RBEBBM -01/2001
Abordagem Prática Para o Ensino de
Bioquímica
(Teaching Biochemistry: a practical approach)
Autores:Leda Q. Vieira , Jacques R. Nicoli , Vânia F. Prado, Marcelo M. Santoro, Santuza M. R. Teixeira, Marcelo Bemquerer & Paulo S. L. Beirão
Afiliação:Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais
lqvieira@icb.ufmg.br
For the past 13 years, at the Federal University of Minas Gerais, practical classes during the Biochemistry course for Biology students have been based on small research projects developed by the students. At the beginning of the semester, each group of four to six students receives a different question which they are required to answer experimentally. One third of the 90 hour/semester course is dedicated to the development of the projects. Students must research the subjects and choose the best way to solve the problem experimentally. They write a proposal which is discussed and evaluated by the professors and, only after extensively discussing the proposals, the project is executed. Only minimal tutoring is offered, so that the solution of the problem is found by the students themselves. At the end of the semester, students write a report in the format of a scientific paper and present their results at a public poster session. This experience has been successful, as judged by its continuity of 13 years with different teams of professors, by the enthusiasm shown by the students and by the number of Biology students that decide to pursue undergraduate lab training and subsequently graduate work in our Department.
Introdução
O aumento do conhecimento nas diversas áreas das Ciências Biológicas, e da Bioquímica e Biologia Molecular em particular, tem causado um dilema para os professores envolvidos com o ensino nestas áreas: enquanto o conhecimento aumenta, é impossível aumentar a carga horária das disciplinas proporcionalmente. Como exemplo, se fizermos um levantamento do número de trabalhos publicados sobre proteínas em todo o mundo entre os anos de 1969 e 1999, detectamos um aumento de 5,6 vezes (de 23766 em 1969 para 133590 acumulados até 1999, segundo levantamento feito na base de dados PubMed, ver figura 1). Se o conhecimento aumentou quase 6 vezes, e se a sala de aula é o local onde o conhecimento deve ser
transmitido, deveríamos aumentar o tempo dedicado ao estudo de proteínas em 6 vezes em relação ao tempo dedicado em 1969. Mais dramática ainda é a situação do conhecimento sobre o DNA. Enquanto em 1969 publicaram-se 3572 trabalhos sobre o DNA, em 1999 haviam 42387 trabalhos publicados, isto é, um aumento de 12 vezes nos últimos 30 anos. Não é possível, hoje mais do que nunca, transmitir-se todo o conhecimento em uma sala de aula. Além disto, ocorre freqüentemente que as informações contidas nos livros textos não correspondem mais à realidade vista à luz de novas evidências experimentais. Dois exemplos recentes
ilustram este fato: a segunda edição do livro texto "Principles of Biochemistry" (Leningher et al., 1993) traz o rendimento de 3 moles de ATP por mol de NADH que entra na cadeia respiratória, enquanto a quarta edição do livro Biochemistry (Stryer, 1995) de apenas 2 anos mais tarde já traz um novo balanço (Nelson and Cox, 2000) de 2,5 moles de ATP por mol de NADH. De forma semelhante, no passado acreditava-se que as proteínas do ribossomo seriam as responsáveis pela catálise da formação da ligação peptídica (Lehninger et al., 1993; Stryer, 1995); atualmente acredita-se que seria uma ribozima a responsável por esta catálise (Cech, 2000; Muth et al. 2000). Portanto, o conhecimento adquirido na sala de aula e contido nos livros texto pode se tornar obsoleto rapidamente. Diante deste cenário, fica sem sentido o empenho de solucionar este problema exclusivamente pelo aumento do volume ou da eficiência da transmissão do conhecimento.
Alternativamente, deve-se modificar as atitudes e habilidades do estudante de forma que este seja capaz de buscar, por si só, o conhecimento em sua fonte. Esta foi a ênfase dada para o curso de Ciências Biológicas, período diurno, do Instituto de Ciências Biológicas da UFMG.
Figura 1: Número cumulativo de trabalhos publicados sobre proteínas ou DNA a cada dois anos, no período de 1969 a 1999.
Neste trabalho, descrevemos um método de ensino que possibilita que o estudante de Ciências Biológicas aprenda a buscar e encontrar informações relevantes para o seu trabalho, manter-se atualizado com os avanços de sua área, avaliar informações novas, aprender com suas próprias experiências, julgar maneiras melhores de exercer sua profissão e encontrar soluções criativas para problemas práticos. Os resultados desta metodologia são satisfatórios, a julgar pelo entusiasmo dos estudantes da disciplina e seus professores, pelo fato de que este método já está sendo utilizado no Departamento de Bioquímica e Imunologia há 13 anos por diferentes professores e pela afluência de estudantes de Ciências Biológicas para os laboratórios de pesquisa do Departamento de Bioquímica e Imunologia e, subseqüentemente, para o programa de pós-graduação do Departamento.
