganismo? 
Se for escolhido o processo descontínuo, será o descontínuo simples ou o descontínuo 
alimentado? Se o processo adotado for o semicontínuo, que fração de meio fermentado 
será periodicamente retirada do reator e substituída por igual volume de meio novo? 
No caso de se ter optado pelo processo contínuo, adotar-se-á um único reator de 
mistura, vários reatores de mistura ligados em série, ou um reator pistonado? Quais 
serão as dimensões e o formato do reator? Como controlar as condições de 
fermentação? Como adicionar alguns nutrientes: todos de uma só vez no preparo do 
meio, ou de maneira programada durante o andamento do processo? 
 
No caso de se tratar de um processo enzimático contínuo com enzimas imobilizadas, 
lançar-se-á mão de um reator de leito fixo ou de leito fluidizado? 
 
Outro tópico a ser tratado é o da ampliação da escala de trabalho (“scale-up”): se bons 
ressultados foram obtidos, em certas condições, em um reator de pequena capacidade, 
como operar um reator industrial para que os mesmos resultados sejam alcançados? 
 
Finalmente, nunca será demais ressaltar a importância de que se revestea escolha dos 
processos que serão utilizados, tanto na separação dos produtos e subprodutos, como 
no tratamento ou no aproveitamento dos resíduos. 
 
4.2 Microrganismos e meios de cultura para utilização industrial 
 
4.2.1 Introdução 
 
O sucesso de um dado processo fermentativo depende muito de uma correta definição 
de quatro pontos básicos: o microrganismo, o meio de cultura, a forma de condução do 
processo fermentativo e as etapas de recuperação do produto. 
 
Na verdade, esses quatro pilares de um processo fermentativo interagem enormemente, 
sendo necessário buscar defini-los de forma conjunta, levando em consideração 
aspectos biológicos e econômicos. Para tornar clara essa idéia, pode-se mencionar que 
sempre se pretende empregar meios de cultura baratos, mas deve-se lembrar que o 
microrganismo deve encontrar neste meio condições adequadas para realizar a 
conversão pretendida. 
 
Em termos de formas de condução do processo fermentativo, seria difícil imaginar a 
produção de grandes quantidades de etanol, caso não se operasse os bioreatores em 
sistema descontínuo alimentado, ou mesmo contínuo, porém com o reciclo das células. 
Da mesma forma, o grande avanço alcançado pela digestão anaeróbia no tratamento 
biológico de efluentes líquidos, deveu-se muitíssimo ao surgimento dos reatores 
contínuos operados com fluxo ascendente e reciclo interno de células. 
 
As operações finais para a recuperação do produto são igualmente da mais alta 
importância. Sabe-se que a melhor presentemente para a recuperação do etanol, após 
uma fermentação alcoólica, é a operação de destilação, mas ela incide 
significativamente no custo do produto final, em virtude da energia necessária para a 
sua execução. No entanto, a importância de uma adequada definição das operações de 
recuperação do produto, fica mais clara quando se aborda a produção de produtos de 
alto valor agregado, como a produção de antibióticos, enzimas, ou outras proteínas 
(insulina, hormônios de crescimento, vacinas etc.). Para esses casos, as operações de 
recuperação do produto podem ser responsáveis por 50 a 70% do custo do produto 
final, indicando, claramente, a sua importância em termos de uma adequada definição. 
 
4.2.2 Fontes de microrganismos de interesse 
 
Microrganismos que possam Ter interesse industrial, podem ser obtidos basicamente 
das seguintes formas: 
 
 Isolamento a partir de recursos naturais; 
 Compra em coleções de culturas; 
 Obtenção de mutantes naturais; 
 Obtenção de mutantes induzidos por métodos convencionais; e 
 Obtenção de microrganismos recombinados por técnicas de engenharia 
genética. 
 
O isolamento de microrganismo a partir de recursos naturais, tais como solo, água, 
plantas etc., sempre foi uma atividade de grande importância para a obtenção de novas 
linhagens de interesse industrial. 
 
Trata-se de uma atividade que envolve muito trabalho experimental, significando um 
custo relativamente elevado, porém pode conduzir ao isolamento de linhagens melhor 
produtoras de um dado produto, mas, mais importante do que isto, pode conduzir à 
descoberta de novos produtos. 
 
