Aula VII 2013 – Biologia – Cursinho Ação Direta Continuação Respiração e Metabolismo Energético O processo de respiração tem como objetivo básico tornar possível extrair a energia química presente nos alimentos e utilizá-las nas diversas atividades metabólicas do organismo. A respiração acontece em dois níveis: no organismo (ventilação, troca de gases) e a nível celular (quebra das cadeias de carbono, liberação de energia química). Cada organismo vivo possui uma forma particular de captar o oxigênio (O2) do ar e levá-los até suas células. A captação de O2 é essencial para a produção de energia, pois este é utilizado em uma das fases da respiração celular. O sistema circulatório fechado (formado por veias, artérias e coração), por exemplo, não está presente em todas as formas vivas. Em nós o sangue é o responsável por levar até as nossas células o oxigênio que respiramos. Já em outros animais, como as águasvivas, que não possuem sistema circulatório, o oxigênio é passado por difusão de célula a célula da epiderme (pele). Alguns outros grupos, como os anfíbios (sapos e rãs, por exemplo) apesar de possuírem pulmões também realizam trocas gasosas através da pele, mas nesse caso o sistema circulatório está presente e contribui para a distribuição do oxigênio captado. Esquema explicativo sobre a respiração cutânea (pela pele) dos anfíbios. Respiração humana: A respiração é uma ação que pode ser regulada voluntariamente por nós (basta experimentarmos mudar a frequência de inspiração e expiração ou até mesmo prendermos a respiração), porém por se tratar de uma função extremamente vital há também o controle involuntário, aquele que não podemos conter, através de determinadas regiões do nosso cérebro (hipotálamo e telencéfalo), que são chamadas de “Centros Respiratórios”. Ou seja, por nossa própria vontade não conseguimos prender a respiração por muito tempo, logo o estímulo para que voltemos a respirar é muito intenso e voltamos a respirar. Atletas de natação, por exemplo, treinam muito para aprender a ampliar um pouco mais o tempo que conseguem permanecer de baixo d´água sem repirar. Em nosso sangue as hemácias, que contém o pigmento hemoglobina, são as responsáveis por transportar os gases (oxigênio e gás carbônico). Esquema explicativo sobre a regulação do sistema respiratório pelo sistema nervoso. Nós somos animais terrestres e diferentemente dos peixes não possuímos órgãos capazes de captar o oxigênio que está presente na água, como as brânquias. Também não temos a capacidade de respirar através de nossa pele que é bastante seca quando comparada, por exemplo, com a pele de um sapo. A umidade da pele dos sapos é uma característica fundamental para que eles possam através da difusão captar oxigênio do ar. Esquema de três tipos diferentes de sistema respiratório. I. Branquial, II. Traqueal e III Pulmonar. O corpo humano é formado pelas cavidades pulmonares. Um par de pulmões e órgãos que conduzem o ar para essas cavidades. Os órgãos são: nariz, epiglote, glote, faringe, laringe, traqueia, brônquios, bronquíolos, alvéolos. São as diferenças de pressão que regulam a entrada e saída do ar. Quando nossos pulmões estão vazios de ar (com baixa pressão) o ar atmosférico entra em nossos pulmões. E quando o nosso pulmão está cheio de ar (alta pressão) ele é passado para outras cavidades menores (como os alvéolos dos brônquios) que por estarem vazias, estão sobre baixa pressão. A saída do ar dos pulmões para o meio externo também é impulsionada pela diminuição da pressão nas cavidades pulmonares. Esquema explicativo do sistema respiratório humano. Os pulmões estão ligados ao sistema circulatório, como você pode observar na figura a seguir: Esquema do sistema circulatório humano Os pulmões tem por função oxigenar o sangue, mas esse processo vamos explicar depois. O sangue após ser oxigenado no pulmão é levado até o coração através da Veia Pulmonar, e este bombeia o sangue arterial (rico em O2) para todo o corpo, através da Artéria Aorta, para que o oxigênio chegue em todas as células e possa ser utilizado na produção de energia. Chegando no tecido alvo, a hemoglobina desliga-se do