Métodos
Estudantes: os estudantes do curso de Ciências Biológicas da Universidade Federal de Minas Gerais cursam a
disciplina Bioquímica Celular no segundo semestre do curso. Trata-se de uma disciplina obrigatória. A idade típica dos estudantes é de 18-19 anos, e o nível de instrução é heterogêneo. O estudante de Ciências Biológicas foi selecionado pelos seguintes motivos: 1) este é o único Curso em que o estudante permanece todo o tempo no Instituto de Ciências Biológicas; 2) há um interesse do Departamento de Bioquímica e
Imunologia em fixar este estudante no seu programa de Bacharelado e subseqüentemente em seu programa de Pós-graduação; 3) espera-se que aquele estudante que decidir não seguir a carreira de pesquisador tenha mais facilidade de incentivar o gosto pela Ciência em seus alunos e de se manter atualizado após ter passado pela disciplina Bioquímica Celular; 4) pretende-se despertar o espírito inquisidor neste público-alvo.
Local: Inicialmente, os projetos eram desenvolvidos com recursos e equipamentos dos laboratórios de
pesquisa do Departamento. Atualmente, as aulas práticas são realizadas em um laboratório montado com recursos do PROGRAD (1995) e PROIN (1996), programas patrocinados pelo Ministério da Educação e CAPES (Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal do Ensino Superior), respectivamente. Este laboratório está equipado com centrífuga refrigerada, lupa, microscópio, geladeira, congelador, aparelhos para eletroforese de proteínas e DNA, potenciômetro, espectrofotômetro, colunas de separação, pipetas automáticas, banhos e estufas. Alguns experimentos são realizados nos laboratórios de pesquisa do Departamento.
Procedimento: no início do semestre é feito um levantamento dos laboratórios do Departamento de
Bioquímica e Imunologia que estariam disponíveis para receber grupos de estudantes do curso de Ciências Biológicas. Desta forma, alguns grupos de estudantes (4-6 alunos por grupo) estarão desenvolvendo seus projetos junto a grupos de pesquisa do Departamento de Bioquímica e Imunologia, sob a orientação de estudantes de pós-graduação, professores e pesquisadores do Departamento. Outros grupos de estudantes desenvolverão seus projetos sob a orientação dos professores da disciplina e dos monitores do programa, no laboratório de aulas práticas montado para este fim. Cada grupo de estudantes recebe, no início do semestre, uma pergunta que deverá ser respondida com experimentos realizados durante o semestre, sendo que os estudantes têm liberdade de escolher entre os problemas apresentados a eles. Nos últimos anos, os próprios grupos de estudantes, algumas vezes, já trazem as suas perguntas. Os grupos, então, pesquisam sobre o problema (artigos científicos, livros, laboratórios que realizam pesquisa na área) e propõem uma ou mais soluções para o problema. Esta solução é apresentada aos orientadores sob a forma de um projeto, que é discutido com os estudantes. Nesta fase, toma-se o cuidado de não instruir o estudante, apenas discutir os procedimentos a serem realizados. Os estudantes não são tolhidos em momento algum com atitudes do tipo "este projeto é muito ambicioso" ou "este experimento não vai dar certo". Somente após a apresentação do projeto e das metodologias escolhidas, os professores podem fazer sugestões práticas de maneira a viabilizar a execução dos experimentos com os recursos disponíveis no departamento. Durante o desenvolvimento do projeto novos problemas podem surgir, e os estudantes são incentivados a resolvê-los. Em momento algum um procedimento padrão dos experimentos é fornecido aos estudantes, estes são encorajados a procurarem os métodos a serem seguidos ou a proporem seus próprios procedimentos, com o mínimo de tutela possível. Soluções criativas, não convencionais, especialmente aquelas que exigem menos recursos materiais, são estimuladas.
Treinamento básico: os estudantes são orientados quanto ao funcionamento de equipamentos, práticas
gerais de laboratório e procedimentos de segurança pelos monitores e professores da disciplina.
Tempo dedicado: a disciplina Bioquímica Celular é ministrada em 90 horas durante um semestre constituído
de 15 semanas, resultando em seis horas de aula por semana. Destas, duas horas por semana são reservadas ao desenvolvimento dos projetos práticos (isto é, 30 horas por semestre). Freqüentemente há necessidade de realização de experimentos fora do horário de aula, portanto o acesso dos estudantes ao laboratório é livre. Fora do horário da disciplina os estudantes são supervisionados pelos monitores da disciplina, sendo que durante a etapa de realização dos experimentos (duração de 2-3 meses) os grupos podem acumular, por exemplo, 4-6 horas contínuas de trabalho no laboratório, ao invés das 2 horas semanais estipuladas no programa do curso.