É claro que o isolamento de linhagens deve ter início com certas premissas, definindo-
se o que se pretende obter, pois o simples isolamento poderá levar à disponibilidade de 
um número inimaginável de culturas, o que dificulta a convergência para o processo ou 
o produto que se pretende produzir. 
 
A compra de coleções de cultura é bastante viável, tendo em vista a existência de 
muitas coleções em vários países. Existem nada menos do que 11 coleções de culturas 
em mundo, podendo-se ainda acrescentar a Agricultural Research Sewrvice Culture 
Collection (EUA) e a Coleção de Culturas Tropical (Campinas – SP). 
 
É de se esperar que o microrganismo utilizado para a produção de um dado antibiótico 
não estará disponível em uma coleção de culturas, sendo, com muita freqüência, 
oriundo de programas de melhoramento genético. 
 
Há sempre uma pequena possibilidade de surgimento de mutantes naturais, os quais 
podem ser isolados e ensaiados objetivando a verificação de sua potencialidade de 
produção, podendo gerar novas linhagens que apresentem interesse prático. 
 
Surgimento de mutantes naturais de interesse prático, poderá significar o dispêndio de 
muito tempo, razão pela qual prefere-se lançar mão de métodos que forcem o 
aparecimento de células mutadas, utilizando radiações ultravioleta ou substâncias 
químicas mutagênicas, como a nitrosoguanidina. 
 
A obtenção de mutantes é aleatória, tratando-se de recuperar as células sobreviventes 
em meios ou condições específicas, de forma a dirigir este isolamento para as células 
que se pretende. Tais programas de mutação/seleção costumam ser bastante 
dispendiosos. 
 
A introdução de fragmentos de DNA de certas células em outras, via vetores como os 
plasmídeos, permite a obtenção de células alteradas geneticamente, porém de forma 
muito mais dirigida do que as metodologias convencionais anteriormente mencionadas, 
sendo possível de ser executada não apenas com microrganismos, mas igualmente com 
células animais e vegetais. 
 
4.2.3 Características desejáveis de microrganismos e meios de cultura 
para aplicação industrial 
 
Características desejáveis de microganismos 
 
Para uma aplicação industrial, espera-se que os microrganismos apresentem as 
seguintes características gerais: 
 
 Apresentar elevada eficiência na conversão do substrato em produto. 
 
As matérias-primas incidem pesadamente no custo do produto final (38 a 73%); 
 
 Permitir o acúmulo do produto no meio, de forma a se ter elevada concentração do 
produto no caldo fermentado, sem sofrer inibição acentuada em virtude deste 
acúmulo. 
 
Redução nos custos de recuperação; 
 
Exemplo: C6H12O6  2C2H5 OH + 2CO2 
a) Rendimento da Saccharomyces cerevisiae = 90% (elevado); 
 
b) Sabe-se que quando se atinge 8 a 10% em etanol no vinho 
fermentado, ocorre inibição da levedura, reduzindo a velocidade da 
reação. 
 
Necessidade de destilar um líquido que contém apenas 10% de 
etanol, o que além do dispêndio de energia ainda irá gerar 90% de 
resíduo na forma de vinhaça. 
 
 não produzir substâncias incompatíveis com o produto; 
 Aspergillus Glicoamilase + Transglicosidase (enzimas) 
 Glicoamilase 
 Amido Glicose 
 Transglicosidase 
 Glicose Polímeros 
 apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico; 
 
Para a célula há sempre a tendência em otimizar o crescimento, em detrimento da 
síntese do produto. O emprego de linhagens relativamente instáveis poderá 
ocorrer, ao longo do tempo, a seleção de células que privilegiem o crescimento em 
detrimento do acúmulo do produto. 
 
 não ser patogênico; 
 
O cultivo de patogênicos é efetuado (produção de vacinas) em reatores de pequeno 
porte, confinados em câmaras assépticas, tomando-se precauções necessárias para 
a não ocorrência de contaminação do meio ambiente. Isso significa custo 
adicional. 
 
 não exigir condições de processo muito complexas; 
 
Implica em custos: O2 (aeração), formação de espuma (antiespumante), pH 
(controle difícil) etc. 
 
 não exigir meios de cultura dispendiosos 
 
Fornecimento dos nutrientes apenas necessários e alternativas viáveis 
tecnicamente porém mais baratas. 
 
 permitir a rápida liberação do produto para o meio. 
 