oxigênio e liga-se ao gás carbônico, que foi liberado pela produção de energia. A hemoglobina ligada ao CO2 faz parte do sangue venoso, que através da Veia Cava retorna ao coração para ser bombeado atrvés da Artéria Pulmonar até o pulmão e ser oxigenado novamente. Então lembre-se, o sangue venoso é rico em gás carbônico e o arterial em oxigênio. As veias são as que levam sangue até o coração e as artérias são as que saem do coração, por isso elas possuem paredes mais reforçadas para suportar a pressão com que o sangue é bombeado pelo coração. Quanto a oxigenação, o sangue captura nos alvéolos o oxigênio necessário para as células. A membrana alveolar é pouquíssimo espessa e o oxigênio se difunde por movimentos moleculares através dessa membrana por difusão, alcançando o sangue da mesma forma como a água e íons o alcançam. O oxigênio desliga-se da hemoglobina no sangue e é passado ao liquido intersticial, chegando assim próximo à membrana das células e alcançando o seu interior também por difusão. Esquema da troca de gases que ocorre entre o alvéolo pulmonar e o sangue Agora vamos entender como o alimento em nosso corpo participa da produção de energia. As particulas alimentares são processadas por uma imensa variedade de estruturas presentes nos grupos animais que podem iniciar a quebra das moléculas diretamente através de enzimas (exemplo das aranhas, que regurgitam ácidos para digerir a presa) ou passá-las por um processo conjunto de trituração e ação enzimática (trituração através do movimento das mandíbulas, atrito dos dentes e salivação - a saliva humana possui enzimas que agem diretamente na degradação de moléculas de carboidrato). Cada compartimento destinado a digestão em cada grupo animal possui uma atividade específica para digerir cada tipo de molécula: proteína, carboidratos e gorduras. Por exemplo, o estômago das aves tem duas partes: o estômago químico (que produz enzimas e ácidos necessários a digestão) e a moela ou estômago mecânico (que macera os alimentos com a ajuda de pedrinhas). Após essas diferentes etapas, o alimento está reduzido à partículas bem pequenas que são absorvidas através do tecido e conduzidas através de capilares, que são vasos bem pequenos, até as regiões intercelulares onde são difundidas no líquido intersticial. Líquido intersticial: Este fluído é uma solução aquosa clara e transparente presente entre as células de organismos multicelulares e é composto por aminoácidos, açúcares, ácidos graxos, coenzimas, neurotransmissores, sais, produtos residuais das células e também por hormônios. A composição do fluido depende das trocas entre as células do tecido biológico e do sangue. Isso significa que o fluido intersticial tem uma composição variada em diferentes áreas do corpo. É através de proteínas transportadoras acopladas na membrana celular que as proteínas e a glicose vinda da alimentação são conduzidas ao interior das células. Durante esse transporte há gasto de energia. As gorduras quando em moléculas pequenas ou como ácidos graxos podem passar por difusão através da membrana pois lembre-se que a membrana celular também é composta por lipídeos. Mas quando em tamanhos maiores ou na forma de quilomicrons, não passam devido ao tamanho. O oxigênio passa sempre por difusão pela membrana celular. Esquema representando as diferentes permeabilidades das moléculas à membrana celular. Falamos da Respiração no sentido de ventilação, e a partir de agora iremos falar da respiração celular. Este processo tem a função de gerar energia na célula. A energia da qual falamos aqui esta na forma da adenosina trifosfato ou mais comumente chamada de ATP. Essa energia esta armazenada na ligações dos três fosfatos dessa molécula. Existem duas principais formas de produzir o ATP: a Respiração Aeróbia e a Respiração Anaeróbia. Quadro sinóptico do Metabolismo Energético A Respiração Anaeróbia não consome O2 e é realizada por algumas bactérias. A fermentação é uma dos tipos de respiração anaeróbia e existem pelo menos três tipos dela. A fermentação alcoólica em leveduras e bactérias produz álcool etílico ou etanol. O álcool das bebidas alcoólicas (vinhos, cervejas) é