Relatórios: os resultados dos experimentos são relatados sob a forma de um trabalho científico elaborado
pelos estudantes. Além disto, há uma seção de cartazes em que os grupos apresentam seus resultados para o público do Instituto de Ciências Biológicas, ao final do semestre.
Avaliação: esta atividade corresponde a 30-40% da nota do semestre. As notas são dadas de acordo com os
seguintes critérios: resultados obtidos, alcance das metas, adequação dos métodos utilizados para responder à pergunta, grau de quantificação, grau de dificuldade do projeto, criatividade, conhecimento do assunto,
qualidade da apresentação e literatura consultada.
Ao longo de 13 anos de experiência, vários projetos foram realizados pelos estudantes de Ciências Biológicas. A tabela 1 lista alguns dos temas desenvolvidos pelos estudantes.
Tabela 1. Exemplos de temas propostos aos estudantes.
Destacamos abaixo quatro projetos:
1. Atividade proteolítica em animais carnívoros e herbívoros - neste projeto foi proposto aos estudantes que comparassem a atividade proteolítica no tubo digestivo de animais carnívoros e herbívoros. Os estudantes selecionaram dois artrópodes, lagartas do gênero Oichetos, que se alimentam de folhas de mamona e cítricos, e a libélula vermelha (Erithrodiplax connata fusca rambur), que se alimenta de tecido animal (aranhas, etc.). Os estudantes sacrificaram e dissecaram os animais, obtendo homogenatos do tubo digestivo. O substrato foi filme velado, que contém gelatina. A atividade proteolítica foi determinada pela digestão da gelatina e
conseqüente aparecimento de uma mancha clara no filme. Utilizaram, ainda, o substrato Benzoil-arginina-p-nitroanilida (BApNA) para determinar a atividade tipo tripsina, e o inibidor de tripsina benzamidina. Os
estudantes concluíram que todas as amostras continham atividade semelhante de enzimas proteolíticas, e que a maior parte desta atividade era inibida por benzamidina.
2. Efeito do jejum nos estoque de glicogênio de um pecilotermo e um homeotermo - neste projeto foi proposto aos estudantes determinar o tempo de jejum necessário para que se esgotasse o estoque de
glicogênio. Os estudantes optaram por utilizar o camundongo como um exemplo de animal homeotermo, e o molusco aquático Biomphalaria glabrata como exemplo de animal pecilotermo. Os animais foram mantidos em jejum por tempos diversos, sacrificados e os fígados ou hepatopâncreas foram retirados. O glicogênio foi extraído com ácido tri-cloro acético e precipitado com etanol. O precipitado seco foi pesado. Os resultados (tabela 2) mostraram que 18 horas de jejum foram suficientes para que os camundongos esgotassem todo o seu estoque de glicogênio detectável por este método no fígado. Entretanto, os caramujos resistiram até 15 dias de jejum. O fato de que os caramujos eram aquáticos fez com que os estudantes resolvessem repetir o experimento lavando os caramujos e trocando sua água por água destilada diariamente, para evitar o
crescimento de microorganismos na água e nas conchas dos caramujos. Ainda assim, após 15 dias de jejum os caramujos tinham ainda mais glicogênio no seu hepatopâncreas que quando iniciou-se o experimento. A
conclusão dos estudantes foi que ¨esta espécie [o caramujo], quando mantida em jejum, tende a armazenar suas energias, retirando carboidratos de outros tecidos - principalmente muscular - e mantendo-se em estado quase vegetativo, como foi observado¨. Um dos estudantes que executaram este projeto realizou sua
dissertação de Mestrado no Departamento de Bioquímica e Imunologia da UFMG sobre uma protease do hepatopâncreas de B. glabrata e realiza hoje sua tese de doutoramento no Departamento de Fisiologia da UFMG sobre enzimas proteolíticas.
Tabela 2. Conteúdo de glicogênio no fígado de camundongos ou hepatopâncreas de Biomphalaria glabrata
Temas
Sementes têm lectinas?
Animais homeotermos esgotam seus estoques de glicogênio na mesma velocidade
que os pecilotermos?
O cérebro é capaz de utilizar aminoácidos e ácidos graxos como fonte de energia?