 
Características desejáveis de meios de cultivo 
 
Alguns características gerais desejáveis de meios de cultura que devem ser 
consideradas, são: 
 
 Ser o mais barato possível; 
 atender às necessidades nutricionais do microrganismo; 
 auxiliar no controle do processo, como é o caso de ser ligeiramente tamponado, o 
queevita variações drásticas de pH, ou evitar uma excessiva formação de 
espuma; 
 não provocar problemas na recuperação do produto; 
 os componentes devem permitir algum tempo de armazenagem, afim de estarem 
disponíveis todo o tempo; 
 ter composição razoavelmente fixa; e 
 não causar dificuldades no tratamento final do efluente. 
 
O custo do meio de cultura, que deve ser o menor possível, desde que atenda às 
necessidades do microrganismo selecionado. 
 
Meios sintéticos: composição química conhecida e pode ser reproduzida a qualquer 
instante. Por essa razão, para as células que apresentam bom desempenho em meios 
desse tipo, espera-se a ocorrência de um sistema produtivo muito estável, além de, 
em geral, não apresentarem problemas quanto à recuperação e purificação do 
produto final. Esses meios, mesmo sendo mais onerosos, podem ser preferidos, caso 
realmente permitam uma maior economia nas etapas de recuperação do produto. 
 
Matérias-primas naturais podem causar problemas adicionais na recuperação e 
purificação do produto final, assim como problemas nos tratamentos das águas 
residuárias. No entanto, ainda continuam a ser as matérias-primas preferidas em 
grande número de casos, pela simples razão de serem as mais baratas. 
 
4.3 Esterilização de Equipamentos 
 
4.3.1 Introdução 
 
Esterilizar um equipamento significa eliminar todas as formas de vida de seu 
interior ou superfície. Em alguns processos biotecnológicos industriais, a eliminação parcial 
da população microbiana dos equipamentos é suficiente para garantir a qualidade que se 
deseja no produto. Por exemplo, nos processos onde inibidores de crescimento são 
produzidos (fermentação alcoólica, produção de vinagre/ácido acético, ácido láctico ou 
antibióticos e outros biocidas, etc.) o teor de inibidor impede em maior ou menor grau o 
crescimento de vários microrganismos. Na indústria de laticínios, os processos de 
pasteurização destroem a maior 'arte, mas não todos os microrganismos presentes.1,2 A 
pasteurização é emprega- ia quando uma assepsia mais rigorosa destruiria propriedades 
importantes do aumento e seus subprodutos. 
Assim, desenvolveram-se processos de desinfecção que não esterilizam, mas 
garantem a assepsia adequada. Essa situação é comum na indústria de alimentos, onde a 
eliminação de microrganismos patogênicos é levada a efeito por processos não 
esterilizantes. Nesses casos, a população de microrganismos que não é eliminada é mantida 
sob controle pela imposição de condições que impedem seu desenvolvimento, como 
refrigeração ou aplicação de inibidores de crescimento (sais, açúcares em altas 
concentrações, condimentos, preservantes químicos, biocidas, biostáticos, etc.). 
Os processos de produção de bens destinados à saúde humana ou animal e os de 
alimentos enlatados estão entre os mais restritivos com respeito à presença de 
contaminantes. Nesses casos, a simples presença de uma única célula de contaminante pode 
pôr a perder todo um lote do produto. 
Para lidar com essas situações, desenvolveu-se uma série de técnicas para alcançar o 
tipo adequado de assepsia. Esse assunto será abordado no item 3.2. 
A esterilização de equipamentos é feita pela aplicação de métodos físicos ou 
químicos. Os métodos físicos mais freqüentes são o calor seco, calor úmido, radiação 
ultravioleta, radiação com partículas ionizantes (gama) e ultra-som. Os métodos químicos 
consistem na limpeza do equipamento com líquidos ou gases que matam os 
microrganismos ou danificam irreversivelmente sua capacidade reprodutiva (hipoclorito, 
fenóis, formaldeído, óxido de etileno, ozônio, dióxido de enxofre, etc.). 
Reatores bioquímicos e tubulações são, geralmente, esterilizados pela aplicação de 
calor úmido (vapor saturado). 
Equipamentos destinados ao processamento de produtos de fermentação (bombas, 
filtros, centrífugas, misturadores, separadores, colunas cromatográficas, homogeneizadores, 
etc.) são preferencialmente esterilizados por calor úmido. Nos casos em que isto não é 
possível, empregam-se agentes químicos adequados. 
Material de laboratório utilizado durante o processo é esterilizado por calor úmido 
(autoclaves), seco (fornos) e mais raramente por radiação ultravioleta. 
Meios de cultura são esterilizados por calor úmido. Nos casos em que a inativação térmica 
de nutrientes do meio é significativa (cultura de células animais, vegetais ou de insetos, por 
exemplo) emprega-se a filtração em membranas ou cartuchos esterilizantes para remover 
fisicamente os microrganismos. 
O ar para o processo fermentativo é esterilizado por filtração em cartuchos 
esterilizantes. 
Embalagens são em geral esterilizadas por radiação gama, calor úmido, ou por lavagem 
com produtos químicos adequados. 
Os métodos de esterilização agem destruindo ou comprometendo estruturas 
microbianas, como paredes celulares, ácidos nucléicos, etc., ou inativando enzimas, 
proteínas, etc. 
O número de microrganismos que sobrevive em qualquer estágio de uma 
esterilização depende diretamente do número inicialmente presente. Portanto, onde for 
necessário aplicar esterilização, a limpeza e uma baixa carga inicial de microrganismos 
interferem fortemente na severidade do processo a ser aplicado 3 . 
 