proveniente desse processo, o qual é realizado por uma levedura Saccharomyces cerevisiae. Lembre-se que para essas bebidas passarem pela fermentação elas ficam lacradas em garrafas ou em toneis sem a presença de O2. Se houver gás oxigênio suficiente essas mesmas leveduras que fermentavam na ausencia de O2, vão agora produzir água e gás carbonico através da respiração aeróbia. Assim, as “bolhas” do interior do pão nada mais são do que o CO2 produzido pela respiração aeróbia que ficou preso na massa, fazendo com que ela “crescesse”. Então o que determina se essa levedura irá optar por um tipo de respiração ou outro é a presença ou ausência de oxigênio. Já os vinagres são produzidos através da fermentação acética por acetobastérias. Esses organismos estão presentes no ar e podem ser os responsáveis por “azedar” o vinho. Isso acontece quando o vinho é armazenado em garrafas cujas rolhas não vedam totalmente e permitem que o ar entre em contato com o vinho. E o último tipo é a fermentação lática, produzido por fungos, bactérias, protozoários e tecidos animais em geral. Se um musculo do seu corpo precisar produzir energia, mas faltar oxigênio para a respiração aeróbia, ele irá ganhar energia através da fermentação, produzindo o ácido lático. Mas isso fará com que haja maior gasto de glicose, já que a respiração aeróbia produz 38 ATPs por glicose e a respiração anaeróbia produz só 4 ATPs. A diferença entre as duas formas de respiração, além do uso de O2 e a quantidade de ATP produzido, são as fases. A glicólise é comum aos dois tipos de respiração, é a primeira fase e acontece no citosol, e não na mitocondria. Por isso que a respiração anaeróbia não ocorre na mitocondria. Na glicolise ocorre o quebra da molécula de glicose em piruvato. A respiração aeróbia além da glicólise tem outras duas fases chamadas Ciclo de Krebs e Cadeia Respiratória que acontecem na matriz mitocondrial e na membrana mitocondrial, respectivamente. Localização e estrutura da mitocôndria Recapitulando, a glicose entra na célula, sofre quebras através da fase de glicólise e transforma-se em piruvato. Este composto entra na mitocôndria e segue para a matriz onde o Ciclo de Krebs acontece., Esse ciclo nada mais é do que uma série de reações que levam a produção de CO2, elétrons energizados e íons H+, que ficam presos na molécula de NADH2 e FADH2. É nesta fase que outros alimentos fontes de energia, além da glicose, podem ser utilizados, como lipídeos e proteínas. Na última fase, a Cadeia Respiratória envolve uma série de reações de fosforilação oxidativa que culminam numa proteína localizada na membrana mitocondrial que produz o ATP, a ATP sintase. Assim, há liberação de CO2, H2O e é claro ATP. Posteriormente a energia armazenada no ATP é utilizada para várias atividades, como falar, comer, andar, pensar. Essas reações de fosforialação oxidativa envolvem o oxidação e a redução de moléculas. A oxidação acontece quando uma molécula perde elétrons e fica com carga mais positiva. O ganho de elétroons acontece no processo de redução, e a molécula reduzida fica com carga mais negativa. Numa reação químicam sempre que há oxidação de ums substânica ocorre simultaneamente a redução de outra. Esse tipo de reação entre moléculas é chamada de reação de oxirredução ou reação redox. Nesta aula, vamos lembrar apenas que os carboibratos (compostos por várias glicoses unidas) são provenientes da fotossíntese. Aprofundaremos esse processo na próximas aula sobre plantas. “O sol queimou, queimou a lama do rio Eu ví um chié andando devagar E um aratu pra lá e pra cá E um carangueijo andando pro sul Saiu do mangue, virou gabiru Ô Josué, eu nunca ví tamanha desgraça Quanto mais miséria tem, mais urubu ameaça Peguei um baláio, fui na feira roubar tomate e cebola Ia passando uma véia, pegou a minha cenoura “Aí minha véia, deixa a cenoura aqui Com a barriga vazia não consigo dormir” E com o bucho mais cheio começei a pensar Que eu me organizando posso desorganizar Que eu desorganizando posso me organizar Que eu me organizando posso desorganizar Da lama ao caos, do caos à lama Um homem roubado nunca se engana Da lama ao caos, do