Qual a natureza bioquímica desta substância desconhecida? (uma substância é
fornecida ao grupo)
O fígado (músculo esquelético, músculo cardíaco) é capaz de oxidar completamente
a glicose?
Plantas conseguem sintetizar amido na ausência de luz?
Qual o peso molecular do DNA de uma célula eucariota?
Animais carnívoros têm a mesma atividade proteolítica em seu tubo digestivo que
animais herbívoros?
Há atividade proteolítica em todo o tubo digestivo de um animal?
Quantos pigmentos você consegue extrair de uma folha?
alimentados ou em jejum.
3. Extração e separação de pigmentos de algas marinhas - neste projeto, os estudantes pesquisaram os diferentes pigmentos presentes em quatro espécies de algas marinhas. Após extensa discussão, os estudantes resolveram que a melhor maneira de separar e determinar o número de pigmentos presentes nas diferentes algas seria através da extração destes pigmentos seguida de cromatografia em papel. Este projeto foi
particularmente interessante, pois uma das algas tinha pigmentos que migravam juntos em diversos sistemas de solventes, o que obrigou os estudantes a tentarem, de maneira sistemática e racional, vários sistemas de solventes até que fosse encontrada uma mistura capaz de resolver quatro pigmentos desta alga. Foi feita uma identificação parcial destes pigmentos através de seus Rfs e dados da literatura.
4. Extração e caracterização de lectinas de leguminosas - neste projeto, os estudantes pesquisaram a presença de lectinas em sementes de três leguminosas: feijão preto, feijão branco e soja. Inicialmente, pesquisaram a melhor maneira de extrair lectinas de sementes. Optaram por moer as sementes e extrair as lectinas em um tampão em pH 7,0. A escolha do tampão e os cálculos para a obtenção do pH desejado foram feitos pelos estudantes. Após a extração de uma fração solúvel, pesquisaram a presença de lectinas neste preparado, utilizando hemácias de carneiro obtidas por eles mesmos na Escola de Veterinária da UFMG. O teste foi uma técnica simples de aglutinação em lâmina de vidro. Estes estudantes constataram que apenas as preparações obtidas de feijão preto e feijão branco aglutinaram as hemácias de carneiro utilizadas. Neste ponto, os professores perguntaram aos estudantes qual seria a especificidade destas lectinas. Após nova pesquisa, os estudantes chegaram à conclusão que poderiam determinar a especificidade das lectinas usando um ensaio de competição com monossacarídeos, e constataram que ambas as lectinas estavam se ligando a resíduos de galactose, mas não de glicose ou frutose. Em outro semestre, um grupo de estudantes obteve, do Departamento de Botânica do Instituto de Ciências Biológicas da UFMG, espécies diferentes de Rizobium, constatando assim a especificidade entre lectinas de leguminosas e as espécies de Rizobium que as colonizam. Em outro semestre ainda, o grupo de estudantes determinou o pH ótimo para a aglutinação das hemácias e a termolabilidade das lectinas.
Discussão
Durante os treze anos em que vimos realizando esta alternativa de aulas práticas, temos nos deparado com prós e contras desta experiência.
O principal ponto a favor é que este tipo de aula prática, centrada na resolução de problemas e não na execução de protocolos pré-determinados que se repetem em todos os semestres, realmente estimula o desenvolvimento das habilidades e atitudes que julgamos desejáveis, a saber: capacidade de buscar e encontrar informações relevantes para a realização de um determinado trabalho; capacidade de avaliar informações novas, aprendizado com experiências próprias e habilidade de encontrar soluções criativas para problemas práticos. O desenvolvimento destas atitudes aumentaria a capacidade destes estudantes de buscar e encontrar informações relevantes para o seu trabalho, de manter-se atualizado com os avanços de sua área e de julgar maneiras melhores de exercer sua profissão. Do ponto de vista da disciplina Bioquímica Celular, as
Peso total do órgão
(g)
Glicogênio
total
(mg)
Glicogênio/g
órgão
(mg/g)
Camundongo alimentado
2,02
4,40
2,18
Camundongo em jejum por 18
horas
1,70
0
0
B. glabrata alimentada
0,532
5,00
9,39
B. glabrata em jejum por 5 dias
1,085
7,50
6,91
B. glabrata em jejum por 10
dias
0,689
12,85
18,64
B. glabrata em jejum por 15
aulas práticas baseadas no desenvolvimento de projetos são mais estimulantes para os estudantes e para os professores. Além da emoção da nova descoberta por seus próprios meios, este tipo de aula prática confere à disciplina Bioquímica Celular, normalmente uma disciplina abstrata, um senso de realidade e palpabilidade que ajuda os estudantes mesmo em assuntos da disciplina não relacionados com a aula prática.