4.3.2 Terminologia e modo de atuação 
 
Esterilização 
 
Esterilização é o processo físico ou químico que destrói ou inativa todas as formas 
de vida presentes em um determinado material, especialmente microrganismos incluindo 
bactérias, fungos -tanto em suas formas vegetativas como esporuladas - e vírus. O termo 
esterilização possui um significado absoluto e não relativo, ou seja, uma substância ou 
material não pode ser parcialmente estéril. Um material estéril é totalmente isento de 
qualquer organismo ativo. Essa condição deve ser mantida indefinidamente3,4,5,6. 
 
Desinfecção 
 
Desinfecção é um processo menos rigoroso de eliminação de microrganismos, 
envolvendo usualmente o uso de um agente químico, denominado desinfetante ou 
germicida, geralmente líquido e à temperatura ambiente ou moderada. A desinfecção não 
implica necessariamente na eliminação de todos os microrganismos, sendo direcionada aos 
mais prejudiciais, principalmente em sua forma vegetativa, que é menos resistente que a 
forma esporulada. 
Antisséptico é um desinfetante, aplicável em seres animados (humanos e animais) 
para eliminar microrganismos patogênicos 3. 
A Tabela 3.1 apresenta uma relação dos principais termos técnicos relacionados a 
processos de desinfecção, com seus significados. 
 
Modo de ação dos agentes esterilizantes 
 
Agentes esterilizantes podem ser classificados como agentes físicos ou químicos. 
Esses agentes podem induzir, por diferentes mecanismos, a formação de substâncias 
químicas letais no interior das células e/ ou alterações em moléculas essenciais para a 
manutenção e sobrevivência celular, levando à morte do microrganismo. 
A morte celular pode ser causada por uma ou mais lesões. Na célula viva normal 
existem inúmeros alvos possíveis de lesão celular, tais como: (a) enzimas, responsáveis 
pelos processos metabólicos; (b) membrana citoplasmática, que mantém a integridade do 
conteúdo celular, controlando o transporte de substâncias entre a célula e seu meio externo, 
além de ser também o local de algumas reações enzimáticas; (c) parede celular, que 
proporciona rigidez e resistência mecânica aos microrganismos e participa de alguns 
processos fisiológicos. Uma lesão em qualquer um desses níveis pode desencadear 
alterações que levam à morte celular . Alternativamente, um dano irreversível a um gene, 
responsável pela codificação de alguma enzima essencial, também pode levar à morte 
celular. 
A seguir descreveremos como agem os principais agentes esterilizantes3,4,6 . 
 