caos à lama Um homem roubado nunca se engana” Da Lama ao Caos, do Caos a Lama - Chico Science e Nação Zumbi, 1996 “Vi ontem um bicho, na imundície do pátio catando comida entre os detritos. Quando achava alguma coisa, não examinava nem cheirava: engolia com voracidade. O bicho não era um cão, não era um gato, não era um rato. O bicho, meu Deus, era um homem.” Manuel Bandeira, 1940 O Homem Gabiru “É uma simbologia para representar o homem comido pela fome, pela exploração no campo e nas cidades. É uma simbologia dos corpos famintos de alimento, moradia, saúde, previdência social, etc.” A estrutura do Homem Gabiru é a de um homem de estatura muito reduzida, pequeno e franzino. A causa dessa fisionomia não é genética, trata-se de uma grave consequência de uma dieta pobre em proteínas. É uma fome proteíca e ancestral, gerações de homens nas mesmas condições sociais apresentam essa característica. “A baixa estatura de Amaro é chamada pelos especialistas de nanismo nutricional. Amaro tem esse tamanho não por definição genética, como acontece com os pigmeus africanos, que não passam de 1,50 metro de altura, mas por fome e má alimentação. Ou seja, ao contrário dos africanos pigmeus, ele não transmite seu nanismo para a geração seguinte. A dieta básica com que Amaro foi alimentado era paupérrima. "Eu comia banana, jaca e mingau de água com farinha e só", diz. Carne raramente, e só de caça: tatu, rato-do-mato e teju — uma espécie de lagarto. "Não gosto nem de lembrar da fome que passei." Mesmo adulto, Amaro continuou tendo uma alimentação deficiente. Enfrentava dez horas de corte de cana com apenas um café ralo e feijão com farinha. Ele só conheceu arroz e carne de vaca depois dos 20 anos, e, mesmo assim, esses dois itens quase nunca entravam no seu cardápio.” A glicose geralmente é a primeira escolha do organismo humano para a produção de energia. Se há uma produção adequada de energia os aminoácidos das proteínas são serão utilizados para esse fim energético, mas sim para a construção ou manutenção estrutural do indivíduo. Lembre-se que os músculos, por exemplo, são compostos por proteína. Caso o organismo tenha consumido a energia suficiente para as atividades diárias, não necessite de reparo ou crescimento estrutural e ainda sim sobrar energia, esta é armazenada, por exemplo, no músculo na forma de glicogênio. Mas se há algum deficiencia nutricional, qualquer alimento será utilizado como fonte energética e não acontecerá um ganho na estrutura ou o armazenamento energético, o que pode ser a causa do “nanismo nutricional”. Distúrbios Alimentares Os disturbios alimentares são um conjunto de doenças, em que uma pessoa está tão preocupada com a comida e o seu peso que muita das vezes não consegue pensar noutra coisa. Os principais tipos de distúrbios alimentares são a anorexia nervosa, bulimia nervosa e compulsão alimentar. Anorexia nervosa é um distúrbio alimentar grave potencialmente fatal de perda de peso excessivo, no qual a pessoa procura uma extrema magreza, levando a pessoa a tomar estratégias para perder peso. É caracterizada pela recusa em manter um peso corporal e um medo obsessivo de ganhar peso devido a uma distorcida imagem de si próprio, que pode ser mantido por conclusões erradas, com base cognitiva ao invés de provas, que alteram a forma como o indivíduo afectado avalia o seu corpo, e a comida que come. Sendo caracterizada por ser uma doença complexa, a anorexia nervosa envolve problemas sociais, fisiológicos e psicológicos. Uma pessoa que seja anoréxica pode ser também chamada de bulímica.Para os jovens adolescentes de ambos os sexos, pode estar ligada à auto-imagem, dismorfia e dificuldade em ser aceite pelo grupo, com mais tendência se houver um quadro neurótico (do tipo obsessivo-compulsivo) ou uma história de abuso ou de bullying. As pessoas que têm bulimia podem ter compulsão alimentar, porque lhes dá uma sensação de conforto. Mas comer muito faz-nos sentir fora de controle. Depois do frenesim, sentem vergonha, culpa e medo de ganhar peso. Isso faz com que utilizem métodos para ser livrarem da comida que ingeriram. Tanto podem vomitar, como fazer exercícios