Um indicador significativo dos resultados deste tipo de abordagem é a nítida mudança de atitude da maioria dos alunos durante o semestre. Se no início os estudantes se mostram mais passivos e até mesmo paralisados diante do problema proposto, aos poucos iniciativas são tomadas e novas idéias são propostas, tornando-os parte ativa no processo.
Quanto às desvantagens, este método consome muito tempo dos professores envolvidos, monitores e
estudantes da disciplina. Sem dúvida esta é a maior dificuldade encontrada, principalmente no que se refere à carga horária que os próprios alunos podem dedicar à disciplina, visto que, durante o semestre no qual eles se inscrevem na disciplina Bioquímica Celular, geralmente eles estão inscritos em cinco outras disciplinas com cargas horárias semelhantes. A execução dos projetos requer muito trabalho na preparação das técnicas e pesquisa dos assuntos propostos, além de requerer equipamento e material de consumo. Apesar de
possuirmos equipamentos adquiridos pelo Departamento de Bioquímica e Imunologia especificamente para este fim e da disponibilidade de todos os laboratórios do Departamento para o projeto, a total falta de recursos para a aquisição de material de consumo tem sido um problema constante que arrisca a continuidade do projeto. Há, ainda, durante o semestre, muita tensão e ansiedade do lado dos estudantes, que se vêm em dificuldades e não são socorridos pelos professores e monitores com soluções prontas, sendo obrigados a achar seu próprio caminho para solucionar os problemas. Esta é a ansiedade típica de quem não está habituado a enfrentar este tipo de problema, e ser capaz de vencê-la nos parece um significativo ganho pessoal para o estudante, que se torna consciente de que as soluções podem ser encontradas por ele mesmo. Graças a este método de ensino o Departamento de Bioquímica e Imunologia da UFMG tornou-se atraente para o estudante de Ciências Biológicas. Atualmente, os Biólogos constituem uma grande proporção - cerca de 60% - dos estudantes de pós-graduação de nosso Departamento. Quer estejam envolvidos em projetos nos laboratórios de pesquisa, quer estejam sendo orientados pelos professores e monitores da disciplina, os estudantes precisam pensar nos seus projetos, e não apenas executá-los. Neste processo, estes estudantes entram em contato com a pesquisa que está sendo executada no Departamento de Bioquímica e Imunologia. Esta abordagem tem sido utilizada com sucesso em nosso Departamento já há 13 anos, apesar de mudanças nas equipes de professores. Ela passou também a ser utilizada por disciplinas de Bioquímica Celular destinadas a outros cursos e por outros Departamentos do Instituto de Ciências Biológicas, a saber, os Departamentos de Biologia Geral e de Patologia Geral, já na década de 90. Seria preciso, entretanto, uma maneira de avaliar os efeitos nas carreiras daqueles estudantes que não seguem a carreira de pesquisador. Seria desejável que esta abordagem prática fosse, por exemplo, utilizada no ensino primário e secundário, partindo de alunos que optaram pela licenciatura. Entretanto, do ponto de vista do Departamento de Bioquímica, a experiência, apesar de trabalhosa, é positiva e deve continuar sendo executada nos anos que virão.
Agradecimentos: os equipamentos do laboratório de aulas práticas foram adquiridos com recursos do PROGRAD (1995) e PROIN (1996) patrocinados pelo Ministério da Educação e CAPES (Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal do Ensino Superior), respectivamente. Os autores agradecem aos professores, pesquisadores e estudantes de pós-graduação do Departamento de Bioquímica e Imunologia pela
disponibilização de seu tempo, equipamentos e material de consumo para a execução dos projetos, e aos chefes de Departamento no período de 1987 até o presente, pelo apoio à experiência. Agradecem, ainda, o apoio dado pela Sociedade Brasileira de Bioquímica através da realização anual de mesas de discussão sobre o ensino de Bioquímica em suas reuniões. Os autores agradecem em especial aos estudantes de Ciências
Biológicas, sem cujo entusiasmo esta experiência não seria tão agradável e rica.
Referências Bibliográficas
Cech, T.R. (2000) The ribosome is a ribozyme. Science. 289:878-879.
Lehninger, A.L., Nelson, D. L. & Cox, M. M. (1993) Principles of Biochemistry, second edition, Worth Publishers, New York, NY, EUA.
ribosomal peptidyl transferase center. Science 289: 947-950.
National Library of Medicine (NLM) PubMed http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ (consultado em 17 de agosto de 2000).
Nelson, D.L. & Cox, M. M. (2000) Lehninger Principles of Biochemistry, third edition, Worth Publishers, New York, NY, EUA.