Calor úmido 
 
A temperatura elevada, associada ao alto grau de umidade, representa um dos 
métodos mais efetivos para a destruição dosmicrorganismos. O calor úmido mata Os 
microrganismos, principalmente pela desnaturação irreversível de suas proteínas, 
destruindo, portanto elementos essenciais para a sobrevivência e multiplicação celular, 
como enzimas e membranas celulares. 
A resistência das proteínas ao calor é uma função da hidratação da célula. Quanto maior a 
quantidade de água, mais facilmente esta entrará nos domínios internos das moléculas de 
proteína, causando mudanças conformacionais irreversíveis. 
Além das proteínas, os carboidratos também sofrem alterações sob o tratamento de 
calor, sendo muitas vezes caramelizados e gerando produtos tóxicos. Essa degradação 
exerce, portanto, um papel importante na esterilização. 
 
Tabela 3.1 – Principais termos técnicos utilizados em processos de assepsia e seus significados 
 
TERMO SIGNIFICADO 
Esterilização Remoção de todas a forças de vida de um objeto 
ou material 
Desinfecção Remoção ou destruição dos organismos vivos 
capazes de causar danos ou infecções. 
Desinfectante ou germicida Agente químico capaz de promover desinfecção 
Antisséptico Agente químico aplicável em pessoas ou animais, 
com capacidades de eliminar microorganismos 
patogênicos. 
Assepsia Remoção de microorganismos patogênicos ou 
indesejados. 
Pasteurização Tratamento térmico (geralmente 62ºC por 30 min, 
seguindo de resfriamento brusco) para redução 
drástica no número de microorganismos – 
presentes em alimentos, normalmente leite, seus 
derivados, e bebidas enlatadas ou engarrafadas. 
Tindalização Processo de esterilização capaz de eliminar esporos 
altamente resistentes ao calor. Consiste em manter, 
o material a 100ºC por vários minutos, resfria-lo a 
temperatura ambiente e imcubá-lo por cerca de 
24h. O procedimento é repetido várias vezes. 
Durante a incubação, os esporos passam à forma 
vegetativa, onde são susceptíveis à destruição 
durante o aquecimento seguinte. 
Biocidas Agentes capazes de causar a morte de 
microorganismos. 
Biostaticos Agentes capazes de impedir a reprodução de 
microorganismos, sem necessariamente mata-los. 
 
 
Na esterilização por vapor sob pressão (por exemplo, nas autoclaves), esta tem duas 
funções principais: uma delas está relacionada com a transferência de calor, que é 
favorecida pela condensação ocorrida no material, levando a um rápido aumento de 
temperatura (difusão de calor) e a outra é a manutenção ou aumento do nível de hidratação 
no interior das células, favorecendo portanto a coagulação das proteínas. 
 
Calor seco 
 
O calor seco destrói os microrganismos através da oxidação de seus constituintes 
químicos. A esterilização por calor seco é muito mais lenta e menos eficaz te por calor 
úmido. Ao contrário do calor úmido, nesse tipo de esterilização o calor é transferido muito 
lentamente e o nível de hidratação das células tende a diminuir, conferindo uma certa 
proteção às proteínas. 
Apesar de a esterilização pelo calor seco ser principalmente um processo de 
oxidação, não se pode afirmar que a ação do calor seco seja restrita a isto, pois 'm sempre o 
que ocorre é uma esterilização apenas por calor seco. Dependendo do conteúdo de água na 
célula pode ocorrer também a coagulação de proteínas. 
 
Irradiação por luz ultravioleta (UV) 
 