em demasia, ou usar medicamentos como laxantes, o que importa para eles naquela aflição é livrarem-se da comida porque acham que comeram muito, ou que nem deviam ter tocado na comida. As pessoas com compulsão alimentar comem uma quantidade anormalmente grande de comida, sentem-se fora de controlo e incapacidade de parar. Um episodio de compulsão alimentar pode durar duas horas, ou a maior parte do dia. Ao contrário da bulimia ou anorexia, as pessoas com compulsão alimentar não vomitam nem fazem muito exercício físico nem comem apenas pequenas quantidades de apenas certos alimentos. Devido a isso, as pessoas com compulsão alimentar são frequentemente obesos ou com excesso de peso. Anemia Falciforme As hemácias ou células sanguíneas que realizam o transporte do oxigênio possuem um pigmento chamado Hemoglobina. A Hemoglobina (Hb) é uma metaloproteína composta por ferro. Uma mutação em gene que controla a formação das cadeias proteícas formadoras da Hemoglobina gera uma variação, chamada Hb S. A alteração na cadeia de proteínas altera a conformação da proteína toda. Hemácias que contém Hb S tem sua forma alterada. Uma hemácia normal é bastante elástica e possui formato esférico já a mutagênica é mais rígida e possui um formato semelhante a uma foice. As hemácias alteradas podem afetar a circulação sanguínea, entupindo os vasos, interrompendo o fluxo e dimuindo e o suprimento de oxigênio. É considerado doença, chamada Anemia Falciforme, quando um individuo é homozigoto (gene herdado de ambos os pais) para a característica e possui todas as suas hemácias produzidas em formato de foice. As consequencias são anemia, alto risco de infecções e obstrução de vasos sangüíneos, com crises de dor, e risco de infartamento e necrose nos órgãos. Não há um tratamento que possa curar essa doença, ela pode ser diagnosticada bem cedo por meio do teste do pezinho e a partir daí ser dado início a um acompanhamento multiprofissional. Adaptações humanas às diferentes de altitude e disponibilidade de oxigênio Pessoas que vivem em cidades de grandes altitudes, com a cidade do México, La Paz, na Bolívia, e Bogotá, na Colômbia, têm mais hemoglobina no sangue e maior frequência cardiorrespiratória. Isso acontece porque acima de 3 000 metros de altura o ar é rarefeito, o que faz com que a pressão atmosférica e, consequentemente, a pressão parcial de O2 sejam reduzidas. Atletas que moram em locais de baixas altitudes e viagem para competir em regiões muito altas podem manifestar cansaço, dor de cabeça, náuseas e taquicardia. Viajar para o local um tempo antes da competição permite que o organismo se adapte, pois os rins, submetidos a concentração reduzida de oxigênio, secretam eritropoetina, hormônio que estimula a medula óssea vermelha a produzir maior quantidade de hemoglobina e hemácias. EXERCÍCIOS: 01. (Fuvest-SP) As mitocôndrias são consideradas as “casas de força” das células vivas. Tal analogia refere-se ao fato de as mitocôndrias: a) estocarem moléculas de ATP produzidas na digestão de alimentos. b) produzirem ATP com utilização de energia liberada na oxidação de moléculas orgânicas. c) consumirem moléculas de ATP na síntese de glicogênio ou de amido a partir de glicose. d) serem capazes de absorver energia luminosa utilizada na síntese de ATP. e) produzirem ATP a partir da energia liberada na síntese de amido ou de glicogênio. 02. (FUVEST) Jogadores de futebol que vive em altitudes próximas ao nível do mar sofrem adaptações quando jogam em cidades de grande altitude. Algumas adaptações são imediatas, outras só ocorrem após uma permanência de pelo menos três semanas. Qual alternativa inclui as realizações imediatas e as que podem ocorrer em longo prazo? a) aumentam a freqüência respiratória, os batimentos cardíacos e a pressão arterial, em longo prazo diminui o número de hemácias; b) diminuem a freqüência respiratória e os batimentos cardíacos; diminui a pressão arterial, em longo prazo aumenta o número de hemácias c) aumentam a freqüência respiratória e os batimentos cardíacos; diminui a pressão arterial em longo prazo diminui o número de hemácias; d) aumentam a freqüência respiratória, os batimentos cardíacos e a pressão arterial, em longo prazo aumenta o número de hemácias; e) diminuem a freqüência respiratória, os batimentos cardíacos e a pressão arterial, em longo prazo aumenta o número de hemácias. 03. (CESGRANRIO-RJ). No desenho acima é mostrado um animal que apresenta o sistema respiratório típico do grupo a que pertence. Nesse grupo, a respiração é do tipo: a) traqueal e cutânea b) somente traqueal c) somente cutânea d) somente branquial e) pela hipófise 04. (UFPR-PR). 0 transporte de oxigênio no organismo humano se faz principalmente: a) através dos leucócitos. b) através do plasma sangüíneo c) tanto pela hemoglobina plasmática como pela existente no interior das hemácias, quando a taxa de hemoglobina é normal. d) através da hemoglobina existente nas hemácias e) na dependência de boa função plaquetária 05. (UFJF-MG). Os esquemas abaixo representam sistemas respiratórios. Os insetos terrestres apresentam sistemas respiratórios apenas: a) dos tipos I e II b) dos tipos II e III c) dos tipos III e I d) do tipo I e) do tipo II 06. (CESGRANRIO-RJ) Nos esquemas anteriores o aparelho respiratório humano está sendo representado e neles são localizadas suas principais estruturas, tais como: vias aéreas superiores, traquéia, brônquios, bronquíolos,bronquíolos terminais e sacos alveolares, que se encontram numerados. Sobre este desenho são feitas três afirmativas: I - Em 4, o ar passa em direção aos pulmões após ter sido aquecido em 1. II - Em 6, o oxigênio do ar penetra nos vasos sangüíneos, sendo o fenômeno conhecido como hematose. Ill - Em 8, o gás carbônico proveniente do sangue passa para o ar. Assinale: a) se somente I for correta. d) se somente I e III forem corretas. b) se somente II for correta. e) se I, II e III forem corretas. c) se somente I e II forem corretas. 07. Os órgãos que compõem o sistema respiratório são respectivamente: a) nariz, esôfago, traqueia, epiglote, brônquio, bronquíolo e alvéolo. b) nariz, epiglote, glote, faringe, laringe, traqueia, bronquíolo, brônquio, alvéolo. c) nariz, glote, laringe, traqueia, faringe, brônquio, bronquíolos e alvéolos. d) nariz, epiglote, glote, faringe, laringe, traqueia, brônquios, bronquíolos, alvéolos. 08. A função do nariz não é simplesmente a entrada e saída do ar. O nariz também tem função de: a) aquecer, umidificar e filtrar o ar. b) aquecer e filtrar o ar. c) aquecer e umidificar o ar. d) umidificar e filtrar o ar. e) nenhuma das alternativas está correta. 9. O processo pelo qual a troca dos gases oxigênio e gás carbônico nos alvéolos ocorre é por: a) difusão. b) osmose. c) transporte passivo. d) nenhuma das anteriores. 10. De que forma se dá a troca gasosa? a) Respiração externa garantida pelo aparelho respiratório. b) Pelo transporte de gases feito pelo sangue. c) Respiração interna garantida pelos capilares à função de cada órgão. d) Alternativas a, b e c estão incorretas. e) Alternativas a, b e c estão corretas. 11. (UFPR-2012/2013) A ventilação que ocorre nos pulmões pode ser medida pela quantidade de ar trocada por um determinado intervalo de tempo, como é o caso do volume minuto (L/min). Assinale a figura que representa a relação entre ventilação pulmonar e pressão de CO2 arterial. 12. (ENEM 2012) Há milhares de anos o homem faz uso da biotecnologia para a produção de alimentos como pães, cervejas e vinhos. Na fabricação de pães, por exemplo, são usados fungos unicelulares, chamados de leveduras, que são comercializados como fermento biológico. Eles são usados para promover o crescimento da massa, deixando-a leve e macia. O crescimento da massa do pão pelo processo citado é resultante da: A) liberação de gás carbônico. B) formação de ácido lático. C) formação de água. D) produção de ATP. E) liberação de calor. 13.(UFPR 2012/2013) A figura abaixo representa o transporte de elétrons (e-) pela cadeia respiratória presente na membrana interna das mitocôndrias. Cada complexo possui metais que recebem e doam elétrons de acordo com seu potencial redox, na sequência descrita. Caso uma droga iniba o funcionamento do citocromo c (cit. c), como ficarão os estados redox dos componentes da cadeia?