A radiação UV é absorvida por muitas substâncias celulares, mas de modo tis 
significativo pelos ácidos nucléicos, onde geralmente ocorrem as lesões. O seu oito letal é 
proporcional à dose de radiação aplicada. A região do espectro de UV com a ação 
esterilizante é de 220 a 300 nm, muitas vezes chamada de região "abiótica". 
Existe uma relação entre os comprimentos de onda germicidas e aqueles absorvidos 
por ácidos nucléicos ou seus constituintes. Compostos como as purinas e pirimidinas, 
absorvem UVa aproximadamente 260 nm, bem próximo da radiação lis efetiva que é 253,7 
nm. Os aminoácidos aromáticos, como o triptofano, fenilalanina e tirosina, absorvem UVa 
280 nm. 
Dentre os componentes dos ácidos nucléicos, os fosfatos de açúcares não absorvem 
significativamente UV acima de 220 nm. As pirimidinas são muito mais sensíveis ao UV 
do que as purinas, por isto os efeitos letais e de mutagênese nos sistemas biológicos são 
atribuídos a transformações fotoquímicas das bases de pirimidina. A ação esterilizante do 
UV ocorre primeiramente pela produção de ligações cruzadas entre pirimidinas adjacentes 
na mesma fita de DNA (ácido desoxirribonucléico), formando dímeros. Essa reação ocorre 
principalmente entre resíduos de timina, formando dímeros de timina, levando à perda da 
integridade do DNA bacteriano (Fig. 3.1). Essas ligações podem causar erro de leitura do 
código genético resultando em mutações que prejudicam funções vitais do organismo e 
consequentemente causando a morte celular. Existem mecanismos de reparo, pelos quais 
A integridade do DNA pode ser recuperada, dependendo do nível de lesão. 
 
Figura 3.1 - Formação do dímero de timina. 
Dímeros mistos de citosina-timina e citosina-citosina também foram identificados 
em DNA de organismos irradiados. Apesar de serem menos freqüentes, também podem 
apresentar efeitos letais. 
O RNA também pode sofrer ação do UV, que gera dímeros de hidratos e uracila, que 
podem causar inativação do RNA. 
Vários fatores podem influenciar na sensibilidade microbiana a UV. Destacam-se o 
pH, o estado fisiológico das células (a maior atividade é na fase logarítmica de 
crescimento) e a constituição genética. 
 
Radiação ionizante 
 
As radiações ionizantes eletromagnéticas são principalmente alfa (a), beta (ß), gama 
(у), raios X, raios catódicos, além de prótons, nêutrons e elétrons de alta energia. Esse tipo 
de radiação pode causar uma grande variedade de efeitos físicos e bioquímicos em 
microrganismos. O principal alvo que leva à perda de viabilidade é a molécula de DNA. 
Na radiação ionizante, um átomo emite elétrons de alta energia, que ionizam sua 
molécula. O elétron é ejetado e absorvido por outro átomo, criando uma cadeia de 
ionizações na substância irradiada. Essa atividade excita grupos químicos no DNA, 
causando a produção de radicais químicos altamente reativos, os quais podem alterar 
grupos químicos e até quebrar as fitas de DNA, causando mutações. 
A morte celular resulta da formação de uma cadeia de ionização numa porção 
significativa do DNA. Geralmente, a sensibilidade dos diferentes organismos a radiações 
ionizantes varia com o volume de DNA. Em geral, formas multicelulares são mais sensíveis 
à radiação ionizante do que organismos unicelulares. 
 
Óxido de etileno 
 
Óxido de etileno (EtO) é um éter cíclico que mata as células, agindo como agente 
alquilante. A sua ação consiste na substituição de um átomo de hidrogênio (através de uma 
reação de alquilação) de grupos funcionais de proteínas, ácidos nucléicos e outras 
moléculas (carboxila livre, amino ou sulfidrila) pela molécula de EtO aberta (CH2CH2O-) 
como exemplificado na Figura 3.2. Essa reação resulta no bloqueio dos grupos ativos das 
moléculas. No caso das proteínas, ocorre a desnaturação. 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.2 - Reação de alquilação entre o óxido de etileno e uma enzima 
 
 
H2C - CH2 +Enzima –SH  Enzirna -SH-CH2 -CH2OH 
 
 O 
Òxido de etileno Enzima inativada 
 
 
 
 
Glutaraldeído 
 
O glutaraldeído age na superfície das células, onde ocorrem interações 
glutaraldeído-proteínas, gerando diversos produtos. Essa interação aumenta com a elevação 
do pH, mas os produtos formados são estáveis à hidrólise ácida. 
O glutaraldeído reage principalmente com os grupos amina livres das proteínas da 
camada de peptoglicana das bactérias, o que interfere no transporte de aminoácidos de 
baixo peso molecular. Em vários microrganismos ocorre a aglutinação celular, devido à 
formação de ligações intercelulares. 
 
4.3.3 Esterilização por agentes físicos 
 
Os principais agentes físicos